许田富 陈 铨

（广东省建筑科学研究院集体股份有限公司）

0 前言

便于安装与移动的栓接钢结构由于其钢材的高强高塑的特点，目前已广泛应用于各个领域[1]。其中抗滑移系数是栓接钢结构的重要设计参数，对构件的承载力有决定性的影响。抗滑移系数是指使连接件摩擦面产生相对滑移时的外力与垂直与摩擦面的螺栓预拉力之和的比值，其中紧固轴力即为螺栓预拉力。为保证栓接的可靠性，其抗滑移系数必须满足相关标准中的要求，如GB50205-2020、JGJ82-2011 等[2-3]。因此在实际测定二栓拼接试件抗滑移系数的过程中出现的结果不符合标准要求的情况，有必要对其进行研究。

1 检测概述

南方沿海某客户委托送检了一组规格为M30×95的钢结构用扭剪型高强螺栓连接副，以及与该批次螺栓连接副配套的二栓拼接试件。经过测试结果反馈，因客户对检测出的抗滑移系数结果有异议（其产品的抗滑移系数设计值为0.5），遂开展对应的试验与分析。高强螺栓紧固轴力的测试结果以及二栓拼接试件的抗滑移系数分别见表1、表2。在型号为YJZ-500S 高强螺栓轴力扭矩复合检测仪上检测高螺栓连接副的紧固轴力；在型号为WAW-3000A 微机控电液伺服万能试验机上测试对应的抗滑移系数。

表1 高强螺栓紧固轴力测试结果 （kN）

表2 二栓拼接试件的抗滑移系数测试结果

测量了二栓拼接试件的外观特征，结果见表3 与表4，其中外夹板在宽度方向为(117±1)mm，芯板宽度为(119±1)mm，部分芯板呈现大头状，两夹板厚度之和与芯板厚度之比为 1.39， 其余孔位尺寸符合GB50205-2020 的要求。

表3 二栓拼接试件的外夹板尺寸 （mm）

表4 二栓拼接试件的芯板尺寸 （mm）

在二栓拼接试件的试板上取样，在型号为SPECTRO MAXx 直读光谱上进行化学成分分析，测试结果见表5。从表5 可知，测试结果符合GB/T 1591-2018《低合金高强结构钢》对Q355 成分的要求[5]。依Q355 计算，厚度规格为20mm 的芯板，在此次抗滑移系数测试中，发生滑移前，不会发生屈服。

表5 测试样板的化学成分 （wt/%)

依上述的试验结果，认为测得的抗滑移系数偏低，是多方引起的，建议客户送同批次高强螺栓及二栓拼接试件进行研究性试验，提高数据的可靠性，分析抗滑移系数的测试达不到0.5 的原因，为客户提供解决方案。

2 试验研究与分析

2.1 扭剪型高强螺栓连接副紧固轴力的对比分析

依照GB/T3632-2008 的要求，客户再送8 套同批次的M30×95 扭剪型高强螺栓连接副进行紧固轴力测试，测试结果见表6。

表6 第二次送检的M30×95 扭剪型高强螺栓连接副测试结果

将表6 的测试结果与表1 的测试结果进行比对，比对数据见表7。

表7 螺栓的性能偏差 （kN）

通过比对发现： 两次的测试的结果依GB/T3632-2008 判断，均为合格。第二次检测的紧固轴力均值为411kN，小于第一次送检样品的均值；第二次测试的紧固轴力标准差值为31.67，明显高于第一批样品的标准差11.1，其中再次送检的样品中，紧固轴力检测的最大值为454.38kN，相比第一批送检结果测得的最大值445.44kN 高8.94kN；相反，再次送检的样品测得的最小值373.0kN 小于第一批样品；第二次送检样品的极差值明显大于第一次送检的数值。通过比对认为，客户所送检的整批M30×95 扭剪型高强螺栓连接副性能不够稳定，部分螺栓的紧固轴力偏大。

2.2 二栓拼接试件的测试与分析

鉴于所用的扭剪型高强螺栓连接副的紧固轴力偏差较大，性能不稳定的特性，采用YJM-500 高强螺栓轴力智能检测仪对同批次制作的二栓拼接试件进行了测试。

首先观察二栓拼接试件的外观特征，发现样板比较平直，无明显的弯曲变形，表面已经过喷砂处理，然而样品的外夹板与芯板的接触面有些许瑕疵，具体见图1。从图1 形貌特征中可以看到，螺栓孔边缘有尚未清理的毛刺，板的边缘有用火焰枪切割而残留下来的肉瘤。为保证第一次测试的数据具有可比性，在不处理样板的条件下，借助YJM-500 高强螺栓轴力智能检测仪，施加365kN[6]的预紧力，制作出的二栓拼接试件见图2。

图1 外夹板夹持面的形貌特征

图2 YJM- 500 高强螺栓轴力智能检测仪辅助制作的二栓拼接试件

样品在相同的设备上，用如下程序测试：以3kN/s的速度拉伸至73kN，随后在73kN 的条件下保持60s，再以5kN/s 的速度拉伸直至发生滑移，测试结果见表8。

表8 抗滑移系数测试试验结果

从表8 的测试结果来看，借助YJM-500 高强螺栓轴力智能检测仪在准确的预紧力的条件下测得的结果与所第一次送检的结果基本相符，即该批次制作的二栓拼接试件，较难达到抗滑移系数不小于0.5 的要求。

对测试后的样品卸除预紧力，观察样板的形貌特征，见图3。从图3 中可以看到，发生滑移的痕迹主要集中在以螺栓孔为中心，直径约为70mm 的区域内。结合表7 以及图1、图2 的形貌特征中可以得到：在螺栓的预紧力作用下，样品的两外夹板对芯板夹紧，然而由于毛刺、肉瘤等异质点对被夹紧试板的抵抗作用，在一定程度上减少了外夹板与芯板的有效接触面积，在预紧力一定的条件下，接触面积越小，在测试过程中测得的滑移荷载越小，进而造成抗滑移系数偏小，这是导致第一次检测抗滑移系数结果远比0.5 小的原因之一；从图3 的形貌特征中可以看到，滑移时样品的有效接触面积较小，在以螺栓孔为中心，直径约70mm 的范围内，即图3 中圆圈标志范围内，该范围数值约为所用高强螺栓头有效长度的1.4 倍，可以认为用于测试抗滑移系数试板的外夹板偏薄[7]。在预紧力的作用下，较薄的外夹板容易发生变形，造成芯板与夹板之间的有效接触面积缩小，这也是导致检测结果远比0.5 小的原因之一。

图3 发生滑移的样品外观形貌特征

综上分析，建议客户采用相同牌号的材料，在控制板面的喷砂质量不比第一次差的条件下，在加工试板时注意下述事项，重新制作二栓拼接试件进行探索试验：

⑴样品所有孔的边缘需要去除毛刺，并开出1×45°的倒角；

⑵凡是有接触关系的板面、棱边需去除肉瘤、毛刺等对试板在测试过程中可能有影响的异质点，所有棱边需开出1×45°的倒角；

⑶在保证螺栓有效长度的条件下，适当增加外夹板的厚度，防止螺栓产生的预紧力过大，造成外夹板局部变形；

⑷加工样品时，需要注意板型尺寸，严格控制试板的外观尺寸符合GB50205-2020 中的用M30 螺栓连接时，试板宽为120mm 的要求。

2.3 新试板抗滑移系数测试与分析

客户重新制作了6 付试板，送达本公司再次进行探索性试验。观察新的试板，各孔边缘均已经去除了毛刺等杂物，各试板的棱边也开出了倒角，无明显的毛刺、肉瘤等异物，板面清晰可见因喷砂产生的凹痕。夹板厚×宽为：15.98×120mm，芯板的厚度×宽度为：19.98×120mm，即夹板在厚度规格上，已经增加了2mm，两夹板的总厚度之和与芯板的比值为1.6。

借助YJM-500 高强螺栓轴力智能检测仪，在新处理的试板上施加实际力为365kN 的预紧力，在相同的试验设备上，用相同的程序（以3kN/s 的速度拉伸至73kN，随后在73kN 的条件下保持60s，再以5kN/s 的速度进行拉伸直至发生滑移），测试新样品的抗滑移系数，测试结果见表9。

表9 抗滑移系数测试结果

从表9 的结果可知，新制作的样板已具备了抗滑移系数不小于0.5 的条件，遂用客户所送的扭剪型高强螺栓连接副预紧，依据GB/T50205-2020 中附录B 的要求，测试了所送的试板抗滑移系数，结果见表10。

表10 抗滑移系数测试结果

在采用扭剪型高强螺栓连接副预紧的条件下，测得抗滑移系数依旧小于0.5，不符合要求。对比分析表8、表9 的各项数据可以得出以下结果：在预紧力相同为365kN 的情况下，适当增加外夹板厚度、适当增加夹板以及芯板的宽度、以及优化夹板与芯板接触面的表面质量，显著提升样品的抗滑移系数；对比分析表9、表10的各项数据可以得出以下结果：在夹板、芯板尺寸及表面质量相同的情况下，随着预紧力数值的提升，滑移荷载力值升高，抗滑移系数降低。

有文献指出[8]，随着预紧力的增加，抗滑移系数会有一定的提升，然而不能仅依靠增加预紧力，从而获得较高的抗滑移系数。因为二栓拼接试件中的螺栓有效预紧力需要根据试板的牌号、厚度规格、及性能品质等特征控制在一个合理的范围内，在试板（特别是外夹板）不发生变形并且在螺栓有效预紧力的范围内，随着螺栓预紧力的增加，样品的滑移荷载相应地增加，抗滑移系数也能获得适当的提升。

3 结论

从上述的数值结果中可以得到，在新处理的试板上，利用大六角螺栓施加365kN 的预紧力，理论能满足抗滑移系数不小于0.5 的要求；然而，在同批次生产的试板上，用检验合格的扭剪型高强螺栓连接副连接，实际测试的抗滑移系数结果仅在0.46～0.49 之间，不满足0.5 的要求，可能有如下的原因：

⑴采用8 套扭剪型高强螺栓连接副测试的紧固轴力的平均值为411（或429）kN，仅是整批扭剪型高强螺栓连接副的代表值，而非是用于二栓拼接试件的高强螺栓连接副的真实值，用代表值衡量真实值，在实际情况中会有较大的偏差；

⑵二栓拼接试件中的高强螺栓连接副紧固轴力尽管符合标准的规定，然而，检测出紧固轴力值的离散度、极差、上下限数值与平均值的偏差数值都比较大（具体见表7 的数据中），结合标准差数值可以表明螺栓性能极不稳定。在测试抗滑移系数时，施加411 或429kN 预紧力，由于螺栓的性能不稳定，导致螺栓产生的紧固轴力值与施加力值有严重的偏差，从而测得较低的抗滑移系数；

⑶由于该客户是南方沿海地区，二栓拼接试件中的螺栓在南方沿海这种相对湿度较大、空气中盐分更高的环境中，其磷化层容易产生腐蚀性破坏，在一定程度上会增加螺栓的扭矩抗力，从而导致螺母旋入螺栓的过程中阻力矩增加。而拧断螺栓连接副梅花头的扭矩是不变的，额外扭矩的增大，会降低螺栓的实际紧固轴力。

⑷新试板组成的二栓拼接试件与旧试件的试验数据对比，结果表明：若所使用的螺栓质量比较稳定，外夹板较薄、芯板以及夹板厚度较小、板面质量不佳等因素，也是使得样品抗滑移系数低于0.5 的原因之一。

综上所述，采用离散度大，质量不稳定的扭剪型高强螺栓连接副，二栓拼接试件制作尺寸不完全遵循标准，板面质量较差，且外夹板较薄的条件下，测试的抗滑移系数，难以达到抗滑移系数不小于0.5 的要求。

4 效果

将研究结果反馈客户后，客户于4 月重新送检了8套扭剪型高强螺栓连接副及一套（三件）二栓拼接试件。依标准检测的螺栓紧固轴力为392kN，标准差为14.52。测量了芯板的厚度×宽度为20.10×121mm；外夹板厚度×宽度为16.10×121mm，板面经过喷砂处理，金属光泽明显，无毛刺等特征。依照GB50205-2020 的试验方法，测得的抗滑移系数最小值为0.51，完美地解决了问题，获得客户的好评。

二栓拼接试件测试是钢结构工程中采用栓接的典型代表，抗滑移系数测试试件是钢结构产品的代表，制作测试试件时，需要遵守一定的规律，测定的抗滑移系数，才得到保障。作为二栓拼接试件的测试试件，是衡量钢结构产品质量的手段之一，保证试件的加工质量及钢结构产品的加工质量，才能获得理想的测试结果，保证钢结构产品的质量，使钢结构工程更好地为社会服务。