高强度螺栓连接的设计计算

1、第39卷第1期建筑结构2009年1月高强度螺栓连接的设计计算蔡益燕(中国建筑标准设计研究院,北京100044)1高强度螺栓连接的应用高强度螺栓连接分为摩擦型和承压型。钢结构(G设计规范B500172003)(简称钢规)指出“目前制造厂生产供应的高强度螺栓并无用于摩擦型和承压型连接之分”“,因高强度螺栓承压型连接的剪切变形比摩擦型的大,所以只适用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构”。因为承压型连接的承载力取决于钉杆剪断或同一受力方向的钢板被压坏,其承载力较之摩擦型要高出很多。最近有人提出,摩擦面滑移量不大,因螺栓孔隙仅为1152mm,而且不可能都偏向一侧,可以用承压型连接的承载力代替摩擦型连

2、接的,对结构构件定位影响不大,可以节省很多螺栓,这算一项技术创新。下面谈谈对于这个问题的认识。在抗震设计中,一律采用摩擦型;第二阶,摩擦型连接成为承压型连接,要求连接的极限承载力大于构件的塑性承载力,其最终目标是保证房屋大震不倒。如果在设计内力下就按承压型连接设计,虽然螺栓用量省了,但是设计荷载下承载力已用尽。如果来地震,螺栓连接注定要破坏,房屋将不再成为整体,势必倒塌。虽然大部分地区的设防烈度很低,但地震的发生目前仍无法准确预报,低烈度区发生较高烈度地震的概率虽然不多,但不能排除。而且钢结构的尺寸是以mm计的,现代技术设备要求精度极高,超高层建筑的安装精度要求也很高,结构按弹性设计允许摩擦面

3、滑移,简直不可思议,只有摩擦型连接才能准确地控制结构尺寸。总体说来,笔者对上述建议很难认同。2高强度螺栓连接设计的新进展钢规的715节“连接节点板的计算”中,提出了支撑和次梁端部高强度螺栓连接处板件受拉引起的剪切破坏形式(图1),类似破坏形式也常见于节点板连接,是对传统连接计算只考虑螺栓杆抗剪和钉孔处板件承压破坏的重要补充。1994年美国加州北岭地震和1995年日本兵库县南部地震,是两次地震烈度很高的强震,引起大量钢框架梁柱连接的破坏,受到国际钢结构界的广泛关注。震后,两国都出台了很多新规定。其中,在高强度螺栓连接方面,增加了设计时需要验算的新的破坏形式。图2是美国联邦突发事件管理局标准FEM

4、A3501列出的螺栓连接破坏的新形式。图3是日本新标准钢结2构极限状态设计指南中梁腹板与柱现场连接插图,用以说明梁柱连接计算的新方法,其中,考虑弯矩由翼缘连接和腹板连接的上下各一部分承受,剪力由腹板连接的中间部分承受。大量试验表明,这种计算方法是偏于安全的。根据假设采用的腹板连接受弯部分,中Ans,nt。图1螺栓(铆钉)连接板件的撕裂(G建筑抗震设计规范B500112001)在计算钢结构高强度螺栓连接的极限承载力计算时,规定取下列二式计算的较小者,式中符号说明可见规范。Nvu=0158nnfAefvu,Ncu=ndbbbbtfcub高钢规程修订组参考日本建筑学会钢结构连接3设计指南2001的规

5、定,结合我国情况,在现行高钢规程的基础上,拟定了修订方案。其中,梁端连接系数是按照螺栓连接的承载力抗震调整系数RE取与梁的该系数相同的0175采用的。根据日本的研究,螺栓连接的连接系数应高于焊缝的连接系数,但对不同强度的钢材取不同值,钢材性能越高,连接系数越低。连接系数的作用是使连接的极限承载力大于构件的塑性承载力,并且要考虑构件所用钢材的超强和应变硬化效应。作者简介:蔡益燕,教授级高工,一级注册结构工程师。73图2美国FEMA350中螺栓连接破坏形式示例bb者;fvu为螺栓极限抗剪强度;fcu为连接板件的极限承压强度,取115fu,fu为连件板件抗拉强度最小值。313单列高强度螺栓连接时的极

6、限受拉承载力应按下式计算:Nbbbb=minNvu,Ncu2,Ncu3bb式中:Ncu2为板边拉脱时的受拉承载力(图4(b);Ncu3图3日本梁腹板与柱现场螺栓连接计算示例为板件沿螺栓中心线挤穿时的受拉承载力(图4(c)。314多列高强螺栓连接时的极限受拉承载力应按下式计算:Nbbbbb=minNvu,Ncu2,Ncu3,Ncu4b式中:Ncu4(图4(a)。bb31Ncu2Ncu4应按3高强度螺栓连接计算311高强度螺栓连接的极限受拉承载力,应符合下列要求:NuNb:bNcu=(0.5Ans+Ant)fu式中:Nbu为高强度螺栓连接的极限受拉承载力,件或螺栓的极限承载力计算;N力,采用的设计

7、内力,RE;为连接系数,按表1连接系数建议值钢材Q235Q345GJ钢材系数:Ans为平行于拉脱方向的板件受剪净截面面积,Ant为垂直于拉脱方向的板件受拉净截面面积(图4)。表1梁端连接支撑连接、构件拼接焊缝和母材螺栓受剪焊缝和母材螺栓受剪114011451125113011301135112011251125113011151120图4板件拉脱、挤穿时的受拉和受剪截面计算注:低合金结构钢屈服强度高于Q345的钢材可按Q345的规定采用;母材是指与其强度有关的连接强度系数,如承压强度等。其中,螺栓连接的连接系数比焊缝的稍高,是因为日本螺栓的强屈比统计值低于母材的强屈比统计值,而焊缝的强度偏于安

8、全地取与母材相同。4几点说明312仅考虑螺栓受剪和板件承压时的高强度螺栓极限受拉承载力,应按下列规定计算:Nu=minNvu,Ncu1Nvu=0158nnfAefvuNcu1=ndbbbbbbb图1和图2中的破断线都是沿孔中心线(整列挤穿除外),其面积较小;而图3和图4(a),(b)的破断线的剪切破坏部分是与孔边相切的,后者显然偏大。315节中表达式的Ans项前面有系数015,且抗剪和抗拉的极限强度都用了fu,显然是近似公式,但可使计算显著简化。而按中心线计算破断线和抗剪抗拉的极限强度采用不同值,计算式要复杂得多。美国的相应计算公式目前尚未看到。参考文献1RecommandedSeismicDesignCriteriaforNewSteelMomenr2frameBuildingsFEMA350S.2004.2日本建筑学会.钢结构极限状态设计指南S.2002.3日本建筑学