自锁式单向螺栓工程应用现状与研究方向

  摘要:螺栓连接是钢结构的主要连接方式之一,一般会用高强螺栓和普通螺栓作为紧固件。由于这两种螺栓安装时需要较大的安装空间,因此不适用于连接管状或箱形等闭合截面构件,而单边紧固螺栓则解决了常规螺栓的施工受限问题。通过自锁式单向螺栓在整体的结构、围护结构和功能构件各部分的使用情况,研究其国内应用现状,并结合实际应用中遇到的问题分析该螺栓未来的研究侧重点和发展方向。

  关键词:自锁式单向螺栓; 工作原理; T形连接节点; 应用现状; 研究方向

  自锁式单向螺栓的发现及应用,使得矩形钢管柱等封闭截面构件与钢梁的连接不再依赖于现场焊接或对穿螺栓式连接等传统方式,以此来降低了钢材工厂加工和现场施工精度要求,有效提升了施工效率和施工质量。

  目前自锁式单向螺栓连接节点及应用尚处于研究初期,自锁式单向螺栓的设计规程、相关设计规范和行业标准等尚未出台,工程实际使用不如高强螺栓和普通螺栓普遍。但是自锁式单向螺栓有应用限制范围广、安装快速方便、节约劳动力成本、无需现场焊接、具有高强的预紧力和抗拉抗剪承载力、抗腐蚀和抗老化性能好、连接形式美观、产品性能稳定质量高等诸多优点,未来定能得到行业的认可,成为钢结构的重要连接形式之一。不同螺栓的应用情况如图1所示。

  本文针对自锁式单向螺栓在工程中现阶段的应用情况,结合其应用中的缺点和优势,分析该螺栓未来的研究方向和定位。

  从1994年开始,日本和部分欧洲国家陆续开发出几类较成熟的自锁式单向螺栓产品。目前自锁式单向螺栓的锁紧原理主要有以下3种:1)利用膨胀螺栓原理,在拧紧螺杆时将螺杆外侧的套管撑开,锁紧被连接件,如英国Lindapter公司的Hollo-Bolt[1]、美国LNA Solution公司的BoxBolt型单向螺栓。2)利用螺母在螺杆上转动时相对螺杆向前移动,挤压螺杆外侧的套管并使之变形,横截面积变大,形成垫片卡住被连接件,如美国和日本的Ultra-Twist。3)在螺杆上设置某种装置,穿过螺栓孔后装置打开成为垫片,从而锁紧被连接件,如澳大利亚的ONESIDE Fastener,螺杆上配有可折叠垫片,从一侧穿过螺栓孔后张开成正常垫片,形成类似普通高强螺栓的连接。

  许炎彬等参考上述第1种单向螺栓的构造原理,通过改进套筒材料和端部构造研制了国产自锁式单向螺栓(图2)[2],工作原理如图3所示,其性能与英国Lindapter公司的Hollo-Bolt相当,但成本更低。目前已经研制开发出8.8级和10.9级两种自锁式单向螺栓,并通过试验确定单向螺栓的抗拉极限强度、抗剪极限强度等力学性能指标[3-4]。

  自锁式单向螺栓因其独特的自身优势应用于工程建设项目中,虽然目前单向螺栓的使用尚处于初始阶段,但无论是整体的结构、围护结构还是功能构件的安装均有用到自锁式单向螺栓[5-7]。

  建筑整体的结构一般包含梁-柱连接节点、柱-柱连接节点等。若钢柱为矩形等封闭截面,由于施工空间的局限性,传统高强螺栓和普通螺栓不能直接用于矩形钢管柱和H形钢梁及闭合柱的柱-柱连接中。为实现螺栓连接,需使用特制螺栓。之前国内工程建设项目中使用过长度能够贯穿整个矩形钢管柱的特制螺栓,俗称对穿螺栓。对穿螺栓式连接节点,一方面由于柱壁两侧均有开孔,使得柱截面有较大的削弱;另一方面对梁柱工厂加工及现场施工的精度要求都较高,施工效率随之降低。这两个弊端致使该形式螺栓的使用严重受限,所以工程中并未普遍推广使用。

  自锁式单向螺栓的研发和应用,使得矩形钢管柱和H形钢梁连接节点的紧固件多了选择空间(图4)。其施工工序格外的简单,具体包含:1)构件在连接部位开孔;2)对齐连接件螺栓孔;3)放入自锁式单向螺栓;4)使用电动扳手拧紧。

  国内工程项目中对于封闭截面柱的柱-柱拼接常用方法是法兰连接,类似于管道连接的方式。法兰连接具有拆卸方便、强度高、密封性能好等优势,但也有使柱截面凸出的缺点。自锁式单向螺栓的应用,不仅使得柱-柱连接节点外形好看(图5),而且承载性能亦极其优越。螺栓安装方法及施工工序与梁-柱连接节点类似,不再赘述。

  骨架墙系指填充或悬挂于框架或排架梁柱间,并由框架或排架承受其荷载的墙体,它在多层、高层民用建筑和工业建筑中应用较多。外墙干挂花岗岩等施工因具有不受季节影响和避免湿作业灌浆时盐碱色素对石材渗透污染等优点,使用外墙干挂施工慢慢的变多。干挂花岗岩板材主要靠钢骨架来固定,根据设计图纸对主龙骨间距的要求,先将骨架安装于整体的结构上。对于骨架外墙与整体的结构管状构件连接的情况,国内常规做法是使用焊接方法施工安装龙骨,焊接完毕后,清除焊渣,涂刷两道防锈漆。焊接方法虽然安全可靠,但是极易锈蚀,且安装后很难二次调整,所以施工精度要求很高。目前国内已有工程案例将自锁式单向螺栓作为紧固件用于骨架外墙与整体的结构管状构件连接(图6),从而免除现场焊接,提高施工效率和质量,实现快速、高效的装配施工,并且节点稳定可靠。

  玻璃幕墙是指由支承结构体系可相对整体的结构有一定的位移,不分担整体的结构所承受的建筑外围护结构或装饰结构的荷载,由玻璃、金属连接件和支持体系构成。

  支承体系作为将玻璃面板所受的各种荷载直接传递到建筑主构上的构件,需与整体的结构有效连接才能满足其使用功能。由于玻璃要安设在平整且无棱角的基层上,这就要求支撑体系与整体的结构连接部位不可出现类似于法兰等凸起。自锁式单向螺栓能有效规避这一问题,适用于玻璃幕墙支撑体系与整体的结构管状构件的连接(图7、图8)。

  钢结构屋面以其建筑简易、施工周期短和经得起长久地使用等优点大范围的使用在工业和民用建筑中,而且由于钢材强度高韧性好,使之既适合单层大跨度建筑,可用于建造多层或高层建筑。当屋面采用方管封闭截面的钢桁架时,普通螺栓连接便存在施工受限的问题,只能依靠焊接或对拉螺栓等方式,给施工带来种种弊端。目前自锁式单向螺栓的使用解决了这一困扰,使之大量应用于闭合截面钢构件连接中(图9)。

  主题公园后场区通常设置较多运营维护用楼梯平台、马道等,许多常规民用建筑中亦设置室外钢结构楼梯,这些均要安设栏杆扶手以满足安全要求和使用功能。当楼梯或马道结构支撑构件使用封闭截面构件时,只能依靠栏杆立柱下设端板与钢梁焊接或对拉螺栓连接等方式。根据同济大学所做的自锁式单向螺栓剪切试验获得的剪力作用下荷载-变形曲线]:单向螺栓的抗剪极限强度等力学性能指标非常优越,由于单向螺栓设有套筒,其抗剪性能优于普通螺栓。所以使用单向螺栓作为紧固件进行栏杆扶手与管状结构连接非常合适,能充分的发挥单向螺栓的抗剪承载性能优势,如图10所示。

  通过对以上工程实例的分析能够准确的看出:自锁式单向螺栓适用于所有部件与封闭截面构件的连接,不仅满足结构承载力等性能要求,亦满足建筑美观要求。但需格外的注意的是:自锁式单向螺栓施工时的构造要求,如当选用M16及M20单向螺栓时,外层板的厚度不宜小于8 mm,且橡胶垫圈不可缺少;连接件板面需平齐并贴紧;安装时扭矩需达到规定值等。

  自锁式单向螺栓有广阔的应用前景。但目前国内对自锁式单向螺栓的理论研究并不成熟,还不能为工程设计提供足够的参考。所以作者觉得,未来对自锁式单向螺栓的研究包括但不限于以下方面。3.1新型单向螺栓开发

  截至目前,国内仅有规格为8.8S和10.9S的M16和M20共计4种国产STUCK-BOM单向螺栓,型号较少不能够满足所有工程的使用上的要求。由此导致单向螺栓在超大钢结构、复杂异型钢结构等特殊结构中使用受限,应该要依据现有原理开发更多型号的单向螺栓,以满足工程要求。

  英国钢结构协会制定的节点设计手册[1]中提出了使用单向螺栓(Hollo-Bolt)的矩形钢管柱与H型钢梁端板连接节点的设计建议,但仅提供了单向螺栓内端板铰接节点的设计准则,没有涉及单向螺栓用于外伸端板半刚性连接节点承载力的计算方式。而且上述节点设计手册中对单向螺栓的设计建议是基于Hollo-Bolt单向螺栓总结的,并不能完全指导国产STUCK-BOM单向螺栓的设计使用。因此,目前尚缺乏针对该连接节点系统的受力性能研究,使得单向螺栓连接节点在实际工程中推广缺乏理论依据。

  根据李国强等的自锁式单向螺栓T形连接节点承载力试验结果[8],将其与同样参数构件通过高强螺栓和普通螺栓连接所得节点承载力的理论计算结果对比可知:自锁式单向螺栓连接节点受力情况应介于同尺寸的高强螺栓和普通螺栓连接节点受力情况之间,但目前尚未具体分析出单向螺栓受力情况更倾向于哪种螺栓,应进一步研究以便制定相关设计规程,进而得到单向螺栓的简化设计建议。

  为了以简洁高效的方式让设计人员理解自锁式单向螺栓的设计的基本要求,要进一步的理论分析并做大量试验以总结自锁式单向螺栓节点构造要求,以易于理解的表格形式说明某一型号螺栓适合何种被连接件,由此减少设计人员的计算量。

  目前结构设计软件较多,给结构设计人员带来极大的便利,而且所有梁、柱、连接件,接触形式等均以参数化的形式存在于软件中,以方便设计人员使用。但是目前尚未将自锁式单向螺栓整合到结构设计软件中,不便于结构计算。所以,待前述4项研究较成熟之后,可以将单向螺栓以参数化的形式整合到结构设计软件中,完善整个设计链条。

  自锁式单向螺栓以其不可比拟的广泛适用性深受工程师的信赖和好评,未来定能够如普通螺栓和高强螺栓一样成为钢结构连接中重要的紧固件。作者觉得,自锁式单向螺栓还有很大的研究空间和发展空间,需要完善相关设计规范、标准等,以便最大限度地实现单向螺栓的推广使用。