钢结构用自锁式单向螺栓抗拉刚度分析模型
李国强;张杰华
诗歌征文【摘 要】Axial tensile tests were conducted for 4 types of domestic one-side bolt STUCK-BOM of M16 and M20 in 8.8 and 10.9 levels.The axial tension test of each type of one-side bolt was carried out with 3 different thickness connecting steel plates.The axial tensile stiffness of the one-side bolt in each test was obtained. The axial tension process of one-side bolt was theoretically analyzed.Three theoretical formulas for axial deformation were obtained through theoretical deduction,and the theoretical formula for axial tensile stiffness of one-side bolt was obtained.The theoretical and experimental values of axial tensile stiffness of one-side bolt were compared.T he results show that there are 2 failure modes of one-side bolt in axial tension, including pull-out failure and screw breaking failure.T he axial deformation of one-side bolt can be divided into 3 parts,including axial deformation of screw,axial deformation of sleeve and axial component of slip between sleeve and cone head.The axial component of slip between sleeve and the cone head has a control effect o
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n the axial tensile stiffness.T he theoretical value of axial tensile stiffness of one-side bolt is in good agreement with the test value,and the theoretical analysis model of axial tension has good reliability.%对8.8级和10.9级的M16和M20共4种型号的国产单向螺栓STUCK-BOM 进行了轴向拉伸试验,每种型号的单向螺栓采用3种不同厚度连接钢板进行轴向拉伸,得出了各组试验单向螺栓轴向抗拉刚度;对单向螺栓的轴向拉伸过程进行了理论分析,通过理论推导得出了3种轴向变形的理论计算公式,并由此得出了单向螺栓轴向抗拉刚度的理论计算公式;将单向螺栓轴向抗拉刚度理论值与试验值进行比较.结果表明:单向螺栓轴向拉伸存在单向螺栓拔出破坏和单向螺栓螺杆拉断破坏2种破坏模式;单向螺栓的轴向变形可分为螺杆轴向变形、套筒轴向变形以及套筒与锥头间滑移的轴向分量3个部分,其中套筒与锥头间滑移的轴向分量对轴向抗拉刚度起控制作用;单向螺栓轴向抗拉刚度理论值与试验值吻合较好,单向螺栓轴向拉伸理论分析模型具有较好的可靠性.
【期刊名称】《建筑科学与工程学报》
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【年(卷),期】2018(035)002
【总页数】7页(P1-7)
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【关键词】单向螺栓;轴向拉伸;分析模型;抗拉刚度
【作 者】李国强;张杰华
【作者单位】同济大学 土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;同济大学 建筑工程系,上海 200092;同济大学 建筑工程系,上海 200092
【正文语种】中 文
【中图分类】TU375.4
0 引 言
单向螺栓是指连接使用时仅需从被紧固板材一侧进行紧固的螺栓，用于封闭截面连接等不易同时触及连接件两侧的构件连接。
目前，国外有多种不同的单向螺栓产品，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[1-3]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[7]技术等。然而，中国以前没有成熟的单向螺栓产品。
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国内外学者对于单向螺栓产品以及单向螺栓连接节点进行了研究[8-17]，但主要侧重于单向螺栓的承载力性能，对于单向螺栓抗拉刚度还没有提出比较完善的理论模型。本文根据自锁式单向螺栓研制开发时完成的轴向拉伸试验结果，进一步研究了自锁式单向螺栓的初始抗拉刚度，结合理论计算结果和试验结果提出了单向螺栓初始抗拉刚度分析模型。本文中研究的单向螺栓抗拉刚度为单向螺栓本身的抗拉刚度，即单向螺栓在预拉力消失后的抗拉刚度，而预拉力消失以前的单向螺栓抗拉刚度包含钢板的刚度。
1 单向螺栓简介
钢结构用自锁式单向螺栓可以方便地用于封闭截面构件的连接，如图1所示。安装时把单向螺栓穿入连接板件，使钢垫圈与连接板贴紧(橡胶垫圈需进入螺栓孔内)；然后，使用扳手固定住钢垫圈，同时，使用扭矩扳手或电动扳手拧紧螺栓头，此时，由于锥头已经被套筒锁住，螺杆和锥头间发生相对转动，锥头不断向螺栓头方向移动，进而使套筒撑开，套筒
撑开的四肢卡住连接钢板；拧紧螺栓头至安装扭矩，安装完成。图2为钢结构用自锁式单向螺栓安装前后示意。
图1 钢结构用自锁式单向螺栓安装示意Fig.1 Schematic Diagram for Installation of Self-lock One-side Bolt for Steel Structure
图2 钢结构用自锁式单向螺栓安装前后示意Fig.2 Schematic Diagram of Self-lock One-side Bolt for Steel Structure Before and After Installation
本文研究采用的是由同济大学研制开发的钢结构用自锁式单向螺栓STUCK-BOM[18]，该螺栓包括锥头、套筒、橡胶垫圈、钢垫圈、标准螺杆5个部件，按图3所示顺序拼装单向螺栓即可成型。寒假记事
图3 钢结构用自锁式单向螺栓组成部件Fig.3 Components of Self-lock One-side Bolt for Steel Structure
此钢结构用自锁式单向螺栓有8.8级与10.9级2种级别，分别代表螺杆使用标准8.8级和10.9级高强度螺栓全螺纹螺杆，每种强度等级螺栓的型号、尺寸与适用范围如表1所示。
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表1 钢结构用自锁式单向螺栓型号、尺寸与适用范围Tab.1 Models, Sizes and Application Scopes of Self-lock One-side Bolts for Steel Structure螺栓型号螺杆尺寸适用连接板厚度/mm8.8-SB16-1M16×7512～298.8-SB16-2M16×10029～508.8-SB16-3M16×12050～718.8-SB20-1M20×9020～368.8-SB20-2M20×12036～608.8-SB20-3M20×15060～8610.9-SB16-1M16×7512～2910.9-SB16-2M16×10029～5010.9-SB16-3M16×12050～7110.9-SB20-1M20×9020～3610.9-SB20-2M20×12036～6010.9-SB20-3M20×15060～86
风水煞2 国产自锁式单向螺栓轴向拉伸试验
2.1 试验方案
试验使用单向螺栓连接2块方形辅助构件，如图4所示，中间连接板厚度h随单向螺栓型号不同(可连接厚度不同)而改变，测量中间连接板随着荷载增加被逐渐拉开的位移。8.8级与10.9级单向螺栓的试验编号、螺栓型号与连接板厚度如表2，3所示，每组试验重复3次。
图4 轴向拉伸试验辅助构件(单位:mm)Fig.4 Auxiliary Components of Axial Tensile Test (Unit:mm)
表2 钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓轴向拉伸试验方案Tab.2 Axial Tensile Test Scheme of Domestic Class 8.8 Self-lock One-side Bolt for Steel Structure螺栓型号试验连接的钢板厚度/mm试验编号8.8-SB16-120L-8.8-SB16-1-124L-8.8-SB16-1-228L-8.8-SB16-1-38.8-SB16-232L-8.8-SB16-2-140L-8.8-SB16-2-250L-8.8-SB16-2-38.8-SB16-350L-8.8-SB16-3-160L-8.8-SB16-3-270L-8.8-SB16-3-38.8-SB20-128L-8.8-SB20-1-132L-8.8-SB20-1-236L-8.8-SB20-1-38.8-SB20-236L-8.8-SB20-2-150L-8.8-SB20-2-260L-8.8-SB20-2-38.8-SB20-360L-8.8-SB20-3-170L-8.8-SB20-3-280L-8.8-SB20-3-3
2.2 试验结果
钢结构用国产自锁式单向螺栓抗拉承载力较高。单向螺栓在轴向受拉时有2种破坏模式：①单向螺栓从螺栓孔中拔出；②单向螺栓的螺杆被拉断。
单向螺栓受拉时，除螺杆发生拉伸变形外，套筒与螺栓锥头间还可能发生相对滑移，因此抗拉刚度较普通螺栓小。
