钢结构高强螺栓连接设计的探讨

甘肃科技

GansuScienceandTechnology

Vol.26　No.6Mar.　2010

钢结构高强螺栓连接设计的探讨

齐学军

(中国石化宁波工程公司兰州分公司,甘肃兰州730060)

摘　要:通过在施工与设计上对高强螺栓摩擦型连接设计与承压型连接进行对比,提出了按照承压型连接在其应用范围内具有的明显的优势,建议在设计中予以积极推广。另外,对于我国规范未提及的镀锌高强螺栓、具有镀锌涂层摩擦面、栓焊混合连接、在非标准孔情况下高强螺栓摩擦型连接承载力设计等问题,提供了国外的相关规范作为参考。

关键词:钢结构;高强螺栓;承压型;镀锌螺栓;镀锌摩擦面;栓焊混接;长槽孔中图分类号:TU391.2

　　钢结构高强螺栓连接是近年来迅速发展和应用

的一种主要的连接方式,特别是高层、超高层的以及承受动载荷的结构中大都采用高强螺栓连接方式。可见高强螺栓的合理应用将直接影响到节点设计的成败,同时也会产生巨大的经济效益,然而在目前的螺栓设计中还存在着片面求高,一味使用高强螺栓的摩擦型连接方式设计的弊端,以及很多实际问题在规范中无章可寻的问题。2.1　采用承压型连接方式的常用节点及其特点例如:梁与梁(或梁与柱)单/双剪连接,形式如

图1,2所示。1　高强螺栓的应用现状及其问题

我国的设计规范(1)将高强螺栓连接按受力特性分为摩擦型连接(极限状态下抗滑移设计)和承压型连接(允许实用阶段滑移设计)两种。目前在国内的设计图纸大都采用摩擦型连接设计,而采用承压型连接设计相对较少。而后者在国外的应用却相当普遍。究其原因,主要是国内设计人延续了旧规范(GB17-88)中的设计思路。而GB17-88对承压型连接的施工及设计要求非常严格(施工方面:对摩擦面的处理有明确的要求,对孔径要求比摩擦型更为严格。设计方面:满足在使用状态下进行抗滑移设计)。然而其应用范围却只限于静力或间接动力载荷。因而极大的限制了承压型连接的使用。尽管新规范(1)对于承压型连接已经取消了对摩擦面的处理及使用状态下进行抗滑移设计的要求,但由于与之相关的规程(2)没有更新以及许多手册上相关设计资料甚少,也一定程度上限制了其应用的推广。

对比摩擦型连接:

施工方面:无需摩擦面处理,省去了诸如高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数试验和复验。

设计方面:使得高强螺栓的材料特性得到充分的利用,相比摩擦型连接提高承载力50%。2.2　承压型连接设计的适用范围

鉴于高强螺栓承压型连接的剪切变形比摩擦型的大,国内外规范均提出其适用范围。

我国规范GB50017-2003规定其只适用于承受静力载荷或间接承受动力载荷的结构中,以及不

2　高强螺栓承压型连接设计的应用及范围

第6期　　　　　　　　　　　　齐学军:钢结构高强螺栓连接设计的探讨宜用于承受反向内力的连接。

美国规范(2)对于下列连接明确要求只能使用焊接或摩擦型连接:

(1)高60m及以上的多层建筑的柱拼接;高30～60m,最小水平尺寸小于0.4H的多层建筑的柱拼接;

(2)高度小于30m,最小水平尺寸小于0.25H的多层建筑的柱拼接;

(3)高度38m以上结构的梁与柱连接和连有柱间支撑的梁;

(4)有5t以上吊车的结构中的屋架拼接,桁架与柱连接,柱拼接,柱支撑,隅撑和吊车支承;

(5)承受冲击或反向应力的荷载的支座连接。2.3　承压型连接节点具有抗滑移特性的观点

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进行热镀锌,而A490(最小抗拉强度1035MPa)禁止

镀锌。另外在Toronto大学进行的测试表明,由于热浸镀锌对于短摩擦式的联接,疲劳强度的减低可忽略不计。

可见镀锌后螺栓的力学性能没有太大的改变。3.2　关于镀锌螺栓的安装工艺

目前,钢结构施工及验收规范(4)所涉及到的螺栓安装工艺主要是扭矩法及转角法。

扭矩法拧紧工艺是根据螺栓轴向力(F)与拧紧扭矩(T)之间的基本关系T=KDF,(D为螺纹公称直径),通过控制装配拧紧扭矩的方法来间接地实施轴向力控制。由于在加工工艺相同的情况下,镀锌的表面相比发黑处理的表面摩擦系数将有明显下降,在拧紧扭矩保持不变的情况下,必然将引起螺栓轴向预紧力的增大。因而在对镀锌高强螺栓的安装中如果不降低装配扭矩极易造成螺栓的拉断。一般认为该种方法误差大且分散,常常无法满足规程中扭矩系数0.11～0.15的要求。

转角法(5):先将螺栓副拧紧到“密贴位置(螺母从原始位置拧紧到所有被连接件紧贴;或螺栓被拧紧而拉力达到屈服强度的30%～80%时),然后将螺母拧转一定角度θ。一般认为,该种方法有±15%的误差;在美国和德国汽车工业及钢结构中广泛使用”。

可见,对于镀锌高强螺栓在设计上具有相同材料力学特性,鉴于存在氢脆的问题,应避免使其在高应力下工作。施工上应采用转角法进行安装,以更好的控制高强螺栓的预拉力的大小。

在节点设计中,当滑动会引起过度的变形或者导致强度或稳定性减小,从而影响结构可靠性时,必须采用抗滑移设计。我国规范认为承压型连接在使用状态下会产生剪切变形,无法满足抗滑移要求,在这种情况下必须采用摩擦型连接方式设计。

美国规范认为大多数标准孔连接可以设计为承压型连接而不需要考虑其可靠性。对于含三个或更多垂直于力的方向的标准孔槽螺栓的连接,通常不存在自由滑动,因为施加荷载之前就有一个或更多螺栓承重。

综上所述,尽管高强螺栓的承压型连接在使用上有着诸多的限制,但其所具有的安装成本低,施工简单的特性使其成为国外同行设计中使用最多的形式,建议在今后的设计中应予以积极推广。

3　镀锌高强螺栓

在具有腐蚀环境下的钢结构,防腐问题就显得格外重要了。对钢构件及紧固件,采用镀锌防腐在历史上证明是非常有效的。例如:在加拿大魁北克的第一座镀锌螺栓连接的利佐特桥,1963年建成,1980年进行了一次严格的验收,显示了其良好的工作状态。然而规范(1)并未针对其特性予以说明,以下对其基本特性及安装工艺予以介绍。3.1　镀锌后得机械性能

4　具有镀锌涂层摩擦面

在外资项目中,业主有时候会根据国外的做法

要求处于腐蚀环境下的构件全部进行热浸镀锌处理了。然而目前规程(2)第2.2.1条对摩擦型连接摩擦面抗滑移系数0.17仅限于冷弯薄壁型钢结构,对于普通钢结构没有明确的规定。以下就镀锌后摩擦面产生的变化及引述美国及英国规范的相关内容供设计参考。

首先,由于热浸镀锌涂敷的纯锌涂敷外层是相当软的,这可导致螺栓松驰和紧固件装配张紧力减低。螺栓的高夹紧压力可引起锌的滑动,并引起张力降低以及螺栓延伸,从而使得摩擦系数有所降低。

其次引述美国及英国规范的相关内容。

[6]

英国钢结构规范,摩擦系数μ如下:(1)对于喷砂处理μ=0.5;

美国人詹姆斯・兰吉尔(3)在其《镀锌螺栓的扭转张力》一文中指出:根据英国有色金属技术中心的研究报告:当镀锌处于可接受范围,镀锌不会影响材料的性能。研究同时发现,拉伸强度超过1035Mp的钢件易受氢脆的影响。其最终结果编入了ASTM标准,A325(最小抗拉强度830MPa)可以

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(2)对于喷砂处理后喷锌μ=0.4;

(3)对于未作摩擦面处理,只镀锌μ=0.2。

而欧洲规范则更多的考虑了由于焊接加热对已拧紧

的高强螺栓产生的应力松弛。在具体加固设计中,根据笔者的经验,尽量减小加固所需焊缝的焊脚尺寸,并要求施工方在焊接时采取必要的措施以减少焊接产生的热量,严格控制焊接过程中已有螺栓不得发生滑移。这种做法在已完成的几个改造中均产生令人满意的效果。

[7]

美国钢结构规范,热镀锌后摩擦系数μ取值如下:

μ=0.35,适用于热浸镀锌的粗糙表面。

综上所述,摩擦面镀锌后会造成摩擦面的降低,从国外的规范可以看出,镀锌后的摩擦系数应该介

于0.2～0.35之间。

6　结语

1)对于常用节点,通过在施工与设计上对高强

5　关于螺栓与焊缝组合使用的问题

通常在对现有结构进行焊接加固改造,常常会

遇到现有的连接节点承载力无法满足新的设备载荷,需要进行节点焊接加固。而规范(1)并没有关于栓接和焊接方面的规定。而国外规范大都列入了可以考虑栓焊并用共同承载的条文。以下列出相关规范可供设计参考。

以下引述美国规范J.1.8条关于螺栓和焊缝组合使用的相关内容。

在新建工程中,作为承压型设计的螺栓应视为不能和焊缝一起承载,如果使用焊缝了,则焊缝应能承受连接中的全部外力,在滑移破坏的连接中,可认为高强螺栓能和焊缝一起承载。

在对结构进行焊缝加固改造时,符合摩擦型连接设计的已有的高强螺栓可认为能承受其设计荷载,而焊缝仅需提供所需的剩余部分设计强度。

欧洲规范(8)规定:

设计为摩擦型连接的8.8级和10.9级高强螺栓,可假定和焊缝同样分担载荷,但螺栓必须在焊完之后终拧。

可见美国允许先拧紧螺栓后焊接,这样可以避免由于焊接对板件产生变形而导致螺栓无法夹紧,

螺栓摩擦型连接设计与承压型连接进行对比,提出了按照承压型连接在其应用范围内具有明显的优势,建议在设计中积极推广。

2)对于我国规范未提及的镀锌高强螺栓、具有镀锌涂层摩擦面、栓焊混合连接、在非标准孔情况下高强螺栓摩擦型连接承载力设计等问题,提供了国外的相关规范作为参考。参考文献:[1]　GB50017-2003,钢结构设计规范[S].

[2]　JGJ-82-91,钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及

验收规程[S].

[3]　孙志刚.镀锌螺栓的扭转张力.译自美《国际紧固件技

术》[M].

[4]　GB50205-2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].[5]　钱达.标准紧固件设计制造工艺与质量检测标准规范

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[6]　StructuralUseofSteelworkinBuildings[S].

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[7]　SpecificationforStructuralSteelBuildings[S].ANSI/

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[8]　Eurocode3:Designofsteelstructures[S].Part1.8:

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(上接第104页)进而深入研究和探讨建筑工程造

[3]　刘继慧.实行目标成本预算管理的实践体会[J].天津

价预算控制问题,在具体的工作实践探索和寻找建

筑工程造价预算控制的新途径、新方法。切实解决建筑工程项目实施过程中所遇到的工程造价问题,确保工程造价得到有效控制及工程建设目标顺利完成。

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