谈谈高强度螺栓连接的设计

谈谈高强度螺栓连接的设计
蔡益燕
1．《钢结构设计规范》GB50017对高强度螺栓
承压型连接的应用规定
1)目前制造厂生产供应的高强度螺栓并无
用于摩擦型和用于连接型之分；
2)承压型连接中构件接触面仅需清理油污
及浮锈；
3)予拉力与摩擦型连接相同；
4) 因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,
（不能用于吊车梁的连接）
5)受剪按螺纹处有效面积计算；
6）GB50017没有用于抗震设计的规定。

7）同时受拉受剪应符合下列要求： 12
2≤⎪⎪
⎭⎫
⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛b t t b v v N N N N
2．高强度螺栓连接在抗震设计中的应用要求
1）主要承重结构构件间，应采用高强度螺栓摩
擦型连接（参考日本规定）。

2）连接设计分为两个阶段：
a)第一阶段按设计荷载进行弹性设计，要求摩
擦面不滑移。

b)第二阶段进行极限承载力计算，此时考虑摩
擦面已滑移，螺杆与孔壁接触，摩擦型连接
成为承压型连接，要求连接的极限承载力大
于构件的全塑性承载力。

3.最近有人提出：“承压型连接高强度螺栓的
承载力比摩擦型连接高出很多，摩擦面滑移
量不大，对结构构件定位影响不大，可以节
省很多螺栓,是一项技术革新“。

对于这个问
题应该怎样认识？
⑴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。

如果再来地震，螺栓连接注定要破坏，房屋势必
倒塌。

⑵我国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
的槪率虽然不多，但不能排除。

我国是一个多地震
国家，对结构抗震不能吊以轻心。

⑶钢结构的尺寸以毫米计的，现代技术设备对加
工精度要求越来越高，例如，磁悬浮列车的轨道与
车体间的间隙，允许偏差仅零点几毫米，要求在恒
温箱中加工的。

央视斜楼为例,现代超高层钢结构
对加工精度的要求也越来越高,允许摩擦面滑移将不
能保证便用要求。

⑷“用承压型代替摩擦型”是个歪点子!
2．高强度螺栓连接设计的新动向
国家标准《钢结构设计规范》GB50017-2003
在7.5节“连接节点板的计算”中,提出了支撑
连接和次梁端部连接处板件块状拉脱（block
shear）的形式（图2），类似破坏形式也见
于节点板连接,是属于对传统连接计算所考虑
破坏形式的补充。

94年美国加州北岭地震和95年日本兵库县南
部地震，是两次地震烈度很高的强震,引起钢框
架梁柱连接的大量破坏, 受到国际钢结构界的
广泛关注。

震后, 两国都进行了大规模的广泛而
深入的研究，出台了很多新规定、新标准。

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。

《建筑抗震设计规范》GB50011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，式中符号说明可参见GB50011。

{}b cu b vu b u N N N ,min = b vu
b e f b vu f A nn N 58.0= b cu
b cu tf nd N ∑=
图1螺栓连接板件的撕裂（原载GB50017
图7.5.1）
图2 美国FEMA350对螺栓连接破坏形式的举例
（a ）梁柱连接的螺栓布置 （b ）ns A 和nt A 的取法
图3 日本梁腹板与柱现场螺栓连接计算示例
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
GB50011基础上，拟定了修订方案，尚未最后确
定，在此附带作一介绍，供了解情况之用。

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设想，即取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，并要
考虑构件所用钢材的超强和应变硬化效应。

附录A 高强度螺栓连接计算
A.0.1 高强度螺栓连接的受拉承载力，应符合下列要求：
N N b u ⋅≥α
式中，b u N —高强度螺栓连接的极限受拉承载力；
N ——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
小值采用的设计内力：抗震设计时应除以RE γ；
α——连接系数，按表A-1的规定采用。

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。

A.0.2 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：
{}
b cu b vu b u N N N 1,min = b
u b e f b vu f A nn N 58.0=
b cu b cu tf nd N ∑=1 A.0.3 单列高强度螺栓连接时的极限受拉承力应按下式计算
{}
b cu b cu b vu b N N N N 32,,min = 式中 b cu N 2——板边拉脱时的受拉承载力（图b ）
； b cu N 3——板件沿螺栓中心线挤穿时的受拉承载力(图c)；
A.0.4 多列高强螺栓连接时的极限受拉承载力，应按下式计算：
{}
b cu b cu b cu b vu b N N N N N 432,,,min =
式中 b cu N 4——中部拉脱时的受拉承载力（图a ）
； A.0.5 连接板件挤穿或拉脱时的承载力b cu N 2～b cu N 4应按下式计算： u nt ns b
cu f A A N )5.0(+=
式中 ns A ——平行于拉脱方向的板件受剪净截面面积（图A.0.5）
nt A ——垂直于拉脱方向的板件受拉净截面面积（图A.0.5）
一点说明 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；而附录Ａ中图Ａ-１的破断线的剪切破坏部分是与孔边相切的，后者显然偏大。

附录A 的A.0.5条, 表达式的ns A 项前面有系数0.5,且抗剪和抗拉的极限强度都用了u f , 显然这是近似公式,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。