高強度螺栓連接的節(jié)點計算探析

丁梅芳

（宜興技師學(xué)院，江蘇 宜興 214200）

長期以來，高強度螺栓連接的節(jié)點計算，一直在困擾著人們。節(jié)點的設(shè)計五花八門，螺栓選取越來越多，連接角鋼的厚度越來越厚。盡管如此，節(jié)點的設(shè)計還不能說是安全的。為了解決這一難題，筆者在研究了有關(guān)規(guī)范和國外資料后，提出了高強度螺栓連接的節(jié)點計算方法，本計算方法適用沒有垂直或水平支撐的梁的端部連接。如圖l所示。

圖1 梁端部高強度螺栓連接

1 高強度螺栓的選取

（1）在高強度螺栓連接時，一個高強度螺栓的受剪承載力設(shè)計值Nνb的計算公式為

式中，

nf為傳力摩擦面數(shù)；

μ為摩擦面的抗滑移系數(shù)；

P為高強度螺栓的預(yù)拉力，kN。

（2）在桿軸方向受拉的連接中，一個高強度螺栓的受拉承載力設(shè)計值Ntb的計算公式為

式中，

Ntb為每個螺栓抗拉承載力設(shè)計值，kN。

（3）同時承受剪切和螺栓桿軸方向的外拉力時，一個高強度螺栓的受剪承載力設(shè)計值Nνb的計算公式為

式中，

Nt為每個高強度螺栓在其桿軸方向的拉力，其值不得大于0.8 P，kN。

2 連接角鋼的計算

在承受剪切和桿軸方向的拉（壓）力時，連接角鋼（圖l截面I處）的計算：

（1）抗剪強度計算公式為

（2）抗拉（壓）強度計算公式為

（3）折算應(yīng)力計算公式為

以上各式中，

V為連接角鋼承受的剪切力，N；

N為連接角鋼承受的桿軸方向的拉（壓）力，N；

A為連接角鋼截面I處的總面積，mm2。

3 連接角鋼的厚度選取及驗算

3.1 連接角鋼的厚度選取

當(dāng)采用高強度螺栓連接，受有桿件軸向拉力時，必須考慮杠桿作用力，如圖2所示。

圖2 受桿件軸向接力時節(jié)點連接的受力

圖中，

T為每個螺栓的外施拉力（不包括預(yù)緊力和杠桿力），kN；

Q為在設(shè)計荷載下，每個螺栓的杠桿力，kN；

a為螺栓中心線至角鋼肢（T型鋼翼緣或鋼板）邊緣距離，不得大于1.25 b，mm；

b為螺栓中心線至角鋼（T型或鋼板）根部的距離，mm；

d為螺栓直徑，mm；

b′=b– d/2，mm；

a′=a+d/2，mm。

此時連接角鋼（T型鋼或鋼板）的厚度（圖1截面II處）選取或驗算按下述步驟進行

式中，

tc為在不考慮杠桿力時，按每個螺栓抗拉承載力設(shè)計值選取的連接角鋼（T型鋼或鋼板）的厚度，mm；

f為連接角鋼（T型鋼或鋼板）的強度設(shè)計值，N·mm2；

l為沿角鋼（T型鋼或鋼板）長度方向的一個螺栓所分擔(dān)的長度，mm。

（1）根據(jù)螺栓規(guī)格和所受外力，確定螺栓的數(shù)量，T ≤ N。

（2）根據(jù)下式初選角鋼（T型鋼或鋼板）的厚度

式中，

t為初選厚度，mm。

同時計算 b、a（≤1.25 b）、b′、a′、ρ、δ各值

δ為螺栓排列線處翼緣凈截面面積與毛截面面積之比；

δ=1–（do/l），do為螺栓孔徑，mm。

（3）計算β。

a′為當(dāng)需要最小厚度（tr）或每個螺栓允許最大拉力（Tα）時 a的值；

若 β≥ 1，a′=1；

（4）計算所需厚度tr。

若tr≤t，所選厚度滿足要求；

若tr＞t，重新選擇厚度t≥tr，或者改變幾何尺寸，b和 l按式（6）和式（7）重算。

（5）杠桿力Q可以按下式計算。

a為螺栓中心線處的彎距與角鋼（T型鋼或鋼板）根部的彎距的比值（0≤a≤1.0）；

若a＜0，a取0。

（6）當(dāng)不考慮杠桿力時，令a=0，并按下式計算所需厚度tr

（7）當(dāng)連接角鋼（T型鋼或鋼板）單側(cè)為雙排孔時，仍用上述方法計算，但只考慮內(nèi)排高強度螺栓的抗拉能力，采用a=1.25 b。

3.2 考慮杠桿力后高強度螺栓承載力的驗算

根據(jù)公式（9）可以計算杠桿力，每個螺栓承受的拉力為 T+Q，按公式（2）、（3）對一個高強度螺栓的受拉承載力和受剪承載力進行驗算，若不滿足，應(yīng)增加螺栓的數(shù)量，重新算。

4 應(yīng)用實例

4.1 手算示例

已知：腹板厚16 mm，拉力為 863 kN，剪力為658 kN，使用10.9 SM22螺栓，C/C140 mm，角鋼材料 Q 235，μ=0.4。

（1）選取螺栓數(shù)

取n=16個，

每個螺栓承剪力

每個螺栓受剪力

（2）初選角鋼厚度。

設(shè)b=40 mm，

計算b=70-8-20.8=41.2；

a=48.5；

b′=30.2；

a′=59.5（見圖3）。

圖3 連接示意圖

取 α'=1。

（5）杠桿力Q計算。

（6）考慮杠桿力后，高強度螺栓承載力驗算：抗拉承載力滿足。

抗剪承載力

應(yīng)增加螺栓數(shù)量，取 n=18，按上述步驟重算（略）。

4.2 計算機計算

為了使用方便，根據(jù)本方法可編制計算程序，只要輸入邊界條件拉力、剪力和腹板厚度，就可以計算出螺栓數(shù)量、連接件厚度和連接焊縫尺寸。當(dāng)需要時，也可以預(yù)先輸入螺栓的數(shù)量進行計算。

根據(jù)我國角鋼的規(guī)格，當(dāng)t≤20 mm時，選用角鋼；當(dāng)t＞20 mm時，程序自動選用鋼板。

5 結(jié)束語

高強度螺栓連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中最常用的連接方式,但是由于設(shè)計構(gòu)造上的不當(dāng)，發(fā)生了一些破壞，構(gòu)件的節(jié)點連接的破壞比較普遍。因此，高強度螺栓連接的節(jié)點設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中的重要環(huán)節(jié)。

[1]王伯琴.高強度螺栓連接[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

[2]李星榮.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計手冊[K].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]王國強.淺談多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點[J].山西建筑，2007，33(11)：98-99.