高强度螺栓连接作为一种主要的钢结构连接方式,因其具有承载力高、安装简便、拆卸方便、耐疲劳好、适应性强和可靠性高等诸多优点,在建筑、桥梁、机械等领域得到了广泛应用。一、高强度螺栓连接副及其分类
我国通常把性能等级8.8S及以上的螺栓称为高强度螺栓,目前常用的是8.8S和10.9S两种。螺栓的性能等级中第一位数字代表螺栓材质标称抗拉强度值等级,后面的两位代表该材质的屈强比(屈服强度与抗拉强度的比值),例如,性能等级10.9级高强度螺栓连接副,其材料经过热处理后,螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级,屈强比值为0.9,公称屈服强度达900MPa级。
从外形上看,国内外最常用的有大六角头和扭剪型两种。大六角头高强度螺栓连接副含一个螺栓、一个螺母、两个垫圈(螺头和螺母两侧各一个垫圈),参见图1。扭剪型螺栓连接副含一个螺栓、一个螺母、一个垫圈(螺母两侧一个垫圈),参见图1。螺栓、螺母、垫圈在组成一个连接副时,其材料以及性能等级要匹配。但在修订高强度螺栓连接相关标准的时候,还提到另外一个说法。所谓高强度螺栓是指在施工的时候采用特定扳手施工,施工后栓杆内有一定预拉力的螺栓。抛开预拉力来谈高强度螺栓是无法理解很多问题,比如螺栓受啥力,螺栓为啥会断?
二、螺栓连接分类
在我国钢结构受剪连接接头中使用的螺栓连接一般分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。选用普通螺栓或选用高强度螺栓(8.8S以上)作为连接紧固件,但不施加紧固轴力,当受外力时接头连接板即产生滑动,外力通过螺栓杆受剪和连接板孔壁承压来传递(图2a),该连接称普通螺栓连接。选用高强度螺栓(8.8S以上)作为连接紧固件,且施加紧固轴力,则该连接称为高强度螺栓连接。高强度螺栓连接分为摩擦型连接和承压型连接两类。摩擦型连接依靠高强度螺栓的紧固预拉力,在被连接件间产生摩擦阻力以传递剪力而将构件、部件或板件连成整体的连接方式(见图2b)。而承压型连接是指当摩擦面产生滑移后,依靠螺杆抗剪和螺杆与孔壁承压以传递剪力而将构件、部件或板件连成整体的连接方式(与图2a类似)。(a)普通螺栓连接 (b)高强度螺栓摩擦连接
图2普通螺栓连接和高强度螺栓连接工作机理示意
三、剪切型高强度螺栓连接工作过程
高强度螺栓受剪连接接头是最常见的连接形式,图3为高强度螺栓受剪连接接头典型荷载-变形曲线,其中竖坐标为施加在接头上的剪切荷载,横坐标为接头沿受力方向的变形,通常为接头连接板之间的相对位移。
图3高强度螺栓受剪连接接头典型荷载—变形曲线
从图3曲线上可以把连接工作过程分为三个节点四个阶段:
阶段(一)为静摩擦抗滑移阶段,即摩擦型连接工作阶段。在此阶段外力全部靠连接板层之间接触面间的摩擦力来传递,螺栓在连接中只担当一个角色,即靠本身的紧固轴力给连接板之间施加接触压力,从而使接触面产生摩擦力。在这个过程中,螺栓本身不受剪力,即使在重复荷载作用下,螺栓的轴力等受力状态不会发生变化,同时连接接头的变形很小,可以忽略不计。