以应用为主导的高强螺栓连接教学探索

2022-09-11

我国高等学校工科四年制本科教育的培养目标明确规定:“培养适应社会主义建设需要的、德智体全面发展的、获得工程师基本训练的高级工程技术人才。学生毕业后应具有从事设计、制造、运行、施工、研究开发和管理等工作的能力”。时铭显院士也曾指出“高等工程教育必须回归工程和实践”[1]。当前土建工程中小型企业的科技水平普遍较低, 新设备、新工艺、新产品的开发设计能力较差, 束缚了企业的发展, 因而迫切需要大批工程意识强, 具有一定专业基础和相关学科知识与较强的工程实践能力的专业技术人才, 补充到技术人员队伍中来, 以改变企业高层次应用型人才缺乏的现状。烟台大学是地方性综合大学, 土木工程专业培养出的学生, 相当大的部分到工程施工单位、设计单位从事工程技术人员的工作。因此, 结合工科教育的培养目标, 结合当今土木行业的需求, 坚持以应用为主导的教学理念, 培养应用型人才是非常必要的。

高强螺栓连接是现代钢结构最主要的连接方式, 是钢结构的重要设计内容之一, 也是钢结构的薄弱环节。以此为突破口, 对于贯彻以应用为主导的教学理念, 培养创新应用型人才是很好的尝试。

1 以应用为主导的教学实践

1.1 以高强螺栓在工程中, 由于应用不当而引发的工程事故引导学生认识连接在钢结构中的重要作用

几个小小的连接问题, 竟使一个钢结构大厦破坏, 触目惊心的财产损失、人员伤亡数字, 对学生是一次心灵的震撼, 学生就会对连接予以足够的重视。对即将踏上工作岗位的学生, 也是一次工程责任心的教育。

1.2 简明介绍钢结构连接的发展历程, 突出高强螺栓连接在实际工程应用中的地位

让学生明确现代钢结构中工厂连接的最主要方式是焊缝连接, 而高强螺栓连接, 由于其强度高、安全可靠、施工方便, 成为现代钢结构中现场连接的最主要的连接方式。在大型钢结构中, 现场连接是结构施工的重要工作, 因此, 高强度螺栓连接是整个钢结构连接部分中的两大重点之一。

1.3 运用比较法, 让学生透彻理解高强螺栓连接应用于工程的工作性能及承载力计算

1.3.1 高强螺栓抗剪连接的比较

高强螺栓摩擦型连接是通过强大的拧紧力使连接板件的接触面间产生强大的摩擦力, 依靠连接板件之间的摩擦阻力传递内力, 当外力超过板件间摩擦力后, 板件间产生相对滑移。高强螺栓摩擦型连接是以板件间出现滑移为抗剪承载力极限状态, 则其设计准则是设计荷载值引起的剪力不超过摩擦阻力。摩擦阻力与摩擦面的抗滑移系数 (成正比, 而板件接触面的处理方法直接影响 (的取值, 所以, 板件接触面的处理方法直接影响抗剪承载力。

高强螺栓承压型连接受剪时, 是通过栓杆受剪、孔壁承压的方式传递剪力, 允许接触面出现滑移, 是以连接达到破坏为抗剪承载力极限状态。板件接触面不需经过处理, 接触面如果作摩擦处理, 也只能起到推迟滑移的作用, 对抗剪承载力没有影响。

1.3.2 高强螺栓承压型连接与普通螺栓连接的比较

抗剪连接时, 高强螺栓承压型连接的计算方法与普通螺栓连接相同。但当剪切面在螺纹处时, 高强螺栓承压型连接的抗剪承载力应按螺纹处的有效面积计算。对于普通螺栓, 其抗剪强度设计值是根据连接的试验数据统计而定的, 试验时不分剪切面是否在螺纹处, 故计算抗剪强度设计值时用公称直径。

同时承受剪力和杆轴方向拉力时, 承压型连接高强螺栓的计算方法与普通螺栓相同。但高强螺栓对板层间产生强大压紧力, 当螺杆与孔壁接触时, 板件孔前区形成三向应力场, 因而承压强度比普通螺栓高很多, 相差大约50%。再者, 板层间的压紧力随外拉力的增加而减少, 其承压强度设计值也随之降低。所以, 有外拉力存在时, 要将承压强度除以1.2予以降低。

1.3.3 被连接件计算的比较

摩擦型高强螺栓连接的构件有孔前传力的特点, 而承压型高强螺栓连接及普通螺栓连接则没有此特点。孔前传力是由于摩擦型高强螺栓连接是靠板件间的强大摩擦力来传递剪力, 在验算板件净截面强度时, 截面上每个螺栓所传之力的的一部分已经由摩擦力在孔前传走, 净截面上所受内力应扣除已经传走的力, 因孔前面积是总面积的一半, 故可认为有一半的摩擦力在削弱截面中心线之前就传递完成, 从而使高强螺栓连接的此构件截面的内力小于同类的普通螺栓连接。这也进一步地说明高强螺栓连接对于构件受力较普通螺栓是更为有利。

1.4 工程应用中应注意的问题

(1) 高强螺栓摩擦面抗滑移系数的大小与连接处构件接触面的处理方法和构件的钢号有关。此系数值随连接板件间的压紧力减少而降低, 这与物理学中的摩擦系数是有区别的。

(2) 承压型高强螺栓连接的结构有着刚度小、抗疲劳性差等缺点, 虽其承载力较摩擦型大, 但在我国的钢结构实践中应用还比较少, 摩擦型高强度螺栓才是最主要的连接方式。

(3) 高强螺栓在工程应用中不同的施工要求。当所受剪力较大, 钢结构节点采用摩擦型螺栓时, 应按摩擦型螺栓的要求规定每个螺栓的预拉力, 并提出对摩擦面的抗滑移系数的要求。对剪力较小的受弯节点 (比如一般轻钢结构的厂房中, 其节点的剪力相对较小) 的受拉螺栓可以对摩擦面不作抗滑移系数要求, 进而可以涂刷普通的防锈油漆, 省去复检抗滑移系数的费用, 方便了制作、运输、存放各环节, 不用为保证其摩擦面的抗滑移系数采取各种保护措施;但在轻钢结构使用过程中, 为保证连接节点刚度, 必须严格控制其预拉力。

(4) 在杆轴方向受拉的高强螺栓摩擦型连接中, 每个螺栓的抗拉承载力设计值为0.8 P (P为设计预拉力) , 但是如果高强螺栓按普通螺栓的方法使用, 其抗拉承载力为螺纹处有效面积与螺栓抗拉设计强度的乘积, 而不是0.8P。

1.5 介绍高强螺栓连接应用的科学研究状况, 激发学生为以后结合工程实践多出成果的兴趣

譬如考虑连接构造的多样化。在钢结构制作、安装中钢构件不可避免会有各种变形偏差, 在施工时就会出现螺栓不能穿孔的问题, 而施工人员由于技术素质低或为赶工期在处理螺栓不能穿孔问题时, 采用不规范的做法, 给工程留下安全隐患。如果连接构造采取多样化, 如将圆孔开成椭圆孔、长形孔可以使现场连接安装变得方便易行, 减少不规范施工, 提高施工质量。这就要研究非圆形孔时, 高强螺栓连接的设计承载力的问题。学生了解了该领域的问题, 就会在日后的学习、工作、研究中有的放矢。