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.
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.
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.
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.
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.
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.
[1]吳 波,劉 燦.橫向預應力混凝土梁的抗剪性能試驗研究[J].地震工程與工程振動,2007,27(2):58-62.
[2]宋明志.摩擦型高強度螺栓連接件抗滑移系數(shù)試驗研究[J].工業(yè)建筑,2009,39(12):102-104.
[3]胡匡璋.徐浦大橋高強螺栓連接質量保證[J].鋼結構,1999,14(3):45-47.
[4]王 彥.哈爾濱松花江料拉橋鋼梁安裝高強度螺栓施工工藝簡介[J].黑龍江交通科技,2004(9):46-47.
[5]解 偉,忽惠卿,劉振波.摩擦型高強度螺栓連接可靠度的研究[J].華北水利水電學院學報,2004,25(3):23-25.
[6]唐益群,葉為民.土木工程測試技術手冊[M].上海:同濟大學出版社,1999.
[7]周煥廷,馮鄭紅.高強螺栓連接的極限承載能力研究[J].武漢理工大學學報,2009,31(9):49-51.
[8]中華人民共和國建設部.GB50017-2003 鋼結構設計規(guī)范[S].北京:中華人民共和國建設部,2003.
[9]王 仁.塑性力學引論[M].北京:北京大學出版社,1992.
[10]季 明.幾種屈服準則的屈服應力的比較分析[J].塑性工程學報,2006,13(5):14-15.