高强度螺栓承压型连接适用范围的讨论孙抒宇 摘 要：针对现行规范中高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载结构的规定，引出关于动力荷载的讨论，进而讨论承压型连接高强螺栓的适用范围，比较了各种规范对于高强度螺栓连接的规定，明确其基本要求之一是弹性阶段连接不能滑移，据此要求，对高强度螺栓承压型连接未滑移时和已滑移时的承载力与摩擦型连接承载力进行比较，最后总结了高强度螺栓承压型连接的各种适用范围。 关键词：动力荷载；高强度螺栓；承压型连接；摩擦型连接 目前我国对建筑用高强度螺栓开展了十分广泛的研究，但由于我国的研究起步较晚，致使现行规范中，对高强度螺栓尤其是高强度螺栓承压型连接的适用范围，规定的不够详细，这就造成了在规范使用中，设计人员理解上的混乱。其中，针对GB 50017-2003《钢结构设计规范》［1］第7.2.3条中“高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构”，就有多种理解，有一种理解认为：地震是直接动力荷载，所以高强度螺栓承压型连接不适用于抗震地区建筑的节点连接。 1 动力荷载此观点正确与否？要搞清楚这个问题，首先要明确什么是动力荷载，且哪些是工程中常见的动力荷载（或动荷载）。 根据结构动力学的定义，所谓的动力荷载就是荷载在大小、方向或作用点方面随时间变化，在其作用下质量运动加速度所引起的惯性力与荷载相比不可忽略，则把这种荷载称之为动力荷载。 工程中常见的动力荷载包括：各种机械动力荷载、风荷载、地震。很多设计人员认为动力荷载有反复性和循环性，这是不准确的，准确的说法是动力荷载应具有确定性和非确定性，如机械荷载一般具有确定性，而循环往往是确定性动力荷载的表现方式；风荷载和地震则具有非确定性，且地震还具有反复的特征。 这里明确一个概念，动力荷载与加载的次数是无关的，理论上只要按定义，在其作用下质量运动加速度所引起的惯性力与荷载相比不可忽略，就可以认定其为动力荷载，如撞击和爆炸，作用时间短且能量大，通常被称为冲击荷载（或偶然荷载），其也是一种极端情况下的动力荷载。文献［2］在研究动荷载对土压力影响时，关于动力荷载分类是很详细的，可按重复次数和载荷时间对动力荷载和静荷载进行区分，如图1所示，很有借鉴意义，规范也可以采用类似的定义方法去推广到其他结构构件，方便设计人员去区分动力荷载和静力荷载。  图1 动荷载作用特点综合分类 动力荷载按作用方式可分为直接动力荷载和间接动力荷载，所谓的直接和间接之分，是看动力荷载是否直接作用于作用对象，如直接作用则为直接动力荷载，如间接传递则为间接动力荷载。 对于一般的动力荷载，判断其为直接动力荷载还是间接动力荷载是比较容易的，但对特殊的动力荷载，如地震等，则比较难定义其动力荷载的作用方式。 有一种观点认为地震是直接动力荷载，理由是每个承重构件都受自身或其他构件的传来的重力作用，且有重力就有地震作用的产生，所以对于任何承重构件，都应该是有地震作用的，所以地震应是直接动力荷载；而另一种观点认为，地震是间接动力荷载，认为地震作用是由地震动引起的结构动态作用，其不是直接作用于构件本身的，所以应该归为间接动力荷载。 以上观点都是不准确的，直接和间接之分，应与直接作用力的作用点位置紧密联系，地震作用的作用点对于建筑物本身来讲，是建筑物周围场地与建筑直接相互作用的部位，即底层的竖向构件和基础，而上部构件的震动是依靠底部构件带动产生的，所以对于底层的竖向构件和基础来讲，地震应为直接动力荷载；对建筑物其他部位的构件来讲，地震为间接动力荷载。 从上面的论述中可以得出，简单地认为“地震是直接动力荷载，高强度螺栓承压型连接不应用于抗震地区建筑物”是不准确的。 高强度螺栓承压型连接是否能用于有抗震要求的建筑物，其适用范围到底有哪些？要进一步明确这个问题，就要搞清高强度螺栓承压型和高强度螺栓摩擦型连接的相同点与不同点。 GB 50017-2003第7.2.3条规定：承压型连接的高强度螺栓的预拉力P应与摩擦型连接高强度螺栓相同。连接处构件接触面应清除油污及浮锈。高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构。 条文解释：目前制造厂生产供应的高强度螺栓无用于摩擦型连接和承压型连接之分。当摩擦面处理方法相同且用于使螺栓受剪的连接时，从单个螺栓受剪的工作曲线（图2），可以看出：当以曲线上的“1”作为连接受剪承载力的极限时，即仅靠板叠间的摩擦阻力传递剪力，这就是摩擦型的计算准则。但实际上摩擦型连接尚有较大的承载潜力。承压型高强度螺栓是以曲线的最高点“3”作为连接承载力极限，因此更加充分利用了螺栓的承载能力，按理可以节约50%以上的螺栓。这次修订时降低了承压型连接对摩擦面的要求即除应清除油污和浮锈外，不再要求做其他处理。承压型连接工作性质与原先要求接触面处理与摩擦型连接相同时有所区别。  图2 单个螺栓受剪时的工作曲线 因高强度螺栓承压型连接的剪切变形比摩擦型连接的大，所以只适用于承受静力荷载或间接动力荷载的结构中。另外，高强螺栓承压型连接在荷载设计值作用下将产生滑移，不宜用于承受反向内力的连接。 可以看出，高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接的相同点是，螺栓的材料一样，施工中施加的预拉力也是相同；不同点是，两种连接对应工作曲线不同受剪承载力极限状态，且摩擦型连接不可滑移，承压型连接允许滑移。 2 各规范规定根据承压型连接和摩擦型连接的特点，对于高强度螺栓两种连接的适用范围，不同规范有不同的规定。 2.1 GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》［3］ 1）8.2.8条规定：钢结构抗侧力构件连接的承载力设计值，不应小于相连构件的承载力设计值；高强度螺栓连接不得滑移。 条文解释：高强度螺栓滑移对钢结构连接的弹性设计是不允许的。 2）8.3.4条第3款规定：梁腹板宜采用摩擦型高强度螺栓与柱连接板连接（经工艺试验合格能确保现场焊接质量时，可用气体保护焊进行焊接）。 8.3.4条文解释并未对此说明，但可以看出，对于钢结构抗侧力构件、梁柱节点连接，GB 50011-2010推荐的连接方法是高强度螺栓摩擦型连接和焊接，不允许或不推荐使用高强度螺栓承压型连接。 2.2 JGJ 99-98《高层民用建筑钢结构技术规程》［4］ 1）高层建筑钢结构的节点连接，可采用焊接、高强度螺栓连接或栓焊混合连接。 条文解释：焊接的传力最充分，不会产生滑移，良好的焊接构造和焊接质量可提供足够的延性，但要求对焊缝进行探伤检查，此外，焊接有残余应力。高强度螺栓施工较方便，但连接或拼接全部采用高强度螺栓，会使接头尺寸过大，板材消耗较多，且螺栓价格也较高，此外，螺栓连接不能避免在罕遇地震作用时滑移。在高层钢结构工程实践中，柱的拼接使用全焊接，而抗震支撑的连接或拼接，为了施工方便，大多用高强度螺栓连接。 2）8.2.5条：高层建筑钢结构承重构件的螺栓连接，应采用摩擦型高强度螺栓。 条文解释：摩擦型高强度螺栓连接，依靠被连接构件间摩擦阻力传力，节点连接的变形小。高层钢结构要承受风荷载和地震的反复作用，当采用螺栓连接时，应选用摩擦型高强度螺栓，可避免在使用荷载下产生滑移。 3）8.3.3条：当框架梁与柱翼缘刚性连接时，梁翼缘与柱应采用全熔透焊缝连接，梁腹板与柱宜采用摩擦型高强度螺栓连接，悬臂梁段与柱应采用全焊接连接。 4）8.5.1条：梁在工地的接头，主要用于柱带悬臂梁段与梁的连接，可采用以下三种接头形式。 a.翼缘采用全熔透焊缝连接，腹板用摩擦型高强度螺栓连接； b.翼缘和腹板采用摩擦型高强度螺栓连接； c.翼缘和腹板采用全熔透焊缝连接。 对于8.3.3条和8.5.1条，条文解释并无相关论述，不再重复。 从JGJ 99-98可以看出，其认为不管是高强度螺栓摩擦型连接还是高强度螺栓承压型连接，都会在罕遇地震作用时滑移，所以对于柱的拼接，最好使用焊接，而不推荐仅使用螺栓连接；对于其他部位的连接，高强度螺栓承压型连接有可能在使用荷载下产生滑移，所以不推荐采用此种连接方式，而是规定应用或宜用高强度螺栓摩擦型连接。 2.3 JGJ 138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》［5］ 9.1.5条规定：型钢混凝土柱与型钢混凝土梁或钢梁连接时，其柱内型钢与梁内型钢或钢梁的连接应采用刚性连接，且梁内型钢翼缘与柱内型钢翼缘应采用全熔透焊缝连接；梁腹板与柱宜采用摩擦型高强度螺栓连接；悬臂梁段与柱应采用全焊接连接。 可见，JGJ 138-2001也是推荐用高强度螺栓摩擦型连接。 3 分 析根据分析各规范的规定，发现目前所有规范对于采用螺栓连接的节点，说法不一。有的规定推荐用高强度螺栓摩擦型连接，有的则规定必须使用高强度螺栓摩擦型连接，而对于高强度螺栓承压型连接，规范是不推荐的。 根据GB 50017-2003（以下简称《规范》），高强螺栓承压型连接在未滑动前，其承载力与高强度螺栓摩擦型连接按最低的抗滑移系数计算的承载力相同。按照规范，两者螺栓材质相同，施工中施加预拉力P相同，构件连接表面处理相同（对于正常制作的钢构件，按表7.2.2-1摩擦型连接对应的抗滑移系数最低要求处理方法是：钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面；按7.2.3条承压型连接对应摩擦面处理方法是采用连接处构件接触面应清除油污及浮锈，两者要求是相近的）。 高强度螺栓Q235、Q345、Q420摩擦型连接对应的最低抗滑移系数分别为0.3、0.35、0.4，如高强度螺栓摩擦型连接抗滑移系数在设计中取最低值，那么这两种螺栓连接在单个螺栓的抗滑移性上，并无区别，根据杜运兴［6］的研究，高强度螺栓承压型连接的承载力与实际相比是被低估的，其滑动前的摩擦力是不可忽视的。 1）对于一般的高强度螺栓抗剪节点，在弹性设计阶段，如要求节点非滑移，依靠高强度螺栓承压型连接在滑动前的摩擦力是没有优势的，其抗滑移系数最低，如Q235钢仅为0.3，而高强度螺栓摩擦型连接其抗滑移系数则易达到高值，一般为0.45～0.5；如果允许节点滑移，高强度螺栓承压型连接的优势较为明显，按照应付钊［7］根据《规范》推导的公式，高强度螺栓承压型连接的抗剪承载力，可达到相当于抗滑移系数为0.55的高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力。 可以看出，如果高强度螺栓摩擦型连接的抗滑移系数能进一步提高，如达到0.55以上，就可以取代高强度螺栓承压型连接。但目前要使抗滑移系数达到0.55以上，还是比较困难的，目前常采用的工艺为：a.喷砂除锈；b.喷砂除锈+电弧喷铝；c.喷砂除锈+无机防滑防锈涂料。其中，喷砂的目的是使摩擦面凹凸不平，在螺栓预拉力的作用下使这些凹凸相互啮合，理论上摩擦面的凹凸程度即粗糙度越高越好，但粗糙度的提高也就意味着要有更大的冲击能来冲击摩擦面，这对目前的工艺来讲成本过高，所以工程一般不会仅采用增加粗糙度的方法去提高抗滑移系数；电弧喷铝的目的也是为了进一步增加摩擦面的粗糙度，根据郝建民［8］的试验，其最终稳定的抗滑移系数可达到0.65，已经是比较高的抗滑移系数；无机防滑防锈涂料，其初期对抗滑移系数的提高有显著的作用，但此种工艺的耐久性还有待进一步的研究。 以上工艺不是因成本过高就是因为耐久性的问题，而限制其普遍使用，因此《规范》推荐的方法所规定的抗滑移系数最高定为0.5，也是有这方面的考虑。可以预见，如果有新工艺的出现，能使用简单的、低成本的、可靠的方法，使钢材表面的抗滑移系数突破0.55这一限值，按目前《规范》规定的计算方法，则高强度螺栓承压型连接承载力上的优势就将被摩擦型连接所取代。 2）在实际设计中，经常也会遇到非内力控制的高强度螺栓连接节点，其节点的螺栓数量往往是为了满足规范的构造要求，布置的数量一般远远超过腹板受力所需，此时按照钢材最低抗滑移系数来复核螺栓，往往是满足设计要求的。对于此种情况，是选择按高强度螺栓承压型连接布置还是按摩擦型连接布置，已经不是问题的关键所在，因为按照规范构造所要求的螺栓，比按承压型连接和摩擦型连接布置的都要多，此时抗滑移系数的大小将不是关键，也就是说即使使用高强度螺栓承压型连接要求来布置节点，仅依靠其滑动前的摩擦力，也能保证其在弹性受力阶段不产生滑移。 3）对于型钢混凝土组合结构的梁腹板与柱的连接，由于存在混凝土的凝结作用，其连接在正常使用阶段是不可能滑移的，仅需验证其在施工阶段，高强度螺栓承压型连接按《规范》允许的最低抗滑移系数计算的承载力，大于施工阶段所施加的荷载所产生的内力，就不会产生滑移，对于此种情况，除非对连接有更高的要求，否则高强度螺栓承压型连接也是适用的。 4）对于高强度螺栓承压型连接，由于其螺栓孔径比螺栓公称直径大1～1.5mm（有的规程［9］规定不大于2mm，这里以《规范》为准），这使其最大滑移量上限值限定为1.5mm，但这只是按《规范》要求安装的高强度螺栓承压型连接的滑移量限值，如连接要求滑移量大于1.5mm以上，设计中常采用普通螺栓连接，对于这种连接，高强度螺栓承压型连接也应是能适用的，此时要注意的是，其螺栓施加预拉力的水平与普通螺栓相同，采用紧贴［10］或放松的连接，减弱其拉、剪共同作用效应，且应规定此种情况下，可以提高承压型高强螺栓的抗剪承载力设计值，使高强度螺栓的抗剪设计值反而不如普通螺栓的怪现象得以消除。 综上所述，对高强度螺栓承压型连接和高强度螺栓摩擦型连接的适用范围如表1所示。 表1 高强度螺栓承压型连接和高强度螺栓摩擦型连接的适用范围  以上允许滑动＞1.5滑动情况位移/mm抗滑移系数0～0.3 0.3～0.55 0.55承压型紧贴或放松连接允许滑动1～1.5承压型连接（使用滑动后承载力）不允许滑动-承压型连接（使用滑动前承载力）或摩擦型连接摩擦型连接（不具有承载力优势）摩擦型连接（具有承载力的优势） 4 结 论1）地震作用为动力荷载，对于底层的竖向构件和基础为直接动力荷载，对于结构的其他部位为间接动力荷载。 2）对于一般的高强度螺栓抗剪节点，其螺栓数由内力控制，高强度螺栓摩擦型连接的抗滑移系数如能提高到0.55以上，按《规范》算法，高强度螺栓承压型连接将不具有承载力的优势。 3）对于非内力控制的高强度螺栓连接节点，在螺栓数量多于计算数量的情况下，仅依靠高强度螺栓承压型滑动前的摩擦力，也能保证其在弹性受力阶段不产生滑移。 4）对于型钢混凝土组合结构的梁腹板与柱的连接高强度螺栓承压型连接也是适用的。 5）对于允许普通螺栓安装的连接，如滑动节点等，也应允许使用高强度螺栓承压型连接，但要对其预拉力做出详细规定。 参考文献： ［1］ GB 50017-2003 钢结构设计规范［S］. ［2］ 金伟良.工程荷载组合理论与应用［M］.北京：机械工业出版社，2006. ［3］ GB 50011-2010 建筑抗震设计规范［S］. ［4］ JGJ 99-98 高层民用建筑钢结构技术规程［S］. ［5］ JGJ 138-2001 型钢混凝土组合结构技术规程［S］. ［6］ 杜运兴，欧阳卿.高强螺栓承压型连接抗剪承载力计算［J］.湖南大学学报：自然科学版，2013，40（3）：21-25. ［7］ 应付钊，承压型和摩擦型连接高强螺栓的应用探讨［J］.钢结构，2013，28（3）：23-26. ［8］ 郝建民，耿刚强，张智龙.电弧喷涂铝对高强度螺栓摩擦型连接面抗滑移系数的影响［J］.长安大学学报：自然科学版，2003，23（4）：85-87. ［9］ 刘源景，中美钢结构用高强度螺栓及其连接的比较［J］.钢结构，2013，28（1）：59-65. ［10］JGJ 82-2011 钢结构高强度螺栓连接技术规程［S］. DISCUSSION ON THE APPLICATION RANGE OF THE HIGH-STRENGTH BOLTED BEARING-TYPE JOINTS Sun Shuyu ABSTRACT：The high-strength bolted bearing-type joints should not be used for the structure carrying directly dynamic loads according to the current codes，which leads to the discussion on dynamic loadings，and then the applicable range of the high-strength bolted bearing-type joints is also discussed，to clarify one of the basic requirements of the joints in elastic stage is that the joint cannot slip，according to this requirement，the bearing capacity of high-strength bolted bearing-type joints with and without slip and that of the frictional joints are compared，finally it is summarized all kinds of the application scopes of the high-strength bolted bearing-type joints. KEY WORDS：dynamic loading；high-strength bolts；bearing-type joints；frictional joints DOI：10.13206/j.gjg201504017 作 者：孙抒宇，男，1977年出生，工程师。 Email：ssyh9618@ecadi.com 收稿日期：2014-11-24 |
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