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什么是单向连接螺栓?



单向螺栓出现的缘起



    H形钢截面在两个主轴方向刚度相差较大,存在弱轴,用作柱子不经济。冷弯矩形方管截面模量较大,同时两个主轴方向刚度相同,采用RHS柱不仅可以减少用钢量,而且便于构建美观的室内环境,因此更适合于作为框架柱。


对于H形梁与方钢管柱之间的螺栓连接,由于方钢管柱是一个封闭截面,普通的高强螺栓无法直接使用,螺栓必须是特制的螺栓,这种螺栓可以实现单边锁紧(单向螺栓)。



单向螺栓的种类



    英国Lindapter International公司的Hollo-Bolt、根据Hollo-Bolt改进而成的RMH螺栓、英国Blind Bolt公司的Blind Bolt螺栓、美国LNA Solutions公司的BoxBolt、Huck International公司的BOM、HSBB和Ultra-Twist螺栓、澳大利亚Ajax Engineered Fasteners公司的ONESIDE Fastener螺栓、荷兰Flowdrill B V公司的Flowdrill技术等等。下面对其进行简单的介绍:


我也曾经介绍过单边螺栓(详见轻钢笔记《盲孔螺栓/单边螺栓》),不过内容比起这篇文章,还有有差距的,我那个文章里有视频,我觉得加到这里很棒~~~






Hollo-Bolt螺栓




Hollo-Bolt

    安装时,首先将锥形锁紧螺母一侧放入螺栓孔,随后使用扳手夹紧钢垫圈,最后将扭矩扳手固定在六角形螺栓头上拧紧直至达到产品建议的扭矩值,即安装完成。

Hollo-Bolt安装过程




RMH螺栓



    MH(Reverse Mechanism Hollo-bolt)螺栓由Hollo-bolt改进而来,RMH螺栓由3个部件组成包括全螺纹螺杆、带垫圈的低碳钢锥形栓(Mild Steel Tapered Plug,其靠近套管一端呈锥形)以及攻螺纹、带狭槽的低碳钢套筒。

RMH

    与Hollo-bolt相比,RMH螺栓的特点在于将带狭槽的套筒的撑开方向反转,撑开后套筒各分肢端部直接作用于连接板上。RMH螺栓的安装方法和紧固原理均与Hollo-bolt类似。在旋转螺栓头施拧过程中,套筒向锥形栓方向旋进,使带狭槽一端沿着锥面逐渐张开各分肢,最终夹紧连接板,安装完成图


RMH安装完成图




Blind Bolt单边螺栓



特点1:螺栓构造

       Blind Bolt单边螺栓的关键组件是固定栓,如下图所示,螺杆下部中间开孔,孔中固定了一个可以绕转的固定栓,在从一边通过螺栓孔时,固定栓旋转至与螺杆方向平行,通过螺栓孔后,将固定栓旋转90度,将可以在另外一边固定,最后完成连接。


Blind Bolt 单边螺栓构成示意图

Blind Bolt 单边螺栓产品实物图

特点2:螺栓安装

       Blind Bolt单边螺栓的安装较为简单,如下图所示,为螺栓的安装步骤。

       步骤1:将Blind Bolt穿过要安装的螺栓孔,使得螺杆头部的指示标志处于正确位置;

       步骤2:将Blind Bolt旋转190度,释放固定栓,可借助指示标志来完成释放;

       步骤3:用螺丝刀保持螺杆不发生转动(否则固定栓将可能转动),使用扳手将螺栓固定。


指示标志的正确位置

Blind Bolt单边螺栓的安装示意图





ONESIDE单边螺栓



    ONESIDE单边螺栓是单边螺栓中与一般高强螺栓构造最为接近的螺栓

       特点1:螺栓构造

       ONESIDE单边螺栓的关键技术在于可折叠垫片,它可以从单边穿过螺栓孔后再张开成正常垫片,形成与一般高强度螺栓相同的构造。

       特点2:螺栓安装

       因为可折叠垫片的存在,ONESIDE单边螺栓在安装后可调整、可再紧、可重复使用。因为其可折叠垫片的特殊构造,在安装的时候需要使用配套的安装工具,螺栓具体的安装步骤如下图所示。


A 安装工具  B 螺杆  C 可折叠垫片 D 垫片 E 螺母

ONESIDE 单边螺栓构成图

 ONESIDE单边螺栓的安装步骤




Flowdrill技术



    荷兰学者Hoogenboom(1984)发明了一种可在薄钢板上钻孔并局部加厚孔边板材的钻头,称Flowdrill。该钻头的提出使得在金属薄板上加工出带螺纹螺栓孔称为可能,从而实现了传统全螺纹高强度螺栓在金属薄板连接中的单侧拧紧功能。

Flowdrill钻头

        下图为Flowdrill加工工艺流程。首先,高速转动的钨碳合金钻头逐渐接触刚管壁,由于钻头与管壁摩擦产生足够软化柱壁的热量,使钻头可以向管内推进并最终贯穿柱壁。在此过程中,熔融金属塑性流动,在管壁内侧形成衬套,局部加厚了螺栓孔附近的钢板。随后,当钻头撤离时,钢板外侧产生的多余的翻边会被钻头上的刀具切除,使方管柱外表面仍然平整光滑。最后,在衬套上攻出冷成型螺纹。

        Flowdrill技术适用于板厚小于12.5mm的钢板,更厚的钢板则可采用更为经济的普通钻孔攻螺纹的方法。


Flowdrill加工工艺流程




Ultra Twist 单边螺栓



    Ultra Twist由Alcoa(美铝)的子公司美国HUCK INTERNATIONAL, INC.公司和日本的DaiwaHouse(日本大和房建)公司联合研制。

       特点1:螺栓构造

       Ultra Twist单边螺栓的关键组件是变形套管,穿过螺栓孔后,经过挤压横截面积变大,形成卡口。下图是其组成示意图。

Ultra Twist单边螺栓的具体安装步骤见下图:

       步骤1           步骤2             步骤3            步骤4

Ultra Twist单边螺栓安装示意图




国产单向螺栓的出现



    在2010年后,国产单向螺栓慢慢开始出现,在此介绍一款小编参与研发改进的自锁式单向螺栓。

国产自锁式单向螺栓是参考英国产品Hollo-bolt研制开发而成,取名STUCK-BOM,产品型号为10.9-SB16-1意为:10.9级的,螺杆尺寸为M16的STUCK-BOM 1型单向螺栓。

钢结构用国产自锁式单向螺栓由5个部件组成,如下图所示,包括锥头、套筒、橡胶垫圈、钢垫圈、标准螺杆5个部件。按图示顺序拼装单向螺栓即可成型,拼装时要保证锥头已经与套筒卡紧。


1-锥头;2-套筒;3-橡胶垫圈;4-钢垫圈;5-标准螺杆

钢结构用国产自锁式单向螺栓组成部件




和英国的Hollo-bolt很像?



可以参考下图:




为何研发此种单向螺栓?



连接节点美观,施工速度快,产品可更换,螺栓质量可靠,性能稳定。

美观

使用面广,具体可用于但不限于下面几种地方:

幕墙

管状结构与管状结构直接连接

骨架外墙与主体结构的管状构件连接

    国产单向螺栓的相比英国Hollo-bolt有以下几个特点:更低,更快,更强,更多




更低:



       价格只有英国产品的一半,还不算关税等一系列的运输费用。



更快



    他们是用扭矩扳手来拧的,谁拧谁知道,没点体力根本搞不定。

Hollo-bolt的安装-扭矩扳手

    当初小编前期做实验的时候真是累死人,一个节点这么多螺栓一拧一下午,谁拧谁知道。

    小编发挥自己的聪明才智,去北京东路买个转换头,直接电动的,五秒一个。知识的力量是无穷的。

电动拧单向螺栓




更强



     此乃真技术核心,英国单向螺栓只能与国产高强螺栓8.8级的螺杆做到等强,通过后期研发、试验、有限元模拟,对原有产品不断改进,目前单向螺栓的套筒承载力完全强于国产高强螺栓10.9级的螺杆,即做到了螺栓的抗拉是有螺杆强度控制。

有限元计算我们是专业的

试验构件的冰山一角




更多



    原产品单向螺栓的最大使用长度为32mm,即只能连接两块钢板厚度不超过32mm的构件,目前国产高强螺栓能够连接超过80mm厚的钢板总厚度,总类多出很多,适用性更强。

单向螺栓适用长度

超长的单向螺栓



小结:单向螺栓的出现解决了矩形方钢管的螺栓端板连接问题,使得封闭式的管状结构也可使用螺栓连接。其不仅仅解决的是梁柱节点连接,在建筑主体结构、玻璃幕墙和屋顶、楼梯和扶手、阳台和雨棚、建筑外墙和维护结构 本文主要介绍下国产单向螺栓的出现,在下篇中将给大家带来关于此种连接更加详细的性能指标,也欢迎有兴趣的同仁留言探讨。


[1]许炎彬,李国强,张龙. 单边紧固螺栓: 中国,201210435247. 7[P]. 2012 - 11 - 05.

[2]李国强,张杰华. 8. 8 级钢结构用自锁式单向螺栓承载力性能研究[J].上海: 同济大学,2015.

[3] 李国强,张杰华. 10. 9 级钢结构用自锁式单向螺栓承载力性能研究[J]. 上海: 同济大学学报,2016.

[4] 李国强;段炼;陆烨;张龙;蒋蕴涵  H型钢梁与矩形钢管柱平齐端板单向螺栓节点承载力性能[J]. 上海: 同济大学学报,2018.

[5] 李国强,段炼,陆烨,张龙 H型钢梁与矩形钢管柱外伸式端板单向螺栓连接节点承载力试验与理论研究[D]建筑结构学报.

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作者: ganggouren

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