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高强度螺栓连接摩擦面抗滑移系数试验

时间:2017年12月16日 点击:

 

FμP

 

 

 

40  增刊 2010  4

 

 

高强度螺栓连接摩擦面抗滑移系数试验

 

陈新华

 

(湖北省宜昌市建夷建设工程质量检测中心,宜昌 443000

 

[摘要] 依据钢结构有关规范和工程检测实践,对钢结构高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数试验的原理及方法进行了较为祥细的介绍,并对检测中遇到的问题进行了分析,可供钢结构质量检测人员及施工人员参考。[关键词] 高强度螺栓连接磨擦面;抗滑移系数;试验原理;试验方法;试件;

 

Anti-slipping coefficient test for the friction surface of high strength bolts connection of steel structure

 

Chen Xinhua

 

Jianyi Construction Engineering Quality Testing Center, Yichang City, Hubei Prov.,Yichang 443000,ChinaAbstractIt can be used for reference for the testing personnel, according to the specification as well as the practice of engineering quality test related to steel structureintroduces minutely the principle and method of the anti slipping coefficient test for the friction surface of high strength bolts connection of steel structure and the problems encountered in the test are analyzed.

 

Keywordsfriction surface of high strength bolts connectionanti slipping coefficientprinciple of the testmethod of the testtest sample


 

引言

 

高强度螺栓连接是在20世纪60年代迅速发展和应用的螺栓连接新形式。具有连接紧密,受力性能好,耐疲劳,安装方便,工艺简单,施工效率高并可方便拆装等优点。它是钢结构中最重要的连接方式之一。其施工质量好坏,直接影响钢结构工程造价、安全性能及使用寿命。

 

连接摩擦面的抗滑移系数是钢结构高强度螺栓连接设计的重要技术参数,施工组装完成后,连接摩擦面的实际抗滑移系数是否满足设计要求是保证钢结构使用安全的关键。因此加强对高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数的检验,是非常必要的。

 

抗滑移系数试验用的试件制作质量和贮存、运输过程中试件的状态对试验结果影响非常显著。然而,在检测实践中发现,有部分委托方送检的试件不符合规范要求,严重影响了检测结果的有效性和真实性。查其原因,部分钢结构生产、施工和监理人员对高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数试验的基本原理与方法不甚了解,本文在这方面结合实际检测工作和有关规范进行了探讨,希望能够为工程质量控制、检测提供一定的参考。

原理

 

高强度螺栓连接是依靠螺栓杆内的预拉力使连接钢板紧密贴在一起产生强大的摩擦力来传递荷载。摩擦力的大小与钢板所受的正压力(高强度螺栓预拉力)大小成正比,与板材间的摩擦系数成正比。可用下式

 

来表示:

 

1

 

式中:F为板材间的摩擦力;P为正压力;μ为摩擦系数。

 

当连接构件所用的钢材及连接表面状态一定后,摩擦系数为一常量。如果正压力也已确定,磨擦力将随外加荷载的增大而增大,当外加荷载增大到某一值后,摩擦力不再增大,此时由式(1)所表示的摩擦力为该连接面的极限摩擦力F。当外加荷载NF相等时,连接面处于临界状态,若继续增加外荷载,超过F后,连接构件将产生相对滑动。连接面处于临界状态时的外荷载与正压力的比值即为抗滑移系数:

 

μN/P 2)式中:N为滑移荷载;P为板材间的正压力,连接板一侧高强度螺栓预拉力之和。

 

由以上分析可以看出:

 

209

 


 

 

 

(1)抗滑移系数是高强度螺栓连接极限状态特征参数,直接影响连接的承载力、使用功能和安全性能。

 

(2)抗滑移系数与板材摩擦系数有关,还与高强度螺栓的紧固预拉力有关。

 

(3)磨擦系数由连接钢板的材质和磨擦面的状态决定。制作试件的钢板应与所代表的构件的材质相同,生产时应按设计要求的处理工艺对磨擦面进行处理。贮存和运输过程中应采取保护措施。

 

(4)施工时通过对高强度螺栓的螺母施加扭矩使螺杆产生的预拉力应该是符合设计要求的标准值,否则连接的承载力将不确定。

 

鉴于高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数试验重要性,《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205

2001)(以下简称为《规范》)作了严格的规定,并给出了详细的试验程序。下面就以GB502052001为依据,详细阐述试验方法和要点。

 

试件制作及要求

 

抗滑移系数试验要求试件能真实反映所代表构

 

件的实际情况。因此《规范》对试件的形式、规格尺寸、所用材料、制作加工等都做了严格规定。

 

2.1 抽样数量和代表批量

 

钢结构制造厂和安装单位应以钢结构制造批为

 

单位分别进行高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数试验和复验,现场处理的构件摩擦面应单独进行摩擦面抗滑移系数试验,其结果应符合设计要求。

 

抗滑移试验由设计提要求,制造厂制作试件,分别在制造厂与工程现场进行试验和复验。也就是说,制造单位必须试验一次,以保证所制作的钢结构件磨擦面的抗滑移系数符合设计规定,同时安装单位在安装前也应进行一次试验,以检验运输到安装现场的钢结构磨擦面的抗滑移系数是否满足设计要求。

 

制造批可按分部(子分部)工程划分规定的工程量每2000t 为一批,不足2000t 的可视为一批。选用两种及两种以上表面处理工艺时,每种处理工艺应单独检验。每批三组试件。

 

2.2 基本要求

 

抗滑移系数试验用的试件应由制造厂加工,试件

 

与所代表的钢结构构件应为同一材质、同批制作、采用同一摩擦面处理工艺和具有相同的表面状态,并应用同批同一性能等级的高强度螺栓连接副,在同一环境条件下存放。

 

2.3 试件形式和规格尺寸

 

抗滑移系数试验应采用双摩擦面的二栓拼接的

 

210

 


 

 

d0

 

 

b

 

 

L

 

t1 t2








2d0

3d0

2d0

5

2d0

3d0

2d0

2








t

 

L1    L1

L

 

1 抗滑移系数拼接试件的形式和尺寸

 

拉力试件,见图1

 

试件钢板的宽度b可参照表1规定取值。L1 应根据试验机夹具的要求确定,一般在120150mm之间。

 

试件板的宽度长度及钻孔直径/mm 1

 


螺栓直径 d

16

20

22

24

27

30












螺孔直径 d0

17.5

22

24

26

30

33



板宽 b

100

100

105

110

120

120



L2

250

313

341

369

425

467











 

试件被连接板的厚度t1和拼接盖板的厚度t2 应根据钢结构工程中有代表性的板材厚度来确定,同时应考虑在摩擦面滑移之前,试件钢板的净截面始终处于弹性状态。由于试件为双摩擦面的二栓拼接的拉力试件,当构件为单摩擦面,试件与构件采用相同厚度的钢板及相同长度的高强度螺栓时,往往螺栓长度不够。为解决此问题,可适当减小钢板厚度。一般取拼接盖板厚度为被连接板厚度的1/2。但钢板不能太薄,否则应用下式核算钢板板厚度,确保试验过程中试件钢板的净截面始终处于弹性状态。

 

t 3

(1 - 0.5 n1  n )  n f å Pi

103

3


1

s ( b - d0 )







t2=t1/2


4

式中:μ为抗滑移系数设计要求值;nf为磨擦面面数,取nf=2Pi为试件滑动一侧高强度螺栓预拉力标准值(或同批扭剪型螺栓紧固轴力平均值)/kNσs为钢板的规定屈服强度下限值/N/mm2b为试件钢板宽度/mmn1为危险截面螺栓数,取n1=1n为连接一侧螺栓数,取n=2

 

如果经过计算,在保证钢板强度的条件下取最小厚度后螺栓长度仍然不够,可以提前订制适当加长的


 

 

 

螺栓制作试件,但要保证加长螺栓与原螺栓是同批同一性能等级的高强度螺栓连接副。根据GB/T123191,同一厂家的同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、长度(当螺栓长度100mm时,长度相差15mm;螺栓长度>100mm时,长度相差20mm,可视为同一长度)、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的螺栓可视为同批。

 

2.4 试件制作

 

1)按照设计要求选择高强度螺栓和钢板。(2)参照表1和图1确定试件钢板的尺寸,切割成

型后应采用机械方法,使板面平整,不得翘曲变形,保证摩擦面能紧密贴合无缝隙。

 

3)钻孔。高强度螺栓的栓孔应采用钻孔成型,孔径可参照表1取值。可将拼接盖板和被连接板层叠套钻,成型后高强度螺栓应自由穿入螺栓孔。孔边应无飞边毛刺。钻孔一定要保证精度,偏心会引起测试误差。4个螺栓孔的圆心应在同一条直线上,并通过板宽的中心轴线。试验装夹试件时,一定要使试件轴线与试验机夹具中心严格对中,以避免偏心对试验值的影响。

 

4)摩擦面处理。为了保证连接钢板接触面之间在高强度螺栓预拉力的作用下产生强大的摩擦力,一般需对接触面进行特殊处理,使其表面清洁粗糙,达到提高抗滑移系数的目的。

 

常见的摩擦面处理方法如下:

 

1)喷砂或喷丸处理。砂粒直径为 1.2~1.4mm,喷射时间为 1~2min,喷射风压为 0.5Pa,处理完表面粗糙度可达 45~50μm

 

2)喷砂后生赤锈处理。喷砂后放置于露天生锈 60~90d。表面粗糙度可达到 55μm。安装前应清除表面浮锈。

 

3)喷砂后涂无机富锌漆处理。该处理是为了防锈,一般要求涂层厚度为 0.6~0.8μm

 

4)砂轮打磨。使用粗砂轮与受力方向垂直打磨,打磨后置于露天生锈效果更好,表面粗糙度可达到 50μm 以上,但离散性较大。

 

5)手工钢丝刷清理。使用钢丝刷将钢材表面的氧化铁皮等污物清理干净,该处理比较简单,但抗滑移系数较低,适用于次要结构和构件或局部处理。

《钢结构设计规范》(GB50017——2003)中对于不同钢号的钢结构及不同处理方法的构件摩擦面规定了抗滑移系数μ(2),它是钢结构设计的规定值,也是抗滑移系数试验时应达到的目标值。

 

 

 


摩擦面的抗滑移系数μ

2









在连接处构件接触面的


构件的钢号










处理方法

Q235

Q 345Q 390

Q420









喷砂(丸)

0.45

0.50

0.50



喷砂(丸)后涂无机富锌漆

0.35

0.40

0.40



喷砂(丸)后生赤锈

0.45

0.50

0.50



钢丝刷清除浮锈或未经处理的

0.30

0.35

0.40



干净轧制表面













 

制作完成后试件板面应平整,无油污、无飞边、毛刺、焊接飞溅物、焊疤、氧化铁皮、污垢等,除设计要求外摩擦面不应涂漆。其表面处理方法应与设计图中所要求的一致。在贮存和运输过程中,应采取保护措施,保持干燥、整洁,防止沾染脏物和油污。否则试件在试验时的状态将不能代表构件在工作时的状态,检测出的抗滑移系数也没有实际意义。

3 试验方法

 

3.1 仪器设备

 

试验所用的主要仪器设备是拉力试验机与高强度

 

螺栓预紧力检测仪器,拉力试验机误差应在1%以内。

 

目前检测高强度螺栓预拉力的方法主要有3种:1)用压力传感器和电阻应变仪检测高强度螺栓的预拉力;2)在高强度螺栓上粘贴应变片和电阻应变仪检测预拉力;3)不进行实测时,扭剪型高强度螺栓的预拉力(紧固轴力)可按同批复验预拉力的平均值取用。大六角头高强度螺栓可按同批复验扭矩系数的平均值,计算试验螺栓的预拉力。

 

前两种方法所用的压力传感器、贴有电阻片的高强度螺栓和电阻应变仪应在试验前用试验机进行标定,其误差应在2%以内。第3种方法所用的轴力计、扭矩传感器应经计量检定合格,误差应在2%以内。

3.2 试件组装

 

若采用高强度螺栓上粘贴电阻应变片检测螺栓预

 

拉力,可将试件进行适当改造,保护电阻应变片在试验时不被损坏,方便引出电阻应变片导线。

 

一种方法是在高强度螺栓头部钻两个穿引出线的小孔(图2), 另一种方法是在钢板上开槽(图3)。因开槽后会使钢板截面减小,应进行强度校核。

电阻应变片引出线

 

 

 

 

 电阻应变片

 

A-A

 

2 高强度螺栓头部钻小孔

 

211

 


 

 

 

将试件的板料拼装后,先将冲钉打入试件孔定位,然后逐个换成装有压力传感器或贴有电阻片的高强度螺栓,或换成同批经预拉力复验的扭剪型高强度螺栓、或换成同批经扭矩系数复验的大六角头高强度螺栓。保证螺栓安装在孔的中部。

 

紧固高强度螺栓应分二部进行。首先初拧,初拧应达到螺栓预拉力标准值的50%左右。然后终拧,终拧后,螺栓预拉力应符合下列规定:

 

1)对装有压力传感器或贴有电阻片的高强度螺栓,采用电阻应变仪实测控制试件每个螺栓的预拉力值应在0.951.05P(P为高强度螺栓设计预拉力值,见表3)之间;

 

2)不进行实测时,扭剪型高强度螺栓的预拉力(紧固轴力)可按同批复验预拉力的平均值取用。大六角头螺栓可按同批复验扭矩系数的平均值与要求的预

 

拉力值按式5计算螺栓的施拧扭矩(N·m)


T=KPd

5

 

式中:K为经复验的同批高强度螺栓扭矩系数平均值;

 

P为高强度螺栓预拉力/kNd为高强度螺栓的公称直

 

/mm

 



一个高强度螺栓的预拉力P/kN


3














螺栓性



螺栓的公称直径/mm





能等级











M16

M20


M22

M24


M27

M30














8.8

80

125


150

175


230

280



10.9

100

155


190

225


290

355













 

对螺栓进行编号,记录每一个螺栓的实测预拉力或扭矩(组装完成后按式5反算螺栓的预拉力应符合表3的要求)。在试件的侧面画出观察滑移的直线,线条应清晰、平直,上下各一条。

 

3.3 试验

 

将组装好的试件置于拉力试验机上,试件的轴线应与试验机夹具中心严格对中。

 

加荷时,应先加10%的抗滑移设计荷载值,停1min后,再平稳加荷,加荷速度为35kN/s。直拉至滑动破坏,测得滑移荷载Nv

 

在试验中当发生以下情况之一时,所对应的荷载可定为试件的滑移荷载:1)试验机发生回针现象;2)试件侧面画线发生错动;3X-Y记录仪上变形曲线发生突变;4)试件突然发生“嘣”的响声。

 

抗滑移系数,应根据试验所测得的滑移荷载Nv 和螺栓预拉力P的实测值,按下式计算,宜取小数点2位有效数字。

 

212

 


 

 

 

m


= N v   n f å pi

6

i=1


式中:Nv为由试验测得的滑移荷载/kNnf为摩擦面面

 

m

数,取nf=2å pi  为试件滑移一侧高强度螺栓预拉力

 

i =1

 

实测值(或同批螺栓连接副的预拉力平均值)之和(取三位有效数字)/kNm为试件一侧螺栓数量,取m=2

3.4 结果评定

 

一批三组试件中,抗滑移系数检验的最小值必须等于或大于设计规定值。若试验结果不能满足设计要求,应分析原因,确认试件钢板与高强度螺栓没有问题后,按照设计要求对构件摩擦面重新处理,处理后的构件摩擦面应按《规范》规定重新进行抗滑移系数检验。

结语

 

试件制作是试验的关键,通过对以往检测数据的

 

统计分析,我们发现检测结果不合格的原因主要有以下几种:1)摩擦面处理不符合要求,有的没有进行处理,更有甚者还将摩擦面磨光,以为越光越好。对此应加强培训与监管。2)钢板不平整,弯曲变形,造成摩擦面不能有效接触,同时也降低了高强度螺栓预拉力的作用,使抗滑移系数下降。3)钻孔不同心同轴,严重的使得螺栓无法穿入。4个螺栓孔的圆心不在同一条直线上,也没有通过板宽的中心轴线。试验装夹试件时,无法使试件轴线与试验机夹具中心对中,产生偏心受拉,影响了试验结果。4)螺栓不配套,一套大六角头高强度螺栓连接副由一个螺栓、一个螺母、二个垫圈组成。一套扭剪型高强度螺栓连接副由一个螺栓、一个螺母、一个垫圈组成。它们均应是同批产品,不得混用。更不能用普通螺栓的螺母、垫圈代用。

 

 

[1] GB502052001 钢结构工程施工质量验收规[S].

 

[2]侯兆欣,何乔生,何奋韬,等.钢结构工程施工质量验收规范培训讲座[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

 

[3] GB 500172003 钢结构设计规范[S].

 

[4] GB/T 12282006 钢结构用高强度大六角头螺栓[S].

 

[5] GB/T 12292006 钢结构用高强度大六角头螺母[S].

 

[6] GB/T 12302006 钢结构用高强度大六角头垫圈[S].

 

[7] GB/T 12312006 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫

 

圈技术条件[S].

 

[8]温洁明.钢结构用高强度螺栓抗滑移系数的测定方法.[J].广西机械,

 

2001(4).

 

作者简介陈新华(1955.7-)男,高级工程师,Email511156996@qq.com