据大量现场调查^[1], 脚手架扣件螺栓拧紧力矩大部分达不到JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》的最低要求40N·m^[2], 且部件质量参差不齐。鉴于扣件节点独有的半刚性特征及其对脚手架体系稳定承载力的影响^[3,4,5,6,7], 规范中要求扣件节点具有抗滑移、抗扭转、抗破坏等力学性能, 上述工作性能与扣件拧紧力矩的大小密切相关^[1,8,9,10], 扣件拧紧力矩的作用直接体现在螺栓预紧轴力上, 因此探讨扣件螺栓预紧轴力与拧紧力矩的关系具有至关重要的作用。

试验采用4个直角扣件共8个螺栓, 共进行了2组试验。考虑到扣件螺栓的实际连接情况、尺寸限制等, 仅在螺栓杆的裸露侧面沿轴向粘贴了一枚应变片。加载方式采用数显扭力扳手逐级递增加载, 拧紧力矩为20~65N·m, 加载增量为5N·m (见表1) 。由于钢管和扣件的几何初始缺陷、操作缺陷, 螺栓杆的预紧力会受到相邻扣件预紧力的影响, 为了避免此现象, 试验加载时螺栓均单独加载, 数据相对稳定后再读数。

各级荷载作用时, 螺栓杆轴向应变数据如表2所示。在第Ⅰ组试验中, 拧紧力矩从45N·m开始, 2, 3号应变片测得的数据逐渐减小, 甚至出现了负值, 这是因为随着拧紧力矩的增大, 由于扣件加工质量原因, 螺母某一侧开始陷入扣件盖板的螺栓孔内, 螺栓杆发生严重倾斜, 使得螺栓杆粘贴应变片的一侧出现了压缩现象;当拧紧力矩>55N·m时, 5, 6号应变片所测数据呈持续下降趋势, 其原因是扣件螺栓产生了滑丝现象, 使预紧轴力松弛。第Ⅰ组试验的8号应变片及第Ⅱ组试验的7, 8号应变片由于粘贴失误或者应变片自身原因, 无法测得相应应变。

对试验数据进行整理, 各级荷载时应变取其均值, 用数值分析软件Matlab绘制3次样条插值曲线如图1所示。从图1中可以看出, 拧紧力矩T在45N·m之前与应变ε基本呈线性关系, 之后二者呈锯齿状水平波动关系。

本模型重点分析的是螺栓杆的应变和应力分布情况, 选择较精细的网格划分技术:螺栓杆采用C3D10I四面体二次非协调自由化模式单元;钢管、扣件盖板、底板和螺母均采用较为粗略的网格划分技术:钢管采用六面体扫掠线性非协调模式单元C3D8I, 扣件盖板采用四面体自由化非线性模式单元C3D10, 螺母采用六面体扫掠线性非协调模式单元C3D8I。扣件节点模型如图2所示。图3为螺栓杆的Mises应力, 从图3中可以看出螺栓杆上应力基本均匀分布。

扣件螺栓拧紧力矩与螺栓杆预紧轴力呈线性关系^[11], 即:

当拧紧力矩≤65N·m时, 属于材料线性问题, 则:

式中:K为反映螺栓本身几何性质和力学性能的常系数。有限元分析和理论分析螺栓杆轴向应变数据如表3所示, 从表3中可以看出有限元分析结果与理论分析结果误差很小, 从而验证了有限元分析模型的正确性。

各级拧紧力矩下, 试验分析、有限元分析和理论分析拟合曲线如图4所示。由图4可以看出有限元数值模拟结果和理论分析拟合曲线相吻合, 验证了有限元模拟的正确性。然而试验分析结果却有较大不同:当扣件拧紧力矩<45N·m时, 2个参数间基本呈一次线性关系, 与理论分析和有限元分析结果一致, 但试验分析的斜率略小于有限元分析结果, 因为当螺母被施加拧紧力矩后, 螺栓杆受到扭转和拉伸的联合作用、新扣件或长期放置旧扣件表面有粗糙颗粒或锈蚀导致各接触面出现虚接现象。当扣件拧紧力矩>45N·m时, 拟合曲线呈锯齿状水平波动关系, 主要原因有螺栓、扣件材料的力学性能低于规范要求, 在应力较大区域首先出现塑性屈服、螺栓预紧轴力松弛。

1) 利用有限元分析软件ABAQUS建立了扣件节点三维实体模型, 有限元分析与理论分析相吻合。

2) 通过试验可知, 当扣件拧紧力矩≤45N·m时, 拧紧力矩与预紧轴力呈线性关系, 当扣件拧紧力矩>45N·m时, 扣件螺栓的预紧力出现上、下波动, 类似于材料的屈服阶段。

3) 将试验分析、有限元分析和理论分析相比较, 结合施工现场的实际操作环境, 建议扣件拧紧力矩≤45N·m。