國內外鋼結構設計規范關于螺栓連接計算方法的比較

引言：以我國現行《鋼結構設計規范》（GB50017—2003）為基礎，結合《美國鋼結構設計規范》（LRFD—2001）和《歐洲鋼結構設計規范》（EC3—1993），對三本規范中關于螺栓連接的計算方法進行了分析與比較，有關結論可供工程技術人員了解國內外鋼結構設計規范的技術水平和發展動態。

[Abstract]"On"the"basis"of"Code"for"Design"of"Steel"Structure"（GB50017—2003），"combined"with"American"Load"and"Resistance"Factor"Design"Specification"for"Structural"Steel"Buildings"（LRFD—2001）"and"European"Criterion"（EC3—1993），"the"calculating"methods"of"bolted"connection"are"introduced"and"compared."The"relevant"conclusions"can"be"referred"by"engineers"for"learning"the"development"and"the"level"of"technique"of"steel"structure"criteria.

本文以中國《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）"[1]、美國《鋼結構荷載及抗力系數設計法》"（LRFD-2001）[2]和《歐洲鋼結構設計標準》（EC3-1993）"[3]為例，對三本規范中關于螺栓連接的計算方法進行了比較，找出了三本規范的差異和共同之處。

一、普通螺栓連接計算

1、普通螺栓連接只承受拉力或剪力

（1）"GB50017-2003的計算規定：

受剪承載力設計值：

""""""""（1）

受拉承載力設計值：

""""""""""（2）

其中：

式中，為受剪面數目，、為普通螺栓的抗剪和抗拉強度設計值，考慮撬力的影響，取螺栓鋼材抗拉強度設計值的折減系數為0.8，為螺栓桿直徑，為螺栓在螺紋處的有效直徑。

（2）"LRFD-2001的計算規定：

一個螺栓的抗拉或抗剪承載力，按拉壞或剪切極限狀態確定。這里，取=0.75。對于無論是一般貼緊還是施加了預應力均為：

"""""""""""（3）

式中，為抗拉強度標準值或抗剪強度標準值，可由查表得到，為螺栓公稱直徑的截面積，承載力驗算時，荷載產生的拉力包含由于連接件變形所產生的撬力。

（3）"EC3-1993的計算規定：

受拉承載力設計值：

"""""（4）

抗剪承載力設計計算考慮螺栓屈強比的影響，當螺栓材料性能等級為M4.6，5.6，8.8時，抗剪承載力設計值：

""""""（5）

當螺栓材料性能等級為M4.8，5.8，10.9時，抗剪承載力設計值：

"""""（6）

式中，為螺栓的有效截面積，為分項安全系數。

可以看出，GB50017-2003假定螺栓受剪面、受拉面的應力是均勻分布的;"LRFD-2001和EC3-1993按拉壞或者剪切極限狀態，引入抗力系數和分項安全系數求得承載力設計值，EC3-1993在計算抗剪承載力設計值時，考慮了不同等級螺栓的屈強比。

2、普通螺栓連接同時承受拉力和剪力

（1）"GB50017-2003的計算規定：

"""""""（7）

式中，、為某個普通螺栓所受到的剪力和拉力。

（2）"LRFD-2001的計算規定：

按拉剪破壞極限狀態確定。當一個螺栓同時承受拉力和剪力時，螺栓的抗拉強度設計值為，按式（8）計算：

""""""""""""（8）

"""（9）

式中，為考慮了剪應力影響的螺栓抗拉強度標準值;為抗拉強度標準值;為抗剪強度標準值;為荷載產生的剪應力;=0.75。

同時，螺栓提供的抗剪強度應大于等于荷載產生的剪應力。

（3）"EC3-1993的計算規定：

nbsp;""""""（10）

式中，、為某個普通螺栓所受到的剪力和拉力。

三本規范的計算方法都是基于拉剪破壞的極限狀態來設計的，計算方法略有不同。

二、高強螺栓摩擦型連接計算

1、預拉力的確定

（1）"GB50017-2003的計算規定：

"""""（11）

式中，為螺栓經熱處理后的最低抗拉強度;為螺紋處的有效面積。公式中分母的1.2為考慮擰緊螺栓時扭矩對螺栓的不利影響系數，考慮螺栓材質的不均勻性，引入一折減系數0.9，施工時為了補償螺栓預拉力的松弛，一般超張拉5%～10%，采用一個超張力系數0.9，為了安全起見引入一個附加安全系數0.9。

（2）"LRFD-2001的計算規定：

"""""""""（12）

式中，為螺紋處的有效面積，為螺栓經熱處理后的最低抗拉強度。

（3）"EC3-1993的計算規定同LRFD-2001。

由以上公式可以看出，GB50017-2003中規定預拉力值小于LRFD-2001同EC3-1993的規定值。

2、摩擦型連接僅承受剪力或拉力

（1）"GB50017-2003的計算規定：

在抗剪連接中，每個高強度螺栓的承載力設計值應按下式計算：

nbsp;"""""（13）

式中為傳力摩擦面數目，為摩擦面的抗滑移系數，可由查表得到，為一個高強度螺栓的預拉力。

""""""（14）

當外加拉力小于螺桿預拉力的80%時，無松弛現象發生。

（2）"LRFD-2001的計算規定：

滑移抗力設計值由滑移極限狀態確定，按下式計算：

"""（15）

式中，為滑移系數，對A級表面取=0.33，B級表面取=0.50;為反映實際螺栓預拉力與規定的最小螺栓預拉力的比值系數，取=1.13;為孔形系數，對標準孔取1.0，擴大孔或短槽孔取0.85，長槽孔取0.70;為摩擦面個數;為螺栓最小預拉力，可查表得到。

將滑移作為正常使用極限狀態時，=1.0;要求承載能力時不發生滑移的連接，取=0.85。

（3）"EC3-1993的計算規定：

""""（16）

式中，為螺栓的預拉力，為滑移系數，對A級表面取=0.50，B級表面取=0.40，對C級表面取=0.30，D級表面取=0.20;為對于不同類型的螺栓孔的系數，可查表得到;為分項安全系數，把滑移作為承載能力極限狀態設計取值為1.25，作為正常使用極限狀態設計取值為1.10。

3、摩擦型連接同時承受剪力和拉力

（1）"GB50017-2003的計算規定：

"""""""""（17）

式中，、為某個高強度螺栓所承受的剪力和拉力;

（2）"LRFD-2001的計算規定：

當把滑移作為承載能力極限狀態設計時，此時按式（14）計算出的單個螺栓的滑移抗力須乘以系數：

""""""（18）

將滑移作為正常使用極限狀態時，此時按式（14）計算出的單個螺栓的滑移抗力須乘以系數：

"""""（19）

式中，為按照荷載組合得到的拉力;為按照施加荷載得到的拉力;為螺栓最小預拉力，可查表得到;為承受拉力的螺栓數。

（3）"EC3-1993的計算規定：

把滑移作為承載能力極限狀態設計，

""（20）

將滑移作為正常使用極限狀態設計，

"（21）

GB50017-2003是按照把滑移作為承載能力極限狀態設計，未將滑移作為正常使用極限狀態設計，LRFD-2001、EC3-1993允許設計成正常使用極限狀態不發生滑移，或者承載能力極限狀態不發生滑移。在LRFD-2001中，僅承受剪力的摩擦型連接，具有標準孔或槽孔垂直于受力方向的連接，應把滑移作為正常使用極限狀態設計，具有擴大孔或槽孔平行于受力方向的連接，應該把滑移作為承載能力極限狀態設計。

三、螺栓孔承壓強度

（1）"GB50017-2003的計算規定：

螺栓承壓承載力設計值：

""""（22）

式中為螺栓桿直徑，當剪切面在螺紋處，將改為有效直徑;為螺栓的承壓強度設計值。

（2）"LRFD-2001的計算規定：

螺栓孔承壓承載力設計值為，這里=0.75，按下述方法確定。

1）連接采用標準孔、擴大孔、短槽孔（不論荷載作用的方向）、長槽孔（槽平行于孔壁壓力方向）時，一個螺栓可以承受的壓力標準值。

正常使用情況下，考慮栓孔變形因素時有：

""""（23）

正常使用情況下，不考慮栓孔變形因素時，有：

""""（24）

2）連接采用長槽孔，且槽垂直于受力方向時，一個螺栓可以承受的壓力標準值：

""（25）

式中，為凈距離，沿受力方向孔邊至鄰近孔邊的距離或至連接構件邊緣的距離;為連接件厚度;為連接構件的最小拉力強度;為螺栓公稱直徑。

（3）"EC3-1993的計算規定：

螺栓承載力設計值：

"""（26）

取;;或者1.0中的較小值。

式中，為連接件厚度;為連接構件的最大拉力強度;為螺栓公稱直徑;為螺栓孔直徑;為中心至構件邊緣距離;為螺栓中心間距。

GB50017-2003假定螺栓承壓應力分布于螺栓直徑平面，而且假定該承壓面上的應力為均勻分布，LRFD-2001中承壓承載力的設計值計算方法與螺栓孔的類型及栓孔的變形因素有關，EC3-1993承壓承載力的設計值考慮螺栓孔中心間距和至連接構件邊緣的距離。

四、結語

通過以上分析可以得出如下結論：

1）對于普通螺栓連接來說，三本規范的計算方法都是基于承載能力極限狀態來設計的，計算方法略有不同，EC3-1993在承受剪力作用下計算抗剪承載力考慮了螺栓的強屈比的大小。

2）對于高強度螺栓摩擦型連接來說，GB50017-2003預拉力值小于LRFD-2001同EC3-1993的規定值;GB50017-2003是按照把滑移作為承載能力極限狀態設計;LRFD-2001、EC3-1993則根據槽孔的類型以及受力方向選擇設計成正常使用極限狀態不發生滑移或則承載能力極限狀態不發生滑移。

3）關于螺栓承壓力設計值的計算，LRFD-2001根據螺栓孔的類型及受力方向選擇不同的承壓承載力的設計值計算方法，EC3-1993考慮螺栓孔中心間距和至連接構件邊緣的距離來計算承壓承載力的設計值。

由上可以看出，三本規范都采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，但美國鋼結構設計規范及歐洲鋼結構設計規范比我國的鋼結構設計規范規定更細致，考慮更全面，可以供工程技術人員借鑒參考。

參考文獻

[1]GB50017-2003鋼結構設計規范.

[2]AISC-2001"Load"and"Resistance"Factor"Design"Specification"for"Structural"Steel"Building.

[3]EN1993"Eurocode3："Design"of"Steel"Structures.

（作者單位：1、山西省送變電工程公司;2、中國能源建設集團山西省電力勘測設計院""）

作者簡介

薛春強（1976-），男、漢族、本科。

朱曉東（1976-），男、漢族、研究生。

蒙春玲（1980-），男、漢族、研究生。

胡濤（1982-），男、漢族、研究生。