文章编号：1000-4750(2021)01-0119-10
新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接扭矩系数及
抗剪性能试验研究
范俊伟1
，杨 璐1
，班慧勇
2,3
(1. 北京工业大学土木工程系，北京 100124；2. 清华大学土木工程系，北京 100084；3. 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084)
摘 要：为促进钢结构装配式建筑和可拆卸钢结构的连接技术发展，该文介绍了一种基于传统高强度螺栓的新型单边连接方式，并设计了5个摩擦型连接接头试件。通过开展抗剪试验，研究了其扭矩系数、抗滑移系数、抗剪承载力、抗剪机理等，并与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的相关设计方法进行
了对比分析。采用有限元软件ABAQUS 建立了高强度螺栓连接接头试件的有限元模型，验证了有限元模型的准确性和适用性，并对该新型螺栓连接接头进行了参数分析。结果表明，该文提出的新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接方式安装简单、易于施工和拆卸，抗剪连接破坏前螺栓预拉力损失值在15%~20%，其抗滑移系数、抗剪承载力仍可按照现行标准进行设计计算。研究成果能够为此类新型单边连接技术的工程应用提供基础。关键词：单边连接高强度螺栓；试验研究；扭矩系数；抗滑移系数；预拉力损失；有限元分析中图分类号：U213.5+2 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0111
EXPERIMENTAL STUDY ON TORQUE COEFFICIENT AND ON SHEAR
PERFORMANCE OF A NOVEL BLIND BOLTED CONNECTION
WITH HIGH-STRENGTH BOLTS
FAN Jun-wei 1
, YANG Lu 1
, BAN Hui-yong
2,3
(1. Department of Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Beijing 100084, China)
Abstract: To further develop connection techniques in prefabricated steel building structures as well as deconstructable steel structures, a novel blind bolted connection with traditional high-strength (HS) bolt is introduced herein, and five slip-critical ones are designed. Bad on a shearing test, their torque coefficient, slip coefficient, shear capacity and shear mechanism are investigated, and the test results are compared with design values in accordance with standard for the design of steel structures GB 50017−2017. The finite element model for the HS bolted connection is developed with ABAQUS, and its accuracy and applicability are verified against the test results. Parametric analys are carried out. It is indicated that this new blind bolted connection with HS bolt is favourable to installation and disasmbly. During the shear loading process, the loo of pretension within the bolts is up to 15%~20%, and current national standard is generally still adequate for predicting slip coefficient and shear capacity of such bolted connections. Rearch out
comes obtained may provide an important basis for the utilization of such novel blind bolted connections in practice.
Key words: high-strength blind bolt; experimental rearch; torque coefficient; slip coefficient; pretension loo;
finite element analysis
收稿日期：2020-02-25；修改日期：2020-07-11基金项目：北京市自然科学基金面上项目(8182029)
通讯作者：班慧勇(1985−)，男，内蒙古人，特别研究员，博士，博导，主要从事高性能钢材钢结构研究(E-mail: ****************** ).作者简介：范俊伟(1993−)，男，山西人， 硕士生，主要从事钢结构的研究(E-mail: ****************);
杨 璐(1982−)，男，湖北人，教授，博士，博导，主要从事钢结构的研究(E-mail: ************** ).
第 38 卷第 1 期Vol.38 No.1工 程 力 学2021年
1 月
Jan.
2021
ENGINEERING MECHANICS
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钢结构装配式建筑在结构性能、使用功能、施工效率、可持续发展等方面具有独特的优势，发展装配式建筑是我国建筑行业发展的趋势之一[1 − 2]。此外，可拆卸钢结构在标准化、装配化、工业化、全生命周期绿色建筑等方面也具有显著优势，并且能够大幅减少建筑垃圾、实现结构服役期满后的快速拆卸和构件重复利用，在现代结构工程领域具有较好的应用前景[3]。
实现钢结构装配式建筑和可拆卸钢结构体系的重要关键技术之一是连接技术，螺栓连接是常见的连接形式之一。以柱-柱连接节点为例，传统钢结构柱多采用工字形和箱形截面；前者的螺栓连接节点可采用盖板连接，易于实现，相较于工字形截面，采用箱形截面的钢柱在两个方向上的力学性能较为接近，更适合用于框架结构布置[4]；而后者闭口截面构件的连接则较为困难，采用法兰连接会占用一定的建筑使用空间，其他螺栓连接方式一般需要单边螺栓，但造价较高、承载能力有限。目前，关于钢结构闭口截面柱-柱连接节点的研究较少，刘康等[5 − 7]以内套筒为连接件，分别使用对穿螺栓、单边螺栓以及在内套筒上开槽并使用高强度螺栓进行钢柱的拼接，分别对其进行了轴压试验、偏压试验以及循环加载试验研究。傅挺萌[8]采用有限元软件分别对采用对穿螺栓的箱形截面柱拼接节点和工字形
截面柱拼接节点进行了模拟分析，给出了内套筒及拼接板的设计建议。张艳霞、张爱林等[9 − 10]提出了一种箱形柱内套筒式的全螺栓拼接节点，并对其进行了试验研究和有限元分析，结果表明，这种新型的拼接节点具有和普通焊接节点一致的力学性能。Li 等[11 − 12]利用单向螺栓和套筒板设计了一种可拆卸的钢管混凝土柱—柱拼接节点，并对其进行了试验研究和有限元分析，结果表明，新型节点是安全可靠的。
为便于闭口截面钢构件的连接，各类结构用单边螺栓陆续被开发出来，国内外学者都对连接节点开展了试验研究；Mourad等[13 − 14]研究了采用HSBB单边螺栓的梁柱节点在低周往复加载试验条件下的滞回性能和破坏模式。Loh等[15]对采用Hollbolt单边螺栓的组合节点和钢节点进行了静力试验研究。李望芝等[16]对15组采用新型单边螺栓的梁柱节点进行了单向拉伸试验，并对螺栓抗拉承载力的影响因素进行了分析。目前对于单边螺栓连接接头的研究较少，且单边螺栓本身的力学性能和传统高强度螺栓相比存在较大差异[17]；为了同时实现单边拧紧与高强度，作者基于高强度螺栓，通过试验研究，对比分析了不同的螺母预置方式对承压型螺栓连接抗剪承载力的影响，结果表明，试验结果与现行相关规范设计方法吻合良好[18]。
本文在文献[18]的工作基础上，介绍了一种基于传统高强度螺栓的单边连接方式，并对其摩擦型连接接头进行了抗剪试验研究，重点研究其新的施拧方式下的螺栓扭矩系数及连接抗剪性能，更加全面地分析了受力全过程的关键力学指标及其变化规律，通过荷载-滑移曲线，得到了抗滑移系数、抗剪承载
力等，定量分析了螺栓预紧力的变化，并与现行钢结构设计标准的设计方法进行对比，为其在构件连接节点中的研究和应用提供基础。
1 试验概况
1.1 试件设计
本文主要研究一种基于传统高强度螺栓的单边连接节点受力性能。其具体安装过程如下：设计一种特殊的三角盒限位装置(螺母侧未安装垫片)，安装时首先将高强度螺栓副的螺母置于三角盒内，对齐三角盒中心与螺栓孔中心后，再将三角盒通过点焊的方式固定在连接钢板(或闭口截面构件的组件板内侧)上；三角盒限位装置尺寸根据螺母尺寸确定，并留有1 mm左右空隙，使得固定后既能实现螺母位置的微调、又能限制螺母的完全扭转；实际安装时，只需将高强度螺栓的螺杆从螺栓孔的另一侧单边拧入即可完成安装。具体安装过程如图1所示。考虑到新型单边拧紧方式的特殊构造与安装方式，需要针对现行规范中适用于传统高强度螺栓的相关参数与设计方法进行专门的试验研究，重点研究其螺栓的扭矩系数和连接的抗剪性能。
按照《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ 82−2011)[19]的要求和方法，本文共设计5个新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型抗剪连接试件，试件的主要参数如表1所示。试件由盖板、芯板，高强度螺栓及螺母限位装置组成。试件的几何尺寸及位移计布置如图2所示。试件钢材表面处理方式均为喷砂处
理，采用的高强度螺栓规格为
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10.9s 级M24螺栓，芯板与盖板上的螺栓孔径均为26 mm 。本试验采用扭矩法(使用数显扭矩扳手在螺栓头处施加扭矩)紧固高强度螺栓，试件BC-1和BC-2上高强度螺栓施加理论值为250 kN 的预拉力，实际施拧时螺栓预拉力值控制在237.5 kN~262.5 kN ，试件BC-3~BC-5上高强度螺栓施加理论值为225 kN 的预拉力值，实际施拧时螺栓预拉力值控制在213.8 kN~236.3 kN 。1.2 试验装置和加载制度
试验采用100 t 万能试验机对试件进行加载，
加载装置如图3所示。试验时首先将试件固定在加载装置上，安装时保证试件与加载机器严格对中；正式加载前先进行预加载至预定荷载的5%后卸载归零，以消除试件与加载设备之间的空隙；正式加载以位移控制，试件连接板发生明显滑移前的初始加载速率控制在1.5 mm/min 左右，之后加载速率控制在4 mm/min 左右。
图 3 试验加载装置
Fig. 3 Test tup
1.3 量测内容
该新型单边连接高强度螺栓摩擦型连接接头抗剪试验的量测内容主要为芯板之间的相对滑
移、抗剪承载力、螺栓预拉力等；其中，芯板间的滑移由布置在试件两侧的位移计(如图2(a)和图3所
示，标距为187 mm)进行测量，抗剪承载力由加载装置上的力传感器读出，螺栓预拉力由特制的传感器(如图4所示)得到。试件BC-1和BC-2同侧的2个高强度螺栓上均布置有传感器，用来监测加载全过程高强度螺栓预拉力的变化，同时借助螺栓传感器与数显扭矩扳手测量新型单边拧紧方式高强度螺栓的扭矩系数。抗剪试验加载时，为避免破坏传感器，试件BC-1和BC-2在加载至发生滑移、螺杆与孔壁接触承压即停止加
表 1 试件主要参数
Table 1 Main parameters of specimens
试件编号
螺栓规格
芯板尺寸/mm 盖板尺寸/mm 表面处理方式是否带有螺栓传感器
BC-1M24(10.9s)332×100×10369×100×14喷砂表面是BC-2M24(10.9s)332×100×10369×100×14喷砂表面是BC-3M24(10.9s)332×100×10369×100×14喷砂表面否
BC-4M24(10.9s)332×100×10369×100×14喷砂表面否BC-5M24(10.9s)332×100×10369×100×14喷砂表面
否
螺母
垫片
高强螺栓杆
(a) 组成示意图栓杆单边拧入
图 1 单边连接方式示意图
Fig. 1 Illustration of single sided installation
bolted connection
5
10
1图 2 试件示意图 /mm Fig. 2 Illustration of specimen
螺栓传感器
图 4 螺栓传感器
Fig. 4 Bolt pretension nsor
工 程 力 学
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载；其他试件未全程监测螺栓预拉力，因此试验加载至承压状态直至试件破坏或承载力下降至小于或等于最大承载力的85%时停止加载。
2 材性试验结果
试件采用的钢材牌号均为Q345B。按照《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1−2010)[20]的规定，制作了与试件钢材相同板厚和生产批次的材性比例试件，每种板厚制作了3个平行试件。采用30 t万能试验机对材性试件进行单向拉伸加载，通过试件中部两侧的应变片记录弹性段应变，通过引伸计记录屈服后应变数据。根据试验结果，得到钢材的应力-应变曲线，如图5所示；具体的材性指标试验结果如表2所示。
图 5 钢材应力-应变曲线
Fig. 5 Stress-strain curve of steel
3 抗剪试验结果与分析
3.1 试验现象及破坏机理
加载过程中试件BC-1与BC-2的试验现象相似。以试件BC-1为例，其荷载-位移曲线如图6(a)所示，试验加载初期，位移变化较小，荷载迅速增加(静摩擦阶段)；继续加载至390 kN左右时，板件间发生较大滑移，试件发出较大声响，滑移量为0.2 mm~0.3 mm；加载至408 kN左右时，试件发生第二次较大滑移，同样伴随巨大声响，滑移量约为0.6 mm，此时滑移阶段基本完成；之后，高强度螺栓杆与孔壁接触，栓杆受到剪切作用，孔壁开始进入承压阶段，承载力继续上升；当加载至500 kN时，试验停止。加载完成后的试件如图7(a)、图7(b)所示。
表 2 材性试验结果
Table 2 Material properties of steel plates t/mm E/GPa f y/MPaεy/(%)f u/MPa A/(%)
10210.7405.20.19565.128.3
14219.3385.20.18566.432.1
f y f u
εy
注：数据为两种板厚的各3个试件试验结果的平均值，其中：t为钢材厚度；E为弹性模量；为屈服强度；为极限抗拉强度；
为屈服应变；A为试件的断后伸长率。
图 6 试件荷载-位移曲线
Fig. 6 Load-displacement curve of test specimens
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(a) 试件 BC-1
(b) 试件 BC-2
(c) 试件 BC-3(d) 试件 BC-4
(e) 试件 BC-5
图 7 加载完成后的试件Fig. 7 Specimens after loading test
试件BC-3、BC-4及BC-5的试验现象相似，均分为3个主要受力阶段，如图6(b)所示。以试件BC-3为例，试验加载初期，位移变化较小，荷载迅速增加(静摩擦阶段)；加载至368 kN 左右，板件间发生明显滑移，试件发出较大声音，滑移量约为0.2 mm ；继续加载至419 kN 左右时，试件发生第二次明显滑移，滑移量约为0.6 mm ；继续加载，高强螺栓杆与孔壁开始接触，栓杆受到剪切作用，试件受力进入承压状态，荷载明显提高，加载至620 kN 左右时，试件承载力开始下降，试验停止。试件的失效模式见图7(c)~图7(e)。
为进一步观察试件破坏具体形态，加载完成后将试件上的高强螺栓进行拆卸，可以看到，试件BC-1和BC-2盖板与芯板上的螺栓孔变形较小，试件主要发生滑移变形；三角盒限位装置未
发生明显变形，如图8(a)、图8(b)所示。试件BC-3、BC-4及BC-5经过拆卸后可以看到，芯板上螺栓孔被拉长，变形较大，对应承压破坏形态；最外排螺栓孔处出现被撕裂的裂纹，对应净截面拉伸颈缩现象；三角盒限位装置无明显变形，如图8(c)~图8(e)所示，试件的最终破坏模式
为孔壁承压破坏和净截面颈缩混合形态。(a) 试件 BC-1
(b) 试件 BC-2
(c) 试件 BC-3
(d) 试件 BC-4
(e) 试件 BC-5
裂纹
裂纹
裂纹
图 8 试件芯板上螺栓孔及三角盒变形图Fig. 8 Photos of deformation for bolt hole and
nut locating triangle box
3.2 抗滑移系数
μN v 抗滑移系数根据试验所测得的滑移荷载和
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