1  螺栓材料和类型

中美两国技术标准根据螺栓材料的不同将建筑结构用螺栓分成普通螺栓和高强度螺栓两大类，螺栓的公称直径都用M表示。对于建筑结构用普通螺栓连接，中国有4.6级和4.8级普通螺栓(C级螺栓)，以及5.6级和8.8级普通螺栓(A级或B级螺栓)，钢结构用普通螺栓主要是采用C级螺栓，现行国家标准GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》对普通螺栓的机械性能和质量要求做出了详细规定。

美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials)的ASTM A307标准规定了普通螺栓的材料性能要求，其中规定的Grade A螺栓材料抗拉强度等级为60 ksi(415 MPa)，相当于中国的4.6级或4.8级普通螺栓。中国的高强度螺栓按材料强度分为8.8级和10.9级，按螺栓连接副形式分为大六角头螺栓和扭剪型螺栓，现行国家标准GB/T 1231—2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈技术条件》和GB/T 3632—2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》等对高强度螺栓的机械性能及其连接副做出了详细规定。美国的高强度螺栓也有大六角头和扭剪型(Twist off)两种，但钢结构用高强度螺栓的材料强度等级与中国有所不同。ASTM A354标准规定的Grade BC螺栓材料抗拉强度等级为125 ksi(860 MPa)或115 ksi(790 MPa)，相当于中国的8.8级螺栓。ASTM A354规定的Grade BD螺栓材料抗拉强度等级为150 ksi(1040 MPa)，相当于中国的10.9级螺栓。ASTM F3125/F3125M标准另外规定了抗拉强度等级为120 ksi(830 MPa)和150 ksi(1040 MPa)的大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓连接副的技术要求，ASTM F3111标准规定了抗拉强度等级为200 ksi(1 380 MPa)大六角头高强度螺栓连接副的技术要求，ASTM F3043标准规定了抗拉强度等级为200 ksi(1 380 MPa)扭剪型高强度螺栓连接副的技术要求。其中抗拉强度等级为120 ksi(830 MPa)和150 ksi(1040 MPa)的高强度螺栓与中国的8.8级和10.9级螺栓相当，200 ksi(1380 MPa) 级高强度螺栓的抗拉强度高于中国标准GB/T 3098.1—2010规定的12.9级螺栓。

2 螺栓连接形式和构造要求

2.1 螺栓的受力状态

采用螺栓连接的接头或节点可以安全可靠传递轴力、剪力、弯矩或扭矩，接头或节点的受力分布到每个螺栓时，单个螺栓的受力状态只能是传递剪力(图1)、拉力(图2)，或拉剪联合作用(图3)，需要分析计算单个螺栓受剪、受拉、拉剪联合作用时的力学性能及其承载力。高强度螺栓连接根据其承载能力极限状态受剪力作用时是否发生滑移分为承压型连接和摩擦型连接。GB 50017—2017采用“极限状态设计法”计算螺栓，AISC 360-16同时推荐了“荷载与抗力系数法(LRFD)”和“容许强度设计法(ASD)”计算螺栓。

图1 普通螺栓受剪力作用

图2 普通螺栓受拉力作用

图3 高强度螺栓摩擦型连接受拉剪联合作用

2.2 螺栓的安装工艺

根据螺栓连接施工安装拧紧方式的不同，分为有预拉力螺栓连接和无预拉力螺栓连接。采用普通螺栓时一般不需要施加预拉力，手工拧紧即可。现行国家标准GB 50017—2017和GB 50755—2012《钢结构工程施工规范》要求采用高强度螺栓连接时都要施加预拉力，规定的螺栓预拉力设计值如表1所示。AISC 360-16允许结构工程师根据螺栓连接的受力状态决定是否需要施加预拉力：受动力、疲劳荷载的螺栓连接要求施加预拉力，受拉剪联合作用的高强度螺栓宜施加预拉力。AISC 360根据高强度螺栓材料强度等级的不同将高强度螺栓分为A类(830 MPa级)、B类(1 040 MPa级)、C类(1 380 MPa级)，A类螺栓相当于中国的8.8级，B类螺栓相当于中国的10.9级。表2给出了AISC 360-16规定的高强度螺栓最小预拉力值。比较表1和表2可以看出，AISC 360-16规定的高强度螺栓预拉力值比GB 50017—2017高15%左右。

表1 GB 50017—2017高强度螺栓预拉力设计值 kN

表2 AISC 360-16高强度螺栓最小预拉力值 kN

注：AISC 360-16未直接按SI单位制给出C类高强度螺栓的最小预拉力值，表中的数值是按AISC 360-16规定的最小预拉力取70%螺栓抗拉强度近似计算得到的。

2.3 螺栓连接的布置要求

2.3.1 螺栓孔径和孔型

GB 50017—2017规定：C级普通螺栓连接要采用标准螺栓孔，螺栓孔径do要比螺栓的公称直径d大1.0～1.5 mm；高强度螺栓承压型连接应采用标准孔，孔径比螺栓直径大1.5～3.0 mm；只有摩擦型连接可以采用大圆孔和槽孔，这便于安装和偏差调整。表3列出了GB 50017—2017规定的高强度螺栓摩擦型连接各类孔型的名义尺寸。

表3 GB 50017—2017高强度螺栓孔型尺寸 mm

AISC 360-16也允许采用标准孔、大圆孔和槽孔，槽孔又分成短槽孔和长槽孔，大圆孔和长槽孔只能用于摩擦型连接，承压型连接也可以采用短槽孔，但螺栓的受剪力方向必须与槽孔的长度方向垂直，表4给出了AISC 360-16规定的各类孔型的名义尺寸。

表4 AISC 360-16螺栓孔型尺寸 mm

2.3.2 螺栓的排布

螺栓的间距、边距和端距是影响螺栓连接承载性能和安装质量的重要参数。GB 50017—2017规定了不同受力状态、加工条件的螺栓排布间距、边距和端距的最大限值和最小限值要求。这些限值与螺栓孔直径do和连接板厚度t有关，如表5所示。GB 50017—2017要求螺栓连接或拼接节点中，每根杆件一端永久性螺栓数不宜少于2个，对组合构件的缀条，其端部连接可采用1个螺栓。

表5 GB 50017—2017螺栓最大、最小间距、端(边)距限值

AISC 360-16也对螺栓排布做出了明确要求，但螺栓最小间距和边距限值主要与螺栓直径d相关，要求螺栓孔的中心距不小于d，螺栓孔的净距不小于d，螺栓孔的最大边距和中心距限值与较薄连接板厚度t有关，最大边距不超过12t和150 mm。钢板与型钢用螺栓连接时最大中心距主要与防锈蚀要求有关，对于无腐蚀环境的螺栓连接，螺栓孔中心距不超过24t和300 mm，如处于大气腐蚀环境并采用无涂装耐候钢时，螺栓孔中心距不超过14t和180 mm。AISC 360-16同时规定了采用标准孔时的最小端(边)距，如表6所示。当采用大圆孔或长槽孔时，最小端(边)距应在表6的最小值基础上适当增加，最小限值增量如表7所示。

表6 AISC 360-16螺栓最小端(边)距限值 mm

表7 AISC 360-16采用大圆孔和槽孔螺栓最小端(边)距限值增量 mm

比较GB 50017—2017和AISC 360-16的螺栓连接排布要求可以发现，按照AISC 360-16要求排布的螺栓间距较小，接头紧凑，连接尺寸更小。比较表5和表7还可发现，GB 50017—2017对采用大圆孔和槽孔的螺栓排布要求尚缺少更详细的规定，需要进一步完善。

3 螺栓连接承载力计算

根据螺栓的受力状态分别计算螺栓和连接板的受剪、受拉及拉剪联合作用的承载力。GB 50017—2017按照普通螺栓连接和高强度螺栓连接采用不同的方法计算螺栓的承载力，AISC 360-16则根据螺栓受剪时是按承压型连接还是摩擦型连接规定了不同的承载力计算方法，手工拧紧的螺栓都要按承压型连接计算，受疲劳荷载作用的螺栓应按摩擦型连接计算。

3.1 螺栓抗拉、抗剪计算

GB 50017—2017计算普通螺栓连接受剪时(图1)，螺栓的抗剪承载力取式(1a)和式(1b)计算的螺栓受剪承载力和承压承载力的较小值。

(1a)

(1b)

式中：nv为连接受剪面数目；d为螺栓直径，mm；Σt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，mm; 分别为螺栓的抗剪和承压强度设计值，MPa。

按GB 50017—2017计算普通螺栓连接受拉时(图2)，螺栓的抗拉承载力按式(2)计算。

(2)

式中：de为螺栓在螺纹处的有效直径，mm; 为螺栓的抗拉强度设计值，MPa。

AISC 360-16按承压型连接计算螺栓受拉或受剪承载力时，不区分普通螺栓还是高强度螺栓，统一采用式(3)计算螺栓的名义承载力Rn。按LRFD方法计算时，螺栓承载力设计值取φRn，按ASD方法计算时，螺栓容许承载力取Rn/Ω，其中承载力系数取φ=0.75或Ω=2.0。计算螺栓抗拉承载力时，还应考虑连接板受力变形产生的撬力影响，AISC 360-16另行计算螺栓孔处的承压承载力和撕裂承载力，见式(16)和(20)。

Rn=FnAb

(3)

式中：Ab为螺栓在无螺纹处的名义面积，mm2；Fn为螺栓的名义抗拉强度Fnt或抗剪强度Fnv，MPa，按表8取。

分析式(3)和表8可以发现，AISC 360-16计算承载力时分别考虑了螺栓受剪截面在有、无螺纹处的两种情况(A307螺栓除外)，螺栓面积Ab均按无螺纹处截面计算，但是通过对有螺纹处名义抗剪强度折减考虑螺纹处抗剪承载力削弱的影响。进一步比较式(2)与式(3)可以发现，GB 50017—2017采用有螺纹处的有效截面计算螺栓抗拉承载力，AISC 360-16则采用无螺纹处的截面计算螺栓抗拉承载力，但通过折减后的名义抗拉强度Fnt(约为螺栓材料强度的75%)考虑有螺纹截面的影响。

表8 AISC 360-16螺栓名义强度指标 MPa

对同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓，GB 50017—2017计算的承载力应分别符合式(4a)和式(4b)的要求。

(4a)

(4b)

式中：Nv，Nt分别为普通螺栓所承受的设计剪力和拉力，N;，，分别为单个螺栓的抗剪、抗拉和承压承载力设计值，N，按式(1)和式(2)计算。

AISC 360-16按承压型连接计算同时受拉、受剪的螺栓承载力时，通过考虑螺栓剪应力影响后，按式(5)计算螺栓名义抗拉承载力。

(5)

式中：F′nt为考虑剪应力效应后螺栓的名义抗拉强度，MPa，按式(6)计算，承载力系数取φ=0.75或Ω=2.0。

(按LRFD方法计算)(6a)

(按ASD方法计算)(6b)

式中：Fnt为螺栓名义抗拉强度，MPa；Fnv为螺栓名义抗剪强度，MPa； frv为按荷载组合计算的螺栓剪应力，MPa，要求frv≤φFnv或Fnv/Ω。

3.2 高强度螺栓计算

GB 50017—2017按式(7)计算高强度螺栓摩擦型连接(图4)的抗剪承载力设计值。

图4 高强度螺栓摩擦型连接受剪力作用

(7)

式中：k为孔型系数，标准孔取 1.0，大圆孔取 0.85，内力与槽孔长向垂直时取0.7，内力与槽孔长向平行时取 0.6；nf为传力摩擦面数目；μ为摩擦面抗滑移系数，按表9取值；P为单个高强度螺栓的预拉力设计值，按表1取值。

表9 GB 50017—2017钢材摩擦面的抗滑移系数μ

在螺栓杆轴方向受拉的连接中，高强度螺栓摩擦型连接的抗拉承载力按式(8)计算。

(8)

对同时承受剪力和杆轴方向拉力的高强度摩擦型螺栓(图3)，GB 50017—2017计算的承载力应符合式(9)的要求。

(9)

式中：Nv，Nt分别为高强度螺栓所承受的设计剪力和拉力，N；，分别为单个高强度螺栓的抗剪和抗拉承载力设计值，N，按式(7)和式(8)计算。

按照GB 50017—2017计算高强度螺栓承压型连接的承载力时，也要求施加预拉力，但按普通螺栓计算承载力，即式(1)和式(2)计算螺栓的抗剪、抗拉和承压强度，式中的应取高强度螺栓材料的对应值。抗剪截面在有螺纹处时，应按有螺纹处有效截面计算。按照GB 50017—2017计算受拉剪联合作用的承压型连接的承载力时，应分别符合式(4a)和式(10)的要求。

(10)

式(10)在式(4b)的基础上增加了参数1.2，用于考虑螺栓拉力作用对降低连接板承压强度的影响。

对于摩擦型连接(图4)，AISC 360-16要求在按式(11)和式(12)计算螺栓抗滑移承载力的同时，还要按照式(3)和式(5)计算承压型连接的承载力。摩擦型连接抗滑移的名义抗剪承载力按式(11)计算。

Rn=μDuhfTbns

(11)

式中：μ为抗滑移系数，取μ=0.3(干净轧制面，或喷砂后覆A类涂层, 如表面热镀锌)，μ=0.5(干净喷砂面，或喷砂后覆B类涂层，如富锌底漆)；Du为考虑螺栓实际预拉力与规定最小预拉力的比值，取Du=1.13；Tb为螺栓最小预拉力，按表2取；hf为填板系数，一层填板hf取1.0，两层或更多填板hf取0.85；ns为摩擦面数。

对于同时受拉受剪的摩擦型连接(图3)，AISC 360-16考虑连接板间的预紧力降低，螺栓的抗剪名义承载力值应乘以按式(12)计算的折减系数。

(按LRFD方法计算)

(12a)

(按ASD方法计算)

(12b)

式中：Tu为按LRFD方法计算的螺栓拉力，kN；Ta为按ASD方法计算的螺栓拉力，kN；nb为受拉螺栓数量。

AISC 360-16计算摩擦型连接抗剪承载力设计值φRn或承载力容许值Rn/Ω时，还要考虑孔型的影响，系数φ或Ω按下列规定取值：

1)标准孔或剪力与孔长垂直的短槽孔，承载力系数取φ=1.00 (LRFD)或Ω=1.50(ASD)；

2)扩大孔或剪力与孔长平行的短槽孔，承载力系数取φ=0.85 (LRFD)或Ω=1.76(ASD)；

3)长槽孔，承载力系数取φ=0.70 (LRFD)或Ω=2.14(ASD)。

比较GB 50017—2017和AISC 360-16对于摩擦型连接的抗滑移系数取值规定，可以发现，AISC 360-16的抗滑移系数只与连接板表面处理状况有关，与连接板的钢材牌号无关。

3.3 连接板强度计算

按照GB 50017—2017计算普通螺栓和高强度螺栓承压型连接在螺栓孔处抗拉强度时(图5)，按式(13a)和(13b)分别计算连接板的毛截面屈服强度和净截面断裂强度。

图5 连接板受拉计算

计算毛截面屈服强度:

(13a)

计算净截面断裂强度:

(13b)

式中：N为所计算截面处的拉力设计值，N；f为钢材的抗拉强度设计值，MPa；A为构件的毛截面面积，mm2；An为构件的净截面面积，当构件多个截面有孔时，取最不利的截面，mm2；fu为钢材的抗拉强度最小值，MPa。

按照GB 50017—2017计算高强度螺栓摩擦型连接螺栓孔处抗拉强度时，按式(13a)计算连接板的毛截面强度，同时考虑摩擦面传力对连接板净截面传力的影响，按式(14)计算。

(14)

式中：n1为计算截面上高强度螺栓数量；n为连接接头的高强度螺栓数量。

AISC 360-16要求计算受剪螺栓连接在螺栓孔沿线处连接板的抗剪承载力(图6)，设计值φRn或容许值Rn/Ω取式(15a)和式(15b)计算的较小值。

图6 连接板受剪计算

计算连接板的毛截面剪切屈服:

Rn=0.6FyAgv

(15a)

计算连接板的净截面剪切断裂:

Rn=0.6FuAnv

(15b)

式中：Agv为连接板受剪毛截面积，mm2；Anv为连接板受剪净截面积，mm2。式(15a)中承载力系数取φ=1.00 (LRFD)或Ω=1.50(ASD)；式(15b)中承载力系数取φ=0.75(LRFD)或Ω=2.00(ASD)。

AISC 360-16要求计算受剪螺栓连接在螺栓孔处连接板的承压和撕裂承载力(图7)，并考虑螺栓孔型的影响，承载力系数取φ=0.75(LRFD)或Ω=2.00(ASD)。当采用标准孔、大圆孔、短槽孔和平行于受力方向的长槽孔时，螺栓孔承压名义承载力按式(16a)和(16b)计算，连接板孔间撕裂名义承载力按式(17a)和(17b)计算。

图7 孔壁承压和撕裂计算

螺栓孔变形影响正常使用时:

Rn=2.4dtFu

(16a)

螺栓孔变形不影响正常使用时:

Rn=3.0dtFu

(16b)

式中：Fu为连接板的抗拉强度，MPa；d为连接螺栓直径，mm；t为连接板厚度，mm。

螺栓孔变形影响正常使用时：

Rn=1.2lctFu

(17a)

螺栓孔变形不影响正常使用时：

Rn=1.5lctFu

(17b)

式中：lc为沿螺栓受剪方向螺栓孔间净距或螺栓孔到板端的净距，mm。

采用垂直于受力方向的长槽孔时，AISC 360-16要求按式(18)计算螺栓孔承压名义承载力，按式(19)计算连接板孔间撕裂名义承载力。

Rn=2.0dtFu

(18)

Rn=1.0lctFu

(19)

AISC 360-16要求计算受剪螺栓连接在螺栓孔处连接板的抗拉承载力(图5)，设计值φRn或容许值Rn/Ω中的Rn取式(20a)和(20b)计算的较小值。

计算连接板的毛截面受拉屈服:

Rn=FyAg

(20a)

计算连接板的净截面受拉断裂:

Rn=FuAe

(20b)

式中：Ag为连接板受拉毛截面积，mm2；Ae为连接板受拉净截面积，mm2。

式(20a)中承载力系数取φ=0.90 (LRFD)或Ω=1.67(ASD)；式(20b)中承载力系数取φ=0.75 (LRFD)或Ω=2.00(ASD)。

按照GB 50017—2017计算螺栓孔沿线拉剪撕裂强度时(图8)，其承载力应符合式(21)的要求。

图8 连接板拉剪计算

(21)

其中 

Ai=tli

式中：Ai为第i段破坏面的净截面积,mm2；t为板件厚度，mm；li为第i破坏段的长度；ηi为第i段的拉剪折算系数; αi为第i段破坏线与拉力轴线的夹角。

按照AISC 360-16计算连接板螺栓孔沿线拉剪撕裂承载力时(图8)，名义承载力Rn按式(22)计算，承载力系数取φ=0.75 (LRFD)或Ω=2.00(ASD)。

Rn=0.6FuAnv+UbsFuAnt≤0.6FyAgv+

UbsFuAnt

(22)

式中：Ubs为连接板拉应力分布系数，均匀分布时取Ubs=1.0，不均匀分布时取Ubs=0.5；Anv为连接板受剪净截面积，mm2；Agv为连接板受剪毛截面积，mm2；Ant为连接板受拉净截面积，mm2。

通过对比GB 50017—2017和AISC 360-16计算连接板的内容可以发现，AISC 360-16对受剪螺栓连接板的破坏模式进行了更多的计算，而且考虑了孔型的影响。

3.4 螺栓连接长接头计算

GB 50017—2017规定当受剪螺栓沿受力方向的连接长度l1 大于15do 时(do为孔径)，要考虑螺栓剪力分布不均匀的影响(图9)，应将螺栓的抗剪承载力设计值乘以式(23)计算的折减系数αf。

图9 螺栓连接长接头

(23)

AISC 360-16规定当螺栓承压型连接长度l1大于950 mm时，需要对表8中的螺栓抗剪强度名义值进行折减以考虑长接头中螺栓内力分布不均匀的影响，折减系数统一取0.833，摩擦型连接不考虑折减。图10比较了8.8级(A类)M20高强度螺栓按承压型连接(螺栓间距80 mm)计算的结果。根据AISC 360-16的抗剪承载力计算要求(LRFD方法)，分别考虑了螺杆有螺纹和无螺纹处受剪两种情况。由图10可以看出，GB 50017—2017对于螺栓的抗剪承载力计算取值相对保守，计算的抗剪承载力与AISC 360-16有螺纹截面受剪情况接近，但安全储备更多，特别是长接头的承载力折减较多。

图10 螺栓连接长接头抗剪承载力

4 螺栓连接的其他构造要求

4.1 螺栓连接应用范围

GB 50017—2017要求受动力荷载作用的螺栓连接应采用摩擦型连接，普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其他能防止螺帽松动的有效措施。按照高强度螺栓承压型连接计算时，不要求对接触面进行抗滑移处理，但在正常使用极限状态下应符合摩擦型连接的设计要求。当高强度螺栓连接的环境温度为100～150 ℃时，其承载力应降低10%。AISC 360-16允许新建或改造工程中高强度螺栓摩擦型连接可以和铆钉共同受力。

4.2 螺栓和焊缝并用

GB 50017—2017不允许普通螺栓连接或高强度螺栓承压型连接与焊接并用承受同一作用力，在改、扩建工程中作为加固补强措施允许采用高强度螺栓摩擦型连接与焊接并用，并按照行业标准JGJ 82—2011的规定进行构造和计算。AISC 360-16也不建议采用栓焊并用的连接形式，只有高强度螺栓摩擦型连接可以和平行角焊缝共同承受荷载，同时对螺栓和焊缝各自所承担的荷载能力有明确要求，例如：高强度螺栓采用转角法拧紧时，角焊缝能承担的荷载应不少于50%，采用其他方法拧紧螺栓时，角焊缝能承担的荷载应不少于70%，但高强度螺栓应具有承担不少于33%荷载的能力，计算栓焊并用连接时，承载力系数φ取0.75 (LRFD)或Ω取2.00(ASD)。

5  结 论

本文归纳总结了中国GB 50017—2017《转自：标准》和美国AISC 360-16《建筑转自：规范》中关于钢结构螺栓连接的基本规定和设计内容，分析比较了GB 50017—2017和AISC 360-16规定的螺栓连接形式、构造要求、计算方法等技术要求，对进一步改进和完善GB 50017—2017具有参考意义。主要结论如下：

1)GB 50017—2017和AISC 360-16推荐采用的螺栓连接构造形式基本相近，有普通螺栓和高强度螺栓，可按承压型连接或摩擦型连接设计。GB 50017—2017和AISC 360-16对螺栓连接的承载力计算方法和连接构造要求也基本接近。

2)AISC 360-16已开始采用比12.9级更高强度等级的高强度螺栓，GB 50017—2017需要在8.8级和10.9级高强度螺栓研究和应用的基础上，考虑采用12.9级高强度螺栓。

3)GB 50017—2017对大圆孔、槽孔的螺栓计算和排布要求需要进一步细化规定；对高强度螺栓预拉力取值、螺栓抗剪承载力计算还需要进行更多优化研究；计算连接板强度时考虑研究大圆孔、槽孔等非标准孔型的影响。

4)AISC 360-16在计算摩擦型连接抗剪承载力时，接触面抗滑移系数取值仅与表面处理工艺有关，而不考虑钢材牌号的影响，修订GB 50017—2017时也需要做相应的研究和探索。

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1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS20052506（注册登录免费获取）    

2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG 

3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202008004?db=STMJTEMP

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