國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于螺栓連接計(jì)算方法的比較

引言：以我國(guó)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2003）為基礎(chǔ)，結(jié)合《美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（LRFD—2001）和《歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（EC3—1993），對(duì)三本規(guī)范中關(guān)于螺栓連接的計(jì)算方法進(jìn)行了分析與比較，有關(guān)結(jié)論可供工程技術(shù)人員了解國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的技術(shù)水平和發(fā)展動(dòng)態(tài)。

[Abstract]"On"the"basis"of"Code"for"Design"of"Steel"Structure"（GB50017—2003），"combined"with"American"Load"and"Resistance"Factor"Design"Specification"for"Structural"Steel"Buildings"（LRFD—2001）"and"European"Criterion"（EC3—1993），"the"calculating"methods"of"bolted"connection"are"introduced"and"compared."The"relevant"conclusions"can"be"referred"by"engineers"for"learning"the"development"and"the"level"of"technique"of"steel"structure"criteria.

本文以中國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）"[1]、美國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)荷載及抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法》"（LRFD-2001）[2]和《歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（EC3-1993）"[3]為例，對(duì)三本規(guī)范中關(guān)于螺栓連接的計(jì)算方法進(jìn)行了比較，找出了三本規(guī)范的差異和共同之處。

一、普通螺栓連接計(jì)算

1、普通螺栓連接只承受拉力或剪力

（1）"GB50017-2003的計(jì)算規(guī)定：

受剪承載力設(shè)計(jì)值：

""""""""（1）

受拉承載力設(shè)計(jì)值：

""""""""""（2）

其中：

式中，為受剪面數(shù)目，、為普通螺栓的抗剪和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，考慮撬力的影響，取螺栓鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的折減系數(shù)為0.8，為螺栓桿直徑，為螺栓在螺紋處的有效直徑。

（2）"LRFD-2001的計(jì)算規(guī)定：

一個(gè)螺栓的抗拉或抗剪承載力，按拉壞或剪切極限狀態(tài)確定。這里，取=0.75。對(duì)于無(wú)論是一般貼緊還是施加了預(yù)應(yīng)力均為：

"""""""""""（3）

式中，為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值或抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可由查表得到，為螺栓公稱(chēng)直徑的截面積，承載力驗(yàn)算時(shí)，荷載產(chǎn)生的拉力包含由于連接件變形所產(chǎn)生的撬力。

（3）"EC3-1993的計(jì)算規(guī)定：

受拉承載力設(shè)計(jì)值：

"""""（4）

抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算考慮螺栓屈強(qiáng)比的影響，當(dāng)螺栓材料性能等級(jí)為M4.6，5.6，8.8時(shí)，抗剪承載力設(shè)計(jì)值：

""""""（5）

當(dāng)螺栓材料性能等級(jí)為M4.8，5.8，10.9時(shí)，抗剪承載力設(shè)計(jì)值：

"""""（6）

式中，為螺栓的有效截面積，為分項(xiàng)安全系數(shù)。

可以看出，GB50017-2003假定螺栓受剪面、受拉面的應(yīng)力是均勻分布的;"LRFD-2001和EC3-1993按拉壞或者剪切極限狀態(tài)，引入抗力系數(shù)和分項(xiàng)安全系數(shù)求得承載力設(shè)計(jì)值，EC3-1993在計(jì)算抗剪承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，考慮了不同等級(jí)螺栓的屈強(qiáng)比。

2、普通螺栓連接同時(shí)承受拉力和剪力

（1）"GB50017-2003的計(jì)算規(guī)定：

"""""""（7）

式中，、為某個(gè)普通螺栓所受到的剪力和拉力。

（2）"LRFD-2001的計(jì)算規(guī)定：

按拉剪破壞極限狀態(tài)確定。當(dāng)一個(gè)螺栓同時(shí)承受拉力和剪力時(shí)，螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為，按式（8）計(jì)算：

""""""""""""（8）

"""（9）

式中，為考慮了剪應(yīng)力影響的螺栓抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;為抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;為荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力;=0.75。

同時(shí)，螺栓提供的抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于等于荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

（3）"EC3-1993的計(jì)算規(guī)定：

nbsp;""""""（10）

式中，、為某個(gè)普通螺栓所受到的剪力和拉力。

三本規(guī)范的計(jì)算方法都是基于拉剪破壞的極限狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)的，計(jì)算方法略有不同。

二、高強(qiáng)螺栓摩擦型連接計(jì)算

1、預(yù)拉力的確定

（1）"GB50017-2003的計(jì)算規(guī)定：

"""""（11）

式中，為螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度;為螺紋處的有效面積。公式中分母的1.2為考慮擰緊螺栓時(shí)扭矩對(duì)螺栓的不利影響系數(shù)，考慮螺栓材質(zhì)的不均勻性，引入一折減系數(shù)0.9，施工時(shí)為了補(bǔ)償螺栓預(yù)拉力的松弛，一般超張拉5%～10%，采用一個(gè)超張力系數(shù)0.9，為了安全起見(jiàn)引入一個(gè)附加安全系數(shù)0.9。

（2）"LRFD-2001的計(jì)算規(guī)定：

"""""""""（12）

式中，為螺紋處的有效面積，為螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度。

（3）"EC3-1993的計(jì)算規(guī)定同LRFD-2001。

由以上公式可以看出，GB50017-2003中規(guī)定預(yù)拉力值小于LRFD-2001同EC3-1993的規(guī)定值。

2、摩擦型連接僅承受剪力或拉力

（1）"GB50017-2003的計(jì)算規(guī)定：

在抗剪連接中，每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)按下式計(jì)算：

nbsp;"""""（13）

式中為傳力摩擦面數(shù)目，為摩擦面的抗滑移系數(shù)，可由查表得到，為一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力。

""""""（14）

當(dāng)外加拉力小于螺桿預(yù)拉力的80%時(shí)，無(wú)松弛現(xiàn)象發(fā)生。

（2）"LRFD-2001的計(jì)算規(guī)定：

滑移抗力設(shè)計(jì)值由滑移極限狀態(tài)確定，按下式計(jì)算：

"""（15）

式中，為滑移系數(shù)，對(duì)A級(jí)表面取=0.33，B級(jí)表面取=0.50;為反映實(shí)際螺栓預(yù)拉力與規(guī)定的最小螺栓預(yù)拉力的比值系數(shù)，取=1.13;為孔形系數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔取1.0，擴(kuò)大孔或短槽孔取0.85，長(zhǎng)槽孔取0.70;為摩擦面?zhèn)€數(shù);為螺栓最小預(yù)拉力，可查表得到。

將滑移作為正常使用極限狀態(tài)時(shí)，=1.0;要求承載能力時(shí)不發(fā)生滑移的連接，取=0.85。

（3）"EC3-1993的計(jì)算規(guī)定：

""""（16）

式中，為螺栓的預(yù)拉力，為滑移系數(shù)，對(duì)A級(jí)表面取=0.50，B級(jí)表面取=0.40，對(duì)C級(jí)表面取=0.30，D級(jí)表面取=0.20;為對(duì)于不同類(lèi)型的螺栓孔的系數(shù)，可查表得到;為分項(xiàng)安全系數(shù)，把滑移作為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)取值為1.25，作為正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)取值為1.10。

3、摩擦型連接同時(shí)承受剪力和拉力

（1）"GB50017-2003的計(jì)算規(guī)定：

"""""""""（17）

式中，、為某個(gè)高強(qiáng)度螺栓所承受的剪力和拉力;

（2）"LRFD-2001的計(jì)算規(guī)定：

當(dāng)把滑移作為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，此時(shí)按式（14）計(jì)算出的單個(gè)螺栓的滑移抗力須乘以系數(shù)：

""""""（18）

將滑移作為正常使用極限狀態(tài)時(shí)，此時(shí)按式（14）計(jì)算出的單個(gè)螺栓的滑移抗力須乘以系數(shù)：

"""""（19）

式中，為按照荷載組合得到的拉力;為按照施加荷載得到的拉力;為螺栓最小預(yù)拉力，可查表得到;為承受拉力的螺栓數(shù)。

（3）"EC3-1993的計(jì)算規(guī)定：

把滑移作為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，

""（20）

將滑移作為正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，

"（21）

GB50017-2003是按照把滑移作為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，未將滑移作為正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，LRFD-2001、EC3-1993允許設(shè)計(jì)成正常使用極限狀態(tài)不發(fā)生滑移，或者承載能力極限狀態(tài)不發(fā)生滑移。在LRFD-2001中，僅承受剪力的摩擦型連接，具有標(biāo)準(zhǔn)孔或槽孔垂直于受力方向的連接，應(yīng)把滑移作為正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，具有擴(kuò)大孔或槽孔平行于受力方向的連接，應(yīng)該把滑移作為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

三、螺栓孔承壓強(qiáng)度

（1）"GB50017-2003的計(jì)算規(guī)定：

螺栓承壓承載力設(shè)計(jì)值：

""""（22）

式中為螺栓桿直徑，當(dāng)剪切面在螺紋處，將改為有效直徑;為螺栓的承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

（2）"LRFD-2001的計(jì)算規(guī)定：

螺栓孔承壓承載力設(shè)計(jì)值為，這里=0.75，按下述方法確定。

1）連接采用標(biāo)準(zhǔn)孔、擴(kuò)大孔、短槽孔（不論荷載作用的方向）、長(zhǎng)槽孔（槽平行于孔壁壓力方向）時(shí)，一個(gè)螺栓可以承受的壓力標(biāo)準(zhǔn)值。

正常使用情況下，考慮栓孔變形因素時(shí)有：

""""（23）

正常使用情況下，不考慮栓孔變形因素時(shí)，有：

""""（24）

2）連接采用長(zhǎng)槽孔，且槽垂直于受力方向時(shí)，一個(gè)螺栓可以承受的壓力標(biāo)準(zhǔn)值：

""（25）

式中，為凈距離，沿受力方向孔邊至鄰近孔邊的距離或至連接構(gòu)件邊緣的距離;為連接件厚度;為連接構(gòu)件的最小拉力強(qiáng)度;為螺栓公稱(chēng)直徑。

（3）"EC3-1993的計(jì)算規(guī)定：

螺栓承載力設(shè)計(jì)值：

"""（26）

取;;或者1.0中的較小值。

式中，為連接件厚度;為連接構(gòu)件的最大拉力強(qiáng)度;為螺栓公稱(chēng)直徑;為螺栓孔直徑;為中心至構(gòu)件邊緣距離;為螺栓中心間距。

GB50017-2003假定螺栓承壓應(yīng)力分布于螺栓直徑平面，而且假定該承壓面上的應(yīng)力為均勻分布，LRFD-2001中承壓承載力的設(shè)計(jì)值計(jì)算方法與螺栓孔的類(lèi)型及栓孔的變形因素有關(guān)，EC3-1993承壓承載力的設(shè)計(jì)值考慮螺栓孔中心間距和至連接構(gòu)件邊緣的距離。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于普通螺栓連接來(lái)說(shuō)，三本規(guī)范的計(jì)算方法都是基于承載能力極限狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)的，計(jì)算方法略有不同，EC3-1993在承受剪力作用下計(jì)算抗剪承載力考慮了螺栓的強(qiáng)屈比的大小。

2）對(duì)于高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接來(lái)說(shuō)，GB50017-2003預(yù)拉力值小于LRFD-2001同EC3-1993的規(guī)定值;GB50017-2003是按照把滑移作為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì);LRFD-2001、EC3-1993則根據(jù)槽孔的類(lèi)型以及受力方向選擇設(shè)計(jì)成正常使用極限狀態(tài)不發(fā)生滑移或則承載能力極限狀態(tài)不發(fā)生滑移。

3）關(guān)于螺栓承壓力設(shè)計(jì)值的計(jì)算，LRFD-2001根據(jù)螺栓孔的類(lèi)型及受力方向選擇不同的承壓承載力的設(shè)計(jì)值計(jì)算方法，EC3-1993考慮螺栓孔中心間距和至連接構(gòu)件邊緣的距離來(lái)計(jì)算承壓承載力的設(shè)計(jì)值。

由上可以看出，三本規(guī)范都采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，但美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范比我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定更細(xì)致，考慮更全面，可以供工程技術(shù)人員借鑒參考。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2]AISC-2001"Load"and"Resistance"Factor"Design"Specification"for"Structural"Steel"Building.

[3]EN1993"Eurocode3："Design"of"Steel"Structures.

（作者單位：1、山西省送變電工程公司;2、中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院""）

作者簡(jiǎn)介

薛春強(qiáng)（1976-），男、漢族、本科。

朱曉東（1976-），男、漢族、研究生。

蒙春玲（1980-），男、漢族、研究生。

胡濤（1982-），男、漢族、研究生。