高强螺栓作为横向预应力钢筋时的性能分析

刘 灿 吴 波

（广东交通职业技术学院1） 广州 510650） （华南理工大学土木与交通学院2） 广州 510640）

研究表明，采用10.9级高强螺栓作为横向预应力钢筋，能有效的提高梁的抗剪承载力和斜截面抗裂能力［1］，但目前高强螺栓主要在钢结构中使用，具体应用到混凝土结构中，高强螺栓的性能如何？本文对此进行了试验研究，对10.9级高强螺栓作为横向预应力钢筋时的转矩系数和计算预拉力时的剪应力影响系数进行了探讨.

1 试验概况

1.1 试件设计

试验在华南理工大学结构实验室进行，共设计了2个阶梯形的构件，编号L－6～L－7.横向预应力筋采用10.9级M18高强螺栓.横向预应力的施加采用后张法，先在梁内部预留孔道，待混凝土达到强度后在孔道内穿入10.9级高强螺栓，孔道附近的梁上、下表面设有钢垫板，圆形钢垫板直径为100mm、厚度为16mm，最终通过转矩扳手拧紧螺母产生预应力.试件简图见图1～2，试件主要参数见表1.

1.2 试验装置

试验采用转矩扳手拧紧高强螺栓施加预拉力，对每个高强螺栓，把终拧转矩390N·m 分成3级，逐级拧紧.转矩扳手在广东省计量科学研究院进行了标定.

图1 小试件L－6简图（单位：mm）

图2 大试件L－7简图（单位：mm）

表1 试件主要参数

在每根高强螺栓的底部布置了振弦式钢筋测力计，用XP02型振弦式频率读数仪读取钢筋测力计读数，可测到每根高强螺栓实际施加上去的预拉力.考虑到转矩扳手在拧紧高强螺栓时，使高强螺栓不但受拉，而且受扭，所以在每根高强螺栓的中部粘贴了应变花，量测高强螺栓的实际应力情况，所有应变数据都采用DH3816静态电阻应变仪采集.

2 采用高强螺栓作为横向预应力筋时的转矩系数

实验中，采用了10.9级高强螺栓作为横向预应力筋，高强螺栓主要应用在钢结构中，为了加强工程质量管理，国家对高强螺栓的转矩系数有严格的验收规范.高强螺栓转矩系数的研究，对高强螺栓联接件的制造检验及工程质量的控制具有实际意义［2－7］.

由于拧紧转矩T 的作用，使螺纹联接件与被联接件之间产生预紧力F，若螺纹公称直径为d，则转矩系数K 为

K 值反映螺栓联接副的施拧转矩和预紧力的关系，K 值太大，则预紧力不能满足工程要求；K 值太小，则导致整个联接件过载变形或被拉断.

试验中采用M18的10.9级高强螺栓作为横向预应力钢筋，各高强螺栓的转矩－预拉力曲线见图3～6.

各高强螺栓的转矩系数K 可以根据施加的转矩T 和施加上去的预拉力F 计算得到，各高强螺栓的转矩系数计算结果见表2.

图3 大试件L－7短螺栓转矩－预拉力曲线

图4 小试件L－6短螺栓转矩－预拉力曲线

图5 大试件L－7长螺栓转矩－预拉力曲线

图6 小试件L－6长螺栓转矩－预拉力曲线

表2 各高强螺栓的转矩系数

对表2数据进行计算可以发现，长度为650 mm 的高强螺栓的转矩系数K 平均值为0.407，长度为850mm 的高强螺栓的转矩系数K 平均值为0.432.而普通的高强螺栓的转矩系数K 一般在0.1～0.2之间变动.很明显，本实验测到的高强螺栓转矩系数K 比普通的情况要大，这主要是因为本试验中采用的高强螺栓长度比普通的高强螺栓要长，高强螺栓的受力情况更为复杂，而且在混凝土结构中使用，表面情况比钢结构要粗糙，预拉力更难施加上去.

另外，同样是使用在混凝土结构中，长度为850mm 的高强螺栓的转矩系数K 平均值高于长度为650mm 的高强螺栓的转矩系数K 平均值，进一步说明即使是同样使用在混凝土结构中，长度对高强螺栓转矩系数K 的大小也是有影响的，长度越长，转矩系数K 越大.这主要是因为长度越长的螺栓，受力情况越复杂，所以在施加同样的转矩的情况下，预拉力更难施加上去.

3 预拉力计算

文献［8］中第7.2.2条的条文说明中，给出了高强螺栓预拉力的计算公式为

式中：fu为高强螺栓的最低抗拉强度；Ae为螺纹处的有效面积；第一个系数0.9是考虑螺栓材质不均匀的折减系数；第二个系数0.9是考虑施工时一般会进行超张拉的超张拉系数；第三个系数0.9是由于以螺栓的抗拉强度为准引进的附加安全系数；第四个系数1.2是由于拧紧螺栓时，除使螺栓产生拉应力还使螺栓产生剪应力，在正常施工条件下考虑的对应力的影响系数.

在上述公式中的第四个系数取为1.2是否合理，本文根据L－6和L－7的试验结果进行了分析.考虑到转矩扳手在拧紧高强螺栓时，除使螺栓产生拉应力，还使螺栓产生剪应力，所以试验时在每根高强螺栓的中部粘贴了应变花，量测高强螺栓的实际应力情况.对应变花的试验数据进行处理，可以得到各高强螺栓上实际的σ1，σ2和σ3，根据Mises 屈服准则［9－10］，与剪应力有关的强度条件应为

而高强螺栓预拉力计算公式中使用了单轴拉伸试验得到的fu，即使用的强度条件为：σ≤［σ］.

表3 实际应考虑的剪应力影响系数

由表3 可见，剪应力的影响系数从1.01 到1.6不等，平均值为1.22，可见规范取此影响系数为1.2是基本可靠的.但考虑到采用拧紧螺母的方式施加预应力，人为的影响因素较大，加力的均匀性有限，导致部分螺栓测到的影响系数为1.4～1.6，所以此影响系数建议偏于保守的取为1.3.建议在施工时，拧紧螺母要尽量保持加力的均匀性，这样有利于高强螺栓预拉力的施加.

4 结 论

1）在本文的试验中，把高强螺栓应用到混凝土结构中作为横向预应力钢筋，实验测到的高强螺栓转矩系数K 比在钢结构中使用的普通高强螺栓要大，这主要是因为本试验中采用的高强螺栓长度比普通的高强螺栓要长，高强螺栓的受力情况更为复杂，而且在混凝土结构中使用，表面情况比钢结构要粗糙，预拉力更难施加上去.

2）同样是使用在混凝土结构中，长度为850 mm 的高强螺栓的转矩系数K 平均值高于长度为650mm 的高强螺栓的转矩系数K 平均值，进一步说明即使是同样使用在混凝土结构中，长度对高强螺栓转矩系数K 的大小也是有影响的，长度越长，转矩系数K 越大.

3）采用10.9级高强螺栓作为横向预应力钢筋时，扳手在拧紧螺栓时，除使螺栓产生拉应力，还使螺栓产生剪应力.在本文的试验中，通过在高强螺栓上粘贴应变花的方式，测到了高强螺栓的实际应力分布，通过试验结果分析，对高强螺栓预拉力计算公式中的剪应力影响系数进行了改进.建议在施工时，拧紧螺母要尽量保持加力的均匀性，这样有利于高强螺栓预拉力的施加.

［1］吴 波，刘 灿.横向预应力混凝土梁的抗剪性能试验研究［J］.地震工程与工程振动，2007，27（2）：58－62.

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