鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓抗滑移連接件滑移系數(shù)研究

李俊敏，王勇，周雨

（1.南京理工大學紫金學院，江蘇 南京 210023；2.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州 221006；3.徐州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 徐州 221000）

0 前言

高強度螺栓因為施工簡便、迅速、耐腐蝕性能好、焊接性能好等優(yōu)點，目前已成為鋼結(jié)構(gòu)工程連接的重要手段。而被連接件與連接件之間的摩擦力用來抵抗鋼件滑移的，而該摩擦力將決定了高強度螺栓的承載能力，由此產(chǎn)生了滑移系數(shù)。

因此，該承載能力主要是由鈑金件之間的抗滑移系數(shù)決定的。同時，兩個鈑金件之間的摩擦阻力也是由抗滑移系數(shù)也決定的。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》（GBJ50205-2001）和國家標準《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》（JGJ 82-2011）的規(guī)定，要求鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造后和安裝前，必須進行抗滑移系數(shù)的試驗測定以及復(fù)驗。依據(jù)《鐵路鋼橋栓接板面抗滑移系數(shù)試驗方法》（TB/T 2137-1990）規(guī)定，高強度螺栓和抗滑移連接件的抗滑移系數(shù)在安裝前必須確認，抗滑移系數(shù)必須高于高強度螺栓和抗滑移連接件出廠時的設(shè)計要求，只有在確認滿足該條件時才能使用。

目前，在關(guān)于不銹鋼類的螺栓連接節(jié)點的承載力的研究方面，國外一些專家取得了一些的成果。KIM等人[1]通過多個試驗，并根據(jù)試驗獲得的數(shù)值，研究了關(guān)于連接薄鋼板的凈截面和該薄鋼板的承壓承載能力的設(shè)計方法，根據(jù)該設(shè)計方法將獲得關(guān)于該螺栓連接的極限承載力和相應(yīng)的失效模式，并估計了螺栓失效和翹曲的失效準則。Bouchai等人[2]對奧氏體不銹鋼蓋板連接和T型銜接進行了參數(shù)分析，對蓋板連接考慮了位移限值，而T型連接具有一定的特殊性，其破壞模式的影響需考慮不斷增加的載荷。通過摩擦性螺栓連接的兩個鋼件之間發(fā)生滑移將成為該連接的破壞準則，因此摩擦型螺栓連接的承載能力主要與摩擦表面的預(yù)壓值和滑動系數(shù)有關(guān)。

本文對Q235螺栓抗滑儀連接件的抗滑移系數(shù)進行了試驗研究，參考《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程JGJ82-2011》，采用了直徑為20mm，性能等級為10.9s級，材質(zhì)為40Cr高強度螺栓。試驗分兩個階段進行，對兩個階段高強度螺栓連接件抗滑移效果的影響進行了比較，得到相應(yīng)的抗滑移系數(shù)，得出改善結(jié)果。

1 螺栓連接摩擦面的抗滑移系數(shù)理論分析

螺栓連接的受力形式主要分為兩種：摩擦型連接和承壓型連接，這兩種連接方式在承受外力時所采用的計算公式各不相同。

1.1 高強螺栓摩擦型連接計算

將鈑金件作為連接件和被連接件時，鈑金件之間將產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力決定了摩擦型連接件的工作載荷。在抗剪設(shè)計中，外部載荷不能超過該摩擦力，因此，該摩擦力決定了連接件的承載力，而摩擦力是由連接件的預(yù)緊力、抗滑移系數(shù)和剪切面有關(guān)。故該連接件的抗剪承載力的計算方式為：

式中：0.9—抗力系數(shù)；nf—摩擦面?zhèn)€數(shù)；μ—摩擦面滑移系數(shù)；P—一個高強螺栓的預(yù)緊力。

一個摩擦型高強螺栓連接的抗力承載力設(shè)計值為：

式中：Nt為在承受外力的影響下，高強度螺栓的軸向拉力，且當摩擦型高強螺栓的連接件同時承受剪力和拉力時，一個螺栓受剪承載力設(shè)計值為：

式中：Nv為一個高強螺栓所承受的剪力。

根據(jù)以上計算公式，摩擦型高強螺栓連接時所采用的承載力與連接板的厚度沒有關(guān)系。

1.2 高強度螺栓承壓型連接計算

對于高強度螺栓承壓型的連接中，其正常受力狀態(tài)為連接件和被連接件之間出現(xiàn)相對滑移。當螺栓因自身受到剪切力而被破壞，或螺栓孔壁因承壓而被破壞時的所承受的承載力作為極限狀態(tài)，以該狀態(tài)作為設(shè)計準則。

一個承壓型高強螺栓連接的抗剪承載力設(shè)計值為：

式中：nv—剪切面?zhèn)€數(shù)；d—螺栓桿直徑，當剪切面在螺紋處時，按有效面積計算—螺栓的抗剪強度設(shè)計值。

一個承壓型高強螺栓連接的孔壁承壓承載力設(shè)計值為：

高強螺栓承壓型抗滑移連接件抗剪承載力為：

一個高強螺栓承壓型連接同時承受剪力和螺栓軸向拉力時，螺栓的承載力設(shè)計值為：

抗滑移系數(shù)只與材料的才材質(zhì)和摩擦面的處理方法有關(guān)，符合JG82-91規(guī)范。根據(jù)以上公式，在同等條件下，若采用承壓型連接，其承載力高于摩擦型連接；采用承壓型連接時，將減少螺栓用量，減少用鋼量。但承壓型連接時產(chǎn)生的剪切變形將大于摩擦型連接，且動力性能不如摩擦型連接。故承壓型連接智能用于以下三種情況：僅僅承受靜力載荷、允許少量滑動位移和間接承受動載荷。

2 螺栓連接摩擦面的抗滑移系數(shù)試驗研究

2.1 試驗總體設(shè)計

本試驗研究抗滑移連接件對摩擦面質(zhì)量的影響，將從板材材質(zhì)、摩擦面的處理，以及存放時間等多個因素進行研究，將該試驗共分為兩個階段，總體設(shè)計方案如表1所示。

表1 總體設(shè)計方案

第一階段主要研究存放時間7天情況下摩擦面抗滑移系數(shù)的影響，通過兩種拋丸方式的實際試驗驗證兩種拋丸方式對抗滑移系數(shù)影響的程度。第二階段主要是在第一階段的基礎(chǔ)上對存放時間為180天的試件，進行兩種拋丸方式的對比研究，對比兩個階段給出詳細的分析。

2.2 試件選擇

根據(jù)規(guī)程JGJ82-91規(guī)定，選擇試驗選用二栓型式的試件，高強度螺栓采用材質(zhì)為40Cr，性能等級為10.9s級，直徑20mm，鋼板采用材質(zhì)為Q235鋼。試驗選用三種摩擦面處理方式，即鋼絲刷清除浮銹、正面拋丸和常規(guī)拋丸。試驗共計有15套試件，每種摩擦面處理方式各選用5套。構(gòu)件尺寸見表2所示，經(jīng)驗算，板件凈截面在拉伸過程中都處于彈性工作狀態(tài)。

表2 試件尺寸

2.3 試驗用儀器設(shè)備

①拉力試驗機：采用YE-200液壓式壓力機（濟南試金集團有限公司）圖1所示。

②自制輔助設(shè)備采集系統(tǒng)：輔助設(shè)備安裝微位移傳感器，微位移傳感器采用彈簧復(fù)位直線位移傳感器，其最高精度可達0.005-0.0001mm，采集栓接板兩腹板的位移量。應(yīng)變測試系統(tǒng)采用DH3817動靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)（江蘇東華測試技術(shù)有限公司），是一種高靈敏度、低漂移、全智能化多點巡回采樣的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。如圖2所示。

③電阻應(yīng)變片若干，采用膠基應(yīng)變片，型號為BX120-2AA，規(guī)格為2×1，靈敏度為2.06%。應(yīng)變片粘貼按有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

圖1 液壓式拉伸試驗機圖

圖2 DH3817數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 試驗測試過程

第一階段將鋼板試件在干燥的環(huán)境下存放一周后進行試驗，嚴禁生赤銹，編號S1-S15。第二階段存放時間180d的正面拋丸5套、常規(guī)拋丸5套，以此來驗證正面拋丸是否具有優(yōu)越性。剩余5套常規(guī)拋丸試件用于檢驗軸力計和粘貼應(yīng)變片控制預(yù)緊力的對比，編號為D1-D15。在高強度螺栓上增加了螺桿粘貼面的個數(shù)，選用4個粘貼面，并且在施加預(yù)緊力方面采用軸力計和應(yīng)變片兩種方法進行控制，并進行對比，即在一側(cè)兩個螺栓孔上安裝軸力計及其配套的高強度螺栓，另一側(cè)兩個螺栓孔采用安裝粘貼有4個應(yīng)變片的高強度螺栓，加工成四面的高強度螺栓試件。并用數(shù)顯扭力扳手施加預(yù)緊力。

3.1 試驗準備

①試驗前所有儀器必須進行系統(tǒng)標定。

②選取足夠數(shù)量的高輕度螺栓，在螺栓無螺紋處進行處理（砂紙打磨、用丙酮清洗），然后把加工好的高強度螺栓按照要求粘貼應(yīng)變傳感器（圖3所示），防止應(yīng)變片在試驗過程中被破壞，在測試過程中，引出測試導(dǎo)線，做好防護?；蛘呤窃谄渌饬鬟f到應(yīng)變片上造成測量誤差，同時做好相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)記錄，并進行編號工作（圖4所示）。

③清理加工好的板件，清除掉鋼板構(gòu)件上的毛刺、飛邊以、污垢、未處理方式構(gòu)件上的浮銹以及螺栓螺紋內(nèi)的污垢，將已加工的摩擦面鋼板依次疊好，最后進行構(gòu)件的組裝，并按照不同的處理方式進行測試構(gòu)件的編號工作。

3.2 測試步驟

①進行標定試驗，在拉力機上，對試件軸向進行拉力標定試驗。

圖3 高強度螺栓實物圖

圖4 試件組裝及螺栓編號

②組裝完試件，然后將試件放在壓力試驗機上，嚴格對齊試件的軸線和夾具的中心。開始調(diào)試相應(yīng)的試驗設(shè)備。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程JGJ82-2011》，緊固高強度螺栓分兩步完成，首先初擰，然后終擰。初擰時，螺栓預(yù)緊力為規(guī)定值的50%。終擰時，預(yù)緊力在0.95P～1.05P之間，并使用電阻應(yīng)變儀測量該螺栓預(yù)緊力，預(yù)緊的同時由PLC采集該預(yù)緊力。

③將該試件放置于輔助裝置和試驗機的夾具中，試件的中心必須與夾具的中心對齊，為抗滑移試驗準備，試驗機和檢測儀器同時調(diào)零。

④對試件進行加載試驗。首先，將加載的載荷為抗滑移設(shè)計值的10%左右，等待1min后，觀察試驗機的狀況，再平穩(wěn)增加符合，加載的速度為3～5kN/s，直到滑動破壞，輔助裝置測得此時滑移載荷，PLC采集數(shù)據(jù)傳送到上位機，并保存實驗數(shù)據(jù)。

在試驗過程中，若發(fā)生下列情況，則增加的載荷值將作為試件的滑移載荷：

a.試驗機發(fā)生回針現(xiàn)象；

b.試件側(cè)面劃線發(fā)生錯動；

c.記錄儀上變形曲線的突變；

d.試件突然發(fā)出“嘣”的響聲。

4 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

4.1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

抗滑移系數(shù)計算公式8所示：

式中：Nv—測量的實際滑移載荷值（kN）；

nf—力傳遞摩擦面系數(shù)，nf=2；

m—試件一側(cè)螺栓數(shù)量，雙栓試件，m取2。

高強度螺栓實際的預(yù)緊力的計算按照公式9計算，

式中：P—規(guī)范規(guī)定的螺栓預(yù)拉力P=155kN；

A0—剖面處有效應(yīng)力面積；

E—彈性模量E=2.1×105N/mm2。

第一階段統(tǒng)計數(shù)據(jù)記錄如表2所示，第二階段統(tǒng)計數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 第一階段試驗結(jié)果

表4 第二階段試驗結(jié)果

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過上位機采集的數(shù)據(jù)及根據(jù)表2和表3工程試驗數(shù)據(jù)可以看出：

①在存儲時間達到80d后，通過正面噴丸的試件的抗滑移系數(shù)的平均值比采用常規(guī)噴丸的試件高出5%。采用正面噴丸后，板件收到的沖擊力較大，粗糙度較高，能夠產(chǎn)生更大的摩擦力和更高的抗滑移系數(shù)。

②通過比較試驗的兩個不同的階段，采用相同的噴丸方式后，正面噴丸和常規(guī)噴丸的抗滑移系數(shù)均隨著存儲時間的增加而提高，且采用正面噴丸的抗滑移系數(shù)高于常規(guī)噴丸6%。

③根據(jù)在第二階段試驗中栓桿上粘貼應(yīng)變片所得到的應(yīng)變，測試中一個螺桿上不管粘貼兩個還是四個應(yīng)變片的應(yīng)變結(jié)果均是不等的。這充分說明螺栓上的軸力是不均勻的，因此在使用應(yīng)變片測試控制預(yù)緊力時，必須保證在螺栓上至少對稱布置一對應(yīng)變傳感器，并取其平均值來計算螺栓的預(yù)緊力。

④根據(jù)抗滑移系數(shù)結(jié)果統(tǒng)計，在每個螺桿上粘貼4個應(yīng)變片的試件得到的抗滑移系數(shù)均符合規(guī)范0.45的要求，并且有四套試件的滑移發(fā)生在安裝軸力計一側(cè)。

⑤根據(jù)整個試驗的操作過程以及試驗的結(jié)果得到，安裝軸力計的試件操作比較簡單，而且容易控制其軸力的大小，但在螺栓施加扭力的過程中螺栓的預(yù)緊力是不均勻的，在軸力計上是無法反應(yīng)出來，它并不能完全反應(yīng)螺栓實際的軸力，違背了50205-2001中的明確規(guī)定：抗滑移試驗中要采用同批同一性能等級的高強度螺栓連接副。因為安裝軸力計要占用一定的螺栓長度，而實際工程中沒有相匹配的螺栓，因此軸力計必須有與其相配套的特殊加長的高強度螺栓，實際操作中還要重復(fù)使用，這不能保證高強度螺栓同批、同一性能等級的要求。從這些層面上來說選擇粘貼應(yīng)變片的方式測試抗滑移系數(shù)準確定較高。

5 結(jié)論

高強度螺栓的連接件的抗滑儀系數(shù)的試驗對工程質(zhì)量和安全性具有極為重要的作用。根據(jù)兩個階段試驗結(jié)果可以得到：

①現(xiàn)有規(guī)范中規(guī)定的未處理方式或者鋼絲球清除浮銹的方式試件滑移系數(shù)不低于0.3的規(guī)定是可以保證的；

②將常規(guī)噴丸和正面噴丸的除銹方式做比較，正面噴丸具有更大的優(yōu)越性。但正面噴丸在除銹過程中，對鈑金件具有較大的沖擊力，經(jīng)過正面噴丸的樣件的表面具有更大的粗糙度。故采用正面噴丸的除銹方式，不但可以提高樣件的抗滑移系數(shù)，而且久而久之，該樣件的抗滑移系數(shù)的增長幅度明顯比采用常規(guī)噴丸的方式高。

③當鋼材在干燥的環(huán)境中存放時，存放時間將影響抗滑移系數(shù)，存放的時間越長，經(jīng)過處理的樣件的抗滑系數(shù)就越大。

④對于高強度螺栓的預(yù)拉力的控制方式中，使用軸力計的方式操作簡單，便于控制；使用粘貼應(yīng)變片的方式操作復(fù)雜，要求高，但獲得的數(shù)據(jù)真實，可信度高；使用扭力扳手的方式獲得的數(shù)據(jù)較離散，可靠性不高。經(jīng)比較，并根據(jù)相關(guān)文獻不得重復(fù)使用螺栓副的要求，通過將應(yīng)變片粘貼在螺桿上控制預(yù)拉力的方式更可靠。