高强度摩擦型螺栓连接性能研究综述

引言

钢结构高强度螺栓连接是２０世纪５０年代末开始研究、７０年代投入使用并迅速发展起来的螺栓连接新形式，因其具有受力性能好、耐疲劳、抗震性能好、连接刚度高、

施工简便等优点，被广泛应用于国内外。随着建筑钢结构工程产业化、标准化，采用高强度螺栓连接方式比现场焊接具有更好的综合经济性和合理性。1

高强度摩擦型螺栓的起源与发展

自２０世纪６０年代在日本的实际工程中得到应用以来，高强度钢材钢结构已在国内外的多个建筑和桥梁结构工程中得到了广泛应用。高强度钢材与普通钢材相比，在构件受力、建筑空间、结构安全性和耐久性以及环境可持续发展等方面具有显著优势。高强度钢材的屈服强度和抗拉强度显著提高的同时带来了钢材塑性变形能力的劣化，使得高强度钢材的应用受到了一定的限制。高强度螺栓连接在此阶段投入使用，并迅速发展成为螺栓连接的新形式。2

高强度摩擦型螺栓连接性能及特点

高强螺栓不同于普通螺栓的连接，拧紧时螺杆中产生了很大的预拉力，而被连接板件间则产生很大的预压力。连接受力后，由于接触面上产生的摩擦力能在相当大的荷载情况下阻止板件间的相对滑移，因而弹性工作阶段较长。当外力超过了板间摩擦力后，板件间产生相对滑动。高强度摩擦型螺栓连接接头通过高强度螺栓紧固，预拉力可以防止板与板之间错动，从而提高了连接构件的抗锈蚀能力，板件

不会发生相对滑移变形。高强度螺栓在连接接头中不受剪，只受拉并由此给连接件之间施加接触压力，这种连接应力传递圆滑，接头刚性好。3高强度摩擦型螺栓理论分析与数值模拟

３．１高强度摩擦型螺栓理论分析

高强度摩擦型螺栓理论分析的研究，主要集中在基于《钢结构设计规范》（ＧＢＪ１７—８８）（ＧＢ５００１７—２００３）等规范中进行讨论，主要涵盖了高强度摩擦型螺栓在抗拉、

抗压、抗剪以及不同力状态组合下的计算公式比较，其中抗拉、抗剪组合的计算理论在规范基础上进一步同实际相符合，也为后续实验测定抗滑移系数，预拉力设置提供了理论支持。

高强度摩擦型螺栓连接在荷载设计值下，连接件之间产生相对滑移，作为其承载力极限状态，即板件间的摩擦力刚要被克服的极限状态。摩擦型连接绝对不允许连接件滑移，螺栓不承受剪力，一旦滑移，就认为设计达到破坏状态。

３．２高强度摩擦型螺栓数值模拟

基于有限元软件的建模，研究者对高强度摩擦

型螺栓的研究不再仅仅局限在依照规范基础上的单个螺栓下的实验分析，更多地结合实际工程对螺栓群组之间的力学性能进行分析。现有研究当中，针对抗剪状态下螺栓周边应力分布规律，螺栓群组应力分布、传递规律，孔距、垫片等变化因素下高强度摩擦型螺栓的力学性分析问题有了初步的软件建模研究。但软件参数设置因研究者而异，目前尚缺少针对软件参数不同下分析结果对比的研究，有待日后的进一步深入。在软件模拟中单元性质的定义、网格的划分、材料参数的设置、接触面定义以及预拉力的施

高强度摩擦型螺栓连接性能研究综述

赵志鹏，武千翔，梁黄彬

（同济大学土木工程学院，上海

２０００９２）

摘

要：介绍高强度摩擦型螺栓基本概念、连接性能、特点以及起源、发展概况；系统阐述高强度摩擦型螺栓理

论分析、数值模拟及实验研究发展情况；重点介绍高强度摩擦型螺栓在土木工程领域的应用及相应研究，指出其在应用中的诸多优点及使用潜力。关键词：高强度摩擦型连接螺栓中图分类号：ＴＵ５１１．３

文献标识码：Ａ

文章编号：1003-773X （2016）06-0113-02

收稿日期：２０１６－０４－２０

第一作者简介：赵志鹏（１９９４—），男，河北深州人，本科，毕业于同济大学土木工程专业，研究方向：结构减灾。

总第１５８期２０１６年第６期机械管理开发

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＡＮＤＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴＴｏｔａｌ１５８Ｎｏ．６，２０１６

ＤＯＩ：１０．１６５２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ１４－１１３４／ｔｈ．２０１６．０６．４４

专题与综述

加是软件模拟的难点和重点。

4高强度摩擦型螺栓连接的实验研究４．１高强度钢材螺栓连接抗剪性能实验

清华大学的石永久教授等人在这一方面进行了较多的研究，他们对高强度钢材螺栓抗剪连接性能的影响进行了深入试验。针对１０ｍｍ、

１２ｍｍ厚的Ｑ４６０强度等级的高强度钢材进行螺栓抗剪连接实验，通过改变两个１０．９级Ｍ２７高强度螺栓的几何布置，研究不同端距、边距和螺栓间距情况下，得出高强度钢材的承压性能的变化情况。由实验可以观察到螺栓抗剪连接的３种不同的破坏模式：端部撕裂、孔壁拉长和板净截面拉断。实验结果表明端距、边距和螺栓间距等几何参数会很大程度影响钢板承压破坏模式。随着边距和螺栓间距的减小，

破坏模式会从孔壁承压破坏逐渐过渡到净截面拉断。这对研究螺栓抗剪连接构造限值有很大意义。设计方法的计算结果普遍低于实验值，且对于孔壁承压破坏模式，安全系数较大；而当考虑螺栓孔变形限值时，实验结果都低于ＡＩＳＣ３６０－０５设计公式计算结果。同时还将实验得到的极限承载力与欧洲和美国钢结构设计规范设计值进行比较。结果发现，

现有规范并不能很好地预测高强度钢材螺栓抗剪连接的破坏模式和极限强度，建议更深入地进行参数分析以完善规范设计方法。

４．２高强度钢材螺栓连接抗滑移系数实验《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，并给出了详细的实验程序。主要从试件的制作及要求，抽样数量和代表批量，试件形式及尺寸，制作流程，试件组装，实验设备，实验加载及测量方式，结果评定方式给出了具体要求，作为测定的依据。

４．３螺栓孔径与孔型对连接承载能力影响的实验中冶集团建筑研究总院的彭铁红等人对于这一

方面进行了大量的实验研究，通过实验来探求孔径和孔、

型对高强度螺栓预拉力损失大小以及抗滑移系数的变化，总结其对摩擦型连接抗剪承载能力的影响，并提出设计建议。通过他们的实验，得出如下结论：

１）与标准孔试件相比，圆形螺栓孔径增大量为１．５～５．５ｍｍ，

对抗滑移系数的影响基本一致；槽型孔的应用使抗滑移系数降低比较明显，达到１３％。

２）实验中，槽型孔长度方向与荷载方向垂直或平行布置，对摩擦型高强度螺栓连接的抗滑移承载性能影响基本一致。

３）随着螺栓孔径的增大，抗滑移系数随之降低。４）螺栓孔面积比与抗滑移系数比的线性回归函数表现在大圆孔或槽型孔对高强度螺栓摩擦型连接抗剪承载能力的影响，主要有高强度螺栓的预拉力损失量增大和接触面的抗滑移系数降低。5

高强度摩擦型螺栓连接的工程应用

在ＧＢ５０２０２—２００２钢结构工程施工质量验收规范中，对于高强度摩擦型螺栓连接的摩擦面处理、螺栓对孔、接头组装、临时螺栓安装、高强螺栓安装、高强螺栓紧固，成品保护都做出了具体要求，工程技术人员应依照规范要求操作以满足高强度摩擦型螺栓连接的施工要求。6结语

针对高强度摩擦型螺栓进行的诸多理论，数值及实验研究，主要仍为基础类的研究；利用数值模拟方法同实验相结合的方法尚存在缺点，例如对具体材料属性参数设置、边界条件设置等存在问题。高强度摩擦型螺栓连接形式用于土木工程的前景与发展潜力巨大，有关高强度摩擦型螺栓连接中孔径、孔型、孔距、端距等影响因素对螺栓连接性能的影响有待进一步研究。

（编辑：赵婧）

Connection Performance of the Frictional High-strength Bolts

Zhao Zhipeng,Wu Qianxiang,Liang Huangbin

（Tongji University,Shanghai 200092）

Abstract:Ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆｒｉｃｔｉｏｎｔｙｐｅｂｏｌｔｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔ，ｏｒｉｇｉｎ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｖｅｒｖｉｅｗａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ；ｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆｒｉｃｔｉｏｎｔｙｐｅｂｏｌｔｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｒｅｉｎｄｉｃａｔｅｄ；ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆｒｉｃｔｉｏｎｔｙｐｅｂｏｌｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｃｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｐｏｉｎｔｓｏｕｔｉｔｓｕｓｅｉｎｍａｎｙｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ．

Key words:ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｂｏｌｔ

第３１卷

机械管理开发

ｊｘｇｌｋｆｂｊｂ＠１２６．ｃｏｍ

１１４··