工程设计 腹板连接用高强度螺栓直径与连接板厚度 匹配关系探讨 李和滨 王士奇。 （１．山东科技大学，山东青岛 ２６６５１０；２．山东省冶金设计院股份有限公司，济南 ２５００１４） 摘 要：根据高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接承载力极限状态的不同，分别就铰接和刚接两种连接方式，对腹 板连接用高强度螺栓的直径与连接板厚度匹配关系进行探讨，提出一些建议，可供设计人员参考。 关键词：摩擦型连接；承压型连接；刚性连接；柔性连接 ＤＩＳＣＵＳＳＩｏＮ ＯＮ Ｍ ＨＩＮＧ ＲＥＩ ｒｒＩｏＮＳ ＢＥＴＷＥＥＮ ＴＨＥ ＤＩＡＭＥＴＥＩ ｏＦ ＨＩＧＨ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＢＯ１ ＝－ｓ ＡＮＤ ＴＨＥ ＴＨＩＣＫＮＥＳＳ ｏＦ ＩＴＳ ＣｏＮＮＥＣＴＥＤ ＰＬＡＴＥ ＵＳＥＤ ＩＮ ＷＥＢ ＣＯＮＮＥＣＴｌＯＮＳ Ｌｉ Ｈｅｂｉｎ Ｗａｎｇ Ｓｈｉｑｉ。 （１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５１０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ。Ｌｔｄ，Ｊｉｎａｎ ２５００１４，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｔｙｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｐｉｎ ｅｎｄｅｄ ａｎｄ ｆｉｘｅｄ—ｅｎｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｔｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｗｅｂ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ａｎｄ ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｂｅａｒｉｎｇ ｔｙｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｒｉｇｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ 钢结构高强度螺栓连接是近４０年才投入使用 并迅速发展起来的螺栓连接形式，因其具有受力性 承载力计算与连接板厚度无关，设计人员往往不考 虑连接板厚度与螺栓直径的匹配关系，致使螺栓连 接达到极限状态转变为承压型连接时的承载力由连 能好、耐疲劳、抗震性能好、连接刚度大、施工简便等 优点，被广泛应用于钢结构工程中。在多高层钢结 构建筑中，钢结构梁柱和主次梁连接中的腹板连接 一接板承压控制，反而会出现低于摩擦型连接抗剪承 载力的不合理结果。本文就铰接和刚接两种连接方 般都是采用高强度螺栓连接，螺栓用来承受腹板 式，对高强度螺栓的直径与连接板厚度匹配关系进 行探讨，提出一些设计建议。 １ 高强度螺栓承载力计算 传来的剪力。对于高强度螺栓连接，按承载力的极 限状态不同，可分为摩擦型连接和承压型连接两种 方式。摩擦型连接是以剪力达到板件接触面间由螺 栓拧紧力所提供的最大摩擦力作为极限状态，也即 对于高强度螺栓摩擦型连接，根据ＧＢ ５００１７～ 是保证连接在整个使用期间其所承受的剪力不超过 板件的最大摩擦力，板件不发生相对滑移变形（螺杆 ２００３（（钢结构设计规范》ｌ＿１］，一个高强度螺栓摩擦型 连接的抗剪承载力设计值为： Ｎ 一０．９ ｆ （１） 和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件可 按弹性整体受力计算。而承压型连接中允许剪力超 过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移 变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接靠螺栓杆本 式中：Ｎ 为高强度螺栓的抗剪承载力设计值；ｎ 为 传力摩擦面数目； 为抗滑移系数；Ｐ为高强度螺栓 的预拉力。 身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同 传力，最后以螺栓杆本身的剪切或孔壁承压破坏作 为连接受剪的极限状态。由此可以看出，高强度螺 对于高强度螺栓承压型连接，其承载力应取螺 栓受剪和连接板件承压承载力设计值中的较小值。 其抗剪承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同； 当剪切面在螺纹处时，应按螺纹处有效面积计算。 第一作者：李和滨，男，１９６３年出生，高级工程师。 Ｅｍａｉｌ：ｌｉｈｅｂｉｎｌ９６３＠１６３．ｅＯＩＴＩ 栓摩擦型连接和承压型连接是同一个连接的两个不 同阶段，对同一高强度螺栓连接而言，承压型连接应 是摩擦型连接发展的下一个阶段，其抗剪承载力应 高于摩擦型连接。但在设计时，由于摩擦型连接的 ５０ 收稿日期：２０１１一Ｏ６～１Ｏ 钢结构２０１１年第１Ｏ期第２６卷总第１５１期 李和滨，等：腹板连接用高强度螺栓直径与连接板厚度匹配关系探讨 根据ＧＢ ５００１７一Ｚ００３，一个高强度螺栓承压型连接 的螺栓抗剪承载力设计值为： Ｎ 一＿ｎｖ Ｔｒｃｌ￣ｆ ４ （２） 式中： 为高强度螺栓的抗剪承载力设计值； 为 受剪面数目；ｄ 为螺栓在螺纹处的有效直径；ｆ 为 螺栓的抗剪强度设计值。 一个螺栓对应板件的承压承载力设计值为： Ｎ 一ｄ＞：ｔｆ （３） １—１０．９缴，取』土型；２—１０．９缴，庠摄型 式中：Ｎ 为一个螺栓对应板件的承压承载力设计 值； 为螺栓杆直径；＞：ｔ为在不同受力方向中，一 个受力方向承压构件总厚度的较小值；ｆ 为连接板 件的承压强度设计值。 ３—８．８级，承压型；４—８．８级，摩擦型 图１ 高强度螺栓摩擦型和承压型抗剪承载力比较 从上面的计算公式可以看出，高强度螺栓摩擦型 Ｎ 一 ∑ ≥Ｎ ＝ｍｎ＿ｄ ￣ ｆ ｂ ∑ ≥ （４） 连接的承载力只与螺栓的预拉力、抗滑移系数以及传 力摩擦面数目有关，与连接板厚度无关。而高强度螺 栓承压型连接的承载力不仅与螺栓本身的强度和有 效直径大小有关，还与连接板厚度和强度有关。 ２螺栓直径与连接板厚度的匹配关系 弓《 罐幅钕 为便于工程应用，应找出∑ｔ与ｄ的关系。式 （４）变形可得： ∑ ≥ 一（考）。 ㈣ ２．１ 柔性连接 根据ＧＢ ５００１７－－２００３，常用的螺栓直径有Ｍ１６、 Ｍ２０、Ｍ２２、Ｍ２４、Ｍ２７、Ｍ３０六种，分８．８级和１０．９级 对于钢结构主次梁连接，一般采用腹板平面内 高强度螺栓摩擦型连接。设计时，螺栓布置一般是 按摩擦型连接计算。但由于荷载偏心等原因产生的 附加弯矩的存在，最外排螺栓往往会产生滑移，实际 受力状态会进入承压型状态。为确保节点安全可 两个级别，钢材一般采用Ｑ２３５和Ｑ３４５两种。根据 文献［２］，对于Ｍ１６、Ｍ２０、Ｍ２２、Ｍ２４、Ｍ２７、Ｍ３０螺栓， 其螺栓杆有效直径分别为１４．１２４，１７．６５５，１９．６５５， ２１．１８５，２４．１８５，２６．７１６ ｍｍ，由此可以算得： 靠，设计时不仅要按摩擦型连接计算，同时也应考虑 螺栓直径与连接板厚度匹配关系，以免出现高强度 螺栓承压型连接的承载力低于摩擦型连接承载力的 不合理情况。 相同直径的高强度螺栓按摩擦型和承压型两种 考≈０．８９５ 代入式（５）可以得出： ∑ ≥０．６３ ｄ （６） 状态分别计算出摩擦型连接的抗剪承载力设计值和 承压型连接时螺栓杆本身的抗剪承载力如图１所 示。计算时抗滑移系数取规范规定的最大值０．５， 螺栓连接为单剪，传力摩擦面数目取１，螺栓杆按有 效面积计算，预拉力的大小按照ＧＢ ５００１７—２００３ 的规定取值。 在柔性连接中，当连接板强度为Ｑ２３５和Ｑ３４５ 而螺栓强度为８．８级和ｌＯ．９级螺栓时，对应的∑ｔ 与ｄ之比如表１所示。 表１ 柔性连接中螺栓直径与连接板厚度之比 Ｑ２３５钢（ ＝４７０ ＭＰａ） ８．８级螺栓 — Ｑ３４５钢（ 一５９０ ＭＰａ） ８．８级螺栓 １０．９级螺栓 １０．９级螺栓 ＝从图１可以看出，对于高强度螺栓连接，按式 （ 一２５０ ＭＰａ） （ 一３１０ ＭＰａ） （ ＝２５０ ＭＰａ） （￣ｊ３１０ＭＰａ） ．．．．．．．．．． ．．．（２）计算的承压型连接螺栓杆本身抗剪承载力设计 值要比按式（１）摩擦型连接计算的抗剪承载力高 单剪 双剪 单剪 双剪 单剪 双剪 ８ ～１０ 。当抗滑移系数小于０．５时，按摩擦型连 接计算的抗剪承载力更小。所以为不让连接板承压 对承压型连接的承载力起控制作用，只需满足： Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉ０ｎ．２Ｏ１１（１Ｏ），Ｖ０１．２６，Ｎｏ．１５１ ２．２刚性连接 对于钢结构梁柱刚性连接节点，根据ＧＢ ５００１１— ２０１０（（建筑抗震设计规范》嘲规定，应验算节点在罕 ５１ 工程设计 遇地震作用下的高强度螺栓连接的极限承载力。由 于在罕遇地震下节点已进入塑性，板件问已发生相对 ３ 结 论 １）高强度螺栓摩擦型连接和螺栓承压型连接是 同一个连接的两个不同阶段。对同一个高强度螺栓 连接，承压型连接是摩擦型连接发展的下一个阶段， 滑移，此时连接已转变为承压型连接，根据式（２）和式 （３），采用螺栓极限抗剪强度和连接板件的极限承压 强度代人即可计算出连接的极限抗剪承载力。即： Ｎ 一 （７） 其抗剪承载力不应低于摩擦型连接，设计时应考虑 连接板厚度与螺栓直径的匹配关系。 ２）对于柔性连接，在按摩擦型连接设计时，不应 Ｎ 一 ∑￡ 个螺栓对应板件的极限承压力； （８） 为高强度螺栓 一味地加大直径来提高摩擦型连接抗剪承载力，应 式中：Ｎ 为一个螺栓的极限受剪承载力；』＼， 为一 的极限抗剪强度，取０．５８ｆ ，ｆ 为高强度螺栓极限 抗拉强度；， 为连接板件的极限承压强度，取 １．５ｆｕ，＿厂ｕ为连接板件的极限抗拉强度。 根据本文公式（６）选择合适的螺栓直径与连接板厚 度，以免出现螺栓摩擦面滑动后承载力由连接板承 压控制，其承载力反而低于摩擦型连接抗剪承载力 的不合理情况。从表１中的数据可以看出，柔性连 接中采用双剪形式时，常用规格的螺栓需要的连接 板件较厚，一般较难满足式（６）的要求，所以钢结构 主次梁铰接时更宜选用单剪形式。 ３）对于刚性连接，罕遇地震下螺栓连接会进入 塑性状态，板件间发生相对滑移。当要求连接板的 极限承压承载力不小于螺栓极限抗剪承载力时，应 当要求连接板的极限承压承载力不小于螺栓极 限抗剪承载力时： ＮＬ— ∑ ≥』＼， 一 同理可以得出： （９） （１ｏ） ∑￡≥０．２４ ｄ 根据本文式（１０）选择合适的螺栓直径与连接板厚 度。但从表２中可以看出，对于双剪连接，所需要的 连接板件板厚度较大，当连接板件厚度不能满足式 在刚性连接中，当连接板强度为Ｑ２３５和Ｑ３４５ 而螺栓强度为８．８级和ｌＯ．９级螺栓时，对应的∑ｔ 与ｄ的关系分别如表２所示。 表２ 刚性连接中螺栓直径与连接板厚度之比 Ｑ２３５钢（＿厂 ＝３７０ ＭＰａ） — （１０）要求时，应将连接板件的极限承压承载力作为 螺栓连接的极限承载力进行验算。 参考文献 ［１］ＧＢ ５００１７ ２００３钢结构设计规范ＥＳ］． ［２］王国周，瞿履谦．钢结构原理与设计［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，２００７． Ｑ３４５钢（ｆ 一４７Ｏ ＭＰａ） ８．８级螺栓 （Ｐｕｎ＝８３０ ＭＰａ）（ －－１ ０４０ＭＰａ） （ｌ０．９级螺栓 单剪 双剪 一８３０ ＭＰａ） （ 一１ ０４０ ＭＰａ） 单剪 双剪 单剪 双剪 单剪 双剪 ［３］ＧＢ ５００¨一２０１０建筑抗震设计规范Ｅｓ］． （上接第６７页） ４跨越高速公路钢梁安装安全防护措施 跨越高速公路施工，桥机过孔和架梁要暂短封 闭交通，在桥机和梁段就位后，交通开放。钢梁安装 结束后在桥面焊接临时挡墙，防止桥面物体滑落，挡 墙采用高３０ ｃｍ、厚８ ＣｌＴＩ方木，挡墙外侧设置安全 防护拦；钢梁底面焊接施工，会产生火花飞溅和小 块坠物，本桥施工利用宽度１．５ １１１与梁等宽的吊 ５ 小 结 桥机法架设钢箱梁在国内很少采用，在西铜改 扩建工程项目上使用本方法，成功实现了在小曲线 半径和不中断交通的情况下架设钢梁，该方法的成 功应用对跨越既有线或跨越河流架设钢梁工程积累 了施工经验。 参考文献 ［１］ＧＢ／Ｔ ３８１１ ２００８起重机设计规范［ｓ］． ［２２ ＪＴＧ Ｆ ８０／１—２００４公路工程质量检验评定标准［ｓ］． ［３］ＧＢ ５０２０５—２００２钢结构工程施工及验收规范［ｓ］． ［４］］ＴＪ ０４］一２０００公路桥涵施工技术规范［ｓ］． Ｉｓ］ＴＢ ｌ０２１２—９８铁路钢桥制造规范ＥＳ］． ［６］王伟锋，崔锡根．钢箱梁桥吊装精度控制技术［Ｊ］．钢结构， ２０１１，２６（１）：７５—７８． 篮解决了以上难题。吊篮由钢管焊接制成，桥面 横梁部位安装有４个橡胶轮，能够人力推动，两侧 面高度接近钢梁底，侧面和底面满铺防火布，每次 移动１．５ ｍ左右，该吊篮的使用既解决了桥下施 工工作平台难题，又实现了施工安全防护，取得了 很好的效果。 ５２ ［７］ 闵岚，宋健军，孙健．武汉市二环线曲线钢箱梁桥施工详图设 计［刀．钢结构，２Ｏｌ１，２６（１）：７１—７４． 钢结构 ２０１１年第１Ｏ期第２６卷总第１５１期