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    鋼結構全螺栓連接介紹及技術要點

    鋼結構全螺栓連接介紹及技術要點

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    一、全螺栓連接的特點和優勢


    全螺栓連接,顧名思義,就是連接中的主受力零件只有螺栓。鋼結構中的柱腳、主次梁、梁柱、支撐等連接都可以實現全螺栓連接。


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    全螺栓連接雖然會增加一定的成本,但是其優點還是不少的。


    1.1

    對現場的安裝條件要求降低


    螺栓連接施工時,工人只需要攜帶簡單的安裝工具即可完成。而傳統的焊接連接則需要使用專用的焊接設備及電氣設備,對設備的依賴會更強。同時從規范要求來看,螺栓連接的作業要求會更為寬松,比如螺栓施工在-10℃以上的氣溫都是可以進行的,而焊接施工在溫度較低時就要求對被連接零件進行預熱處理了。當然對施工單位來說,最大的差別還是在人員的要求上。焊接作業時,要求施工人員有專業技術且安全技術考試合格,并持有合格證才可上崗,而螺栓的施工人員則沒有對應的要求。


    1.2

    連接質量可控


    現場焊接屬于隱蔽工程,其質量受各方面因素的影響很大,比如環境溫度、焊接位置、焊接水平等,所以對于要求較高的焊縫需要進行相應的質量檢查才能保證其連接的強度。而螺栓連接則技術指標比較簡單,且有專門的工具和措施能保證其連接的可靠性。所以從連接質量上來看,螺栓的質量更加穩定,而且不需要太多的額外保障措施。


    1.3

    環保低碳


    焊接不可避免的會在現場產生相應的光污染和氣體污染,而螺栓連接過程則不會有這方面的困擾。當前國家也正在實施“雙碳”戰略,要在2030年實現碳達峰,2060年實現碳中和。對建筑業來說,施工階段的碳排放是一個關鍵的節點。當采用全螺栓連接后,所有的焊接工作都可以轉入構件工廠,通過技術手段來減低碳排放量,這樣相對現場焊接作業會更加可控。


    1.4

    方便后期拆卸


    鋼結構相對于混凝土結構的最大特點就是結構有一定的可拆卸性。當完全采用螺栓連接以后,結構的可拆卸性就更好,只需要將連接螺栓拆除,就可以將構件分離。這種特性可以方便的實現結構局部的功能性調整。


    二、全螺栓連接的設計技術條件


    2.1

    螺栓群的承載力計算方法


    螺栓群根據其受力特性,可以分為兩種類型。


    一種為螺栓受剪。首先假定其螺栓群的轉動中心在其幾何中心,而后以最外排的螺栓達到其受剪承載力上限為極限。假定內側的其余螺栓的剪力與其到轉動中心的距離呈線性關系,以此對所有的螺栓的力矩求和,得到螺栓群的受彎承載力。


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    從公式中可以看到,螺栓群的受彎承載力與其幾何排布尺寸有較大關系,當幾何排布尺寸增加時,受彎承載力也相應增加。


    另一種為螺栓受拉。首先也要假定一個螺栓群的轉動中心,一般可假定在螺栓群的幾何中心或者連接端板可能發生塑性鉸的位置(比如相連梁的下翼緣中心)。同樣的,也以最外排螺栓達到受拉承載力作為極限。假定內側的其余螺栓的拉力與其到轉動中心的距離呈線性關系,以此對所有的螺栓的力矩求和,得到螺栓群的受彎承載力。


    假定方式

    最大拉力

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    和上面受剪的情況一樣,螺栓群的受彎承載力也和幾何排布有很大關系。而且可以看到,如果假定中和軸在幾何中心時,有一半的螺栓實際是處于受壓狀態的,實際螺栓是不可能受壓的,所以這部分力是由端板來承擔的。


    2.2

    短梁連接中的特殊處理


    短梁連接是一種比較特殊的全螺栓連接形式,因為需要預先在被連接的構件上安裝一段短梁,而后通過梁與梁的全螺栓拼接的方式,將梁與被連接構件連接起來。在進行這種連接的設計時,需要注意以下這些細節。


    等強假定

    在拼接連接中,最需要注意的就是等強假定。不同于柱邊連接,拼接連接直接采用的是構件承載力,也就是和構件等強。為什么不直接取用構件的端部內力呢?一方面是因為拼接位置都不在端部,實際內力很難取得;另一方面,則是考慮到實際設計時對構件的描述是剛度連續,如果拼接處的剛度進行削弱的話,不符合設計前提。


    因為等強設計實際上是采用構件承載力作為上限進行設計,那么首先要確定的是這里的承載力需要采用的是構件截面的承載力;其次要確定的是承載力的大小??紤]到連接設計的需求,截面承載力只取M和V兩項。而梁主要是以受彎為主,所以這里的等強內力可以取最大彎矩Wf,對應的剪力應為此彎矩對應的剪力。由于此時剪力和豎向荷載以及梁跨有關,不方便直接使用,所以可以簡化后取截面抗剪承載力的1/2。(按全截面抗剪承載力取過于保守,沒有必要)。


    彎矩傳遞系數

    當翼緣的連接板過長時,考慮到剪力傳遞的滯后性,實際傳遞給腹板的彎矩會小于計算分配的數值。所以此時需要有一個參數來進行調節,適當的增加翼緣承擔的彎矩,同時減少腹板承擔的彎矩。這個參數的數值在抗震規范培訓教材上也給出了建議值0.4,一般保持這個數值進行設計即可。


    2.3

    極限承載力的計算原則和方法

    當結構有抗震構造要求時,對鋼結構的連接節點,需要進行極限承載力的驗算。極限承載力的計算可以參考抗規的8.2.8條,這里就不再贅述。但是有一點是需要注意,即連接的極限承載力的驗算目的。從原理上可以知道,控制極限承載力的目的是讓節點的極限承載力要大于相連梁的塑性彎矩,而控制這項承載力的最終效果會讓梁先于節點發生屈服,即塑性鉸外移,以此保證豎向構件的安全。需要達到塑性鉸外移的部位,在鋼結構設計標準的17.2.9條中已經有所規定,即塑性耗能區。如果連接已經不在此區段內,此時不管是連接先屈服還是構件先屈服都已不再重要,可不進行驗算。


    三、存在的問題和改進方案


    3.1

    樓板布置困難

    當采用短梁形式的全螺栓連接時,由于翼緣需要有連接板,所以會出現上翼緣不平整的問題,這就給樓承板布置帶來了困難。所以在一些項目中,為了規避這個問題,會采用靠近柱側的端板連接。


    3.2

    深化、加工要求較高

    螺栓本身屬于緊固件,需要穿越至少兩個零件,中間有螺栓孔貫通。當螺栓數量較多時,就要求所有的螺栓孔都必須精準對位。但在實際工程中,由于深化或者加工精度不到位,可能會導致相關聯的零件之間螺栓孔有錯位,引起施工困難。為了快速解決這種問題,現場施工人員往往會選擇強行讓零件變形滿足安裝條件,或者直接放棄安裝某些螺栓,這樣會帶來嚴重的安全隱患。



    (責任編輯:何雯麗)




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    [責任編輯:Susan]

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