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钢结构全螺栓连接介绍及技术要点

钢结构全螺栓连接介绍及技术要点

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一、全螺栓连接的特点和优势


全螺栓连接,顾名思义,就是连接中的主受力零件只有螺栓。钢结构中的柱脚、主次梁、梁柱、支撑等连接都可以实现全螺栓连接。


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全螺栓连接虽然会增加一定的成本,但是其优点还是不少的。


1.1

对现场的安装条件要求降低


螺栓连接施工时,工人只需要携带简单的安装工具即可完成。而传统的焊接连接则需要使用专用的焊接设备及电气设备,对设备的依赖会更强。同时从规范要求来看,螺栓连接的作业要求会更为宽松,比如螺栓施工在-10℃以上的气温都是可以进行的,而焊接施工在温度较低时就要求对被连接零件进行预热处理了。当然对施工单位来说,最大的差别还是在人员的要求上。焊接作业时,要求施工人员有专业技术且安全技术考试合格,并持有合格证才可上岗,而螺栓的施工人员则没有对应的要求。


1.2

连接质量可控


现场焊接属于隐蔽工程,其质量受各方面因素的影响很大,比如环境温度、焊接位置、焊接水平等,所以对于要求较高的焊缝需要进行相应的质量检查才能保证其连接的强度。而螺栓连接则技术指标比较简单,且有专门的工具和措施能保证其连接的可靠性。所以从连接质量上来看,螺栓的质量更加稳定,而且不需要太多的额外保障措施。


1.3

环保低碳


焊接不可避免的会在现场产生相应的光污染和气体污染,而螺栓连接过程则不会有这方面的困扰。当前国家也正在实施“双碳”战略,要在2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和。对建筑业来说,施工阶段的碳排放是一个关键的节点。当采用全螺栓连接后,所有的焊接工作都可以转入构件工厂,通过技术手段来减低碳排放量,这样相对现场焊接作业会更加可控。


1.4

方便后期拆卸


钢结构相对于混凝土结构的最大特点就是结构有一定的可拆卸性。当完全采用螺栓连接以后,结构的可拆卸性就更好,只需要将连接螺栓拆除,就可以将构件分离。这种特性可以方便的实现结构局部的功能性调整。


二、全螺栓连接的设计技术条件


2.1

螺栓群的承载力计算方法


螺栓群根据其受力特性,可以分为两种类型。


一种为螺栓受剪。首先假定其螺栓群的转动中心在其几何中心,而后以最外排的螺栓达到其受剪承载力上限为极限。假定内侧的其余螺栓的剪力与其到转动中心的距离呈线性关系,以此对所有的螺栓的力矩求和,得到螺栓群的受弯承载力。


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从公式中可以看到,螺栓群的受弯承载力与其几何排布尺寸有较大关系,当几何排布尺寸增加时,受弯承载力也相应增加。


另一种为螺栓受拉。首先也要假定一个螺栓群的转动中心,一般可假定在螺栓群的几何中心或者连接端板可能发生塑性铰的位置(比如相连梁的下翼缘中心)。同样的,也以最外排螺栓达到受拉承载力作为极限。假定内侧的其余螺栓的拉力与其到转动中心的距离呈线性关系,以此对所有的螺栓的力矩求和,得到螺栓群的受弯承载力。


假定方式

最大拉力

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和上面受剪的情况一样,螺栓群的受弯承载力也和几何排布有很大关系。而且可以看到,如果假定中和轴在几何中心时,有一半的螺栓实际是处于受压状态的,实际螺栓是不可能受压的,所以这部分力是由端板来承担的。


2.2

短梁连接中的特殊处理


短梁连接是一种比较特殊的全螺栓连接形式,因为需要预先在被连接的构件上安装一段短梁,而后通过梁与梁的全螺栓拼接的方式,将梁与被连接构件连接起来。在进行这种连接的设计时,需要注意以下这些细节。


等强假定

在拼接连接中,最需要注意的就是等强假定。不同于柱边连接,拼接连接直接采用的是构件承载力,也就是和构件等强。为什么不直接取用构件的端部内力呢?一方面是因为拼接位置都不在端部,实际内力很难取得;另一方面,则是考虑到实际设计时对构件的描述是刚度连续,如果拼接处的刚度进行削弱的话,不符合设计前提。


因为等强设计实际上是采用构件承载力作为上限进行设计,那么首先要确定的是这里的承载力需要采用的是构件截面的承载力;其次要确定的是承载力的大小。考虑到连接设计的需求,截面承载力只取M和V两项。而梁主要是以受弯为主,所以这里的等强内力可以取最大弯矩Wf,对应的剪力应为此弯矩对应的剪力。由于此时剪力和竖向荷载以及梁跨有关,不方便直接使用,所以可以简化后取截面抗剪承载力的1/2。(按全截面抗剪承载力取过于保守,没有必要)。


弯矩传递系数

当翼缘的连接板过长时,考虑到剪力传递的滞后性,实际传递给腹板的弯矩会小于计算分配的数值。所以此时需要有一个参数来进行调节,适当的增加翼缘承担的弯矩,同时减少腹板承担的弯矩。这个参数的数值在抗震规范培训教材上也给出了建议值0.4,一般保持这个数值进行设计即可。


2.3

极限承载力的计算原则和方法

当结构有抗震构造要求时,对钢结构的连接节点,需要进行极限承载力的验算。极限承载力的计算可以参考抗规的8.2.8条,这里就不再赘述。但是有一点是需要注意,即连接的极限承载力的验算目的。从原理上可以知道,控制极限承载力的目的是让节点的极限承载力要大于相连梁的塑性弯矩,而控制这项承载力的最终效果会让梁先于节点发生屈服,即塑性铰外移,以此保证竖向构件的安全。需要达到塑性铰外移的部位,在钢结构设计标准的17.2.9条中已经有所规定,即塑性耗能区。如果连接已经不在此区段内,此时不管是连接先屈服还是构件先屈服都已不再重要,可不进行验算。


三、存在的问题和改进方案


3.1

楼板布置困难

当采用短梁形式的全螺栓连接时,由于翼缘需要有连接板,所以会出现上翼缘不平整的问题,这就给楼承板布置带来了困难。所以在一些项目中,为了规避这个问题,会采用靠近柱侧的端板连接。


3.2

深化、加工要求较高

螺栓本身属于紧固件,需要穿越至少两个零件,中间有螺栓孔贯通。当螺栓数量较多时,就要求所有的螺栓孔都必须精准对位。但在实际工程中,由于深化或者加工精度不到位,可能会导致相关联的零件之间螺栓孔有错位,引起施工困难。为了快速解决这种问题,现场施工人员往往会选择强行让零件变形满足安装条件,或者直接放弃安装某些螺栓,这样会带来严重的安全隐患。



(责任编辑:何雯丽)




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