自锁式单向螺栓工程的应用现状和研究方向

？自锁单向螺栓工程的应用现状和研究方向

王双旺博侯兆新曾昭博马晓明

（中国冶金建设研究院北京100088）

总结: 螺栓连接是钢结构的主要连接方法之一，通常使用高强度螺栓和普通螺栓作为紧固件. 由于这两种类型的螺栓需要较大的安装空间，因此它们不适合连接管状或箱形封闭截面构件. 单边紧固螺栓解决了常规螺栓结构受限的问题. 通过在主体结构，围护结构和功能部件中使用自锁单向螺栓，研究了其在国内的应用现状，并结合实际中遇到的问题，分析了螺栓的未来研究重点和发展方向. 应用程序.

关键字: 自锁单向螺栓；工作原则; T形连接节点；申请状态;研究方向

自锁式单向螺栓的发现和应用使矩形钢管柱和钢梁等封闭截面构件的连接不再依赖于现场焊接或贯穿螺栓等传统方法连接，减少了钢厂的加工，现场施工精度要求有效地提高了施工效率和施工质量.

目前，自锁式单向螺栓连接节点及其应用仍处于研究的早期阶段. 自锁单向螺栓的设计规则，相关设计规格和行业标准尚未引入. 该项目的实际使用不像高强度螺栓和普通螺栓那样普遍. 但是，自锁式单向螺栓使用范围广，安装快捷方便，节省了人工成本，无需现场焊接，具有高强度预紧力和抗拉剪力，抗腐蚀性能好，连接美观形式，稳定的产品性能高质量等诸多优点将在未来被业界认可，并成为钢结构的重要连接形式之一. 不同螺栓的应用如图1所示.

a-自锁单向螺栓； b-普通或高强度螺栓.

图1不同螺栓的应用情况

分析了项目目前阶段自锁单向螺栓的未来研究方向和定位，并结合其在应用中的不足和优势.

1自锁单向螺栓的工作原理

自1994年以来，日本和一些欧洲国家开发了几种类型更成熟的自锁单向螺栓产品. 目前，自锁单向螺栓的锁定原理主要包括以下三种: 1）利用膨胀螺栓的原理，在拧紧螺钉时，螺钉外的套筒会膨胀以锁定连接的零件，例如Hollo-Bolt [1]，美国LNA解决方案公司的BoxBolt型单向螺栓. 2）拧紧螺丝上的螺母后，螺母会相对于螺丝向前移动，挤压螺丝的外套并使其变形，并且截面积变大，形成一个垫圈来卡住连接的零件，例如在美国和日本的Ultra-Twist. 3）在螺丝上设置一个特定的设备. 通过螺栓孔后，设备会打开以变成垫圈，从而锁定连接的零件，例如澳大利亚的ONESIDE紧固件. 螺钉配有可折叠垫圈，该垫圈从一侧穿过螺栓孔. 然后，它打开一个普通的垫圈，形成类似于普通高强度螺栓的连接.

徐彦斌等. 参照上述第一类单向螺栓的构造原理，通过改进套筒材料和端部结构，研制出国产自锁单向螺栓（图2）[2]，其工作原理如图图3.，其性能可与英国Lindapter公司的Hollo-Bolt媲美，但成本较低. 目前，已经开发出两种8.8级和10.9级自锁单向螺栓，并通过实验确定了机械性能，如单向螺栓的拉伸极限强度和剪切极限强度[3-4].

1-垫片； 2袖;三椎头; 4个高强度螺丝； 5橡胶垫片.

图2自锁单向螺栓

图3自锁单向螺栓的工作原理

自锁单向螺栓由于其独特的优势而在工程项目中使用. 尽管单向螺栓仍处于起步阶段，但仍用于安装主体结构，围护结构和功能部件. 自锁单向螺栓[5-7].

2.1建筑物的主要结构

建筑物的主要结构通常包括梁柱连接节点和柱柱连接节点. 如果钢柱为矩形或其他封闭截面自锁螺栓原理，由于施工空间的限制，传统的高强度螺栓和普通螺栓不能直接用于矩形钢管柱和H型钢的柱间连接梁和封闭的柱子. 为了实现螺栓连接，需要使用特殊的螺栓. 在先前的国内工程项目中，使用了长度可穿透整个矩形钢管柱的特殊螺栓，通常称为反向穿透螺栓. 对于螺栓连接节点，一方面，由于柱壁两侧的开口，使柱的横截面大大减弱；另一方面，由于柱壁两侧的开口，柱的横截面明显变薄. 另一方面，对梁柱工厂加工和现场施工的精度要求很高，随之而来的施工效率降低. 这两个缺点严重限制了这种形式的螺栓的使用，因此在工程中并未广泛使用.

单向自锁螺栓的研发和应用使矩形钢管柱和H形钢梁节点连接的紧固件选择更多（图4）. 施工过程非常简单，包括: 1）在连接部分钻出零件； 2）对准连接器的螺栓孔对准； 3）放置自锁单向螺栓； 4）用电动扳手拧紧.

图4单向螺栓应用于H型钢与矩形钢管柱端板的连接

在国内工程项目中，封闭截面柱的柱对柱拼接的常用方法是法兰连接，类似于管道连接方式. 法兰连接具有易于拆卸，强度高，密封性能好等优点，但也有使柱段伸出的缺点. 自锁单向螺栓的应用不仅使柱到柱的连接节点外观漂亮（图5），而且具有极其优越的轴承性能. 螺栓的安装方法和施工过程与梁柱连接节点相似，在此不再赘述.

图5单向螺栓应用于柱到柱连接

2.2建筑护结构

a-整个； b—部分.

图6用单向螺栓将骨架的外壁与主体结构的管状构件连接起来

骨架壁是指填充或悬挂在框架或弯曲梁和柱之间的壁，框架或弯曲框架承受其载荷. 它广泛用于多层，高层民用建筑和工业建筑. 外墙干挂式花岗岩的施工不受季节的影响，避免了盐和碱颜料在湿法灌浆过程中渗透到石材中. 干挂式花岗岩板主要由钢骨架固定. 根据设计图纸对主龙骨间距的要求，首先在主结构上安装骨架. 对于骨架的外壁与主体结构的管状构件之间的连接，国内的惯例是使用焊接方法来构造和安装龙骨. 焊接后，除去焊渣并涂上两种防锈漆. 尽管焊接方法安全可靠，但极易腐蚀，安装后很难进行二次调整，因此施工精度很高. 当前，在中国有一些工程案例，这些案例使用自锁式单向螺栓作为紧固件，将骨架的外壁与主体结构的管状构件连接起来（图6），从而消除了现场焊接，从而改善了结构效率和质量，实现快速高效的装配施工，节点稳定可靠.

2.3玻璃幕墙和屋顶

玻璃幕墙意味着支撑结构系统可以相对于主体结构具有一定的位移，并且不承担主体承担的建筑物围护结构或装饰结构的载荷. 它由玻璃，金属连接器和支撑系统组成.

支撑系统是将玻璃板上的各种载荷直接传递到建筑物主体结构的组件. 它需要有效地与主体结构连接以实现其功能. 由于玻璃需要安装在平坦且无角度的基座上，因此需要在支撑系统和主体之间的连接处不出现任何类似凸缘的突起. 自锁单向螺栓可以有效地解决此问题，并且适合玻璃幕墙支撑系统与主体结构管状构件之间的连接（图7和图8）.

图7单向螺栓应用于玻璃幕墙的安装示例

a-整个； b—部分.

图8单向螺栓应用于玻璃幕墙的安装

钢结构屋顶由于其结构简单，工期短和耐用性等优点而广泛用于工业和民用建筑. 而且，由于其高强度和良好的韧性，因此适用于单层大跨度建筑物，并且可以用于建筑. 楼层或高层建筑. 当屋顶采用方管封闭截面的钢桁架时，普通的螺栓连接存在施工受限的问题，只能依靠焊接或拉拔螺栓，给施工带来诸多弊端. 当前使用的自锁单向螺栓解决了这个问题，使其广泛用于封闭型钢构件的连接（图9）.

图9单向螺栓应用于方管封闭截面的钢桁架连接

2.4楼梯和扶手

主题公园的后院区域通常设置有楼梯平台和马道以进行操作和维护. 许多传统的民用建筑还配备了室外钢结构楼梯. 这些要求安装扶手以满足安全要求和使用功能. 当封闭截面构件用作楼梯或道路结构的支撑构件时，唯一的方法是依靠端板和栏杆柱下的钢梁的焊接或拉杆的连接. 根据同济大学自锁单向螺栓剪切试验获得的剪切力作用下的载荷-变形曲线[3-4]: 单向极限抗剪强度等力学性能螺栓非常好. 螺栓带有衬套，其抗剪强度优于普通螺栓. 因此，非常适合使用单向螺栓作为将栏杆扶手连接到管状结构的紧固件，并且可以充分发挥单向螺栓的抗剪承载力的优势，如图2所示. 10.

a-整个； b—部分.

图10单向螺栓应用于扶手和管状结构之间的连接

从以上工程实例分析中可以看出，自锁单向螺栓适用于所有部件和封闭截面构件的连接，不仅满足结构承载力等性能要求，还符合建筑物的美学要求. 但是，在构造自锁单向螺栓时应特别注意结构要求. 例如，当使用M16和M20单向螺栓时，外层板的厚度应不小于8 mm，并且橡胶垫圈是必不可少的. 它需要水平且紧密；安装过程中扭矩必须达到指定值.

自锁单向螺栓具有广阔的应用前景. 但是，目前国内对单向自锁螺栓的理论研究还不够成熟，不能为工程设计提供足够的参考. 因此，作者认为，关于自锁单向螺栓的未来研究包括但不限于以下内容. 3.1新型单向螺栓的开发

截至目前，中国仅有4种类型的家用STUCK-BOM单向螺栓，分别为8.8S和10.9S M16和M20. 较少的模型不能满足所有项目的要求. 结果，限制了在诸如超大型钢结构和复杂形状的钢结构的特殊结构中使用单向螺栓. 有必要根据现有原理开发更多类型的单向螺栓自锁螺栓原理，以满足工程需求.

3.2制定节点设计依据

英国钢结构协会制定的接头设计手册[1]提出了将矩形钢管柱的接头与H形螺栓（Hollo-Bolt）和H形钢梁端板连接的设计建议，但是仅提供单向性螺栓内端板铰接接头的设计标准不涉及用于加长端板半刚性连接节点的单向螺栓承载力的计算方法. 此外，以上节点设计手册中的单向螺栓设计建议基于Hollo-Bolt单向螺栓，不能完全指导家用STUCK-BOM单向螺栓的设计和使用. 因此，对该连接节点系统的机械性能仍缺乏研究，这使得单向螺栓连接节点在实际工程中的推广缺乏理论依据.

3.3普通螺栓与高强度螺栓的区别分析

根据李国强的自锁单向螺栓T形接头承载力试验结果[8]，将其与高强度螺栓连接的相同参数构件的联合承载力的理论计算结果进行比较. 普通螺栓: 单向锁定螺栓连接节点的力应在相同尺寸的高强度螺栓和法向螺栓连接节点之间，但没有具体分析哪种单向螺栓应力更倾向于. 进行研究以制定相关的设计规范，然后获得单向螺栓的简化设计建议.

3.4提出单向螺栓接头的施工要求

为了使设计人员能够简洁高效地理解自锁单向螺栓的设计要求，需要进行进一步的理论分析和广泛的实验，以总结自锁单向螺栓接头的构造要求，以易于理解的表格格式说明某种类型的螺栓适用于哪种连接零件，从而减少了设计人员的计算量.

3.5将自锁单向螺栓集成到结构设计软件中

目前，结构设计软件很多，给结构设计人员带来了极大的便利. 此外，为方便设计人员，所有梁，柱，连接器和接触形式都以参数化形式存在于软件中. 但是，自锁单向螺栓尚未集成到结构设计软件中，这对于结构计算不方便. 因此，在上述四项研究更加成熟之后，可以将单向螺栓以参数形式集成到结构设计软件中，以改善整个设计链.

自锁单向螺栓因其无与伦比的广泛适用性而受到工程师的信赖和好评. 将来，它们将成为钢结构连接中的重要紧固件，例如普通螺栓和高强度螺栓. 笔者认为，自锁单向螺栓仍具有很大的研究空间和发展空间，有必要改进相关的设计规范和标准，以最大程度地推广和使用单向螺栓.

参考:

[1] Lindapter International.Hollo-Bolt [M]. 英国约克郡: Lindapter International，1995.

[2]徐彦斌，李国强，张龙. 单边紧固螺栓: 中国，201210435247.7 [P]. 2012-11-05.

[3]李国强，张杰华. 8.8级钢结构自锁单向螺栓承载性能研究[D]. 上海: 同济大学，2015.

[4]李国强，张杰华. 10.9钢结构自锁单向螺栓的承载性能研究[D]. 力学学报，2010,42（2）: 155-159上海: 同济大学，2016年.

[5]张亮，陈义义. 方管柱与H型钢梁连接形式的评述[J]. 结构工程师，2009，25（4）: 129-137.

[6]王萌，王艳，柴昌等. 欧洲标准EC3高强度螺栓等效T形件的有效长度和承载力研究[J]. 建筑钢结构进展，2009，11（3）: 58-62.

[7]郭兵，刘峰，顾强. 关键词: 梁柱端板，失效模式，弯矩，角度，关系土木工程学报，2002，35（5）: 24-27.

[8]李国强，段炼. 关键词: H型钢，矩形钢管柱，端部延伸，单向螺栓连接，承载力，试验研究，理论研究建筑结构学报，2015，36（9）: 91-100.

Wang ShuangWang BoHhou ZhaoxinZeng ZhaoboMa Xiaoming

（中冶集团中央建筑研究院，北京100088）

摘要: 用普通螺栓和高强度螺栓紧固的螺栓连接是钢结构最重要的连接类型之一. 因为需要更多的安装空间，所以这两个螺栓都不适合连接封闭部分的组件，例如管状或箱形部分. 自封闭单向螺栓克服了普通螺栓的结构限制. 基于自封闭单向螺栓的使用，从主要结构，封闭结构和功能部件等方面着重介绍了其在国内的应用现状，并探讨了相应的研究方向.

关键词: 自封闭单向螺栓；工作机制T型连接；申请状态;研究方向

第一作者: 王爽，女，1989年出生，硕士.

电子邮件: wangshuang@jingye-intl.com

接收日期: 2016-03-20

DOI: 10.13206 / j.gjg201609007

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