新研发的螺栓T型短管接头，因其优良的性能而被“赞不绝口”！

摩擦型高强度螺栓(FHSB) t形接头由于具有良好的抗疲劳性能和安装方便，在钢结构中得到了广泛的应用。目前对FHSB t形接头的研究主要集中在剪力和拉应力作用下的结构行为，尚未见剪切和压缩联合作用下的力学响应研究。为弥补这一缺陷，本文提出了一种结构简单、受力条件明确、施工方便的新型FHSB t形接头。研究人员对21个试件进行了不同剪压比下的静载试验，并建立了每个试件的有限元模型。对试件的破坏模式、初始摩擦载荷和极限强度进行了详细的比较。采用144个有限元模型分析了摩擦系数、剪切压缩比、螺栓直径和锁紧力对初始摩擦载荷和极限强度的影响。结果表明，FHSB t形接头在剪切和压缩作用下主要发生螺栓剪切破坏。载荷-位移曲线一般包括弹性阶段、屈服阶段、硬化阶段和失效阶段。当剪切压缩比较小，摩擦系数较大时，其曲线只包含弹性阶段和破坏阶段。摩擦系数和剪切压缩比对初始摩擦载荷和极限强度有较大影响。螺栓直径每增加1mm，初始摩擦载荷增加约10%，极限强度增加约8.5%。设计夹紧力每增加/降低10%，初始摩擦载荷增加/降低7.8%，最终载荷基本不变。

相关论文以题为“Static Strength of Friction-Type High-Strength Bolted T-Stub Connections under Shear and Compression”发表在《Applied Sciences》上。

箱梁开裂和跨中挠度是世界各地预应力混凝土连续箱梁桥的常见问题。传统的处理方法是粘贴碳纤维布、加钢板、增大截面尺寸和增加预应力筋。然而，当pci - cbgb跨度较大且存在问题时，传统的增强方法存在较大差异。

斜拉桥系统(CSS)是一种新型主动加固方法,提高了剪切能力和中跨梁的高度:桩基础的两侧,添加一个钢梁在塔的下部横向梁,钢龙骨是加入到连接梁的锚固区域底部的梁,保持电缆从塔锚固钢龙骨。通过这种方式，钢索力通过托梁和连接从主梁传递。钢托梁与梁一般采用螺栓和焊缝紧密连接或采用高强度螺栓连接。螺栓焊接连接存在两个缺陷:一是连接施工或拆卸困难，可靠性差。虽然焊接连接比螺栓连接坚固，但它的质量是不可靠的，特别是当它不是工厂制造。与焊接连接相比，螺栓连接施工速度快，需要的技术工人少。从经济和性能的角度来看，所有这些都使得螺栓连接比焊接连接具有明显的优势;另一方面，每个连接都具有独特的刚度和延性，且具有复杂的力学性能。这些要求的影响往往是复杂的敏感性断裂典型的焊接连接细节。即使正确地焊接，这些应变要求也会导致接近焊缝入口孔的母材撕裂。这导致了低旋转延性和较差的连接性能大循环负载逆转。这些缺陷是由高强度螺栓连接(HSB)构成的，其广泛应用于桥梁等钢结构。根据载荷传递方式，HSB连接可分为承载式和摩擦式。对于承载式HSB (BHSB)连接，剪力是通过壁面压力和螺杆剪力传递的。虽然BHSB连接具有较高的极限承载力，但在动荷载或疲劳荷载下均不适用。对于摩擦型HSB (FHSB)连接，剪切力通过接触面间的摩擦传递。与BHSB连接相比，其挠曲和拉伸行为具有较高的抗拉强度，由于应力范围减小，在疲劳加载中具有较高的性能，避免螺栓因振动而松动等。FHSB连接广泛应用于桥梁的连接。如图1所示，东明黄河公路桥采用FHSB连接进行CSS增强。

图1.东明黄河公路桥斜拉桥加固采用摩擦式高强度螺栓连接。

锚固角的选择

静态负载测试之前,需要定义锚固角θ的范围(例如,保持电缆方向之间的角度和锚点的法线方向),影响正常组件FN和切向分量的大小阵线电缆力F的锚固区域的连接梁的底部。法向分量与接触面压力和梁的升力正相关，切向分量与接触面剪力和连接所需剪力正相关。如图2所示，锚固角隅角由塔架高度H(即塔架锚点到甲板的垂直距离)和锚点到对称中心的距离x决定。对于部分采用css加固的桥梁，塔高H与最大跨度L的比值为L/12 ~ L/4。为了增加箱梁的截面高度，塔高H应最大(H = L/4)。最大值在《公路斜拉桥设计导则》(JTG/T D65-01-2007)规定的锚点分布范围内(即距墩中心线L/8- 3l /8)。统计全球152个psi - cbgbs (L≥100mm)锚固角为36.41 ~ 55.01°。因此，试验中试件的锚固角设置在35-60°范围内，相应的剪压比范围为0.70-1.73。

图2.预应力混凝土连续箱梁桥的锚固角研究。

装载条件和仪器

在试验过程中，每个试件以预先设定的位移速率(0.6 min/min)加载在带有伺服液压控制器的5 MN压力试验机上。在试件左右两侧对称固定两个线性变位移变压器(LVDTs)。用TDS-530数据记录仪记录各连接板沿接触面方向的相对位移。图3为MC-45标本上LVDTs的位置。

图3.线性变位移变压器(LVDTs)在MC-45试样上的位置。

如图4所示，BFS的制作步骤如下:第一，盲孔(直径2mm);钻深:28mm)在六角螺栓头的中心。清理完孔后，将应变片嵌入孔内并用胶水固定;然后，通过拉伸试验机和TDS-530数据记录仪(山东建筑大学，济南)对BFS进行校准。通过线性回归计算BFS靶夹紧力对应的应变。此处，按设计值(P = 155 kN)的50%、100%和110%分别施加螺栓锁紧力。测试设置如下面的图5所示。

图4.螺栓力传感器的结构。

图5.测试设置。

FHSB t -存根连接的故障模式

在试验中观察到的试件破坏如图6所示。可见，试件主要遭受剪切破坏，多为一个锚杆被切断。在测试过程中，当静摩擦被克服时，每个样品都会发出声音。这声音后面跟着一串清晰的声音。最后,通过ultra-loud声音听到螺栓时切断。shear-compression比率的增加,声音变得不那么响亮,孔壁进行了大变形和磨损区域的接触表面和螺栓孔的边缘继续萎缩,变粗糙。

图6.试验中观察到的试样失效。

压载荷与两块连接板相对滑移的关系

图7为各试件的压载荷与两个连接板的相对滑移曲线。在第一次滑移前，试件曲线较直，表明试件处于弹性状态。曲线在第一次滑移时急剧下降，导致PTM卸载。随着压缩载荷的增加，MC-60曲线呈锯齿形进入屈服阶段，然后进入滑卸载硬化阶段，而MC-45和MC-35直接进入硬化阶段。最终，当载荷超过试件的极限强度时，螺栓被切断。

图7.不同剪压比下试件的压载荷与相对滑移的关系。

结论

本文针对cs增强的pci - cbgb锚固区的结构特点，设计了一种新型FHSB t型螺柱连接。然后对21个不同剪压比的试件进行静载试验，并对试件进行有限元模拟。对试件的破坏模式、初始摩擦载荷和极限强度进行了研究和比较。然后基于有限元数值模拟分析了多个参数对初始摩擦载荷和极限强度的影响。分析结果可用于评价FHSB t形接头的承载能力。主要结论如下:

(1)在剪切和压缩的共同作用下，FHSB t形接头主要发生螺栓剪切破坏。载荷-位移曲线一般包括四个阶段:弹性阶段、屈服阶段、硬化阶段和失效阶段。当剪切压缩比小，摩擦系数大时，FHSB t形接头的极限强度等于其初始摩擦载荷。在这种情况下，连接的荷载-位移曲线仅包含弹性阶段和破坏阶段。

(2)本文提出的有限元模型适用于研究FHSB t形接头在剪切和压缩作用下的力学行为。

(3)摩擦系数和剪压比对初始摩擦荷载、抗滑系数和极限强度有较大影响。摩擦系数越大，剪压比越小，FHSB t形接头的抗滑承载力越好。

(4)初始摩擦载荷和极限强度随锚杆直径的增大呈线性增长。螺栓直径每增加1mm，初始摩擦载荷增加约10%，在16-22 mm直径范围内，极限强度增加约8.5%。

(5)初始摩擦载荷随夹紧力的增大呈线性增加，而极限强度呈线性下降。16-22 mm直径螺栓的设计锁紧力每增加/降低10%，初始摩擦载荷降低/增加7.8%，最终载荷基本不变。

研究人员所提出的FHSB t形接头的抗剪承载力和自锁角计算公式可应用于预应力混凝土加固的预应力混凝土- cbgbs和斜撑的设计。但本文仅对一定范围内的摩擦系数、剪压比、螺栓直径和锁紧力进行了研究，所得结论具有一定的适用范围。此外，在剪切和压缩条件下，板厚和螺母腐蚀损伤对FHSB-T短接头力学性能的影响，以及首次滑移后摩擦系数的变化规律有待进一步研究。

论文链接：https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3600/htm