高强度螺栓连接的节点计算探析

丁梅芳

（宜兴技师学院，江苏 宜兴 214200）

长期以来，高强度螺栓连接的节点计算，一直在困扰着人们。节点的设计五花八门，螺栓选取越来越多，连接角钢的厚度越来越厚。尽管如此，节点的设计还不能说是安全的。为了解决这一难题，笔者在研究了有关规范和国外资料后，提出了高强度螺栓连接的节点计算方法，本计算方法适用没有垂直或水平支撑的梁的端部连接。如图l所示。

图1 梁端部高强度螺栓连接

1 高强度螺栓的选取

（1）在高强度螺栓连接时，一个高强度螺栓的受剪承载力设计值Nνb的计算公式为

式中，

nf为传力摩擦面数；

μ为摩擦面的抗滑移系数；

P为高强度螺栓的预拉力，kN。

（2）在杆轴方向受拉的连接中，一个高强度螺栓的受拉承载力设计值Ntb的计算公式为

式中，

Ntb为每个螺栓抗拉承载力设计值，kN。

（3）同时承受剪切和螺栓杆轴方向的外拉力时，一个高强度螺栓的受剪承载力设计值Nνb的计算公式为

式中，

Nt为每个高强度螺栓在其杆轴方向的拉力，其值不得大于0.8 P，kN。

2 连接角钢的计算

在承受剪切和杆轴方向的拉（压）力时，连接角钢（图l截面I处）的计算：

（1）抗剪强度计算公式为

（2）抗拉（压）强度计算公式为

（3）折算应力计算公式为

以上各式中，

V为连接角钢承受的剪切力，N；

N为连接角钢承受的杆轴方向的拉（压）力，N；

A为连接角钢截面I处的总面积，mm2。

3 连接角钢的厚度选取及验算

3.1 连接角钢的厚度选取

当采用高强度螺栓连接，受有杆件轴向拉力时，必须考虑杠杆作用力，如图2所示。

图2 受杆件轴向接力时节点连接的受力

图中，

T为每个螺栓的外施拉力（不包括预紧力和杠杆力），kN；

Q为在设计荷载下，每个螺栓的杠杆力，kN；

a为螺栓中心线至角钢肢（T型钢翼缘或钢板）边缘距离，不得大于1.25 b，mm；

b为螺栓中心线至角钢（T型或钢板）根部的距离，mm；

d为螺栓直径，mm；

b′=b– d/2，mm；

a′=a+d/2，mm。

此时连接角钢（T型钢或钢板）的厚度（图1截面II处）选取或验算按下述步骤进行

式中，

tc为在不考虑杠杆力时，按每个螺栓抗拉承载力设计值选取的连接角钢（T型钢或钢板）的厚度，mm；

f为连接角钢（T型钢或钢板）的强度设计值，N·mm2；

l为沿角钢（T型钢或钢板）长度方向的一个螺栓所分担的长度，mm。

（1）根据螺栓规格和所受外力，确定螺栓的数量，T ≤ N。

（2）根据下式初选角钢（T型钢或钢板）的厚度

式中，

t为初选厚度，mm。

同时计算 b、a（≤1.25 b）、b′、a′、ρ、δ各值

δ为螺栓排列线处翼缘净截面面积与毛截面面积之比；

δ=1–（do/l），do为螺栓孔径，mm。

（3）计算β。

a′为当需要最小厚度（tr）或每个螺栓允许最大拉力（Tα）时 a的值；

若 β≥ 1，a′=1；

（4）计算所需厚度tr。

若tr≤t，所选厚度满足要求；

若tr＞t，重新选择厚度t≥tr，或者改变几何尺寸，b和 l按式（6）和式（7）重算。

（5）杠杆力Q可以按下式计算。

a为螺栓中心线处的弯距与角钢（T型钢或钢板）根部的弯距的比值（0≤a≤1.0）；

若a＜0，a取0。

（6）当不考虑杠杆力时，令a=0，并按下式计算所需厚度tr

（7）当连接角钢（T型钢或钢板）单侧为双排孔时，仍用上述方法计算，但只考虑内排高强度螺栓的抗拉能力，采用a=1.25 b。

3.2 考虑杠杆力后高强度螺栓承载力的验算

根据公式（9）可以计算杠杆力，每个螺栓承受的拉力为 T+Q，按公式（2）、（3）对一个高强度螺栓的受拉承载力和受剪承载力进行验算，若不满足，应增加螺栓的数量，重新算。

4 应用实例

4.1 手算示例

已知：腹板厚16 mm，拉力为 863 kN，剪力为658 kN，使用10.9 SM22螺栓，C/C140 mm，角钢材料 Q 235，μ=0.4。

（1）选取螺栓数

取n=16个，

每个螺栓承剪力

每个螺栓受剪力

（2）初选角钢厚度。

设b=40 mm，

计算b=70-8-20.8=41.2；

a=48.5；

b′=30.2；

a′=59.5（见图3）。

图3 连接示意图

取 α'=1。

（5）杠杆力Q计算。

（6）考虑杠杆力后，高强度螺栓承载力验算：抗拉承载力满足。

抗剪承载力

应增加螺栓数量，取 n=18，按上述步骤重算（略）。

4.2 计算机计算

为了使用方便，根据本方法可编制计算程序，只要输入边界条件拉力、剪力和腹板厚度，就可以计算出螺栓数量、连接件厚度和连接焊缝尺寸。当需要时，也可以预先输入螺栓的数量进行计算。

根据我国角钢的规格，当t≤20 mm时，选用角钢；当t＞20 mm时，程序自动选用钢板。

5 结束语

高强度螺栓连接是现代钢结构中最常用的连接方式,但是由于设计构造上的不当，发生了一些破坏，构件的节点连接的破坏比较普遍。因此，高强度螺栓连接的节点设计是钢结构设计工作中的重要环节。

[1]王伯琴.高强度螺栓连接[M].北京：冶金工业出版社，1991.

[2]李星荣.钢结构节点设计手册[K].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[4]王国强.浅谈多高层建筑钢结构连接节点[J].山西建筑，2007，33(11)：98-99.