CN110318466A - H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构及安装施工方法，该方法中H型钢柱的翼缘板和腹板均采用摩擦型等强度设计原则下的高强度螺栓+拼接板的双剪连接；翼缘板和腹板全部按净截面面积计算拼接面积，再校核验算高强螺栓数量；该结构将H型钢柱通过高强螺栓摩擦型连接而成，该结构的翼缘板和腹板均采用高强度螺栓连接。本发明由于采用完全抗剪工况下等强度设计连接设计方法，能提高钢结构建筑受剪力作用的强度，提高建筑抗震性能。

Description

H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构及施工方法

技术领域

本发明涉及一种型钢柱结构体系，尤其是一种采用高强螺栓连接的型钢柱结构体系。

背景技术

随着建筑工业化及装配式建筑技术的发展，型钢混凝土结构、纯型钢结构装配式建筑运用越来越普遍，超高层、大体量建筑不断涌现，型钢柱作为一种新型结构体系，无论是型钢混凝土结构、纯型钢结构，都大大提高了结构的承载力、刚度、抗震性能等，运用在装配式建筑中，更加提高施工效率保证结构安全，对提高结构刚度优势明显。也避免由单独混凝土结构承担受力，造成结构构件尺寸过大和空间过小影响建筑美学。因此，型钢混凝土柱的设计与施工安装是实现结构安全提升品质的重点。型钢柱的连接精度强度又是影响型钢混凝土柱的关键节点。如何更好地保证其自下而上连续可靠高精度连接，保证其整体性，不断改进工艺是型钢混凝土结构、纯型钢结构整体质量保证的课题。高强螺栓连接作为与焊接并举的钢结构主要连接形式，具有受力性能好，耐疲劳、抗震性能好，连接强度高、施工简便等优点，近来广泛得到研究与应用。广东顺德利保商贸中心H型钢柱拼接采用了等强度设计原则下高强螺栓连接，工艺安全可靠施工效率高，项目主体结构已经成功验收。

目前钢结构连接有焊接、高强螺栓连接、栓焊并举等方式。按照设计和受力要求的不同，螺栓连接方式有摩擦型和承压型，两者的本质区别是极限状态不同。

高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形(螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量)，被连接板件按弹性整体受力。

高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。

摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓的区别在于设计是否考虑滑移。摩擦型高强螺栓绝对不能滑动，螺栓不承受剪力，一旦滑移，设计就认为达到破坏状态。承压型高强螺栓可以滑动，螺栓也承受剪力，最终破坏相当于螺栓破坏。

无论哪种连接方式，都需要先对连接节点进行深化设计计算。钢结构构件连接设计方法有:实用设计法，精确计算设计法，常用简化设计法和等强度连接设计方法。

a.实用设计法：是按被连接的翼缘的净截面面积等强度条件进行拼接连接，而腹板的连接除对作用在拼接位置的剪力进行计算外，尚应按腹板净截面面积的抗剪承载力的1/2或构件两端弯矩之和除以构件的净跨长度所得到的剪力来确定。本方法适用于一般钢结构受弯构件连接。

b.精确计算设计法：是被连接的构件翼缘和腹板按其惯性矩比例分担截面处的弯矩，而剪力全部由腹板承担。本方法适用于一般钢结构受弯构件连接。

c.常用简化设计法：是按构件翼缘承担所有的弯矩，而腹板承担所有的剪力来进行拼接设计。本方法适用于一般钢结构受弯及受剪构件连接。

d.等强度设计法：是按被连接的翼缘或腹板的净截面面积等强度的条件来进行拼接的。设计的原则除了受力明确减少应力集中和便于加工安装以外，最重要就是满足强连接弱构件的原则，避免因连接较弱而使结构整体破坏。等强度连接设计方法的目的就是使构件连接的承载力与构件承载力相等或者比构件承载力更高。在等强度设计前提下，现有技术通常做法是：1)沿用精确设计计算法——连接构件翼缘和腹板按其惯性矩比例分担截面处的弯矩，而剪力全部由腹板承担；2)沿用简化设计计算法——连接构件翼缘承担所有的弯矩，而腹板承担所有的剪力。

同上述分析可以看出，上述a.b.c.d，4种计算方法，都没有考虑完全抗剪工况下的型钢柱拼接设计计算模型，在当前装配式建筑，尤其钢结构装配式建筑，以及局部地区地震频发的时期，地震波对建筑的破坏主要是剪切破坏，受剪冲切是所有破坏力中对构件竖向破坏力最强的一种力。因此需要研究一种完全抗剪工况下等强度连接设计方法，提高钢结构建筑受剪力作用的强度，提高建筑抗震性能。

发明内容

本发明是要提出一种H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构及施工方法，该方法对上述等强度设计原则下的深化设计计算方法进行改进，提高钢结构建筑受剪力作用的强度，提高建筑抗震性能。

本发明的技术方案是：一种H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法，H型钢柱的翼缘板和腹板均采用摩擦型等强度设计原则下的高强度螺栓+拼接板的双剪连接；翼缘板和腹板全部按净截面面积计算拼接面积，再校核验算高强螺栓数量。

所述翼缘板和腹板全部按净截面面积计算拼接面积，并在摩擦型等强度条件下进行连接设计，其计算公式：

轴力N_n＝A_n×f

弯矩M_n＝W_n×f

剪力V_n＝A_nw×f_v

M_n：构件净截面的最大弯矩承载力，W_n：构件的净截面模量，V_n：构件净截面的最大剪力承载力，A_nw：构件腹板的净截面面积，柱构件净截面的最大轴压力承载力，A_n：构件的净截面面积，f：钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，f_v：钢材的抗剪强度设计值。

所述施工方法还包括：

1)按等强度设计原则确定翼缘板、腹板所用螺栓数量；

2)确定翼缘板单侧高强螺栓的数目；

3)确定腹板单侧高强螺栓的数目；

4)验算拼接截面长度，确保拼接截面的强度、刚度不低于原截面；

5)拼接处抗震极限承载力的验算。

所述施工方法还包括高强度螺栓连接长度计算：

L＝δ+H+n×h+c

L—高强度螺栓的连接长度；δ—连接构件的总厚度mm；H—螺母高度mm，取0.8D，D为螺栓直径；n—垫片个数；h－垫圈厚度mm；c—螺杆外露部分长度mm，取5mm；

计算后取5的整倍数。

所述施工方法还包括高强螺栓的施工扭矩计算确定：

Tc＝K·Pc·d

式中：Tc—施工扭矩，单位：N·m；K—高强度螺栓连接副的扭矩系数平均值，取0.110～0.150之间；Pc—高强螺栓施工预拉力，单位：kN；d—高强螺栓螺杆直径，单位：mm。

一种H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构，由H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法拼接而成，该结构的翼缘板和腹板均采用高强度螺栓连接。

所述H型钢拼接的高强螺栓的性能等级为10.9级，材料为Q235B,规格为M16以上。

本发明的有益效果是：

本发明的方法采用等强度设计原则下的深化设计计算，H型钢柱的翼缘板和腹板均采用摩擦型等强度设计原则下的高强度螺栓+拼接板的双剪连接；高强螺栓连接具有如下优点：

1、施工速度快，比焊接的工序减少很多；比全焊接进度快1/3。

2、质量容易保证，由于焊接工序工艺材料的要求更加复杂，控制点更加多。螺栓连接更容易保证施工质量。

3、螺栓连接只需要扳手，减少了电焊机、电焊条等，施工成本低。相比全焊接成本节约1/4。

本发明由于采用完全抗剪工况下等强度连接设计方法，能提高钢结构建筑受剪力作用的强度，提高建筑抗震性能。

附图说明

图1为本发明的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构立体示意图；

图2为本发明的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构平面示意图；

图3为图2的左视图；

图4为图2的横向剖视图；

图5为本发明的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工安装流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明的等强度设计原则下的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构，由H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法安装拼接而成，该结构的翼缘板1和腹板2均采用高强度螺栓3连接。

本发明的主要改进以下方面：

1)连接方式改进：通常做法是，翼缘板采用高强螺栓连接，腹板采用焊接；或者，翼缘板采用焊接，腹板采用高强螺栓连接。改进后，翼缘板和腹板均采用高强度螺栓连接。

2)设计计算模型改进：等强度设计方法，现有技术通常做法是：(1)沿用精确设计计算法——连接构件翼缘和腹板按其惯性矩比例分担截面处的弯矩，而剪力全部由腹板承担；(2)沿用简化设计计算法——连接构件翼缘承担所有的弯矩，而腹板承担所有的剪力。

改进以后，翼缘板采用摩擦型等强度设计原则下的高强度螺栓+拼接板的双剪连接；腹板的连接采用摩擦型等强度设计原则下高强度螺栓+拼接板的双剪连接。

3)对型钢柱拼接板——翼缘板及腹板，全部按净截面面积计算拼接面积，再校核验算高强螺栓数量。

本发明的技术关键点：

1)连接方式。H型钢柱的连接，翼缘板采用摩擦型等强度设计原则下的高

强度螺栓+拼接板的双剪连接；腹板的连接采用摩擦型等强度设计原则下高强度螺栓+拼接板的双剪连接。

2)对型钢柱拼接板——翼缘板及腹板，全部按净截面面积计算拼接面积，再校核验算高强螺栓数量。

3)构件制作时应严格按照设计要求，多采用机械下料，保证破口尺寸及加工精度。构件安装时采用多点观测、多次复核以减少测量误差。冬雨季采取有效的措施，以保证钢构件焊接质量。

4)保证钢柱对接质量。合理利用塔吊，每层分节吊装，可以减轻吊装重量，有利于安装时精确校核钢柱垂直度。

本发明的适用范围：

本工法适用于H型钢混凝土柱结构以及纯钢结构的钢柱连接施工，尤其适用于装配式建筑的H型钢柱连接。

本发明的设计计算要点：

1)依据《钢结构连接节点设计手册》给出的设计方法，并结合《钢结构高强螺栓连接技术规程》(JGJ82—2011)和《建筑抗震设计规范》(GB5001l一2010)给出H型钢柱等强度设计原则下高强螺栓连接设计计算方法，等强度设计方法按与被连接构件翼缘和腹板净截面等强度条件来进行连接设计。计算公式：

轴力N_n＝A_n×f

弯矩M_n＝W_n×f

剪力V_n＝A_nw×f_v

M_n：构件净截面的最大弯矩承载力，W_n：构件的净截面模量，V_n：构件净截面的最大剪力承载力，A_nw：构件腹板的净截面面积，柱构件净截面的最大轴压力承载力，A_n：构件的净截面面积，f：钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，f_v：钢材的抗剪强度设计值。

2)确定柱翼缘、腹板拼接板尺寸

(1)按等强度设计原则确定柱翼缘、腹板螺栓数量

(2)确定翼缘单侧高强螺栓的数目

在计算翼缘和腹板螺栓数目时假设：①翼缘和腹板共同承担弯矩；②柱腹板承担全部剪力。

(3)确定腹板单侧高强螺栓的数目

(4)验算拼接截面长度，确保拼接截面的强度、刚度不低于原截面。

(5)拼接处抗震极限承载力的验算

3)高强度螺栓性能要求

H型钢拼接高强螺栓性能等级为10.9级，Q235B,规格为M16以上。高强螺栓摩擦面处理方法为喷砂(丸)，连接板摩擦面系数根据材质划分，Q235为0.45，Q345及Q390均为0.50。

4)高强度螺栓连接长度的确定

(1)高强度螺栓连接长度确定如下表1所示：

表1

高强度螺栓连接长度计算公式：

L＝δ+H+n×h+c

L—高强度螺栓的连接长度；

δ—连接构件的总厚度mm；

H—螺母高度mm，取0.8D(D螺栓直径)；

n—垫片个数；

h－垫圈厚度mm；

c—螺杆外露部分长度mm(2-3扣为宜，一般取5mm)；

计算后取5的整倍数。

(2)安装临时螺栓时：用冲子校正孔位，用临时螺栓进行组装，在每个节点上应穿入的临时螺栓和冲钉数，由安装时可能承担的荷载计算确定，并应符合下列规定：

(a)不得少于节点螺栓总数的1/3；

(b)每个节点临时螺栓不得少于2个；

(c)冲钉穿入数量不少于2个，不宜多于临时螺栓的30％。

(d)高强度螺栓连接处，板叠上所有螺栓孔，均应采用量规检查，其中通过率为：用比孔的公称直径小1.0mm的量规检查，每组至少应通过85％；用比螺栓公称直径大0.2～0.3mm的量规检查，应全部通过。

(e)不允许使用高强度螺栓兼做临时螺栓，以防螺纹损伤，一个安装段完成后，经检查确认合格后，方可安装高强度螺栓。

5)高强度螺栓的紧固：

构件按设计要求组装并测量校正、紧固合格后，开始紧固螺栓，高强度螺栓紧固分为初拧、终拧。对于大型节点应分为初拧、复拧、终拧。初拧紧固至螺栓标准预拉的60～80％，终拧紧固至螺栓标准预拉力。偏差不大于±10％。高强度螺栓的初拧、复拧和终拧应在同一天完成。初拧可用电动扳手，风动扳手或手动扭矩扳手，终拧多用电动扳手，如空间狭窄时，也可用手动扳手进行终拧。

(1)高强螺栓的施工扭矩可由下式计算确定。

Tc＝K·Pc·d

式中：Tc—施工扭矩(N·m)；

K—高强度螺栓连接副的扭矩系数平均值。该值由复试时测得的平均值(应在0.110～0.150之间，代入上式计算Tc值)；

Pc—高强螺栓施工预拉力(kN)(见表2)；

d—高强螺栓螺杆直径(mm)。

表2 大六角头高强螺栓施工预拉力(kN)

(2)扭剪型高强螺栓的拧紧：

①初拧扭矩值为0.13×Pc×d的50％左右。复拧扭矩等于初拧扭矩值。

表3 扭剪型高强度螺栓初拧扭矩值

②扭剪型高强螺栓紧固：是将专用扳手套在预紧后的高强螺栓上，内套筒插入螺栓尾部的梅花头，然后微转外套筒，使其与螺母对正，并推至螺母根部：接通电源开关，内外套筒背向旋转将螺栓紧固(初拧时先设定好初拧扭矩值)，待紧固到设计扭矩时，将梅花头切口扭断；关闭电源，将外套筒脱离螺母，从内套筒弹出梅花头，紧固完毕。

如图5所示，本发明的施式安装流程：

连接顺序为随着构件的吊装顺序由中心到外侧进行连接。

应用实例:

(一)某商贸中心，结构概况：

总建筑面积178484.68㎡，其中地下面积58086.81㎡，地上面积120397.87㎡。由3栋塔楼、裙楼及三层地下室组成，1#塔楼最大高度为120.7m，24层，除局部边柱外，大量采用H型钢混凝土柱，规格300×300，300×400，300×500。钢柱共计84根。使用大六角头高强螺栓约50000套，螺栓性能规格为M24。

地下室负一层层高8.5米，宴会大厅最高24.5米；地下室负二层板厚620和520mm，柱帽最厚870mm；商业裙房部位粱跨度超过18米；地下室底板板厚1米，承台最小厚度1.5米，最大厚度5.9米。应用效果良好。

(二)、深化设计

1)深化设计图

2)螺栓受力计算

(1)H型钢参数(选取最小规格HW300×300进行计算)

(2)构件所能承担最大内力值，根据公式：

轴力：N _n＝A_n×f＝(300××10+300×15×2)×215＝2580KN

弯矩：M _n＝W_n×f＝1340×215＝288KN.m,

剪力：V_n＝A_nw×f_v＝(300-15×2-20×3)×10×125＝252.5KN，该剪力100％由腹板承担

3)翼缘和腹板受力特性

根据H型钢柱节点拼接手册，等强度设计法，翼缘和腹板按其惯性矩的比例分担全截面的弯矩。腹板承担截面腹板截面面积能承担的轴向压力、全部剪力和腹板所承担的弯矩。

腹板承担最大轴向力

构件腹板所能承担的最大轴向力：

N_f＝A_nw×f＝210×10×215＝451KN

弯矩分配翼缘(Wx)75％，腹板(W_y)25％

腹板承担弯矩M_f＝25％×288＝72KN.m

翼缘承担的弯矩：My＝75％×288KN＝216KN.m

弯矩作用下翼缘承受正应力：

4)螺栓承载力验算

高强螺栓性能参数：等级10.9，抗滑移系数0.45，螺栓直径24，截面积A＝9.94E+04(mm²)，柱的毛截面惯性矩Ioc＝2.06E+10，抗弯应力f＝265，抗剪应力fv＝155，腹板单个螺栓抗剪力Nvbw＝182，翼缘板单个螺栓抗剪力Nvbw＝182，腹板螺栓孔直径dfc＝24，翼缘螺栓孔径dwc＝24，翼缘、腹板螺栓间距d＝70

(1)翼缘螺栓验算

翼缘承受弯矩：

翼缘螺栓抗弯正应力满足。

(2)腹板螺栓计算

螺栓群中受力最大的螺栓由弯矩产生的剪力：

分配到两个方向，

由轴力产生的单个螺栓剪力(腹板一边螺栓数量先设定为10)：

V2＝N_f/10＝451/10＝45KN

由剪力产生的单个螺栓剪力(螺栓数量先设定为10):

V3＝V/10＝252/10＝25.2KN

以上三力合并：

螺栓允许抗剪承载力：

V5＝0.9×n_f×μ×fv＝0.9×2×0.45×155＝125.5KN>V4

腹板螺栓满足。

5)抗震验算

按照《建筑抗震设计规范》8.2.8进行极限承载力验算：

Mj螺栓的极限抗弯承载力≥ηMs塑性受弯承载力，η为连接系数。柱的拼接，取连接系数1.3

翼缘螺栓验算

σ_my,j＝168×1.3＝218.4<265，满足。

腹板螺栓验算

V_4j＝65.7×1.3＝85.4<125.5，满足。

Claims (7)

1.一种H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法，其特征在于：H型钢柱的翼缘板和腹板均采用摩擦型等强度设计原则下的高强度螺栓+拼接板的双剪连接；翼缘板和腹板全部按净截面面积计算拼接面积，再校核验算高强螺栓数量。

2.根据权利要求1所述的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法，其特征在于：所述翼缘板和腹板全部按净截面面积计算拼接面积，并在摩擦型等强度条件下进行连接设计，其计算公式：

轴力N_n＝A_n×f

弯矩M_n＝W_n×f

剪力V_n＝A_nw×f_v

M_n：构件净截面的最大弯矩承载力，W_n：构件的净截面模量，V_n：构件净截面的最大剪力承载力，A_nw：构件腹板的净截面面积，柱构件净截面的最大轴压力承载力，A_n：构件的净截面面积，f：钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，f_v：钢材的抗剪强度设计值。

3.根据权利要求1所述的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法，其特征在于：所述施工方法还包括：

1)按等强度设计原则确定翼缘板、腹板所用螺栓数量；

2)确定翼缘板单侧高强螺栓的数目；

3)确定腹板单侧高强螺栓的数目；

4)验算拼接截面长度，确保拼接截面的强度、刚度不低于原截面；

5)拼接处抗震极限承载力的验算。

4.根据权利要求1所述的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法，其特征在于：所述施工方法还包括高强度螺栓连接长度计算：

L＝δ+H+n×h+c

L—高强度螺栓的连接长度；δ—连接构件的总厚度mm；H—螺母高度mm，取0.8D，D为螺栓直径；n—垫片个数；h－垫圈厚度mm；c—螺杆外露部分长度mm，取5mm；

计算后取5的整倍数。

5.根据权利要求1所述的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法，其特征在于：所述施工方法还包括高强螺栓的施工扭矩计算确定：

Tc＝K·Pc·d

式中：Tc—施工扭矩，单位：N·m；K—高强度螺栓连接副的扭矩系数平均值，取0.110～0.150之间；Pc—高强螺栓施工预拉力，单位：kN；d—高强螺栓螺杆直径，单位：mm。

6.一种H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构，由权利要求1-5任一所述的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接施工方法安装拼接而成，其特征在于：该结构的翼缘板和腹板均采用高强度螺栓连接。

7.根据权利要求6所述的H型钢柱高强螺栓摩擦型连接结构，其特征在于：所述H型钢拼接的高强螺栓的性能等级为10.9级，材料为Q235B,规格为M16以上。