崔宏祥，李亞琳

（1.陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西西安 710054；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048）

在我國(guó)電力設(shè)計(jì)企業(yè)“走出去”的過(guò)程中，在輸電線路工程上，鐵塔重量一直是影響中標(biāo)率的關(guān)鍵因素。鐵塔重量除了材質(zhì)、荷載、方法等大的方面外，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上的差異也是不容忽視的一個(gè)方面。國(guó)外鐵塔設(shè)計(jì)往往采用美國(guó)規(guī)范，螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、設(shè)計(jì)方法、保證手段和焊縫的計(jì)算方法等方面與我國(guó)規(guī)范有一定的差異，這些差異直接導(dǎo)致了按我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)鐵塔重量上的增加。

1 螺栓比較

1.1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

美國(guó)常用的高強(qiáng)螺栓主要有A325和A490兩種等級(jí)，與我國(guó)的8.8級(jí)和10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不同，詳見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，我國(guó)8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u與美標(biāo)的A325幾乎相當(dāng)，而抗剪強(qiáng)度f(wàn)v只有A325的0.6倍（按ACI360-2005） 或0.55倍（按ACI360-2010）；10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的抗拉強(qiáng)度與美標(biāo)的A490幾乎相當(dāng)，而抗剪強(qiáng)度只有A490的0.6倍（按ACI360-2005）或0.54倍（按ACI360-2010）。這也就是說(shuō)，對(duì)鐵塔這種大多數(shù)螺栓承受剪力的結(jié)構(gòu)，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算出的螺栓數(shù)目要比美國(guó)規(guī)范多出近一倍；除螺栓本身重量外，還會(huì)引起連接板重量及塔身風(fēng)荷載的增加，并由于連接板尺寸的增大導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、重量加大。

表1 中美螺栓設(shè)計(jì)強(qiáng)度Tab.1 Bolt design strengths in the USA and China

1.2 高強(qiáng)螺栓擰緊狀態(tài)校驗(yàn)方法比較

除了高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度值不同之外，中美兩國(guó)的高強(qiáng)螺栓的擰緊狀態(tài)校驗(yàn)方法也有所不同，以下是兩國(guó)規(guī)范都有的方法：

校正扳手法（Calibrated Wrench Tightening）；

斷尾扭力控制法（Torque Control Bolts）。

校正扳手法以及斷尾扭力控制法都屬于力控制（Force Control）法，這兩種方法有個(gè)共同缺點(diǎn)，即通過(guò)扳手施加的扭力需要克服螺栓頭與墊圈之間及螺紋與螺帽間的摩擦力等，這些摩擦力會(huì)影響最終螺栓對(duì)連接構(gòu)件的緊固力。

美國(guó)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)研究委員會(huì)（RCSC）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)[2]之“8.2 Pretensioned Joints”一節(jié)還給出了兩種位移控制法，即直接拉力指示器法（Direct Tension Indicator）以及螺帽旋轉(zhuǎn)法（Turn-of-Nut Tightening，或者叫做角度控制法Angle Controlled Tightening，20世紀(jì)50年代就被采用）。這兩種方法目前在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中還沒(méi)有采用，茲做簡(jiǎn)單介紹。

“螺帽旋轉(zhuǎn)法”指將螺栓擰到緊貼（Snug-Tight）狀態(tài)，使被緊固連接件的結(jié)合面接觸至緊密狀態(tài)，然后在螺桿、螺帽以及連接件上畫一直線作為記號(hào)，見(jiàn)圖1，然后用扳手將螺栓繼續(xù)擰緊至一個(gè)具體要求，見(jiàn)表2，以達(dá)到文獻(xiàn)[2]之表格8.2的要求。

圖1 螺栓上的直線記號(hào)Fig.1 The line mark on the bolt

表2 螺栓擰緊要求Tab.2 Tightening required of the bolt

直接拉力指示器法（Direct Tension Indicator）是另一種位移控制法，除了高強(qiáng)螺栓，還需要一種專門制作的墊圈和舌狀探片，見(jiàn)圖2。墊圈一面是平整的，另一面上通常有五六個(gè)凸起，其中含有有色顏料，在擰緊螺栓過(guò)程中，螺栓頭或者螺母與墊片間的間隙被逐漸壓縮，當(dāng)間隙小到一定值時(shí)，凸起中的顏料被擠壓出來(lái)，直觀地表示已經(jīng)達(dá)到預(yù)拉力。

文獻(xiàn)[3]的圖C-8.1.給出了采用DTI方法進(jìn)行高強(qiáng)螺栓安裝的示意圖。

這兩種位移控制法都不會(huì)受摩擦力的影響，比校正扳手法和斷尾扭力控制法更能確保高強(qiáng)螺栓達(dá)到預(yù)拉力。

圖2 墊圈Fig.2 Washers

1.3 中美高強(qiáng)螺栓最小預(yù)拉力的比較

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的表J3.1M以及我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的表7.2.2-2，將兩國(guó)高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力列于表3。

表3 中美螺栓的預(yù)拉力Tab.3 Pre-tensions of bolts in the USA and China

可見(jiàn)我國(guó)的8.8級(jí)和10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力與美國(guó)A325與A490高強(qiáng)螺栓的最小預(yù)拉力之比均在0.85~0.88。即按中國(guó)規(guī)范每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計(jì)值降低12%~15%，仍會(huì)引起螺栓數(shù)量增加。

1.4 中美高強(qiáng)螺栓驗(yàn)算方法之比較

在計(jì)算高強(qiáng)螺栓承壓型連接的抗剪承載力時(shí)，美國(guó)規(guī)范規(guī)定高強(qiáng)螺栓只需擰到緊貼（Snug-Tight）狀態(tài)即可，連接件間的摩擦力忽略不計(jì)。需要根據(jù)剪切面與螺桿上的螺紋是否在剪切平面內(nèi)來(lái)決定剪切承載力。當(dāng)剪切面穿過(guò)螺紋時(shí)，用“N”（iN）表示；當(dāng)螺紋不在剪切面內(nèi)時(shí)，用“X”(eXcluded)表示；摩擦型驗(yàn)算用“SC”（Slip Critical）表示，并在前面加上高強(qiáng)螺栓等級(jí)，常用表示法為“A325-N”，“A325-X”，“A490-N”，“A490-X”，高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的表示方式為：“A325-SC”，“A490-SC”。

我國(guó)規(guī)范在高強(qiáng)螺栓承壓型連接的抗剪承載力計(jì)算時(shí)也有類似規(guī)定，當(dāng)剪切面在螺紋處時(shí)，其受剪承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)按螺紋處的有效面積計(jì)算。

1.5 撬力驗(yàn)算

當(dāng)連接件所連接的構(gòu)件受有軸力（例如梁下吊桿）時(shí)，需要考慮撬力對(duì)螺栓的影響。美國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)根據(jù)文獻(xiàn)[2]以及文獻(xiàn)[3]總結(jié)了關(guān)于考慮撬力驗(yàn)算的公式（1），我國(guó)規(guī)范中尚未見(jiàn)到具體的驗(yàn)算條文。

2 焊縫驗(yàn)算

2.1 焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

美國(guó)規(guī)范關(guān)于角焊縫強(qiáng)度與我國(guó)規(guī)范的角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值列于表4。

表4 焊縫強(qiáng)度Tab.4 Welding strength

可見(jiàn)，美國(guó)的E60XX，E70XX以及E80XX等級(jí)的角焊縫抗剪強(qiáng)度，分別與我國(guó)的E43，E50，E55等級(jí)基本相當(dāng)。

2.2 角焊縫強(qiáng)度計(jì)算比較

角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，我國(guó)規(guī)范是對(duì)每條焊縫的實(shí)際長(zhǎng)度減去2hf，美國(guó)規(guī)范取焊縫實(shí)際長(zhǎng)度。

美國(guó)規(guī)范中，當(dāng)荷載與角焊縫的夾角為θ時(shí)，角焊縫的抗剪強(qiáng)度為

式（2）計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 剪切強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Tab.5 Results of shearing strength calculation

當(dāng)焊縫段與荷載平行或者垂直時(shí)，美國(guó)規(guī)范取以下兩式的較大值作為焊縫組的承載力（其中Lenlong表示與荷載方向平行的焊縫的長(zhǎng)度，Lentran表示與荷載方向垂直的焊縫長(zhǎng)度）：

我國(guó)規(guī)范[1]的式7.1.3.3，定義了一個(gè)斜向角焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)β。對(duì)于承受靜力荷載以及間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，β取1.22，對(duì)于直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，β取1.0。

2.3 算例比較

按美國(guó)LRFD算法，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 美國(guó)焊縫計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Calculated diagram of welding in the USA

圖3所示的兩塊連接板，材質(zhì)A36，焊條E70，焊腳高度1/4 in（6.35 mm），單面圍焊縫。與荷載同向的角焊縫總長(zhǎng)度Lenlong=7+7=14 in；與荷載垂直的焊縫長(zhǎng)度Lentran=8 in，Φ取0.75。

其中，kip為美制單位，klb。

取式（5）、（6）計(jì)算結(jié)果的較大值，焊縫承載力為586 kN。

按GB50017算法，焊縫抗剪強(qiáng)度取217 N/mm2。如果焊縫強(qiáng)度按E50取200 N/mm2的話，則焊縫抗拉承載力為570 kN·200/217=525 kN，約為按美國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果的0.9倍。而焊縫強(qiáng)度的降低同樣引起焊縫長(zhǎng)度的增加、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的復(fù)雜。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較可以看出，中美兩國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造——螺栓和焊縫設(shè)計(jì)上有明顯差異，尤其是螺栓的剪切強(qiáng)度差異較大，對(duì)結(jié)構(gòu)影響也最大。而且美國(guó)規(guī)范在強(qiáng)度保證方法上比我國(guó)規(guī)范先進(jìn)，有值得借鑒的地方。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2] American Institute of Steel Construction.ANSI/AISC-360-10 specification for structural steel buildings[S].Chicago，USA，2010.

[3] THORNTON W A.Prying Action—A general treatment[J].AISC Engineering Journal，1985，22（2）:67-75.