普通螺栓與高強螺栓在梁柱連接中的應用

董明和

(煤炭工業太原設計研究院，山西太原 030001)

0 引言

螺栓是梁與柱的主要連接件，普通螺栓與高強螺栓均可應用于梁與柱的抗彎連接中，但兩者的計算假定和計算方法是不相同的，這是由于計算時假定螺栓形心軸位置的不同而引起兩者計算方法的不同。普通螺栓的抗彎中，所有普通螺栓均處于受拉狀態，而在高強螺栓的抗彎中，高強螺栓部分處于受拉狀態，部分處于受壓狀態。但在工程設計和一些注冊結構考試的叢書中，經常出現計算錯誤，把高強螺栓的計算假定及計算方法與普通螺栓視為相同，從而造成結構工程事故。為了使工程設計人員避免在工程設計時出現錯誤，作者具體闡明普通螺栓與高強螺栓用于梁與柱的抗彎連接計算及工程應用。

1 兩種螺栓在梁柱節點抗彎連接中的計算

隨著我國國民經濟的發展，鋼結構在我國應用越來越多，在鋼結構的結構形式中，鋼框架應用最多，在大型超市與普通廠房中，大部分采用此種結構形式，鋼框架中主要節點是梁與柱的連接，梁與柱連接主要采用普通螺栓或高強摩擦型螺栓。下面作者以一例題詳細介紹普通螺栓與高強摩擦型螺栓兩者在梁柱節點抗彎連接中的具體計算方法:例題:如圖1所示為梁與柱的螺栓連接，梁高600 mm(腹板高552 mm)，端板寬度b=200 mm，螺栓排成五行兩列，螺栓直徑 d=20 mm，螺栓有效截面積 Ae=244.8 mm2，取螺栓距P=100 mm，其余尺寸詳見圖1。1)假如采用普通C級螺栓，求此連接能承受的最大彎矩設計值。2)假如采用8.8級高強螺栓，梁柱接觸面采用噴砂連接，求此連接能承受的最大彎矩設計值。

圖1的梁柱螺栓連接中，梁端剪力V通過端板與焊接于柱上的托板端部刨平頂緊傳給柱身。而梁端彎矩M通過焊接于梁端的端板用螺栓與柱的翼緣板相連而傳遞。因此螺栓群只承受梁端彎矩作用。

圖1 梁與柱螺栓連接示意圖

解答1:普通螺栓的抗彎連接計算中，當用彈性分析時，中和軸位于端板的下部，如圖2所示的0—0軸，但由于計算較繁瑣，目前工程設計中都采用假定算法，即假定中和軸位于彎矩指向處的第一排螺栓軸線上，同時還忽略端板受壓區(圖2陰影部分)對0—0軸產生的抵抗矩，即利用公式:可以求出普通螺栓所能承受的最大彎矩設計值Mmax≤根據《鋼規》(7.2.1-5)普通螺栓:244.8×170 ×10－3=41.6 kN。=102+202+302+402=3 000 cm2，螺栓共 2列，所以 m=2。Mmax≤41.6 ×2 ×3 000/40 ×10－2=62.4 kN·m。

解答2:由于高強螺栓連接中，梁端板與柱翼緣板之間有預壓力，在彎矩作用下，只要受力最大螺栓的拉力Nmax≤0.8P(P為高強螺栓的設計預拉力值)，端板與柱翼緣板間仍將保持緊密接觸，因此在高強螺栓群承受彎矩作用時的中和軸位于螺栓群的形心處，如圖3所示。

圖2 普通螺栓應力圖

圖3 高強螺栓應力圖

Mmax≤=100×2×1 000/20×10－2=100 kN·m。

經過上述例題，工程設計人員明白了普通螺栓與高強摩擦螺栓在工程設計中的具體計算方法，但在具體工程設計中，不少工程師錯誤地認為無論是采用普通螺栓還是高強摩擦螺栓，中和軸都假定位于彎矩指向處的第一排螺栓中心線上，從而引起錯誤的計算。我們假定計算高強螺栓的抗彎連接時同普通螺栓一樣也把中和軸位于第一排螺栓中心線上，看高強螺栓連接所能承擔的最大彎矩設計值是多少，計算如下:=0.8P=0.8 ×125=100 kN。=102+202+302+402=3 000 cm2，螺栓共2列，所以m=2。Mmax≤100×2×3 000/40×10－2=150 kN·m。

經過上述計算可見，如計算高強螺栓連接按照中和軸位于彎矩指向處的第一排螺栓中心線上，計算的承受最大彎矩結果將會大于高強螺栓實際所能承受的實際抵抗矩，所以如果工程設計人員按照普通螺栓的計算方法去計算高強摩擦螺栓，將會引起計算錯誤，導致工程事故的發生。

2 鋼框架梁與柱的螺栓連接中螺栓的選用

我國的鋼結構設計中，絕大多數不區分結構承受荷載性質而統統采用高強摩擦型連接，而歐美一些國家對于承受靜荷載或間接承受動力荷載的結構，多選用普通螺栓。筆者認為實際上對一般的建筑鋼結構(即不承受動力荷載的結構)，主張采用或優先采用普通螺栓連接，而不必采用高強摩擦螺栓而造成建筑成本的提高，優先采用普通螺栓的理由如下:

1)設計計算準確:選擇普通螺栓連接，首先按設計抗剪力計算螺栓抗剪斷面直徑d，計算與工藝因素無關，工程設計者心里有底。而選擇摩擦型螺栓，其抗剪力計算公式雖然看起來簡單，但抗滑移系數u與連接處構件接觸面的處理方法、除銹工藝、接觸面清潔程度有關，選小了會增大螺栓直徑，浪費材料，選大了，擔心實際接觸面狀況有出入，設計者心里不踏實。

2)方便施工。普通螺栓連接不是靠預拉力(預緊力)壓迫接觸面產生摩擦力抵抗剪力，因此構件的連接部位，即接觸面，可以和其他部位一樣在制作時進行防腐涂裝，進入施工現場后，不必和高強摩擦螺栓一樣再進行抗滑移和扭矩兩個系數復驗，對終擰扭矩要求不嚴，也省去24 h內的復驗。這無疑會加快施工進度。

3)不會因超擰引發事故。筆者從施工現場統計資料來看，高強摩擦螺栓因超擰引發延遲裂紋造成結構破壞的事故較多，預緊力疊加桿軸方向拉力者尤甚。使用摩擦型高強螺栓就必須達到設計預拉力(預緊力)，而這個指標在施工安裝現場是通過終擰扭矩間接控制的。現場連接件狀態和送樣有差別(扭矩系數取值有誤差)，扭矩扳手校驗不及時也會有誤差，栓接工未經考核、認證帶來的操作問題，甚至部分技術人員不會計算終擰扭矩等因素存在，使超擰狀況時有發生。國外對摩擦型高強螺栓終擰質量靠用超聲波應力測定儀來測定，為安裝企業必備。它的原理是測螺栓擰緊前后的(彈性)伸長，從而顯示出應力值(MPa)。這種設備價值昂貴，且我國施工使用單位反映誤差大。目前我國鋼結構施工質量驗收規范還是規定用終擰扭矩來控制摩擦型高強螺栓的連接質量。如果采用普通螺栓，這種情況可以避免。從筆者經驗看，對于直徑d不小于M16的螺栓，認為使用100 kN·m的扭矩擰緊就可以了，不會有超擰這一說。

3 不同情況采用不同螺栓

為解決普通螺栓承擔的剪力及彎矩比較小的問題，可以采用承壓型高強度螺栓，此種螺栓的弊端就是栓孔直徑比較小，對接觸面板件螺孔的定位配鉆技術要求高，但承壓螺栓不像摩擦型高強螺栓要求連接處構件接觸面處理精細，只需清除油污及浮銹即可。對于實際工程中具體應用哪一種螺栓，筆者認為應根據荷載性質及工程具體實際情況綜合考慮，建議如下:

1)在一般的鋼結構設計中(荷載不太大，可以用于動力荷載結構)，建議采用普通螺栓，此種螺栓要求工藝處理費用較低，操作簡單。2)在受力比較大，但結構承受靜荷載或間接承受動力荷載的結構，可采用承壓高強螺栓(承壓型螺栓不可應用于動力結構)，此種螺栓接觸面處理沒有像高強摩擦型螺栓那樣嚴格，但相比普通螺栓而言，鉆孔技術要求較高。3)在承受較大荷載，且承受動力荷載的結構，采用高強摩擦型螺栓。

4 結語

筆者從一例題闡述了普通螺栓與高強摩擦螺栓的計算方法，使工程設計人員明確兩種螺栓的計算方法的不同之處，計算高強摩擦螺栓時不再按照普通螺栓的計算方法而造成計算偏大的結果從而造成工程事故的發生。隨后筆者提出了兩種螺栓在工程實踐中的優劣程度，并且提出了作者自己的見解，在何種荷載情況下采用哪一種螺栓比較合理，而不是不區分結構承受荷載性質而統一采用高強摩擦型連接，從而造成建筑成本提高及一些沒有必要的經濟損失。

［1］夏志斌，姚 諫.鋼結構——原理與設計［Z］.

［2］汪一駿，顧泰昌.鋼結構設計手冊［Z］.

［3］梁金昆.鋼結構札記——關于設計的三篇短文［A］.中國鋼結構技術應用論文集［C］.2003.