CN107642031B - 摩擦型栓钉剪力连接件及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦型栓钉剪力连接件及其施工方法，连接件包括栓钉剪力连接件主体、安装螺母、套筒、固定螺母和半导体弹簧；栓钉剪力连接件主体由下往上依次包括螺纹段、无螺纹挤压段和抗拔墩头，工厂预制时，将固定螺母、套筒和半导体弹簧依次从螺纹段套入栓钉剪力连接件主体，固定螺母的上端面处于螺纹段的顶端并固定，套筒的上端与固定螺母的下端面固定，半导体弹簧的上端与套筒的下端连接成一体，主梁上按所需的抗剪要求每隔预定距离安装剪力连接件。该方面改善了传统的栓钉剪力连接件的传力模式，合理利用界面摩擦力，其预拉力可受监测和控制，可以实现“抗放结合”的设计理念。工厂预制程度高，现场进行螺栓拼接，节约劳动成本。

Description

摩擦型栓钉剪力连接件及其施工方法

技术领域

本发明涉及剪力连接件及其施工方法，特别是涉及一种摩擦型栓钉剪力连接件及其施工方法。

背景技术

剪力连接件在钢结构或者钢与混凝土组合结构中有栓钉剪力连接件和型钢剪力连接件两大类，主要有两方面作用：(1)抗剪：承担钢与混凝土两种材料界面间的纵向剪应力，限制两者界面间的纵向自由滑动，从而保证了组合结构的协同变形、共同工作，提高了组合结构的刚度及承载能力。(2)抗拔：剪力连接件一般在深入混凝土的一侧设置墩头或卷边，使其与混凝土紧紧咬合，抵抗混凝土因整体纵向弯曲或局部横向弯曲引起的两种材料的脱离，增强了整体性，使之共同工作。

传统的剪力连接件一般以栓钉剪力连接件为主，在柱端、梁或底板等剪力较大的位置处焊接，如图1所示，依靠混凝土对连接件的挤压作用进行钢与混凝土之间的剪力传递，连接件墩头或型钢嵌固于混凝土中使两者形成一个整体共同工作。针对钢抗拉性强，混凝土抗压性能良好的特点，通常将钢梁放置在受拉区段，混凝土浇筑于受压区段，用剪力连接件连接形成组合结构，充分发挥了两者各自的优异性能。但是，在剪力较大的位置处需焊接的剪力连接件密集，用钢量大幅增加，如附图1所示，这使工程成本显著提高，施工难度加大；钢与栓钉剪力连接件间一般为三级焊缝，焊接质量不易保证，焊接过程使钢受很高的温度应力，从而产生焊接残余应力和局部鼓屈等不利影响。对于多跨连续梁桥的支座区段，斜拉悬索桥的拉索与桥面接触区段，大跨承重组合结构的过渡区段等负弯矩区以及收缩徐变和温度效应引起的混凝土应力区，由于传统的剪力连接件的约束效应使混凝土的应力无法释放，导致混凝土开裂，嵌固作用削弱，甚至丧失组合结构的性能。由传统的剪力连接件连系的钢和混凝土的组合结构在地震等往复高应变率荷载作用下，极易产生疲劳裂纹，导致连接件剪切破坏，造成抗震性能不良等后果。

传统的剪力连接件破坏形式一般为剪切破坏、受拉破坏或者混凝土冲切破坏，以材料的抵抗能力作为主要设计指标，以“抗”作为主要设计理念，这种方式使界面摩擦力不能被实时监测，抗剪承载力和刚度不受控制，混凝土内力也不能被有效释放。究其根本，这是由传力模式的不合理和设计的不完善导致的。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种合理利用剪力连接件和板件间的界面摩擦力，同时抗剪刚度和抗剪承载力可控的摩擦型栓钉剪力连接件及其施工方法。

技术方案：一种摩擦型栓钉剪力连接件，包括栓钉剪力连接件主体，所述栓钉剪力连接件主体包括具有预定长度螺纹部的螺杆段，与所述螺杆段上螺纹部螺接的第一螺母和第二螺母，套设在螺杆段上且位于第一螺母与第二螺母之间的半导体弹簧，套接在半导体弹簧外周的套筒，设置在第一螺母或第二螺母一侧并可与欧姆表连接的正负极金属片，以及电连接正负极金属片与半导体弹簧两端的导线；

第一螺母或第二螺母的一侧设置有用于和半导体弹簧末端卡接的卡槽或与用于和套筒一端连接的嵌槽，第一螺母和第二螺母的相对距离改变时，半导体弹簧被拉伸或压缩。

所述套筒和/或半导体弹簧的外侧套接有橡胶环。

所述螺杆端沿其纵向分为多个区域，不同区域的颜色不同。

再一实施例中，一种摩擦型栓钉剪力连接件，包括栓钉剪力连接件主体、安装螺母、套筒、固定螺母和半导体弹簧；

所述栓钉剪力连接件主体由下往上依次包括螺纹段、无螺纹挤压段和抗拔墩头，固定螺母、套筒和半导体弹簧依次从螺纹段套入栓钉剪力连接件主体，固定螺母的上端面处于螺纹段的顶端并固定，套筒的上端与固定螺母的下端面固定，半导体弹簧的上端与套筒的下端连接成一体，主梁上按所需的抗剪要求每隔预定距离安装剪力连接件。

所述安装螺母的顶面内螺纹孔的边缘一侧设有卡槽，所述螺纹段设有不同的预拉力分区标识，以安装螺母旋进的一端开始依次设有螺纹区域0、螺纹区域1、螺纹区域2、螺纹区域3和螺纹区域4；以安装螺母的上端面作为指示面，当半导体弹簧嵌于卡槽中，此时半导体弹簧处于自然状态；当安装螺母上端面处于螺纹区域0与螺纹区域1的交界面或者螺纹区域0时，此时剪力连接件和梁或板间未夹紧，螺栓的预拉力为0kN；当安装螺母的上端面分别处于螺纹区域1至螺纹区域4时，对应的螺栓预拉力范围分别为0-5kN，5-10kN，10-15kN和15-20kN，旋转安装螺母改变安装螺母上端面在螺纹段的分区，以改变预拉力和界面摩擦力，实现抗剪承载力和刚度的初步控制。

所述安装螺母的底面设有第一金属片和第二金属片，安装螺母顶面的卡槽一端设有连接头；当半导体弹簧卡合到卡槽上时，其与安装螺母通过卡槽和连接头形成内置电路，且半导体弹簧的一端通过连接头与第一金属片或第二金属片连接，半导体弹簧的另一端通过导线与第二金属片或第一金属片连接；测得第一金属片和第二金属片之间的电阻即为半导体弹簧的电阻值，进一步得到所述高强度螺栓组件的预拉力，依据电阻改变安装螺母松紧程度实现抗剪承载力和刚度的精确控制。

所述摩擦型剪力连接件还包括设置于剪力连接件与主梁螺纹孔间的橡胶环。

与所述剪力连接件配合的螺栓孔为圆螺栓孔。

所述螺纹段为8.8级M20型螺栓，所述用于安装该剪力连接件的主梁为H型钢主梁。

一种摩擦型栓钉剪力连接件的施工方法，该方法所用的摩擦型剪力连接件为上述的摩擦型剪力连接件，该施工方法包括以下步骤：

(1)对所述摩擦型栓钉剪力连接件进行工厂预制

根据施工现场所需的尺寸、抗剪效果以及为达到的目标，加工所述摩擦型栓钉剪力连接件；

(2)施工现场拼装所述摩擦型栓钉剪力连接件与需要设置所述摩擦型栓钉剪力连接件的主梁或板；

(3)使用过程中根据组合构件的状态实时调整剪力连接件螺栓的预拉力；

所述步骤(1)包括：

(11)构件设计制造

根据设计要求对需设栓钉剪力连接件的主梁的相应位置进行打孔，根据现场所需尺寸和抗剪效果设计要求对摩擦型栓钉剪力连接件的各构件进行制造和加工，根据预达到的抗剪承载力、刚度和性能对栓钉剪力连接件的预拉力进行设计，然后根据工厂预制流程图对栓钉剪力连接件试样生产；

(12)构件预拼装

在出厂前应对构件进行预拼装，将固定螺母、外套筒和半导体弹簧依次套入栓钉剪力连接件主体，并通过焊接方式形成整体，调整开孔尺寸和变形，检测半导体弹簧所在电路的通闭状态，测量半导体弹簧的电阻与安装螺母所在的分区及预拉力是否对应；预拼装合格后，进行产品的量化生产；

所述步骤(2)包括：

(21)将橡胶环安装到梁或板的螺栓孔中，而后将栓钉剪力连接件穿过橡胶环并固定，旋拧安装螺母，当安装螺母旋拧至一定程度后，将半导体弹簧的自由端嵌入至安装螺母顶面的卡槽中，并与连接头相连，保证半导体弹簧的所在电路形成通路；

(22)在安装过程中，用扳手旋拧安装螺母，按设计要求将安装螺母旋到相应大小的预拉力区域，而后用欧姆表测量半导体弹簧的电阻，对预拉力进行调整直到达到所需的抗剪承载力和刚度为止；

所述步骤(3)具体为：在使用过程中，梁或板的上部都已浇筑于混凝土中，仅安装螺母暴露在外面，此时通过安装螺母改变螺栓的松紧程度，控制螺栓的预拉力，由此释放混凝土的不良内力或改善由于螺栓松动造成抗剪性能降低的后果。

有益效果：与现有技术相比，本发明有以下优点：

(1)工厂预制程度高，现场进行螺栓拼接，节约劳动成本。

(2)栓钉剪力连接件不再依靠焊缝与板件相连，而是利用摩擦型高强度螺栓的原理使螺帽、螺母与板件夹紧产生的摩擦力抵抗剪力，改善了传统的栓钉剪力连接件的传力模式，合理利用界面摩擦力，并对摩擦型高强度螺栓进行合理设计，使其预拉力可受监测和控制，可以实现“抗放结合”的设计理念。

(3)在安装过程中，栓钉剪力连接件的螺纹段有明显的分区标识，即螺母旋到不同的区域，可提供对应的预拉力，实现预拉力和界面摩擦力的初步控制。由于固定螺母、套筒与半导体弹簧已连为一体，弹簧径心与套筒截面的环心处于同一平面，当旋转安装螺母时，无论如何必然会导致拉长或压缩半导体弹簧，改变了半导体弹簧的截面面积和长度，根据电阻公式R＝ρ*(L/S)，对半导体弹簧的电阻进行监测，实现预拉力和界面摩擦力的精确控制。

(4)在组合结构正常使用过程中，根据实际的使用状态和需求增加或减少螺栓的预拉力，达到剪力连接件的抗剪承载力和刚度受控的效果，有效避免混凝土因收缩或徐变等原因引起界面抗剪作用过大而开裂和螺栓在使用过程中松动引起的抗剪作用减小的情况。

(5)由于将剪力连接件的挤压作用转化为摩擦作用而传递剪力，不同于传统剪力连接件在焊接高温下对该位置处或者焊接端头的损伤，摩擦型栓钉剪力连接件通过摩擦力传递剪力，并且螺栓孔为圆螺栓孔，在圆螺栓孔和剪力连接件之间还设置了配套的橡胶环，不会对螺栓、孔壁和设置剪力连接件的位置处的主梁、底板造成损伤。有效避免了在往复荷载下和高应变率荷载作用下的疲劳问题，具有良好的抗震和耐疲劳性能。同时可以保护半导体弹簧，不仅起到绝缘的作用，也增强了剪力连接件的耐久性。

附图说明

图1a-图1b是现有技术中梁或板设置的栓钉剪力连接件示意图；

图2是栓钉剪力连接件的结构示意图；

图3a-图3f是栓钉剪力连接件各部件结构示意图；

图4是栓钉剪力连接件安装结构示意图；

图5是摩擦型角钢剪力连接件的结构示意图；

图6是槽钢结构示意图；

图7a-图7b是摩擦型槽钢剪力连接件的结构示意图；

图8是高强度螺栓组件结构示意图；

图9a-图9f是高强度螺栓组件各部件结构示意图；；

图10是高强度螺栓组件工厂预拼接结构示意图；

图11a-图11b是金属表面摩擦系数的效应影响因素示意图；

图12是传力模式图；

图13是高强度螺栓组件的螺纹分区标识图；

图14是通过半导体弹簧形成的内置电路图；

图15是带橡胶环的高强度螺栓组件结构示意图；

图16是橡胶环结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

图1a和图1b为现有技术中梁或板设置的栓钉剪力连接件示意图。图中可知剪力连接件需要焊接在梁或板上，劳动强度大，且浪费材料。

如图2-图4所示，为摩擦型栓钉剪力连接件，其包括栓钉剪力连接件主体401、安装螺母402、套筒403、固定螺母404和半导体弹簧405，其中，栓钉剪力连接件主体由下往上依次包括螺纹段4001、无螺纹挤压段4002和抗拔墩头4003。固定螺母的上端面处于螺纹段的顶端并与栓钉剪力连接件主体焊接一体，套筒的上端与固定螺母的下端面焊接一体，半导体弹簧与套筒的下端焊接一体，安装螺母从螺纹段底端旋进。

使用时，在需要安装摩擦型栓钉剪力连接件的相应位置螺栓孔中先安装对应的橡胶环，而后将栓钉剪力连接件穿过橡胶环并固定，从另一端旋拧安装螺母，当安装螺母旋拧至一定程度后，将半导体弹簧的自由端嵌入至安装螺母顶面的卡槽中，并与连接头相连，保证半导体弹簧的所在电路可形成通路。然后拧紧安装螺母，并用欧姆表与安装螺母底面的金属片相连，通过电阻值实现抗剪承载力和刚度受监测和控制的状态。

另外，摩擦型栓钉剪力连接件中的栓钉剪力连接件主体可以为无“墩头”的栓钉剪力连接件主体，其包括螺纹段和无螺纹挤压段。其它结构与连接关系与上述的有墩头的栓钉剪力连接件主体相同。该摩擦型栓钉剪力连接件可以实现“抗剪”不“抗拔”的作用，其在混凝土内缺少嵌固和咬合，因此仅提供抗剪作用，适用于装配式组合构件中钢与混凝土快速的安装和拆卸。

该摩擦型栓钉剪力连接件将栓钉剪力连接件和高强度螺栓组件相结合，此时，栓钉剪力连接件不再依靠焊缝与板件相连，而是利用摩擦型高强度螺栓的原理使螺帽、螺母与板件夹紧产生的摩擦力抵抗剪力。其改善了传统的栓钉剪力连接件的传力模式，合理利用界面摩擦力，并对高强度螺栓组件进行重新设计，使其预拉力可受监测和控制。

与摩擦型栓钉剪力连接件配套的螺栓孔采用圆螺栓孔，这是利用了其抗剪效果各向相同的特点，尤其是针对未知方向的剪力，圆螺栓是最合理的设置方式。在圆螺栓孔和剪力连接件之间，还设置了配套的橡胶环，该橡胶环的作用与前面所述相同。

新型摩擦型栓钉剪力连接件由栓钉剪力连接件主体、安装螺母、套筒、固定螺母和半导体弹簧构成，栓钉剪力连接件主体又由螺纹段、无螺纹挤压段和抗拔墩头构成。在工厂预制时，栓钉剪力连接件主体与套筒、固定螺母和半导体弹簧已形成一体，固定螺母的上端面处于螺纹段的顶端并焊死。在安装时，在相应板件圆螺栓孔中先安装橡胶环，而后将栓钉剪力连接件穿过橡胶环并固定，旋拧安装螺母，当安装螺母旋拧至一定程度后，将半导体弹簧的自由端嵌入至安装螺母顶面的卡槽4004中，并与连接头相连，保证半导体弹簧的所在电路可形成通路。而后拧紧安装螺母，并用欧姆表与安装螺母底面的金属片4005相连，通过电阻值实现抗剪承载力和刚度受监测和控制的状态。

新型摩擦型栓钉剪力连接件配套的螺栓孔采用圆螺栓孔，这是利用了其抗剪效果各向相同的特点，尤其是针对未知方向的剪力，圆螺栓是最合理的设置方式。在圆螺栓孔和剪力连接件之间，还设置了配套的橡胶环，它主要起到两方面的作用：1.保护孔壁且不限制栓杆移动。新型摩擦型栓钉剪力连接件由于栓杆的预拉力可以通过旋拧安装螺母和观测电阻的方式调整，相应的摩擦力和抗剪承载力也会随之改变。因此栓杆可在螺栓孔间移动，必然会挤压孔壁并对孔壁造成直接损伤，为保护孔壁且不限制栓杆的微小移动，设置橡胶环可解决此问题。2.保护半导体弹簧。半导体弹簧是此新型螺栓的核心部件，依靠其电阻的变化，实现对栓杆的预拉力和界面摩擦力的监测，实现抗剪承载力和刚度可测和受控的状态。因此，将其用橡胶环保护起来，不仅起到绝缘的作用，也增强了剪力连接件的耐久性。

摩擦型栓钉剪力连接件的施工方法，包括以下步骤：

(1)对所述摩擦型栓钉剪力连接件进行工厂预制

根据施工现场所需的尺寸、抗剪效果以及为达到的目标，加工所述摩擦型栓钉剪力连接件。

(11)构件设计制造

根据设计要求对需设剪力连接件的主梁的相应位置进行打孔，根据现场所需尺寸和抗剪效果设计要求对栓钉剪力连接件的个构件进行制造和加工，根据预达到的抗剪承载力、刚度和性能对高强度螺栓组件的预拉力进行设计，然后根据工厂预制流程图对高强度螺栓组件与连接件主体试样生产；

(12)构件预拼装

在出厂前应对构件进行预拼装，将螺母、外套筒和半导体弹簧依次同轴设置并通过焊接方式形成整体，调整开孔尺寸和变形，检测半导体弹簧所在电路的通闭状态，测量半导体弹簧的电阻与螺母所在的分区及预拉力是否对应；预拼装合格后，进行产品的量化生产。

(2)施工现场拼装所述摩擦型栓钉剪力连接件与需要设置所述摩擦型栓钉剪力连接件的主梁或板。

(21)将连接件主体与梁或板的长螺栓孔对齐，用高强度螺栓组件进行拼装，栓钉剪力连接件的翼缘可防止混凝土的掀起，通过高强度螺栓组件对板件间的夹紧力形成的界面摩擦力抗剪。

(22)在安装过程中，用扳手旋拧高强度螺栓组件的螺母，按设计要求将螺母旋到相应大小的预拉力区域，而后用欧姆表测量半导体弹簧的电阻，对预拉力进行调整直到达到所需的抗剪承载力和刚度为止。

(3)使用过程中根据组合构件的状态实时调整高强度螺栓的预拉力

在使用过程中，梁或板的上部都已浇筑于混凝土中，仅螺帽暴露在外面，此时可通过螺帽的十字孔改变螺栓的松紧程度，控制螺栓的预拉力，由此释放混凝土的不良内力或改善由于螺栓松动造成抗剪性能降低的后果，实现“抗放结合”的理念。

该发明考虑了上述诸多实际工程中存在的劣势，将栓钉剪力连接件和摩擦型高强度螺栓相结合，也就是说，栓钉剪力连接件不再依靠焊缝与板件相连，而是利用摩擦型高强度螺栓的原理使螺帽、螺母与板件夹紧产生的摩擦力抵抗剪力。该发明改善了传统的栓钉剪力连接件的传力模式，合理利用界面摩擦力，并对摩擦型高强度螺栓进行重新设计，使其预拉力可受监测和控制，将此新型的摩擦型高强度螺栓和栓钉剪力连接件进行组合设计，提供一种抗剪刚度和抗剪承载力可控的新型摩擦型栓钉剪力连接件及其施工方法，实现“抗放结合”的设计理念。

如图5所示，为摩擦型角钢剪力连接件，其包括连接件主体101和高强度螺栓组件102，其中，连接件主体通过高强度螺栓组件安装在H型钢主梁103上，螺栓孔104为长螺栓孔。该主梁可替换为任何型钢或板间等需要设置剪力连接件的位置。在H型钢主梁上按所需的抗剪要求每隔一定距离安装连接件主体，图该连接件主体为角钢，其不设置嵌固端，取消了传统剪力连接件的“抗拔”作用和嵌固作用，依靠端面摩擦力和混凝土上端的压重使两者的界面贴合；利用剪力连接件和型钢间的界面摩擦力来传递剪力达到“抗剪”的目的。此外，该摩擦型型钢剪力连接件改变了传统的传力模式，利用摩擦力这种耗散力消耗外界能量。该摩擦型剪力连接件可以实现“抗剪”不“抗拔”的作用，其在混凝土内缺少嵌固和咬合，因此仅提供抗剪作用，适用于装配式组合构件中钢与混凝土快速的安装和拆卸。

连接件主体为Q345热轧型钢，其对应位置设置与高强度螺栓组件配合的长螺栓孔，H型钢主梁上需要安装连接件主体的位置设有与高强度螺栓组件配合的长螺栓孔，长螺栓孔孔径为50mm×22mm。

如图6至图7b所示，另一实施例中，连接件主体为槽钢201，高强度螺栓组件202，其中，连接件主体通过高强度螺栓组件安装在H型钢主梁203上，螺栓孔204为长螺栓孔。其安装方向与已知的剪切方向垂直，可以增强抗剪承载力和刚度。使用时，该摩擦型剪力连接件的连接件主体的翼缘边咬合于混凝土中，有效避免了混凝土与钢梁的掀起分离，减少了传统栓钉剪力连接件设置墩头的工作量。由于型钢剪力连接件抗剪、抗弯承载力和刚度都很大，并且长螺栓孔使螺栓和孔壁不直接接触，解决了疲劳问题，避免了材料破坏。

如图8至图10所示，高强度螺栓组件包括螺帽301、螺纹段302、螺母303、外套筒304和半导体弹簧305，螺帽的底面设有十字孔306、第一金属片和第二金属片307；螺帽的顶面设有卡槽308，卡槽一端设有连接头；工厂预制时将螺母、外套筒和半导体弹簧依次焊接形成一个整体，且螺母、外套筒和半导体弹簧三者同轴；螺帽从螺纹段的一端旋进，半导体弹簧、外套筒和螺母从螺纹段的另一端套入，半导体弹簧嵌合于螺帽顶面的卡槽内并与连接头连接，螺母与螺纹段之间螺接。

另外，螺帽和螺母经过特殊加工处理，增强了金属表面的粘着效应和犁沟效应，金属表面的粗糙度是粘着效应和犁沟效应的叠加，如图11a和11b所示，既增强了金属表面的摩擦系数，使相同预拉力下获得更大的抗剪承载力。

在进一步的实施例中，提供一种可监测及控制预拉力的摩擦型高强度螺栓，包括至少设置有一段螺纹部的螺杆段，与螺杆段螺接的第一螺母和第二螺母，套设在螺杆段上且位于第一螺母与第二螺母之间的半导体弹簧(图9d所示)，套接在半导体弹簧外周的套筒，设置在第一螺母或第二螺母一侧并可与欧姆表连接的正负极金属片，以及电连接正负极金属片与半导体弹簧两端的导线；第一螺母或第二螺母的一侧设置有用于和半导体弹簧末端卡接的卡槽或与用于和套筒一端连接的嵌槽，第一螺母和第二螺母的相对距离改变时，半导体弹簧被拉伸或压缩。套筒和/或半导体弹簧的外侧套接有橡胶环。螺杆端沿其纵向分为多个区域，不同区域的颜色不同。摩擦型高强度螺栓设置于圆螺栓孔、腰圆螺栓孔或长螺栓孔。第一螺母或者第二螺母上设置有十字槽，以用于旋转螺母，调节螺母之间的相对距离。半导体弹簧具有良好的柔韧性和弹性，例如其伸长长度可达原弹簧长度3.5-4倍。并有良好的耐寒性，阻燃性，耐油性和耐磨性。可根据场合不同要求生产各类螺旋型弹簧线。

本实施例所述的利用界面摩擦力抵抗剪力的传力模式是通过高强度螺栓组件实现的，螺栓尺寸为8.8级M20型。高强度螺栓组件靠拧紧螺母，对螺纹段(螺杆)施加预拉力，从而使高强度螺栓组件的螺帽、连接件主体和螺母加紧，使剪力转化为界面摩擦阻力。其传力模式如图12所示，外部剪力一般由混凝土和型钢的错动或板间错动引起，此界面剪力传递给型钢剪力连接件，而后型钢剪力连接件和梁或板的界面摩擦力抵抗剪力，此界面摩擦力是由高强度螺栓组件的受控预拉力提供的。

如图13所示，高强度螺栓组件的螺纹段设有不同的预拉力分区标识，以螺母旋进的一端开始依次设有螺纹区域0、螺纹区域1、螺纹区域2、螺纹区域3和螺纹区域4。由于螺母、外套筒和半导体弹簧对螺纹段造成遮挡，因此以螺母的上端面作为指示面。当半导体弹簧嵌于卡槽中，此时半导体弹簧处于自然状态；当螺母上端面处于螺纹区域0与螺纹区域1的交界面或者螺纹区域0时，此时剪力连接件和梁或板间未夹紧，螺栓的预拉力为0kN；当螺母的上端面分别处于螺纹区域1至螺纹区域4时，对应的螺栓预拉力范围分别为0-5kN，5-10kN，10-15kN和15-20kN。以这种控制螺母旋转到螺纹段不同分区的方式改变预拉力和界面摩擦力，实现抗剪承载力和刚度的初步控制。

如图14所示，当半导体弹簧嵌固到卡槽上时，其与螺帽通过卡槽和连接头形成内置电路，且半导体弹簧的一端通过连接头与第一或第二金属片连接，半导体弹簧的另一端通过导线与第二或第一金属片连接；当螺母向下旋转时，半导体弹簧逐渐被压缩，弹簧截面增大，长度减小；当螺母向上旋转时，半导体弹簧逐渐被拉长，弹簧截面减小，长度增大。因此，必然会导致拉长或压缩半导体弹簧，改变半导体弹簧的截面面积和长度，根据电阻公式即电阻发生变化，半导体弹簧与螺帽通过卡槽和连接头形成内置电路，并通过螺帽底面引出两个金属片连接欧姆表测量两个金属片之间的电阻，即半导体弹簧的电阻，得到螺栓的预拉力，从而实时地监测界面摩擦力，实现预拉力和界面摩擦力的精确控制。

本发明的摩擦型型钢剪力连接件在正常使用过程中，其组合结构会发生如下现象：(1)螺栓松动导致的抗剪程度减弱；(2)混凝土发生收缩徐变，由于剪力连接件的抗剪程度较大，导致内应力无法释放，混凝土发生开裂。预拉力可控的高强度螺栓组件的螺母可旋转以改变板件间的松紧程度，同样地，也可通过螺帽的十字孔改变板件间的松紧程度，即旋转螺帽和螺母都张紧或释放栓杆的预拉力。在使用过程中该螺栓的螺帽仍暴露在外，可通过螺帽的十字孔改变螺栓的预拉力，从而改变结构在使用过程中的抗剪承载力和刚度，依据观测电阻改变螺栓的松紧程度实现抗剪承载力和刚度的精确控制，达到“抗放结合”的效果，避免了结构的直接损伤。

如图15和图16所示，还可在高强度螺栓组件的外套筒和半导体弹簧的外面设置配套的橡胶环309，该橡胶环主要起到两方面的作用：(1)摩擦型剪力连接件由于栓杆的预拉力可以通过旋拧安装螺母和观测电阻的方式调整，相应的摩擦力和抗剪承载力也会随之改变。因此栓杆可在螺栓孔间移动，必然会挤压孔壁并对孔壁造成直接损伤，为保护孔壁且不限制栓杆的微小移动，设置橡胶环防止栓杆与孔壁在螺栓产生微小滑移时的直接接触，避免了螺栓或者孔壁的直接损伤。(2)保护半导体弹簧，半导体弹簧是此高强度螺栓组件的核心部件，依靠其电阻的变化，实现对栓杆的预拉力和界面摩擦力的监测，实现抗剪承载力和刚度可测及受控的状态。因此，将其用橡胶环保护起来不仅起到绝缘的作用，也增强了剪力连接件的耐久性。

与高强度螺栓组件配套的螺栓孔可以为圆螺栓孔也可为长螺栓孔，其主要取决于剪力的最大方向是否确定。当已知剪力最大方向时，采用长螺栓孔是更有利的，并且长螺栓孔的方向与剪力最大方向保持相同，这是因为在结构使用过程中该螺栓可根据实际情况实时地增加或释放剪力，相应的螺栓可在螺栓孔中产生微小滑动；当未知剪力最大方向时，采用圆螺栓孔是更合理的。无论是长螺栓孔还是圆螺栓孔，都配有配套的橡胶环，该橡胶环的作用如上所述。

Claims (10)

1.一种摩擦型栓钉剪力连接件，包括栓钉剪力连接件主体，其特征在于，所述栓钉剪力连接件主体包括具有预定长度螺纹部的螺杆段，与所述螺杆段上螺纹部螺接的第一螺母和第二螺母，套设在螺杆段上且位于第一螺母与第二螺母之间的半导体弹簧，套接在半导体弹簧外周的套筒，设置在第一螺母或第二螺母一侧并可与欧姆表连接的正负极金属片，以及电连接正负极金属片与半导体弹簧两端的导线；

第一螺母或第二螺母的一侧设置有用于和半导体弹簧末端卡接的卡槽或与用于和套筒一端连接的嵌槽，第一螺母和第二螺母的相对距离改变时，半导体弹簧被拉伸或压缩。

2.如权利要求1所述的摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于，所述套筒和/或半导体弹簧的外侧套接有橡胶环。

3.如权利要求1所述的摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于，所述螺杆段沿其纵向分为多个区域，不同区域的颜色不同。

4.一种摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于：包括栓钉剪力连接件主体、安装螺母、套筒、固定螺母和半导体弹簧；

所述栓钉剪力连接件主体由下往上依次包括螺纹段、无螺纹挤压段和抗拔墩头，固定螺母、套筒和半导体弹簧依次从螺纹段套入栓钉剪力连接件主体，固定螺母的上端面处于螺纹段的顶端并固定，套筒的上端与固定螺母的下端面固定，半导体弹簧的上端与套筒的下端连接成一体，主梁上按所需的抗剪要求每隔预定距离安装剪力连接件。

5.根据权利要求4所述的一种摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于：所述安装螺母的顶面内螺纹孔的边缘一侧设有卡槽，所述螺纹段设有不同的预拉力分区标识，以安装螺母旋进的一端开始依次设有螺纹区域0、螺纹区域1、螺纹区域2、螺纹区域3和螺纹区域4；以安装螺母的上端面作为指示面，当半导体弹簧嵌于卡槽中，此时半导体弹簧处于自然状态；当安装螺母上端面处于螺纹区域0与螺纹区域1的交界面或者螺纹区域0时，此时剪力连接件和梁或板间未夹紧，螺栓的预拉力为0kN；当安装螺母的上端面分别处于螺纹区域1至螺纹区域4时，对应的螺栓预拉力范围分别为0-5kN，5-10kN，10-15kN和15-20kN，旋转安装螺母改变安装螺母上端面在螺纹段的分区，以改变预拉力和界面摩擦力，实现抗剪承载力和刚度的初步控制。

6.根据权利要求5所述的一种摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于：所述安装螺母的底面设有第一金属片和第二金属片，安装螺母顶面的卡槽一端设有连接头；当半导体弹簧卡合到卡槽上时，其与安装螺母通过卡槽和连接头形成内置电路，且半导体弹簧的一端通过连接头与第一金属片或第二金属片连接，半导体弹簧的另一端通过导线与第二金属片或第一金属片连接；测得第一金属片和第二金属片之间的电阻即为半导体弹簧的电阻值，进一步得到高强度螺栓组件的预拉力，依据电阻改变安装螺母松紧程度实现抗剪承载力和刚度的精确控制。

7.根据权利要求4所述的一种摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于：所述摩擦型栓钉剪力连接件还包括设置于剪力连接件与主梁螺纹孔间的橡胶环。

8.根据权利要求4所述的一种摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于：与所述剪力连接件配合的螺栓孔为圆螺栓孔。

9.根据权利要求4所述的一种摩擦型栓钉剪力连接件，其特征在于：所述螺纹段为8.8级M20型螺栓，用于安装该剪力连接件的主梁为H型钢主梁。

10.一种摩擦型栓钉剪力连接件的施工方法，其特征在于，该方法所用的摩擦型栓钉剪力连接件为权利要求4至9任一项所述的摩擦型栓钉剪力连接件，该施工方法包括以下步骤：

(1)对所述摩擦型栓钉剪力连接件进行工厂预制

根据施工现场所需的尺寸、抗剪效果以及为达到的目标，加工所述摩擦型栓钉剪力连接件；

(2)施工现场拼装所述摩擦型栓钉剪力连接件与需要设置所述摩擦型栓钉剪力连接件的主梁或板；

(3)使用过程中根据组合构件的状态实时调整剪力连接件螺栓的预拉力；

所述步骤(1)包括：

(11)构件设计制造

根据设计要求对需设摩擦型栓钉剪力连接件的主梁的相应位置进行打孔，根据现场所需尺寸和抗剪效果设计要求对摩擦型栓钉剪力连接件的各构件进行制造和加工，根据预达到的抗剪承载力、刚度和性能对摩擦型栓钉剪力连接件的预拉力进行设计，然后根据工厂预制流程图对摩擦型栓钉剪力连接件试样生产；

(12)构件预拼装

在出厂前应对构件进行预拼装，将固定螺母、外套筒和半导体弹簧依次套入摩擦型栓钉剪力连接件主体，并通过焊接方式形成整体，调整开孔尺寸和变形，检测半导体弹簧所在电路的通闭状态，测量半导体弹簧的电阻与安装螺母所在的分区及预拉力是否对应；预拼装合格后，进行产品的量化生产；

所述步骤(2)包括：

(21)将橡胶环安装到梁或板的螺栓孔中，而后将摩擦型栓钉剪力连接件穿过橡胶环并固定，旋拧安装螺母，当安装螺母旋拧至一定程度后，将半导体弹簧的自由端嵌入至安装螺母顶面的卡槽中，并与连接头相连，保证半导体弹簧的所在电路形成通路；

(22)在安装过程中，用扳手旋拧安装螺母，按设计要求将安装螺母旋到相应大小的预拉力区域，而后用欧姆表测量半导体弹簧的电阻，对预拉力进行调整直到达到所需的抗剪承载力和刚度为止；

所述步骤(3)具体为：在使用过程中，梁或板的上部都已浇筑于混凝土中，仅安装螺母暴露在外面，此时通过安装螺母改变螺栓的松紧程度，控制螺栓的预拉力，由此释放混凝土的不良内力或改善由于螺栓松动造成抗剪性能降低的后果。