許田富 陳 銓

（廣東省建筑科學研究院集體股份有限公司）

0 前言

便于安裝與移動的栓接鋼結構由于其鋼材的高強高塑的特點，目前已廣泛應用于各個領域[1]。其中抗滑移系數是栓接鋼結構的重要設計參數，對構件的承載力有決定性的影響?？够葡禂凳侵甘惯B接件摩擦面產生相對滑移時的外力與垂直與摩擦面的螺栓預拉力之和的比值，其中緊固軸力即為螺栓預拉力。為保證栓接的可靠性，其抗滑移系數必須滿足相關標準中的要求，如GB50205-2020、JGJ82-2011 等[2-3]。因此在實際測定二栓拼接試件抗滑移系數的過程中出現的結果不符合標準要求的情況，有必要對其進行研究。

1 檢測概述

南方沿海某客戶委托送檢了一組規(guī)格為M30×95的鋼結構用扭剪型高強螺栓連接副，以及與該批次螺栓連接副配套的二栓拼接試件。經過測試結果反饋，因客戶對檢測出的抗滑移系數結果有異議（其產品的抗滑移系數設計值為0.5），遂開展對應的試驗與分析。高強螺栓緊固軸力的測試結果以及二栓拼接試件的抗滑移系數分別見表1、表2。在型號為YJZ-500S 高強螺栓軸力扭矩復合檢測儀上檢測高螺栓連接副的緊固軸力；在型號為WAW-3000A 微機控電液伺服萬能試驗機上測試對應的抗滑移系數。

表1 高強螺栓緊固軸力測試結果 （kN）

表2 二栓拼接試件的抗滑移系數測試結果

測量了二栓拼接試件的外觀特征，結果見表3 與表4，其中外夾板在寬度方向為(117±1)mm，芯板寬度為(119±1)mm，部分芯板呈現大頭狀，兩夾板厚度之和與芯板厚度之比為 1.39， 其余孔位尺寸符合GB50205-2020 的要求。

表3 二栓拼接試件的外夾板尺寸 （mm）

表4 二栓拼接試件的芯板尺寸 （mm）

在二栓拼接試件的試板上取樣，在型號為SPECTRO MAXx 直讀光譜上進行化學成分分析，測試結果見表5。從表5 可知，測試結果符合GB/T 1591-2018《低合金高強結構鋼》對Q355 成分的要求[5]。依Q355 計算，厚度規(guī)格為20mm 的芯板，在此次抗滑移系數測試中，發(fā)生滑移前，不會發(fā)生屈服。

表5 測試樣板的化學成分 （wt/%)

依上述的試驗結果，認為測得的抗滑移系數偏低，是多方引起的，建議客戶送同批次高強螺栓及二栓拼接試件進行研究性試驗，提高數據的可靠性，分析抗滑移系數的測試達不到0.5 的原因，為客戶提供解決方案。

2 試驗研究與分析

2.1 扭剪型高強螺栓連接副緊固軸力的對比分析

依照GB/T3632-2008 的要求，客戶再送8 套同批次的M30×95 扭剪型高強螺栓連接副進行緊固軸力測試，測試結果見表6。

表6 第二次送檢的M30×95 扭剪型高強螺栓連接副測試結果

將表6 的測試結果與表1 的測試結果進行比對，比對數據見表7。

表7 螺栓的性能偏差 （kN）

通過比對發(fā)現： 兩次的測試的結果依GB/T3632-2008 判斷，均為合格。第二次檢測的緊固軸力均值為411kN，小于第一次送檢樣品的均值；第二次測試的緊固軸力標準差值為31.67，明顯高于第一批樣品的標準差11.1，其中再次送檢的樣品中，緊固軸力檢測的最大值為454.38kN，相比第一批送檢結果測得的最大值445.44kN 高8.94kN；相反，再次送檢的樣品測得的最小值373.0kN 小于第一批樣品；第二次送檢樣品的極差值明顯大于第一次送檢的數值。通過比對認為，客戶所送檢的整批M30×95 扭剪型高強螺栓連接副性能不夠穩(wěn)定，部分螺栓的緊固軸力偏大。

2.2 二栓拼接試件的測試與分析

鑒于所用的扭剪型高強螺栓連接副的緊固軸力偏差較大，性能不穩(wěn)定的特性，采用YJM-500 高強螺栓軸力智能檢測儀對同批次制作的二栓拼接試件進行了測試。

首先觀察二栓拼接試件的外觀特征，發(fā)現樣板比較平直，無明顯的彎曲變形，表面已經過噴砂處理，然而樣品的外夾板與芯板的接觸面有些許瑕疵，具體見圖1。從圖1 形貌特征中可以看到，螺栓孔邊緣有尚未清理的毛刺，板的邊緣有用火焰槍切割而殘留下來的肉瘤。為保證第一次測試的數據具有可比性，在不處理樣板的條件下，借助YJM-500 高強螺栓軸力智能檢測儀，施加365kN[6]的預緊力，制作出的二栓拼接試件見圖2。

圖1 外夾板夾持面的形貌特征

圖2 YJM- 500 高強螺栓軸力智能檢測儀輔助制作的二栓拼接試件

樣品在相同的設備上，用如下程序測試：以3kN/s的速度拉伸至73kN，隨后在73kN 的條件下保持60s，再以5kN/s 的速度拉伸直至發(fā)生滑移，測試結果見表8。

表8 抗滑移系數測試試驗結果

從表8 的測試結果來看，借助YJM-500 高強螺栓軸力智能檢測儀在準確的預緊力的條件下測得的結果與所第一次送檢的結果基本相符，即該批次制作的二栓拼接試件，較難達到抗滑移系數不小于0.5 的要求。

對測試后的樣品卸除預緊力，觀察樣板的形貌特征，見圖3。從圖3 中可以看到，發(fā)生滑移的痕跡主要集中在以螺栓孔為中心，直徑約為70mm 的區(qū)域內。結合表7 以及圖1、圖2 的形貌特征中可以得到：在螺栓的預緊力作用下，樣品的兩外夾板對芯板夾緊，然而由于毛刺、肉瘤等異質點對被夾緊試板的抵抗作用，在一定程度上減少了外夾板與芯板的有效接觸面積，在預緊力一定的條件下，接觸面積越小，在測試過程中測得的滑移荷載越小，進而造成抗滑移系數偏小，這是導致第一次檢測抗滑移系數結果遠比0.5 小的原因之一；從圖3 的形貌特征中可以看到，滑移時樣品的有效接觸面積較小，在以螺栓孔為中心，直徑約70mm 的范圍內，即圖3 中圓圈標志范圍內，該范圍數值約為所用高強螺栓頭有效長度的1.4 倍，可以認為用于測試抗滑移系數試板的外夾板偏薄[7]。在預緊力的作用下，較薄的外夾板容易發(fā)生變形，造成芯板與夾板之間的有效接觸面積縮小，這也是導致檢測結果遠比0.5 小的原因之一。

圖3 發(fā)生滑移的樣品外觀形貌特征

綜上分析，建議客戶采用相同牌號的材料，在控制板面的噴砂質量不比第一次差的條件下，在加工試板時注意下述事項，重新制作二栓拼接試件進行探索試驗：

⑴樣品所有孔的邊緣需要去除毛刺，并開出1×45°的倒角；

⑵凡是有接觸關系的板面、棱邊需去除肉瘤、毛刺等對試板在測試過程中可能有影響的異質點，所有棱邊需開出1×45°的倒角；

⑶在保證螺栓有效長度的條件下，適當增加外夾板的厚度，防止螺栓產生的預緊力過大，造成外夾板局部變形；

⑷加工樣品時，需要注意板型尺寸，嚴格控制試板的外觀尺寸符合GB50205-2020 中的用M30 螺栓連接時，試板寬為120mm 的要求。

2.3 新試板抗滑移系數測試與分析

客戶重新制作了6 付試板，送達本公司再次進行探索性試驗。觀察新的試板，各孔邊緣均已經去除了毛刺等雜物，各試板的棱邊也開出了倒角，無明顯的毛刺、肉瘤等異物，板面清晰可見因噴砂產生的凹痕。夾板厚×寬為：15.98×120mm，芯板的厚度×寬度為：19.98×120mm，即夾板在厚度規(guī)格上，已經增加了2mm，兩夾板的總厚度之和與芯板的比值為1.6。

借助YJM-500 高強螺栓軸力智能檢測儀，在新處理的試板上施加實際力為365kN 的預緊力，在相同的試驗設備上，用相同的程序（以3kN/s 的速度拉伸至73kN，隨后在73kN 的條件下保持60s，再以5kN/s 的速度進行拉伸直至發(fā)生滑移），測試新樣品的抗滑移系數，測試結果見表9。

表9 抗滑移系數測試結果

從表9 的結果可知，新制作的樣板已具備了抗滑移系數不小于0.5 的條件，遂用客戶所送的扭剪型高強螺栓連接副預緊，依據GB/T50205-2020 中附錄B 的要求，測試了所送的試板抗滑移系數，結果見表10。

表10 抗滑移系數測試結果

在采用扭剪型高強螺栓連接副預緊的條件下，測得抗滑移系數依舊小于0.5，不符合要求。對比分析表8、表9 的各項數據可以得出以下結果：在預緊力相同為365kN 的情況下，適當增加外夾板厚度、適當增加夾板以及芯板的寬度、以及優(yōu)化夾板與芯板接觸面的表面質量，顯著提升樣品的抗滑移系數；對比分析表9、表10的各項數據可以得出以下結果：在夾板、芯板尺寸及表面質量相同的情況下，隨著預緊力數值的提升，滑移荷載力值升高，抗滑移系數降低。

有文獻指出[8]，隨著預緊力的增加，抗滑移系數會有一定的提升，然而不能僅依靠增加預緊力，從而獲得較高的抗滑移系數。因為二栓拼接試件中的螺栓有效預緊力需要根據試板的牌號、厚度規(guī)格、及性能品質等特征控制在一個合理的范圍內，在試板（特別是外夾板）不發(fā)生變形并且在螺栓有效預緊力的范圍內，隨著螺栓預緊力的增加，樣品的滑移荷載相應地增加，抗滑移系數也能獲得適當的提升。

3 結論

從上述的數值結果中可以得到，在新處理的試板上，利用大六角螺栓施加365kN 的預緊力，理論能滿足抗滑移系數不小于0.5 的要求；然而，在同批次生產的試板上，用檢驗合格的扭剪型高強螺栓連接副連接，實際測試的抗滑移系數結果僅在0.46～0.49 之間，不滿足0.5 的要求，可能有如下的原因：

⑴采用8 套扭剪型高強螺栓連接副測試的緊固軸力的平均值為411（或429）kN，僅是整批扭剪型高強螺栓連接副的代表值，而非是用于二栓拼接試件的高強螺栓連接副的真實值，用代表值衡量真實值，在實際情況中會有較大的偏差；

⑵二栓拼接試件中的高強螺栓連接副緊固軸力盡管符合標準的規(guī)定，然而，檢測出緊固軸力值的離散度、極差、上下限數值與平均值的偏差數值都比較大（具體見表7 的數據中），結合標準差數值可以表明螺栓性能極不穩(wěn)定。在測試抗滑移系數時，施加411 或429kN 預緊力，由于螺栓的性能不穩(wěn)定，導致螺栓產生的緊固軸力值與施加力值有嚴重的偏差，從而測得較低的抗滑移系數；

⑶由于該客戶是南方沿海地區(qū)，二栓拼接試件中的螺栓在南方沿海這種相對濕度較大、空氣中鹽分更高的環(huán)境中，其磷化層容易產生腐蝕性破壞，在一定程度上會增加螺栓的扭矩抗力，從而導致螺母旋入螺栓的過程中阻力矩增加。而擰斷螺栓連接副梅花頭的扭矩是不變的，額外扭矩的增大，會降低螺栓的實際緊固軸力。

⑷新試板組成的二栓拼接試件與舊試件的試驗數據對比，結果表明：若所使用的螺栓質量比較穩(wěn)定，外夾板較薄、芯板以及夾板厚度較小、板面質量不佳等因素，也是使得樣品抗滑移系數低于0.5 的原因之一。

綜上所述，采用離散度大，質量不穩(wěn)定的扭剪型高強螺栓連接副，二栓拼接試件制作尺寸不完全遵循標準，板面質量較差，且外夾板較薄的條件下，測試的抗滑移系數，難以達到抗滑移系數不小于0.5 的要求。

4 效果

將研究結果反饋客戶后，客戶于4 月重新送檢了8套扭剪型高強螺栓連接副及一套（三件）二栓拼接試件。依標準檢測的螺栓緊固軸力為392kN，標準差為14.52。測量了芯板的厚度×寬度為20.10×121mm；外夾板厚度×寬度為16.10×121mm，板面經過噴砂處理，金屬光澤明顯，無毛刺等特征。依照GB50205-2020 的試驗方法，測得的抗滑移系數最小值為0.51，完美地解決了問題，獲得客戶的好評。

二栓拼接試件測試是鋼結構工程中采用栓接的典型代表，抗滑移系數測試試件是鋼結構產品的代表，制作測試試件時，需要遵守一定的規(guī)律，測定的抗滑移系數，才得到保障。作為二栓拼接試件的測試試件，是衡量鋼結構產品質量的手段之一，保證試件的加工質量及鋼結構產品的加工質量，才能獲得理想的測試結果，保證鋼結構產品的質量，使鋼結構工程更好地為社會服務。