关于钢结构高强度螺栓连接的几点认识

关于钢结构高强度螺栓连接的几点认识

1按真型连接的设计方法确定螺母连接分为摩擦和压力。《钢结构设计规范》(GB50017—2003)(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1.5～2mm,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,主要承重结构的高强度螺栓连接一律采用摩擦型。连接设计分为两个阶段:第一阶段按设计内力进行弹性设计,要求摩擦面不滑移;第二阶段进行极限承载力计算,此时考虑摩擦面已滑移,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螺栓连接的验算钢规的7.5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FEMA350列出的螺栓连接破坏的新形式。图3是日本新标准《钢结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,要验算板件防止受拉受剪板件脱落时的承载力。图中,Ans,Ant分别为图示板件剪切破坏和拉伸破坏的断面面积。《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)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。Νbvu=0.58nnfAbefbvu‚Νbcu=nd∑tfbcuNbvu=0.58nnfAbefbvu‚Nbcu=nd∑tfbcu高钢规程修订组参考日本建筑学会《钢结构连接设计指南》2001的规定,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γRE取与梁的该系数相同的0.75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。3基于高强度螺钉连接的计算3.1螺栓连接的设计拉力Νbu≥αΝ式中:Nbu为高强度螺栓连接的极限受拉承载力,按构件或螺栓的极限承载力计算;N为螺栓连接的设计拉力,按连接板件或连接螺栓屈服时承载力中的较大值采用的设计内力,抗震设计时应除以γRE;α为连接系数,按表1的规定采用。3.2螺栓抗剪强度Νbu=min{Νbvu,Νbcu1}Νbvu=0.58nnfAbefbvuΝbcu1=nd∑tfbcu式中:Nbvu为n个螺栓的极限受剪承载力;Nbcu1为螺栓连接的板件极限承压承载力;Abe为螺栓有效截面面积;n为连接的螺栓数;nf为连接的剪切面数目;d为螺栓公称直径;∑t为同一受力方向钢板厚度之和的较小者;fbvu为螺栓极限抗剪强度;fbcu为连接板件的极限承压强度,取1.5fu,fu为连件板件抗拉强度最小值。3.3板边拉脱受拉承载力Νb=min{Νbvu,Νbcu2,Νbcu3}式中:Nbcu2为板边拉脱时的受拉承载力(图4(b));Nbcu3为板件沿螺栓中心线挤穿时的受拉承载力(图4(c))。3.4根据下式计算多臂高速锁的闭合极限高度的负荷Νb=min{Νbvu,Νbcu2,Νbcu3,Νbcu4}式中:Nbcu4为板中拉脱时的受拉承载力(图4(a))。3.5拉脱方向板件与ansΝbcu=(0.5Ans+Ant)fu式中: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)。4《困境》的b的破断续、剪切破坏深度计算图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,