拼装金属波纹涵管专用高强度螺栓的要求

      金属波纹涵管的设计过程中进行力学计算的前提假设为：不考虑波纹管的搭接头，设波纹管沿周向是均匀、连续、光滑的，然而金属波纹涵管实际施工过程中是采用片状波纹板，并利用高强螺栓连接拼装起来的，由于金属波纹涵管的设计和现场施工的这一对矛盾的存在，决定了金属波纹涵管安装施工的关键是金属波纹板材的环向连接和轴向连接的强度能否与不考虑搭接头的整体波纹涵管的强度相一致，根据金属波纹涵管的受力特性及传力特点，结合有关钢结构施工技术规范，分析钢波纹管涵螺栓设计要点为：
　　(1)螺栓的预紧力；
　　(2)螺栓的选型；
　　(3)螺栓孔的分布(孔径大小、孔间距、边距值、孔位置的布列)；
　　以上三方面是确保拼装后的钢波纹涵管与设计的钢质波纹涵管的整体受力特性及整体刚度相一致的关键。
　　2.1螺栓预紧力的工作原理
　　根据前苏联E.и.别列尼亚主编的《金属结构》1988年8月第一版关于高强螺栓工作原理的描述表明：“高强螺栓达到很大的预紧力，将连接构件紧密拉牢，保证连接成为整体，当这样的连接作用剪力时，被连接件间产生摩擦力，阻止这些构件彼此间相对剪移。这样，高强螺栓本身受轴向拉力，能保证靠被连接件之间的摩擦力传递剪力。”结合螺栓连接的工作过程原理：“第一阶段，当被连接构件的摩擦力尚未被克服时，螺栓本身不受剪力而仅受拉力，整个连接弹性工作，用高强螺栓的耐剪连接就是这样工作。外剪力增大，内摩擦力被克服，并进入第二阶段，即整个连接剪移了由孔表面到螺栓杆之间的缝隙量。第三阶段，剪切基本上靠孔表面对螺栓杆压力来传递；螺栓杆及孔边逐渐挤压；螺栓弯曲、受拉，因为螺栓头和螺帽阻碍螺杆自由弯曲。渐渐连接的紧密性破坏，摩擦力减小，连接进入第四工作阶段，即弹塑性阶段。连接因螺栓剪切、被连接件之一挤压和穿破或者螺栓头拉掉而破坏”。
　　因此，金属波纹涵管在拼装过程中高强螺栓的预紧力是高强螺栓靠摩擦力传递剪力的根本保证，只有高强螺栓达到足够的预紧力，才能使得被连接件(波纹板)产生足够大的摩擦力满足波纹管在荷载作用下产生的剪力的要求。如果摩擦力过小，则被连接件的摩擦力被克服，高强螺栓迅速进入第二、三、四工作阶段，使得螺栓或被连接件(波纹板)受损破坏。
　　2.2螺栓预紧力的理论依据
　　由于柔性涵洞管与地基之间的相互作用十分复杂，目前虽然已有考虑到地基塑性变形、极限平衡的计算理论，但涉及到的土体参数较多、计算复杂，不便于工程应用。因此，可以从工程设计的角度用有限元分析的方法根据钢质波纹涵管参数(管道形状、几何尺寸、截面几何形状、弹性模量、泊松比、管顶至路面的距离)、土体参数(容重、弹性模量、内摩擦角)、车辆荷载参数(设计荷载、验算荷载、荷载分布角)等，将波纹管采用壳体单元，土体采用实体单元，选取半个波纹按对称条件，利用美国MacNeal-Schwendler公司的大型商用有限元计算程序NASTRAN计算出钢质波纹管的各项应力：
　　①、波峰应力σf
　　②、波谷应力σg
　　③、剪应力τ
　　根据波峰、波谷应力可以计算出钢质波纹管的：
　　①、薄膜应力σn=(of+σg)/2
　　②、弯曲应力σw=(σf-σg)/2
　　根据钢质波纹管的薄膜应力(σn)和剪应力(τ)可以计算出螺栓的剪力Q：
　　①、环向正压力=N=σn×A
　　②、横剪力=Qh=×A
　　③、合剪力Q=(N+Qh)1/2
　　其中----A为高强螺栓的与构件的接触面面积
　　2.3螺栓预紧力的计算
　　根据《德国钢结构委员会标准010》1974年1月版关于高强螺栓摩擦连接(GV连接)的计算方法：在摩擦连接中，当螺栓孔的间隙为lmm时，每根螺栓的预拉力：
　　Pv=υ×NGV/μ
　　式中Pv--------表示每根螺栓的预拉力；
　　υ---------表示抗滑安全系数；
　　μ---------表示接触面的摩擦系数；
　　NGV-------表示一根螺栓一个摩擦面的剪力，等于螺栓的合剪力Q
　　因此，波纹涵管拼装过程中的螺栓的预紧力：
　　P=υ×Q/μ
　　其中υ、μ可以根据实际情况查表，Q为有限元分析计算结果，将有关数值带人上式就可以计算出施工中需要达到的预紧力(P)。
　　2.4螺栓的选型
　　根据实际施工中需要的预紧力，可以参照下表(引用《钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程》)选用合适的高强螺栓应用于工程施工。
　　表1每个高强螺栓的预拉力P(kN)
　　
　　2.5螺栓孔的分布设计
　　根据钢波纹涵管施工工艺及结构特性，金属波纹管涵施工属于钢结构施工的一种，钢质波纹管施工应该根据设计要求、钢结构施工规范等进行施工，并必须达到钢结构施工的验收标准。
　　2.5.1孔径大小
　　根据预紧力的要求选用的螺栓可以参照《钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程》中的高强螺栓孔径选配表选择适当的孔径，以满足工程施工的规范要求；
　　表2高强度螺栓孔径选配表(引用《钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程》)
　　
　　注：承压型连接中高强螺栓孔径可按表中值减小0.5-1.1mm。
　　2.5.2孔间距及边距值
　　根据《钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程》要求，波纹板螺栓孔的孔间距及边距值可以参照下表确定适当的参数，以满足工程施工的规范要求；
　　表3高强度螺栓的孔距和边距值(引用《钢结构高强螺栓连接的设计。施工及验收规程》)
　　
　　注：1)d0为高强度螺栓的孔径，t为外层较薄板件的厚度；
　　2)钢板边缘与刚性构件相连的高强度螺栓的最大间距，可按中间排数值采用；
　　2.5.3孔位置的布列
　　根据苏联E.и.别列尼亚主编的《金属结构))1988年8月第一版以及《建筑施工手册))1977年4月第三版关于螺栓的分布原理分析和结论，构件连接的螺栓分布宜采用并列或错列。