第三章 钢结构的连接
3.8 高强螺栓的受力性能和连接计算
3.8.1 高强度螺栓连接的特点
按受力特征的不同高强度螺栓分为两类：
摩擦型高强度螺栓—通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为克服摩擦力；
承压型高强度螺栓—受力特征与普通螺栓类似。
（1）高强度螺栓预拉力的施加
１）通过拧紧螺帽施加预拉力，螺帽的紧固方法 有如下几种：
A、转角法
施工方法：
初拧—用普通扳手拧不动，使板件贴紧密；
终拧—初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120度~180度完成终拧。
特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧；
B、扭矩法
施工方法：
初拧—用力矩扳手拧终拧力矩的30%~50%，使板件贴紧密；
终拧—初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。
特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。
C、扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）
施工方法：
初拧—拧终拧力矩的60%~80%；
终拧—初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。
特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等
２）高强度螺栓的施工要求
由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格：
ａ）终拧力矩偏差不应大于±10%；
ｂ）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换；
ｃ）拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。
３）高强度螺栓的施拧顺序
高强度螺栓在初拧、复拧和终拧时，连接处的螺栓应按一定顺序施拧，确定施拧顺序的原则为由螺栓群顺序向外拧紧，和从接头刚度大的部位向约束小的方向拧紧。几种常见接头螺栓施拧顺序应符合下列规定：
a）一般接头应从接头顺序向两端进行(图a)；
b）箱形接头应按A、C、B、D的顺序进行(图b)；
c）工字梁接头栓群应按①～⑥顺序进行(图c)；
如工字型梁为：上翼缘→下翼缘→腹板。
d）工字形柱对接螺栓紧固顺序为先翼缘后腹板；
两个或多个接头栓群的拧紧顺序应先主要构件接头，后次要构件接头。
（2）高强度螺栓预拉力的确定
高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数：
考虑材料的不均匀性的折减系数0.9；
为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9；
考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。
附加系数0.9。
因此，预拉力：
Ae—螺纹处有效截面积；
fu—螺栓热处理后的更抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2，10.9级，取fu =1040N/mm2
（3）高强度螺栓摩擦面抗滑移系数μ
摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数μ ；
板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小；
规范给出了不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数μ,如下表
3.8.2 高强度螺栓连接的受力性能和计算
高强螺栓有三种受力情况，分别为：
（1）受剪高强螺栓连接的受力性能和计算
受力过程与普通螺栓相似，分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。
1）摩擦传力的弹性阶段(0~1段)
直线段—连接处于弹性状态；
该阶段较短—摩擦力较小。
2）滑移阶段(1~2段)
克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。
3）栓杆传力的弹性阶段(2~3段)
该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-δ关系以曲线状态上升。
4）弹塑性阶段(3~4段)
达到‘3’后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。
‘4’点（曲线的点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。
但比较两条N—δ曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其个阶段远远大于普通螺栓。
抗剪连接单栓承载力：
a）对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为1点而不是4点，所以1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力：
式中：0.9—抗力分项系数γR的倒
数(γR=1.111);
nf—传力摩擦面数目;
μ--摩擦面抗滑移系数;
P—预拉力设计值.
b）对于高强度螺栓承压型抗剪连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态4点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。
抗剪承载力：
承压承载力：
单栓抗剪承载力：
（2）螺栓群在轴心力作用下的计算
1）轴心力作用
假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：
对于摩擦型连接：
对于承压型连接：
高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。
a）高强度螺栓摩擦型轴心力作用板件受力计算
主板的危险截面为1-1截面。考虑孔前传力50%得：
1-1截面的内力为：
拼接板的危险截面为2-2截面。
考虑孔前传力50%得：
2-2截面的内力为：
b）高强度螺栓承压型轴心力作用板件受力计算
高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面验算完全相同。
2）偏心力作用下，高强螺栓连接受力的分析方法与普通螺栓一样，故可以采用普通螺栓的计算公式，但右边承载力计算方法不同。
（2）受拉高强螺栓连接的受力性能和计算
1）受力性能及单个高强度螺栓的抗拉承载力设计值
当外拉力为零，即N=0时：P=C；
当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的压力C减小为Cf，栓杆拉力P增加为Pf，
当栓杆的外加拉力大于P时，卸载后螺栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当Nt不大于0.8P时，则无松弛现象，这时Pf=1.07P，可认为螺杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接触，所以现行规范规定：
a）摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为：
b）承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：
式中：Ae--螺栓杆的有效截面面积；
de--螺栓杆的有效直径；
ftb—高强度螺栓的抗拉强度设计值。
上式的计算结果与0.8P相差不多。
2）高强度螺栓群的抗拉计算
a）轴心力作用下，高强度螺栓群的抗拉计算
假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓数：
b）弯矩作用下，高强度螺栓群的抗拉计算
由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力P，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认为是一个整体,所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，更外侧螺栓受力。
由力学可得：
（3）同时承受拉力和剪力的高强度螺栓连接的计算
1）高强度螺栓摩擦型连接
尽管当Nt≤P时，栓杆的预拉力变化不大，但由于μ随Nt的增大而减小，且随Nt的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定在V和N共同作用下应满足下式：
2）高强度螺栓承压型连接
对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同。
为了防止孔壁的承压破坏，应满足：
系数1.2是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。
3.8.3 高强度螺栓连接的构造
（1）高强度螺栓孔径应按表下表匹配，承压型连接螺栓孔径不应大于螺栓公称直径2mm。
注意：不得在同一个连接摩擦面的盖板和芯板同时采用扩大孔型(大圆孔、槽孔)。
（2）高强度螺栓孔距和边距的容许间距应按下表的规定采用。
注：1 ）d0为高强度螺栓连接板的孔径，对槽孔为短向尺寸；t为外层较薄板件的厚度；
2） 钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢等)相连的高强度螺栓的间距，可按中间排的数值采用。
（3）设计布置螺栓时，应考虑工地专用施工工具的可操作空间要求。常用扳手可操作空间尺寸宜符合下表的要求。
