单向螺栓是只能朝一个方向安装的螺栓，适用于封闭截面构件的节点连接。英国Lindapter International公司研制的Hollo-Bolt是应用最为广泛的单向螺栓。它由全螺纹螺杆、套筒、钢垫圈、橡胶垫圈和锥头五部分组成，如图1所示。其安装如图2所示。
盲螺栓在拉伸过程中，套筒肢可能先于螺杆断裂，其拉伸承载能力不稳定[2-4]。张杰华等[5-7]通过改进套筒和锥头的材质和表面处理工艺，开发出国产自锁单向螺栓非标盲螺栓（NBB），解决了这一问题。
为了适应不同的钢板厚度，NBB有三种不同型号的不同直径的单向螺栓，其关键区别在于所用的套筒长度和槽长不同，这增加了NBB的成本。为了解决这个问题，考虑对一个直径的单向螺栓只使用一个长度和槽长的槽套筒，在钢板厚度增加后，用不带槽的圆钢管代替。这种新的单向螺栓被命名为标准盲螺栓（Standard Blind Bolt，简称SBB），如图3所示。
在Hollo-Bolt和NBB的拉伸试验中发现，自锁单向螺栓的拉伸刚度相对较小。参考文献[8]指出，造成这种情况的主要原因是预紧力相对较小，导致在拉伸过程中预紧力早期丧失。钢板不再提供附加刚度，因此拉伸刚度相对较小。参考文献[9]也指出，自锁单向螺栓安装所需的扭矩大于同等级的高强度螺栓。
为了使单向螺栓达到同等级高强螺栓的预紧力，必须加大其安装扭矩。本文对三种直径、两种强度等级的单向螺栓进行试验研究，确定国产自锁单向高强螺栓达到接近高强螺栓预紧力所需的安装扭矩，并给出了各等级、各型号单向螺栓的预紧力和安装扭矩的推荐值。
1.单向螺栓安装及张拉过程力学分析
单向螺栓安装过程中，外扭矩作用于螺栓头，在单向螺栓中产生预紧力和被连接钢板之间的挤压力。安装完成后钢结构螺栓连接，释放外扭矩，单向螺栓中的预紧力和被连接钢板之间的挤压力达到平衡。如图4所示，将被连接钢板简化为具有无限刚度的刚性板，钢板之间的挤压关系简化为只能压缩的弹簧kplate，而单向螺栓简化为只能拉伸的弹簧kbolt。被连接钢板的压缩变形和单向螺栓的拉伸变形分别由这两个弹簧描述。
从以上分析可以看出，单向螺栓安装后：
Nplate=Tbolt（1）式中：Nplate为连接钢板间的挤压力；Tbolt为单向螺栓的预拉力。
在拉伸过程中，当外载荷拉力小于预紧力时，单向螺栓仍处于拉伸状态，而钢板仍处于压缩状态。在此过程中，钢板的回弹变形wplate与单向螺栓的拉伸变形wbolt相等，也等于两板之间的相对位移w。位移w可用置于两钢板之间的位移计测得。因此有如下公式：
图5为单向螺栓在张拉过程中的应力，其中F为外荷载拉力，ΔT为单向螺栓因拉伸变形而增加的拉力，ΔN为连接钢板因回弹变形而减少的压力，故建立如下公式：
张拉过程中，连接钢板间的压力为Nplate-ΔN，单向螺栓的拉力为Tbolt+ΔT。
可得出外加载荷F与连接钢板间变形w的关系为：式中，kplate为钢板的挤压刚度，kbolt为单向螺栓的拉伸刚度。
由此我们可以看出，当外加载荷小于单向螺栓的预紧力时，单向螺栓的抗拉刚度为kbolt+kplate。
当外载荷逐渐增大时，单向螺栓的预紧力消失，钢板间的挤压力减小为0，两钢板分离。此时的外载荷可定义为钢板分离载荷F0，此时的位移可定义为钢板分离位移ws。此时，建立下列方程：
通过计算可得：
因此可建立钢板分离荷载F0与单向螺栓预拉力Tbolt之间的关系式：
在单向螺栓预紧力消失后的拉伸过程中，钢板间的挤压力弹簧kplate不再起作用，外加载荷仅由单向螺栓承受，此时单向螺栓的抗拉刚度为其自身刚度kbolt，故建立如下公式：
经过上述受力分析可知，通过单向螺栓的拉力试验可得到荷载-位移曲线，通过考察荷载-位移曲线的形状特征可得到钢板分离荷载F0，进而计算出单向螺栓的预拉力Tbolt，对在不同安装扭矩下安装的单向螺栓进行拉力试验，可得到其对应的预拉力。
2.单向螺栓预拉力试验
2.1 单向螺栓的选择
拉伸试验时需保证连接钢板不发生过大的变形，所需连接钢板较厚，因此本次试验选用较长的单向螺栓，具体型号见表1，单向螺栓共计12个型号，3个直径，2个等级，2个套筒形式。
2.2 辅助连接器
辅助试件设计，考虑到连接钢板需具有足够的厚度，设计了如图6所示的拉伸试验装置A和Bi（i=1~3）。对于3种直径的单向螺栓，试件A具有通用性钢结构螺栓连接，3个试件Bi分别对应3种类型的单向螺栓。
2.3 实验方案
（1）安装扭矩初步估算：文献[8]中，8.8-NSZD16-120在安装扭矩为400 Nm时预紧力为60 kN。据此结果估算本次试验各型号单向螺栓达到相应预紧力值[10]所需的安装扭矩，如表2所示。后续根据试验结果进行调整。
（2）安装单向螺栓：使用电动扭矩扳手，按设定的扭矩值将单向螺栓安装在两个连接件Bi上，并通过辅助螺栓与试件A连接。最后将整个连接件固定在万能试验机上，使用连接钢板之间的位移计记录钢板的位移，如图7所示。
（3）加载：采用静载荷，加载速率为150N/s，直至单向螺栓断裂。
（4）获取试验结果：根据拉力试验得到荷载-位移曲线，通过分析荷载-位移曲线，可以计算出单向螺栓在当前安装扭矩下的预拉力值，根据预拉力值评估是否需要调整安装扭矩，重新进行试验，预计可以得到表2给出的对应单向螺栓应达到的预拉力值。
对12种单向螺栓共进行了41次拉伸试验，记录并汇总了每种单向螺栓在不同安装扭矩下的载荷-位移曲线，如图8所示。
分析上述荷载位移曲线可知，单向螺栓受拉过程可分为三个阶段：（1）阶段1：在预紧力的作用下，连接钢板被压缩，此阶段单向螺栓的抗拉刚度由连接钢板和单向螺栓共同提供，从以上分析可知其值为kbolt+kplate。该曲线的特点是斜率很大，几乎是一条直线，此阶段是从开始加载直到荷载达到钢板分离荷载。
（2）阶段2：预紧力消失后，单向螺栓的抗拉刚度由单向螺栓本身提供，其值为kbolt。此阶段螺栓处于弹性状态，而套筒与钢板接触部分已进入塑性状态。随着荷载的增加，套筒塑性逐渐加深，此阶段荷载-位移曲线的斜率逐渐减小。此阶段荷载从钢板分离荷载开始，直至螺栓屈服荷载。
（3）阶段3：螺钉屈服后，螺钉也进入塑性阶段，荷载-位移曲线斜率进一步减小，直至螺钉断裂。根据以上分析，单向螺栓荷载-位移曲线可简化为三线性模型，分别对应上述三个阶段，如图9所示。三个阶段末期的荷载分别为钢板分离荷载F0、螺钉屈服荷载Fy、单向螺栓拉拔承载力Fu，三个阶段的刚度分别为第一阶段刚度k1、第二阶段刚度k2、第三阶段刚度k3。
为了计算不同型号单向螺栓在不同扭矩下的预紧力，需要由荷载位移曲线得到钢板分离荷载F0、第一阶段刚度k1和第二阶段刚度k2，计算方法如下：
（1）计算钢板分离载荷F0及第一阶段刚度k1。首先确定曲线上的A点，该点对应的载荷小于钢板分离载荷。然后确定曲线第二阶段的B点，该点对应的载荷大于钢板分离载荷，且小于螺钉屈服载荷。另外，设O点为载荷-位移曲线的起点。将曲线OA、AB分别拟合为直线，计算其刚度为kOA、kAB。由于试验所用钢板厚度很大，第一阶段刚度远大于第二阶段刚度。通过改变A点的位置，可以计算出一个点A，使得kOA/kAB达到最大值。该点A对应的载荷即为钢板分离载荷F0，斜率kOA即为第一阶段刚度k1，如图10所示。
（2）计算第二阶段刚度k2：截取荷载位移曲线中A点之后、曲线最高点C之前的部分，以A点为原点建立坐标系，通过两直线段模型拟合曲线AC，AC之间及曲线上方的点为B点，连接直线AB、BC，将荷载位移曲线分为三部分，三部分的面积分别为S1、S2、S3，如图11所示。
B点满足下列方程：
为了使两条直线段ABC尽可能的贴近曲线AC，点B的位置按如下准则确定，式中，Fmodel为线段ABC对应的载荷，Fcurve为曲线AC对应的载荷。
由此确定了B点的位置，直线AB的斜率即为第二级刚度k2。
按照上述方法，可计算出41组试验中各单向螺栓的钢板分离荷载、第一阶段刚度和第二阶段刚度，进而根据公式（10）计算该单向螺栓的预拉力，如表3所示。
根据试验结果给出单向螺栓推荐安装扭矩及预紧力，如表4所示。
参照《钢结构高强度螺栓连接技术规范》（JGJ 82-2011）[10]中对高强度螺栓预拉力的规定，单向螺栓的预拉力值至少达到同类型高强度螺栓预拉力值的91.2%。
3. 结论
对12种型号的单向螺栓在不同安装扭矩下进行拉力试验，得到了其拉力荷载-位移曲线。由荷载-位移曲线得到了其在不同安装扭矩下的预紧力，并得出以下结论：
（1）单向螺栓的抗拉刚度与预紧力有关，在预紧力消失之前，抗拉刚度由连接钢板和单向螺栓提供。
(2)单向螺栓的拉伸过程可简化为三段模型，其预紧力可由拉伸荷载-位移曲线确定。
（3）根据试验结果，给出了不同类型单向螺栓的推荐安装扭矩和预拉力值。预拉力值至少是同类型高强度螺栓的91.2%。
（4）给出了各型号单向螺栓的预拉力值、安装扭矩值，为工程设计提供依据。
