高強(qiáng)度螺栓端板連接在工程中的應(yīng)用

王 卓

(德希尼布天辰化學(xué)工程(天津)有限公司上海分公司，上海 200031)

0 引言

隨著建筑工藝的不斷革新和建筑理念的日益轉(zhuǎn)變，鋼結(jié)構(gòu)建筑在21世紀(jì)的民用和工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)連接方案和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，在鋼結(jié)構(gòu)安裝連接和需要經(jīng)常拆裝的結(jié)構(gòu)中螺栓連接應(yīng)用十分普遍，其中高強(qiáng)螺栓更是以其連接緊密、受力良好、耐疲勞、可拆換、安裝簡單、比普通螺栓變形小的特點(diǎn)而使用廣泛。

端板連接主要用于鋼梁與鋼柱的翼緣的剛性連接，端板通過高強(qiáng)度螺栓與鋼柱的翼緣連接，端板與鋼梁端部通過焊縫連接。端板連接不適用于鋼梁與鋼柱的腹板連接。由于我國的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中沒有關(guān)于端板連接的設(shè)計(jì)說明，所以我國在應(yīng)用這種連接時(shí)主要用于次要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。如使用荷載較小的管廊結(jié)構(gòu)、小型設(shè)備支架、用于現(xiàn)場變更的懸臂結(jié)構(gòu)等。本文首先介紹美國鋼結(jié)構(gòu)手冊對端板連接的實(shí)驗(yàn)原理、計(jì)算方法。最后通過工程實(shí)例介紹端板連接在實(shí)際工程中的應(yīng)用及端板連接和焊接剛性連接在經(jīng)濟(jì)和施工工藝方面的比較。

1 實(shí)驗(yàn)原理和計(jì)算方法

實(shí)驗(yàn)簡圖見圖1。主要研究在逐漸加載作用下螺栓的內(nèi)力。在實(shí)驗(yàn)的開始階段，每個螺栓的受力相同。隨著荷載的增加，在受拉翼緣上下附近的螺栓(第3行和第4行)受到的拉力從30 kips增加到48 kips。而靠近中性軸(第2行)附近的螺栓拉力并沒有明顯的變化，靠近受壓翼緣附近(第1行)的螺栓的拉力從28 kips降到了16 kips。

圖1 端板連接在荷載作用下螺栓的內(nèi)力曲線圖

以上螺栓拉力的不同主要與兩方面因素有關(guān)。第一是端板的剛度。第二是在螺栓沒有發(fā)生破壞的情況下端板是否發(fā)生屈服。如果端板的剛度足夠大，在受力的初始階段，螺栓的線性應(yīng)變與螺栓到受壓翼緣的距離成正比。由于應(yīng)力梯度的存在，螺栓受到的拉力存在差異，但是隨著螺栓塑性變形的發(fā)展，這種差異將減小。如果螺栓有足夠大的塑性變形，在受拉翼緣附近的螺栓將達(dá)到相同承載能力極限值。但是如果端板的剛度小，在拉力作用下，端板將發(fā)展屈曲，螺栓將不會發(fā)生前面提到的線性應(yīng)變。這樣在靠近受拉翼緣附近的端板與鋼柱的翼緣之間產(chǎn)生撬力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:靠近受拉翼緣附近的螺栓承受主要的拉力。柔性端板節(jié)點(diǎn)在受拉區(qū)將產(chǎn)生撬力。如果在受拉區(qū)端板不產(chǎn)生撬力，螺栓將產(chǎn)生線性應(yīng)變，靠近受壓翼緣附近的螺栓也可以承擔(dān)一部分的彎矩。節(jié)點(diǎn)的極限承載力等于受拉螺栓的拉力與螺栓中心到受壓翼緣的距離的乘積。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)的原則是:

1)節(jié)點(diǎn)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，包括螺栓的數(shù)量、尺寸，端板的厚度;

2)節(jié)點(diǎn)應(yīng)有足夠大的抗彎能力;

3)節(jié)點(diǎn)的剛度應(yīng)該足夠大，保證在使用荷載作用下不發(fā)生永久變形。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算機(jī)有限元模擬，美國的鋼結(jié)構(gòu)手冊(第八版)給出的計(jì)算方法如下(計(jì)算簡圖見圖2)。

圖2 端板連接計(jì)算簡圖

基本假設(shè):彎矩由翼緣傳遞，剪力由腹板傳遞。

1)翼緣承擔(dān)所有彎矩，計(jì)算出翼緣所受的拉力。

2)由翼緣拉力確定螺栓的數(shù)目和大小。不考慮撬力對節(jié)點(diǎn)的影響。

3)計(jì)算螺栓力臂的有效長度Pe:

4)計(jì)算端板在螺栓處的彎矩Mt。

5)計(jì)算修正的彎矩Md:

其中，

6)計(jì)算端板的厚度。

7)計(jì)算端板的有效最大寬度。

8)驗(yàn)算端板的剪應(yīng)力。

2 標(biāo)準(zhǔn)圖計(jì)算要點(diǎn)

與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本人在做拜耳的項(xiàng)目時(shí)，項(xiàng)目使用了大量的H型鋼作為鋼結(jié)構(gòu)主次梁，型鋼的型號包括HW，HM，HN，型鋼的截面高度尺寸為100 mm～500 mm。鋼梁與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)的形式有端板連接(END PLATE MOMENT CONNECTION)、等強(qiáng)度焊接(MOMENT WELDING CONNECTION)、高強(qiáng)螺栓單剪連接(SINGLE SHEAR BOLT CONNECTION)、高強(qiáng)螺栓雙剪連接(DOUBLE SHEAR BOLT CONNECTION)。對于端板連接形式，為了提高工作效率，用EXCEL表格計(jì)算每一種H型鋼在滿足構(gòu)造要求的前提下的端板連接，主要計(jì)算以下幾個方面:

1)鋼梁的抗彎、抗剪承載力計(jì)算。

根據(jù)GB 50017-2004鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條款4.1.1和4.2.2計(jì)算出鋼梁最大可以承擔(dān)的彎矩和剪力。

2)螺栓的抗彎、抗剪承載力計(jì)算。

根據(jù)GB 50017-2004鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條款7.2.2和前面提到的美國的鋼結(jié)構(gòu)手冊(第八版)計(jì)算出螺栓組最大可以承擔(dān)的彎矩和剪力。

需要注意的是，對于螺栓的構(gòu)造要求如螺栓中心間的距離、螺栓中心距邊緣的距離、螺栓中心距翼緣的距離要滿足國標(biāo)的要求。

3)焊縫的抗彎、抗剪承載力計(jì)算。

假定所有的剪力由腹板處雙面角焊縫承擔(dān)，所有的彎矩由翼緣處的對接焊縫和腹板處的雙面角焊縫共同承擔(dān)。計(jì)算出焊縫可以承擔(dān)的最大剪力和彎矩。

4)取上面三個步驟計(jì)算出的抗彎、抗剪承載力的最小值作為抗彎、抗剪承載力設(shè)計(jì)值，用來計(jì)算端板的厚度、驗(yàn)算鋼柱的翼緣、腹板的強(qiáng)度、計(jì)算鋼柱加勁肋的厚度。

其中，端板的厚度可以用如下公式計(jì)算:

對于鋼柱的翼緣和腹板的強(qiáng)度驗(yàn)算、鋼柱加勁肋的厚度計(jì)算與采用鋼梁和鋼柱的焊接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算相同，可以見《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊》(第2版)的公式。

從計(jì)算的結(jié)果來看:

1)鋼梁的抗彎、抗剪承載力要分別大于螺栓和焊縫的抗彎、抗剪承載力。

2)對于抗彎承載力，當(dāng)梁的截面高度不大于200 mm時(shí)，梁的抗彎承載力由焊縫的抗彎承載力來確定，當(dāng)梁的截面高度大于200 mm時(shí)，梁的抗彎承載力由螺栓的抗彎承載力來確定。

3)對于抗剪承載力，當(dāng)梁的截面高度不大于300 mm時(shí)，梁的抗剪承載力由焊縫的抗剪承載力來確定，當(dāng)梁的截面高度大于300 mm時(shí)，梁的抗剪承載力由螺栓的抗剪承載力來確定。這樣就可以對每一種截面形式作出詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)圖，例如對于HW200，HM250，HW250梁設(shè)計(jì)的端板節(jié)點(diǎn)見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)圖

需要說明的是，對于每一種截面形式，可以計(jì)算出起控制作用的抗彎、抗剪承載力與鋼梁的抗彎、抗剪承載力的比值。在選擇標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)這個比值大于PKPM計(jì)算出來的鋼梁的強(qiáng)度比率就可以采用標(biāo)準(zhǔn)圖中的節(jié)點(diǎn)詳圖，這樣就簡化了設(shè)計(jì)。例如對于HW200的截面，起控制作用的抗彎、抗剪承載力與鋼梁的抗彎、抗剪承載力的比值分別為0.93和0.97，當(dāng)PKPM計(jì)算鋼梁的承載力比值小于上面的值，就可以按照標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 工程造價(jià)和施工工藝比較

在上海拜耳項(xiàng)目中，在主體鋼結(jié)構(gòu)完成及設(shè)備就位以后，后期仍然有相當(dāng)多的支架變更。這些管道支架與主體鋼結(jié)構(gòu)的連接形式的不同，產(chǎn)生的費(fèi)用和施工的復(fù)雜程度也相差很大，如果能夠合理選用支撐方式，節(jié)省的費(fèi)用也非常可觀。

例如:前提條件:主體鋼結(jié)構(gòu)鋼柱型號為XH800B，管道支架支撐梁截面為HM450，挑梁長度為1.45 m。梁端與框架柱的連接方式可選:端板連接或者焊接連接。

通過對上述連接方式進(jìn)行對比分析，端板連接造價(jià)達(dá)到6 473元，高于焊接連接的5 897元，高出9.7%。這是由于螺栓和端部厚板的使用增加了費(fèi)用。但是端板連接的優(yōu)點(diǎn)是施工簡便。端板連接用磁力鉆在鋼柱翼緣上鉆孔，而焊接連接需要在鋼柱上進(jìn)行焊接，操作復(fù)雜，焊接的質(zhì)量難以保證，且對鋼柱產(chǎn)生應(yīng)力損傷。工程設(shè)計(jì)師可以根據(jù)現(xiàn)場的具體情況選擇連接的節(jié)點(diǎn)形式。

［1］GB 50017-2004，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊［Z］.(第2版).

［3］多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件(墻元模型)SATWE用戶手冊及技術(shù)條件［Z］.

［4］Guide to design criteria for bolted and riveted joints(second edition)［Z］.

［5］AISC 360-05 Specification for structural steel buildings［Z］.