钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓承载性能

李国强，张杰华，蒋蕴涵，陈 琛，张 龙，许炎斌

(1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092; 2.同济大学 建筑工程系，上海 200092; 3.同济大学 国家土建结构预制装配化工程技术研究中心，上海 200092)

0引 言

常规螺栓紧固件一般由螺母、螺杆组成，安装时需要在一侧夹紧螺母或螺栓头，从另一侧用扳手拧紧螺栓头或螺母。通常安装人员能够接触到被紧固物体的两侧，但对于特殊应用场合，比如封闭的管状结构或一端不易触及的结构，普通螺栓的使用受到很大限制。以钢结构梁柱节点为例，对于H形梁与H形柱之间的端板连接，由于H形梁与H形柱都是开口截面，因此常规螺栓可以使用；如果将开口的H形柱换成矩形钢管柱，由于后者是闭口的封闭截面，此时常规的高强螺栓无法使用。因此，对于采用封闭截面的构件连接提出了新的要求，需要一种能够从封闭截面钢构件外侧完成连接的螺栓，即单向螺栓。

钢结构用单向螺栓的研发始于20世纪80年代，Horne等[1]改进高强螺栓的头部或尾部构造成为单向螺栓，用于方钢管或者圆钢管的连接。国外使用的螺栓和铆钉已由原来需要在被紧固的板材2个方向同时工作，改为只需要从板材的一个方向进行紧固。这种改进不但大大加快了施工进度，而且在很多工程结构施工中解决了本来无法进行或者要采用特殊手段才能双面进行的紧固作业。因此，大幅节省了建设资金，也保证了工程质量和安全施工。从1994年开始，一些国家陆续开发出几类较成熟的单向螺栓产品，例如英国Lindapter International公司的Hollo-Bolt以及根据Hollo-Bolt改进而成的RMH螺栓[2-3]和EHB螺栓[4-5]、英国Advanced Bolting Solutions公司的Molabolt螺栓、英国Blind Bolt公司的Blind Bolt螺栓、美国LNA Solutions公司的BoxBolt、Huck International公司的BOM，HSBB[6]和Ultra-Twist螺栓、澳大利亚Ajax Engineered Fasteners公司的ONESIDE Fastener螺栓、荷兰Flowdrill B V公司的Flowdrill技术等。另一方面，国内外也有学者进行了单向螺栓连接及节点受力性能研究[7-14]。

单向螺栓具有很多的应用场景，工字梁与方钢管柱之间的单向螺栓连接保证了节点安装高效快捷；方钢管柱间的单向螺栓连接解决了传统法兰连接使柱截面突出的缺点，形成的节点外形美观，承载性能优越；管状结构与管状结构间的单向螺栓连接解决了普通螺栓无法连接的问题。

鉴于中国以前没有国产单向螺栓产品，进口国外的单向螺栓价格较高，本文研制开发出8.8级自锁式单向螺栓STUCK-BOM(包括SB16和SB20各3种型号)，为了给国产单向螺栓在实际连接节点中的应用提供依据，本文对单个国产单向螺栓进行力学性能研究，通过单向拉伸和单向剪切试验分别获得了单向螺栓在拉力和剪力作用下的荷载-位移曲线，根据试验结果获得单向螺栓的抗拉极限强度、抗剪极限强度等力学性能指标，明确单向螺栓在拉力或剪力下的破坏模式和破坏机理，为此类单向螺栓在工程上的设计使用提供依据。

1国产单向螺栓

国产自锁式8.8级单向螺栓(图1)主要由5个部件组成：金属垫圈、橡胶垫圈、套筒、锥头和螺杆。螺杆为8.8级标准普通高强螺栓，套筒采用标准Q345钢制成，套筒内侧光滑，开有4条缝，套在螺杆上；锥头内侧有螺纹，与螺杆旋紧，卡住套筒。将金属垫圈、橡胶垫圈、套筒、锥头依次套在螺杆上，单向螺栓即可成型。

使用时，将螺栓放入螺孔后，先用一个扳手固定住金属垫圈，再用扭矩扳手在六角螺杆头部进行拧紧，利用橡胶垫圈的摩擦锁紧套筒，套筒卡紧锥头使锥头不能转动，旋紧时锥头逐渐将套筒撑开，卡住连接部件(图2)。因此，这种单向螺栓克服了普通高强螺栓不能直接用于钢管等闭合截面的缺点，具有单边拧紧、施工快捷的优点。

本文研究的国产自锁式单向螺栓有6种型号(表1)，螺栓等级全部为8.8级，表1中尺寸表示的是单向螺栓中螺杆的尺寸，另外由于橡胶垫圈的关系，靠近螺栓头的钢板厚度不得小于8 mm。

表1单向螺栓型号Tab.1Types of One-side Bolts

2试验方案

2.1抗拉试验辅助装置

单向拉伸试验辅助装置如图3所示，其中h为单块辅助构件的连接板板厚，随不同的试验组别而改变。抗拉试验辅助装置如图4所示。材料均采用Q345钢材，一个试件由4块钢材焊接而成，一组试验有2个试件，经验算焊缝强度、钢板强度与刚度均满足规范要求。试验时利用单向螺栓将2块辅助构件牢固拼接在一起，然后安装在拉伸试验机上进行单向拉伸试验。

2.2抗剪试验辅助装置

抗剪试验辅助装置如图5，6所示(钢材厚度b为单块辅助构件的连接板板厚，随不同试验组别而改变)，材料均采用Q345钢材，1个试件由2块钢材焊接而成，1组试验有2个试件，经验算焊缝强度、钢板强度与刚度均满足规范要求。试验时利用单向螺栓将2块辅助构件牢固拼接在一起，然后安装在拉伸试验机上进行抗剪试验。

2.3试验设备

试验采用的主要设备包括新三思(SANS)电液伺服万能试验机(图7)和SHT4206电液式万能试验机(单剪试验中2块连接板板厚之和大于40 mm的采用后者，其余采用前者)、扭矩扳手、电动扳手等。

2.4抗拉与抗剪试件

根据不同型号单向螺栓的适用板厚范围，选取2种和3种板厚组合，合理覆盖了其适用范围，拉伸试验试件见表2，剪切试验试件见表3，每种测试3个试件。

表2抗拉试验试件Tab.2Specimens of Tensile Tests

3拉伸试验现象与结果

使用扭矩扳手将单向螺栓牢固连接于2块辅助试件上(SB16型单向螺栓安装扭矩为300 kN·m，SB20型单向螺栓安装扭矩为400 kN·m)，即可安装于万能试验机上进行试验。按照设定的扭矩值，通过扭矩扳手拧紧单向螺栓，即对单向螺栓施加了预紧力。单向螺栓的工作原理可认为类似于高强螺栓的工作原理。

表3抗剪试验试件Tab.3Specimens of Shear Tests

部分试件破坏记录与结果见图8～11，其中，荷载-位移曲线表示的是试验机施加的荷载与2块被连接钢板在试验中被拉开的距离的关系。拉伸试验现象与结果列于表4。

4剪切试验现象与结果

部分试件破坏记录与结果见图12～15，其中，荷载-位移曲线表示的是试验机施加的荷载与2块被连接钢板端部在试验中被拉开的距离的关系。剪切试验现象与结果列于表5。

5试验结果分析与讨论

5.1拉伸试验

在单向拉伸试验中，对于小型号的单向螺栓(SB16-1和SB20-1)，大部分由于连接钢板变形过大，螺栓孔变形，撑开的套筒被压回和最终单向螺栓被拔出而失效，SB16-1的抗拉极限承载力在140 kN左右，SB20-1的抗拉极限承载力在170 kN左右；对于其他型号的单向螺栓，破坏模式均为螺杆被拉断，受力模式为靠近螺栓头部的钢板把力传到钢垫圈上进而传到螺杆上，靠近锥头的钢板通过套筒把力传到锥头和螺杆上，因此套筒只受到来自钢板和锥头的挤压力，全部拉力均由螺杆承担。由此可知，除SB16-1和SB20-1以外的单向螺栓，其理论抗拉极限承载力即为8.8级螺栓的抗拉极限承载力。

表4拉伸试验现象与结果Tab.4Phenomenons and Results of Tensile Tests

表5剪切试验现象与结果Tab.5Phenomenons and Results of Shear Tests

SB16-2和SB16-3理论抗拉极限承载力Fmax=σsAe=125.33 kN，其中σs为螺杆的抗拉强度，Ae为螺栓的有效面积。SB20-2和SB20-3的理论抗拉极限承载力为195.74 kN。

在本次试验中，SB16-2和SB16-3的抗拉极限承载力为140 kN，SB20-2和SB20-3的抗拉极限承载力为210 kN。

单向螺栓破坏模式和现有承压型连接的高强螺栓破坏模式相同，均为螺杆拉断导致连接失效，故可知单向螺栓抗拉承载力的理论值和高强螺栓承压型连接的抗拉承载力理论值相同。由以上分析可知，除个别情况以外，单向螺栓抗拉承载力的试验值均高于理论值，单向螺栓抗拉承载力和同等级的承压型高强螺栓相当。

对于小型号的单向螺栓(SB16-1和SB20-1)，由于连接钢板较薄，连接板厚度对试验测得的刚度影响较大，初始刚度随板厚增大而逐渐增大，但另一方面，由于短单向螺栓与长单向螺栓受力原理基本一致，SB16-1和SB20-1可取其对应的长螺栓测得的初始刚度。对于其他型号的单向螺栓，钢板厚度的影响基本可以忽略，试验中测得的初始拉伸刚度可以认为是国产自锁式单向螺栓的初始拉伸刚度，SB16初始拉伸刚度约为110 kN·mm-1，SB20初始拉伸刚度约为90 kN·mm-1。

5.2剪切试验

对于小型号的单向螺栓(SB16-1和SB20-1)，试验期间随着荷载增大，被连接钢板逐渐弯曲变形，使单向螺栓从纯受剪作用转向拉剪共同作用，由于从钢板传递的力由套筒式螺杆同时承担，而钢板的弯曲变形使只承担剪力的套筒受力占比逐渐减少，同时承担剪力和拉力的螺杆受力占比逐渐增加，最终因螺杆拉剪破坏而失效，套筒和钢板均有较大变形，SB16-1的抗剪极限承载力为190 kN左右，SB20-1的抗剪极限承载力为300 kN左右。对于其他型号的单向螺栓，由于其适用板厚较厚，被连接的钢板变形较小甚至几乎无变形，可以认为单向螺栓受纯剪作用，随着荷载增大，荷载-位移曲线发展正常，最终由于套筒和螺杆同时被剪断而失效，其抗剪承载力为套筒的抗剪承载力和螺杆的抗剪承载力之和。

SB16理论抗剪极限承载力为Vmax=τsAs=174.70 kN，其中τs为单向螺栓的抗剪强度(包括螺杆和套筒)，As为单向螺栓的截面积(包括螺杆和套筒)。SB20理论抗剪极限承载力为287.78 kN。

根据试验结果，SB16单向螺栓抗剪极限承载力为190 kN左右，SB20单向螺栓抗剪极限承载力为300 kN左右，试验值与理论值吻合较好。

另外，普通8.8级M16螺栓的极限抗剪承载力为87.92 kN，普通8.8级M20螺栓的极限抗剪承载力为137.21 kN。

由于单向螺栓中套筒和螺杆共同受剪，单向螺栓的抗剪承载力相较于普通螺栓有较大提高。

初始剪切刚度与初始拉伸刚度类似，薄钢板连接受钢板连接影响较大，以厚钢板试验所测得的刚度为准，SB16初始剪切刚度约为80 kN·mm-1，SB20初始剪切刚度约为80 kN·mm-1。

5.3设计承载力建议

按照《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[15]对高强度螺栓强度设计值的取用方法，选取48%抗拉极限承载力为8.8级单向螺栓的抗拉设计承载力，取30%抗剪极限承载力为8.8级单向螺栓的抗剪设计承载力。

钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓的拉剪极限承载力与建议设计承载力如表6所示。

表6自锁式8.8级单向螺栓的承载力极限值与建议设计值Tab.6Ultimate Values of Bearing Capacity and Proposed Design Values of Class 8.8 Self-lock One-side Bolt

对比英国Hollo-Bolt同尺寸产品(表7)可以发现，钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓的性能更好，但本文对设计承载力安全系数取值更大，相比英国产品更为安全。

表7英国Hollo-Bolt承载力Tab.7Bearing Capacity of British Hollo-Bolt

6结语

(1)单向螺栓克服了普通高强螺栓不能直接用于钢管等闭合截面的缺点，具有单边拧紧、施工快捷的优点，有良好的工程应用前景。

(2)依据抗拉试验结果，SB16单向螺栓的抗拉极限承载力为140 kN，SB20-1的抗拉极限承载力为170 kN，SB20-2和SB20-3的抗拉极限承载力为210 kN。

(3)根据抗剪试验结果，SB16的单向螺栓的抗剪极限承载力为190 kN，SB20的单向螺栓的抗剪极限承载力为300 kN。

(4)单向螺栓抗剪承载力相较于同等级普通螺栓有较大的提高。本文的国产自锁式单向螺栓抗拉抗剪性能良好，能够满足一般工程应用需要。

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