高強螺栓承壓型連接在中美規(guī)范中計算方法的比較

尹曉明，李娟，張興

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

在鋼結構設計中，連接節(jié)點的設計是一個重要環(huán)節(jié)。在各種節(jié)點連接形式中，高強螺栓承壓型連接更能發(fā)揮鋼材的強度作用，經濟性能更好。

目前涉外項目大多數執(zhí)行美國鋼結構設計規(guī)范，因此本文根據美國鋼結構設計規(guī)范AISC 360-16[1]（以下簡稱美標）與中國設計標準GB 50017-2017《鋼結構設計標準》[2]（以下簡稱國標）介紹中美設計規(guī)范中關于高強螺栓承壓型連接的相應規(guī)定，并對比分析了螺栓連接設計中的計算方法。

1 高強螺栓連接的兩種基本形式

高強度螺栓連接從受力特征上分為摩擦型連接和承壓型連接。摩擦型連接主要通過預拉力的作用下使連接面壓緊，利用接觸面的摩擦力從而達到抗剪目的。

承壓型連接同樣需要施加預拉力來產生摩擦力，當受到的剪力大于摩擦力時，構件之間發(fā)生相對滑動，直到螺桿和孔壁接觸壓實，發(fā)生破壞。承壓型連接的承載能力較高，連接緊湊，但剪切變形較大，一般應用于承受靜力荷載，不能用于直接承受動力荷載的連接。

但實際上很多國外工程公司推薦采用承壓型連接，因為在工程中，實際發(fā)生的滑移量非常小。這是因為正常的制造誤差導致螺栓孔定位不準確，使得一個或多個螺栓孔在施加荷載前就已經接觸螺桿；即使在螺栓孔定位非常精確的情況，常規(guī)的安裝方法也會使若干螺栓在自重的作用下與孔壁發(fā)生接觸，所以連接節(jié)點在荷載作用下不會產生顯著的位移。RCSC[3]也有這方面的描述：對于節(jié)點包含不少于3個螺栓的情況，當螺栓孔的間隙很小時，例如采用了標準孔或者荷載垂直于槽孔的連接，一般不必考慮節(jié)點發(fā)生的滑移。

2 高強螺栓承壓型連接的破壞形式

高強螺栓承壓型連接與普通螺栓的破壞形式相同，主要有以下幾種：

(1)當螺桿直徑較小且構件較厚時，螺桿可能先被剪斷；(2)當螺桿直徑較大且構件較薄時，螺栓孔壁可能先被擠壞，即發(fā)生孔壁的承壓破壞；(3)構件由于螺栓孔的存在截面削弱太多從而發(fā)生塊狀撕裂；(4)由于端距太小導致端距范圍內的板件可能被螺桿剪壞。

3 高強螺栓承壓型連接的計算方法

3.1 國標規(guī)定

由于高強螺栓承壓型連接可能發(fā)生的破壞形式與普通螺栓連接相同，故計算方法也基本一致，計算時不需要考慮施加的預拉力。

螺栓承受剪力時承載力取螺桿抗剪承載力Nvb（式1）和孔壁承壓承載力Ncb（式2）的較小值：

式中：nv為受剪面數目；d為螺桿直徑；∑t為在不同受力方向中一個受力方向承壓構件總厚度的較小值；fvb為螺栓的抗剪強度設計值，數值上fvb取為0.3fub；fcb為螺栓的承壓強度設計值；fub為高強螺栓的鋼材抗拉強度。

與普通螺栓不同的是，當計算剪切面在螺紋處時，Nvb應按螺紋處的有效截面積進行計算。普通螺栓的抗剪強度設計值是根據連接的試驗數據統(tǒng)計而定的，試驗時不分剪切面是否在螺紋處，故普通螺栓沒有這個問題。

式3給出了螺栓桿軸方向的受拉承載力Ntb：

式中：de為螺栓在螺紋處的有效直徑；ftb為螺栓的抗拉強度設計值，數值上取0.48fub。

螺栓受拉時有螺紋的部分起控制作用，由于螺紋是斜向的，所以采用的是有效直徑，不是凈直徑。其中de=d-13/24√3 t，t為螺距。

在式3中同時考慮了螺栓垂直連接件的剛度對螺栓抗拉承載力的影響。由于螺栓受拉時通常不能使拉力正好作用在螺栓軸線上，必須通過與螺栓垂直的連接件進行傳遞。當連接件剛度不大時受力后會發(fā)生變形，有被拉開的趨勢，從而形成杠桿作用，使螺桿中的拉力增加并產生彎曲現象，這種作用額外引起的力Q被稱為撬力，如圖1所示。

撬力的大小與連接件的剛度有關，剛度越小，撬力越大，反之則越??；同時撬力也與螺栓的直徑和所在位置等因素有關。目前規(guī)范的做法是將螺栓鋼材的抗拉強度設計值進行折減作為螺栓抗拉強度設計值，用以考慮撬力的影響。另外在構造上也可采取設置加勁肋等措施加強連接件的剛度，從而減小撬力的影響。

圖1 連接件剛度不足引起的撬力

同時承受剪力和桿軸方向拉力的承壓型連接，當承載力符合以下兩個公式的要求時，可保證螺桿不致在剪力和拉力聯合作用下被破壞。

式中：Nv、Nt分別為所計算的某個高強度螺栓所承受的剪力和拉力；其中公式(5)是保證連接板件不致因承壓強度不足而破壞。由于只承受剪力的連接中，高強度螺栓對板疊有強大的壓緊作用，使承壓的板件孔前區(qū)形成三向壓應力場，因而其承壓強度設計值比普通螺栓的要高得多。但對受有桿軸方向拉力的高強度螺栓，板疊之間的壓緊作用隨外拉力的增加而減小，因而承壓強度設計值也隨之降低。承壓型高強度螺栓的承壓強度設計值是隨外拉力的變化而變化的。為了計算方便，國標規(guī)定只要有外拉力作用，就將承壓強度設計值除以1.2予以降低。所以式（5）中右側的系數1.2實質上是承壓強度設計值的降低系數。

3.2 美標規(guī)定

美標中同時給出了適用于容許應力法（ASD）和概率極限狀態(tài)設計法（LRFD）的計算公式。由于LRFD設計法與我國的分項系數法類似，所以本文主要介紹LRFD設計法。

螺栓的抗剪或抗拉承載力φRn可根據以下公式確定，其中φ可取0.75：

Fn為抗剪強度標準值Fnv或抗拉強度標準值Fnt；Fnt為0.75Fu，其中Fu為螺栓鋼材抗拉強度，Ab為桿體的公稱面積；式中系數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。承載力驗算時，計算荷載產生的拉力應包含連接板件變形產生的撬力。

當剪切面發(fā)生在螺紋位置時，Fnv為0.45Fu；當剪切面不發(fā)生在螺紋位置時，Fnv為0.563Fu。系數0.563考慮了剪力與拉力比0.625以及長度折減系數0.90的影響。系數0.45等于0.563的80%，這是考慮了當螺紋在剪切平面內時螺紋部分面積的折減。當連接長度超過950mm時，要求用0.75代替初始折減系數0.90以便確定螺栓連接抗剪承載力Fnv。

在拉力和剪力聯合作用下，由于剪力的存在，螺栓的抗拉承載力φRn會有所降低，計算見下式：

其中：φ可取0.75； Fnt‘=1.3Fnt-Fnt/(φFnv) frv≤Fnt；frv為采用LRFD荷載組合時計算的剪應力。同時螺栓提供的抗剪強度應不小于frv。

當荷載產生的剪應力或者拉應力不大于螺栓可提供強度的30%時，可不考慮組合應力的影響。

承壓承載力是用來保護螺栓孔壁不被擠壞的，并不是用來保護螺栓本身的。因此無論螺栓抗剪強度的大小以及與螺栓孔接觸的范圍是否存在螺紋，都可以采用相同的承壓承載力值。

螺栓孔的承壓強度φRn，需要滿足以下要求：

(1)當采用標準孔、擴大孔、短槽孔及受力方向與槽長方向平行時的長槽孔：

在正常使用荷載作用不允許螺栓孔變形的情況下：Rn=2.4 dtFu；

在正常使用荷載作用允許螺栓孔變形的情況下：Rn=3.0 dtFu。

(2)當采用受力方向與槽長方向垂直時的長槽孔：Rn=2.0 dtFu；

為了防止撕裂，規(guī)范中給出了相鄰兩螺栓孔邊緣之間和螺栓孔邊緣和連接件邊緣之間的抗撕裂強度φRn：

(1)當采用標準孔、擴大孔、短槽孔及受力方向與槽長方向平行時的長槽孔：

在正常使用荷載作用不允許螺栓孔變形的情況下：Rn=1.2 lctFu；

在正常使用荷載作用允許螺栓孔變形的情況下：Rn=1.5 lctFu

(2)當采用受力方向與槽長方向垂直時的長槽孔：Rn=1.0 lctFu

公式中l(wèi)c為受力方向上相鄰兩螺栓孔邊緣之間或螺栓孔邊緣和連接件邊緣之間的凈距。

3.3 計算方法的對比

中美規(guī)范計算方法主要有以下幾點不同：

(1)美標計算了相鄰兩螺栓孔邊緣之間以及螺栓孔邊緣和連接件邊緣之間的撕裂計算，國標中沒有類似的防撕裂計算，而是采用最小螺栓孔中心距和最小螺栓孔邊距的構造要求保證不發(fā)生撕裂破壞；

(2)拉剪聯合作用時，國標中拉力和剪力的關系近似為一個圓曲線，而美標中利用三段直線替代圓關系曲線進行簡化，兩者產生的偏差很小；

(3)國標中螺栓的抗剪強度沒有考慮是否發(fā)生在螺紋位置，因此當剪切破壞發(fā)生在螺紋位置時，應按螺紋處的有效截面積進行計算；而美標中螺栓的抗剪強度已經區(qū)分了是否發(fā)生在螺紋位置，所以在考慮受剪面積時直接應用螺桿的公稱面積即可；

(4)美標中計算螺栓抗剪承載力時，Ab應該乘以剪切面的數量；

(5)國標中螺栓的有效面積與公稱面積之比略大于0.75，可近似取0.75，所以美標中螺栓抗拉強度設計值約為國標的1.5倍（0.75/0.48）左右，明顯高于國標；

(6)螺栓受拉計算中，國標中通過降低螺栓的抗拉強度設計值來考慮撬力的影響，而美標中計算荷載產生的拉力應包含連接板件變形產生的撬力。

◆參考文獻

[1] American Institute of Steel Construction inc. “Specification for Structural Steel Buildings”[S].ANSI/AISC 360-16.

[2] GB 50017-2017，鋼結構設計標準[S].

[3] Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts[S].RCSC,2004.