中美钢结构规范关于高强螺栓性能及连接构造要求的对比

2020-11-04尹晓明王江宏

天津科技 2020年10期

关键词：槽孔设计规范高强

李娟，尹晓明，王江宏

(海洋石油工程股份有限公司天津300451)

0 引言

钢结构的连接节点设计是钢结构设计中非常重要的环节，其中螺栓连接是目前比较常见的连接形式。螺栓连接中分为普通螺栓和高强螺栓，其中高强螺栓凭借连接紧密、强度高、耐疲劳、装卸方便、比普通螺栓变形小等特点应用最为广泛。

近年来，随着我国经济的快速发展，涉外的工程建设项目也越来越多，对于钢结构的涉外项目而言，大多执行美国钢结构设计规范，其已成为国外项目通用的设计规范。因此，了解美标中关于螺栓连接的相应要求显得十分必要。

本文根据目前最新版本的美国钢结构设计规范AISC 360—16[1](以下简称美标)与中国钢结构设计标准 GB 50017—2017[2](以下简称国标)介绍了中美设计规范中关于高强螺栓性能参数及连接的构造要求，并进行了对比分析，可供设计人员参考。

1 高强螺栓的分类

1.1 国标中高强螺栓的分类

国标中高强螺栓主要分为两种，一种是用于摩擦型连接和承压型连接的高强螺栓，级别包括8.8级和10.9级；一种是用于螺栓球节点的高强螺栓，级别包括9.8级和10.9级。

为了方便与美标进行对比，本文主要针对用于摩擦型连接和承压型连接的高强螺栓进行介绍。

1.2 美标中高强螺栓的分类

美标中将高强螺栓分为A组、B组和C组3种。

A组包括 ASTM F3125/F3125M Grades A325、A325M、F1852 and ASTM A354 Grade BC；B组包括ASTM F3125/F3125M Grades A490、A490M、F2280 and ASTM A354 Grade BD；C组包括ASTM F3043 and F3111。

2 高强螺栓连接的强度指标

国标和美标中，都是采用螺栓的抗拉强度最小值作为基础数据，根据美国规范 ASTM A 490—09[3]、美国规范ASTM A 325—02[4]以及国标，表1中给出了高强螺栓钢材力学性能的对比。

表1 中美高强螺栓钢材力学性能对比Tab.1 Comparison of mechanical properties of highstrength bolts in Chinese and American codes

从表1可以看出，美国规范中的A325相当于国内高强螺栓的 8.8级，A490相当于国内高强螺栓的10.9级，其中A325根据不同的螺栓直径其抗拉强度在一定范围内变化。值得注意的是，美标中对于拧紧至紧密贴合状态(snug-tighten)的高强螺栓仅要求工人用普通扳手将螺栓拧紧，对螺栓的预拉力没有特定的要求，其他使用条件与普通螺栓连接要求一致，在国内规范中则没有与其对应的形式(国内高强螺栓均要求施加预拉力)，实际上这种连接仅仅是利用了高强螺栓的强度。

美标中螺栓的抗拉强度设计值为 0.75Fnt(Fnt为抗拉强度标准值)，可取0.75，式中系数0.75考虑了螺栓的螺纹部分有效面积与螺栓杆体面积比的近似值，因而对应抗拉面积可取为杆体的公称面积。螺栓的抗剪强度设计值为0.75Fnv(Fnv为抗剪强度标准值)，当剪切面发生在螺纹位置时，Fnv为 0.45，对应受剪面积应按螺纹处的有效截面积进行计算；当剪切面不发生在螺纹位置时，F为 0.5635，对应受

nv剪面积可取为杆体的公称面积。

3 高强螺栓的构造要求

3.1 螺栓孔尺寸

表 2和表 3分别给出了国标和美标的高强螺栓开孔尺寸，从表中可以看出开孔尺寸基本一致，不同的是美标中槽孔又细分为长槽孔和短槽孔，国标中槽孔的尺寸介于上述两者之间。对于承压型连接，国内一般采用标准孔，而美标中除了标准孔外还允许应用于荷载垂直于槽孔的连接。

表2 高强螺栓孔尺寸(国标)Tab.2 Nominal hole dimensions of high-strength bolts in GB 50017—2017

表3 高强螺栓孔尺寸(美标)Tab.3 Nominal hole dimensions of high-strength bolts in AISC 360—16

3.2 螺栓排列中距及边距的要求

螺栓的排列应力求简单、统一而紧凑，既要满足受力要求，也要构造合理，便于施工。考虑到螺栓的受力、构造、施工要求，根据螺栓孔径直径、钢材边缘加工情况以及受力方向，对螺栓排列的中距及边距有最大、最小限值要求，即最大和最小容许距离。

国标中螺栓的最大和最小容许距离见表4。

美标中螺栓孔中心至边缘的最小距离要求见表5，最大距离为被连接件厚度的 12倍且不能超过150mm。美标中螺栓孔中心距的最小间距不能小于22/3倍螺栓公称直径，最好不小于 3倍直径。最大距离分为以下两种情况：

表4 螺栓的孔距和边距容许值(国标)Tab.4 Allowable values for distance between centers of holes and edge distance in GB 50017—2017

表5 标准孔中心至板件边缘的最小距离(美标)Tab.5 Minimum distance from center of standard hole to edge of connected part in AISC 360—16

①对于喷涂过的构件或者未喷涂但不受到腐蚀的构件，不能超过 24倍较薄连接部分厚度且不能超过300mm。

②对于未喷涂过且受到大气腐蚀的构件，不能超过14倍较薄连接部分厚度且不能超过180mm。

通过对比可以看出，对于螺栓孔中心最小距离的要求，国标和美标的规定基本相同，国标更严格一些；最大距离国标是从不同受力情况分别考虑的，而美标是根据构件的表面喷涂和腐蚀环境情况分别考虑的。对于螺栓孔中心至边缘的最小距离，美标给出的数值还需满足端部撕裂计算的要求，而国标给出的数值已经考虑了防止钢板在端部被螺栓撕裂的情况(顺内力方向的 2d0)，对于高强螺栓而言，国标的规定更加严格。对于最大距离的规定两国规范也有一定区别。