Hollo-Bolt单向螺栓套管肢断裂原因分析

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(同济大学 机械与能源工程学院, 上海 201804)

Hollo-Bolt单向螺栓套管肢断裂原因分析

简小刚,谢学兴,潘彩芳,王鲁磊

(同济大学 机械与能源工程学院, 上海 201804)

Hollo-Bolt进口单向螺栓在预制件装配式施工中容易发生套管肢剪切破坏失效的问题。采用化学成分分析、硬度测试、金相检验、扫描电镜观察及中性盐雾试验等方法，分析了Hollo-Bolt在承载试验过程中失效的原因。结果表明：Hollo-Bolt带狭槽套管的选材较软，且缺乏合理的热处理工艺，其表面的镀锌防锈处理效果也不够理想，使其强度降低，导致套管肢发生剪切破坏。最后据此提出了优化方案。

Hollo-Bolt单向螺栓; 剪切破坏; 选材; 热处理; 防锈处理

钢结构摩擦型高强螺栓连接副广泛应用于工业厂房、高层民用建筑及重型机械等领域。就目前普遍使用的高强螺栓连接副而言，工作人员需要同时在两侧作业，不能满足一些特殊场合的紧固需求。比如建筑领域的方钢管柱和H型钢梁端板连接时，由于钢管柱为封闭截面，无法实现双面同时作业，只能进行单侧连接安装[1]，然而目前国内并无该类成熟的单向锁紧紧固件产品。英国Lindapter International公司研发生产的Hollo-Bolt为专门针对该类场合的具有单向安装功能的紧固件。其市场售价较高，这使其在我国的推广使用受到限制。因此有必要对该产品进行试验分析，为自主研发同类产品积累参考经验。

图1 承载破坏失效的Hollo-Bolt外观Fig.1 Appearance of the failure Hollo-Bolt after bearing damage

Hollo-Bolt进口单向螺栓在预制件装配式施工中容易发生套管肢剪切破坏失效。徐婷等[2]Hollo-Bolt螺栓进行拉伸试验发现：当其抗拉承载力介于高强度螺栓拉断承载力上下限值之间时，由套管肢撑开形成的垫片就遭到了剪切破坏，从而使整个连接副失效。针对该问题，笔者对承载拉伸试验中失效的Hollo-Bolt螺栓套管肢(图1)进行了一系列理化检验及失效分析，寻找套管肢的断裂原因并据此提出优化方案，为相关研究与应用提供参考。

1 Hollo-Bolt螺栓单向紧固原理

根据所提供的预拉力不同，Hollo-Bolt螺栓的组成部件有所差异。文中分析的是能提供3倍预拉力的Hollo-Bolt螺栓，其由5个部件组成，即8.8级的全螺纹螺杆、锥形螺母、垫圈、橡胶圈和带狭槽的套管，见图2。图3为Hollo-Bolt螺栓安装前后示意图，其紧固原理为：通过旋转六角螺栓头，使得锥形螺母向带狭槽的套管方向旋进，逐渐撑开带狭槽的套管，最终使套管各分支紧靠在内侧螺栓孔壁上，形成“特制垫片”，起到紧固连接的功效。由其紧固原理不难发现，带狭槽套管的材料性能对整个连接副起着至关重要的作用。

图2 Hollo-Bolt组成部件示意图Fig.2 Schematic diagram of Hollo-Bolt components

图3 Hollo-Bolt安装前后示意图Fig.3 Schematic diagram of Hollo-Bolt before and after installation

2 理化检验

2.1化学成分分析

对图1圆圈所示套管肢试样表面进行打磨后，利用斯派克直读式光谱仪对套管肢化学成分进行分析，结果如表1所示。可见其化学成分和国内Q235钢的相当，为碳含量较低的碳素钢，但硫元素含量较高，超过我国低碳钢技术标准GB/T 700-2006[3]的要求。硫元素在一定程度上可改善钢材的机加工

表1 套管肢化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Analysis results of chemical compositionsof the sleeve limbs (mass fraction) %

性能，但同时会弱化晶界，因此我国钢材技术标准一般要求将硫含量控制在0.035%(质量分数)以下。

2.2硬度测试

使用显微维氏硬度计对套管肢试样表面进行硬度测试，套管肢表面的平均硬度仅为174 HV0.1(166 HB)。结果表明，该套管可能未进行过任何热处理，其硬度接近我国原材料供货状态的硬度180 HB。据此推测，该套管可能是由供货状态未经合适热处理的材料直接加工而成。

2.3金相检验

使用电火花数控线切割机床对图1圆圈中另一块套管肢试块进行切割取样，取样尺寸为10 mm(长)×10 mm(宽)×5 mm(厚)。使用XQ-1型金相试样镶嵌机对小试块进行镶嵌，再用不同级别的金相砂纸从粗到细进行端面磨制，经抛光及4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后，使用日本OLYMPUS金相显微镜观察试样的显微组织并采集照片。

图4 套管肢的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of the sleeve limbs

图4为Hollo-Bolt螺栓套管肢试块的显微组织形貌，可见其显微组织主要由大量块状铁素体和少量珠光体组成，放大500倍下晶界分明。结合硬度测试结果，可进一步验证套管肢材料为含碳量较低的碳素钢，且未进行过任何热处理，为供货状态的热轧态组织结构。

2.4扫描电镜观察

利用JEOL扫描电子显微镜对Hollo-Bolt套管肢断口进行了观察，结果如图5所示。图5为套管肢狭槽边缘起裂位置形貌，表明套管肢在承载力的作用下，产生了非常明显的撕裂型单向滑移。图6为套管肢断面中心位置形貌，可见心部在瞬间断裂过程中形成少量的韧窝特征。扫描电镜观察结果进一步证明套管肢材料的塑性较好，强度不足。

图5 套管肢狭槽起裂位置形貌Fig.5 Morphology of the crack initiation position of the slotted sleeve:a) at low magnification; b) at high magnification

图6 套管肢断口微观形貌Fig.6 Micro morphology of the fracture surface of the sleeve limbs

2.5中性盐雾试验

使用砂轮切割机，对图1中未断裂的两片套管肢(表面镀层保存较好)进行切割取样，使用FQY010A盐浴腐蚀试验箱对试样进行中性盐雾试验。试验条件为：试验温度35 ℃；盐水类型为5%(质量分数)氯化钠溶液；沉降速率为1～2 mL·(80 cm-2)·h-1；依据标准为GB/T 10125-2012和GB/T 6461-2002。试验进行了23 h后，试样表面就出现了白锈，见图7。试验结果表明，Hollo-Bolt螺栓表面镀锌层的防腐蚀性能效果较差，远没有达到正常镀锌件的防腐蚀性能。加上套管肢表面的镀锌层很容易在螺栓孔内壁的剪切力作用下被破坏殆尽，因此其实际的防腐蚀性能可能更差。

图7 中性盐雾试验前后Hollo-Bolt形貌Fig.7 Morphology of Hollo-Bolts before and after the neutral salt spray test:a) before the test; b) after the test

3 分析与讨论

由以上理化检验结果可知：Hollo-Bolt的设计存在一定的缺陷，尤其在套管肢的选材和热处理工艺方面严重欠缺，不能满足我国预制式装配件结构梁的安装需求；具体表现为螺栓选材较差，且未进行过任何热处理，综合力学性能较差，表面镀锌处理质量不佳，防腐蚀性能较差。由Hollo-Bolt的安装紧固原理可知，当螺栓开始施加预紧力时，板件上预先开好的螺栓内孔壁边角处就开始对套管肢撑开形成的“垫片”进行剪切作用，随着施加力的增强，该剪切作用逐步加强。此时螺栓内孔壁边角处与套管呈线接触状态，按照我国摩擦型高强度螺栓的试验标准，M24 mm的8.8级螺栓预拉力设计值需达到175 kN以上[4]，而此时套管与螺栓内孔壁边角处接触的压力非常大。套圈没有一定的强度设计，其抵抗变形的能力就远不能满足螺栓内孔壁边角对它的剪切作用。在内侧螺栓孔壁持续的剪切力作用下，套管肢撑开形成垫片，表面先产生了塑性滑移，随后因强度严重不足，在狭槽折弯处开始萌生裂纹，进而断裂失效。与此同时，与内侧螺栓孔壁接触的表面镀锌层也在剪切过程中因材料塑性滑移而被破坏殆尽，此处镀锌层的防锈功能已消失。这样的产品不仅无法二次使用，连一次使用都存在极大的安全隐患。因此，如若不改变现有的结构模式，则应更换套管材料，可选用中碳钢，整体进行调质处理，以增强其整体综合力学性能；再配合表面热处理技术增加套管的表面硬度，提高其耐磨性；与此同时，选用合适的表面防锈镀锌处理工艺以提升其力学稳定性[5-6]。

4 结论及建议

Hollo-Bolt单向螺栓带狭槽套管肢的选材较软，热处理工艺和表面镀锌防锈处理工艺严重欠缺，套管整体综合力学性能和防腐蚀性能较差，从而导致套管容易发生剪切破坏，不能满足我国预制式装配件结构梁的安装需求。

在实际使用中，可选用中碳钢作为套管肢的材料，整体进行调质处理，以增强其综合力学性能；配合表面热处理技术增加套管的表面硬度，提高其耐磨性；再选用合适的表面防锈镀锌处理工艺，以提升其力学稳定性。

[1] 简小刚,朱能炯,王伟,等.一种嵌套式单边螺栓紧固件:CN103541982 A.2014.01.29[P]. 2014-01-29.

[2] 徐婷,王伟,陈以一.单边螺栓连接性能试验报告(TJSLS-2015-03)[R].上海：同济大学，2015.

[3] GB/T 700-2006 碳素结构钢[S].

[4] JGJ 82-2011 钢结构高强度螺栓连接技术规程[S].

[5] 王挺,李振华.镀锌螺钉断裂分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(9):668-670.

[6] 杨晓,陈政龙,潘恒沛,等.40Cr钢紧固螺栓断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2016,52(12):903-905.

AnalysisonFractureReasonsofSleeveLimbsofHollo-BoltOne-WayBolts

JIANXiaogang,XIEXuexing,PANCaifang,WANGLulei

(College of Mechanic and Energy, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Imported Hollo-Bolt one-way bolts were prone to shearing failure on position of the sleeve limbs during the prefabricated assembly construction. By means of chemical composition analysis, hardness testing, metallographic inspection, scanning electron microscopy observation and neutral salt spray test for the failure Hollo-Bolts, the reasons for failure during bearing test were analyzed. The results show that: the material of slotted sleeves of Hollo-Bolts was relatively soft and lack of reasonable heat treatment process, and the effect of galvanized anti-rust surface treatment was not ideal; as a result of it, the strength of the sleeves reduced, which led to the shear failure of sleeve limbs. Finally,the optimization proposals were put forward according to the reasons.

Hollo-Bolt one-way bolt; shearing failure; material selection; heat treatment; anti-rust treatment

10.11973/lhjy-wl201709015

2016-11-28

简小刚(1975-),男,副教授,博士,主要从事疲劳损伤与寿命设计等方面工作

谢学兴(1983-),男，工程师，硕士，主要从事热处理感应淬火技术及机加工方面的工作,tianyi665650@163.com

TG115.2

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：1001-4012(2017)09-0679-04