高強螺栓作為橫向預應力鋼筋時的性能分析

劉 燦 吳 波

（廣東交通職業技術學院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和計算預拉力時的剪應力影響系數進行了探討.

1 試驗概況

1.1 試件設計

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，試件主要參數見表1.

1.2 試驗裝置

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

在每根高強螺栓的底部布置了振弦式鋼筋測力計，用XP02型振弦式頻率讀數儀讀取鋼筋測力計讀數，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，所有應變數據都采用DH3816靜態電阻應變儀采集.

2 采用高強螺栓作為橫向預應力筋時的轉矩系數

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有嚴格的驗收規范.高強螺栓轉矩系數的研究，對高強螺栓聯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，使螺紋聯接件與被聯接件之間產生預緊力F，若螺紋公稱直徑為d，則轉矩系數K 為

K 值反映螺栓聯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K 可以根據施加的轉矩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

對表2數據進行計算可以發現，長度為650 mm 的高強螺栓的轉矩系數K 平均值為0.407，長度為850mm 的高強螺栓的轉矩系數K 平均值為0.432.而普通的高強螺栓的轉矩系數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K 平均值高于長度為650mm 的高強螺栓的轉矩系數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K 的大小也是有影響的，長度越長，轉矩系數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.

3 預拉力計算

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0.9是考慮螺栓材質不均勻的折減系數；第二個系數0.9是考慮施工時一般會進行超張拉的超張拉系數；第三個系數0.9是由于以螺栓的抗拉強度為準引進的附加安全系數；第四個系數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.

在上述公式中的第四個系數取為1.2是否合理，本文根據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.對應變花的試驗數據進行處理，可以得到各高強螺栓上實際的σ1，σ2和σ3，根據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

由表3 可見，剪應力的影響系數從1.01 到1.6不等，平均值為1.22，可見規范取此影響系數為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為1.4～1.6，所以此影響系數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.

4 結 論

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K 平均值高于長度為650mm 的高強螺栓的轉矩系數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K 的大小也是有影響的，長度越長，轉矩系數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.

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