钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用（可编辑）

钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用大连理工大学硕士学位论文钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用姓名邢怀念申请学位级别硕士专业工程力学指导教师张小鹏20040610摘要自上个世纪年代钢筋机械连接方式诞生到今天,出现了一系列的机械连接接头,如套简挤压接头、锥螺纹接头、镦粗直螺纹接头和滚压直螺纹接头等等。在这些接头中滚压直螺纹接头以其优越的连接性能成为当今粗直径和高强钢筋连接的潮流。本文主要是对直螺纹接头连接的力学行为进行了详细的理论分析、实验分析和数值模拟,目的是深入研究直螺纹接头的力学性能,为这种接头的应用和推广打下坚实的理论基础和实验依据。在实验机上,按照的要求,我们对不同直径级钢筋的直螺纹接头进行了静态和动态实验分析。静态试验主要是单向拉伸实验,这反映了接头的基本性能,通过对镦粗直螺纹接头和滚压直螺纹接头进行试验,我们得到下面的结论直螺纹钢筋接头的抗拉强度均能达到预期的设计值,但在非弹性变形指标上,滚压直螺纹优越于镦粗直螺纹,剥肋滚压直螺纹接头优越于直接滚压直螺纹接头动态试验包括大变形反复拉压实验和高应力反复拉压实验以及疲劳试验,对于动态试验分析,我们主要是测试了剥肋滚压直螺纹接头的性能,试验结果表明,剥肋滚压直螺纹钢筋接头的各项性能均能达到预期目的。可见剥肋滚压直螺纹接头在钢筋连接工程中具有很大的优越性同时,我们也发现剥肋滚压直螺纹钢筋接头单向拉伸的破坏部位和疲劳的破坏部位有着明显的不同,单向拉伸的破坏部位一般位于远离螺纹套筒的钢筋母材上,而疲劳试验的破坏部位一般位于前两圈承力旋合螺纹牙处,可见钢筋端部滚丝加工形成了疲劳源。我们还在应力比为的情况下,对直径为钢筋接头进行了疲劳试验研究,并确定了推荐设计值。我们还对剥肋滚压直螺纹钢筋接头进行了有限元数值模拟,目的是了解旋合螺纹在弹塑性不同的荷载下,螺纹牙之间轴向力分布、变形状态和破坏部位。最后,按照本文对抗拉螺纹连接的理论和实验分析以及的要求,利用螺纹的等强连接理论,基于静态荷载基础,我们对这种接头进行了设计计算,并取得了一系列的设计推荐值,为工程中的实际应用打好了铺垫。关键字钢筋机械连接直螺纹套筒力学行为、,、,钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用绪论自从年法国著名的园艺大师约瑟夫莫尼埃尝试着用铁丝、水泥和石浆来铸造花盆并且大获成功以来,建筑行业就诞生了一种新型的建筑材料一一钢筋混凝土。历经多年的发展,对至今日,无论是它的种类还是规模,都得到了大的发展。相应的,作为钢筋混凝土结构主筋的钢筋的种类也变得越来越多,强度也越来越高。目前我国已经生产出了的热处理钢筋。伴随着钢筋强度的提高,钢筋的连接方式也在不断的变化,历经了绑扎搭接、焊接和机械连接等一系列的连接方式。本文主要是以级钢筋为例,对钢筋机械连接中的直螺纹套筒连接的力学行为进行理论和实验分析,为这种新式钢筋接头的应用和推广提供理论基础和实验依据。钢筋在建筑结构中的应用我国钢筋混凝土用钢筋目前大量采用屈服强度为的级钢筋。该强度级别钢筋具有良好的塑韧性、可焊性,但强度偏低,有些结构往往由于钢筋强度不够而增加用钢量,甚至会出现结构配筋量过多而施工困难。强度偏低也直接影响结构安全水准的提高,使建筑物实际使用寿命或使用功能降低。世界上一些主要工业化国家目前大量采用屈服强度为的钢筋,并且还有继续提高强度的趋势。表列出了主要工业化国家目前使用的钢筋强度级别。鉴于级钢筋的缺陷和混凝土发展的需要,我国研制出了新级钢筋,并迅速应用到了工程实际中。国别屈服强度级别英国美国德国俄罗斯日本标准力学性能力学性能主要表现为钢筋的强度性能和塑性性能。新级钢筋强度为/屈服强度/抗拉强度,而且为满足抗震结构设计使用要求,屈服强度上限值不大于,实际强屈比不得小于。钢筋的塑性性能一般以轴向拉伸断裂伸长率及钢筋在一定弯曲直径下经规定角度的冷弯合格率来保证。我国级钢筋规定的伸长率和冷弯指标,与国外同级别钢筋大致相当。钢筋的力学性能指标要求列于表。钢筋外形钢筋表面形式直接影响与混凝土间的粘结力。高强钢筋主要由钢筋表面带肋来增加钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用粘结力国外称为高粘结力钢筋捌。本论文试验用钢筋的外形采用年代初改进后的月牙纹外形。抗拉反弯伸长率强度正弯屈服点公称占。仃/钢筋强度等级代口直径冷弯盯牌号口反弯聍不小于。,不小于,钢筋牌号和化学成分【】化学成分备注钢筋牌号曩、微台金墨化工艺】轧后余热处理技术由表可见,新级钢筋的成分基本保持了原级钢筋的成分范围,并保持良好的塑韧性。强度的提高则是采用添加微量合金元素或形成微合金化钢种,或以钢筋热轧后进行余热处理的生产工艺来实现。钢筋材料的参数值钢筋强度标准值对于热轧钢筋和余热处理钢筋,屈服强度标准值为而对于冷拉钢筋,屈服强度标准值为。钢筋的弹性模量实验结果表明,其值为,平均值为。弹性模量按实验平均值取。冷拉钢筋的弹性模量按实验结果取钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用。钢筋疲劳强度设计值钢筋疲劳强度设计值是在对每个钢种的钢筋进行了不同规格的母材和焊接接头疲劳试验的基础上,结合在不同值时钢筋疲劳试验线性回归结果,按我国混凝土结构设计规范疲劳强度取值原则和方法而确定的。按试验结果推得的疲劳强度设计值和取整后的设计建议值列于表。表应力比试验值钢筋母材设计值钢筋的应力松弛值钢筋经冷拉后的应力松弛率,按冷拉应力,对冷拉钢筋进行初始应力为,的一次张拉和超张拉的应力松弛试验并根据应力松弛试验结果外推至年的平均值取用。其结果为当一次张拉时,应力松弛损失可取。当超张拉时可取。钢筋机械连接技术在国内外的应用与发展,钢筋机械连接技术在国外的应用与发展在国外,钢筋机械连接均得到广泛应用。从年代开始,欧美和日本等国研究开发了各种连接方法,并制定相应的技术标准。在美国有锅筋混凝土房屋建设规范,混擞土反应堆容器和安全壳规范及锅炉和压力容器规范,对机械接头的试验方法、力学性能要求及使甩均作了规定在美国也广泛采用熔融金属充填套筒接头即法,它是用铝热反应的钢水注入带有内螺纹套筒和带肋钢筋的缝隙中,钢筋端面基本不熔化或微熔质量检验时,要求接头强度不得小于钢筋屈服强度标准值的倍。在英国有年英国标准协会编制的混凝土结构设计和施工规程,其中对各种钢筋接头均有相应规定。在日本有年建筑中心委员会发布的钢筋接头性能评定标准,对各种钢筋接头铡定了试验方法,同时,日本还将镪笳挤压连接广泛应忍与高层建筑、桥梁、高速公路、电子能电站等,最典型的是用于本州四国的跨海大桥工程钢筋机械连接技术在我国的应用与发展相对于钢筋机械连接方式在国外的发展,我国起步要晚一些。年代末,钢筋机械连接技术在我国迅速发展,先后开发出多种型式鸽机械连接接头如径向挤压套筒接头、轴向挤压套筒接头、锥螺纹套筒接头、直螺纹套简接头等嘲,其中挤压套筒接头、锥螺纹套筒接头在生产中推广应用,受到建设、设计和施工单馒的欢迎并毒定了楣关标造。近十年来,我国在粗直径钢筋的机械连接技术方面有了很大发展,在各类高层建筑、大钢筋直螺纹套筒连接力掌行为研究及其应用跨结构、桥梁、水工结构、电视塔、核电站等重大工程项目中摧广应用了数干万个钢筋机械连接接头,尤其是挤压套筒连接和锥螺纹套筒连接应用已经相当广泛。年月冶金工业部批准发布行业标准謦舫镪筋挤压连接技术及验收翔程,自年月起实施。年月北京市城乡建设委员会和北京市城乡规划委员会联合批准发布北京市批准锥螺纹钢筋接头设计施工及验收规程一,自年月日起施行。年月,上海市建设委员会批准发布上海市标准钢筋锥螺纹连接技术规程,自年月日起施行。年月,建设部批准发布三个行业标准钢筋机械连接通用技术规程、带肋钢筋套筒挤压技术规程和钢筋锥螺纹连接通用技术规程。,均自年月日起施行。钢筋镫螺纹连接逯厝技术规程,均自年月日起施行。在钢筋机械连接的研制应用和推广的过程中,午多专家学者作了大量的工作。刘永颐、徐有邻等【在钢籁机械连接的技术规程的制定上作了大量的工作,从某种意义上讲,引领了中国机械连接方式的潮流。在钢筋机械接头抗疲劳性能研究上,中国建筑科学研究院结构研究所“作了大量的工作,他们主要是测试套筒挤压接头的抗疲劳性能和套筒挤压道次的关系,为套筒挤压接头应用到动载结构做好铺垫。在锥螺纹连接技术方面,江苏省建筑科学研究院的陶勇、刘晓毒等作了大量的研究工作,设计出了系列的螺纹牙距推荐值,并取得了很好的实际效益。钢筋连接技术概述及比较钢筋接头连接工序是钢筋混凝士结构施工中效率最低,工厂亿程度最少的环节同时,钢筋接头连接质量的好坏是决定建筑物安全与否的一个关键因素。前蕊已经介绍过钢筋的连接方式。目前,我国的钢筋连接技术主要以绑乳连接和焊接连接为主。机械连接是一项较新的钢筋连接技术,基本上克服了前两神连接方式的弊病,适用于工业与民用建筑和构筑物混凝中要求充分发挥钢筋强度和延性的重要部位,在一些重点工程和大型工程中得到了广泛的应用。尤其是钢筋的推广和应用,也为粗宣径钢筋的机械连接创造了条件。钢筋的机械连接在国外发展较早,品种也比较多,除了套筒挤压接头和锥嫘纹接头外,还有熔融金属充填套筒接头如美国接头、适用于装配式结构用的水泥浆充填套简接头如美国、日本接头、钢筋全长耗警螺纹的丈螺旋锅筋接头砖口德国接头、以及滚压直螺纹接头如英国钢筋接头、镦粗切削直螺纹接头如法国体系等,钢筋传统连接方式分析我国混凝土结构中钢筋传统连接方式主要为绑扎措接和焊接接头两种形式。绑扎搭接接头绑扎措接接头是靠搭接区段内钢筋在混凝士内静粘鳍错雷来传递钢痿应力钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用由于搭接钢筋之间的混凝士受劈裂影响,使得搭接钢筋区段内的混凝土粘结强度低于单纯锚固状态下的粘结强度,并且钢筋搭接要有足够的长度才能保证钢筋应力的传递,因此绑扎搭接接头的适用范围受到很大限制。一般来说,绑扎搭接接头存在受力性能差,施工时搭接区段钢筋较密,影响砼的浇筑质量,且钢材消耗大,抗震性能差等问题,作为钢筋连接方式将被淘汰。焊接接头焊接接头要求钢筋具有可焊性。钢筋的碳当量影响钢筋的焊接性能,当碳当量超过,钢筋不可焊。级钢筋焊接性良好。、级钢筋焊接性较差。焊接时要采用合适的工艺参数和有效的工艺措旌。级钢筋碳当量较高,属于较难焊钢材。通过热处理、冷加工而强化的钢筋,焊接时会引起焊区钢筋强度降低,冷轧带肋钢筋则严禁采用焊接接头,不能经受高温回火作用。钢筋焊接接头在不大于其弹性极限的荷载下,接头钢筋的刚度不变,没有残余变形,它是钢的原子闻的冶金结合。因此,焊接接头的质量高于绑扎搭接接头。钢筋焊接接头也存在如下问题焊接质量不稳定。焊接质量直接与焊工技术水平有关,焊接缺陷难以避免,质量控制较难。焊接施工受气候影响。雪天、雨天不宜现场旌焊,而风速对焊接亦有较大影响。疲劳强度低。混凝土结构设计规范规定承受中、重级工作制吊车的构件,不宜采用焊接接头在动力荷载作用下,允许使用焊凌接头的构件,接头处钢筋疲劳强度要乘以的折减系数。钢筋套筒挤压连接技术概论带肋钢筋套筒挤压连接技术是一种新型的粗直径钢筋连接技术,它是将两根待接钢筋插入特制的连接套筒内用液压钳侧向挤压套筒,使套筒产生塑性变形,套筒嵌入钢筋横肋之间的凹槽中,以此实现两根钢筋的连接,钢筋所承受的轴向力主要依靠钢筋横肋和变形后的套筒之间的剪力传递。挤压接头套筒的压实大俸上分为三个阶段,即收拢阶段、贴合阶段和密实阶段。美国日本从年代开始研制,日本的濑户内海的本烈一理国大桥大量采用了钢筋挤压连接。国内冶金部建筑研究院于年开始研究,年开始应用于亚运会工程之的中央彩电发射塔工程。此后,中日青年交流中心、燕莎中心、大亚湾核电站、南京大胜关送交电大厦、长江重庆二桥、长江黄石二桥、西南商厦、澳门机场等大量应用。钢筋挤压套筒连接的优点是接头性能可靠,接头的强度、刚度和韧性与母材相硒,疲劳性能优于焊接接头,操作十分简单,无需专门技工。连接时没有职火,不受天气及自然环境的影蝾,在可燃性环境积水串均霹作业,施工速度快。可将的钢筋挤压好,比电弧焊快倍。/,节约能源。每台设各的电功率仅为,耗电量只有焊接的/适用范围广。本法可连接国产、级中】的各种规格的变形钢筋,也可以连接异径钢筋,焊接性不好的钢筋以及进口的性能相当子国产的、,级钢钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用筋。同时能可靠连接各个方向及密集布置的钢筋。图挤压设各示意图。接头检验方便,只检验挤压道次及测量压痕处直径即可判定接头是否合格,无需采用无损探伤检测。套筒挤压套简连接的缺陷是挤压对套筒及母材产生的不利影响,容易在挤压处钢筋产生疲劳源,此疲劳源从钢筋横肋根部开始扩展,最后形成疲劳断口。挤压设备比较笨重如图,在使用过程中比较笨重。】钢筋锥螺纹连接技术概论【锥螺纹套简连接是先把要连接的两条钢筋的端头加工成锥形螺纹丝头,然后通过同样带有锥螺纹的连接套筒把两根钢筋连接起来,完全通过螺纹间的齿合力把两根钢筋同套筒连接一体如图。锥螺纹套筒连接在国外是年代开始采用的,在我国是年代末研制成功,并于年代开始在一些城市的大工程中应用。最初是以钢筋机械连接通用技术规程来检测其各项性能,但由于锥螺纹套筒连接独特的工艺条件,其专项规程于年末才公布,于年月日开始执行。图】锥螺纹钢筋连接示意图图锥螺纹接头示意图螺纹预加工是在工地钢筋加工棚进行,主要有以下工序钢筋除锈、调直一钢筋端头切平一磨光毛刺、缝边一将钢筋端头送入套丝机卡盘牙口内一车出锥形夕丝一测量检验外丝质量一合格者拧上螺纹套一编号、成捆分类、堆放备用一施工现场首尾对接进行连接图。钢筋锥螺纹连接的优越性在于施工方便,预先进行了钢筋的滚丝处理,实现了钢筋连接的工厂化,缩短了施工的工期,但是由于锥螺纹安装的精度要求高,所以连接质量会受到影响。同时也不能够充分发挥钢筋的延性,也就是很难达到等强连接。钢筋童螺纹套简连接力学行为研究及其应用钢筋直螺纹连接技术概论钢筋等强直螺纹套筒接头简介钢筋等强直螺纹套筒接头与钢筋锥螺纹套筒接头的钢筋机械连接技术原理大同小异。相同之处都是通过钢筋端头螺纹与套筒内螺旋合成钢筋接头,但关键区别在于钢筋等强技术效应上。钢筋等强直螺纹套筒连接有两种。一种在钢筋端头先采用对辊滚压,使钢筋端头应力大增,尔后采用冷压螺纹滚丝工艺加工成钢筋直螺纹螺纹应力二次增强端头,套筒采用快速成孔切削成内螺纹铺套筒,这种钢筋等强直螺纹连接技术简称为滚压直螺纹接头或滚压切削直螺纹接头。另一种在钢筋端头先采用设程顶、压增径墩头,使钢筋端头应力大增,尔后采用套丝工艺加工成直螺纹钢套篱,这种镊筋等强直螺纹连接技术简称为墩头直螺纹接头或墩粗切削直螺纹接头。无论采用滚压,还是采用墩压工艺使钢筋的端头均匀地预加应力,这两种方法都能有效地增强钢筋端头母材强度。重要的是,由于钢筋连接技术的质量稳定性好,连接后的级、级钢筋可以充分发挥钢筋的强度和延性,拓宽了钢筋连接的工艺。等强直螺纹接头连接套筒的材料一般为低合金钢、优质碳素钢结构,连接套简的设计抗拉承载力标准值应不小于被连接钢筋的受拉承载力标准值的倍套简长为钢筋直径的二倍,套筒的尺寸偏差及精度要求如下套篱外径不大于,外径允许偏差,长度允许偏差,螺纹精度选用/套筒外径大于,外径允许偏差,长度允偏差,螺纹精度选用/。常用套筒有下列种类型如图标准型套筒带右旋内螺纹的等直径连接套筒,端部个螺距长度内带有便于入扣的锥度。扩口型套筒带右旋内螺纹的直径连接套简,一端带有或。的扩段,用于较难对中入口的场合。变径型套筒带右旋内螺纹的变直径连接套筒,用于连接不同直径的钢筋,直径大小差异不受限制。正反丝扣型套筒带左、右旋内螺纹的等直径连接套筒,用于锅筋不能转动而要求调节钢筋内力的场合。囤闲国一目参臻蠹镝惩,珐尊鬟妻辩图温度收缩缝之间钢筋对接图钢筋笼的对接图,直螺纹连接套筒类型,技术参数和接头性能钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用连接套筒的设计抗拉强度大于等于钢筋设计抗拉强度的倍。接头性能要满足钢筋机械连接通用技术规程中各级接头性能要求全部试件断于钢筋母材,达到与母材等强的目的。等强直螺纹接头的应用等强直螺纹接头适用于一切抗震设防和非抗震设防的混凝土结构工程,尤其适用于要求充分发挥钢筋强度和延性的重要结构粗直径钢筋连接弯折钢筋、超长水平钢筋的连接钢筋笼的对接,用扩口型连接套筒图两根固定钢筋之间的对接图钢结构与钢筋的连接,型钢柱与梁主筋相交时,可利用焊在钢板上的螺母连接钢筋。技术经济效益以钢筋为例,等强直螺纹接头目前的售价为元,低于同规格套筒挤压接头的全部费用,而施工的方便程度和工效则明显好于套筒挤压连接,钢筋越粗,这种差别越明显。例如对或钢筋,直螺纹接头价格比套筒挤压接头降低,而连接速度可提高倍,广州中信大厦层为适应爬模施工,也是采用直螺纹接头且接头在同一截面连接。直螺纹接头为这种施工方法提供了可能,并加快了施工进度,仅天就可施工一层标准层。直螺纹接头的优点接头强度高。接头强度大于钢筋母材强度。性能稳定。接头性能不受扭紧力矩影响,少拧扣,均不会对接头强度造成明显损害。连接速度快。直螺纹连接套筒比锥螺纹短左右,且丝扣螺距大,不必使用扭力扳手,方便施工。应用范围广。对弯折钢筋、固定钢筋、钢筋笼等不能转动钢筋的场合,可不受限制地方便使用。经济效益好。直螺纹接头比套筒挤压接头省钢左右,比锥螺纹接头省钢左右。便于管理。省去了用扭力扳手检测这道工序。对劳工素质及检测工具的依赖性明显减小。由于等强直螺纹接头具有上述优点,它代表了当代世界钢筋机械连接技术的最新潮流。香港会展中心、青马大桥、马来西亚石油大厦世界最高建筑、法国诺曼弟大桥世界最大跨度斜拉桥、泰国帝后公园大厦、我国广州中信大厦层,广东岭澳核电站等数百项大型工程均采用了等强直螺纹接头。直螺纹连接技术的材质要求套筒原材料材质要求钢筋直螺纹机械连结套筒原材一般采用号优质碳素结构钢【”】。套筒抗拉承载能力标准值不应小于被连接钢筋抗拉承载力标准值的倍,以确保连接质量达到等强的目的。对于直接承受动力荷载的结构,其接头还应满足设计要求的抗疲劳性能。套筒原钢筋直螺纹套简连接力学行为研究及其应用材料的机械性能如表所示。号钢极限强度屈服强度延伸率热轧棒材冷拔管材钢筋母材材质要求直螺纹连接适用于直径为衄韵级钢和强级钢粗直径钢筋连接。钢筋母材机械性能须满足表的要求。钢筋母材屈服极限屈服强度延伸率钢筋机械连接技术对比分析钢筋机械连接主要包括锥螺纹连接、套简冷挤压连接、镦扭真螺纹连接和滚压直螺纹连接。其中滚压直螺纹连接根据滚压方式又可分为直接滚压和勃肋滚压等。套筒冷直接滚压剥肋滚压对比内容锥螺纹连接镦粗直螺纹挤压直螺纹直螺纹管用或力连接簏管用或力管用或力压接器力矩扳手矩扳手工用具矩扳手矩扳手丝头或接径向挤镦头机和滚轧直剥肋滚压头加工设锥螺纹机压机直螺纹机螺纹机直螺纹机备刀片、易损耗件疏刀压接模具型模、疏刀滚丝机滚丝轮刀片型模头左头易损耗件右、头滚丝轮使用寿命头头疏刀头左右头单个接头小较大大损耗件成一般一般杰较低商低较低套筒成本较低操作工人一般一般大一般一般工作强度钢筋直螺纹套简连接力学行为研究及其应用现场施快一般快快快工速度操作不当时施工污无无无无液压油污染染情况钢筋耗电量,、小小小较小达母材实际接头抗拉与母材等与母材等强与母材等强与母材等强抗拉强度强强度性能接头质量好好好好一般稳定性差好好螺纹精度较好接头综一般低高一般一般合成本由表分析可知,在锥螺纹、套筒冷挤压、镦粗直螺纹和滚轧直螺纹种连接方式中,滚压直螺纹的综合性能最好,综合经济指标最高。而剥肋滚压直螺纹又是直螺纹连接中表现最优异的。因此,剥肋滚压直螺纹连接技术是一项值得大力推广和应用的高科技、环保型钢筋连接技术。钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用螺纹连接的力学行为分析螺纹力学刀拧紧螺纹套筒所需的力矩对于三角形螺纹,如图所示。图三角形螺纹牙上的作用力图中螺纹上作用有轴向力和推力,则在图所示的螺纹牙垂直截面图上/,其中是垂直于截面上看出,螺纹表面的法向力。为的牙型斜角,是螺纹升角。它和轴向截面牙型斜角图的关系是对于米制螺纹沿螺旋线切线方向力的平衡条件是/抽,则可整理成令/。称为址当量摩擦系数,为当量摩擦角。在三角形螺纹螺纹连接的螺柱上,转动螺纹套筒所需的螺纹力矩为/,对于米制连接螺纹,/一将展开为值通常在。左右,故,是一个很小的量,也通常是一个大大小于的数,因而可以认为自锁条件四由式知,三角形螺纹连接套简松退时,由力的平衡条件可以得到。若,上式表明,这时虽然运动方向改交了,但作用力。的方向并不改变。钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用此时,不再是推动力而成为了制动力。若不施加。这样大的制动力,螺纹套筒将加速松退。若,则。为负值,表明其方向改变。这时螺纹套筒必须受与方向相反的推力作用方能松退,轴向力无论多大,螺纹套简都不会松退。故螺纹的自锁条件是/口由螺纹自锁条件看出,当量摩擦角越大,螺纹自锁性越好。由看出,牙型斜角越大,则当量摩擦角越大。作为连接螺纹,当然希望自锁性好,这是采用三角螺纹作为连接螺纹的原因之。旋合螺纹各圈螺纹牙间轴向力的分布“”“螺纹牙上的轴向作用力越大,螺纹力矩也越大。而且,轴向作用力是导致螺纹牙损坏的主要因素。螺柱与螺纹套筒构成螺纹连接,两者有多圈螺纹牙旋合。当螺柱受轴图螺纹连接体上的轴向力简图向作用力时,通过多圈旋舍螺纹传给螺纹套筒,螺纹套筒本体承受作用力。该力在旋合各圈螺纹牙间如何分配,是关系螺纹连接承载能力的重要问题。分布强度拧紧螺纹套筒后,在螺柱杆上产生轴向力,如图所示。螺纹连接本体上的轴向力在螺纹套筒支撑面处为,沿螺母高度方向呈一定规律分布,取坐标系如图所示,则轴向力是坐标的函数。取对的导数为,即掣称为轴向力分布强度,是单位螺纹旋合长度上的轴向力。于是有在坐标为的某一横截面上的轴向力反映出了轴向力在旋合螺纹训分布特征。分布在某一圈螺纹牙上的轴向力口钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用若为常数,则每圈螺纹牙上的轴向力均相同。螺纹牙侧面上的法向作用力设拧紧螺纹套筒后螺纹牙侧面单位面积上的法向作用力为,在坐标由到的微小长度上,其合力在轴向的分量为/,它应等于该微小长度上的轴向力的增量,故有/式中在微小长度上螺纹牙的侧面积。在轴向取螺距那样一段长度,这时,一圈螺纹牙侧面面积在横截面上的投影为/也可以近似写成/丌吐式中螺纹牙的工作高度螺纹大径,螺纹小径,螺纹中径。由于螺纹牙侧面面积与向坐标成比例,即/因而有/于是/变形协调条件在轴向力的作用下,螺旋柱上长度尺寸为的段,产生拉应力和拉伸变形,变形量记为。以后用角注代表螺柱,柱长变为。螺纹套筒本体上相应长度段也受拉力,产生拉应力和拉伸变形,变形量记为以后用角注代表螺纹套简,长度尺寸变为一。螺纹牙在侧面法向作用力的作用下,产生弯曲、剪切和牙根位移等变形,螺柱上牙的总变形量记为。,螺纹套筒上牙的总变形量记为。根据变形协调条件,应满足占。一瓦占占。整理后,写成占占。出。】一【占螺柱与螺纹套筒本体的变形量与应力成正比,。和可表达为氏/瓯/把螺柱和螺纹套筒螺纹牙的交形囊写成占【九/占。九,。钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用式中。、。相应为螺柱和螺纹套筒材料的弹性模量入。、。无量纲系数,它只决定于螺纹牙和整个联结的几何参数。代入/仃。/。螺柱横截面积式中螺纹套筒本体横截面积整理后得到耐/一/。九/。】。九/九/。/,则有【】/。令/告。上式对求导,得/。再次求导,并代入/,有”掌这就是旋合螺纹通过轴向力分布强度描述的变形协调方程。轴向力沿套筒螺纹高度的分布方程的解可以写成苟乒式中,待定系数。对方程,求导,得掌釉黝边界条件可以表达为时一/。时/于是,方程的解为釉鲥。笔掣】同时,可以求得在处的值钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用们,器箍斡筹图受拉螺纹连接螺纹牙间轴向力的分布强度在处童堡垒星垒正皇堂型。由、式可以看出,在、处的轴向力取决于联接中螺柱和螺纹套筒的剐度比。当。时,。由图上的分布图可以判断,从强度考虑,。是受拉螺纹联接中螺柱和螺纹套筒的最佳刚度比。螺纹的破坏规律在螺纹的结合中,当分别向螺柱头和螺纹套筒的支撑面施加静轴向力而使螺柱受拉时,所谓单纯拉伸引起破坏的载荷,要比用螺纹套筒紧固钢筋、拧紧螺纹套筒的情况下的破坏载荷大。这是因为,在后一种情况下,螺纹的牙根处除受拉伸应力。的影响外,还要受扭转引起的剪切应力的影响。和达到怎样的关系时才能引起破坏对所谓的破坏规律有以下几种学说最大主应力学说当去盯去盯之值达到单纯拉伸引起的破坏应力叮,之值时,发生破坏。最大主应变学说当掣盯学以了葺之值达到盯,之值时,发生破坏。为泊松比的倒数。最大剪应力学说当口之值达到仃。之值时,发生破坏。剪切应变能学说当之值达到盯。之值时,发生破坏。最大主应力学说适用于象铸铁这样的脆性材料,其他学说适用于延性材料。螺纹的材料一般用中碳钢和低碳钢,属于延性材料。设石丽钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用口。称为等效应力。当外螺纹件螺纹部分的等效应力仃。达到该部分的单纯拉伸引起的破坏应力盯。之值时,发生破坏。产生轴向拉力时的外螺纹有效截面也有用螺纹沟底截面的上的拉伸应力。为眩,矿丽昙言刀坞石外螺纹有效截面上由扭矩引起的剪切应力为眩,娌一志石鲁蝴,仂”瓣石毒培邶取式与式之比,可得下式三拿,现在取口,从,。/,则,盯,盯取盯。,则。盯这表明,拉伸应力盯达到纯拉伸引起的破坏应力舐的倍时,外螺纹牙的沟底开始破坏。直螺纹的静强度和套筒极限旋合长度犯螺柱载荷钢筋螺纹连接的主要作用是张紧,这需要拧紧,拧紧时螺柱上的主要载荷是拉力。由于拧紧时有轴向力,螺旋副中的摩擦力使螺柱受转矩作用,其值是螺纹力矩,可由式计算。式中当量摩擦角由螺旋副材料、接触表面状态、拧紧次数等决定。同时,摩擦系数在拧紧过程中有变化,不是一个常数。盯卞广迭夕初始状态全面接触拧紧过程口敬去扳手淮备使用图拧紧过程中螺柱的拉力与转矩钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用在拧紧过程中,由于螺柱上的拉力随螺母转角增加而呈线性增大,因而转矩也呈线性增大。当拧紧结束后,撤去扳手之后,螺柱上的拉力保持稳定,而转矩有突降,如图所示。螺柱应力正应力螺柱承受拉伸载荷后,螺柱杆、螺纹部分和螺纹头部均受拉力。拉力除以螺柱各横截面面积,得到螺柱各横截面上的拉应力。由于螺柱上正应力沿其轴线的分布是不一样的。为此,称拉伸载荷除以螺柱横截面面积所得平均应力为拉应力。通常认为螺柱螺纹部分工作截面积比以中径与小径的平均值为直径的圆面积略小,即。/按我国国家标准式中,螺纹牙原始三角形高度。称氏为应力截面积一可采用下述公式计算,/螺柱应力截面积的当量直径/。/于是,螺柱的拉应力仃/。/石称。为螺桂计算直径。扭应力拧紧螺纹套筒时,通过螺旋副施加给螺柱的转矩在螺柱上产生切应力。在弹性状态扭应力的大小为图/列若处于塑性状态,扭应力为“石固二协。纯塑性弹性弹塑性圈螺柱横截面上的扭应力因此,拧紧时螺柱上扭应力和正应力的比值,在弹性状态为,盯/对于的普通螺纹,。,取/“,将这些近似平均钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用值代入上式,得出仃在塑性状态/卢/代入上述近似平均值后采用特殊的拧紧工具或者专门的结构措施,可以使螺柱在拧紧时不承受螺纹力矩。比如拧紧时在其末端加一与螺纹力矩大小相等方向相反的力矩,可以抵消螺纹力矩的影响等等。应力集中在螺柱尾部以及与套筒旋合的第一圈螺纹牙处,由于应力集中,那里的应力值大大超过平均值,故通常在这处破坏。螺柱静强度螺柱的主要载荷是通过螺旋副作用其上的拉伸荷载,受载后,螺柱可能因杆部断裂,或是因旋合螺纹牙剪断而失效。螺栓必须满足这些强度条件方能正常工作。显然,使螺柱杆的抗拉强度和螺纹牙及头部的抗剪强度相等时最佳的组合。力一伸长曲线纯拉伸时的力一伸长曲线给螺柱施加拉伸载荷,由小逐渐加大,则螺柱逐渐伸长。若应力在弹性极限下,则伸长与拉力成正比,反映在力一伸长曲线上,呈直线状。当螺栓的应力超过屈服点,其变形达到塑性状态,力一伸长曲线开始弯曲。应力超过屈服点后,若逐步卸去荷载,伸长也逐步减小,但将沿与初次加载时力一伸长曲线直线段相平行的直线下降,返回载荷的零点。初次加载造成的永久变形量,决定了回程直线距初次加载力长曲线的偏移量。重新加载,荷载达到以前所加之最大之前,伸长量与拉力之关系将遵循这新的曲线,再现弹性关系。拧紧过程中的力一伸长曲线逐渐拧紧螺纹套筒,螺柱的预紧拉力逐渐增大,由螺纹力矩产生的转矩也逐渐增大,螺柱处于二向应力状态,根据第四强度理论,其相当应力石了面万代入叮“,得到屈服点处的拉应力盯即拉应力达到口。时螺柱应力达到屈服点。显然,螺柱按拉应力大小而言,拧紧时比纯拉伸时先达到屈服点。使用中的力一伸长曲线先拧紧,然后承受工作载荷,这时的弹性曲线视拧紧程度而定。预紧到屈服点之前,则承受工作载荷后拉力继续增加,而转矩略有下降,螺柱继续按与拉力呈线性关系伸长,而相当应力达到屈服点时,力一伸长曲线开始弯曲。这时的钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用拉力显然大于拧紧过程中的力一伸长曲线开始弯曲的拉力值,而小于纯拉伸时的值图。预紧超过屈服点,则承受工作载荷之后拉力继续增大,而转矩几乎消失。因此,施加工作载荷之后,螺栓重新表现出弹性特征。当拉应力达到屈服点时力一伸长曲线开始弯曲,和纯拉伸时的力一伸长曲线重合图。蚕至辎捌伸长伸长,图螺柱使用中的弹性曲线螺纹牙的静强度在静荷载下螺纹连接因螺纹牙剪断雨失效,称为螺纹脱扣决定螺纹牙抗剪强度的基本结构参数是比值/和螺纹套筒相对高速/。随/值的增大,螺纹脱扣的危险性增大。在同样的公称直径下,细牙螺纹的/值大于粗牙螺纹的,所以,细牙螺纹螺纹牙的抗剪强度总是低于粗牙螺纹。同时,螺柱和螺纹套筒的横向变形使细牙螺纹更易脱扣。一般的说,套筒与螺柱的螺纹牙在同直径上发螺纹牙剪断处的直径,生剪切,其大小由套筒和螺柱材料的抗剪强度的比值决定。螺柱材料的抗剪强度比套筒材料大得越多,剪断处的直径越接近螺纹公称宣径。设外螺纹牙剪断处的牙宽为,内螺纹牙剪断处的牙宽为。,由螺柱和套筒的抗剪强度相等的条件,可以写出,式中。“。弓子别为螺柱和套筒材料的抗剪强度。因为有。联立解出缸,、,衄哺、,钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用根据相似三角形,可导出剪断处的直径为,一由上式看出,若/,则只有套筒的牙被剪断。根据套筒螺纹牙的抗剪强度和螺柱的抗拉强度相等的条件,蜂纹旋合高度可以求出需要的螺纹旋合高度。由盯代入式的和式的,得到旦三丝里旦。/,则若取。/、“。/,。/,对于标准螺纹,/由式可以看出,随/减小,/增大。直螺纹连接的变形与刚度螺纹连接中的变形与刚度的计算是个极为重要的问题。通过它才能分析工作载荷对连接件的影响、计算各连接件上的载荷及其变化幅度、确定所需预紧力的大小、了解连接松弛的后果及其影响因素,以便采取相应措旌,保证连接正常使用。钢筋螺纹连接中有受拉伸载荷,也有受压载荷,受力后相应产生拉伸变形和压缩变形。单位变形所需之力称为刚度,也称作弹簧常数。应力低于弹性投艰、材料变形处于弹性阶段时,刚度为常数,应力超过屈服点、材料变形处于屈服阶段时,刚度为变量。螺柱的变形和刚度螺柱的变形在弹性极限内螺柱的变形遵守虎克定律,即伸长量占,对于各段直径不等的螺柱,可以写成艿/式中螺柱的横截面积螺柱同一直径段的长度螺柱备等直径段的顺序号,、。有效长度被连接的螺纹钢筋在远离接头的长度范围内承受全部拉伸载荷,在螺纹旋合部分拉伸载荷呈某种规律发生变化。为了简化,假设在螺纹旋合部分应力均匀下降,应力分布如图所示。换言之,就是假设旋合长度的一半是受作用的。如图所示,螺栓的有效长度。/柚钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用式中螺柱杆部高度螺柱中未参与旋合的螺纹长度部分套筒旋合螺纹高度。图螺柱上应力沿轴向的简化分布,横截面面积对一般的等直径螺纹,螺栓的光杆部分的横截面积舢显然等于砖/,。为螺柱盔径,螺纹部分的横截面面积就是。伸长量基于上面的假设和分析,现在可用下式近似计算等直径螺柱在载荷作用下的伸长量瓯/。/。/】对于不等直径螺柱,螺柱总伸长量等于各等直径段伸长量之和。刚度计算出螺柱的伸长量后,就可以用下式计算出螺柱的刚度/瓦/。/。】由于在计算螺柱伸长量时采用了近似的假设,所以计算出的螺柱刚度是近似的。除此之外,还有下列因素影响到刚度计算的准确性尺寸的准确性、应力集中和弯曲应力。由于制造的原因,螺栓各部分尺寸的实际值与公称值总有些差异,计算时不可能采用实际尺寸,总是使用公称尺寸。各种因素应力集中将改变螺柱载荷与变形的关系。再有,若载荷和接触表面与螺柱轴线的垂直度偏差等原因引起弯曲应力,也会改变载荷与伸长量间的关系。套筒螺纹连接系统的刚度套筒螺纹连接系统是一个串联弹簧系统。该系统的刚度是/。式中。螺栓系统的刚度螺柱刚度。螺纹套筒刚度。钢筋直螺纹套简连接力学行为研究及其应用相对刚度系数螺拄的刚度与整个螺纹连接系统的刚度之比称为相对刚度系数,其计算公式如下妒/直螺纹接头的疲劳强度【】滚压直螺纹有较高的疲劳强度,因为滚压时的塑性变形能提高螺柱的疲劳寿命。在滚压螺纹时,特别是滚压螺纹牙根部分时,使牙根形成残余压应力,并改善了材料的结构。套筒结构形状对轴向载荷在旋合螺纹牙间的分布有很大影响,受拉套筒螺纹牙间的载荷分布比普通套筒均匀得多。一般认为,套筒高度超过以后,再增加套筒高度也不会使螺柱连接的疲劳强度提高,因为这时套筒第一承力螺纹圈上的载荷变化不大。疲劳极限应力幅通常,用以普通方法由光滑试件得到的极限应力图,作为螺柱的极限应力图。假若,和螺柱材料相同、且直径为螺纹沟底直径的光滑圆棒,在拉压对称循环应力下的疲劳极限为。巾考虑螺纹的缺口敏感系数、工艺强化系数、结构强化系数和尺寸系数,螺栓的疲劳极限应力幅为口。威。/盯式中工艺强化系数切削螺纹,滚压螺纹一结构强化系数标准螺柱连接,受拉螺纹套筒或带钢丝螺套螺柱连接。广一缺口敏感系数,见表尺寸系数,见表。,螺柱性能等级缺口敏感系数的关系可用螺柱材料制成的光滑试棒的对称循环疲劳极限应力。一与抗拉强度查图。雅库舍夫年针对平均应力对极限应力幅的影响进行过研究,他的实验证实,平均应力的影响不大。所以可以近似的把。一作为任何应力比下的极限应力幅,即。呜矿螺柱公称直径,尺寸系数应力幅当工作载荷在间变化时,螺柱总载荷在到】间变化,螺柱载荷变幅为钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用/由式可知,在相同的循环外载荷下,减小相对刚度系数中,螺柱的载荷变幅也将减小,即疲劳强度提高。疲劳强度计算通常平均应力对螺柱的疲劳强度基本无影响,只有应力幅决定螺柱的疲劳强度,故螺柱疲劳强度的计算公式为吒妒/砸【。式中,。许用应力幅。许用应力幅的计算公式是。邪】。式中,吒。极限应力幅,用式计算。许用应力幅安全系数。,”,一一、一一。一一,一,/口,啥金钢,浑火回火暇钢释火曼火碾铡正火图光滑试棒对称循环拉压疲劳极限应力与的关系安全系数由两部分组成,即】。】。陋】。【】。为考虑螺柱上作用力计算误差的安全系数,作用力经过实测的,取】。,否则取】。为考虑螺