中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范關(guān)于高強螺栓性能及連接構(gòu)造要求的對比

李 娟，尹曉明，王江宏

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，其中螺栓連接是目前比較常見的連接形式。螺栓連接中分為普通螺栓和高強螺栓，其中高強螺栓憑借連接緊密、強度高、耐疲勞、裝卸方便、比普通螺栓變形小等特點應(yīng)用最為廣泛。

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，涉外的工程建設(shè)項目也越來越多，對于鋼結(jié)構(gòu)的涉外項目而言，大多執(zhí)行美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，其已成為國外項目通用的設(shè)計規(guī)范。因此，了解美標中關(guān)于螺栓連接的相應(yīng)要求顯得十分必要。

本文根據(jù)目前最新版本的美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范AISC 360—16[1](以下簡稱美標)與中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準 GB 50017—2017[2](以下簡稱國標)介紹了中美設(shè)計規(guī)范中關(guān)于高強螺栓性能參數(shù)及連接的構(gòu)造要求，并進行了對比分析，可供設(shè)計人員參考。

1 高強螺栓的分類

1.1 國標中高強螺栓的分類

國標中高強螺栓主要分為兩種，一種是用于摩擦型連接和承壓型連接的高強螺栓，級別包括8.8級和10.9級；一種是用于螺栓球節(jié)點的高強螺栓，級別包括9.8級和10.9級。

為了方便與美標進行對比，本文主要針對用于摩擦型連接和承壓型連接的高強螺栓進行介紹。

1.2 美標中高強螺栓的分類

美標中將高強螺栓分為A組、B組和C組3種。

A組包括 ASTM F3125/F3125M Grades A325、A325M、F1852 and ASTM A354 Grade BC；B組包括ASTM F3125/F3125M Grades A490、A490M、F2280 and ASTM A354 Grade BD；C組包括ASTM F3043 and F3111。

2 高強螺栓連接的強度指標

國標和美標中，都是采用螺栓的抗拉強度最小值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)美國規(guī)范 ASTM A 490—09[3]、美國規(guī)范ASTM A 325—02[4]以及國標，表1中給出了高強螺栓鋼材力學(xué)性能的對比。

表1 中美高強螺栓鋼材力學(xué)性能對比Tab.1 Comparison of mechanical properties of highstrength bolts in Chinese and American codes

從表1可以看出，美國規(guī)范中的A325相當于國內(nèi)高強螺栓的 8.8級，A490相當于國內(nèi)高強螺栓的10.9級，其中A325根據(jù)不同的螺栓直徑其抗拉強度在一定范圍內(nèi)變化。值得注意的是，美標中對于擰緊至緊密貼合狀態(tài)(snug-tighten)的高強螺栓僅要求工人用普通扳手將螺栓擰緊，對螺栓的預(yù)拉力沒有特定的要求，其他使用條件與普通螺栓連接要求一致，在國內(nèi)規(guī)范中則沒有與其對應(yīng)的形式(國內(nèi)高強螺栓均要求施加預(yù)拉力)，實際上這種連接僅僅是利用了高強螺栓的強度。

美標中螺栓的抗拉強度設(shè)計值為 0.75Fnt(Fnt為抗拉強度標準值)，可取0.75，式中系數(shù)0.75考慮了螺栓的螺紋部分有效面積與螺栓桿體面積比的近似值，因而對應(yīng)抗拉面積可取為桿體的公稱面積。螺栓的抗剪強度設(shè)計值為0.75Fnv(Fnv為抗剪強度標準值)，當剪切面發(fā)生在螺紋位置時，F(xiàn)nv為 0.45，對應(yīng)受剪面積應(yīng)按螺紋處的有效截面積進行計算；當剪切面不發(fā)生在螺紋位置時，F(xiàn)為 0.5635，對應(yīng)受

nv剪面積可取為桿體的公稱面積。

3 高強螺栓的構(gòu)造要求

3.1 螺栓孔尺寸

表 2和表 3分別給出了國標和美標的高強螺栓開孔尺寸，從表中可以看出開孔尺寸基本一致，不同的是美標中槽孔又細分為長槽孔和短槽孔，國標中槽孔的尺寸介于上述兩者之間。對于承壓型連接，國內(nèi)一般采用標準孔，而美標中除了標準孔外還允許應(yīng)用于荷載垂直于槽孔的連接。

表2 高強螺栓孔尺寸(國標)Tab.2 Nominal hole dimensions of high-strength bolts in GB 50017—2017

表3 高強螺栓孔尺寸(美標)Tab.3 Nominal hole dimensions of high-strength bolts in AISC 360—16

3.2 螺栓排列中距及邊距的要求

螺栓的排列應(yīng)力求簡單、統(tǒng)一而緊湊，既要滿足受力要求，也要構(gòu)造合理，便于施工?？紤]到螺栓的受力、構(gòu)造、施工要求，根據(jù)螺栓孔徑直徑、鋼材邊緣加工情況以及受力方向，對螺栓排列的中距及邊距有最大、最小限值要求，即最大和最小容許距離。

國標中螺栓的最大和最小容許距離見表4。

美標中螺栓孔中心至邊緣的最小距離要求見表5，最大距離為被連接件厚度的 12倍且不能超過150mm。美標中螺栓孔中心距的最小間距不能小于22/3倍螺栓公稱直徑，最好不小于 3倍直徑。最大距離分為以下兩種情況：

表4 螺栓的孔距和邊距容許值(國標)Tab.4 Allowable values for distance between centers of holes and edge distance in GB 50017—2017

表5 標準孔中心至板件邊緣的最小距離(美標)Tab.5 Minimum distance from center of standard hole to edge of connected part in AISC 360—16

①對于噴涂過的構(gòu)件或者未噴涂但不受到腐蝕的構(gòu)件，不能超過 24倍較薄連接部分厚度且不能超過300mm。

②對于未噴涂過且受到大氣腐蝕的構(gòu)件，不能超過14倍較薄連接部分厚度且不能超過180mm。

通過對比可以看出，對于螺栓孔中心最小距離的要求，國標和美標的規(guī)定基本相同，國標更嚴格一些；最大距離國標是從不同受力情況分別考慮的，而美標是根據(jù)構(gòu)件的表面噴涂和腐蝕環(huán)境情況分別考慮的。對于螺栓孔中心至邊緣的最小距離，美標給出的數(shù)值還需滿足端部撕裂計算的要求，而國標給出的數(shù)值已經(jīng)考慮了防止鋼板在端部被螺栓撕裂的情況(順內(nèi)力方向的 2d0)，對于高強螺栓而言，國標的規(guī)定更加嚴格。對于最大距離的規(guī)定兩國規(guī)范也有一定區(qū)別。

4 結(jié) 論

通過對比可知，美標中對于擰緊至緊密貼合狀態(tài)(snug-tighten)的高強螺栓僅要求工人用普通扳手將螺栓擰緊，對螺栓的預(yù)拉力沒有特定的要求，其他使用條件與普通螺栓連接要求一致，實際上這種連接僅僅是利用了高強螺栓的強度；在國標中沒有與其對應(yīng)的形式(國標高強螺栓均要求施加預(yù)拉力)。

對于最小距離(孔距和邊距)的要求，國標的規(guī)定更加嚴格；對于最大距離的規(guī)定兩國規(guī)范也有一定區(qū)別。