高强螺栓承压型连接在中美规范中计算方法的比较

尹晓明，李娟，张兴

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

在钢结构设计中，连接节点的设计是一个重要环节。在各种节点连接形式中，高强螺栓承压型连接更能发挥钢材的强度作用，经济性能更好。

目前涉外项目大多数执行美国钢结构设计规范，因此本文根据美国钢结构设计规范AISC 360-16[1]（以下简称美标）与中国设计标准GB 50017-2017《钢结构设计标准》[2]（以下简称国标）介绍中美设计规范中关于高强螺栓承压型连接的相应规定，并对比分析了螺栓连接设计中的计算方法。

1 高强螺栓连接的两种基本形式

高强度螺栓连接从受力特征上分为摩擦型连接和承压型连接。摩擦型连接主要通过预拉力的作用下使连接面压紧，利用接触面的摩擦力从而达到抗剪目的。

承压型连接同样需要施加预拉力来产生摩擦力，当受到的剪力大于摩擦力时，构件之间发生相对滑动，直到螺杆和孔壁接触压实，发生破坏。承压型连接的承载能力较高，连接紧凑，但剪切变形较大，一般应用于承受静力荷载，不能用于直接承受动力荷载的连接。

但实际上很多国外工程公司推荐采用承压型连接，因为在工程中，实际发生的滑移量非常小。这是因为正常的制造误差导致螺栓孔定位不准确，使得一个或多个螺栓孔在施加荷载前就已经接触螺杆；即使在螺栓孔定位非常精确的情况，常规的安装方法也会使若干螺栓在自重的作用下与孔壁发生接触，所以连接节点在荷载作用下不会产生显著的位移。RCSC[3]也有这方面的描述：对于节点包含不少于3个螺栓的情况，当螺栓孔的间隙很小时，例如采用了标准孔或者荷载垂直于槽孔的连接，一般不必考虑节点发生的滑移。

2 高强螺栓承压型连接的破坏形式

高强螺栓承压型连接与普通螺栓的破坏形式相同，主要有以下几种：

(1)当螺杆直径较小且构件较厚时，螺杆可能先被剪断；(2)当螺杆直径较大且构件较薄时，螺栓孔壁可能先被挤坏，即发生孔壁的承压破坏；(3)构件由于螺栓孔的存在截面削弱太多从而发生块状撕裂；(4)由于端距太小导致端距范围内的板件可能被螺杆剪坏。

3 高强螺栓承压型连接的计算方法

3.1 国标规定

由于高强螺栓承压型连接可能发生的破坏形式与普通螺栓连接相同，故计算方法也基本一致，计算时不需要考虑施加的预拉力。

螺栓承受剪力时承载力取螺杆抗剪承载力Nvb（式1）和孔壁承压承载力Ncb（式2）的较小值：

式中：nv为受剪面数目；d为螺杆直径；∑t为在不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值；fvb为螺栓的抗剪强度设计值，数值上fvb取为0.3fub；fcb为螺栓的承压强度设计值；fub为高强螺栓的钢材抗拉强度。

与普通螺栓不同的是，当计算剪切面在螺纹处时，Nvb应按螺纹处的有效截面积进行计算。普通螺栓的抗剪强度设计值是根据连接的试验数据统计而定的，试验时不分剪切面是否在螺纹处，故普通螺栓没有这个问题。

式3给出了螺栓杆轴方向的受拉承载力Ntb：

式中：de为螺栓在螺纹处的有效直径；ftb为螺栓的抗拉强度设计值，数值上取0.48fub。

螺栓受拉时有螺纹的部分起控制作用，由于螺纹是斜向的，所以采用的是有效直径，不是净直径。其中de=d-13/24√3 t，t为螺距。

在式3中同时考虑了螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响。由于螺栓受拉时通常不能使拉力正好作用在螺栓轴线上，必须通过与螺栓垂直的连接件进行传递。当连接件刚度不大时受力后会发生变形，有被拉开的趋势，从而形成杠杆作用，使螺杆中的拉力增加并产生弯曲现象，这种作用额外引起的力Q被称为撬力，如图1所示。

撬力的大小与连接件的刚度有关，刚度越小，撬力越大，反之则越小；同时撬力也与螺栓的直径和所在位置等因素有关。目前规范的做法是将螺栓钢材的抗拉强度设计值进行折减作为螺栓抗拉强度设计值，用以考虑撬力的影响。另外在构造上也可采取设置加劲肋等措施加强连接件的刚度，从而减小撬力的影响。

图1 连接件刚度不足引起的撬力

同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型连接，当承载力符合以下两个公式的要求时，可保证螺杆不致在剪力和拉力联合作用下被破坏。

式中：Nv、Nt分别为所计算的某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；其中公式(5)是保证连接板件不致因承压强度不足而破坏。由于只承受剪力的连接中，高强度螺栓对板叠有强大的压紧作用，使承压的板件孔前区形成三向压应力场，因而其承压强度设计值比普通螺栓的要高得多。但对受有杆轴方向拉力的高强度螺栓，板叠之间的压紧作用随外拉力的增加而减小，因而承压强度设计值也随之降低。承压型高强度螺栓的承压强度设计值是随外拉力的变化而变化的。为了计算方便，国标规定只要有外拉力作用，就将承压强度设计值除以1.2予以降低。所以式（5）中右侧的系数1.2实质上是承压强度设计值的降低系数。

3.2 美标规定

美标中同时给出了适用于容许应力法（ASD）和概率极限状态设计法（LRFD）的计算公式。由于LRFD设计法与我国的分项系数法类似，所以本文主要介绍LRFD设计法。

螺栓的抗剪或抗拉承载力φRn可根据以下公式确定，其中φ可取0.75：

Fn为抗剪强度标准值Fnv或抗拉强度标准值Fnt；Fnt为0.75Fu，其中Fu为螺栓钢材抗拉强度，Ab为杆体的公称面积；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。承载力验算时，计算荷载产生的拉力应包含连接板件变形产生的撬力。

当剪切面发生在螺纹位置时，Fnv为0.45Fu；当剪切面不发生在螺纹位置时，Fnv为0.563Fu。系数0.563考虑了剪力与拉力比0.625以及长度折减系数0.90的影响。系数0.45等于0.563的80%，这是考虑了当螺纹在剪切平面内时螺纹部分面积的折减。当连接长度超过950mm时，要求用0.75代替初始折减系数0.90以便确定螺栓连接抗剪承载力Fnv。

在拉力和剪力联合作用下，由于剪力的存在，螺栓的抗拉承载力φRn会有所降低，计算见下式：

其中：φ可取0.75； Fnt‘=1.3Fnt-Fnt/(φFnv) frv≤Fnt；frv为采用LRFD荷载组合时计算的剪应力。同时螺栓提供的抗剪强度应不小于frv。

当荷载产生的剪应力或者拉应力不大于螺栓可提供强度的30%时，可不考虑组合应力的影响。

承压承载力是用来保护螺栓孔壁不被挤坏的，并不是用来保护螺栓本身的。因此无论螺栓抗剪强度的大小以及与螺栓孔接触的范围是否存在螺纹，都可以采用相同的承压承载力值。

螺栓孔的承压强度φRn，需要满足以下要求：

(1)当采用标准孔、扩大孔、短槽孔及受力方向与槽长方向平行时的长槽孔：

在正常使用荷载作用不允许螺栓孔变形的情况下：Rn=2.4 dtFu；

在正常使用荷载作用允许螺栓孔变形的情况下：Rn=3.0 dtFu。

(2)当采用受力方向与槽长方向垂直时的长槽孔：Rn=2.0 dtFu；

为了防止撕裂，规范中给出了相邻两螺栓孔边缘之间和螺栓孔边缘和连接件边缘之间的抗撕裂强度φRn：

(1)当采用标准孔、扩大孔、短槽孔及受力方向与槽长方向平行时的长槽孔：

在正常使用荷载作用不允许螺栓孔变形的情况下：Rn=1.2 lctFu；

在正常使用荷载作用允许螺栓孔变形的情况下：Rn=1.5 lctFu

(2)当采用受力方向与槽长方向垂直时的长槽孔：Rn=1.0 lctFu

公式中lc为受力方向上相邻两螺栓孔边缘之间或螺栓孔边缘和连接件边缘之间的净距。

3.3 计算方法的对比

中美规范计算方法主要有以下几点不同：

(1)美标计算了相邻两螺栓孔边缘之间以及螺栓孔边缘和连接件边缘之间的撕裂计算，国标中没有类似的防撕裂计算，而是采用最小螺栓孔中心距和最小螺栓孔边距的构造要求保证不发生撕裂破坏；

(2)拉剪联合作用时，国标中拉力和剪力的关系近似为一个圆曲线，而美标中利用三段直线替代圆关系曲线进行简化，两者产生的偏差很小；

(3)国标中螺栓的抗剪强度没有考虑是否发生在螺纹位置，因此当剪切破坏发生在螺纹位置时，应按螺纹处的有效截面积进行计算；而美标中螺栓的抗剪强度已经区分了是否发生在螺纹位置，所以在考虑受剪面积时直接应用螺杆的公称面积即可；

(4)美标中计算螺栓抗剪承载力时，Ab应该乘以剪切面的数量；

(5)国标中螺栓的有效面积与公称面积之比略大于0.75，可近似取0.75，所以美标中螺栓抗拉强度设计值约为国标的1.5倍（0.75/0.48）左右，明显高于国标；

(6)螺栓受拉计算中，国标中通过降低螺栓的抗拉强度设计值来考虑撬力的影响，而美标中计算荷载产生的拉力应包含连接板件变形产生的撬力。

◆参考文献

[1] American Institute of Steel Construction inc. “Specification for Structural Steel Buildings”[S].ANSI/AISC 360-16.

[2] GB 50017-2017，钢结构设计标准[S].

[3] Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts[S].RCSC,2004.