高强度螺栓连接的应用问题探讨

陈友泉：高强度螺栓连接的应用问题探讨高强度螺栓连接的应用问题探讨陈友泉（浙江杭萧钢构股份有限公司杭州３１０００３）摘要在钢结构工程中对高强度螺栓的设计与施工应结合其具体构造情况，采用不同的设计和施工方案，以求达到经济性和合理性。对高强度螺栓施加预拉力所产生的作用和影响进行了分析，指出高强度螺栓是否有预拉力不影响连接的极限承栽力，但其预拉力对于保证节点的刚度具有重要性和必要性。为施工安装方便，考虑高强度螺栓连接构造的多样化具有现实意义。关键词高强度螺栓预拉力受拉螺栓ＲＥＳＥＡＲＣＨＩＮＴｏＵＳＥｏＦＨＩＧＨ．ＳＴＲＥＮＧＴＨＢｏＬＴＣｏＮＮＥＣＴＩｏＮＳＣｈｅｎＹＯｕａｕａｎ（ＺｈｅｊｉａｎｇＨａｎｇｘｉａｏＳｔｅｅｌＳｔｍｃｔｕｒｅＳＣｏ．，ＬｔｄＨａｎｇｚｈｏｕ３１０００３）ＡＢ册ｌＡＣＴｓｔｒｕｃｔｕｒａｌＩｎｏｒｄｅｒｔｈａｔａｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｅｎ西ｎｅｅｒｉｎｇｉｓｅ∞ｎｏｍｉｃａｌａｎｄｒａｔｉｏｎａｌ，ｖａｒｉｏｕｓｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ１１ｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈＭｔｍｏｄｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅａｐｐｌｉｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｅｎ西ｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎｏｆ１１ｉｇｈ＿ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔｓｄｏｅｓｎｏｔｂｏｌｔｓｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔｉｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｔｅ璐ｉｏｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ．ＢｕｔｔｈｅｐｒｅｔｅｎＳｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．ＩｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄＫＥＹｔｏｕｓｅｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎ昏ｈｂｏｌｔｓｉｓｉｍｐｏｒｔａＪｌｔａｎｄｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｅｎＳｕｄｎｇｔｈｅｒｉｇｉｄｉｔｙｏｆｏｆ｝ｌｉｇｈ＿ｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔｃｏＩｍｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅｏｆｓｔｅｅｌｅｒｅｃｔｉｏｎ．ｔｅｎｓｉｌｅｂｏｌｔｔｈｅｖａｒｉｅｔｙＷｏＲＤＳ｝ｌｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎ高强度螺栓连接是钢结构工程中广泛使用的一种连接形式，随着建筑钢结构工程日益产业化、标准施加了预拉力的高强度螺栓，在外荷载作用下受拉时，其预拉力将被部分释放，螺栓中的拉应力并不随外荷载呈线性迭加关系，在即将拉断的极限状态时，螺栓杆中的拉应力只与外力有关，与原先是否有预化，尤其在轻钢房屋钢结构中采用高强度螺栓连接方式比现场焊接具有更好的综合经济性和合理性，其质量的控制也比现场焊接更为方便，《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３）对高强度螺栓连接的应用已有了部分扩充，但仍然不适应高强度螺栓连接多样化的情况，设计人员对高强度螺栓连接的受力性能也存在模糊认识，甚至是错误的观点。《钢结构》２００４年第１期“高强度螺栓设计与使用中一些问题的探讨”（以下简称“探讨”）一文…中关于高强度螺栓预拉力问题的观点值得商榷。正确地使用好高强度螺栓的预拉力是钢结构工程中的一个重要问题。图ｌ端板式高强度螺栓连接拉力无关。因此不会是“探讨”一文所说“一个螺栓有预拉力与无预拉力，其抗拉能力是不一样的”，这种情况类似于预应力钢筋混凝土梁中对钢筋施加预应力，只是提高梁的刚度减少变形，减少受拉区混凝土的开裂而已，并不能因此提高或降低梁的极限承载能力。按照文献［２，３］可以分析端板式高强度螺栓连作者：陈友泉男１９５２年１２月出生高级工程师收稿日期：２００４—０４一０６１关于端板式高强度螺栓连接的应用问题“探讨”一文所讨论的是广泛用于轻钢结构中的端板式高强度螺栓连接，如图１所示，在这种连接形式中，螺栓主要承受构件弯矩所产生的螺栓杆轴向拉力，同时也有较小的剪力，“探讨”一文认为“为产生摩擦力而采用张拉（力），实际上降低了受拉螺栓的承载能力，是极其不合理的。”值得商讨，实际对于ＳｔｅｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００４（４），Ｖ０１．１９，Ｎｏ．７３万方数据　轻钢结构接中预拉力和外荷载作用下螺栓内力状况。假设端板式连接设有加劲肋，刚度很大，可以忽略杠杆撬力的影响。在外力Ｔ作用后，螺栓中的拉力由预拉力Ｐ增至Ｐ下，但板件问的挤压力由Ｃ减为ＣＴ，螺栓和构件端板均保持弹性状态，见图２，则外力和它们的变形关系为：ＰＴ—Ｐ＝Ｋｂ△ｂＣＴ—Ｃ＝一ＫＰ△Ｐ效，螺栓杆的内力最多比预拉力大１０％，按照《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３）规定，外荷载Ｔ≤０．８Ｐ，当Ｔ＝０．８Ｐ时，螺栓杆内力在Ｂ点，ＰＴ≤Ｐ＋０．０９×０．８Ｐ＝１．０７Ｐ，比预拉力大７％，显然螺栓不会被拉断。如果高强度螺栓无预拉力，则螺栓内力沿０ＣＤ直线变化，有了预拉力Ｐ，则沿ＡＢＣＤ折线变化，不管是否有预拉力，板被拉开后，两者都沿ＣＤ变化直至破坏。以上讨论是假定了端板的刚度无限大，如果端板刚度较小，则会有可观的杠杆撬力产生，如图４所示，端板越薄，刚度越小，杠杆撬力也就越大。式中Ｋ。——高强度螺栓的刚度系数，螺栓产生单位伸长量所需的力；Ｋ。——端板的刚度系数，端板挤压面产生单位压缩量所需的力；△ｂ——在ＰＴ—Ｐ作用下的螺栓伸长量；△Ｐ——在ＣＴ—Ｃ作用下端板挤压面的压缩恢复量。辟一只一Ｊｐ一２Ｃ图４附加杠杆撬力根据文献［２］，连接的承载力了、随杠杆撬力Ｑ的增大而降低，预拉力大小对极限荷载时的撬开作图２高强度螺栓的受力状况用没有什么影响。当端板厚度等于２倍的螺栓杆直径时，其刚度之大可使杠杆撬力小至忽略不计，在工程中用设置加劲肋的方法来提高端板刚度更为经济合理。在外力作用下，螺栓杆的伸长量△ｂ应等于端板挤压面的压缩恢复量，即△ｂ＝△Ｐ，于是有：ＰＴ—ＰＣ—ＣＴＫｂＫＰ“探讨”一文中在讨论端板式高强度螺栓连接时，没有注意到节点的刚度问题，只按节点的极限强度考虑预拉力问题，这是不妥的。事实上，端板式连接属于半刚性连接，文献［４］的研究表明：一个端板式节点，所带来的刚度损失可达１０％～２４％。轻钢将ＣＴ＝ＰＴ一丁，Ｃ＝Ｐ代人得：即Ｐ＋（志）丁根据文献［２］，板的刚度ＫＰ远大于螺栓刚度Ｋｂ，Ｋｂ≈（０．０５～０．１）ＫＰ，取上限Ｋｂ＝０．１ＫＰ代入上式，得：ＰＴ＝Ｐ＋０．０９Ｔ，此即是有预拉力高强度螺栓内力与外荷载的关系，如图３所示。结构构件轻巧细长，有时甚至由挠度控制设计，因此，对节点的构造所造成的刚度损失必须重视。按摩擦型高强度螺栓的预拉力要求用于轻钢结构的端板式连接中是非常必要的，如不按规定施加预拉力，其构件的变形必将远大于设计计算的理论值（计算变形时，没有考虑节点的刚度损失），刚架中梁和柱是一个整体结构，相互影响，由于梁的刚度减小，会增加刚架柱的计算长度，对结构体系是不利的。根据多年来的工程实践，可以总结在轻钢结构中使用高强度螺栓连接的主要优点如下：轻钢结构构件轻巧细长，采用简单的端板式连接螺栓的受力图３高强度螺栓内力状况模式近似于直接受拉型，对于这种模式，因其端板接触面剪力小，可以对接触面不作抗滑移系数要求，进而可以涂刷普通的防锈油漆，省去复检抗滑移系数钢结构２００４年第４期第１９卷总第７３期当外力Ｔ把连接构件刚好拉开时，ＰＴ＝Ｔ即图中的Ｃ点，Ｔ＝ＰＴ≈１．１Ｐ，此时，节点刚度已失２４万方数据　陈友泉：高强度螺栓连接的应用问题探讨的费用，方便了制作、运输、存放各环节，不用为保证其接触面的抗滑移系数采取各种保护措施，由此得到工程上的经济合理性【５’；另一方面，为保证连接蔫＋簧ｇ用Ｎ：＝ｏ．９咒ｆｐＰ，Ｎ？＝ｏ．８Ｐ代入可转化成Ｎ，≤０．９７ｌｆ肛（Ｐ一１．２５Ｎ。），轻钢结构中广泛使用图１所示的端板式连接，在此连接中，远离中性轴的高强度螺栓轴向拉力Ｎ。趋于０．８Ｐ时，失去了抗剪承载节点刚度，必须严格控制其预拉力，在轻钢结构使用过程中绝不允许出现端板松开的状况。因此在设计计算中应将高强度螺栓群的中性轴作为螺栓群内力计算的准则，见图５ａ，不能按图５ｂ所示的模式计算。能力，按此判断节点失效，将使设计过于保守。事实上，螺栓群中的其余螺栓有极大的抗剪能力，此类连接如按《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》（ＪＧＪ８２—９１）中的公式（２．４．６—２）计算：…卅璇击蕊位图５高强度螺栓的中性釉位置［Ｎ：］＝ｏ．９卢（咒Ｐ一１．２５∑Ｎ。）式中，咒为螺栓总数，则不会有上述的困惑。对于承压型连接的高强度螺栓，新修订的《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３）已取消关于摩擦面的抗滑移系数要求和“承压型连接的高强度螺栓的受剪承载力设计值不得大于按摩擦型连接计算的轻钢结构在安装时常会出现整体构件的弯折问题，这是因端板式连接的制作变形偏差引起的，在施工中可以采用加楔片的方式预以调整，如图６所示，１．３倍”之规定无疑是一大进步，可使承压型连接的高强度螺栓的应用更为经济合理。３可避免盲目打火矫正引起的工程隐患。工地现场打火矫正，一会损害高强度螺栓预拉力，二会造成热效应残余应力与外荷载应力迭加后加大梁的整体挠度。高强度螺栓的多样化应用问题在钢结构制作、安装中钢构件不可避免会有各ｊｍｒ吁种变形偏差，在构件的螺栓连接中，将圆孔开成椭圆孔、长形孔可以使现场连接安装变得方便易行。尤其在轻钢结构的产业化、标准化中采用长形孔或椭圆孔是一种方便施工的有效措施。在这类连接中也需要使用高强度螺栓，按照美国ＡＳＤ规范【６Ｊ，对于非圆形孔，其高强螺栓的连接设计承载力应预以降低，对于长形孔、椭圆孔，按其孔的长轴是顺内力方向还是垂直内力方向给出了不同的设计承载力。为方便施工，在钢结构设计中，采用多样化的高强度螺图６加楔片调整构件的整体平直性栓连接构造的观念，值得我们借鉴。国内的设计往往很少考虑施工安装的具体情况，一律按设计手册采用同一模式的做法，造成现场安装困难。施工人员普遍素质较低，为了赶工期，在处理螺栓不能穿孔２现行钢结构技术规范关于高强度螺栓连接的计算问题我国现行钢结构技术规范对高强度螺栓的连接形式主要分二类：一是摩擦型连接高强度螺栓；二是承压型连接高强度螺栓。此外对８．８级的高强度螺栓扩大应用于普通螺栓的Ａ、Ｂ级连接方式。对于问题时，采用不规范的做法，给工程留下安全隐患，这些问题值得技术规范编制人员和设计人员重视。为了提高钢结构工程的生产效率和质量，结合工程实际，从连接构造多样化方面考虑高强度螺栓的应用是必要的。摩擦型连接高强度螺栓连接来说，其受力模式与构造很清楚，严格规定其预拉力和抗滑移系数，给出的承载能力计算公式简单实用，国内外有关摩擦型连接高强度螺栓的应用大体是一致的。但在同时承受剪力和螺栓杆轴向拉力时，按《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３）验算承载能力采用公式：Ｓｔｅｅｌ４结语高强度螺栓连接有无预拉力不会影响节点的极限承载力，但会影响节点的刚度，在端板的连接中，（下转第§７页）２５ＣＤｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００４（４），Ｖｏｌ－１９，Ｎｏ．７３万方数据　徐俊，等：赣江大桥基于应力谱的疲劳寿命可靠度分析表２各杆损伤度与剩余寿命计算结果数，进而确定构件的疲劳寿命可靠度。４考虑可靠度的疲劳寿命利用前面得到的模拟列车荷载，对Ｕ，Ｌ１与ｕ，７Ｌ１７这两个疲劳问题较严重的杆件进行疲劳应力历程模拟。共模拟１００ｄ的数据情况。按显著性水平口＝０．０５判断样本是否拒绝正态分布，结果列于表３中。说明模拟数据符合理论推导。表３杆件损伤度样本统计结果３构件的荷载可靠度分析为了弥补上节中评估结果面临的问题，必须考取极限状态方程为：ｚ＝１一Ｄ≥０。分别计算虑将可靠度理论融合进计算结果之中。使疲劳寿命得到不同失效概率条件下的可靠度指标卢，然后根与构件的失效概率一一对应，这样才能得出更加便据卢计算构件的剩余疲劳寿命，列于表４中。于对桥梁养护进行决策的结果。下面对基于荷载变表４不同保证率下构件的疲劳寿命ａ化的疲劳寿命计算式进行推导。将式（１）代人式（２）得：——“一‘Ｊｎ—ｖ堕一壁垒一叠一翌—ＣＣＣＣ５结论（４）１）赣江大桥最危险的构件为位于主桁两端的第其中咒ｏ＝∑咒ｉ一根吊杆，即Ｕ１Ｌｌ、Ｕ７ｂ、Ｕ１’Ｌ１７、Ｕ７７ｂ７。Ｓ＝△口”。２）赣江大桥南桥第１０孔钢桁梁桥在５７年内是因为Ｃ为材料常数，根据独立同分布中心极限安全的，其失效概率小于５％。在５７年后，必须对定理，当砣。为常量时，不论Ｓ服从何种类型的分该孔桥重新进行评估。布，Ｄ均服从正态分布Ｎ（掣卓，尝些）。类似表达３）单位时间通过桥梁的荷载对构件造成的疲劳损伤服从正态分布。可见参考文献［２］。４）当不考虑车辆变化产生的随机性时，疲劳寿由于列车荷载与汽车荷载不同，其行驶线路对命计算结果的失效概率为５０％。于某一个车辆类型、客货运量、日通行列车趟数等因素稳定的时问段，在等分的小时间段内，咒。的变化参考文献幅度很小，可以假定为不变量。于是，在这些等分的１罗蔚文，吴迅．华东５号铁路于线既有旧钢梁疲劳承载力分小时间段内，构件受到的疲劳损伤近似服从正态分析．上海铁道大学学报，１９９７，１８（４）布。根据这一条件，就可以方便地根据实测数据或２ＺｈｅｎｇｗｅｉＺｈａｏ，ＡｃｈｉｔｙａＨａｌｄｅｒ，ＦｌｏｒｅｎｃｅＬ，ｅｔａＩ．Ｆａｔｉｇｕｅ－Ｒｅｂａｂｉｌｉ—ｔｙＥｖａｌＩｌａｔｉｏｎｏｆＳｔｅｅｌ者模拟数据确定构件的疲劳损伤度的概率分布函Ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｊ０ｕｍａｌｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９４．１２０（５）：ｌ６０８～１６１６吣≯、￥ｐ、ｊｐ、ｐｐｑ≯、ｓｐ、；争ｐｑ产、ｓｐｋｐ、ｐ≮—、≯＾ｏｐ、ｐ、ｊ妒、ｐ、ｓｐ＼≯、ｓ—、ｓｐ、，、ｏｐ、≯、ｓｐ、９ｐ、ｊｐｐｑ产ｑ，’℃≯ｑ≯、ｑ，ｘＱ，、Ｑ，、ｑ，、ｄ＃、ｓ≯、ｐｑｐ（上接第２５页）构，２００４，１９（１）严格规定预拉力是必要的。采用多样化的高强度螺２陈绍蓍．钢结构设计原理．第二版．北京：科学出版社，１９９８３陈绍蕃．钢结构．北京：中国建筑工业出版社，１９９４栓连接构造以适应不同的钢结构情况，可方便施工４汤征．轻钢结构门式刚架端板连接节点附加转角的分析．工安装，达到经济合理的目的，值得迸一步研究。业建筑，２００ｌ，３０（７）５陈友泉．轻钢结构中承压型高强度螺栓连接的设计与旅工．建筑施工，１９９９，２１（５）参考文献６ＡＩＳｃ．ＭａｌｌＩ｜ａｌｏｆＳｔｅｄｃｏｎＳｔｎｌｃｔｉｏｎ—ＡｌｌｏｗａｂｌｅＳｔ瑚ｓＤｅｓｉｇｌｌＣｈｉｃａ—１周皓淳，赵希平．高强度螺栓设计与使用中一些问题的探讨．钢结９０：１９８９ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００４（４），Ｖ０１．１９，Ｎｏ．７３３７万　方数据