關于AISC 360—16與GB 50017—2017中高強螺栓摩擦型連接計算方法的對比分析

尹曉明，李 娟，辛曉輝

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

鋼結構具有強度大、自重輕、剛性好、韌性強等優點，因而在現代建筑中鋼結構應用越來越普遍。在鋼結構設計工作中，連接節點的設計是否得當，對保證鋼結構的整體性和可靠度，控制制造質量和施工進度，乃至整個項目建設周期和成本都有直接的影響。在諸多節點連接形式中，高強螺栓摩擦型連接具有連接剛度大、變形小、耐疲勞等優點，在工程中得到廣泛應用。

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

1 高強螺栓的連接形式

高強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的區別。

摩擦型連接主要通過預拉力的作用使連接面壓緊，利用接觸面間的摩擦力達到抗剪目的。抗剪設計時，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構。

承壓型連接同樣需要施加預拉力從而產生摩擦力，當受到的剪力大于摩擦力時，構件之間發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。

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

2 高強螺栓預拉力

2.1 國標規定

國標中高強度螺栓預拉力(P)計算公式如下：

式中：fu為螺栓經熱處理后的最低抗拉強度(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)。

預拉力 P值以螺栓的抗拉強度為基準，再考慮必要的系數乘以螺栓的有效截面確定。

擰緊螺栓時，除使螺栓產生拉應力外，還產生剪應力。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，或在供貨狀態原潤滑劑未干的情況下擰緊螺栓，對應力會產生顯著影響，根據試驗結果考慮其影響系數值為1.2。

考慮螺栓材質的不均勻性，折減系數取0.9。

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

由于以螺栓的抗拉強度為準，為安全起見再引入一個附加安全系數0.9。

2.2 美標規定

美標中高強螺栓的最小預拉力數值規定為：

比較兩國規范的預拉力公式可以看出，國標計算結果小于美標的規定值，大致相當于美標的0.87倍。高強螺摩擦型連接必須施加預拉力以達到提供摩擦力的作用，對于承壓型連接美標中規定有些情況下允許螺栓擰緊至密貼狀態即可，不需要施加預拉力，而國標中要求必須施加。

3 摩擦型連接的計算方法

3.1 國標規定

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

抗滑移系數μ根據接觸面的處理方法和構件的鋼材等級，取值在0.3～0.45，相比2003版規范，取值有所降低。同時2007版規范增加了孔形系數k，用以考慮當高強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，其中標準孔 k＝1.0，大圓孔k＝0.85，內力與槽孔長向垂直時 k＝0.7，內力與槽孔長向平行時k＝0.6。

實驗證明，當外拉力過大時，螺栓將發生松弛現象，這樣就喪失了摩擦型連接高強度螺栓的優越性。為避免螺栓松弛并保留一定的裕量，國標規定每個高強度螺栓在其桿軸方向的外拉力的設計值不得大于0.8P。

同時承受剪力Nv和螺桿軸向外拉力Nt的高強度螺栓摩擦型連接，其承載力可以采用直線相關公式表達，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，為每個高強度螺栓的承載力，單位都為N。

3.2 美標規定

美標中同時給出了適用于容許應力法(ASD)和概率極限狀態設計法(LRFD)的計算公式。由于LRFD設計法與我國的分項系數法類似，本文中關于美標的介紹都是針對LRFD設計法。

美標中規定高強螺栓的摩擦型連接以抗滑移為正常使用極限狀態，同時也要滿足承壓型連接的極限狀態進行設計，這里主要介紹正常使用極限狀態的一些規定。

抗滑移極限狀態的抗剪承載力φRn按下式計算：

式中：μ為表面抗滑移系數，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拉力與規定的最小預拉力的比值，可取 1.13；ns為允許連接板件之間產生滑移的剪切面數量；hf為墊板系數，當被連接板間只有一塊墊板時取 1.0，當被連接板間有多于一塊墊板時取 0.85(需要注意的是，當所有接觸面都為 B級或都為 A級且使用轉角法施加預拉力時，可不折減)。

φ可按下列規定取值(需要注意的是，當采用大圓孔或槽孔時，設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生后果的一個系數)：當采用標準孔或槽長方向與荷載方向垂直的短槽孔，可取 1.0；當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，其抗滑移承載力應考慮乘以折減系數ksc：

式中：Tu為荷載組合下的節點拉力；nb為受拉螺栓的數量。

同時進行承壓型連接驗算抗拉承載力時，應考慮剪力的影響進行折減。

4 中美規范中摩擦型連接計算的不同點

①從兩國規范的預拉力公式可以看出，國標計算結果小于美標的規定值，大約相當于美標的0.87倍。

②表面抗滑移系數μ：美標中最大取值達到 0.5，而國標中注明根據工程實踐及相關研究，最大值不宜超過0.45。

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

④美標中考慮了螺栓安裝完成后實際的平均預拉力與規定的最小預拉力的比值Du，對抗滑移承載力進行了放大，此數值是根據統計分析得到的。

⑤美標中規定高強螺栓的摩擦型連接以抗滑移為正常使用極限狀態，同時也要滿足承壓型連接的極限狀態進行設計，而國標中僅以摩擦阻力剛被克服作為連接承載能力的極限狀態，兩者有較大不同。