高强度螺栓预拉力的分析与应用

高强度螺栓预拉力的分析与应用

高强度螺钉连接是钢结构工程中常见的连接形式。随着钢结构技术的产业化和标准化，尤其是轻钢房钢结构的高强度螺钉连接方式，比现场焊接更综合、更合理，其质量控制比现场焊接更方便。钢结构设计规则（gb50017-2003）的高强度螺丝锁连接的应用已经扩大，但也不适合多种高强度螺丝锁连接。设计师对高强度螺丝锁的张力性能也有模糊认识和错误的看法。《钢结构》2004年第1期“高强度螺栓设计与使用中一些问题的探讨”(以下简称“探讨”)一文中关于高强度螺栓预拉力问题的观点值得商榷。正确地使用好高强度螺栓的预拉力是钢结构工程中的一个重要问题。1高强螺栓节点的刚度“探讨”一文所讨论的是广泛用于轻钢结构中的端板式高强度螺栓连接,如图1所示,在这种连接形式中,螺栓主要承受构件弯矩所产生的螺栓杆轴向拉力,同时也有较小的剪力,“探讨”一文认为“为产生摩擦力而采用张拉(力),实际上降低了受拉螺栓的承载能力,是极其不合理的。”值得商讨,实际对于施加了预拉力的高强度螺栓,在外荷载作用下受拉时,其预拉力将被部分释放,螺栓中的拉应力并不随外荷载呈线性迭加关系,在即将拉断的极限状态时,螺栓杆中的拉应力只与外力有关,与原先是否有预拉力无关。因此不会是“探讨”一文所说“一个螺栓有预拉力与无预拉力,其抗拉能力是不一样的”,这种情况类似于预应力钢筋混凝土梁中对钢筋施加预应力,只是提高梁的刚度减少变形,减少受拉区混凝土的开裂而已,并不能因此提高或降低梁的极限承载能力。按照文献可以分析端板式高强度螺栓连接中预拉力和外荷载作用下螺栓内力状况。假设端板式连接设有加劲肋,刚度很大,可以忽略杠杆撬力的影响。在外力T作用后,螺栓中的拉力由预拉力P增至PT,但板件间的挤压力由C减为CT,螺栓和构件端板均保持弹性状态,见图2,则外力和它们的变形关系为:PT-P=KbΔbCT-C=-KPΔP式中Kb——高强度螺栓的刚度系数,螺栓产生单位伸长量所需的力;KP——端板的刚度系数,端板挤压面产生单位压缩量所需的力;Δb——在PT-P作用下的螺栓伸长量;ΔP——在CT-C作用下端板挤压面的压缩恢复量。在外力作用下,螺栓杆的伸长量Δb应等于端板挤压面的压缩恢复量,即Δb=ΔP,于是有:PT−PKb=C−CTKPΡΤ-ΡΚb=C-CΤΚΡ将CT=PT-T,C=P代入得:PT=P+(KbKb+KP)TΡΤ=Ρ+(ΚbΚb+ΚΡ)Τ根据文献,板的刚度KP远大于螺栓刚度Kb,Kb≈(0.05～0.1)KP,取上限Kb=0.1KP代入上式,得:PT=P+0.09T,此即是有预拉力高强度螺栓内力与外荷载的关系,如图3所示。当外力T把连接构件刚好拉开时,PT=T即图中的C点,T=PT≈1.1P,此时,节点刚度已失效,螺栓杆的内力最多比预拉力大10%,按照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)规定,外荷载T≤0.8P,当T=0.8P时,螺栓杆内力在B点,PT≤P+0.09×0.8P=1.07P,比预拉力大7%,显然螺栓不会被拉断。如果高强度螺栓无预拉力,则螺栓内力沿0CD直线变化,有了预拉力P,则沿ABCD折线变化,不管是否有预拉力,板被拉开后,两者都沿CD变化直至破坏。以上讨论是假定了端板的刚度无限大,如果端板刚度较小,则会有可观的杠杆撬力产生,如图4所示,端板越薄,刚度越小,杠杆撬力也就越大。根据文献,连接的承载力T随杠杆撬力Q的增大而降低,预拉力大小对极限荷载时的撬开作用没有什么影响。当端板厚度等于2倍的螺栓杆直径时,其刚度之大可使杠杆撬力小至忽略不计,在工程中用设置加劲肋的方法来提高端板刚度更为经济合理。“探讨”一文中在讨论端板式高强度螺栓连接时,没有注意到节点的刚度问题,只按节点的极限强度考虑预拉力问题,这是不妥的。事实上,端板式连接属于半刚性连接,文献的研究表明:一个端板式节点,所带来的刚度损失可达10%～24%。轻钢结构构件轻巧细长,有时甚至由挠度控制设计,因此,对节点的构造所造成的刚度损失必须重视。按摩擦型高强度螺栓的预拉力要求用于轻钢结构的端板式连接中是非常必要的,如不按规定施加预拉力,其构件的变形必将远大于设计计算的理论值(计算变形时,没有考虑节点的刚度损失),刚架中梁和柱是一个整体结构,相互影响,由于梁的刚度减小,会增加刚架柱的计算长度,对结构体系是不利的。根据多年来的工程实践,可以总结在轻钢结构中使用高强度螺栓连接的主要优点如下:轻钢结构构件轻巧细长,采用简单的端板式连接螺栓的受力模式近似于直接受拉型,对于这种模式,因其端板接触面剪力小,可以对接触面不作抗滑移系数要求,进而可以涂刷普通的防锈油漆,省去复检抗滑移系数的费用,方便了制作、运输、存放各环节,不用为保证其接触面的抗滑移系数采取各种保护措施,由此得到工程上的经济合理性;另一方面,为保证连接节点刚度,必须严格控制其预拉力,在轻钢结构使用过程中绝不允许出现端板松开的状况。因此在设计计算中应将高强度螺栓群的中性轴作为螺栓群内力计算的准则,见图5a,不能按图5b所示的模式计算。轻钢结构在安装时常会出现整体构件的弯折问题,这是因端板式连接的制作变形偏差引起的,在施工中可以采用加楔片的方式预以调整,如图6所示,可避免盲目打火矫正引起的工程隐患。工地现场打火矫正,一会损害高强度螺栓预拉力,二会造成热效应残余应力与外荷载应力迭加后加大梁的整体挠度。2高强度螺栓群的连接我国现行钢结构技术规范对高强度螺栓的连接形式主要分二类:一是摩擦型连接高强度螺栓;二是承压型连接高强度螺栓。此外对8.8级的高强度螺栓扩大应用于普通螺栓的A、B级连接方式。对于摩擦型连接高强度螺栓连接来说,其受力模式与构造很清楚,严格规定其预拉力和抗滑移系数,给出的承载能力计算公式简单实用,国内外有关摩擦型连接高强度螺栓的应用大体是一致的。但在同时承受剪力和螺栓杆轴向拉力时,按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)验算承载能力采用公式:NvNbv+NtNbt≤1ΝvΝvb+ΝtΝtb≤1用Nbv=0.9nfμP,Nbt=0.8P代入可转化成Nv≤0.9nfμ(P-1.25Nt),轻钢结构中广泛使用图1所示的端板式连接,在此连接中,远离中性轴的高强度螺栓轴向拉力Nt趋于0.8P时,失去了抗剪承载能力,按此判断节点失效,将使设计过于保守。事实上,螺栓群中的其余螺栓有极大的抗剪能力,此类连接如按《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》(JGJ82-91)中的公式(2.4.6-2)计算:[Nbv]=0.9μ(nP-1.25∑Nt)式中,n为螺栓总数,则不会有上述的困惑。对于承压型连接的高强度螺栓,新修订的《钢结构设计规范》(GB50017-2003)已取消关于摩擦面的抗滑移系数要求和“承压型连接的高强度螺栓的受剪承载力设计值不得大于按摩擦型连接计算的1.3倍”之规定无疑是一大进步,可使承压型连接的高强度螺栓的应用更为经济合理。3高强度螺栓连接在钢结构制作、安装中钢构件不可避免会有各种变形偏差,在构件的螺栓连接中,将圆孔开成椭圆孔、长形孔可以使现场连接安装变得方便易行。尤其在轻钢结构的产业化、标准化中采用长形孔或椭圆孔是一种方便施工的有效措施。在这类连接中也需要使用高强度螺栓,按照美国ASD规范,对于非圆形孔,其高强螺栓的连接设计承载力应预以降低,对于长形孔、椭圆孔,按其孔的长轴是顺内力方向还是垂直内力方向给出了不同的设计承载力。为方便施工,在钢结构设计中,采用多样化的高强度螺栓连接构造的观念,值得我们借鉴。国内的设计往往很少考虑施工安装的具体情况,一律按设计手册采用同一模式的做法,造成现场安装困难。施工人员普遍素质较低,为了赶工期,在处理螺栓不能穿孔问题时,采用不规范的做法,给工程留下安全隐患,这些问题值得技术规范编制人员和设计人员重