摘要：针对大量使用的钢结构闭口截面构件难以全螺栓连接、风电等大直径高耸钢管结构在风致动载作用下拼接接头抗疲劳能力不足、承受动载的大型钢结构基础预应力抗拔锚栓缺乏设计与施工成套技术等3大问题，通过概念设计、理论分析、试验研究、数值模拟、产品研制、装备开发等手段，研制了单向（边）高强螺栓紧固件、反向平衡法兰连接技术和螺栓预拉力直接张拉法设备、可更换预应力锚栓和大型锚栓施工定位装置，开发了锚栓预应力直接张拉安装技术，提出了梁柱全螺栓连接半刚性钢框架设计方法、拼接节点的等效抗弯承载力设计方法以及防止基础动力疲劳开裂的设计方法，取得了一系列钢结构高效螺栓连接关键技术的研究成果，并在工程中得到了检验和推广应用。

关键词：嵌套式单边螺栓；自锁式单向螺栓；梁柱全螺栓连接半刚性钢框架设计方法；反向平衡法兰螺栓连接；可更换预应力锚栓；锚栓（地脚螺栓）定位与安装技术；锚栓预应力直接张拉技术

Abstract:There are three major problems caused by using a large number of closed-section members in steel structure, which are difficulties in only using bolts to connect the members, insufficient fatigue resistance of splice joint under wind-induced dynamic load for large-diameter steel tube tower structure such as wind power station and lack of packaged technology of design and construction for prestressed anti-pulling anchor bolt of large steel structure foundation under dynamic load. Through conceptual design, theoretical analysis, experimental research, numerical simulation, product development, equipment development and other means, blind high-strength bolt fastener, reverse balanced flange connection technology, direct tensioning equipment for bolt pretension, replaceable prestressed anchor bolt and construction positioning device for large anchor bolt were developed. Some new technologies were also devised such as installation technology of prestressed anchor bolt with direct tensioning method. Meanwhile the design method of semi-rigid steel frame with fully-bolted connections, the design method of equivalent bending bearing capacity of splice joint and the design method of preventing dynamic fatigue cracking of foundation were put forward. A series of research achievements about key technology of high-efficiency bolted connection in steel structure were obtained, which have been verified and applied in practical engineering.

Keywords:nested blind bolt; self-locked blind bolt; design method of steel frame with semi-rigid fully-bolted beam-to-column connections; reverse balanced flange connection; replaceable prestressed anchor bolt; anchor bolt positioning and installation technology; direct tensioning technology of prestressed anchor bolt

当前钢结构被广泛应用于建筑、桥梁等工程及风电塔、输电塔等大型设施中。钢结构高效建造的关键在于连接技术，其装配主要采用焊接和螺栓连接2种方式。由于钢结构焊接（图1）对工人的技术要求高、劳动强度大、装配效率低、质量保证难，因此螺栓连接成为钢结构现场装配技术的主要发展方向[1]。但传统螺栓连接技术主要适用于开口截面钢构件连接（图2），难以用于闭口截面钢构件连接，适用于闭口截面钢构件的传统连接方式还主要是焊接（图3）。对于闭口截面钢构件的接长，可采用法兰由螺栓实现拼接，但传统法兰螺栓连接采用扭矩法施工，在疲劳荷载作用下易发生螺栓松动，疲劳寿命低（图4）。此外，钢结构与基础采用地脚螺栓形式的传统锚栓连接（图5），存在无法更换、定位和预应力施加困难等问题，难以满足动载下大型钢结构与基础的可靠连接需求。

图1 钢结构焊接

Fig.1 Welding of steel structure

图2 钢结构螺栓连接

Fig.2 Bolted connection of steel structure

图3 闭口截面钢构件连接

Fig.3 Connection of closed-section steel members

图4 闭口截面钢构件外法兰螺栓拼接

Fig.4 Bolt splicing of outer flange of closed-section steel members

图5 钢结构基础典型传统锚栓连接（单位：mm）

Fig.5 Typical traditional anchor bolt connection of steel structure foundation（Unit：mm）

本文针对以上钢结构装配螺栓连接的技术瓶颈，介绍了取得的主要研究进展，以供工程应用参考。

方（矩）形钢管外形美观，受力性能和防腐耐火性能均优于H形钢，是一种优异的钢构件形式，在钢框架和钢桁架结构中应用广泛。但方（矩）形钢管构件难以采用传统螺栓连接，迫切需要研制开发一种可实现单侧安装、拧紧且便于拆卸的单向（边）螺栓。国外虽然有单向（边）螺栓产品[2]，但成本高、预紧力和防振松能力较低，作者克服国外产品的不足，成功研制了2种单向（边）高强螺栓产品——嵌套式单边高强螺栓和自锁式单向高强螺栓。

2.1.1 嵌套式单边高强螺栓构造

嵌套式单边高强螺栓（图6）由圆头螺栓、圆头螺栓操控杆、嵌套部分、嵌套操控杆、安装盘、垫圈和螺母构成（专利号：ZL201310516467.7，ZL201310676811.9）。圆头螺栓尾部设置有圆头螺栓操控杆，嵌套部分被分割为若干组件，安装完成后形成一个完整的嵌套；安装盘上加工有对各个操控杆的定位孔，从而对各个嵌套组件的安装进行定位。除了能够满足单边紧固的功能性要求外，该螺栓还具有构造设计原创性、安装便捷性、制造成本经济性的特点。

图6 嵌套式单边高强螺栓的构造与组成

Fig.6 Detail and composition of nested blind high-strength bolt

2.1.2 嵌套式单边高强螺栓力学性能

对于8.8 级和10.9 级的M12、M20、M24嵌套式单边高强螺栓的连接性能进行了试验研究[2-3]，研究内容包括单个螺栓的抗拉性能（图7a）、单个螺栓的抗剪性能（图7b）、单个螺栓的拉剪性能（图7c）、螺栓群的抗滑移性能（图7d），并对螺栓的实际预拉力值及拧紧后的松弛情况进行了观测。

图7 嵌套式单边高强螺栓力学性能试验

Fig.7 Mechanical property tests of nested blind high-strength bolt

试验结果表明，嵌套式单边高强螺栓的预拉力完全能够达到规范要求的摩擦型高强螺栓预拉力设计值，且拧紧后预拉力稳定无松弛；无论是单个螺栓在拉力作用、剪力作用或拉剪组合作用下，还是螺栓群在剪力作用下，分体嵌套均未发生破坏，表现出良好的力学性能，螺栓的破坏模式均为螺杆失效，极限承载力由螺杆控制，等同于相同强度等级的高强螺栓。

2.1.3 嵌套式单边高强螺栓的施工

如图6所示，安装嵌套式单边高强螺栓时，先将安装盘穿入圆头螺栓操控杆相应的定位孔，然后通过圆头螺栓操控杆将圆头螺栓穿过安装孔，再通过嵌套操控杆将第一嵌套部分穿过安装孔，当第一嵌套部分抵达安装孔内侧时，调节第一嵌套部分的位置将嵌套操控杆穿入安装盘相应的定位孔，同样完成剩余部分嵌套的安装，此时所有嵌套部分组合成一个完整的嵌套。然后通过圆头螺栓操控杆将圆头螺栓回抽，圆头螺栓的螺栓头将各个嵌套部分紧压在安装孔内侧孔壁上，此时可以分别拆下安装盘及嵌套操控杆，将紧固垫圈和螺母穿过圆头螺栓操控杆进行安装，通过螺母与螺栓的螺纹连接将螺栓圆头压紧在嵌套部分头部外表面，嵌套头部内表面则压紧在安装孔内侧表面，从而有效实现构件的单边连接与紧固，最后拆下圆头螺栓操控杆。

为实现若干分体式垫片同时安装的功能，发明了一种专用安装工具（专利号：ZL201410208840.7），利用手推滑块带动连杆驱动滑槽滑块同步展开的方式，将分体式垫片导入并展开到空间相对狭小的安装孔壁内侧（图8）。

图8 嵌套式单边高强度螺栓安装工具

Fig.8 Nested blind high-strength bolt installation tool

2.2.1 自锁式单向高强螺栓构造

采用自锁式原理，研发了8.8级和10.9级的M12、M16、M20自锁式单向高强螺栓[4]（专利号：ZL201320115566.X），包括非标准化套筒和标准化套筒2种形式。非标准化套筒单向螺栓由全螺纹螺杆、钢垫圈、橡胶垫圈、开缝套筒、锥头5个部件组成（图9），标准化套筒单向螺栓由全螺纹螺杆、钢垫圈、橡胶垫圈、不开缝套筒、橡胶垫圈、标准化开缝套筒、锥头7个部件组成（图10），通过套筒的标准化，可以降低螺栓的制造成本，当连接钢板较薄时还可以去掉不开缝套筒和其中1个橡胶垫圈。

图9 非标准化套筒自锁式单向螺栓

Fig.9 Nonstandard sleeve self-locked blind bolt

图10 标准化套筒自锁式单向螺栓

Fig.10 Standardized sleeve self-locked blind bolt

2.2.2 自锁式单向高强螺栓力学性能

对自锁式单向高强螺栓进行了拉伸试验（图11）和剪切试验（图12），获得了单向螺栓的抗拉承载力、抗剪承载力和抗拉刚度。研究发现：自锁式单向螺栓的抗拉承载力和同等级的普通高强螺栓的抗拉承载力相当，承载力值稳定；自锁式单向螺栓的套筒与螺杆一起共同抗剪，其抗剪承载力远高于同等级同直径的普通高强螺栓的抗剪承载力；当螺栓拉力小于螺栓预拉力时，自锁式单向螺栓的抗拉刚度与普通高强螺栓的抗拉刚度相当[5- 8]。

图11 单向螺栓拉伸试验

Fig.11 Tensile test of blind bolt

图12 单向螺栓剪切试验

Fig.12 Shear test of blind bolt

在系统试验和理论分析研究的基础上，提出了自锁式单向高强螺栓的承载力设计值与适用范围（表1）[4]。

表1 自锁式单向高强螺栓承载力设计值与适用范围

Tab.1 Design value and application scope of bearing capacity of self-locked blind high-strength bolts

2.2.3 自锁式单向螺栓的施工

自锁式单向螺栓的安装比较简单，不需要使用专用工具即可完成螺栓的拧紧施工。安装时，将螺栓放入螺孔后，先用一个扳手固定住金属垫圈，再用扭矩扳手在六角螺杆头部进行拧紧，利用橡胶垫圈的摩擦锁紧套筒，套筒卡紧锥头使锥头不能转动，旋紧时锥头逐渐将套筒撑开，卡住连接部件，从而实现连接（图13）。

图13 自锁式单向螺栓安装原理

Fig.13 Installation principle of self-locked blind bolt

为保证自锁式单向螺栓具有合适的预拉力，需要按照表2控制其安装扭矩[6-7]。

表2 自锁式单向螺栓预拉力及其安装扭矩

Tab.2 Pretension and installation torque of self-locked blind bolts

3.1.1 矩形钢管柱端板式梁柱全螺栓连接节点受弯性能

在梁端部采用平齐或外伸端板的形式，利用单向螺栓或对拉式螺栓（专利号：ZL201110353390.7），解决钢结构常用闭口矩形截面柱难以采用传统螺栓与钢梁连接的难题（图14）。为研究矩形钢管柱梁柱单向螺栓连接全螺栓节点的抗弯性能，进行了12组H形钢梁与矩形钢管柱平齐式端板和外伸式端板单向螺栓连接节点试件试验（图15），分别测试了在螺栓强度控制、端板强度控制和柱壁强度控制下节点的抗弯承载力、转动刚度、转动能力和破坏模式（图16）[9-11]。

图14 钢梁与矩形钢管柱全螺栓连接构造

Fig.14 Detail of fully-bolted connection between steel beam and rectangular tubular column

图15 H形钢梁与矩形钢管柱单向螺栓节点抗弯试验

Fig.15 Bending test of blind bolted connection between H-shaped beam and rectangular tubular column

图16 矩形钢管柱梁柱单向螺栓节点破坏模式

Fig.16 Failure modes of beam-to-column blind bolted connection of rectangular tubular column

可根据矩形钢管柱梁全螺栓连接节点受弯破坏的不同模式，确定节点的抗弯承载力[12]，也可以根据节点不同模式的抗弯承载力设计控制节点的破坏模式。

3.1.2 螺栓破坏模式控制的矩形钢管柱梁全螺栓连接节点抗弯承载力

对于螺栓破坏模式（螺栓强度控制）的齐平端板式节点（图17），节点的抗弯承载力可按式（1）计算：

式中：Mbt为螺栓破坏模式控制下节点的抗弯承载力；m为单向螺栓列数；Fbt为单向螺栓抗拉承载力；hi为各排螺栓与钢梁下翼缘底部的距离；h1为最上排螺栓与钢梁下翼缘底部的距离。

图17 矩形钢管柱梁柱平齐式端板节点受弯螺栓强度控制螺栓群受力模式

Fig.17 Stress mode of bolt group controlled by bending bolt strength of flush end-plate beam-to-column connection of rectangular tubular column

对于螺栓破坏模式（螺栓强度控制）的外伸端板式节点（图18），节点的抗弯承载力可按式（2）计算：

图18 矩形钢管柱梁外伸式端板节点受弯螺栓强度控制螺栓群受力模式

Fig.18 Stress mode of bolt group controlled by bending bolt strength of extended end-plate connection of rectangular tubular column

3.1.3 端板破坏模式控制的矩形钢管柱梁全螺栓连接节点抗弯承载力

对于端板破坏模式的节点（图19），可利用 “等效T形件”法获得端板承载力控制的节点抗弯承载力，按式（3）进行计算：

式中：Mep为端板破坏模式控制下节点的抗弯承载力；FT，i，Rd为T形件的抗拉承载力[12]。

图19 矩形钢管柱梁全螺栓节点受弯端板破坏控制螺栓群受力模式

Fig.19 Stress mode of bolt group controlled by bending bolt strength of fully-bolted end-plate connection of rectangular tubular column

3.1.4 柱壁破坏模式控制的矩形钢管柱梁全螺栓连接节点抗弯承载力

对于柱壁破坏模式的节点，利用屈服线理论和虚功原理可求得柱壁控制下的节点抗弯承载力。

式中：Mcf为柱壁破坏模式控制下节点的抗弯承载力；α0、β0分别为屈服线7、9（图20）与柱壁之间的夹角；m、n、s、b0为几何参数；UL=t2fy/4，为单位长度屈服线的能量；t为柱壁厚度；fy为柱壁的屈服强度。图20为矩形钢管柱梁平齐式端板单向螺栓连接节点的屈服线形式，图21为矩形钢管柱梁外伸式端板单向螺栓连接节点的屈服线形式。

图20 矩形钢管柱梁平齐式端板全螺栓节点受弯柱壁破坏屈服线模式

Fig.20 Failure yield line mode of fully-bolted flush end-plate connection of rectangular tubular column subjected to bending

图21 矩形钢管柱梁外伸式端板全螺栓节点受弯柱壁破坏屈服线模式

Fig.21 Failure yield line mode of fully-bolted extended end-plate connection of rectangular tubular column subjected to bending

针对屈服强度460MPa以上等级的高强钢构件摩擦型与承压型高强螺栓抗剪连接设计无规范可依的问题进行了研究。

3.2.1 摩擦型螺栓连接

对3种高强钢Q550、Q690、Q890采用抛丸表面、抛丸后喷涂无机富锌漆表面、抛丸后生赤锈表面以及钢丝刷除锈表面的抗滑移系数进行了系统的试验研究[13-14]，试验装置如图 22所示。测定了高强钢常见摩擦面类型硬度与粗糙度之间的定量关系，发现在相同的表面除锈处理条件下，试件表面粗糙度随钢材硬度（强度）的增高而降低，如图23所示。钢材强度等级由Q550增加到Q890，抛丸表面及钢丝刷除锈表面的抗滑移系数下降了约15%左右。根据研究结果，提出了高强钢常见摩擦面的抗滑移系数（表3）。

图22 高强钢螺栓连接抗滑移试件（单位：mm）

Fig.22 Anti-sliding specimen of high-strength steel bolted connection（Unit：mm）

图23 钢材硬度与粗糙度关系曲线

Fig.23 Relation curves between hardness and roughness of steel

表3 高强钢常见摩擦面抗滑移系数

Tab.3 Anti-sliding coefficients of common friction surface of high-strength steel

同时，针对端板式梁柱全螺栓连接节点中，梁柱分别采用高强钢与普通钢的情况，进行了高强钢与普通钢混合连接摩擦面的抗滑移特性试验测试[15]，确定了混合连接的摩擦面的抗滑移系数，如表4所示。

表4 高强钢与普通钢混合连接摩擦面的抗滑移系数

Tab.4 Anti-sliding coefficients of friction surface between high-strength steel and mild steel

3.2.2 承压型螺栓连接

对Q550、Q690和Q890高强钢构件的单螺栓、双螺栓及螺栓承压型连接进行了系统的试验研究[16-19]，发现钢材强度等级对承压型螺栓连接的受剪破坏模式及正则化极限承载力的影响不明显。在确保净截面不破坏的情况下，单螺栓及多螺栓连接在破坏时均可观测到剪出破坏与劈裂破坏2种模式（图24）。但是，不同强度构件高强螺栓承压型连接的变形能力有显著变化。在试验研究与数值模拟的基础上，分析了不同端距下高强钢螺栓孔变形与承载力的关系，并与现有考虑螺栓孔变形的设计方法进行了对比。在试验荷载-位移曲线的基础上，研究了承压承载力与螺栓孔变形的内在关系，从螺栓孔的变形状态出发，基于等效屈服点理论，明确了承压型螺栓连接受力2个阶段的定义（图25），提出了基于变形控制的高强钢构件螺栓抗剪连接承压承载力的设计计算方法[20]。

式中：Pb为基于变形控制的螺栓连接承压承载力；β为孔壁承压变形控制系数，0≤β≤1.0；Plocal为局部变形控制承压承载力；Pglobal为整体变形控制承压承载力；Pt为孔壁承压极限承载力；Fu为钢材抗拉强度；e1为端距；d0为螺栓孔径；d为螺栓直径；t为板厚。

图24 高强螺栓承压型连接受剪破坏模式

Fig.24 Shear failure modes of high-strength bolted bearing connections

图25 高强钢构件螺栓连接承压破坏模式及设计方法

Fig.25 Failure modes and design methods of high-strength steel bolted connections

3.3.1 梁柱全螺栓连接半刚性钢框架结构抗震性能

“强柱弱梁”是钢框架结构抗震设计中的一个原则，然而由于对梁挠度的控制要求，梁的刚度不能太小，但当梁的跨度较大时，设计“强柱弱梁”钢框架有较大困难，加上实际建筑楼板对钢梁的组合作用，使得硬性设计“强柱弱梁”钢框架时，需人为加大柱截面从而不经济。

端板式梁柱全螺栓连接半刚性钢框架为实现“强柱弱梁”框架结构提供了一种有效方式，可以将梁柱节点视作梁端的延伸，通过控制梁端板的构造和厚度，限制端板式梁柱半刚性节点的抗弯承载力，实现“强柱弱梁”框架的设计。

框架结构抗震性能的关键在于梁柱节点的塑性转动能力（图26），为验证端板式梁柱全螺栓连接半刚性钢框架的抗震性能，进行了子结构模型试验[21-22]（图27），试验表明端板式梁柱全螺栓连接节点的转动能力能够达到0.06 rad以上（图28），可以适应框架1/20以上的层间相对侧移变形的需求。

图26 框架在地震下的侧移与梁柱节点转动

Fig.26 Lateral displacement and rotation of beam-to-column connection of frame under earthquake

图27 梁柱全螺栓连接半刚性钢框架反复加载试验（单位：mm）

Fig.27 Reversed loading test of semi-rigid fully-bolted beam-to-column connection（Unit：mm）

图28 梁柱全螺栓连接节点的转动能力

Fig.28 Rotation capacity of fully-bolted beam-to-column connection

3.3.2 竖向荷载下梁柱全螺栓连接半刚性钢框架结构设计方法

梁柱全螺栓连接节点的半刚性使框架结构的设计计算复杂化，为简化竖向荷载下梁柱全螺栓连接半刚性钢框架结构的设计计算，可采用结构简化计算模型（图29）和塑性设计方法（图30）。由于梁柱节点的转动能力很强，竖向荷载下梁端的极限弯矩可取为梁柱节点的抗弯承载力，则框架梁的承载力需满足以下要求[23-24]：

式中：Msag为框架梁的承载力；q为均布荷载；L为梁的跨度；MuA、MuB分别为梁两端的负弯矩下的抗弯承载力；M+p，beam为正弯矩下钢-混凝土组合梁的承载力。

图29 竖向荷载下结构简化分析模型

Fig.29 Simplified analysis model of structure under vertical load

图30 竖向荷载下塑性设计方法

Fig.30 Plastic design method under vertical load

梁的挠度δ可按采用式（9）近似计算[25-26]：

式中：δr、δp分别为梁柱刚接节点梁和梁柱铰接节点梁的最大挠度；μf为竖向荷载半刚性节点梁两端的弯矩与刚性节点梁两端的弯矩比值的平均值，该值可根据梁柱节点的刚度简化确定，一般为0.4~0.8。

竖向荷载下框架柱的极限状态弯矩可以根据梁端的极限弯矩承载力确定，竖向荷载下框架柱的极限状态轴力可简单采用柱分担的竖向荷载面积估计，进而可进行框架柱的设计验算[27-32]。

综合以上分析，可对竖向荷载下梁柱全螺栓连接半刚性钢框架结构进行简化设计计算[33-35]。

3.3.3 水平荷载下梁柱全螺栓连接半刚性钢框架结构设计方法

水平荷载下梁柱全螺栓连接半刚性框架结构的设计也可以采用塑性设计方法。由于可以通过控制梁柱节点的弯矩承载力实现“强柱弱梁”的设计，因此梁柱全螺栓连接半刚性框架整体结构的抗侧作用承载力验算可以采用如图31所示的简化模型[36]，而框架梁可按式（10）进行验算[36]（图32）：

式中：M+p，conn、M-p，conn分别为梁两端的正弯矩和负弯矩承载力[24-37]。

图31 水平荷载下结构承载力简化分析模型

Fig.31 Simplified analysis model of structural bearing capacity under horizontal load

图32 水平荷载下框架梁塑性设计方法

Fig.32 Plastic design method of frame beam under horizontal load

水平荷载下梁柱全螺栓连接半刚性框架结构的侧移计算可采用如图33所示的简化模型，即考虑梁柱连接节点的半刚性影响，将框架梁弯曲刚度Ib折减为等效刚接框架的弯曲刚度Ibeq，其中Ibeq可按式（11）计算[38-39]：

图33 水平荷载下结构侧移简化分析模型（单位：mm）

Fig.33 Simplified analysis model of lateral displacement of structure under horizontal load（Unit：mm）

为进一步简化半刚性节点钢框架结构承受水平作用的设计计算，可增设支撑承受全部水平作用，而半刚性节点钢框架仅承受竖向作用，这样只需进行半刚性节点钢框架承受竖向作用的设计计算[40]。以上将梁柱全螺栓连接半刚性钢框架结构的设计分解为分别进行竖向荷载和水平荷载下承载力和刚度验算的方法[41]，通过试验得到了验证[42-43]。

对于没有疲劳作用的普通钢管结构，如桁架、单管柱等，一般采用刚性法兰拼接（图34）。刚性法兰因法兰板厚度有限，螺栓预紧力施加难以达到要求，受较大弯矩作用时法兰板会开口，抗弯刚度无法保证。

图34 刚性法兰

Fig.34 Rigid flange

对于疲劳作用显著的大直径钢管结构，如风力发电机钢塔筒，一般采用厚型法兰连接（图35）。厚型法兰的法兰板厚度较大，螺栓长度较长，因而施加预紧力和控制预紧力的大小比刚性法兰方便，能够同时满足强度和刚度不变的要求。但厚型法兰用钢量大，而且要求整体锻造成型，造价高昂，且主要依靠进口[44-45]。

图35 厚型法兰

Fig.35 Thick flange

根据持续动载作用下大直径钢管结构的构造和受力特点，发明了一种反向平衡法兰连接节点（专利号：US8322757B2，ZL200720002665.1）。该连接节点由钢筒节、法兰板、加劲板和高强螺栓组成（图36），主要特点在于“反向”和“平衡”[45-47]。通过“反向”设置法兰板和加劲在塔筒内侧向心设置 “平衡面”，合理优化结构受力和生产成本。

图36 反向平衡法兰连接

Fig.36 Reverse balanced flange connection

与一般刚性法兰与加劲板的连接关系相反，反向平衡法兰的加劲板在前，法兰板在后，不增加法兰板厚度即可增加螺栓长度，从而方便螺栓预拉力的施加和控制，实现受力过程中钢筒连接处始终受压、筒身抗弯刚度不变的目的。

反向平衡法兰在加劲板的钢管向心侧加设的一段“平衡面”使法兰连接时不但钢管壁受压，而且加劲板的“平衡面”也受压。这样可大大减小加劲板与钢管壁连接焊缝的弯曲作用，从而减小钢管的环向拉力，使加劲板与管壁之间的焊缝以受剪为主（图37），同时显著提高焊缝的抗疲劳性能。

图37 反向平衡法兰受力简图

Fig.37 Stress diagram of reverse balanced flange

对采用反向平衡法兰连接和厚型法兰连接的大直径钢塔筒进行了缩尺模型试验（图38），分别进行静力极限加载和往复循环加载[44，46]，结果表明反向平衡法兰连接节点具有较高的强度和抗弯刚度，良好的各焊缝热点应力幅均小于极限疲劳应力幅，满足永久疲劳寿命，实现了大直径钢管结构抗疲劳的高效连接。

图38 反向平衡法兰与锻造法兰对比试验

Fig.38 Comparative test of reverse balanced flange and forged flange

根据正常使用时法兰处于弹性状态、接触面未脱开的基本假定，建立螺栓群绕截面形心转动的抗弯承载计算模型。由于螺栓数量较多且较密，因此进一步将螺栓群等效为钢管抗弯，提出了其抗弯承载力计算公式[45-46]：

式中：M为螺栓群的抗弯承载力；f为等效钢管抗弯强度；d为螺栓中心圆的直径；t为等效钢管壁厚，可按式（13）计算。

式中：P为螺栓预拉力；n为螺栓个数。

设计中使螺栓群抗弯承载力M大于法兰处的设计荷载，从而确定螺栓的个数n。法兰板可视为支承在管壁与加劲板上的三边支承板，求得法兰板所受弯矩，进而根据弹性理论确定其厚度；根据加劲板与法兰板T形对接焊缝的局部承压验算确定法兰板的宽度。

加劲板与筒壁的T形对接焊缝承受剪力P1，按式（14）计算，由此可以确定加劲板的厚度和高度。

式中：e1为螺杆轴线与该焊缝的距离；e2为平衡面中心与该焊缝的距离，e1/e2介于1/4~1/3之间。

该设计方法简单准确，通过了试验、有限元分析及现场实测的验证[45-50]，获得了鉴衡认证、中国船级社认证及DNV·GL国际认证。

高强螺栓施加预拉力的传统方法主要为扭矩扳手法，通过给螺栓一定的扭矩从而达到施加预拉力的目的，这是一种对螺栓间接施加预拉力的方法。该方法存在一定程度的缺陷：1）扭矩作用下，螺栓内部产生拉、剪复合应力，降低了高强螺栓的强度和韧性；2）螺栓预拉力需要通过扭矩系数换算得到，误差较大；3）螺杆内产生的反弹扭矩是导致高强螺栓松动的内因。高强螺栓一旦松动将变为普通螺栓，疲劳寿命大大降低。因此，提出了直接张拉法安装技术[51-52]，发明了一种高强螺栓双缸液压张拉器（专利号：ZL200720198911.5）（图39）。该发明的核心部件为双油缸缸体，由双头螺栓、螺母、支承梁、活塞、下底座、厚螺母等部分组成，厚螺母一端套在被拉螺栓的顶部，另一端套在张拉器双头螺栓的下端，通过油泵对张拉器加压，达到直接张拉螺栓的目的。

图39 高强螺栓双缸液压张拉器

Fig.39 Double cylinder hydraulic tension device for high-strength bolts

采用双油缸可有效减小螺栓与筒壁之间的距离，使连接节点的传力更合理、用材更经济。与传统扭矩法相比，可以更加直观、准确地施加螺栓预拉力，同时避免螺栓出现拉剪复合应力状态，提高其设计强度和防松性能，延长持续动载下结构的维护周期，还可以减轻安装人员的劳动强度，提高螺栓的安装质量。

高强螺栓双缸液压张拉器尤其适用于反向平衡法兰（图40）和没有加劲板的法兰螺栓的张拉，充分利用其所需操作空间小的特点，使高强螺栓的布置更加紧凑，提高连接节点的受力性能，节约材料。

图40 液压张拉器张拉反向平衡法兰

Fig.40 Tension reverse balanced flange using hydraulic tensioners

根据工程经验，应用高强螺栓双缸液压张拉器直接对螺栓施加预拉力时，螺栓会有一定程度的预拉力损失。经过测试发现，M30高强螺栓的预拉力损失在12%~15%之间[51-52]。因此，在使用此张拉器时，需要根据试验的损失值，对高强螺栓进行超张拉。

针对大型钢结构与基础间受力大、传统柱脚连接形式或无法达到刚接连接、或施工难度大用材不经济、或影响建筑有效使用面积等缺陷，发明了一种预应力锚栓连接装置（专利号：ZL200820150667X）（图41a）），可对钢结构基础施加预应力，实现钢结构与基础的可靠连接，提高基础的抗疲劳性能，同时简化施工、节约生产成本。

预应力锚栓连接装置主要由上锚板、下锚板和锚栓3部分组成。上、下锚板之间的锚栓外套塑料套管，端部用热缩套收缩密封，使锚栓与混凝土分离，方便对锚栓施加预拉力；在上锚板底面安装有用于调整上锚板水平度的调平螺母，螺母可选择强度较低的尼龙材质，不影响锚栓预应力的施加；下锚板由可调节支架固定在地基上，锚栓穿过下锚板用大六角头螺母固定。预应力锚栓连接装置在风力发电机钢塔筒与基础的连接中得到了广泛应用（图41b））。

图41 预应力锚栓连接构造及应用

Fig.41 Connection detail and application of prestressed anchor bolts

在工程应用过程中，经过一系列改进和试验研究，发明了可更换预应力锚栓装置（专利号：ZL201510515415.7）（图42a））。将下锚板底部的“大六角头螺母”更换为“底部密封组件”，该组件包括螺母盒和位于螺母盒内的六角螺母（图42b）），螺母盒焊接在下锚板上，具有密封锚栓底部的作用，可避免基础混凝土接触到锚栓螺纹段，方便锚栓的取出和更换。

图42 可更换预应力锚栓

Fig.42 Replaceable prestressed anchor bolts

采用预应力锚栓连接的柱脚对锚栓施加预拉力后，上下锚板对钢筋混凝土产生反向压应力，减小混凝土拉应力[53]（图43）。据此提出了防止钢结构锚栓连接混凝土基础疲劳开裂的设计方法，即通过合理设计锚栓预拉力，使正常工作状态下的混凝土的拉应力小于其抗拉强度，使疲劳动力荷载作用下的混凝土的疲劳应力幅小于其允许疲劳应力幅。该设计方法可避免混凝土开裂的出现，实现钢结构与基础的可靠连接，解决动力荷载作用下基础的疲劳开裂问题，并被纳入了《高耸结构设计标准》（GB50135—2019）第7.3节[54]。

图43 预应力锚栓连接钢结构基础设计方法

Fig.43 Design method of prestressed anchor bolt connection of steel structure foundation

另外，采用可更换预应力锚栓连接的钢结构柱脚还需要验算上、下锚板处混凝土的局部承压能力[53]。采用该方法设计的梁板式预应力锚栓基础在风力发电塔中得到了广泛应用，其连接强度、刚度和抗疲劳性能均通过了理论分析[55-56]和现场实测验证[57-58]。

由于钢结构的混凝土基础施工过程中容易产生位置误差且量级较大，因此为提高钢结构的施工安装精度和速度，发明了一种钢结构柱脚节点锚栓群精确定位的装置（专利号：ZL201110247583.4）。如图44所示，发明的钢结构锚栓（地脚螺栓）精确定位装置，将若干根地脚螺栓固定穿设在一块地脚螺栓垫板上，构成一个螺栓组，每根地脚螺栓的上、下两端均从地脚螺栓垫板中露出。精确定位装置包括定位框架和至少一组定位连接架，定位框架包括两根主梁和若干对次梁，所有次梁两端均与两根主梁相连，每组定位连接架固定在一对次梁之间。通过定位框架和定位连接架的依次固定，把多根地脚螺栓的相对位置确定，确保在混凝土浇筑过程中地脚螺栓位置不受影响，提高了地脚螺栓的施工精度，减少了浇筑混凝土的次数，加快了施工速度。

图44 锚栓集群精确定位装置

Fig.44 Precision positioning device for anchor bolt cluster

随着超高层建筑的快速发展，多腔体巨型钢柱、剪力墙等复杂构件大量涌现，构件与底板连接时对锚栓的受力性能和施工技术的要求越来越高，单根锚栓的直径达到了75mm，长度达到了6m，且单个钢构件的锚栓使用数量较大（图45），其安装精度和效率都是巨大的挑战，对此提出了一种有效的解决方案——大型锚栓集群安装装置及装配化施工方法[59]。

图45 大型锚栓集群

Fig.45 Large anchor bolt cluster

大型锚栓集群安装装置由立柱、支撑架主体、支撑架斜撑以及可拆卸横梁组成（专利号：ZL201410090628.5，ZL201410093817.8）（图46）。立柱的设置主动避开了底部钢筋的排布位置，在完成支撑架主体及锚栓安装后，将其吊装到指定位置。待支撑架主体安装就位后，选择性安装支撑架斜撑保证其稳定性。拆除支撑架可拆横梁，绑扎钢筋。最后安装支撑架可拆横梁。通过采用这种安装装置在现场钢筋绑扎前进行加工、吊装的方法，同时采用自适应固定装置，保障了大型锚栓集群定位的精确性；装配化施工方法避免了锚栓的一根根安装，大大提升了施工效率，在北京中国尊大厦等多个项目中均有应用，使得锚栓中心安装误差在3mm以内，单个锚栓安装吊次降低80%以上，施工速度提升60%以上。

图46 大型锚栓集群安装装置

Fig.46 Installation device of large anchor bolt cluster

钢柱柱脚在某些工况下可能出现较大的拉力和压力作用，为了满足柱脚与钢筋混凝土底板的可靠连接，需采用高强度锚栓并张拉预应力。另外，还存在一些倾斜钢结构建筑，钢柱呈现出不同的倾角，导致柱脚锚栓倾斜安装（图47），同时柱脚加劲板之间的净距太小导致张拉空间有限，给锚栓预应力的施加带来了巨大挑战。

图47 倾斜高强预应力锚栓

Fig.47 Inclined high-strength prestressed anchor bolts

针对复杂柱脚大型预应力锚栓连接，开发了锚栓预应力直接张拉法安装技术[60-61]，研制了标准化球形螺母和楔形垫块等锚栓装置，实现了柱脚空间不同倾斜角度高强锚栓（最大规格为M75mm×6,307mm、抗拉强度为1,030 N·mm-2）的自适应性弧形偏差调节（图48），单根锚栓可调节角度a达7°，解决了不同角度超长锚栓集群的精度偏差大和锚栓张拉端连接副规格难归并等系列问题。

图48 倾斜高强预应力锚栓装置（单位：mm）

Fig.48 Inclined high-strength prestressed anchor bolt device（Unit：mm）

钢柱脚锚栓预应力张拉直接采用板底加劲肋板间张拉和板顶张拉[60]，可结合锚栓张拉预应力大小、千斤顶直径以及加劲板净距选择不同的张拉方式（图49），从而实现狭窄空间的锚栓张拉施工。

图49 高强预应力锚栓张拉方式

Fig.49 Tension modes of high-strength prestressed anchor bolts

为促进建筑业转型升级，国家制定了大力发展钢结构的产业政策。为解决传统连接技术难以满足钢结构工程高质量快速发展需求的问题，作者在钢结构高效螺栓连接关键技术方面取得了一些突破，主要研究进展为：

（1）突破了闭口截面构件钢结构梁柱全螺栓连接的技术瓶颈，发明了单向（边）高强螺栓紧固件，其性能优于国外同类产品，可完全实现摩擦型高强度螺栓连接所需的预紧力；并提出了梁柱全螺栓连接半刚性钢框架设计方法，解决了梁柱全螺栓连接工程应用的关键问题。

（2）针对持续动载下大直径钢管结构拼接抗疲劳难题，发明了反向平衡法兰连接节点和螺栓预拉力直接张拉法设备，与国外同类技术相比，反向平衡法兰连接技术可节省钢材约10%，相同荷载作用下螺栓的疲劳应力幅降低了60%~70%，维护周期延长了3倍以上；同时提出了拼接节点的等效抗弯承载力设计方法，实现了大直径钢管结构抗疲劳的高效连接。

（3）针对超大钢结构基础的抗拔、动力疲劳和施工定位问题，发明了可更换预应力锚栓和大型锚栓施工定位装置，与国内外同类技术相比可节约成本80%以上；且开发了锚栓预应力直接张拉安装工艺，提出了防止基础动力疲劳开裂的设计方法，实现了动载下大型钢结构与基础的可靠连接。

上述研究成果均形成了工程化产品和装备，实现了规模化应用，取得了很好的经济和社会效益。在今后的实践中，这些研究成果还将进一步得到完善和提高。

致谢：本文的研究得到了同济大学建筑设计院（集团）有限公司、江苏金海新能源科技有限公司、上海宝钢建筑工程设计有限公司等单位的大力支持；江苏金海新能源科技有限公司杨洲，同济大学建筑设计院（集团）有限公司何桂荣、黄冬平，同济大学简小刚、陈琛、李征，中建科工集团有限公司吕黄兵，中建三局集团有限公司张琨等也参与了本文的研究工作。

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