中美摩擦型连接高强度螺栓承载力计算方法对比分析

标准与规范　中美摩擦型连接高强度螺栓承载力　计算方法对比分析　孙洪鹏　刘　圆　王玉银　（１．哈尔滨工业大学，哈尔滨　１　５００９０；２．北京巴布科克・威尔科克斯有限公司，北京　１０００４３）　摘　要：对比分析了中关两国常用摩擦型连接高强度螺栓的力学性能，以及两国摩擦型连接高强度螺栓抗剪承载　力和剪拉承栽力的设计方法。探讨了按ＡＩＳＣ　３６０—２０１０｛美国钢结构设计规范》对中国高强度螺栓进行设计时的　预拉力转换问题，根据两种规范的比较结果，提出了预拉力转换建议。根据中关两国规范的计算方法，讨论得出抗　剪承载力和剪拉承载力比较结果，供设计人员参考。　关键词：钢结构；高强度螺栓；预拉力；承载力　ＤＯＩ：１０．１３２０６／Ｊ．鲥ｇ２０１５０１０１１　Ａ　ＣｏＭＰＡＲＡＴｌＶＥ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＮＧ　ＭＥＴＨＯＤＳ　ＦＯＲ　ＢＥＡＲＩＮＧ　ＣＡＰＡＣＩＴＹ　ｏＦ　ＨＩＧＨ—ＳＴＲＥＮＧＴＨ　ＢｏＬＴ　ＩＮ　ＣＨＩＮＡ　ＡＮＤ　ＵＳ　Ｓｕｎ　Ｈｏｎｇｐｅｎｇ　’　Ｌｉｕ　Ｙｕａｎ　’　Ｗａｎｇ　Ｙｕｙｉｎ　（１．ｉｔａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００９０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂａｂｃｏｃｋ＆Ｗｉｌｃｏｘ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４３，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｏｌｔ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ａｎｄ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｏｌｔ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＵＳ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｓｓｕｅｓ　ｏｆ　ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｏｌｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＳｐｅｃｉＪｉｃａｔｉｏｎ（ＡＩＳＣ　３６０—２０１０）ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＵＳ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｏｌｔ；ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　１　概　述　２高强度螺栓钢材性能　从美国规范ＡＳＴＭ　Ａ　４９０—０９　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｓｐｅｃｉ—　大型电站锅炉钢结构连接一般采用摩擦型连接　高强度螺栓。摩擦型连接高强度螺栓靠摩擦阻力传　递内力，以摩擦阻力刚被克服作为承载能力的极限　状态，是抗滑移的连接。摩擦阻力取决于连接板件　之间的螺栓预拉力、接触面间的抗滑移系数以及摩　ｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ＢｏｌｔｓＬ２　（以下简称“ＡＳＴＭ　Ａ　４９０—０９”）、美国规范ＡＳＴＭ　Ａ　３２５—０２　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｂｏｌｔｓ　Ｌ３］（以下简称　“ＡＳＴＭ　Ａ　３２５—０２”）和中国规范ＧＢ／Ｔ　３６３２—　２００８｛钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》＿＿４　（以下　擦面数目。预拉力是高强度螺栓在安装时，用扳手　进行预拉伸，在高强度螺栓内部产生的。利用高强　简称“ＧＢ／Ｔ　３６３２—２００８”）中，可以得到高强度螺栓　钢材力学性能，见表１。　表１　高强度螺栓钢材力学性能　度螺栓的预拉力，使被连接构件之间压紧而产生静　摩擦力以传递剪力。　锅炉钢结构设计中，许多单位在使用ＡＩｓＣ　３６０—　２０１０｛美国钢结构设计规范》［＝１］（以下简称“ＡＩＳＣ　３６Ｏ”）进行高强度螺栓承载力计算时，采用中国高　强度螺栓。由于中美规范中对预拉力的规定不　同，需要将预拉力按各自规范的规定进行转换。　同时，两国的螺栓承载力计算也不相同。为此，本　文拟通过对比分析，对预拉力转换方法和承载力　有关规定进行研究。　第一作者：孙洪鹏，男，１９６５年出生，高级工程师。　Ｅｍａｉｌ：ｓｕｎｈｏｎｇｐｅｎｇ２Ｏ６９＠ｓｉｎａ．ｃｎ　收稿日期：２０１４—０９—１７　４６　钢结构　２０１５年第１期第３Ｏ卷总第１９３期　孙洪鹏，等：中美摩擦型连接高强度螺栓承载力计算方法对比分析　从表１中可以看出，中国１０．９Ｓ高强度螺栓相　型螺栓没有超张拉的问题。但ＧＢ／Ｔ　３６３２—２００８　当于美国的Ａ４９０，８．８ｓ高强度螺栓相当于美国　中，１ｏ．９ｓ螺栓连接副紧固轴力的最小值与ＧＢ　的Ａ３２５。　５００１７中Ｐ值基本相等，而紧固轴力的最小值却为　公称值的９０　。　ｍ　一　啪　一　３两种规范预拉力比较　３）考虑螺栓材质的不定性和不均匀性，取折减　３．１　ＧＢ　５００１７—２００３（钢结构设计规范》＿５　系数０．９。　　—　一考虑到高强度螺栓没有明显的屈服点，参照国　４）考虑用抗拉强度厂　而不是用屈服强度＿厂ｖ作　外规范，ＧＢ　５００１７—２００３《钢结构设计规范》（以下　为标准值，考虑安全系数０．９。　简称“ＧＢ　５００１７”）将预拉力Ｐ以螺栓的抗拉强度为　这样，一个高强度螺栓的设计预拉力值由式（１）　准，再考虑必要的系数，用螺栓的有效截面经计算　计算：　＂　Ｍ　确定。　Ｐ一　１　ｎ　厂　Ａ　一。．６０７Ｊ　ｕ　ｅ　’　　５ｆ　Ａ　（１）ｕ　ｅ　…　　预拉力Ｐ主要考虑的因素有：　１）拧紧螺栓时，除使螺栓产生拉应力外，还产生　式中：＿厂ｕ为螺栓经热处理后的最低抗拉强度，对８．８Ｓ，　剪应力。在正常施工条件下，即在螺栓的螺纹和下支　取　一８３０　ＭＰａ，对１０．９Ｓ，取ｆｕ一１　０４０］ＶＩＰａ；Ａ　为　撑面涂黄油润滑剂的条件下，或在供货状态原润滑剂　螺纹处的有效面积。　未干的情况下拧紧螺栓时，试验表明对应力的影响系　３．２　ＡＩＳＣ　３６０—２０１０《美国钢结构设计规范》　一　掰　数可考虑取１．１５～１．２５，取平均值为１．２。系数１．２　美国ＡＩＳＣ　３６０规范规定预拉力为：　即为考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响系数。　Ｐ一０．７ｆ　Ａ　（２）　２）为了弥补施工时高强度螺栓预拉力的松弛损　３．３预拉力值比较　失，一般超张拉５　～ｌ０　，在确定施工控制预拉力　由式（１）和式（２）比较得知，美国规范预拉力与　＂　Ｍ　时，考虑了预拉力设计值的１／０．９（即１．１１的超张　中国规范预拉力之比为０．７／０．６０７　５，即１．１５。　拉系数）的超张拉，故应考虑超张拉系数０．９。扭剪　中美两规范预拉力见表２。　弼　一　表２两种规范规定的螺栓预拉力　Ｍ２２　Ｍ３Ｏ　螺栓的性能　一　　一等级　Ｐ１／ｋＮ　Ｐ２／ｋＮ　Ｐ２　Ｐ　／ｋＮ　ｋＮ　鲁　Ｐ１／ｋＮ　Ｐ２／ｋＮ　Ｐ　¨　注：如果垫板厚度ｔ超过６　ｍｍ，Ａ４９０和Ａ３２５材料的高强度螺栓预拉力应按［１—０．０１５　４（　６）］进行折减；Ｐ１和Ｐ２分别为按ＧＢ　５００１７　和ＡＩＳＣ　３６０计算的螺栓预拉力。　部分规格螺栓的预拉力如图１所示。　中国规范的预拉力乘以１．１５后的示意见　４５０　图２。　４００　垂　至３５０　５（帕　萋　００　Ｚ　４【Ｈ）　壹　３００　５０　２００　０　蒸　１０｛）　螺栓规格　０　一８．８Ｓ（ＧＢ　５００１７）；一Ａ３２５（ＡＩＳＣ　３６Ｏ）；　一１０　９Ｓ（ＧＢ　５００ｌ７）；一Ａ４９０（ＡＩＳＣ　３６０）　螺栓规格　＋８．８Ｓ（ＧＢ　５００１７）；—－・一Ａ３２５（ＡＴＳＣ　３６０）；　图１　两种规范规定的螺栓的预拉力　—　１０　９Ｓ（ＧＢ　５００１７）：—　Ａ４９０（ＡＩＳＣ　３６０）　由表２及图１看出，ＡＩＳＣ　３６０预拉力近似为　图２　中美规范规定的螺栓预拉力　ＧＢ　５００１７预拉力的１．１５倍。　（中国规范预拉力值乘以１．１５）　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１５（１），Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１９３　４７　标准与规范　４　两种规范计算高强度螺栓承载力比较　４．１　两种规范螺栓抗剪承载力计算方法　４．１．１　ＧＢ　５００１７—２０Ｏ３｛（钢结构设计规范》　表３抗剪承载力计算结果比较　ｋＮ　单个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值计　算公式为：　Ｎ　一０．９ｎｆ　（３）　注：设计方法１为按中国规范预拉力，中国规范承载力计算方法　进行计算。设计方法２为中国螺栓按中国预拉力，美国螺栓　式中：Ｔｔ　为传力摩擦面数目，单剪时为１，双剪时为　２；　为抗滑移系数；Ｐ为摩擦型连接高强度螺栓的　预拉力设计值。　４．１．２　ＡＩＳＣ　３６０—２０１０（｛美国钢结构设计规范》　单个摩擦型连接高强度螺栓的名义抗剪承载力　计算公式如下。　按美国预拉力，且全部按美国规范承载力计算方法进行　计算。　４（｝　荷载和抗力分项系数设计方法（简称ＬＲＦＤ）：　一　２（）　０（）　８ｌ１　６０　４（１　２０　（１　（　ｈｆＴｂ　）　（４ａ）　许用应力设计方法（简称ＡＳＤ）：　Ｒ　／ｏ一（　ｈｆＴｂ　７ｔ＂　）／　（４ｂ）　２１）０　１６Ｏ　式中：　为平均滑移系数；Ｄ　一１．１３；ｈｆ一１．０；Ｔｂ　ｌ２０　８（１　４０　（１　为最小的螺栓预紧力；ｒｔ　为传力摩擦面数目，单剪　时为１，双剪时为２；　＝１．ｏ；Ｑ一１．５。　ｚ　耨幡　ｚ　Ｒ　幅　螺栓规格　ｂ　．　４．１．３两种规范的抗剪承载力比较　如果按　一ｏ．４，单剪，Ｔｂ一１．１５Ｐ，轴心受拉，　则采用ＬＲＦＤ方法计算，有：　１．０×０．４×１．１３×１．０Ｔｂ×１．０ａ—ｑＢ　５１）１）１７：ｂ－－ＡＩＳＣ　３６（）　一８　８Ｓ；一Ａ３２５；一１（ｔＵＳ；一Ａ４９（１　图３　两种规范螺栓抗剪承载力比较　Ｔ百　—一一　１　将中国规范的预拉力乘以系数１．１５，转换为美　国规范高强度螺栓预拉力，然后按美国规范承载力　可以看出，采用ＬＲＦＤ方法计算时，根据美国　ＡＩＳＣ　３６０—２０１０规范计算的抗剪承载力比按中国　ＧＢ　５００１７—２００３规范计算的承载力大１．４５倍。　如果按ＡＳＤ方法计算，则：　一　一计算方法，计算结果比较如表４。　表４抗剪承载力计算结果比较　ｋＮ　Ｎ　、　０　９　．　×１．　０　×０　．４Ｐ　０．９７根据ＧＢ／Ｔ　２２３９５—２００８《锅炉钢结构设计规　范》　。　考虑锅炉钢结构受静载控制，静载分项系数取　１．３５。最终承载力按ＡＳＤ方法计算时，根据美国　ＡＩＳＣ　３６０—２０１０规范计算的抗剪承载力比按中国　ＧＢ　５００１７—２００３规范计算的承载力大约１．３倍。　４．２　常用规格螺栓抗剪承载力比较　４．３　中美规范螺栓剪拉承载力计算方法　４．３．１　ＧＢ　５００１７—２０Ｏ３｛｛钢结构设计规范》　对于锅炉钢结构常用的Ｍ２２、Ｍ２４、Ｍ３０螺栓，　按两种规范规定的抗剪承载力设计方法进行对比分　按ＧＢ　５００１７—２００３，高强度螺栓的剪拉承载力　按下式计算：　ＮｖＮ　。Ｎ　十　析，其中　一０．４，单剪，美国规范采用ＡＩＳＣ　３６０—　２０１０中的ＬＲＦＤ方法。　Ｎｔ≤ｌ　（５）　～　其中　Ｎ　一０．８Ｐ　中国高强度螺栓按中国规范规定的预拉力，美　国高强度螺栓按美国规范规定的预拉力，并且按各　自规范进行计算，结果比较如表３。两种规范螺栓　抗剪承载力比较见图３。　４８　式中：Ｎ　和Ｎ　分别为一个高强度螺栓承受的剪力　和拉力。　４．３．２　ＡＩＳＣ　３６０—２ＯＬＯ（（美国钢结构设计规范》　按ＡＩＳＣ　３６０—２０１０，高强度螺栓的剪拉承载力　钢结构　２０１５年第１期第３Ｏ卷总第１９３期　孙洪鹏，等：中美摩擦型连接高强度螺栓承载力计算方法对比分析　按下式计算。　Ｎ　Ｎｔ　Ｎ　ＬＲＦＤ方法（　一１．０）：　。Ｎ　０．９×１×０．４×１９０×　。　Ｎｔ　Ｎ　Ｎｔ　一　ｈｆＴｂ，ｚ　一　一Ｊ－ｕ　（６ａ）　’　０．８×１９０×　ｂ　６８．４ｎｂ。１５２ｎｂ　ｈ　同时验算剪拉时，承压型连接的拉伸强度为：　（８）　一Ｆ＇ＡＩＳＣ　３６０—２０１０（ＬＲＦＤ）：　ｎ　Ａｂ—Ｅ１．３Ｆ　一Ｆ　／（　）］Ａ　≤Ｆ　（６ｂ）　—　ｎｕｈ　Ｔ　ｎｓ一　一　式中：Ｔ　、　为相应荷载组合下的节点拉力；　为　Ｏ．４×１．１３×１×１．１５×１９Ｏ×１—　承受拉力的螺栓数；Ｆ　为公称抗拉强度；Ｆ　为公　称抗剪强度；ｆ　为螺栓实际剪切应力；Ａ　为一个螺　０．４×１×１×　一９８．７６一　王　ｂ　ｎｂ　栓的抗拉或抗剪面积。　（９）　ＡＳＤ方法（国一１．５）：　一　Ａｂ一［１＿３Ｆｎ　一Ｆｎ　－厂ｒ　／（　）－ＩＡ　一　Ｒｎ／　一（　ｈ　Ｔｂ　加。　）／１．５（７ａ）　３０７．６—１．２Ｎ　／ｎｂ　（１Ｏ）　ＡＩＳＣ　３６Ｏ一２Ｏ１０（ＡＳＤ）：　同时验算剪拉时，承压型连接的拉伸强度为（　一　Ｒｎ／ｎ＝＝＝（　ｈ　Ｔｂ一　）／１．５—　２．０）：　Ｒ　／　—Ｆ　Ａｂ一（１．３Ｆ　一ｇＢＦ　ｆ　／Ｆ　）Ａｂ≤Ｆ　６５．８４一—０．４Ｔ￣　（１１）　—ｂ　（７ｂ）　Ｒ　／　一Ｆ　Ａｂ一（１．３Ｆｎ　一　Ｆ　－厂ｒ　／Ｆｎ　）Ａｂ≤　式中：Ｔ　为相应荷载组合下的节点拉力。　Ｆｎ　一３０７．６—２．４Ｎ　／ｎｂ　（１２）　４．３．３　中美规范的剪拉承载力比较　假设一组节点的拉力和剪力如表５所示，将表　假设某连接，，ｒｅ一０．４，单剪，Ｔ　＝＝＝１．１５Ｐ，螺栓　５中节点力代入式（８）一式（１２），用该组节点力对中　采用Ｍ２２，１０．９Ｓ，Ａｂ一３０３．４　ｍｍ　（抗剪），Ａｂ一　美规范的节点承载力进行比较。　３８０　ｍｍ　（抗拉）。　式（９）、式（１１）的结果是ＡＩＳＣ规范的螺栓摩擦　ＧＢ　５ＯＯ１　７—２００３（Ｉ　ＲＦＤ）：　型连接承载力，在表５中与节点连接的剪力比较。　表５剪拉承载力比较　序号—　皇　螺栓数中国规范　亘　—　注：表中第５一第９列为应力系数，可由式（８）一式（１２）计算得到；第１０、第１１列为第５列与第６列和第８列数值之比。　式（１０）、式（１２）的结果是ＡＩＳＣ规范的螺栓承　规范ＡＩＳＣ　３６０计算得到的螺栓承载力比按中国规　压型连接承载力，在表５中与节点连接的拉力比较。　范ＧＢ　５００１７计算的大。　美国规范取摩擦型连接和承压型连接的较大　值。锅炉钢结构一般由静力荷载控制，按ＧＢ　５００１７　５　结　论　计算时，荷载分项系数取１．３５。美国ＬＲＦＤ荷载分　１）中美两国规范计算螺栓预拉力相差１．１５倍，　项系数按ＡＳＣＥ　７—２０１０＿７　取１．４。　中国规范相对保守。将中国螺栓应用到美国规范　美国规范需要进行撬力计算，特别是拉力大时，　时，预拉力乘以１．１５后，螺栓抗剪承载力与相应美　撬力影响明显。由于篇幅所限，表５中没有考虑撬　国螺栓承载力相当。２）对于中国摩擦型连接高强度　力。尽管如此，两个规范计算结果差异明显，按美国　（下转第６８页）　Ｓｔｅｅ１　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１５（１），Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１９３　４９