一种高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓及使用方法与流程

一种高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓及使用方法
1.技术领域
2.本发明涉及一种高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓及使用方法，属于土木工程及机械连接紧固技术领域。


背景技术：

3.目前，在土木建筑以及机械安装领域，对于结构件连接紧固的安装需求量非常巨大；就当前来看，传统的螺栓实施连接紧固作业时，工作人员需要从被连接件的两侧进行作业，即从螺栓孔的一侧插入带螺帽的螺栓，然后在另外一侧用工具将螺母拧紧。上述连接紧固方法构造简单、操作方便、承载力好，但局限适用于开口截面构件的连接，对于另外一侧操作空间有限的情况进行连接紧固时，就无法使用这种常用的螺栓螺母连接紧固的方法。例如，在钢管结构（方钢管和圆钢管）及钢管混凝土结构中，常常涉及到柱柱拼接、管桁架加固、梁柱节点装配连接等安装场景，由于钢管截面为闭口截面，不能同时在两边进行操作，只能在单侧进行操作连接安装，因此无法采用传统的螺栓螺母进行连接紧固。
4.而目前国内外针对钢结构的单边连接螺栓的装置较少，且具有操作复杂、安装工具少、承载力不足等缺点，因此亟需一种新型的螺栓，可以实现单边自紧。


技术实现要素：

5.本发明提供一种高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓及使用方法，可简单、快速地实现单边紧固作业，且预紧力与承载力能满足钢结构设计标准中连接紧固的要求。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓，包括螺栓本体，在螺栓本体的螺栓杆上套设螺纹套筒，螺纹套筒与螺栓杆的螺纹啮合；螺栓杆的两端分别为螺栓头和梅花头，螺栓头凸出螺栓杆，靠近梅花头的螺栓杆上通过螺纹安装螺母，在螺栓杆上由螺栓头至梅花头方向顺次套设第一套筒、第二套筒、第三套筒以及承剪垫圈，在第一套筒内部圆周壁上开设环状圆弧凹槽；螺纹套筒位于第三套筒内，当螺栓本体的梅花头受到轴向力作用时，环状圆弧凹槽向外部发生鼓曲变形，螺纹套筒相对第三套筒可发生位置偏移，同时螺纹套筒以及第三套筒对承剪垫圈施加压力，第三套筒进入承剪垫圈内腔；作为本发明的进一步优选，第一套筒与螺栓头相邻的一端端面紧贴螺栓头凸出部分，第一套筒的另一端端面与第二套筒的一端端面贴合；在第二套筒的另一端开口处设置套筒台阶，第三套筒的一端通过套筒台阶与第二套筒的另一端咬合，且第三套筒的内径大于第二套筒的内径；螺纹套筒的外径与第三套筒的内径相等，且螺纹套筒的一端端面与第二套筒的另一端端面贴合；
作为本发明的进一步优选，第三套筒的内径等于第二套筒套筒台阶的外径；作为本发明的进一步优选，承剪垫圈内腔为一个空腔，在承剪垫圈的一端设置台座，台座抵住第三套筒的另一端，螺纹套筒以及第三套筒对承剪垫圈施加压力时可剪断台座，以使第三套筒进入承剪垫圈内腔；作为本发明的进一步优选，承剪垫圈设置台座的一端还开设凹槽，第三套筒的另一端嵌入凹槽与台座相抵，凹槽内还设置第一垫圈台阶；在承剪垫圈的另一端设置第二垫圈台阶；作为本发明的进一步优选，承剪垫圈的另一端与螺母之间设置垫片；作为本发明的进一步优选，第一套筒的长度均大于第二套筒、第三套筒的长度；第二套筒与第三套筒的长度之和与构件厚度匹配；作为本发明的进一步优选，螺纹套筒的宽度大于或者等于螺纹距离的两倍；作为本发明的进一步优选，第一套筒选用屈服强度范围为200mpa
‑
300mpa的材料，且其延伸率至少为40%；第二套筒、第三套筒均选用屈服强度大于900mpa的材料制作；根据所述的高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓的使用方法，具体包括以下步骤：第一步，选择需要紧固的第一构件和第二构件，第一构件为闭口截面，近第二构件一端面可操作；第二步，将螺栓本体的螺栓头、第一套筒、第二套筒、第三套筒、螺纹套筒、承剪垫圈、垫圈、螺母依次进行组装，将组装完毕的螺栓本体伸入第一构件、第二构件的螺栓孔中，承剪垫圈的一端端面紧贴第二构件外侧壁，实现准确定位；第三步，将螺栓本体的梅花头、螺母分别插入扭剪型电动扳手的内套筒、外套筒，启动扭剪型电动扳手，内套筒旋转，对螺栓本体进行拧紧；第三步，位于第一套筒内部圆周壁上的环状圆弧凹槽在轴向力的作用下发生变形，并挤压第二套筒，环状圆弧凹槽向外侧发生鼓曲变形形成扩大头，此时螺纹套筒在第三套筒内向承剪垫圈方向移动，直至螺纹套筒的另一端经过凹槽与承剪垫圈的台座接触；第四步，扭剪型电动扳手继续启动，螺纹套筒以及第三套筒挤压承剪垫圈的台座，将台座剪断，此时第三套筒在承剪垫圈的空腔内自由移动，将外套筒的轴向力进行释放；第五步，继续启动扭剪型电动扳手，扩大头与第一构件内壁逐渐接触，梅花头剪断，此时螺栓本体的预紧力全部传递至第一构件以及第二构件上，安装完毕。
7.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的自紧螺栓只需在一侧进行安装，实现了单边作业，适用于钢结构的节点连接，尤其是闭口截面钢管混凝土；2、本发明提供的结构包含顺次拼接的一套筒、第二套筒、第三套筒以及承剪垫圈，可根据被紧固构件的总厚度进行调整，可适用于不同型号的钢板连接；3、本发明提供的结构包含螺纹套筒，其与其他部件配合使用，控制在成形阶段压缩量的大小，提高了锚固头的稳定性；4、本发明提供的结构使用方法对被连接构件螺栓孔大小要求较小，未对连接件强度造成较大削弱。
附图说明
8.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
9.图1是本发明提供的整体结构示意图；图2是本发明提供的螺栓杆结构示意图；图3是本发明提供的第一套筒结构示意图；图4是本发明提供的第二套筒结构示意图；图5是本发明提供的第三套筒结构示意图；图6是本发明提供的螺纹套筒结构示意图；图7是本发明提供的承剪垫圈结构示意图；图8是本发明提供的优选实施例的结构示意图；图9是本发明提供的优选实施例实施时第一套筒变形的结构示意图；图10是本发明提供的优选实施例实施时承剪垫圈的台座剪断后示意图；图11是本发明提供的优选实施例实施完成紧固工作后梅花头剪断的示意图。
10.图中：1为螺栓杆，1
‑
1为螺栓头，1
‑
2为梅花头，2为第一套筒，2
‑
1为环状圆弧凹槽，3为第二套筒，3
‑
1为套筒台阶，4为第三套筒，5为螺纹套筒，5
‑
1为螺纹套筒的内侧有与螺栓杆螺纹相匹配的螺纹，6为承剪垫圈，6
‑
1为第一垫圈台阶，6
‑
2为台座，6
‑
3为空腔，6
‑
4为第二垫圈台阶，7为垫片，8为螺母，9为第一构件，10为第二构件，11为扩大头，13为内套筒，14为外套筒,15为与第一构件内壁逐渐接触的扩大头。
具体实施方式
11.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
12.现有技术中，钢管截面大多为闭口截面，因此在进行安装时无法两边同时进行操作，本技术即是为了克服此问题，提供了一种新型的螺栓，在单侧进行操作实现连接安装。
13.图1是本技术提供的高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓，包括螺栓本体，其包括螺栓杆1，图2所示，在螺栓杆的两端分别连接螺栓头1
‑
1、梅花头1
‑
2，从图中可以看到还有以下几个部件：螺纹套筒5、第一套筒2、第二套筒3、第三套筒4以及承剪垫圈6，以上部件之间的连接关系是，螺栓杆上套设螺纹套筒，螺纹套筒与螺栓杆的螺纹啮合，螺栓头凸出螺栓杆，靠近梅花头的螺栓杆上通过螺纹安装螺母8，在螺栓杆上由螺栓头至梅花头方向顺次套设第一套筒、第二套筒、第三套筒以及承剪垫圈，在第一套筒内部圆周壁上开设环状圆弧凹槽2
‑
1，螺纹套筒位于第三套筒内；在本技术中有两个重要的创新点，一个是图3所示的第一套筒内部圆周壁上开设的环状圆弧凹槽，一个是螺纹套筒位于第三套筒内，且螺纹套筒相对第三套筒可发生位置偏移；这两个创新点与本技术其他部件相互匹配作用，即当螺栓本体的梅花头受到轴向力作用时，环状圆弧凹槽向外部发生鼓曲变形，接着螺纹套筒以及第三套筒对承剪垫圈施加
压力，第三套筒进入承剪垫圈内腔，螺纹套筒控制第一套筒的扩大头11在成形阶段压缩量的大小，从而提高锚固头的稳定性，同时第三套筒进入承剪垫圈内腔，实现外套筒14轴向力的释放，并将预紧力全部传递至被连接构件上。
14.现针对上述部件进行具体阐述，第一套筒与螺栓头相邻的一端端面紧贴螺栓头凸出部分，第一套筒的另一端端面与第二套筒的一端端面贴合；图4所示，在第二套筒的另一端开口处设置套筒台阶3
‑
1，图5所示第三套筒的一端通过套筒台阶与第二套筒的另一端咬合，且第三套筒的内径大于第二套筒的内径，通过套筒台阶控制第三套筒的位置可以增强整个结构的抗剪承载力，优选实施例中第三套筒的内径等于第二套筒套筒台阶的外径；螺纹套筒的外径与第三套筒的内径相等，且螺纹套筒的一端端面与第二套筒的另一端端面贴合，螺纹套筒的内侧有与螺栓杆螺纹相匹配的螺纹5
‑
1，为了减小螺纹套筒与第三套筒之间的摩擦，可以在螺纹套筒与第三套筒的接触面涂设二硫化钼润滑剂。图6所示即为螺纹套筒的结构示意图，与第一套筒、第二套筒以及第三套筒对比发现，螺纹套筒宽度较小，一般的我们限定螺纹套筒的最小宽度为2倍的螺纹距离，若小于这个宽度，即会影响螺纹套筒在向承剪垫圈施加预应力时力不足，螺纹套筒的最大宽度也并不会超过第三套筒的长度，可以满足螺纹套筒在第三套筒内位移滑移，满足对承剪垫圈施加的预应力。图7是承剪垫圈的结构示意图，承剪垫圈内腔为一个空腔6
‑
3，在承剪垫圈的一端设置台座6
‑
2，剪垫圈设置台座的一端还开设凹槽，第三套筒的另一端嵌入凹槽与台座相抵，螺纹套筒以及第三套筒对承剪垫圈施加压力时可剪断台座，以使第三套筒进入承剪垫圈内腔；台座设置的目的是在第一套筒形成扩大头阶段提供压力，且在扩大头成形结束时在螺纹套筒以及第三套筒的共同作用下剪断，凹槽的设置是方便台座被剪断后承剪垫圈的空腔的内径满足第三套筒的自由通过，当第三套筒在空腔内自由移动后，那么在安装固定时第二套筒、第三套筒内力得到释放。通过承剪垫圈的设置，使得整个结构的预紧力可达到钢结构涉及标准要求的大小。
15.图7关于承剪垫圈的放大结构可以看出，凹槽内还设置第一垫圈台阶6
‑
1，在承剪垫圈的另一端设置第二垫圈台阶6
‑
4，第一垫圈台阶的设置是为了控制承剪垫圈的位置，台座给第三套筒提供支撑，保证剪切机制的完成，第二垫圈台阶的设置为第三套筒在空腔内的滑移提供限制。
16.从图8的实施例中可以看出，第一套筒的长度均大于第二套筒、第三套筒的长度，这是因为第一套筒在锚固形成过程中，最先承受轴向力，若第一套筒的长度不够长，会在锚固过程中出现强度不足的现象，当然第一套筒的长度在制作时依据螺栓本体的预紧力，预紧力越大，第一套筒的长度越长；第二套筒与第三套筒的长度之和与构件厚度有关，如图8所示的实施例可以看出，第二套筒与第三套筒的长度之和与第一构件9、第二构件10的螺栓孔宽度相近。
17.优选实施例还有以下细节，如为了缓冲压力，承剪垫圈的另一端与螺母之间设置垫片7；第一套筒选用屈服强度范围为200mpa
‑
300mpa的合金材料，且其延伸率至少为40%，即可以采用优质碳素结构钢20mn制备而成，可以有效提高锚固头的强度；第二套筒、第三套筒均选用屈服强度大于900mpa的材料制作。
18.最后申请人还给出了所述的高预紧力扭剪型高强度单边自紧螺栓的使用方法，具体包括以下步骤：第一步，选择需要紧固的第一构件和第二构件，第一构件为闭口截面，近第二构件
一端面可操作；将螺栓本体的螺栓头、第一套筒、第二套筒、第三套筒、螺纹套筒、承剪垫圈、垫圈、螺母依次进行组装，将组装完毕的螺栓本体伸入第一构件、第二构件的螺栓孔中，承剪垫圈的一端端面紧贴第二构件外侧壁，实现准确定位；第三步，将螺栓本体的梅花头、螺母分别插入扭剪型电动扳手的内套筒13、外套筒，启动扭剪型电动扳手，内套筒旋转，对螺栓本体进行拧紧；第三步，位于第一套筒内部圆周壁上的环状圆弧凹槽在轴向力的作用下发生变形，并挤压第二套筒，环状圆弧凹槽向外侧发生鼓曲变形形成图9所示的扩大头，此时螺纹套筒在第三套筒内向承剪垫圈方向移动，直至螺纹套筒的另一端经过凹槽与承剪垫圈的台座接触；第四步，扭剪型电动扳手继续启动，螺纹套筒以及第三套筒挤压承剪垫圈的台座，图10所示将台座剪断，此时第三套筒在承剪垫圈的空腔内自由移动，将外套筒以及内套筒的轴向力进行释放；第五步，继续启动扭剪型电动扳手，扩大头与第一构件内壁逐渐接触（此处状态为图11中的标记15），梅花头剪断，此时螺栓本体的预紧力全部传递至第一构件以及第二构件上，图11所示安装完毕。
19.综上可知，本技术提供的螺栓结构，采用与国内钢结构使用的安装工具一致即可，满足了钢结构设计的要求，适用于钢结构的节点连接，尤其是闭口截面钢管混凝土，可在实际工程中广泛推广。
20.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
21.本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
22.本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
23.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。