国内外高强度螺栓连接设计的对比分析

介绍

中国钢结构协会钢结构设计分会第二届理事会第一次会议暨第五届建筑结构总工程师高峰论坛于8月18日在北京召开。会议期间，中冶建设研究院、中钢股份技术总监协会秘书长侯兆新作了精彩报告。 钢结构公众号将整理报告内容分享给大家！

1 国内外高强螺栓连接设计对比分析

高强度螺栓连接的几个概念

高强螺栓剪力连接的典型载荷-变形曲线

背景

一、背景1

• 制定替代钢材设计指南

• 我国设计指标普遍较低

• 规范体系的问题需要解释

2.背景2

• 参与编制ISO/TC 167/WG 03《钢结构的执行》

• 国外同事误认为质量差。 钢材和焊缝相似，但螺栓却有很大不同。

3.背景三

• 由于装配式结构的发展，钢结构现场焊接，特别是现场渗透焊的质量难以保证，与装配式结构相反。

1、主要国家高强螺栓对比/基本相同：8.8s&10.9s

2、螺栓预紧力设计值对比/总体比欧标低10%，比美标低15%

3.防滑系数比较/与材料无关&与厚度和涂层摩擦表面无关

4、螺栓抗剪强度对比/10.9s时相同，8.8s时相差20%

5、孔壁承压强度对比/高强螺栓高出5.5%，普通螺栓高出50%以上

螺栓孔壁的承压强度一般与螺栓强度无关，主要受边距、孔径、连接板强度影响。 因此，欧标普通螺栓和高强度螺栓的承压强度是相同的。 然而，国家标准却有很大不同。 Q235高出1倍，Q345高出50%。

6、高强螺栓抗拉强度/撬力系数0.2P对比，仍有较大差距

欧标螺栓拉伸承载力

，而国家标准是

，前者是后者的1.44倍。 重要原因之一是EN 1993要求具体计算雪橇力及其与外力的叠加作为设计拉力，而GB 50017一般将单个螺栓的承载能力降低0.8P倍雪橇力；

另外，螺栓预紧力P比欧洲标准低10%，两个因素叠加造成较大差距。

7、摩擦式剪拉连接承载力比较/撬力系数，相差0~15%

从摩擦式剪力连接的公式形式来看，两个标准都是通过线性回归得到的直线公式。 为了便于考察两个公式的具体差异，这里我们仍以10.9级螺栓为例，将公式改写为无量纲形式，分母如下：

欧标摩擦式剪切连接公式与国标最大的区别在于对螺栓抗拉承载力的规定。 原因是两者处理雪橇受力的方式不同。由于抗拉承载力降低，国标的防滑承载力普遍低于欧标。

8、承压剪拉连接承载能力比较/与拉荷载相关

从公式来看，承压剪拉连接欧洲标准是通过线性回归得到的直线公式，而国家标准是通过非线性回归得到的椭圆公式。 为了便于考察两个公式的具体差异，我们以抗剪承载力基本相同的10.9级螺栓为例，将公式改写为无量纲形式，分母为：

从曲线形式来看，线性回归的直线形式更安全。 但由于国标考虑了打滑力的影响，较多地降低了抗拉设计值，因此椭圆长轴缩短，低拉力区的防滑设计值略高于欧标。

9、螺栓孔距比较/孔距越小，节点板尺寸越小，承载能力越大。

检测结果

四螺栓试件测得的抗滑移系数要求两螺栓试件的值较高，平均高7.1%。

对于二螺栓和四螺栓试件，孔距增大，抗滑移系数略有下降。 英国、日本、美国、俄罗斯规定的最小孔距比中国标准规定的值小，防滑系数值较大，其中：

四螺栓试件分别比国内高10.3%和6.7%；

双螺栓试件分别比国内高14.3%和7.7%。

对于两螺栓和四螺栓试件，节点板的尺寸要大30%以上。

10. 结论和建议

螺栓数量减少 10%，节点尺寸更小，摩擦表面有涂层

焊接适用于工厂连接，螺栓适用于施工现场连接。 与焊接，特别是现场渗透焊相比，高强度螺栓连接具有更好的连接性能，更容易质量控制！

2 高强度螺栓连接研究进展

研究内容及进展

问题

现场组装要求

灵感/网格螺栓球节点+日本横梁贯通节点

概念提案/论文讲座+模型动画+试制样品

节点变形/框架节点位置+连接刚度+施工方便

研究思路

设定一个目标

• 节点标准化：节点与梁柱全部分离

• 梁柱连接变刚度：刚性连接、半刚性连接、铰接

• 可完全螺栓连接：无需对接焊透

• 节省螺栓：法兰面积可减少一半

• 可采用螺栓连接，用于连接：法兰处的焊缝为角焊缝

• 快速组装：梁翼缘放置并重叠

细化问题

• 法兰处的角焊缝能否满足刚性要求？

• 法兰螺栓连接是否属于半刚性连接？

• 腹板螺栓连接和法兰座搭接接头是否铰接？

• 塔法兰连接能否确保塔的连续性？

问题1/梁翼缘角焊缝连接的力学性能

实验研究-破坏现象

实验研究-比较分析

试验得到的弯矩-转数曲线与有限元分析结果大体接近，失效模式也相似。 试验条件下构件的变形小于有限元分析的结果，但所关注的初始刚度误差极小。 可满足刚性连接要求。

问题2/梁翼缘螺栓连接的力学性能

实验研究——损伤现象

实验研究-比较分析

试验结果的弯矩-转角曲线总体低于有限元分析结果，表现出明显的刚性-半刚性特征。

问题3/梁腹螺栓连接和翼缘搭接连接的力学性能

实验研究 - 失效现象：梁翼缘释放连接的机械行为

实验研究-比较分析

对比试验结果和有限元结果，初始刚度接近，进入塑性平滑阶段的转角和弯矩较小。 翼缘板的屈服弯曲塑性变形和腹板螺栓孔的拉伸塑性变形产生部分有限的耗能能力。 呈现出明显的铰链特征。

问题4/柱法兰连接的机械性能

实验研究——破坏现象

实验研究-比较分析

将试验结果与有限元结果进行比较，两者的初始刚度接近，且有限元结果的后续刚度和峰值承载力均大于试验值。 当柱法兰连接的螺栓强度不够时，连接的耗能能力受到限制。 表现出刚性连接特性。

研究成果总结/连接刚度特性

工程应用/中冶建研新建实验办公楼

中冶建研新实验办公楼采用标准化节点。 梁和节点是刚性连接的。 柱子和节点在工厂焊接成两层预制单元。

法兰角焊连接

标准化节点物理图

标准化节点施工图