钢网架中高强螺栓紧固程度与承载力关系研究.docx

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钢网架中高强螺栓紧固程度与承载力关系研究

钢网架中高强螺栓紧固程度与承载力关系研究

摘要：

设计了5组试件，研究高强度螺栓分别拧入螺栓球不同深度时的球节点承载能力，分析高强螺栓紧固程度对螺栓球节点破坏模式的影响，量化高强螺栓紧固程度与承载能力的函数关系，为处理钢网架工程中经常出现的高强螺栓紧固不到位的问题提供理论依据，也可为相关规范的修订提供参考。

关键词：

钢网架；高强螺栓；紧固程度；承载能力

1概述

近年来，随着人们生活水平不断提高、工业生产、文化、体育等事业不断进步，大大增强了社会对空间结构的需求，而螺栓球节点网架结构在空间结构中占了相当大的比例。

螺栓球节点一般由球、高强度螺栓、套筒、紧固螺钉、锥头或封板等零部件组成，用于连接网架和双层网壳等空间结构钢管杆件。

根据螺栓球节点连接受力特点可知，受拉杆件主要通过螺栓传递拉力，螺栓为主要受力零件。

因此，高强螺栓的连接质量对网架受拉杆件的承载能力有着重要的影响。

GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》[1]中规定：

螺栓球节点网架总拼完成后，高强度螺栓与球节点应紧固连接，高强度螺栓拧入螺栓球内的螺纹长度不应小于1.0d（d为螺栓公称直径），连接处不应出现有间隙、松动等未拧紧情况。

现有的工程实践中[2]，螺栓球节点处的高强螺栓就经常出现未紧固到位的情况，导致连接处出现套筒有间隙、松动等情况（图1）。

螺栓未拧紧时，可能会降低节点承载能力，且易造成结构挠度较大，影响网架安装质量[3]。

对于检测中发现的高强螺栓未紧固到位的情况，此时高强螺栓的承载力能达到多少，是否需要采取加固措施，如何量化钢网架中高强螺栓的紧固程度与承载能力的关系，目前国内外相关文献研究较少。

该研究对于钢网架工程的实际意义有：

为此类问题的加固处理提供理论依据；为规范的修订提供试验依据。

a—情形1；b—情形2。

图1高强螺栓未紧固到位

2研究内容及方案

本次试验采用螺栓球和网架用高强螺栓组合进行拉力试验，为研究网架用高强螺栓拧入螺栓球中的紧固程度与承载能力之间的关系，设计了5组试件，每组有8个试件，8个试件的螺栓拧入深度分别为0.3d、0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d、0.9d、1.0d（分别对应第1～8个试件，其中d为高强螺栓公称直径）。

试件规格见表1，试件实物见图2。

试验时，分别对每组8个试件进行拉力试验，记录高强螺栓的破坏力值及破坏模式，对试验数据进行整理和分析，找出高强螺栓紧固程度与承载能力之间的规律，并指导工程应用。

试件编号SJ4-3表示第4组试件中的第3件（此时高强螺栓拧入深度0.5d）。

表1试件规格

序号试件编号试件数量螺栓球直径D/mm高强螺栓规格1SJ18120M202SJ28120M243SJ38180M304SJ48180M365SJ58180M42

3试验结果

5组试件的试验结果见表2—表6，试件破坏形态见图3—图7。

a—第3组第4个;b—第5组第5个。

图2试验前试件实物照片

表2SJ1试验结果

试件编号螺栓球规格高强螺栓规格螺栓设计拉力/kN拧入深度/d破坏力/kN破坏位置破坏模式SJ1-1SJ1-2SJ1-3SJ1-4SJ1-5SJ1-6SJ1-7SJ1-8D120M20255～3040304050607080910562959139215041939244126352701球球球、栓球、栓球、栓球、栓球、栓栓声音很小，球螺纹脱丝声音低沉，球螺纹脱丝、螺栓个别螺纹破坏声音低沉，球螺纹脱丝、螺栓螺纹破坏明显声音低沉，球螺纹脱丝、螺栓螺纹破坏明显声音低沉，球螺纹脱丝、螺栓螺纹破坏明显声音变大、清脆，球螺纹和螺栓螺纹均明显破坏声音较大、低沉，球螺纹和螺栓螺纹均明显破坏声音响亮、清脆，螺栓断裂

表3SJ2试验结果

试件编号螺栓球规格高强螺栓规格螺栓设计拉力/kN拧入深度/d破坏力/kN破坏位置破坏模式SJ2-1SJ2-2SJ2-3SJ2-4SJ2-5SJ2-6SJ2-7SJ2-8D120M24367～43803620球声音较小，球螺纹脱丝041098球声音较小，球螺纹脱丝051784球、栓声音低沉，球螺纹脱丝，螺栓个别螺纹破坏062292球、栓声音低沉，球螺纹脱丝，螺栓个别螺纹破坏073043球、栓声音变大、沉闷，球螺纹脱丝，栓少量螺纹破坏083576球、栓声音较大、沉闷，球螺纹脱丝，栓少量螺纹破坏093775球、栓声音较大、较脆，螺栓球和螺栓共同脱丝破坏103954栓声音响亮、清脆，螺栓断裂

表4SJ3试验结果

试件编号螺栓球规格高强螺栓规格螺栓设计拉力/kN拧入深度/d破坏力/kN破坏位置破坏模式SJ3-1SJ3-2SJ3-3SJ3-4SJ3-5SJ3-6SJ3-7SJ3-8D180M30583～696031827球声音低沉，球螺纹脱丝042567球声音低沉，球螺纹脱丝05331．0球、栓声音低沉，球螺纹脱丝，螺栓个别螺纹破坏064093球、栓声音变大、较响，球螺纹脱丝，栓个别螺纹破坏074608球、栓声音变大、较响，球螺纹脱丝，栓个别螺纹破坏085649球、栓声音较响，球和螺栓螺纹破坏明显096321栓声音响亮、清脆，螺栓断裂106455栓声音响亮、清脆，螺栓断裂

表5SJ4试验结果

试件编号螺栓球规格高强螺栓规格螺栓设计拉力/kN拧入深度/d破坏力/kN破坏位置破坏模式SJ4-1SJ4-2SJ4-3SJ4-4SJ4-5SJ4-6SJ4-7SJ4-8D180M36850～1013032436球声音低沉，球螺纹脱丝043334球声音低沉，球螺纹脱丝054214球，栓声音低沉，球螺纹脱丝，栓螺纹轻微破坏065402球，栓声音变大、清脆，球螺纹脱丝，栓螺纹少量破坏076678球声音较大、清脆，球螺纹破坏087648球声音较大，球断裂098544栓声音响亮、清脆，螺栓断裂108831栓声音响亮、清脆，螺栓断裂

表6SJ5试验结果

试件编号螺栓球规格高强螺栓规格螺栓设计拉力/kN拧入深度/d破坏力/kN破坏位置破坏模式SJ5-1SJ5-2SJ5-3SJ5-4SJ5-5SJ5-6SJ5-7SJ5-8D180M421008～1232033351球声音低沉，球螺纹脱丝破坏044517球、栓声音低沉，球螺纹脱丝，栓螺个别螺纹破坏056173球、栓声音低沉，球螺纹脱丝，栓螺个别螺纹破坏067824球声音变大，球断裂079142球声音变大，球断裂081029．0球、栓声音较大、沉闷，球螺纹脱丝，栓螺纹破坏明显091139．0栓声音响亮、清脆，螺栓断裂101186．0栓声音响亮、清脆，螺栓断裂

图3SJ1试件破坏后

图4SJ2试件破坏后

图5SJ3试件破坏后

图6SJ4试件破坏后

图7SJ5试件破坏后

4试验结果分析

4.1破坏模式

对于同一组试件，随着高强螺栓拧入深度的增加，试件破坏时的声音由小变大，由低沉到清脆，试件破坏的荷载值不断增大。

根据表2—表6的统计结果，可以得出以下规律：

1）当高强螺栓拧入深度为0.3d、0.4d时，试件的破坏模式为螺栓球的脱丝。

2）当高强螺栓拧入深度为（0.5～0.8）d时，试件的破坏模式为螺栓球的脱丝破坏为主，高强螺栓的螺纹也出现不同程度的破坏。

3）对于M20、M24的高强螺栓，当螺栓拧入深度为1.0d时，试件的破坏模式为螺栓断裂；对于M30及以上高强螺栓，当拧入深度达到0.9d时，螺栓即被拉断。

4）值得注意的是，随着高强螺栓规格的增大，当高强螺栓未紧固到位时会出现螺栓球断裂破坏的情况。

M36的螺栓在拧入深度为0.8d时出现了螺栓球断裂破坏（图6），M42的螺栓在拧入深度为0.6d、0.7d时出现了螺栓球断裂破坏（图7）。

4.2承载能力

根据表2—表6的试验数据，以高强螺栓拧入深度系数（拧入深度系数=拧入深度/公称直径）为横坐标（x轴），以试件破坏荷载为纵坐标（y轴），建立拧入深度与破坏荷载的函数关系，见图8。

由图可知，对于同一组试件，随着高强螺栓拧入深度增加，破坏荷载值也相应增加，5组试件的变化趋势基本一致，均呈现较好的线性关系。

需要指出的是，对于5组试件，当螺栓拧入深度达到为0.9d时，试件的破坏力值均符合文献[4]中规定的高强螺栓机械性能要求，满足钢网架设计中高强螺栓的设计需要。

由于高强螺栓拧入深度达到0.9d以后，高强螺栓的机械性能符合标准要求，切均以高强螺栓断裂破坏为主，故仅对拧入深度（0.3～0.8）d的试验数据进行线性拟合，结果见图9。

线性拟合函数式及相关值见表7。

由表7可知，5组试件的相关系数R2值均达到0.985以上，说明拧入深度和破坏荷载的线性相关性较高；试件的拟合值与试验值的相对偏差绝对值均低于9%，相对偏差略大，但在尚可以接受的范围；相对偏差的标准差均低于6%，表明拟合后数据的离散程度较好。

图8拧入深度与破坏荷载关系曲线

图9拧入深度与破坏荷载线性拟合函数

表7线性拟合函数关系式及偏差

序号试件编号函数式R2相对偏差δ/%标准差/%1SJ1y=34750x-45180986-76～86562SJ2y=56140x-105800987-56～82553SJ3y=74800x-43440996-18～42204SJ4y=105000x-83820996-51～47315SJ5y=137900x-75150994-38～5531

注：

每组试件的相对偏差δ=（拟合值-试验值）/试验值

5结束语

根据工程经验，不少网架工程中或多或少都存在高强螺栓未拧紧的情况，如何处理是个很棘手的问题。

本文基于这一点，着重研究网架用高强螺栓拧入深度对螺栓球节点的破坏模式和承载能力的影响，通过试验研究找出规律，为相关的工程实践和标准的修订提供一些参考。

本文的研究表明，对于螺栓球节点网架工程中出现的高强螺栓紧固不到位的情况，当高强螺栓紧固不到位尚不影响网架挠度或影响不大的情况下，可以通过测量套筒闪缝的尺寸计算高强螺栓拧入深度，如果该拧入深度对螺栓球的破坏模式和承载力没有影响、或者有一定影响但经计算后节点承载能力仍然符合设计要求时，对该高强螺栓可不采取措施；否则应采取措施紧固到位或进行加固处理。

根据试验数据及分析结果，可以得出以下结论：

1）随着高强螺栓拧入深度的增加，螺栓球节点的破坏模式是从螺栓球螺纹破坏变化到球和栓螺纹共同破坏，最后是螺栓拉断。

2）对于M30以上的高强螺栓，当高强螺栓未紧固到位时，会出现螺栓球断裂破坏的情况。

3）试件的拧入深度和破坏荷载线性相关性较高，拟合后数据的离散程度较好。

4）得出了5种规格网架用高强螺栓拧入深度与破坏荷载的线性函数关系式，具有工程应用价值。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.钢结构工程施工质量验收规范：

GB50205—2001[S].北京：

中国计划出版社，2001.

[2]王前华，时柏江，陈进华.某旧体育馆钢网架结构检测与分析[J].工程建设与设计，2010（10）：

59-61.

[3]杨大元.钢结构常用六角头螺栓及其连接[J].钢结构，2015,30（3）:

39-41.

[4]国家标准化委员会.钢网架螺栓球节点用高强度螺栓：

GB/T16939—2016[S].北京：

中国计划出版社，2016.