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正确认识高强螺栓——大六角型与扭剪型

来源:http://www.xjnwz.com 日期:2019-10-30 发布人:wanzhong1

  我们前面介绍了高强螺栓的定义和普通螺栓的差别。这里对高强螺栓的两种类型进行简单的对比,帮助大家理解其差别。其核心要义是要理解:“扭矩系数”和“紧固轴力”两个概念。
  01.高强螺栓大六角型和扭剪型
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  高强螺栓从外形上就容易被区分为大六角(Hex head ),英文简称为HSFG(High strength friction grid bolts)。顾名思义,大六角头螺栓的螺帽是正六角形的,可以推断出这是便于使用扳手固定的需要(后面我们详细介绍),这是更初使用的高强螺栓的类型。
  扭剪型(troque shear style /Twist off bolts/),英文一般简称TCB(Tension control bolts)以示区别。其端部端部有梅花卡头(spline-end),并且
  螺栓的螺帽一般是圆形(不需要使用扳手固定);是日本人在HSFG的基础上开发研制的改进型产品。
  1外观对比分析
  大六角型:
  六角头螺栓使用定扭矩扳手施工,由于其施拧时并不握裹螺杆,在旋转螺母的同时可能会带动螺杆进行“同转”,无谓消耗扭矩值,造成无法拧紧。故将螺杆头设计成大六角,在发生同转的情况时,可以用普通扳手予以临时固定,避免同转现象。
  定扭矩扳手伸出来的支撑杆主要是为了提供支点以确定其施加的扭矩,故如无可靠支点,扳手无法施工。

    

  扭剪型(1)*:(梅花头)
  扭剪型螺栓使用扭剪型扳手施工,其根部使用正反向扭杆直接通过“梅花头”夹紧螺杆本身,故施拧时不会发生同转现象。其产品设计的思路是:利用螺杆达到预拉力值时,材料所能承受对应的剪力,来设计削弱梅花头的根部截面,达到剪断的目的。
  2原理对比分析
  首先必须理解:同一型号的大六角和扭剪型螺栓在正确的施工方法下可以达到的预拉力设计值是同样的。
  大六角头高强螺栓(HSFG)施拧过程:(理解“扭矩系数”)
  “541” 原则
  “541”原则,是日本人在工程实践的基础上反复实验总结出的关于扭矩值和预紧力之间的对应关系。英国钢结构教科书中对此进行了引用和阐述,其给出了扭矩损耗的因素。国内进行钢结构教育中,很少提及“541”原则,而是直接反应成为我们理解的“扭矩系数”:
  有效的夹紧力 / 输出总力矩 = 扭矩系数 (0.11~0.14) (2)*
  故“扭矩系数”是大六角高强螺栓HSFG施工的更重要参数,为了保障大六角螺栓施工质量,必须对扭矩系数进行测定检验。
  扭剪型高强螺栓(TCB)施拧过程:(理解“紧固轴力”)
  削弱截面的剪断过程
  在施加扭矩聚集材料内拉应力达到设计值(“紧固轴力”)的同时,其材料的对应抗剪强度恰好能使梅花头削弱截面拧断。
  分析可知即便是扭剪型螺栓,也不是直接反馈螺杆中的预拉力值,而是利用抗剪能力进行了代换,其检验项仍然不是直接项,存在代换的误差。
  故
  为了保障扭剪型螺栓的施工质量,必须对其剪断时对应代表的“紧固轴力”进行测定。其值应当符合预紧力设计值。
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  03.扭剪型和大六角的对比

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  连接副组成对比
  基于国标JGJ-82 6.1.1规定,高强螺栓连接副中,大六角螺栓需要两垫一母,扭剪型高强螺栓则要一垫一母。(3)*
  验收方式对比
  大六角螺栓HSFG在施工之后,使用定扭矩扳手检验。在验收扭剪型TCB时,关注梅花头被拧断即合格。
  螺栓价格对比
  根据我司天津某供货商报价为例:
  M24*100  高强螺栓大六角头为 5.50元一副
  M24*100  高强螺栓扭剪型为 6.41元一副
  工具价格对比
  国产的产品比这个便宜很多,但是在实际使用中,损坏率太高,质量仍然不过关。
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  03.总结
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  扭剪型作为大六角的改进升级版,其价格稍贵,施工,检验较为简便,优势明显。但是国内由于受国标产品标准型号的限制(仅有10.9级,尺寸24M)。(4)*
  其核心原理理解的关键是掌握:“扭矩系数”和“紧固轴力“两个概念”。
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  观点
  (1)*:根据BS EN 14399,扭剪型螺栓也可有六角头的形式,但是根据其拧紧的原理,六角头已经不再需要了,为节约材料,故在国标中略去了。
  (2)*:可见其扭矩系数值约为一成,符合“541”原则的结论。这里向大家介绍“541'原则的目的是,其关系到我们后面将要讲到的关于什么是摩擦面的理解。
  (3)*:对于究竟使用几个垫片,英标,美标中的规定均不同。国标取所有情况下的更安全,不需要施工人员考虑现场施工情况,只管都用上即可,反正浪费也不大。
  (4)*:在实践中,有朋友反馈扭剪型螺栓较少运用在铁路钢桥,过山车等直接承受振动荷载结构中。笔者经过仔细观察发现在国内确实是这样的情况,但是其振动荷载一定不是限制扭剪型螺栓使用的原因。
  另有大六角螺栓便于复拧进行检修一说也不能成立。因为各国规范均高度强调高强螺栓的一次性,即松弛以后便失效,需要更换螺栓。复拧是不被允许的。
  由于英美标准中TCB螺栓的尺寸规格远远大于国标的规定,例如阿布扎比现场采用英国TCB螺栓厂生产的M36,扭剪型TCB螺栓(单价高达100元以上),便是用在项目承受振动荷载的核心位置。且GB/T 3632 1.1 就直接表明扭剪型高强螺栓适用于铁路钢桥。
  故笔者认为是目前国内标准制作的扭剪型螺栓等级型号有限(仅有10.9级,直径仅为M24),才是限制扭剪型螺栓在铁路钢桥等结构中使用的根本原因。结合我们国产“螺栓枪”的糟糕表现,可见,作为制造业大国,我们在细节产品的制备上,与先进还是有明显的差别。