一
全螺栓连接的特点和优点
全螺栓连接,顾名思义就是连接中主要受力部位只有螺栓,钢结构中的柱脚、主次梁、梁柱、支撑等连接均可采用全螺栓连接。
全螺栓连接虽然会增加一定的成本,但是它还是具有很多优点的。
1.1
降低现场安装条件要求
螺栓连接时,工人只需携带简单的安装工具即可完成工作。传统焊接则需要使用专门的焊接设备和电气设备,对设备的依赖性较大。同时,从规范要求来看,螺栓连接的操作要求更为宽松。例如,螺栓连接可以在-10℃以上的温度下进行,而焊接则需要在温度较低时对连接件进行预热。当然,对于施工单位来说,最大的区别是在对人员的要求上。在焊接作业时,要求施工人员具备专业技能并通过安全技术考试,持证上岗,而对螺栓施工人员则没有相应的要求。
1.2
可控的连接质量
现场焊接属于隐蔽工程,其质量受环境温度、焊接位置、焊接水平等各种因素影响较大,因此对于要求较高的焊缝,需进行相应的质量检验,以保证连接的强度。而螺栓连接技术指标相对简单,有专门的工具和措施保证其连接的可靠性,因此从连接质量上看,螺栓质量更加稳定,不需要过多的附加保障措施。
1.3
环保低碳
焊接在现场必然会产生相应的光污染和气体污染,而螺栓连接工艺则不会有这个问题。目前国家正在实施“双碳”战略,力争2030年碳达峰,2060年碳中和。对于建筑行业来说,施工阶段的碳排放是一个关键节点。当采用全螺栓连接时,焊接工作可以全部转移到构件工厂,通过技术手段减少碳排放,会比现场焊接作业更加可控。
1.4
方便后期拆卸
钢结构相对于混凝土结构最大的特点就是结构有一定的可拆卸性,当采用全螺栓连接时,结构的可拆卸性更强,只需要拆除连接螺栓,就可以将构件分离,这一特点可以很方便地实现局部结构的功能调整。
二
全螺栓连接设计技术条件
2.1
螺栓组承载力计算方法
螺栓组根据其受力特点可分为两类。
一是螺栓的剪切。首先假设螺栓组的旋转中心在其几何中心,然后以最外排螺栓达到其抗剪承载力上限为极限,假设内侧其余螺栓的剪力与距旋转中心的距离呈线性关系,将所有螺栓的弯矩相加,即可得到螺栓组的弯曲承载力。
从公式中可以看出,螺栓组的弯曲承载力与其几何布置尺寸有很大关系,当几何布置尺寸增大时,弯曲承载力也相应增大。
另一个是螺栓拉力。首先必须假定一个螺栓组的转动中心,一般可假定为螺栓组的几何中心或连接端板中可能出现塑性铰的位置(如连接梁下翼缘中心)。同样取最外排螺栓的受拉承载力为极限,假设内侧其余螺栓的拉力与距转动中心的距离呈线性关系,将所有螺栓的扭矩相加,即可得到该螺栓组的弯曲承载力。
假设方法
最大拉力
与上文剪切情况一样,螺栓组的弯曲承载力也与几何布置密切相关。可以看出,如果假设中性轴在几何中心,则实际上有一半的螺栓处于压缩状态。现实中,螺栓无法被压缩,因此这部分力由端板承担。
2.2
短梁连接的特殊处理
短梁连接是一种特殊的全螺栓连接形式,因为需要预先在被连接构件上安装短梁,然后通过梁的全螺栓拼接将梁连接到被连接构件上。在设计这种连接形式时,需要注意以下细节。
同样强的假设
在拼接连接中,最需要注意的就是等强度假定。与柱边连接不同,拼接连接直接采用构件的承载力,即与构件等强度。为什么不直接采用构件端部内力呢?一方面是因为拼接位置不在端部,实际内力难以获取;另一方面考虑到实际设计中对构件的描述是连续刚度,如果削弱拼接处的刚度,则不符合设计前提。
因为等强度设计实际上是以构件的承载力作为设计的上限,所以首先要确定的是这里的承载力需要为构件截面的承载力;其次要确定的是承载力的大小。考虑到连接设计的需要,截面承载力只取M、V两项。梁主要受弯,所以这里的等强度内力可以取最大弯矩Wf,对应的剪力应为与此弯矩对应的剪力。由于此时剪力与竖向荷载和梁的跨度有关,直接取用不方便,可以简化为取截面剪切承载力的1/2。(取全截面剪切承载力过于保守,没有必要)。
力矩传递系数
当翼缘连接板过长时,考虑剪力传递的滞后作用,实际传递到腹板上的弯矩会小于计算值,因此需要一个参数来调整翼缘所承受的弯矩,减小腹板所承受的弯矩。该参数的值在抗震规范培训教材中也给出了推荐值0.4,一般设计时可保持此值。
2.3
极限承载力计算原理与方法
当结构有抗震构造要求时,钢结构的连接节点需做极限承载力验算。极限承载力计算可参考抗震规范第8.2.8条,这里不再赘述。但有一点需要注意,那就是验算连接极限承载力的目的。从原理上可知,控制极限承载力的目的是使节点的极限承载力大于被连接梁的塑性弯矩,而控制这个承载力最终的效果是使梁先于节点屈服,即塑性铰向外移动,从而保证竖向构件的安全。塑性铰需要向外移动的位置在钢结构设计标准第17.2.9条中已经规定,即塑性耗能区。如果连接不再在此节中,是连接先屈服还是构件先屈服已经不再重要,不需要验算。
三
存在的问题及改进计划
3.1
楼层布局困难
短梁采用满螺栓连接时,翼缘需设置连接板钢结构螺栓安装顺序,这样上翼缘会出现高低不平的情况,给楼承板的布置带来困难。因此,有些工程中,为了避免这个问题,采用靠近柱边的端板连接。
3.2
深化及加工要求高
螺栓本身是需要穿过至少两个中间设有螺栓孔的部件的紧固件。当螺栓数量较多时,所有螺栓孔必须精确对准。然而,在实际工程中钢结构螺栓安装顺序,由于深化不足或加工精度不足,相关部件之间的螺栓孔可能会错位,造成施工困难。为了快速解决这一问题,现场施工人员往往会选择强制部件变形以满足安装条件,或者干脆放弃安装某些螺栓,这将带来严重的安全隐患。