高强度螺栓端板连接在工程中的应用

王 卓

(德希尼布天辰化学工程(天津)有限公司上海分公司，上海 200031)

0 引言

随着建筑工艺的不断革新和建筑理念的日益转变，钢结构建筑在21世纪的民用和工业领域中得到广泛应用。钢结构连接方案和节点构造是钢结构设计中的重要环节，在钢结构安装连接和需要经常拆装的结构中螺栓连接应用十分普遍，其中高强螺栓更是以其连接紧密、受力良好、耐疲劳、可拆换、安装简单、比普通螺栓变形小的特点而使用广泛。

端板连接主要用于钢梁与钢柱的翼缘的刚性连接，端板通过高强度螺栓与钢柱的翼缘连接，端板与钢梁端部通过焊缝连接。端板连接不适用于钢梁与钢柱的腹板连接。由于我国的钢结构节点设计中没有关于端板连接的设计说明，所以我国在应用这种连接时主要用于次要结构的设计。如使用荷载较小的管廊结构、小型设备支架、用于现场变更的悬臂结构等。本文首先介绍美国钢结构手册对端板连接的实验原理、计算方法。最后通过工程实例介绍端板连接在实际工程中的应用及端板连接和焊接刚性连接在经济和施工工艺方面的比较。

1 实验原理和计算方法

实验简图见图1。主要研究在逐渐加载作用下螺栓的内力。在实验的开始阶段，每个螺栓的受力相同。随着荷载的增加，在受拉翼缘上下附近的螺栓(第3行和第4行)受到的拉力从30 kips增加到48 kips。而靠近中性轴(第2行)附近的螺栓拉力并没有明显的变化，靠近受压翼缘附近(第1行)的螺栓的拉力从28 kips降到了16 kips。

图1 端板连接在荷载作用下螺栓的内力曲线图

以上螺栓拉力的不同主要与两方面因素有关。第一是端板的刚度。第二是在螺栓没有发生破坏的情况下端板是否发生屈服。如果端板的刚度足够大，在受力的初始阶段，螺栓的线性应变与螺栓到受压翼缘的距离成正比。由于应力梯度的存在，螺栓受到的拉力存在差异，但是随着螺栓塑性变形的发展，这种差异将减小。如果螺栓有足够大的塑性变形，在受拉翼缘附近的螺栓将达到相同承载能力极限值。但是如果端板的刚度小，在拉力作用下，端板将发展屈曲，螺栓将不会发生前面提到的线性应变。这样在靠近受拉翼缘附近的端板与钢柱的翼缘之间产生撬力。

实验结果表明:靠近受拉翼缘附近的螺栓承受主要的拉力。柔性端板节点在受拉区将产生撬力。如果在受拉区端板不产生撬力，螺栓将产生线性应变，靠近受压翼缘附近的螺栓也可以承担一部分的弯矩。节点的极限承载力等于受拉螺栓的拉力与螺栓中心到受压翼缘的距离的乘积。

节点设计时的原则是:

1)节点应有足够的强度，包括螺栓的数量、尺寸，端板的厚度;

2)节点应有足够大的抗弯能力;

3)节点的刚度应该足够大，保证在使用荷载作用下不发生永久变形。

根据以上实验结果及计算机有限元模拟，美国的钢结构手册(第八版)给出的计算方法如下(计算简图见图2)。

图2 端板连接计算简图

基本假设:弯矩由翼缘传递，剪力由腹板传递。

1)翼缘承担所有弯矩，计算出翼缘所受的拉力。

2)由翼缘拉力确定螺栓的数目和大小。不考虑撬力对节点的影响。

3)计算螺栓力臂的有效长度Pe:

4)计算端板在螺栓处的弯矩Mt。

5)计算修正的弯矩Md:

其中，

6)计算端板的厚度。

7)计算端板的有效最大宽度。

8)验算端板的剪应力。

2 标准图计算要点

与混凝土结构设计不同，在钢结构设计中节点设计是钢结构设计的重要环节。本人在做拜耳的项目时，项目使用了大量的H型钢作为钢结构主次梁，型钢的型号包括HW，HM，HN，型钢的截面高度尺寸为100 mm～500 mm。钢梁与钢柱连接节点的形式有端板连接(END PLATE MOMENT CONNECTION)、等强度焊接(MOMENT WELDING CONNECTION)、高强螺栓单剪连接(SINGLE SHEAR BOLT CONNECTION)、高强螺栓双剪连接(DOUBLE SHEAR BOLT CONNECTION)。对于端板连接形式，为了提高工作效率，用EXCEL表格计算每一种H型钢在满足构造要求的前提下的端板连接，主要计算以下几个方面:

1)钢梁的抗弯、抗剪承载力计算。

根据GB 50017-2004钢结构设计规范条款4.1.1和4.2.2计算出钢梁最大可以承担的弯矩和剪力。

2)螺栓的抗弯、抗剪承载力计算。

根据GB 50017-2004钢结构设计规范条款7.2.2和前面提到的美国的钢结构手册(第八版)计算出螺栓组最大可以承担的弯矩和剪力。

需要注意的是，对于螺栓的构造要求如螺栓中心间的距离、螺栓中心距边缘的距离、螺栓中心距翼缘的距离要满足国标的要求。

3)焊缝的抗弯、抗剪承载力计算。

假定所有的剪力由腹板处双面角焊缝承担，所有的弯矩由翼缘处的对接焊缝和腹板处的双面角焊缝共同承担。计算出焊缝可以承担的最大剪力和弯矩。

4)取上面三个步骤计算出的抗弯、抗剪承载力的最小值作为抗弯、抗剪承载力设计值，用来计算端板的厚度、验算钢柱的翼缘、腹板的强度、计算钢柱加劲肋的厚度。

其中，端板的厚度可以用如下公式计算:

对于钢柱的翼缘和腹板的强度验算、钢柱加劲肋的厚度计算与采用钢梁和钢柱的焊接节点的计算相同，可以见《钢结构连接节点设计手册》(第2版)的公式。

从计算的结果来看:

1)钢梁的抗弯、抗剪承载力要分别大于螺栓和焊缝的抗弯、抗剪承载力。

2)对于抗弯承载力，当梁的截面高度不大于200 mm时，梁的抗弯承载力由焊缝的抗弯承载力来确定，当梁的截面高度大于200 mm时，梁的抗弯承载力由螺栓的抗弯承载力来确定。

3)对于抗剪承载力，当梁的截面高度不大于300 mm时，梁的抗剪承载力由焊缝的抗剪承载力来确定，当梁的截面高度大于300 mm时，梁的抗剪承载力由螺栓的抗剪承载力来确定。这样就可以对每一种截面形式作出详细的节点图，例如对于HW200，HM250，HW250梁设计的端板节点见图3。

图3 标准图

需要说明的是，对于每一种截面形式，可以计算出起控制作用的抗弯、抗剪承载力与钢梁的抗弯、抗剪承载力的比值。在选择标准图进行设计时，当这个比值大于PKPM计算出来的钢梁的强度比率就可以采用标准图中的节点详图，这样就简化了设计。例如对于HW200的截面，起控制作用的抗弯、抗剪承载力与钢梁的抗弯、抗剪承载力的比值分别为0.93和0.97，当PKPM计算钢梁的承载力比值小于上面的值，就可以按照标准节点图进行设计。

3 工程造价和施工工艺比较

在上海拜耳项目中，在主体钢结构完成及设备就位以后，后期仍然有相当多的支架变更。这些管道支架与主体钢结构的连接形式的不同，产生的费用和施工的复杂程度也相差很大，如果能够合理选用支撑方式，节省的费用也非常可观。

例如:前提条件:主体钢结构钢柱型号为XH800B，管道支架支撑梁截面为HM450，挑梁长度为1.45 m。梁端与框架柱的连接方式可选:端板连接或者焊接连接。

通过对上述连接方式进行对比分析，端板连接造价达到6 473元，高于焊接连接的5 897元，高出9.7%。这是由于螺栓和端部厚板的使用增加了费用。但是端板连接的优点是施工简便。端板连接用磁力钻在钢柱翼缘上钻孔，而焊接连接需要在钢柱上进行焊接，操作复杂，焊接的质量难以保证，且对钢柱产生应力损伤。工程设计师可以根据现场的具体情况选择连接的节点形式。

［1］GB 50017-2004，钢结构设计规范［S］.

［2］钢结构连接节点设计手册［Z］.(第2版).

［3］多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件(墙元模型)SATWE用户手册及技术条件［Z］.

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

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