劉 燦 吳 波

（廣東交通職業(yè)技術學院1） 廣州 510650） （華南理工大學土木與交通學院2） 廣州 510640）

研究表明，采用10.9級高強螺栓作為橫向預應力鋼筋，能有效的提高梁的抗剪承載力和斜截面抗裂能力［1］，但目前高強螺栓主要在鋼結構中使用，具體應用到混凝土結構中，高強螺栓的性能如何？本文對此進行了試驗研究，對10.9級高強螺栓作為橫向預應力鋼筋時的轉矩系數(shù)和計算預拉力時的剪應力影響系數(shù)進行了探討.

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗在華南理工大學結構實驗室進行，共設計了2個階梯形的構件，編號L－6～L－7.橫向預應力筋采用10.9級M18高強螺栓.橫向預應力的施加采用后張法，先在梁內部預留孔道，待混凝土達到強度后在孔道內穿入10.9級高強螺栓，孔道附近的梁上、下表面設有鋼墊板，圓形鋼墊板直徑為100mm、厚度為16mm，最終通過轉矩扳手擰緊螺母產生預應力.試件簡圖見圖1～2，試件主要參數(shù)見表1.

1.2 試驗裝置

試驗采用轉矩扳手擰緊高強螺栓施加預拉力，對每個高強螺栓，把終擰轉矩390N·m 分成3級，逐級擰緊.轉矩扳手在廣東省計量科學研究院進行了標定.

圖1 小試件L－6簡圖（單位：mm）

圖2 大試件L－7簡圖（單位：mm）

表1 試件主要參數(shù)

在每根高強螺栓的底部布置了振弦式鋼筋測力計，用XP02型振弦式頻率讀數(shù)儀讀取鋼筋測力計讀數(shù)，可測到每根高強螺栓實際施加上去的預拉力.考慮到轉矩扳手在擰緊高強螺栓時，使高強螺栓不但受拉，而且受扭，所以在每根高強螺栓的中部粘貼了應變花，量測高強螺栓的實際應力情況，所有應變數(shù)據(jù)都采用DH3816靜態(tài)電阻應變儀采集.

2 采用高強螺栓作為橫向預應力筋時的轉矩系數(shù)

實驗中，采用了10.9級高強螺栓作為橫向預應力筋，高強螺栓主要應用在鋼結構中，為了加強工程質量管理，國家對高強螺栓的轉矩系數(shù)有嚴格的驗收規(guī)范.高強螺栓轉矩系數(shù)的研究，對高強螺栓聯(lián)接件的制造檢驗及工程質量的控制具有實際意義［2－7］.

由于擰緊轉矩T 的作用，使螺紋聯(lián)接件與被聯(lián)接件之間產生預緊力F，若螺紋公稱直徑為d，則轉矩系數(shù)K 為

K 值反映螺栓聯(lián)接副的施擰轉矩和預緊力的關系，K 值太大，則預緊力不能滿足工程要求；K 值太小，則導致整個聯(lián)接件過載變形或被拉斷.

試驗中采用M18的10.9級高強螺栓作為橫向預應力鋼筋，各高強螺栓的轉矩－預拉力曲線見圖3～6.

各高強螺栓的轉矩系數(shù)K 可以根據(jù)施加的轉矩T 和施加上去的預拉力F 計算得到，各高強螺栓的轉矩系數(shù)計算結果見表2.

圖3 大試件L－7短螺栓轉矩－預拉力曲線

圖4 小試件L－6短螺栓轉矩－預拉力曲線

圖5 大試件L－7長螺栓轉矩－預拉力曲線

圖6 小試件L－6長螺栓轉矩－預拉力曲線

表2 各高強螺栓的轉矩系數(shù)

對表2數(shù)據(jù)進行計算可以發(fā)現(xiàn)，長度為650 mm 的高強螺栓的轉矩系數(shù)K 平均值為0.407，長度為850mm 的高強螺栓的轉矩系數(shù)K 平均值為0.432.而普通的高強螺栓的轉矩系數(shù)K 一般在0.1～0.2之間變動.很明顯，本實驗測到的高強螺栓轉矩系數(shù)K 比普通的情況要大，這主要是因為本試驗中采用的高強螺栓長度比普通的高強螺栓要長，高強螺栓的受力情況更為復雜，而且在混凝土結構中使用，表面情況比鋼結構要粗糙，預拉力更難施加上去.

另外，同樣是使用在混凝土結構中，長度為850mm 的高強螺栓的轉矩系數(shù)K 平均值高于長度為650mm 的高強螺栓的轉矩系數(shù)K 平均值，進一步說明即使是同樣使用在混凝土結構中，長度對高強螺栓轉矩系數(shù)K 的大小也是有影響的，長度越長，轉矩系數(shù)K 越大.這主要是因為長度越長的螺栓，受力情況越復雜，所以在施加同樣的轉矩的情況下，預拉力更難施加上去.

3 預拉力計算

文獻［8］中第7.2.2條的條文說明中，給出了高強螺栓預拉力的計算公式為

式中：fu為高強螺栓的最低抗拉強度；Ae為螺紋處的有效面積；第一個系數(shù)0.9是考慮螺栓材質不均勻的折減系數(shù)；第二個系數(shù)0.9是考慮施工時一般會進行超張拉的超張拉系數(shù)；第三個系數(shù)0.9是由于以螺栓的抗拉強度為準引進的附加安全系數(shù)；第四個系數(shù)1.2是由于擰緊螺栓時，除使螺栓產生拉應力還使螺栓產生剪應力，在正常施工條件下考慮的對應力的影響系數(shù).

在上述公式中的第四個系數(shù)取為1.2是否合理，本文根據(jù)L－6和L－7的試驗結果進行了分析.考慮到轉矩扳手在擰緊高強螺栓時，除使螺栓產生拉應力，還使螺栓產生剪應力，所以試驗時在每根高強螺栓的中部粘貼了應變花，量測高強螺栓的實際應力情況.對應變花的試驗數(shù)據(jù)進行處理，可以得到各高強螺栓上實際的σ1，σ2和σ3，根據(jù)Mises 屈服準則［9－10］，與剪應力有關的強度條件應為

而高強螺栓預拉力計算公式中使用了單軸拉伸試驗得到的fu，即使用的強度條件為：σ≤［σ］.

表3 實際應考慮的剪應力影響系數(shù)

由表3 可見，剪應力的影響系數(shù)從1.01 到1.6不等，平均值為1.22，可見規(guī)范取此影響系數(shù)為1.2是基本可靠的.但考慮到采用擰緊螺母的方式施加預應力，人為的影響因素較大，加力的均勻性有限，導致部分螺栓測到的影響系數(shù)為1.4～1.6，所以此影響系數(shù)建議偏于保守的取為1.3.建議在施工時，擰緊螺母要盡量保持加力的均勻性，這樣有利于高強螺栓預拉力的施加.

4 結 論

1）在本文的試驗中，把高強螺栓應用到混凝土結構中作為橫向預應力鋼筋，實驗測到的高強螺栓轉矩系數(shù)K 比在鋼結構中使用的普通高強螺栓要大，這主要是因為本試驗中采用的高強螺栓長度比普通的高強螺栓要長，高強螺栓的受力情況更為復雜，而且在混凝土結構中使用，表面情況比鋼結構要粗糙，預拉力更難施加上去.

2）同樣是使用在混凝土結構中，長度為850 mm 的高強螺栓的轉矩系數(shù)K 平均值高于長度為650mm 的高強螺栓的轉矩系數(shù)K 平均值，進一步說明即使是同樣使用在混凝土結構中，長度對高強螺栓轉矩系數(shù)K 的大小也是有影響的，長度越長，轉矩系數(shù)K 越大.

3）采用10.9級高強螺栓作為橫向預應力鋼筋時，扳手在擰緊螺栓時，除使螺栓產生拉應力，還使螺栓產生剪應力.在本文的試驗中，通過在高強螺栓上粘貼應變花的方式，測到了高強螺栓的實際應力分布，通過試驗結果分析，對高強螺栓預拉力計算公式中的剪應力影響系數(shù)進行了改進.建議在施工時，擰緊螺母要盡量保持加力的均勻性，這樣有利于高強螺栓預拉力的施加.

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