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        關(guān)于AISC 360—16與GB 50017—2017中高強(qiáng)螺栓摩擦型連接計算方法的對比分析

        2020-12-31 11:47:32尹曉明辛?xí)暂x
        天津科技 2020年12期
        關(guān)鍵詞:美標(biāo)槽孔高強(qiáng)

        尹曉明,李 娟,辛?xí)暂x

        (海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

        0 引 言

        鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度大、自重輕、剛性好、韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而在現(xiàn)代建筑中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越普遍。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中,連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計是否得當(dāng),對保證鋼結(jié)構(gòu)的整體性和可靠度,控制制造質(zhì)量和施工進(jìn)度,乃至整個項(xiàng)目建設(shè)周期和成本都有直接的影響。在諸多節(jié)點(diǎn)連接形式中,高強(qiáng)螺栓摩擦型連接具有連接剛度大、變形小、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn),在工程中得到廣泛應(yīng)用。

        隨著我國涉外項(xiàng)目的快速增加,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上與國外的主要規(guī)范接軌就顯得十分必要。美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范作為國際上的一種通用規(guī)范,目前在大多數(shù)國外項(xiàng)目中成為一種要求執(zhí)行的設(shè)計規(guī)范。本文依據(jù)最新版美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范AISC 360—16[1](以下簡稱美標(biāo))以及中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) GB 50017—2017[2](以下簡稱國標(biāo)),對高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的計算方法進(jìn)行了分析比較,包括抗剪連接、拉剪連接等,可供設(shè)計人員參考。

        1 高強(qiáng)螺栓的連接形式

        高強(qiáng)度螺栓連接從受力特征上分為摩擦型連接和承壓型連接[3],而兩種連接形式又有本質(zhì)的區(qū)別。

        摩擦型連接主要通過預(yù)拉力的作用使連接面壓緊,利用接觸面間的摩擦力達(dá)到抗剪目的。抗剪設(shè)計時,需保證連接在整個使用期間受到的剪力不超過最大摩擦力,板件不會發(fā)生相對變形,即螺桿和孔壁之間始終保持原有的間隙,被連接構(gòu)件按整體彈性受力考慮。摩擦性連接的剪切變形小,彈性性能好,耐疲勞,特別適用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。

        承壓型連接同樣需要施加預(yù)拉力從而產(chǎn)生摩擦力,當(dāng)受到的剪力大于摩擦力時,構(gòu)件之間發(fā)生相對滑動而使螺桿受剪、孔壁承壓,以螺桿不剪壞或孔壁不被壓壞為承載力極限狀態(tài)。

        高強(qiáng)螺栓本身并沒有摩擦型和承壓型之分,只不過在于設(shè)計上是否考慮滑移。摩擦型高強(qiáng)螺栓連接不能有滑動,螺桿不承受剪力,一旦發(fā)生滑移,就被認(rèn)為連接破壞。承壓型高強(qiáng)螺栓連接允許發(fā)生滑移,螺桿可以承受剪力,最終破壞與普通螺栓破壞沒有區(qū)別。高強(qiáng)度螺栓的摩擦型連接和承壓型連接實(shí)際上是同一個連接接頭的兩個不同受力狀態(tài)階段。對同一個高強(qiáng)度螺栓連接,承載力方面承壓型連接應(yīng)該高于摩擦型連接,但在設(shè)計時,需要考慮連接板厚度和螺栓直徑的匹配。

        2 高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力

        2.1 國標(biāo)規(guī)定

        國標(biāo)中高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力(P)計算公式如下:

        式中:fu為螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度(N/mm2),材料等級8.8級的 fu=830N/mm2,10.9級的 fu=1040N/mm2;Ae為螺紋處的有效面積(mm2)。

        預(yù)拉力 P值以螺栓的抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn),再考慮必要的系數(shù)乘以螺栓的有效截面確定。

        擰緊螺栓時,除使螺栓產(chǎn)生拉應(yīng)力外,還產(chǎn)生剪應(yīng)力。在正常施工條件下,即螺母的螺紋和下支承面涂黃油潤滑劑,或在供貨狀態(tài)原潤滑劑未干的情況下擰緊螺栓,對應(yīng)力會產(chǎn)生顯著影響,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果考慮其影響系數(shù)值為1.2。

        考慮螺栓材質(zhì)的不均勻性,折減系數(shù)取0.9。

        施工時為了補(bǔ)償螺栓預(yù)拉力的松弛,一般超張拉5%~10%,為此采用超張拉系數(shù)0.9。

        由于以螺栓的抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn),為安全起見再引入一個附加安全系數(shù)0.9。

        2.2 美標(biāo)規(guī)定

        美標(biāo)中高強(qiáng)螺栓的最小預(yù)拉力數(shù)值規(guī)定為:

        比較兩國規(guī)范的預(yù)拉力公式可以看出,國標(biāo)計算結(jié)果小于美標(biāo)的規(guī)定值,大致相當(dāng)于美標(biāo)的0.87倍。高強(qiáng)螺摩擦型連接必須施加預(yù)拉力以達(dá)到提供摩擦力的作用,對于承壓型連接美標(biāo)中規(guī)定有些情況下允許螺栓擰緊至密貼狀態(tài)即可,不需要施加預(yù)拉力,而國標(biāo)中要求必須施加。

        3 摩擦型連接的計算方法

        3.1 國標(biāo)規(guī)定

        高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接是靠被連接板疊間的摩擦阻力傳遞內(nèi)力,以摩擦阻力剛被克服作為連接承載能力的極限狀態(tài)。摩擦阻力值取決于板疊間的法向壓力即螺栓預(yù)拉力 P、接觸表面的抗滑移系數(shù)(μ)以及傳力摩擦面數(shù)目(nf),故一個摩擦型高強(qiáng)度螺栓的最大受剪承載力()為knfμP除以抗力分項(xiàng)系數(shù)1.111,如下式所示:

        抗滑移系數(shù)μ根據(jù)接觸面的處理方法和構(gòu)件的鋼材等級,取值在0.3~0.45,相比2003版規(guī)范,取值有所降低。同時2007版規(guī)范增加了孔形系數(shù)k,用以考慮當(dāng)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接采用大圓孔或槽孔時對抗剪承載力的折減,其中標(biāo)準(zhǔn)孔 k=1.0,大圓孔k=0.85,內(nèi)力與槽孔長向垂直時 k=0.7,內(nèi)力與槽孔長向平行時k=0.6。

        實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)外拉力過大時,螺栓將發(fā)生松弛現(xiàn)象,這樣就喪失了摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的優(yōu)越性。為避免螺栓松弛并保留一定的裕量,國標(biāo)規(guī)定每個高強(qiáng)度螺栓在其桿軸方向的外拉力的設(shè)計值不得大于0.8P。

        同時承受剪力Nv和螺桿軸向外拉力Nt的高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接,其承載力可以采用直線相關(guān)公式表達(dá),見下式:

        其中,Nv為承受變剪力,Nt為螺桿軸向外拉力,為最大受剪承載力,為每個高強(qiáng)度螺栓的承載力,單位都為N。

        3.2 美標(biāo)規(guī)定

        美標(biāo)中同時給出了適用于容許應(yīng)力法(ASD)和概率極限狀態(tài)設(shè)計法(LRFD)的計算公式。由于LRFD設(shè)計法與我國的分項(xiàng)系數(shù)法類似,本文中關(guān)于美標(biāo)的介紹都是針對LRFD設(shè)計法。

        美標(biāo)中規(guī)定高強(qiáng)螺栓的摩擦型連接以抗滑移為正常使用極限狀態(tài),同時也要滿足承壓型連接的極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計,這里主要介紹正常使用極限狀態(tài)的一些規(guī)定。

        抗滑移極限狀態(tài)的抗剪承載力φRn按下式計算:

        式中:μ為表面抗滑移系數(shù),A 級表面取 0.3,B級表面取0.5;Du主要反映螺栓安裝后的平均預(yù)拉力與規(guī)定的最小預(yù)拉力的比值,可取 1.13;ns為允許連接板件之間產(chǎn)生滑移的剪切面數(shù)量;hf為墊板系數(shù),當(dāng)被連接板間只有一塊墊板時取 1.0,當(dāng)被連接板間有多于一塊墊板時取 0.85(需要注意的是,當(dāng)所有接觸面都為 B級或都為 A級且使用轉(zhuǎn)角法施加預(yù)拉力時,可不折減)。

        φ可按下列規(guī)定取值(需要注意的是,當(dāng)采用大圓孔或槽孔時,設(shè)計中對抗滑移承載力的折減并不是由于在測試中檢測到承載力的下降,而是用來反映滑移后產(chǎn)生后果的一個系數(shù)):當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)孔或槽長方向與荷載方向垂直的短槽孔,可取 1.0;當(dāng)采用大圓孔或槽長方向與荷載方向平行的短槽孔,可取 0.85;當(dāng)采用長槽孔,可取0.70。

        如果摩擦型連接在受到剪力的同時還受到拉力作用,其抗滑移承載力應(yīng)考慮乘以折減系數(shù)ksc:

        式中:Tu為荷載組合下的節(jié)點(diǎn)拉力;nb為受拉螺栓的數(shù)量。

        同時進(jìn)行承壓型連接驗(yàn)算抗拉承載力時,應(yīng)考慮剪力的影響進(jìn)行折減。

        4 中美規(guī)范中摩擦型連接計算的不同點(diǎn)

        ①從兩國規(guī)范的預(yù)拉力公式可以看出,國標(biāo)計算結(jié)果小于美標(biāo)的規(guī)定值,大約相當(dāng)于美標(biāo)的0.87倍。

        ②表面抗滑移系數(shù)μ:美標(biāo)中最大取值達(dá)到 0.5,而國標(biāo)中注明根據(jù)工程實(shí)踐及相關(guān)研究,最大值不宜超過0.45。

        ③在許多連接構(gòu)造中都要求使用墊板,美標(biāo)中考慮了墊板折減系數(shù)hf,用以反映設(shè)置多塊墊板時對抗滑移承載力的折減,而國標(biāo)中沒有考慮。

        ④美標(biāo)中考慮了螺栓安裝完成后實(shí)際的平均預(yù)拉力與規(guī)定的最小預(yù)拉力的比值Du,對抗滑移承載力進(jìn)行了放大,此數(shù)值是根據(jù)統(tǒng)計分析得到的。

        ⑤美標(biāo)中規(guī)定高強(qiáng)螺栓的摩擦型連接以抗滑移為正常使用極限狀態(tài),同時也要滿足承壓型連接的極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計,而國標(biāo)中僅以摩擦阻力剛被克服作為連接承載能力的極限狀態(tài),兩者有較大不同。

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