关于AISC 360—16与GB 50017—2017中高强螺栓摩擦型连接计算方法的对比分析

尹晓明，李 娟，辛晓辉

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

钢结构具有强度大、自重轻、刚性好、韧性强等优点，因而在现代建筑中钢结构应用越来越普遍。在钢结构设计工作中，连接节点的设计是否得当，对保证钢结构的整体性和可靠度，控制制造质量和施工进度，乃至整个项目建设周期和成本都有直接的影响。在诸多节点连接形式中，高强螺栓摩擦型连接具有连接刚度大、变形小、耐疲劳等优点，在工程中得到广泛应用。

随着我国涉外项目的快速增加，在结构设计上与国外的主要规范接轨就显得十分必要。美国钢结构设计规范作为国际上的一种通用规范，目前在大多数国外项目中成为一种要求执行的设计规范。本文依据最新版美国钢结构设计规范AISC 360—16[1](以下简称美标)以及中国钢结构设计标准 GB 50017—2017[2](以下简称国标)，对高强螺栓摩擦型连接的计算方法进行了分析比较，包括抗剪连接、拉剪连接等，可供设计人员参考。

1 高强螺栓的连接形式

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[3]，而两种连接形式又有本质的区别。

摩擦型连接主要通过预拉力的作用使连接面压紧，利用接触面间的摩擦力达到抗剪目的。抗剪设计时，需保证连接在整个使用期间受到的剪力不超过最大摩擦力，板件不会发生相对变形，即螺杆和孔壁之间始终保持原有的间隙，被连接构件按整体弹性受力考虑。摩擦性连接的剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳，特别适用于承受动力荷载的结构。

承压型连接同样需要施加预拉力从而产生摩擦力，当受到的剪力大于摩擦力时，构件之间发生相对滑动而使螺杆受剪、孔壁承压，以螺杆不剪坏或孔壁不被压坏为承载力极限状态。

高强螺栓本身并没有摩擦型和承压型之分，只不过在于设计上是否考虑滑移。摩擦型高强螺栓连接不能有滑动，螺杆不承受剪力，一旦发生滑移，就被认为连接破坏。承压型高强螺栓连接允许发生滑移，螺杆可以承受剪力，最终破坏与普通螺栓破坏没有区别。高强度螺栓的摩擦型连接和承压型连接实际上是同一个连接接头的两个不同受力状态阶段。对同一个高强度螺栓连接，承载力方面承压型连接应该高于摩擦型连接，但在设计时，需要考虑连接板厚度和螺栓直径的匹配。

2 高强螺栓预拉力

2.1 国标规定

国标中高强度螺栓预拉力(P)计算公式如下：

式中：fu为螺栓经热处理后的最低抗拉强度(N/mm2)，材料等级8.8级的 fu＝830N/mm2，10.9级的 fu＝1040N/mm2；Ae为螺纹处的有效面积(mm2)。

预拉力 P值以螺栓的抗拉强度为基准，再考虑必要的系数乘以螺栓的有效截面确定。

拧紧螺栓时，除使螺栓产生拉应力外，还产生剪应力。在正常施工条件下，即螺母的螺纹和下支承面涂黄油润滑剂，或在供货状态原润滑剂未干的情况下拧紧螺栓，对应力会产生显著影响，根据试验结果考虑其影响系数值为1.2。

考虑螺栓材质的不均匀性，折减系数取0.9。

施工时为了补偿螺栓预拉力的松弛，一般超张拉5%～10%，为此采用超张拉系数0.9。

由于以螺栓的抗拉强度为准，为安全起见再引入一个附加安全系数0.9。

2.2 美标规定

美标中高强螺栓的最小预拉力数值规定为：

比较两国规范的预拉力公式可以看出，国标计算结果小于美标的规定值，大致相当于美标的0.87倍。高强螺摩擦型连接必须施加预拉力以达到提供摩擦力的作用，对于承压型连接美标中规定有些情况下允许螺栓拧紧至密贴状态即可，不需要施加预拉力，而国标中要求必须施加。

3 摩擦型连接的计算方法

3.1 国标规定

高强度螺栓摩擦型连接是靠被连接板叠间的摩擦阻力传递内力，以摩擦阻力刚被克服作为连接承载能力的极限状态。摩擦阻力值取决于板叠间的法向压力即螺栓预拉力 P、接触表面的抗滑移系数(μ)以及传力摩擦面数目(nf)，故一个摩擦型高强度螺栓的最大受剪承载力()为knfμP除以抗力分项系数1.111，如下式所示：

抗滑移系数μ根据接触面的处理方法和构件的钢材等级，取值在0.3～0.45，相比2003版规范，取值有所降低。同时2007版规范增加了孔形系数k，用以考虑当高强度螺栓摩擦型连接采用大圆孔或槽孔时对抗剪承载力的折减，其中标准孔 k＝1.0，大圆孔k＝0.85，内力与槽孔长向垂直时 k＝0.7，内力与槽孔长向平行时k＝0.6。

实验证明，当外拉力过大时，螺栓将发生松弛现象，这样就丧失了摩擦型连接高强度螺栓的优越性。为避免螺栓松弛并保留一定的裕量，国标规定每个高强度螺栓在其杆轴方向的外拉力的设计值不得大于0.8P。

同时承受剪力Nv和螺杆轴向外拉力Nt的高强度螺栓摩擦型连接，其承载力可以采用直线相关公式表达，见下式：

其中，Nv为承受变剪力，Nt为螺杆轴向外拉力，为最大受剪承载力，为每个高强度螺栓的承载力，单位都为N。

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，本文中关于美标的介绍都是针对LRFD设计法。

美标中规定高强螺栓的摩擦型连接以抗滑移为正常使用极限状态，同时也要满足承压型连接的极限状态进行设计，这里主要介绍正常使用极限状态的一些规定。

抗滑移极限状态的抗剪承载力φRn按下式计算：

式中：μ为表面抗滑移系数，A 级表面取 0.3，B级表面取0.5；Du主要反映螺栓安装后的平均预拉力与规定的最小预拉力的比值，可取 1.13；ns为允许连接板件之间产生滑移的剪切面数量；hf为垫板系数，当被连接板间只有一块垫板时取 1.0，当被连接板间有多于一块垫板时取 0.85(需要注意的是，当所有接触面都为 B级或都为 A级且使用转角法施加预拉力时，可不折减)。

φ可按下列规定取值(需要注意的是，当采用大圆孔或槽孔时，设计中对抗滑移承载力的折减并不是由于在测试中检测到承载力的下降，而是用来反映滑移后产生后果的一个系数)：当采用标准孔或槽长方向与荷载方向垂直的短槽孔，可取 1.0；当采用大圆孔或槽长方向与荷载方向平行的短槽孔，可取 0.85；当采用长槽孔，可取0.70。

如果摩擦型连接在受到剪力的同时还受到拉力作用，其抗滑移承载力应考虑乘以折减系数ksc：

式中：Tu为荷载组合下的节点拉力；nb为受拉螺栓的数量。

同时进行承压型连接验算抗拉承载力时，应考虑剪力的影响进行折减。

4 中美规范中摩擦型连接计算的不同点

①从两国规范的预拉力公式可以看出，国标计算结果小于美标的规定值，大约相当于美标的0.87倍。

②表面抗滑移系数μ：美标中最大取值达到 0.5，而国标中注明根据工程实践及相关研究，最大值不宜超过0.45。

③在许多连接构造中都要求使用垫板，美标中考虑了垫板折减系数hf，用以反映设置多块垫板时对抗滑移承载力的折减，而国标中没有考虑。

④美标中考虑了螺栓安装完成后实际的平均预拉力与规定的最小预拉力的比值Du，对抗滑移承载力进行了放大，此数值是根据统计分析得到的。

⑤美标中规定高强螺栓的摩擦型连接以抗滑移为正常使用极限状态，同时也要满足承压型连接的极限状态进行设计，而国标中仅以摩擦阻力刚被克服作为连接承载能力的极限状态，两者有较大不同。