《不同温度下高强螺栓节点预拉力变化研究》 www.wenku1.com
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高温下连接节点高强螺栓预拉力试验研究 【 摘要 】 温度是影响高强螺栓预拉力变化的重要因素之一,在高温下,高强螺栓 的应力松弛导致高强螺栓的预拉力以及高强螺栓连接节点的滑移荷载下降。 通过 对自行设计的高强螺栓节点进行高温下的受力性能试验, 拟合了高强螺栓温度— 应变曲线,温度—预拉力曲线,总结出高强螺栓预拉力随温度的变化规律。 【关键词】高温;高强螺栓;预拉力变化Test research on Pretension of High- Strength bolt in connecting nodes under High temperatures【 Abstract 】 :Temperature is one of the most important factors that affects the high strength bolts pretension change, under the high temperature, the stress of high strength bolt easily relaxes, and stress relaxation phenomenon directly leads to the decrease of the bearing capacity of high-strength bolt and slip load of high strength bolt connection node drop down. This experiment was carried out on the high strength bolt node of own design under the high temperature to monitor the strain, concluded the strain change rule, fited the temperature-strain curves and temperature – pretension curve, summarizes the change law of pretension.【 keywords 】 : the change of pretension force【引言】 高强螺栓作为钢构件连接的主要方式, 其受力性能非常重要。 在高温下, 高强螺栓发生的应力松弛直接导致高强螺栓的承载能力下降。 本文对自行设计的 一种高强螺栓连接节点进行高温下的试验研究,分别将温度从常温上升到 100℃、 150℃、 200℃、 250℃、 300℃,并保持半个小时,对连接节点高强螺栓 的预拉力变化进行实时监测, 得出各温度下的高强螺栓的应变—温度曲线, 得到 高强螺栓预拉力的变化值;再根据初期施加的预拉力,得出温度—预拉力曲线, 拟合预拉力在各温度下的变化规律曲线。1 单高强螺栓连接节点试件设计本试验连接节点试件共 5组, 钢板均为 Q235钢, 螺栓均为大六角头 10.9级 M20高强螺栓(20MnTiB 钢) 。本文采用自行设计的新型检测方法,在螺帽与盖板之 间加一块钢板, 在钢板上开槽, 与高温应变片焊接的高温导线通过钢板上的槽引 出, 再由烘箱的洞口引出与试验仪器连接进行试验。 单螺栓连接节点试件详见图 1~2。图 1 单高强螺栓连接节点试件详图图 2 单高强螺栓连接节点试件图2 高温下单高强螺栓连接节点预拉力变化试验2.1 高温加温及测量设备本次试验工作主要应用的试验设备为上海精宏实验设备有限公司生产的电 热恒温鼓风干燥箱(下面简称烘箱) , 采用静态电阻应变仪量测试件应变。本试验采用的试验测量设备及其它辅助设备有:高温电阻应变计(型号:BAB120— 3AA250(11)— X ) , F — 610高温胶(耐 250°C 高温) ,高温端子 (DHA3— G1 ) ,高温焊锡(熔点达 300°C 左右) ,高温导线。2.2 试验方案每个高强螺栓都贴有两个应变片,每组试件由两个单高强螺栓连接节点组 成,一个连接节点施加预拉力,另一个则不施加预拉力(在高温条件下,高温胶 可能会软化, 从而使应变计产生应变, 对高强螺栓上的预拉力的变化结果造成影 响,为了消除这个影响,先施加一个很小的力,并用电阻应变仪监测, ε≈ 100, 很小的力不会对试验结果产生较明显的影响, 同时使连接节点紧固, 不会错动) , 将其通过半桥的方式接入静态电阻应变仪上, 施加预拉力的高强螺栓连接节点作 为工作试件, 未施加预拉力的单高强螺栓连接节点作为温度补偿试件, 然后进行 试验, 即同温度的上升和保持, 测量温度—应变变化, 再求出温度—预拉力曲线, 并总结出随着温度的改变,预拉力的变化情况。2.3 单高强螺栓施加扭矩经过高温固化以后, 利用高温端子、 高温焊锡把高温导线和高温应变计焊接 在一起, 把钢板与高强螺栓组装起来, 并使应变计处于钢板上的槽内。 组装好以 后,对连接节点施加预拉力。施加的预拉力是通过扭矩值来实现的。根据《钢结 构工程施工质量验收规范》 (GB) ,紧固件高强螺栓应分为初拧和终 拧。初拧应达到螺栓预拉力标准值的 50%左右 (参见表 1) 。终拧后,螺栓预拉力 值应符合规定:对装有压力传感器或贴有电阻片的高强度螺栓, 实测控制试件每 个螺栓的预拉力值应在 0.95~1.05P (P 为高强度螺栓设计预拉力值)之间。表 1 初拧扭矩值螺栓直径 d (mm ) 16 20 22 24 初拧扭矩(N·m )115220300390高强度螺栓连接副终拧扭矩值按下列式计算:d P K T C C ??=式中 T C —终拧扭矩值(N·m ) ,本试验的终拧值为 400 N·P C —施工预拉力值(kN ) , M20高强螺栓的预拉力设计值为 155kN ; d —螺栓公称直径(mm ) ,高强螺栓直径为 20K —扭矩系数,本试验所采用高强螺栓的扭矩系数为 0.130。 高强度大六角头螺栓连接副初拧扭矩值 T 0可按 0.5 TC 取值。本次试验施加扭矩是通过扭矩车床实现的。根据计算得出应变值大小为 2400微应变,当施加的扭矩值为 400 N·m 时,应变值也在 2400微应变左右,因 此两者结果比较接近,符合实际。扭矩曲线见图 3。扭 矩 (N . m )夹头 转 角(°) 图 3 扭矩施加曲线2.4 时漂检测终拧后, 高强螺栓的预拉力随着时间的增长会有所损失, 因此通过静态应变 仪来监测已完成扭矩施加的高强螺栓连接节点的预拉力随着时间增长的变化情 况。终拧时间及预拉力损失变化见表 2。表 2 预拉力损失变化终拧时间 T (h ) 2 4 6 8 12 应变均值化 σ(εμ) 69 50 预拉力损失 P(kN) 1.6122.262.713.22由此得出结论, 高强螺栓终拧初期预拉力损失较多, 后期逐渐趋于稳定, 12小时以后,预拉力就趋于稳定,基本保持不变。因此,终拧时间也是影响预拉力 的一个重要因素,在扭矩施加完成后应尽快进行试验。2.5试验过程及试验现象在各温度下的试验中,可观察到的现象为:(1)在各温度下,应变值的变化趋势为:升温的过程中应变逐渐增大,当 温度接近指定温度并保持该温度时 (即最大应变值可能出现在到达指定温度之前 或是在温度保持的过程中) ,应变值逐渐减小,最后围绕某个值上下波动并趋于稳定;(2) 当温度趋于某个指定温度时,应变的增长速率就变小,即应变的增长幅 度变小;(3) 同一温度下,平行试验组的应变值波动不大,比较稳定;(4) 试验试件表面的颜色也有所变化,温度小于等于 200℃时,试件表面特 征基本没有发生变化,表面颜色与常温接近, 250℃时,试件表面的颜色表现为 深黄色并带有淡蓝色, 300℃时,试件表面的颜色表现为深蓝色。3 试验结果及分析3.1 螺栓应变温度—时间曲线各个温度下的螺栓应变温度 -时间曲线如图 4(a)—— (e)。通过各螺栓的温度 -应变曲线可以看出,每个螺栓上的应变值都是随着温度 的升高而增大的, 增长速度也较快, 但是螺栓的应变并不是呈线性增长趋势, 最 大值出现在最高温度附近; 螺栓的应变不会因为温度的保持而不变, 而是会下降, 且其下降速度会越来越慢, 最后围绕一个相对稳定的数值上下波动。 由此说明高 温保持时,螺栓应变值稳定,恢复弹性。应 变 (10E -6)时 间 (min)温度(℃)应 变 (10E -6)温度(℃)时 间 (min) (a) 100°C 应变温度—时间曲线温度(℃)应 变 (10E -6)时 间(min)温度(℃)时 间 (min)应 变 (10E -6) (c ) 200°C 应变温度—时间曲线 (d ) 250°C 应变温度—时间曲线温度(℃)时 间 (min)应 变 (10E -6) (e ) 300°C 应变温度—时间曲线 图 4 各温度高强螺栓应变温度—时间曲线 3.3 高强螺栓预拉力变化 (1)高温下高强螺栓的弹性模量根据对本次试件高温下的弹性模量进行的有关试验, 得到了高温下高强螺栓 20MnTiB 钢各温度下的弹性模量值的计算公式:) 300(5C T T E T ≤-?=由此公式绘制的各温度的初始弹性模量曲线如图 5E T (E 5M P a )温度T(℃) 图 5 各温度下的初始弹性模量 (2)温度预拉力—时间曲线各个温度下螺栓预拉力温度 -时间曲线见图 6(a)~(e)(有水平直线段的为温 度曲线,水平段为保持温度部分) 。时 间(min) 温 度 (℃ )预 拉力(kN)预 拉力(kN)温 度 (℃ )时 间(min) (a ) 100°C 温度预拉力—时间曲线 (b ) 150°C 温度预拉力—时间曲线预 拉力(kN)温 度 (℃ )时 间(min) (c ) 200°C 温度预拉力—时间曲线 (d ) 250°C 温度预拉力—时间曲线预 拉力(kN)温 度 (℃ )时 间(min) (e ) 300°C 温度预拉力—时间曲线 图 9 各温度预拉力—时间曲线从图中可以看出, ,施加预拉力后的高强螺栓在升温过程中,预拉力先增大 后减小, 分析其原因为:①升温的过程中, 钢板的热膨胀大于高强螺栓的热膨胀, 钢板对螺帽、 螺母的挤压作用直接导致了螺栓预拉力的增加; ②温度稳定后, 高 强螺栓弹性模量的降低, 导致了应力的下降, 且钢板与高强螺栓的的膨胀都趋于 稳定,相互挤压作用也趋于稳定,因此预拉力也逐渐下降,并趋于稳定。从曲线图上分别可以看出,从常温升温至 100℃、 150℃、 200℃、 250℃和 300℃过程中的预拉力最大值分别为 159.08kN 、 162.87 kN、 165.15 kN、 168.23 kN、169.17 kN, 高温保持半小时后, 预拉力分别下降到 157.1 kN、 160.08 kN、 160.60 kN 、 164.78 kN、 165.29 kN,比常温时分别提高 1.35%、 3.27%、 3.61%、 6.3%、 6.63%。因此,在 300℃以内,高强螺栓的预拉力是变大的,温度再升高时预拉 力的变化情况有待进一步研究。3.3高强螺栓预拉力变化系数高强螺栓的预拉力变化系数是指温度上升到 100℃、 150℃、 200℃、 250℃ 和 300℃时的预拉力与常温时的预拉力的比值。武汉理工大学林文玉 [3]等通过有 限元模拟得出的结果与本次试验的结果对比如下表 3。表 3 有限元分析的高温下预拉力变化系数预拉力变化系数20℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 试验结果 1 1.065 1.091ANSYS 值 1 1.03 0.978 0.891 0.764 0.612 ABAQUS 值 1 1.038 1.03 0.992 0.752 0.341 由表 3的对比可以看出,其 ABAQUS 模拟的预拉力变化趋势与试验结果比 较接近,但也有所不同:(1) 300℃以内,预拉力相比常温下都是增大的。 (2) 从 100℃到 300℃的过程中,试验得出的预拉力值是逐渐增大的,到 300℃时其 增长速率相对减小,但是 ABAQUS 模拟的结果却是 300℃的预拉力比 200℃的 小。 其原因可能是模拟的过程中未考虑高强螺栓在高温下因热膨胀而引起的应变 变化。4 结论本章通过对自行设计的单高强螺栓连接节点进行不同温度下的预拉力变化 试验,主要得出如下结论:(1) 把试件从常温加热到设定温度, 然后保持该设定温度半个小时, 100℃、 150℃、 200℃、 250℃和 300℃各温度的预拉力分别为 157.1 kN、 160.08 kN、 160.60 kN 、 164.78 kN、 165.29 kN; 比常温时预拉力提高了 1.35%、 3.27%、 3.61%、 6.3%、 6.63%。(2)各温度下高强螺栓的变形和预拉力均随着温度的升高而增大,但并非 线性增长, 100℃、 150℃、 200℃、 250℃和 300℃时的预拉力变化系数分别为 1.026、 1.05、 1.065、 1.085和 1.091, 与前人模拟出的结果基本相符合, 而 200℃和 300℃ 时的预拉力模拟的结果偏小, 其原因为模拟时未考虑高温下高强螺栓因热膨胀而 引起的应变变化。(3)在温度上升以及到达目标温度后保温的过程中,螺栓的预拉力先增大后减小,最后围绕一定值的上下波动并基本保持不变(100℃、 150℃、 200℃、 250℃和 300℃的预拉力分别从最大值 159.08kN 、 162.87 kN、 165.15 kN、 168.23 kN 、 169.17 kN,下降到稳定值为 157.1 kN、 160.08 kN、 160.60 kN、 164.78 kN、 165.29 kN) ,此时说明螺栓的预拉力已基本稳定。(4)在监测高强螺栓预拉力的损失时,补偿试件很重要,不然会给高强螺 栓的预拉力变化结果造成较大的影响。5 参考文献[1]陈禄如 . 高温下高强度螺栓连接性能的试验研究 [J]. 建筑钢结构进展, ).[2]王小平,胡宇春,陈华 . 高强度螺栓连接在高温下极限承载力的试验研究 [J].钢 结构, ).[3]林文玉,王小平 . 高强度螺栓连接高温力学性能有限元分析 [M]. 2006.12. [4]JGJ82-91钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程 [S][5]李国强,李明菲 . 高温下高强度螺栓 20MnTiB 钢的材料性能试验研究 [J]. 土 木工程学报,
(5)[6]李鸿博 . 高强螺栓摩擦型连接的计算方法 . 工程建设与设计, 2005(10)[7]建筑钢结构防火技术规程及条文说明 [S].2006本文由(www.wenku1.com)首发，转载请保留网址和出处！
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为什么要控制高强度螺栓的预拉力，其设计值是怎样确定的？
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为什么要控制高强度螺栓的预拉力，其设计值是怎样确定的？
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高强度螺栓是自20世纪50年代发展的一种新的连接形式，它具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳以及在动力荷载作用下不致松动等优点，是很有发展前途的连接方法。在装配时，用扭力扳手拧紧螺母，使螺栓产生巨大而又受控制的预拉力Fp，通过螺母和衬板，对被连接件也产生了同样大小的预压力Fp。如上所述，高强度螺栓连接是靠连接件接触面间的摩擦力来阻止其相互滑动；为使接触面有足够的摩擦力，就必须提高构件的夹紧力和增大构件间的 摩擦系数。8.8级采用优质碳素钢35号钢或45号 钢；10.9级采用合金结构钢20MnTiB、40B、35VB。
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您可能有同感的问题钢结构建筑高强螺栓预拉力法施工技术
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钢结构建筑高强螺栓预拉力法施工技术
通常，钢结构建筑高强螺栓连接就是通过对螺母施加扭矩使螺杆接近屈服，使连接构件紧密贴在一起产生摩擦力而工作的。采用扭矩扳手施加规定预拉力时，扭矩系数合格与否直接影响到终拧扭矩和预拉力，也对连接的质量有重要影响。在工程实践中，存在一些扭矩系数不满足规范要求的高强螺栓，如风力发电塔、输电塔中广泛应用的热浸镀锌高强螺栓，这类高强螺栓近年来在民用钢结构公共建筑中也开始应用，其镀锌后螺栓实测扭矩系数要比规范要求的扭矩系数平均值高很多。对此，现行规范尚未给出合理的施工技术和检测标准，安装时若按实际扭矩系数换得扭矩，则终拧扭矩要加大很多，这将严重削弱螺栓的承载能力。1、主要技术内容1）设计原理经过规范条文的探讨与理解，可以明确扭矩、扭矩系数只是施加预拉力的一种手段。因此设想对高强螺栓采用直接施加预拉力的方法，从而绕开施加扭矩的方法和测定扭矩系数，同时也可以避免扭矩引起螺栓强度的损失以及因扭矩系数不合格而造成的螺栓浪费，并严格达到设计要求。基于上述设想，尝试研制了钢结构建筑高强螺栓液压预拉力张拉器。2）预拉力张拉设备由同济大学研制的高强螺栓液压预拉力张拉器见图5.1-1。3）施工工艺流程施工工艺流程见图5.1-2。图5.1-2 施工工艺流程4）液压张拉器的施工操作过程液压预拉力张拉器施工操作过程详解如下：（1）将高强螺栓自由穿入法兰螺栓孔，戴上单个螺母，同时将预张拉器布置就位（图5.1-3（a））；（2）将张拉套筒与螺杆旋合，达到张拉设备的要求位置（图5.1-3（b））；（3）启动张拉器油压系统，通过螺杆套筒带动高强螺栓，以张拉夹具压紧两块法兰盘（图5.1-3（c），（d））；（4）预张拉力达到施工要求值后，用手动扳手拧紧高强螺栓螺母，拧紧程度以操作人员无法拧动为准（图5.1-3（e））；（5）将预张拉器液压卸载后，让高强螺栓自身承载拉力，拧动螺杆套筒与螺杆分离，完成高强螺栓张拉施工（图5.1-3（f））。2、技术指标高强螺栓在终拧后，应进行紧固质量检验：1）预拉力值是否达到设计规范相应标准规定。2）螺纹是否均匀露出2～4扣。3）初拧完毕采用小锤敲击法对高强度螺栓进行检查，防止漏拧。小锤敲击法是用手指紧按螺母的一个边，按的位置尽量靠近螺母垫圈处，然后采用0.3～0.5kg重的小锤敲击螺母相对应的另一边，如手指感到轻微的颤动既为合格，颤动较大既为欠拧或漏拧，完全不颤动即为超拧。3 适用范围液压张拉器可以作为新建钢结构建筑中高强螺栓预拉力的施加器具，同时也可作为既有钢结构连接中高强螺栓预拉力的检测工具。适用于钢结构高强螺栓连接施工。
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高强度螺栓的预拉力起什么作用
提问时间： 14:25:42
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使用于高强度螺栓副中，强度等级（热处理后）为10级，配合10.9级螺栓使用。&br/&&br/& 普通螺栓与高强螺栓的受力性能与计算方法均有所区别的。高强螺栓的受力首先是通过在其内部施加预拉力P，然后在被连接件之间的接触面上产生摩擦阻力来承受外荷载的，而普通螺栓则是直接承受外荷载的。&br/&&br/& 高强度螺栓连接具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳、以及在动力荷载作用下不致松动等优点，是很有发展前途的连接方法。试验表明，摩擦系数主要受接触面的形式和构件的材质影响。
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