研究分析大型钢结构中高强度螺栓连接的布局及设计

2022-09-10

大型钢结构连接设计中, 由于运输以及实际加工过程中的各种工艺限制, 需要将其分段, 钢结构的结构解体处经常采用高强度的螺栓进行连接。高强度螺栓连接的布局关系到安全生产及整个钢结构的使用寿命, 其重要性已被多方关注和认同, 故理解其工作原理和一些布局方法对于设计非常必要。

1、高强度螺栓连接的种类以及工作原理

高强螺栓因其在应用中的受力特征不同可以分为摩擦型和承压型的高强度螺栓, 一般由优质碳素钢、低合金钢等高强度材料制造, 与同规格的普通螺栓相比能承受大的载荷, 主要应用于大型钢结构中, 用来连接钢结构钢板的连接点。

摩擦型高强度螺栓是通过连接件结合面间产生的摩擦力来传递工作荷载的, 外剪力不大于结合面间的最大摩擦力, 在整个使用期间内螺杆和孔壁之间始终保持有空隙, 板件不发生相对滑动。摩擦型高强度螺栓的连接由于始终保持连接件结合面不发生相对滑移, 摩擦力不被克服, 因而其整体性好、使用时便于控制, 在我国的结构设计中应用十分广泛, 如大跨度桥梁等。

承压型高强度螺栓允许外剪力超过结合面间摩擦力, 连接件结合面出现相对滑动是其正常受力状态, 螺杆与孔壁之间能够相抵, 通过摩擦、螺栓自身抗剪和孔壁承压共同传力, 承载力比摩擦型的提高了50%, 按照规定, 承压型高强度螺栓的抗剪轻度不能超过摩擦型的30%[1], 以便确保一般情况下连接件结合面不会发生相对滑动, 如果超载, 杆身能够抵住孔壁, 传递剪力, 承载的能力加大, 但会导致构件发生了折线变形, 部分有移动的部件在行走上较为困难。在不能承受动力承载和正反向受力荷载的结构的前提下, 高强度螺栓会按照摩擦型进行设计, 滑移后摩擦和承压通过传力, 将螺栓分成了摩擦型和承压型。

2、高强度螺栓连接的布局分析

2.1 根据连接件结合面长度和螺栓孔直径的关系, 高强度螺栓连接可分为短接头和长接头连接。短接头连接中, 连接长度L≤15d0, 螺栓孔直径d0, 根据试验, 可以得到此时剪力P是平均分布的, 每个螺栓受力相同。而长接头连接中, 靠近中心处的螺栓的受力将会打折扣, 有折减系数, 螺栓的受力不均。为保证每个螺栓物尽其用, 最大限度提高螺栓群抗剪承载力, 在螺栓大小数量一定的情况下, 螺栓需选用合适间距, 合理排列, 优选短接头连接。

2.2 高强度螺栓连接的最大和最小允许距离, 是连接布局的主要参数, 外层连接板件的厚度为δ1, 螺栓孔直径d0, 具体如表1所示[2]。当螺栓布置间距小于最小允许距离时, 钢板就可能被拉豁破坏。当螺栓布置间距大于最大允许距离时, 连接件的接触面不够紧密, 潮气容易浸入, 且对于受压构件, 板件的中间受压鼓起。

(单位:mm)

2.3 在高强度螺栓连接中, 母材两侧会配置连接板。若连接板选用过厚, 螺杆易剪切破坏;若连接板过薄, 螺栓孔壁易挤压破坏。连接板的厚度应与母板厚度相匹配, 母板厚度为δ, 连接板厚度为δ1, 具体推荐选用情况如表2所示。

2.4 在设计中, 高强度螺栓的长度主要由母板厚度δ、连接板厚度δ1、垫圈厚度h、螺母厚度m及最小外露长度决定。根据标准, 螺栓最小外露长度为3倍螺距或螺纹直径的0.3倍, 高强度螺栓为标准粗牙螺纹, 螺纹直径与螺距关系具体如表3所示。

(单位:mm)

高强度螺栓长度计算公式如下:

设计者应在设计过程中根据尺寸的数值, 进行按比例的作图, 避免错误发生大批量损失。