高强度螺栓连接的几个概念

高强度螺栓抗剪连接典型荷载 -变形曲线

背景

1.背景一

• 编制替代钢材设计指南

• 我国的设计指标普遍偏低

• 规范体系的问题 ,需要进行解释

2.背景二

• 参编 ISO/TC 167/WG 03 “Execution of steel structures”

• 国外同行得出质量差的误解，钢材和焊缝相近，螺栓差距大

3.背景三

• 装配式结构发展的需求，钢结构现场焊接特别是现场熔透焊的质量难以保证，同时与装配式相悖。

1.主要国家高强度螺栓对比/基本相同：8.8s & 10.9s

2.螺栓预拉力设计值对比/总体比欧标低10%，比美标低15%

3.抗滑移系数对比/与材质无关&与厚度无关&涂层摩擦面

4.螺栓剪切强度对比/10.9s相同，8.8s相差 20%

5.孔壁承压强度对比/高强螺栓高5.5%，普通螺栓高50%以上

螺栓孔壁承压强度一般和螺栓强度无关，主要受边距，孔径，连接板强度影响。因此欧标普通螺栓和高强螺栓的承压强度一致。但国标相差较大，Q235高1倍，Q345高50%。

6.高强度螺栓抗拉强度对比/撬力因素 0.2P，仍有较大的差距

欧标的螺栓抗拉承载力，而国标为，前者是后者的1.44倍。其中一个重要的原因是EN 1993要求具体计算橇力并将其和外力叠加作为设计拉力，而GB 50017则是笼统的对单颗螺栓承载力给予0.8P倍橇力折减;

另外，螺栓预拉力P比欧标低10 %，两个因素叠加造成者差距较大。

7.摩擦型剪-拉连接承载力对比/撬力因素，0~15%的差距

摩擦型剪拉连接从公式的形式上看两本标准都是通过线性回归得到的直线形式的公式。为便于考察两个公式具体的差异，这里仍以10.9级螺栓为例，并将公式改写为𝑓𝑢𝑏𝐴𝑠为分母的无量纲形式如下：

欧标和国标的摩擦型剪拉连接公式最大差别仍在于螺栓的抗拉承载力的规定上。原因即二者对于橇力的处理不同。国标由于抗拉承载力的折减使得抗滑移承载力整体上相较欧标偏低

8.承压型剪-拉连接承载力对比/与拉力荷载有关

承压型剪拉连接从公式的形式上看欧标是通过线性回归得到的直线形式的公式，而国标是通过非线性回归得到的椭圆形式的公式。这里为便于考察两个公式具体的差异，以抗剪承载力基本一致的10.9级螺栓为例，并将公式改写为以𝑓𝑢𝑏𝐴𝑠为分母的无量纲形式：

从曲线形式来看线性回归的直线形式会偏于安全些。但由于国标考虑橇力影响对于抗拉设计值折减较多，使得椭圆的长轴缩短，且在低拉区的抗滑移设计值相较于欧标略偏高。

9.螺栓孔距对比/孔距越小，节点板尺寸减小，承载力增大

试验结果

四栓试件测得的抗滑移系数要求双栓试件要高一些 ，平均高为 7.1%。

二栓和四栓试件，孔距增大，抗滑移系数略有降低，英日和美俄规定的孔距最小值比中国标准规定值小些，其抗滑移系数 值要大些，其中：

四栓试件分别比中国高10 .3%和6.7%；

二栓试件分别比中国高14 .3%和7.7%。

二栓和四栓试件，节点板尺寸大30 %以上。

10.结论和建议

减少10%螺栓，缩小节点尺寸，涂层摩擦面

焊接适用于工厂连接，螺栓适用于工地连接，高强度螺栓连接相对于焊接特别是现场熔透焊来说，连接的性能更优，质量控制更容易！

研究内容和进展

问题

现场装配的需求

启发/网架螺栓球节点+日本梁贯通节点

概念提出/纸上谈兵+模型动画+试制样品

节点变形/框架节点位置+连接刚度+施工方便

研究思路

设定目标

• 标准化节点：节点与梁柱全部分离

• 梁柱连接刚度可变：刚接、半刚接、铰接

• 可全螺栓连接：免去对接熔透焊

• 节省螺栓：翼缘部位可减少一半

• 可栓焊并用连接：翼缘处焊缝为角焊缝

• 快速装配：梁翼缘部位搁置搭接

提炼问题

• 翼缘处角焊缝能达到刚性要求吗？

• 翼缘处螺栓连接符合半刚性特征吗？

• 腹板螺栓连接、翼缘搁置搭接是铰接？

• 柱子法兰连接能保证柱子连续？

问题一/梁翼缘角焊缝连接受力性能

试验研究-破坏现象

试验研究–对比分析

试验得到的弯矩-转角曲线与有限元分析的结果总体接近，破坏模式也相似，试验条件下构件的变形小于有限元分析的结果，但重点考察的初始刚度误差极小。可以达到刚性连接要求。

问题二/ 梁翼缘螺栓连接受力性能

试验研究–破坏现象

试验研究–对比分析

试验结果的弯矩-转角曲线整体位于有限元分析结果的下方，表现出了明显的刚性-半刚性特征。

问题三/ 梁腹板螺栓连接、翼缘搁置搭接连接受力性能

试验研究– 破坏现象: 梁翼缘释放连接受力性能

试验研究- 对比分析

试验与有限元结果对比，初始刚度接近，进入塑性平滑阶段的转角和弯矩较小。由翼缘板屈服弯曲塑性变形及腹板螺栓孔拉伸塑性变形产生了部分有限的耗能能力。呈现明显的铰接特征。

问题四/ 柱法兰连接受力性能

试验研究– 破坏现象

试验研究–对比分析

试验结果与有限元结果对比，其二者初始刚度接近，后续刚度及峰值承载力有限元结果大于试验值。柱法兰连接的螺栓强度不够时，连接的耗能能力有限。呈现刚性连接特征。

研究结果汇总 / 连接的刚度性能

工程应用 / 中冶建研新建实验办公楼

中冶建研新建实验办公楼应用标准化节点，梁与节点采用刚性连接，柱与节点在工厂焊接为两层一体的预制单元 。

翼缘角焊缝连接

标准化节点实物图

标准化节点施工图