關(guān)于AISC 360—16與GB 50017—2017中高強(qiáng)螺栓摩擦型連接計(jì)算方法的對(duì)比分析

尹曉明，李 娟，辛?xí)暂x

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度大、自重輕、剛性好、韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代建筑中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越普遍。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是否得當(dāng)，對(duì)保證鋼結(jié)構(gòu)的整體性和可靠度，控制制造質(zhì)量和施工進(jìn)度，乃至整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)周期和成本都有直接的影響。在諸多節(jié)點(diǎn)連接形式中，高強(qiáng)螺栓摩擦型連接具有連接剛度大、變形小、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到廣泛應(yīng)用。

隨著我國涉外項(xiàng)目的快速增加，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與國外的主要規(guī)范接軌就顯得十分必要。美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范作為國際上的一種通用規(guī)范，目前在大多數(shù)國外項(xiàng)目中成為一種要求執(zhí)行的設(shè)計(jì)規(guī)范。本文依據(jù)最新版美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范AISC 360—16[1](以下簡稱美標(biāo))以及中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB 50017—2017[2](以下簡稱國標(biāo))，對(duì)高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的計(jì)算方法進(jìn)行了分析比較，包括抗剪連接、拉剪連接等，可供設(shè)計(jì)人員參考。

1 高強(qiáng)螺栓的連接形式

高強(qiáng)度螺栓連接從受力特征上分為摩擦型連接和承壓型連接[3]，而兩種連接形式又有本質(zhì)的區(qū)別。

摩擦型連接主要通過預(yù)拉力的作用使連接面壓緊，利用接觸面間的摩擦力達(dá)到抗剪目的。抗剪設(shè)計(jì)時(shí)，需保證連接在整個(gè)使用期間受到的剪力不超過最大摩擦力，板件不會(huì)發(fā)生相對(duì)變形，即螺桿和孔壁之間始終保持原有的間隙，被連接構(gòu)件按整體彈性受力考慮。摩擦性連接的剪切變形小，彈性性能好，耐疲勞，特別適用于承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)。

承壓型連接同樣需要施加預(yù)拉力從而產(chǎn)生摩擦力，當(dāng)受到的剪力大于摩擦力時(shí)，構(gòu)件之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而使螺桿受剪、孔壁承壓，以螺桿不剪壞或孔壁不被壓壞為承載力極限狀態(tài)。

高強(qiáng)螺栓本身并沒有摩擦型和承壓型之分，只不過在于設(shè)計(jì)上是否考慮滑移。摩擦型高強(qiáng)螺栓連接不能有滑動(dòng)，螺桿不承受剪力，一旦發(fā)生滑移，就被認(rèn)為連接破壞。承壓型高強(qiáng)螺栓連接允許發(fā)生滑移，螺桿可以承受剪力，最終破壞與普通螺栓破壞沒有區(qū)別。高強(qiáng)度螺栓的摩擦型連接和承壓型連接實(shí)際上是同一個(gè)連接接頭的兩個(gè)不同受力狀態(tài)階段。對(duì)同一個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接，承載力方面承壓型連接應(yīng)該高于摩擦型連接，但在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮連接板厚度和螺栓直徑的匹配。

2 高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力

2.1 國標(biāo)規(guī)定

國標(biāo)中高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力(P)計(jì)算公式如下：

式中：fu為螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度(N/mm2)，材料等級(jí)8.8級(jí)的 fu＝830N/mm2，10.9級(jí)的 fu＝1040N/mm2；Ae為螺紋處的有效面積(mm2)。

預(yù)拉力 P值以螺栓的抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，再考慮必要的系數(shù)乘以螺栓的有效截面確定。

擰緊螺栓時(shí)，除使螺栓產(chǎn)生拉應(yīng)力外，還產(chǎn)生剪應(yīng)力。在正常施工條件下，即螺母的螺紋和下支承面涂黃油潤滑劑，或在供貨狀態(tài)原潤滑劑未干的情況下擰緊螺栓，對(duì)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生顯著影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果考慮其影響系數(shù)值為1.2。

考慮螺栓材質(zhì)的不均勻性，折減系數(shù)取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%，為此采用超張拉系數(shù)0.9。

由于以螺栓的抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)，為安全起見再引入一個(gè)附加安全系數(shù)0.9。

2.2 美標(biāo)規(guī)定

美標(biāo)中高強(qiáng)螺栓的最小預(yù)拉力數(shù)值規(guī)定為：

比較兩國規(guī)范的預(yù)拉力公式可以看出，國標(biāo)計(jì)算結(jié)果小于美標(biāo)的規(guī)定值，大致相當(dāng)于美標(biāo)的0.87倍。高強(qiáng)螺摩擦型連接必須施加預(yù)拉力以達(dá)到提供摩擦力的作用，對(duì)于承壓型連接美標(biāo)中規(guī)定有些情況下允許螺栓擰緊至密貼狀態(tài)即可，不需要施加預(yù)拉力，而國標(biāo)中要求必須施加。

3 摩擦型連接的計(jì)算方法

3.1 國標(biāo)規(guī)定

高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接是靠被連接板疊間的摩擦阻力傳遞內(nèi)力，以摩擦阻力剛被克服作為連接承載能力的極限狀態(tài)。摩擦阻力值取決于板疊間的法向壓力即螺栓預(yù)拉力 P、接觸表面的抗滑移系數(shù)(μ)以及傳力摩擦面數(shù)目(nf)，故一個(gè)摩擦型高強(qiáng)度螺栓的最大受剪承載力()為knfμP除以抗力分項(xiàng)系數(shù)1.111，如下式所示：

抗滑移系數(shù)μ根據(jù)接觸面的處理方法和構(gòu)件的鋼材等級(jí)，取值在0.3～0.45，相比2003版規(guī)范，取值有所降低。同時(shí)2007版規(guī)范增加了孔形系數(shù)k，用以考慮當(dāng)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接采用大圓孔或槽孔時(shí)對(duì)抗剪承載力的折減，其中標(biāo)準(zhǔn)孔 k＝1.0，大圓孔k＝0.85，內(nèi)力與槽孔長向垂直時(shí) k＝0.7，內(nèi)力與槽孔長向平行時(shí)k＝0.6。

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)外拉力過大時(shí)，螺栓將發(fā)生松弛現(xiàn)象，這樣就喪失了摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的優(yōu)越性。為避免螺栓松弛并保留一定的裕量，國標(biāo)規(guī)定每個(gè)高強(qiáng)度螺栓在其桿軸方向的外拉力的設(shè)計(jì)值不得大于0.8P。

同時(shí)承受剪力Nv和螺桿軸向外拉力Nt的高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，其承載力可以采用直線相關(guān)公式表達(dá)，見下式：

其中，Nv為承受變剪力，Nt為螺桿軸向外拉力，為最大受剪承載力，為每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的承載力，單位都為N。

3.2 美標(biāo)規(guī)定

美標(biāo)中同時(shí)給出了適用于容許應(yīng)力法(ASD)和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(LRFD)的計(jì)算公式。由于LRFD設(shè)計(jì)法與我國的分項(xiàng)系數(shù)法類似，本文中關(guān)于美標(biāo)的介紹都是針對(duì)LRFD設(shè)計(jì)法。

美標(biāo)中規(guī)定高強(qiáng)螺栓的摩擦型連接以抗滑移為正常使用極限狀態(tài)，同時(shí)也要滿足承壓型連接的極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里主要介紹正常使用極限狀態(tài)的一些規(guī)定。

抗滑移極限狀態(tài)的抗剪承載力φRn按下式計(jì)算：

式中：μ為表面抗滑移系數(shù)，A 級(jí)表面取 0.3，B級(jí)表面取0.5；Du主要反映螺栓安裝后的平均預(yù)拉力與規(guī)定的最小預(yù)拉力的比值，可取 1.13；ns為允許連接板件之間產(chǎn)生滑移的剪切面數(shù)量；hf為墊板系數(shù)，當(dāng)被連接板間只有一塊墊板時(shí)取 1.0，當(dāng)被連接板間有多于一塊墊板時(shí)取 0.85(需要注意的是，當(dāng)所有接觸面都為 B級(jí)或都為 A級(jí)且使用轉(zhuǎn)角法施加預(yù)拉力時(shí)，可不折減)。

φ可按下列規(guī)定取值(需要注意的是，當(dāng)采用大圓孔或槽孔時(shí)，設(shè)計(jì)中對(duì)抗滑移承載力的折減并不是由于在測試中檢測到承載力的下降，而是用來反映滑移后產(chǎn)生后果的一個(gè)系數(shù))：當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)孔或槽長方向與荷載方向垂直的短槽孔，可取 1.0；當(dāng)采用大圓孔或槽長方向與荷載方向平行的短槽孔，可取 0.85；當(dāng)采用長槽孔，可取0.70。

如果摩擦型連接在受到剪力的同時(shí)還受到拉力作用，其抗滑移承載力應(yīng)考慮乘以折減系數(shù)ksc：

式中：Tu為荷載組合下的節(jié)點(diǎn)拉力；nb為受拉螺栓的數(shù)量。

同時(shí)進(jìn)行承壓型連接驗(yàn)算抗拉承載力時(shí)，應(yīng)考慮剪力的影響進(jìn)行折減。

4 中美規(guī)范中摩擦型連接計(jì)算的不同點(diǎn)

①從兩國規(guī)范的預(yù)拉力公式可以看出，國標(biāo)計(jì)算結(jié)果小于美標(biāo)的規(guī)定值，大約相當(dāng)于美標(biāo)的0.87倍。

②表面抗滑移系數(shù)μ：美標(biāo)中最大取值達(dá)到 0.5，而國標(biāo)中注明根據(jù)工程實(shí)踐及相關(guān)研究，最大值不宜超過0.45。

③在許多連接構(gòu)造中都要求使用墊板，美標(biāo)中考慮了墊板折減系數(shù)hf，用以反映設(shè)置多塊墊板時(shí)對(duì)抗滑移承載力的折減，而國標(biāo)中沒有考慮。

④美標(biāo)中考慮了螺栓安裝完成后實(shí)際的平均預(yù)拉力與規(guī)定的最小預(yù)拉力的比值Du，對(duì)抗滑移承載力進(jìn)行了放大，此數(shù)值是根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的。

⑤美標(biāo)中規(guī)定高強(qiáng)螺栓的摩擦型連接以抗滑移為正常使用極限狀態(tài)，同時(shí)也要滿足承壓型連接的極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而國標(biāo)中僅以摩擦阻力剛被克服作為連接承載能力的極限狀態(tài)，兩者有較大不同。