双剪的另外一块钢板是装好螺栓以后焊上去的,一块开孔不存在装不上去的情况,而且局部钢梁的腹板是可以加厚的。所以双剪对于抗震中重要构件的强节点弱杆件是有很大帮助的。再者,高层钢结构节点图集重要抗震节点用的就是双剪。

做十字形节点好些,钢柱悬挑短梁,十字形节点厂家内部完成,施工现场是梁梁连接,设计避开了梁端最不利节点设计位置,节点外移,从而减少螺栓数量。

考虑抗震时,极限状态下,考虑腹板同时承受弯矩和剪力,计算需要的螺栓太多了,这个笔者也核算过,四排螺栓;一个简单的办法,节点采用翼缘加强式连接,腹板分担的弯矩就小了,可以考虑腹板承受剪力,承担一小部分弯矩,这样螺栓数可以减少一半。

采用悬臂梁节点才是王道,采用“双剪”等方法解决不了问题。其实梁端腹板局部加厚也没啥不行,柱腹板节点区不也加厚? 还有加强式节点,翼缘局部加厚。为啥梁腹板局部加厚就觉得好像天崩地裂了呢?

1)长梁分段对接跨中节点一般做法是在腹板两侧对称设置连接板与腹板之间采用焊缝或螺栓连接,构造及计算满足规范要求;梁端支座处最好是采用端板高强螺栓或无端板全截面用坡口对焊与柱连接。

2)梁端腹板也可设连接板与柱对焊,梁就位后用高强螺栓与连接钢板连接,此种情况仅一侧有连接板,螺栓”单剪”,若两侧均设连接板施工很麻烦,费工费材,不如梁端与柱直接对焊(类似于牛腿)。此节点可在工厂制作时处理好,现场操作仅须处理跨中连接节点。

下面通过举例计算来说明。

1)算例个数。

钢梁截面见图1。钢材牌号为Q355。抗拉强度设计值f=305 MPa;抗剪强度设计值f_v=175 MPa;屈服强度f_y=345 MPa;抗拉强度f_u=470 MPa;高强螺栓10.9级,抗拉强度=1040 MPa。

图1　钢梁截面

2)估算弹性阶段腹板连接的螺栓数。

依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(简称《抗规》)8.2.8-1,弹性阶段要求按梁承载力(而不是设计内力)进行连接计算。参照JGJ 82—2011《高强螺栓规程》第5.1.4条进行弹性阶段腹板螺栓的验算(翼缘全熔透对接焊接无需验算)。

腹板采用10.9 级M20 高强螺栓。摩擦系数u=0.4。根据螺栓间距的构造要求,螺栓竖向排列如图2所示。

单个螺栓的抗剪承载力:

式中:k₁为系数,对冷弯薄壁型钢结构(t≤6 mm)取0.8;其他情况取0.9;k₂为孔型系数,取值见GB 50017—2017《钢结构设计标准》(简称《新钢标》);n_f为传力摩擦面数目;u为摩擦面的抗滑移系数;P为一个高强螺栓的预拉力设计值,取值见《新钢标》。

a. 梁截面几何特性。

翼缘惯性矩:

腹板惯性矩:

截面总惯性矩:

I=I_f+I_w=8.148×10⁸ mm⁴

腹板净截面面积:

A_nw=10×(568-22×5)=4.58×10³ mm²。

b. 梁弹性承载力设计值。

抗弯承载力设计值:

抗剪承载力设计值:

V_n=A_nwf_v=4.58×10³×175=8.02×10⁵ N

c. 腹板承担的弯矩。

d. 估算螺栓数。

螺栓竖向排列如图2所示。暂且忽略x方向螺栓间距,估算螺栓的列数。

图2　螺栓竖向排列示意

抗弯所需螺栓列数:

抗剪所需螺栓数:

螺栓数预估:

n=5P+n_v=5×2.55+8=21 个(双剪)

采用20个M20 螺栓,排列如图3所示。

图3　高强螺栓的内力分担示意

由上可见,弹性阶段必须双剪。单剪螺栓数翻倍(40个左右),不可行。

3)腹板螺栓连接的弹性承载力验算。

按图2的螺栓排列验算受剪力最大螺栓(图2中1号螺栓)承载力:

1号螺栓总剪力:

也就是说,在弹性阶段,必须为20个M20且双剪。

4)腹板螺栓连接的极限承载力验算。

a. 10.9 级M20 高强螺栓的极限抗剪承载力(=244.8 mm²,f_u^b= 1040 MPa)

螺杆受剪极限承载力:

梁腹板承压极限承载力:

螺栓极限抗剪承载力:=1.41×10⁵。

可见,高强螺栓的极限抗剪承载力是由梁腹板的承压承载力决定的,所以双剪连接无法发挥作用。

4.1　按《高钢规》第8.2.5-2条弯剪分区法验算。

1)梁全截面塑性抵抗矩和全塑性受弯承载力计算值:

2)受剪区螺栓极限承载力验算。

假设梁净跨l_n=7.8 m, 负荷宽度3 m,静力荷载设计值10 kN/m² ,则梁端屈服剪力:

受剪区螺栓极限承载力为:

=4×1.41×10⁵=5.64×10⁵ kN

, 可以。

3)受弯区螺栓极限承载力验算。

, 可以。

也就是说,在塑性阶段,20M20 单剪即满足要求。

4. 2　按《高钢规》附录F.2.3-6式(暂叫精确计算法)验算。

x_m=90 mm,y_m=190 mm

剪力设计值V_j=10×3×3.9×10³=1.17×10⁵ N。

由腹板螺栓决定的极限受弯承载力,即附录式F.2.3-6:

,可以。

也就是说,在塑性阶段,20M20 单剪即满足要求。

从上述计算过程可见,两种算法的结果都满足要求,但精确计算法要求更严一些。而且可以看出,公式F.2.3-6根号下的最后项及大括弧内最后项均对计算结果影响很小,如下式中的0.0028和0.025所示。

忽略这两项的话,则可简化成如下公式,与弹性阶段腹板受弯的螺栓验算公式是一样的,即为:

1)弹性阶段的连接承载力验算,从2010 版《抗规》起,要求按相连构件的承载力(而不是设计内力) 进行计算,需要的螺栓数比较多,应该首选双剪。单剪不合理不可行,所以也就不存在用双剪减少螺栓数的情况。

2)塑性阶段高强螺栓的极限受剪承载力是由构件腹板的承压承载力决定的,所以单剪即可,双剪连接难以发挥作用。

3)抗震连接的螺栓应双剪。双剪是弹性阶段的需要,与塑性阶段无关。所以可以认为螺栓双剪是专为“小震”而生。

4)如下两个问题值得探讨:钢构件的截面规格大多是由挠度、线刚度、长细比、板件宽厚比等决定的,其内力可能从来达不到弹性承载力。那么,按构件的弹性承载力计算螺栓连接合理性;大震可“单剪”,小震务必“双剪”,这样情况的合理性。