钢结构高强度螺栓连接设计的一点体会.pdf

地蔗芷遮让迎 生筮5 期 北京煤炭设计研究院 集团田兰彬 摘要钢结构高强度螺栓连接其整体性和刚度较好，但费用较高。笔者根据与国外公 司合作的两个工程经验，针对高强度螺栓连接的受力特点、选型和计算中遇到的问题进行了探 讨，供设计人员参考。 关键词高强度螺栓承压型高强度螺栓 在最近我院与美国K S S 公司合作的安家岭 装车站和与英国A L s F 公司合作的天津港煤码头 钢结构设计中，所有连接节点均采用了高强度螺 栓连接方式。钢结构高强度螺栓连接是近年来迅 速发展和应用的螺栓连接新形式，因其连接的整 体性和刚度较好，在国外应用较为普遍。目前，国 内在桥梁和一些工业及民用建筑中也开始推广使 用。 1 高强度螺栓连接的类型和受力特点 采用高强度螺栓连接，螺栓受拉力时，螺栓的 预拉力增加不多，外拉力主要靠板件间夹紧力的 减少来承受，板件间始终保持夹紧状态。受剪力 时，按照设计和受力要求的不同，螺栓可分为摩擦 型和承压型两种。 1 摩擦型高强度螺栓连接。这种连接在受 剪设计时，以外剪力达到板件接触面问由螺栓拧 紧力 使板件压紧 所提供的最大摩擦力为极限。 应保证连接在整个使用期间外剪力不超过最大摩 擦力，才能由摩擦力完全承受，且板件问不会发生 相对滑移变形 螺栓杆和孔壁间始终保持原有空 隙 ，被连接件按弹性整体受力。 2 承压型高强度螺栓连接。对这种连接，受 剪设计时只保证在正常使用荷载下，外剪力一般 不会超过最大摩擦力，受力性能和摩擦型相同；若 荷载超过标准值 正常使用情况下的荷载值 ，则 剪力就可能超过最大摩擦力，被连接板件间将发 生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁一侧接触，此 后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接 触面间摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁 ．承压破坏，即达到连接的最大承载力，作为连接受 剪的极限状态。 2 高强度螺栓连接的选型 高强度螺栓连接保持了普通螺栓连接的施工 条件好、安装方便、可以拆卸等优点，还具有连接 的整体性和刚度较好的优点。不足处是在材料、 扳手、制造和安装方面有一些特殊要求，费用也较 高。因此在选用高强度螺栓连接时要充分利用其 特长，并应考虑工程造价的承受能力。 对于摩擦型和承压型高强度螺栓连接的选型 则要考虑荷载的类型、结构受力特点及连接部位 等因素。摩擦型高强度螺栓的连接由于始终保持 板件接触面间摩擦力不被克服和不发生相对滑 移，因而其整体性和刚度好、变形小、受力可靠、耐 疲劳。主要用于直接承受动力荷载结构的安装连 接和构件的现场拼接及高空安装连接。现国内已 在桥梁和一些工业与民用建筑结构中推广使用。 承压型高强度螺栓连接由于受剪时利用了摩擦力 克服后继续增长的连接承载力，因而其设计承载 力高于摩擦型，可节省螺栓用量；但与摩擦型高强 度螺栓连接相比，其整体性和刚度稍差、动力性能 万方数据 迎 生筮5 翅煤芷逡进3 1 差。主要用于承受静力或间接动力荷载结构中允 许发生一定滑移变形的连接。目前，国内由于设 计、使用经验少，应用还不多。国外已在工业与民 用建筑结构中广泛使用。 3 承压型高强度螺栓连接的设计 因承压型高强度螺栓连接国内使用的较少， 故设计参考资料较少，多数教科书对摩擦型高强 度螺栓连接介绍较详细，对承压型高强度螺栓连 接介绍较简单。我们在设计中以我国现行 简称规范 为主，同时 也参考了英美规范。 承压型高强度螺栓连接的计算。其抗剪连 接、在杆轴方向的受拉连接、同时承受剪力和杆轴 方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算，可按规 范进行。但对规范7 ．2 ．3 条第5 项规定在抗剪 连接中以及同时承受剪力和杆轴方向拉力的连接 中，承压型高强度螺栓的受剪承载力设计值不得 大于按摩擦型连接的1 ．3 倍。我们在设计中与英 方设计代表协商后没有采用。原因是英国规范没 有这条规定，若按此条设计，螺栓的数量要增加 2 嗍％，英方设计的杆件无法布置这么多螺栓。 为了保证结构的安全，我们分析了规范对此项规 定的解释“作此项规定的主要原因是到目前为 止。我们对承压型高强度螺栓的研究还不够深入， 尤其是缺乏使用经验，为慎重计，我们采用承压型 高强度螺栓的承载力不超过按摩擦型计算的1 ．3 倍来控制，相当于将承载力控制在图C 7 ．2 ．3 曲线 上的4 点处，使其安全可靠。此外，一般结构的平 均荷载分项系数约为1 ．3 ，满足此项要求的承压 型高强度螺栓在荷载标准值情况下将不致产生滑 移，这对保证结构的变形是有利的”。我们认为按 此项解释，就不能充分发挥承压型高强度螺栓的 效能。而采用承压型高强度螺栓的前提就是结构 中允许发生一定滑移变形的连接。这相当于将承 载力控制在图C 7 ．2 ．3 曲线上的3 点处。1 9 9 9 年 9 月发的 征求意见稿 中已将 规范的7 ．2 ．3 条第5 项规定取消。 图C 7 ．2 ．3 单个螺栓受剪时的工作曲线 4 承压型高强度螺栓的构造要求和施工注意事项 1 承压型高强度螺栓孔应采用钻成孔，孔径 比螺栓公称直径大1 ．卜1 ．5 唧。 2 高强度螺栓的布置通常采用并列或错列 形式，高强度螺栓行列之间以及螺栓与构件边缘 的距离要求同普通螺栓。 3 高强度螺栓的螺栓杆、螺母和垫圈均采用 高强度钢材，其成品一般都需要经热处理，以进一 步提高强度。 4 高强度螺栓的预拉力P 值，一般希望尽量 高一些，但需保证螺栓不会在拧紧过程中屈服或 断裂。规范规定设计预拉力值按下式确定 P 0 ．9 0 ．9 ／1 ．2 ‘凡 0 ．6 7 5 f y A e f y 一螺栓经热 处理后的最低屈服强度，A 。一螺栓螺纹处的有效 面积 。高强度螺栓的施工预拉力通常比设计值 超5 1 0 ％，以补偿以后松弛影响。预拉力值应 严格控制和检查。 5 使用高强度螺栓时，构件的接触面 摩擦 面 应经特殊处理，以提高其抗滑移系数。目前常 用的方法有喷砂等，为防锈可再涂无机富锌漆。 参考文献 l 钢结构设计规范 G 埘1 7 ．船 2S l i 鼬S t a I l d a I d 鼬袖嘲l 啪0 fs t e t 蛔村 责任编辑马光辉 万方数据