自锁式单向高强螺栓预拉力与扭矩关系的试验研究

蒋蕴涵，李国强，陈　琛，侯兆新 

摘要： 单向螺栓是一种仅在一侧操作便能完成安装的螺栓，因此在闭口截面构件中的连接具有优势。预拉力是保障高强度螺栓连接抗拉刚度的重要参数，但单向螺栓的预拉力和扭矩之间的关系尚不明确。分析了自锁式单向高强螺栓在安装过程与拉伸过程中的受力情况，给出了单向螺栓预拉力的计算方法。对于三种直径、两种强度的标准化自锁式单向螺栓和非标准化自锁式单向螺栓进行了拉伸试验，并基于拉伸试验的荷载-位移曲线，得到了不同型号自锁式单向螺栓在不同拉伸试验中的钢板分离荷载，并根据公式计算得到了单向螺栓在不同安装扭矩下的预拉力值。参考同型号的高强度螺栓给出了自锁式单向高强螺栓的建议安装扭矩和预拉力值，单向螺栓可达到普通高强度螺栓预拉力值的90%以上。

关键词： 自锁式单向高强螺栓；钢板分离荷载；预拉力；扭矩；试验研究

Abstract： Due to the fact that blind bolts may only be inserted on one side for connecting steel components， they are advantageous for connecting steel members with closed cross-sections. Pre-tension is an essential characteristic for ensuring the tensile stiffness of a high-strength bolt connection， however the relation between pre-tension and blind bolt torque is unclear. This work examines the stress state of a self-lock high-strength blind bolt during installation and tensioning， and provides a technique for calculating its pre-tension. On the basis of the load-displacement curve of a tensile test， the steel plate separation load of various kinds of self-lock blind bolts in various tensile tests is determined， and the pre-tension value of blind bolts under various installation torques is calculated using the formula. Referring to the same kind of high-strength bolt， the suggested installation torque and pre-tension value of self-lock high-strength blind bolts， which can reach more than 90 percent of that of conventional high-strength bolts， are specified.

Keywords： self-lock high-strength blind bolt；steel plate separation load；pre-tension；torque；experimental study

单向螺栓是一种仅在一个方向操作便能完成安装的螺栓，适用于闭口截面构件的节点连接。英国Lindapter International公司研发的Hollo-Bolt是应用最广泛的单向螺栓 ^[1] ，其由5个部件组成：全螺纹螺杆、套筒、钢垫圈、橡胶垫圈和锥头，如图1所示，其安装完成如图2所示。  

图1　Hollo-Bolt螺栓组成部件

Fig.1　Components of Hollo-Bolt  

图2　Hollo-Bolt安装前、后示意图

Fig.2　Before and after installation diagrams of Hollo-Bolt

Hollo-Bolt在拉伸过程中可能会发生套筒四肢断裂先于螺杆断裂，其抗拉承载力不稳定 ^[2-4] 。张杰华 ^[5] 、李国强等 ^[6-7] 通过改进套管和锥头的材料及表面处理工艺研发了国产自锁式单向螺栓（nonstandard blind bolt，NBB），解决了该问题。

NBB为了适配不同钢板厚度，各个直径的单向螺栓均有三种不同的型号，关键的区别在于使用的套筒长度与开缝长度不同，这增加了NBB的成本。为了解决这个问题，考虑对于一种直径的单向螺栓仅用一种长度与开缝长度的开缝套筒，而钢板厚度增加后叠加不开缝的圆钢管代替，将这种新型单向螺栓命名为（standard blind bolt，SBB），如图3所示。

图3　国产自锁式单向高强度螺栓

Fig.3　Domestic self-lock blind bolts

在Hollo-Bolt ^[2-4] 和NBB ^[5-7] 的拉伸试验中发现，自锁式单向螺栓的拉伸刚度较小，蒋蕴涵等 ^[8] 指出其主要原因是其预拉力较小导致预拉力在拉伸过程中较早丧失，钢板不再提供额外刚度，故而拉伸刚度较小，严仁章等 ^[9] 也指出自锁式单向螺栓安装所需扭矩比同等级高强度螺栓安装所需扭矩大。

为使单向螺栓达到同等级高强度螺栓的预拉力，需要增大其安装扭矩，本文对三种直径、二种强度等级的单向螺栓进行试验研究，确定国产自锁式单向高强度螺栓达到与高强度螺栓接近的预拉力所需的安装扭矩，并给出了各个等级型号单向螺栓的预拉力和安装扭矩的建议值。

2　单向螺栓安装与受拉过程中的力学分析

单向螺栓在安装过程中，外扭矩作用在螺栓头上，在单向螺栓内产生预拉力，在连接钢板之间产生挤压力，完成安装后外扭矩释放，单向螺栓内的预拉力和连接钢板之间的挤压力达到平衡。如图4所示，将连接钢板简化为刚性板Plate，刚度无穷大，钢板之间的挤压关系简化为仅可压缩的弹簧k _plate ，而单向螺栓简化为仅可拉伸的弹簧k _bolt ，连接钢板的压缩变形和单向螺栓的拉伸变形分别由这两个弹簧来描述。  

图4　单向螺栓连接钢板简化模型

Fig.4　Simplified models of blind bolted steel plate

由上述分析可知，单向螺栓安装完成后：

在拉伸过程中，当外荷载拉力小于预拉力时，单向螺栓保持受拉而钢板保持受压。在这个过程中，钢板的回弹变形w _plate 和单向螺栓的拉伸变形w _bolt 相等，同样也等于两块Plate之间的相对位移w，而位移w是可以通过放置在两块钢板之间的位移计测量得到的。于是有下列等式：

图5　拉伸过程简化模型

Fig.5　Simplified model of tensile process

3　单向螺栓测量预拉力试验

3.1　单向螺栓选用

在拉伸试验中需要保证连接钢板不发生过大的变形，需要的连接钢板较厚，故此次试验中选用较长的单向螺栓，具体的型号如表1所示，共有三种直径、二种等级、二种套筒形式共12个型号的单向螺栓。

3.2　辅助连接件

对于辅助试件的设计，考虑连接钢板需要足够的厚度，设计了如图6所示的拉伸试验装置A和B _i （i=1、i=2、i=3），对于三种直径的单向螺栓，试件A是通用的，三种试件 B _i 对应了三种单向螺栓。

图6　辅助连接件（单位：mm）

Fig.6　Auxiliary connectors （Unit：mm）

3.3　试验方案

（1）初次预估安装扭矩：在文献[8]中，8.8-NSZD16-120在安装扭矩400N?m时的预拉力为60kN。根据此结果，估算出此次试验中各个型号单向螺栓达到相应预拉力值 ^[10] 所需的安装扭矩，如表2所示，后续依据试验结果进行相应的调整。

（2）安装单向螺栓：按照设定的扭矩值采用电动扭矩扳手将单向螺栓安装在两个连接件B _i 上，然后通过辅助螺栓与试件A相连，最后将整个连接件固定在万能试验机上，在连接钢板之间采用位移计记录钢板的位移，如图7所示。

图7　单向螺栓拉伸试验

Fig.7　Tensile test of blind bolts

（3）加载：采用静力加载的方式进行加载，加载速率为150N?s ^-1 ，直至单向螺栓拉断破坏。

（4）获取试验结果：根据拉伸试验得到荷载-位移曲线，分析荷载-位移曲线可以计算出当前安装扭矩下单向螺栓的预拉力值，根据预拉力值评估是否调整安装扭矩再次进行试验，预期得到表2给定的相应单向螺栓所应达到的预拉力值。

3.4　试验结果

对12种型号的单向螺栓总共进行了41个拉伸试验，记录了各个型号的单向螺栓在不同安装扭矩下的荷载-位移曲线，如图8所示。

图8　单向螺栓荷载-位移曲线

Fig.8　Load-displacement curves of blind bolts

分析上述荷载-位移曲线，可以看出单向螺栓的拉伸过程可以分为3个阶段：

（1）阶段1：在预拉力作用下，连接钢板受压，这一阶段单向螺栓的拉伸刚度由连接钢板和单向螺栓共同提供，由上述分析可知其值为k _bolt +k _plate ，曲线的特征为斜率很大，几乎为一条直线。这一阶段是从加载开始直至荷载达到钢板分离荷载。

（2）阶段2：预拉力消失以后，单向螺栓的拉伸刚度由单向螺栓自身提供，其值为k _bolt ，这一阶段螺杆处于弹性而套筒与钢板接触的部位已进入塑性，且随着荷载的增大套筒的塑性程度逐渐加深，这一阶段的荷载-位移曲线的斜率也逐渐减小。这一阶段从钢板分离荷载直至螺杆屈服荷载。

（3）阶段3：螺杆屈服后，螺杆也进入塑性，荷载-位移曲线的斜率进一步减小，直至螺杆拉断。

基于上述分析，可以将单向螺栓的荷载-位移曲线简化为三线性模型，对应了上述的3个阶段，如图9所示。3个阶段结束时的荷载分别为钢板分离荷载F ₀ 、螺杆屈服荷载F _y 、单向螺栓抗拉承载力F _u ，而3个阶段的刚度分别为第1阶段刚度k ₁ 、第2阶段刚度k ₂ 、第3阶段刚度k ₃ 。

图9　单向螺栓拉伸三线性模型

Fig.9　Triple linear model of blind bolts

为了计算出不同型号的单向螺栓在不同扭矩下的预拉力，钢板分离荷载F ₀ 、第1阶段刚度k ₁ 和第2阶段刚度k ₂ 是需要从荷载-位移曲线上得到的，计算方法如下：

（1）计算钢板分离荷载F ₀ 和第1阶段刚度k ₁ ，首先在曲线上确定点A，该点对应的荷载小于钢板分离荷载，然后在曲线的第2阶段中确定点B，该点对应的荷载大于钢板分离荷载，小于螺杆屈服荷载。此外设点O为荷载-位移曲线的起始点。分别将曲线OA和曲线AB拟合为直线，分别计算其刚度为k _OA 和k _AB 。由于试验中所用钢板厚度很大，第1阶段刚度远大于第2阶段刚度，通过改变A点的位置，可以计算出一个A点使得k _OA ?k _AB 取得最大值，该A点对应的荷载即为钢板分离荷载F ₀ ，斜率k _OA 即为第1阶段刚度k ₁ ，如图10所示。

图10　第1、第2阶段线性化方法

Fig.10　Linearization method for the first and the second stages

（2）计算第2阶段刚度k ₂ ：提取荷载-位移曲线上A点以后，且在曲线最高点C以前的部分，并以A点为原点建立坐标系。通过两直线段模型来拟合曲线AC，点B为AC之间且在曲线上方的一点，连接直线AB和BC，将荷载-位移曲线分割为3个部分，其面积分别为S ₁ 、S ₂ 和S ₃ ，如图11所示。  

图11　第2、第3阶段线性化方法

Fig.11　Linearization method for the second  and the third stages

B点满足下式：

依照上述方法，可以计算出41组试验中各个单向螺栓的钢板分离荷载、第1阶段刚度和第2阶段刚度，进而通过式（10）计算单向螺栓的预拉力，如表3所示。

根据试验结果，给出单向螺栓的建议安装扭矩和预拉力，如表4所示。

参考《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ 82—2011） ^[10] 中规定的一个高强度螺栓的预拉力，单向螺栓的预拉力值已至少达到同型号高强度螺栓预拉力值的91.2%。

4　结  论

本文对12种型号的单向螺栓分别在不同安装扭矩下进行了拉伸试验，获得了其拉伸荷载-位移曲线，依据荷载-位移曲线获得了其在不同安装扭矩下的预拉力，可以得出以下主要结论：

（1）单向螺栓的抗拉刚度与预拉力有关，预拉力消失前抗拉刚度由连接钢板和单向螺栓共同提供。

（2）单向螺栓的拉伸过程可以简化为三线段模型，根据拉伸荷载-位移曲线可确定其预拉力。

（3）依据试验结果，给出了不同型号单向螺栓的建议安装扭矩与预拉力值，预拉力值至少达到同型号高强度螺栓的91.2%。

（4）给出了各个型号单向螺栓的预拉力值与安装扭矩值，可为工程设计提供依据。

参考文献:

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