文章精选I钢结构高强度螺栓连接技术新进展

1 高强度螺栓新技术、新工艺介绍

1.1 12.9级及以上高强度螺栓

普通螺栓的强度等级一般分为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级，高强度螺栓的强度等级一般分为8.8级、9.8级、10.9级和12.9级，其中10.9级较为常用。

12.9级高强度螺栓主要应用于汽车发动机盖与缸体的连接，其工作应力高，并要求十分高的可靠性。12.9、14.9级高强度螺栓在原始表面状态下，一般在20 h左右即发生延迟断裂；经涂装后，其抗延迟断裂的时间显著延长达到或接近标准要求；在建筑钢结构中，螺栓连接的节点应力相对较低，因此现如今12.9级及以上的高强度螺栓在建筑领域应用较少。

随着高强度和高性能钢材在工程中的广泛应用，对高强度螺栓的设计和应用也提出了更高的要求。在材料方面，开发了42CrMoVNb等新螺栓钢种，在耐延迟性能和延性方面都得到了较大的改善；在性能研究方面，我国学者将12.9级螺栓应用在各种高强钢节点中进行研究，提出了高强度螺栓使用的方法和建议。

1.1.1 螺栓材料

12.9级高强度螺栓通常采用SCM 435合金钢材料制造，其抗拉强度达到1220 MPa；对于12.9级以上的高强度螺栓，惠卫军等在常用42CrMo钢基础上，研制出高强度螺栓钢，其在1300 MPa级的强度水平下具有良好的耐延迟断裂性能，同时设计出1500 MPa级的高强度螺栓钢42CrMoVNb，可以用作14.9级高强度螺栓钢；蔡璐等利用ADFI钢研制出1300 MPa级高强度螺栓，并对其工艺和力学性能进行了试验；卢海波等以ADFI高强度螺栓钢为基础，开发出性能满足14.9级的发动机缸盖螺栓，其抗拉强度为1.45～1.49 GPa。

1.1.2 性能研究

Ana M Girao Coelho等把12.9级螺栓用于端板连接，通过试验研究其节点性能及破坏模式，发现12.9级螺栓试件在破坏时具有脆断裂缝，基本没有塑性变形；Primo? Mo?e和Darko Beg、Chakherlou T N等进行了12.9级螺栓用于双剪面情况下的高强度钢材节点性能的研究，研究表明：采用12.9级螺栓，螺栓剪切破坏时变形较小，原因是12.9级螺栓的材质为高强钢，塑性变形小。

1.1.3 标准规范

对于建筑工程应用领域，国际标准ISO 898.1-2009对12.9级螺栓材料性能及螺栓强度作了相关规定，见表1和表2。而在中国标准GB 50017—2017、中国规程JGJ 82—2011、美国规范ANSI/AISC 360-10、英国规范BS 5950-1∶2000和欧洲规范EN 1993-1-8中均没有对12.9级螺栓进行相关的规定；对于机械工程应用领域，JB/T 7150—1993中给出了12.9级螺栓在工程机械应用中的主要检查项目及检测方法。

表1 ISO 898.1-2009对高强度螺栓力学性能的相关规定

注： R _m 为公称抗拉强度； R _p0.2 为机加工试样规定非比例伸长0.2%的应力； 为保证载荷下的应力； S _p,nom / R _p0.2,min 为保证应力比； A 为机加工试样的断面伸长率； Z 为机加工试样的断面收缩率。

表2 ISO 898.1-2009对高强度螺栓钢材性能的相关规定

注：f用于该性能等级的材料应具有良好的淬透性，以保证产品回火前，螺纹部位的核心有约90%的马氏体组织。g表示该合金钢应至少包含下列元素中的一种，最低含量如下：铬0.30%，镍0.30%，钼0.20%，钒0.10%；当所规定的是结合两种、三种或四种元素且含量少于上述值时，合金钢所使用的限制值由上述两种、三种或四种相关元素个别限制值的总和的70%来规定。h表示对于12.9/12.9 级的表面不允许有能用金相法测出的白色磷化层，需要一个合适的检测方法。i表示必须注意考虑12.9/12.9 级的用途，需要考虑制造者的能力，施拧方法和公共用途，因为环境的因素可能引起紧固件的应力腐蚀破坏。

1.1.4 工程应用

俄罗斯莫斯科市某超高层建筑采用了12.9级高强度螺栓连接，该建筑高340 m，94层，主体结构采用钢筋混凝土剪力墙结构，32～36层钢桁架连接节点全部采用12.9级高强度螺栓连接。

1.2 单向螺栓

在钢管结构中，闭口钢管相对于开口钢管有着更好的抗弯、抗扭刚度，闭口钢管与混凝土结合使用，能够实现较高的承载力。不过，闭口钢管采用普通螺栓进行连接会出现施工困难：普通螺栓在连接钢构件时需要在构件两边进行施拧，由于闭口钢管截面封闭，普通的螺栓无法完成紧固，单向螺栓的出现很好地解决了这个问题。单向螺栓能够实现在单侧安装、单侧拧紧，并且能够达到普通高强度螺栓的力学性能。单向螺栓自20世纪80年代开始研发以来，国外已经出现许多不同的单向螺栓产品，例如英国Lindapter International公司的Hollo-Bolt以及改进的RMH、EHB螺栓；英国Advanced Bolting Solutions公司的Molabolt螺栓；英国Blind Bolt公司的Blind Bolt螺栓；美国LNA Solutions公司的Box Bolt螺栓；美国Huck International公司的BOM，HSBB和Ultra-Twist螺栓；澳大利亚Ajax Engineered Fasteners公司的Oneside Fastener螺栓；荷兰Flowdrill BV公司的Flowdrill技术等。

1.2.1 单向螺栓产品

国内的学者也对单向螺栓进行了研究与开发。李国强等对单向螺栓进行了较为详细的研究，申请了单边紧固螺栓的发明专利，研制开发出钢结构用国产自锁式8.8和10.9级单向螺栓STUCK-BOM，并进行了拉伸试验和剪切试验，探究单向螺栓连接钢板在轴向拉力和竖向剪切作用力下连接节点的承载能力和失效模式，试验表明单向螺栓抗剪承载力相较于同等级普通螺栓有较大的提高；同时从螺杆的拉伸变形、套筒的变形、锥头与套筒间的相对滑移三个方面分析，给出自锁螺栓的初始抗拉刚度的计算方法，计算结果与试验数据吻合较好，可以为工程应用提供参考。

范圣刚等以M20扭剪型高强度螺栓为原型，设计出一种新型单面螺栓——SHSOB螺栓，给出了其成型原理，安装步骤，并且对预紧力随时间变化趋势、破坏模式、荷载-位移曲线变化规律、抗剪承载力计算式等进行了试验探究和理论分析。

刘康等发明了一种新型单向螺栓——注脂单向螺栓。该种螺栓由螺母、螺杆、颈垫、橡胶垫圈、套筒、锥形螺母组成。螺母、颈垫和橡胶垫圈上留有注脂孔道。胶脂由孔道注入单向螺栓内部填充套筒与螺杆之间的间隙以及套筒与螺栓孔壁之间的间隙，能解决螺栓预紧力较小时螺栓在螺栓孔中滑移导致连接初始刚度较低的问题。

陈珂璠等提出了一种新型单边紧固螺栓专利——伞式展开螺栓紧固件以及旋转式展开螺栓紧固件。

1.2.2 单向螺栓节点性能

王燕等对比了在螺栓等级相同的条件下(8.8级)，采用单向高强度螺栓连接和普通高强度螺栓连接的T型试件节点的破坏模式、节点承载力、试件刚度、变形等试验结果的差异，分析得出单向高强度螺栓相较于普通高强度螺栓，其抗拉极限承载力基本相同，T型试件的承载力与初始刚度也基本相同，但是单向高强度螺栓节点的塑性变形能力较弱。

王静峰等在欧洲规范EN 1993-1-8基础上，通过数学推导与建模计算，得到圆形钢管混凝土柱高强度单向螺栓T型件的初始刚度计算方法；并且以10.9级高强度单向螺栓连接T型件与圆管混凝土柱为算例，用推导出的计算式结果与试验结果进行对比，两者吻合较好，且理论计算值相对于试验值偏小，可认为给出的算式偏于保守。王静峰等还对钢管混凝土柱与组合梁单边高强度螺栓端板连接的两层框架进行拟动力试验研究，试件在加载中表现出良好的抗震性能和耗能能力，且在柱截面含钢率相同的情况下，随着输入加速度峰值的增大，采用单向螺栓端板连接的圆钢管混凝土框架的累积耗能大于半刚性方钢管混凝土框架。

王培军等建立有限元模型，模拟分析了3种带螺纹T型翼缘板不同厚度的单向高强度螺栓(8.8级)T型节点在8种温度作用下抗拉性能的差异，通过对比不同节点的破坏模式、抗拉强度和刚度，得出结论：单向高强度螺栓T型节点的抗拉强度的变化与钢材受高温影响材料性能的变化一致，高温下节点的破坏模式与常温下的破坏模式相同。

1.2.3 工程应用

国内对单向螺栓的工程应用有诸如厦门人行栈桥工程、武汉广电创新产业园大雨棚、凯尔科技大厦高层办公楼等案例，但总体上来讲单向高强度螺栓在国内的工程实践很少，缺乏相关的技术规程，国内单向高强度螺栓种类单一，也是推广单向螺栓工程应用的阻力之一。同济大学正主编《高预紧力单向螺栓节点技术规程》，在相关的技术规程完善以及螺栓种类丰富之后，单向高强度螺栓也许会越来越受设计和施工者的青睐。

1.3 环槽铆钉

环槽铆钉，又称哈克(Huck)铆钉或哈克螺栓，是根据胡克定律发明的一种连接副(图1)。采用专用的铆接工具铆固后，铆钉受轴向力拉伸会径向挤压套环，使套环内径金属流动到铆钉的环槽中，形成永久的金属塑性变形连接。环槽铆钉具有连接强度高，防松性能优异，抗疲劳强度高的特点。

图1 环槽铆钉示意

1.3.1 节点性能

张天雄等对高强度不锈钢短尾环槽铆钉进行了铆钉原材料的单轴拉伸试验，单钉预紧力测量试验、单钉抗拉抗剪承载力试验及钉群铆接顺序试验，结果表明：环槽铆钉原材料05Cr17Ni4Cu4Nb满足10.9级高强度螺栓对材料力学性能的要求。环槽铆钉完成铆接后预紧力损失极小，预紧力实测值为205.6 kN，建议取1.3的安全系数，采用155 kN作为设计值，与M20的10.9 级高强度螺栓预紧力设计值保持一致。高强度不锈钢短尾环槽铆钉连接副的铆接顺序原则可参照JGJ 82—2011中相关规定。张向峰等和王永岩等对环槽铆钉铆接件进行拉伸性能试验和疲劳性能试验，总结出环槽铆钉连接件的拉伸破坏过程规律、疲劳寿命规律和疲劳破坏原因，并根据有限元模拟结果对后期铆接件的改进以及铆钉的补强提供了基础数据支持。

王利等采用LMTF和LMTP两种套环与LMC铆钉配合使用，研究不同套环对连接强度的影响，结果表明：两种套环与LMC铆钉配合使用的轴向拉脱强度和剪切强度均符合《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》的要求，使用LMTF套环的承载力更高。

张钦等基于Deform数值模拟方法，对LMDSM-T22-50环槽铆钉进行了有限元模拟，分析了铆接接头夹紧承载力、拉脱承载力、剪切承载力及其疲劳性能，并进行了相关的试验验证，结果表明：有限元模拟结果与试验数据吻合较好。该种型号的环形铆钉拉脱力平均值为375.5 kN，剪切力为272.3 kN，在经历200万次疲劳试验后未发生疲劳破坏，满足GB/T 36993—2018《环槽铆钉连接副 技术条件》的要求。

邓华等和陈伟刚用环槽铆钉对铝合金板进行搭接连接，分析了节点破坏模式及铆钉孔径、端距、边距等参数的影响，结果表明：节点破坏模式有环槽铆钉剪切破坏、板件顶端纵向撕裂破坏与侧边横向撕裂破坏3种，控制端、边距能避免后两种破坏。环槽铆钉与连接板件间的摩擦力非常有限，属于承压型连接。剪力作用下，节点的位移-荷载曲线可分为弹性段(摩擦段、滑移段、承压段)和强化段，可用承压段的末端荷载值作为受剪承载力设计值。Wang等对环槽铆钉连接的铝合金T型连接件进行了单调拉伸试验，研究其破坏模式、极限承载力和荷载-位移曲线，并总结了环槽铆钉连接的铝合金T型连接件承载力的计算式；另外Wang等对环槽铆钉连接的铝合金梁柱足尺节点单点荷载下转动刚度、变形能力与抗弯承载力进行了试验探究，发现欧洲规范对承载力计算偏保守，并给出了对应的修正式。王元清等对环槽铆钉连接的铝合金箱形-工字形盘式节点进行了静力试验，并进行了有限元模拟分析，研究其在面外弯矩作用下的传力机理、变形性能、节点刚度、破坏模式和极限承载力。

1.3.2 工程应用

环槽铆钉于20世纪40年代在美国由Huck发明，最初是为了解决第二次世界大战中轰炸机在航母的频繁降落产生的巨大振动导致螺栓的松动失效。经过几十年的发展，环槽铆钉已经成功应用在航空航天、铁路车辆、铁路轨道、重型汽车和建筑钢结构等领域，解决了紧固件在恶劣工况下的连接失效问题。

在国外，环槽铆钉广泛应用于铝合金网壳节点体系，其中最典型的应用是美国Temcor公司的专利——铝合金单层网壳节点体系，另外环槽铆钉还广泛应用于桥梁工程领域，例如澳大利亚新南威尔士州钢结构桥梁和美国旧金山奥克兰海湾大桥等。在国内，环槽铆钉作为紧固连接件广泛应用于矿山机械的振动筛、通信铁塔上等，还作为特种连接件应用于江门中微子探测器项目。另外，环槽铆钉还应用于我国的桥梁工程领域，如天府机场高速公路钢混组合桥和廊坊跨京沪高铁光明公路立交桥以及建筑工程领域，如中国现代五项赛事中心游泳击剑馆，宁波小学体育馆钢结构穹顶，北京嘉德艺术中心幕墙和雄安新区交通枢纽金属屋顶等。

1.4 预拉力指示器

高强度螺栓施加预紧力后，使得被连接构件之间紧固，从而产生较大的静摩擦力，来抵抗构件承受的横向荷载，避免螺栓发生剪切破坏，同时也阻止了构件间的水平滑移，增强连接的紧密性和刚性；另外，对螺栓施加预紧力可以提高螺栓的疲劳强度。预紧力的大小会影响构件承载力的大小，因此对于预紧力施加的大小需要加以控制。

由于钢结构中应用的高强度螺栓数量庞大，所以施工方法的可靠和方便具有重要价值。因转角法的使用相对麻烦，国外研究采用“直接拉力指示器”来控制高强度螺栓的紧固轴力，并已逐步应用于建筑钢结构、桥梁、电站、风电设备、石化设备和体育会展场馆等方面。

传统的预拉力指示器DTI(图2)是一个带有特殊凸起的垫圈，垫圈夹在螺栓连接件与螺母之间，通过观察垫圈凸起的被压缩程度，来获得对应施加预紧力的大小。观察垫圈被压缩程度有间隙测量法和彩胶目测法。间隙测量法顾名思义即是测量垫圈压缩后凸起的高度来表示垫圈的压缩程度；而彩胶目测法则是在垫圈上填充彩胶，当垫圈被压缩时，彩胶会喷出，用彩胶喷出量来表示垫圈的压缩程度。国外已有相关的DTI标准。

图2 直接预拉力指示器DTI

陈纪平等对传统直接拉力指示器及其施工技术进行了改良，研制出“自动控制垫圈”(ACW)。“自动控制垫圈”(图3)的形式、尺寸和控制螺栓预拉力的原理与DTI基本相同，但是ACW的控制方法原理是“以力控制力”。配套地使用超薄传感器(图3中的检测条)能够检测控制点与基准点的相对距离，并且能够输出到螺栓预紧力施工机器的控制电路中，在达到设计预紧力(控制点与基准点达到同一高度)时自动关闭预紧力施工机器，解决了DTI依靠人工控制(间隙测量法和彩胶目测法)而带来的偏差，提高高强度螺栓预紧力施加值的精确度，从而提高高强度螺栓工程应用的安全性。

1—检测条输出端；2—基准点；3—控制点。
图3 自动控制垫圈

1.5 螺栓防腐蚀

螺栓属于金属制品，在使用过程中螺栓容易受到周围环境的影响而发生腐蚀，而螺栓腐蚀后的力学性能会因此受到影响。作为节点连接的部件，高强度螺栓发生锈蚀容易造成节点的失效，降低结构整体的安全性、稳定性。因此，有必要对螺栓进行防腐蚀处理。

易桂虎等提出了一种新的螺栓防腐施工方法，即在原渗锌加封闭漆的防腐形式不变的基础上涂装油漆。螺栓安装前先涂装螺杆，两端预留，在螺栓安装后涂装螺杆两端和螺母。这种方法虽然增加了现场施工工序，但是采用这种防腐做法可以大大降低渗锌涂层的消耗速度。同时，由于外露部分的螺母等是在安装后才进行涂装，可以对螺栓孔起到一定的封堵作用，减少水汽的进入。涂料加渗锌的双层保护，可以有效减缓腐蚀，减少后期维护保养。

Henryk Kania等提出了一种新型的热对流处理方法来给10.9级螺栓进行表面镀锌处理。该新型热处理方法将螺栓放进一个密闭的旋转容器内，锌粉将在旋转容器内被连续地撒播到螺栓表面，锌粉中还混合了ZnO作为填料、NH ₄ Cl作为催化剂。试验证明，这种新型的螺栓镀锌处理能够使被处理的10.9级螺栓在保持原有力学性能下获得很好的防腐蚀保护，并且被处理的螺栓表面均匀，锌粉与螺栓表面接触良好，同时镀锌处理所需时间相对传统粉末镀锌更短。

应付钊针对工程中发现的问题，同时参考了美国规范中对高强度螺栓镀锌的相关内容，对高强度螺栓镀锌提出了建议：在石化、电力等行业进行大气防腐时，只能采用热浸镀锌的高强度螺栓，不能采用电镀锌高强度螺栓；当结构要求必须按规定对镀锌后的高强度螺栓施加预紧力时，建议采用转角法进行施工；由于热浸镀锌对高强度螺栓的丝扣强度有一定影响，在设计中需要引起注意，在进行承载力设计时建议预留一定的安全裕量；热浸镀锌构件表面的摩擦系数会有明显的降低，当按照摩擦型高强度螺栓进行设计时，建议对热浸镀锌构件的节点接触面采用手工钢丝刷进行处理。

螺栓热浸锌后扭矩系数离散性极大，不宜采用扭矩法施加螺栓预紧力。程大勇等对常州现代传媒中心主塔楼进行研究，通过对热浸锌高强度螺栓施工工艺进行反复论证和试验，最终确定使用转角法施工热浸锌高强度螺栓，工程效果理想，并总结出相应的工程经验：热浸锌高强度螺栓与普通高强度螺栓施拧方法不同，采用转角法施工时，同样分初拧和终拧，初拧由初拧扭矩值控制，终拧由终拧转角角度控制；高强度螺栓的初拧和终拧应按照紧固顺序进行，即从螺栓群中央开始，依次向外侧进行紧固。

2 国内外规范对比分析

2.1 螺栓类别

何海荣对中、美、欧规范关于螺栓类别的分类进行了对比，其中美国规范(AISC 360-10)中主要使用三种螺栓：A307螺栓、A325螺栓和A490螺栓，分别对应我国的C级螺栓、8.8级螺栓和10.9级螺栓。A325螺栓和A490螺栓用于高强度螺栓的承压型连接和摩擦型连接，设计时需要同时验证承载力极限状态(考虑螺栓受剪或承压破坏)和正常使用极限状态(考虑螺栓滑移位移)。欧洲规范(EN 1993-1-8)对抗剪螺栓分为三类：第一类相当于我国的普通螺栓，其性能等级包括4.6级、4.8级、5.6级、8.8级和10.9级，第一类螺栓不施加预拉力，同时对板件接触面不需要特殊处理；第二类为正常使用状态抗滑移螺栓连接，正常使用时不能有滑移，按承载能力极限状态计算考虑螺杆受剪处孔壁承压，第二类螺栓需要施加预拉力，同时需要对接触面做防锈处理；第三类为承载能力极限状态抗滑移螺栓连接，除了需要检验我国JGJ 82—2011中的抗滑移要求，还需要验算极限状态下孔壁承压。另外，欧洲规范对螺栓抗拉分为两类：第一类螺栓不施加预拉力，螺栓等级包括4.6级、4.8级、5.6级、8.8级和10.9级；第二类螺栓施加螺栓预拉力，包括8.8级和10.9级高强度螺栓。

2.2 高强度螺栓孔径对比

王敬烨等对比了中欧规范中有关高强度螺栓孔径大小的内容，具体如下：我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》中规定摩擦型连接高强度螺栓的孔径比螺栓直径大1.5～2 mm，承压型连接高强度螺栓的孔径比螺栓直径大1～1.5 mm。中国JGJ 82—2011对不同直径的螺栓给出了不同的孔径大小要求，欧洲规范(EN 1993-1-8)中也有类似的尺寸规定，不过JGJ 82—2011的尺寸要求与EN 1993-1-8的有差异，具体如表3所示。

表3 欧洲规范与中国规范中高强度螺栓孔径大小规定对比

注：EC3表示欧洲规范(EN 1993-1-8)，行标表示JGJ 82—2011；EC3中的长和短分别对应着螺栓长槽和短槽。

2.3 螺栓撬力计算对比分析

高强度螺栓端板连接件节点受到较大拉力时，端板会发生弯曲变形，端板间会出现或多或少的缝隙，螺栓也因此受到附加的力，这种附加力便称为螺栓的撬力(图4)。高强度螺栓端板连接设计中引入撬力作用的影响，可以减小节点连接板的厚度并提高节点塑性变形能力。

a—端板刚度较大；b—端板与螺栓刚度相近；c—螺栓刚度较大。
注： Q 为螺栓撬力。
图4 不同情况下螺栓撬力作用

戎伟比较了不同规范对螺栓撬力作用的计算方法，得出结论：按中国CECS 102∶2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的算法得到的端板厚度比美国AISC规范算法、英国桥梁设计规范BS 5400-1∶1988和欧洲钢结构协会建议的结果要大，表明我国算法的强度富余值较大。不过值得注意的是，由于各国的钢材和高强度螺栓采用的标准和力学性能都不同，造成各国钢材和高强度螺栓的屈服点、抗拉强度、延伸率、收缩率和硬度等力学性能都有较大的差异(表4和表5)。因此，我国的高强度螺栓连接计算不能生搬硬套其他国家的算式，宜通过理论和试验研究确定计算式中的有关参数，以适合具体国情。

表4 各国设计规范的碳素钢主要钢号及其主要力学性能

表5 单个高强度螺栓受拉承载力比较

2.4 最小螺栓预拉力

黄尧堃对中、美、欧规范中有关最小螺栓预拉力的计算方法进行对比分析，并且计算了8.8级和10.9级高强度螺栓在螺栓直径分别为16，20，24，30 mm情况下中、美、欧钢结构规范中规定的最小螺栓预拉力，具体如下。

中国GB 50017—2017中高强度螺栓预拉力的计算式为：

(1)

式中： 为GB 50017—2017中高强度螺栓抗拉强度最小值； A _e 为螺栓螺纹处有效应力面积。 预拉力计算结果取5 kN的整数倍值。

美国钢结构规范(AISC 360-10)中高强度螺栓预拉力的计算式为：

(2)

式中： 为AISC 360-10中高强度螺栓抗拉强度最小值； A _e 为螺栓螺纹处有效应力面积。 预拉力计算结果取整。

欧洲规范(EN 1993-1-8)中高强度螺栓预拉力的计算式为：

(3)

式中： f _ub 为EN 1993-1-8中高强度螺栓抗拉强度最小值； A _s 为拉伸应力面积。预拉力计算结果取整。

中、美、欧规范计算最小螺栓预拉力结果对比如表6所示。对计算式和计算结果分析可得：中国规范规定的高强度螺栓预拉力比美国规范规定的值平均约小15%，比欧洲规范规定的值平均约小10%。中国规范中分别考虑了预拉力松弛系数(0.9)、螺栓材质不均匀系数(0.9)、安全系数(0.9)以及扭矩对螺杆的不利影响(1.2)，美国规范和欧洲规范则没有对预拉力的取值考虑附加的安全系数，而是将安全系数统一体现在抗滑移承载力的计算式中。

表6 中、美、欧钢结构规范中规定的最小螺栓预拉

2.5 摩擦型高强度螺栓

潘斌等对中国、美国、英国、欧洲、澳大利亚规范中高强度摩擦型螺栓抗剪连接设计方法进行对比，其中相同的是，各国规范中关于高强度摩擦型螺栓抗剪承载力的计算式形式一致，都为螺栓预拉力乘以表面抗滑移系数。不同的是，各规范中对于接触面处理方法的定义、分类和抗滑移系数的取值都不相同(表7～表11)。

表7 中国规范中的抗滑移系数取值

表8 欧洲规范中的抗滑移系数取值

表9 美国规范中的抗滑移系数取值

表10 英国规范中的抗滑移系数取值

表11 澳大利亚规范中的抗滑移系数取值

中国规范抗滑移系数取值与构件的钢材牌号有关，美国、英国、欧洲和澳大利亚规范中都没有体现钢材牌号对抗滑移系数的影响，同时中国和英国规范中的抗滑移系数并不适用于构件采用高强度钢材的情况。另外，中国规范规定高强度摩擦型螺栓的接头不允许发生滑移，而其他各国规范允许螺栓滑移后继续承载，滑移后可按承压型连接进行计算复核螺栓的承载力。

2.6 承压型高强度螺栓

2.6.1 螺栓的孔壁承压强度设计值

何海荣对比了中国JGJ 82—2011与美国规范、欧洲规范中对于螺栓端距部分的规定，发现中国规范认为螺栓承压强度与所用钢材或者螺栓类别等有关，与螺栓容许间距和端距无关，并给出了螺栓容许间距 p (式(4a))和端距 a (式(4b))的取值范围。

p ≥3 d

(4a)

a ≥2 d

(4b)

式中： d 为螺栓直径。

而ISO标准(ISO/TC167/SC1)认为承压强度与螺栓容许间距和端距都有关，具体关系可表示为：

(5)

其中

式中： f _u 为钢材抗拉强度标准值； γ 为螺栓连接的抗力分项系数，下同。同时，ISO标准规定最小螺栓容许间距为2.5 d ，最小端距为1.2 d 。

美国规范规定螺栓孔壁承压强度与螺栓端距和螺栓容许间距的大小有关，并且给出规定：当端距 a ≥1.5 d 、螺栓容许间距 p ≥3 d 以及沿力作用线方向连接具有两个和两个以上的螺栓时，螺栓孔壁承压强度按式(6)取值：

(6)

其他情况螺栓孔壁承压强度按式(7)取值：

(7)

欧洲规范规定螺栓的孔壁承压强度与端距和螺栓容许间距有关，规定螺栓的孔壁承压强度设计值按式(8)取值：

(8)

黄尧堃则根据中国、美国和欧洲规范中对于螺栓孔壁承压强度设计值计算的规定，计算对比了中、美、欧规范对于不同螺栓直径在不同栓距下单个螺栓承压强度设计值(表12)。可以看出：美国规范规定的承压设计值最大，欧洲规范次之，中国规范最为保守；中国规范规定的承压设计值最小，其原因是中国规范对于螺栓栓距进行了归并。

表12 中、美、欧规范中单个螺栓的承压强度设计值对比

注： p ₁ 为沿荷载传递方向上螺栓的中距； p ₂ 为垂直于荷载传递方向上螺栓的中距； e ₁ 为沿荷载传递方向上螺栓的端距； e ₂ 为垂直于荷载传递方向上螺栓的端距。

2.6.2 螺栓抗剪强度设计值

潘斌等对比了中国GB 50017—2017、美国AISC 360-10、英国BS 5950-1∶2000、欧洲EN 1993-1-8、澳大利亚AS 4100中高强度承压型螺栓抗剪连接的设计方法，其中相同的是，各国规范对于高强度承压型螺栓承载力的验算都包括螺栓抗剪强度验算和钢板承压强度验算两部分；不同的是，欧洲规范、美国规范和澳大利亚规范都认为钢板承压强度是与钢板几何形式相关的，而中国规范和英国规范对其直接取下限值，相对来说偏于保守。对于高强度钢板承压强度验算，欧洲规范、美国规范和澳大利亚规范做出了相关设计规定，而中国规范和英国规范都没有给出高强度钢板承压强度设计值，因而设计公式无法继续使用。

黄尧堃对中、美、欧规范中对于高强度承压型螺栓抗剪计算部分进行对比分析，总结了中、美、欧规范中螺栓抗剪强度设计值取值的规定，如表13～表15所示。

表13 中国规范对高强度螺栓强度设计值的规定

注： 为连接杆件抗拉强度最小值。

表14 美国规范对高强度螺栓抗剪强度设计值的规定

注： 为连接杆件抗拉强度最小值； φ 取0.75； L 为螺栓沿轴向受力方向的连接长度。

表15 欧洲规范对高强度螺栓抗剪强度设计值的规定

注： 为连接杆件抗拉强度公称值； k ₂ ， a _v 分别为抗拉强度设计值与抗拉强度公称值之间的比例系数。

对中、美、欧螺栓抗剪强度设计值进行对比：欧洲规范规定的高强度螺栓抗拉、抗剪强度设计值最大，美国规范次之，中国规范最小；欧洲规范和美国规范将螺纹的影响因素考虑在内，欧洲规范还考虑了埋头螺栓和非埋头螺栓的影响，中国规范并没有相关的规定。

对于螺栓抗剪承载力计算，中国规范给出的计算方法如式(9)所示：

(9)

式中： n _v 为受剪面数目； d 为螺栓杆公称直径； 为抗剪强度设计值，下同。

美国规范给出的计算方法如式(10)所示：

φR _n = φF _nv A _b

(10)

其中  A _b =π d ² /4

式中： φ 为折减系数，取0.75； d 为螺栓杆公称直径。

欧洲规范给出的计算方法如式(11)所示：

(11)

式中： γ 为抗力分项系数，取1.25；当剪切面通过有螺纹部分， A 取拉伸应力面积 A _s ，当剪切面通过无螺纹部分时， A =π d ² /4。

按中、美、欧规范计算式算出的螺栓抗剪承载力设计值对比如表16所示。

表16 中、美、欧规范单个螺栓单剪抗剪强度设计值对比

通过对比可以看出：欧洲规范计算的承载力最大，美国规范次之，中国规范最为保守；美国规范计算的8.8级和10.9级螺栓承载力值比中国规范取值约大12%，欧洲规范8.8级螺栓承载力值比中国规范取值约大20%，10.9级螺栓按中、欧两本规范计算出来的结果差别不大；中国规范中没有考虑螺纹对抗剪强度设计值的影响，而美国规范和欧洲规范的公式中都取了对应的折减系数，中国规范则没有明确地表示在计算式中，而是体现在单一抗剪设计值上。

高强度螺栓连接作为20世纪70年代以来我国快速发展的一种钢结构施工技术，为设计施工提供了极大的便利性。在预制装配式结构快速兴起的今天，螺栓连接拆装方便的特点很好地契合了装配式结构施工的特点。相对于普通螺栓，高强度螺栓连接的节点刚度大、承载能力强、安全性能高。因此，继续深入研究高强度螺栓及其连接方式是非常有必要的。现根据上述内容，给出几点建议：

1)加强12.9级高强度螺栓连接性能研究和规范编制，促进其在工程领域的应用，尤其是建筑工程领域的应用。

2)继续单向螺栓的产品研发与性能研究，借鉴国外单向螺栓技术，不断完善国内单向螺栓产品的性能，并且对其力学性能进行更深入的研究，包括研究其在不同荷载条件下的失效模式、节点荷载-位移曲线、不同强度等级的单向螺栓的力学性能等，为设计施工提供更为详细的理论基础数据。

3)不断研究新的螺栓产品、新的螺栓生产工艺、改良的现场施工方法、更好的施工监测方法、更优良的螺栓防腐蚀方法以及更完善的高强度螺栓节点监测技术等，为工程应用提供更多的设计选择，更好的施工质量以及更高的结构安全性。

4)中国规范对于高强度螺栓连接的设计偏于保守，可以学习借鉴国外规范对于高强度螺栓连接的设计原则和施工方法。