锅炉钢结构高强螺栓连接节点使用中美规范验算的比较.pdf

余 热 锅 炉2 O 0 9 ． 3 1 3 锅炉钢结构高强螺栓连接节点使用 中美规范验算的比较 杭州锅炉集团股份有限公司许 春 阳 摘 要 随着电站锅炉出口项 目的不断增加， 许 多国外项目要求采用美国规范 对锅 炉钢结构进 行设计， 因此本 文对锅 炉钢 结构 高强螺栓连接 节点分别采 用中国 G B 5 0 0 1 72 0 0 3 及美 国A N S I ／ A I S C 3 6 00 5规范验 算并 比较 ， 以期为工程技术人 员使 用美国A I S C 规范提供参考。 关键词 高强螺栓连接设计规范计算方法A I S C 前 言 高强螺栓连接节点 目前 已经在锅炉钢结 构设计 中有 了广泛的应用 ， 它的强度设计直 接影响到钢结 构的性 能， 是钢结构设计时的 重要 内容。我 国的高强螺栓设计规范主要采 用钢结构设计规范 G B 5 0 0 1 72 0 0 3 ， 而美 国 的设计规范 目前为 A N S I ／ A I S C 3 6 0 05。两国 规范对高强螺栓 的计算要求不尽相 同， 我们 通过对具体的工程实例进行分析 比较 ， 找到 规范中的异 同 ， 以供本 专业人员设计 和学习 参考。 1 美国钢结构规范介绍 1 ． 1 概 况 目前 ， 美 国钢结构设计规范主要为 2 0 0 5 年 3月 由 A I S C 美 国钢结 构协会 ， A m e ri c a n In s t i tu t e o f S t e e l C o mtmc t io n 颁布的 建筑钢 结构 规范 S p e c i fi c a t io n f o r S t r u c tu r a l S teel B u i l d i n g s ， 以下简称 A I S C规范 ， 该规范包括 了 A S D 容 许 应 力 和 塑 性 设 计 ， A l l o w a b l e S t r e s s D e s i g n a n d P l a s t ic D e s ig n 容许应力法和 L R _C D 荷载抗力系数设计 ， L o a d a n d R e s i s t a n c e F a c t o r D e s ig n 概率极限状态设计法两种方 法 ， 并且被各国设计人员广泛接受， 可 以作为 国外项 目的执行规范来使用。 A I S C 规范中， 对于高强螺栓的规定较为 详细 ， 又 由于 L R F D概率极 限状态设计法与 我国的分项系数表达式类似 ， 因此本文的工 程实例中采用 L R F D方法对摩擦型高强螺栓 连接节点进行验算。 1 ． 2 L R F D概率极限状态设计法 美国 A I S C规范 中 L R F D概 率极 限状态 设计法有两种极限状态 ， 即承载力极 限状态 S t r e n g t h L i m i t S t a t e s 和正 常使用 极 限状态 S e r v i c e a b i l i t y L i mi t S t a t e s 。承载力极 限状态 是指构件的受拉屈服、 剪切断裂及失稳 ， 对应 于构件的最大承受荷 载的能力 ； 正常使用极 限状态是指构件的变形不能太大而影响其功 能。在设计时， 应控制设计载荷不大于构件 的设计承载力 ， 其设计表达式为 i Q i ≤ 鲫 1 式中 Q 一 荷载标准值， k N ； 7 ￡ 一 荷载系数 ； 一 构件抗力标准值， k N ； 一 抗力系数。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 9 ． 3 1 5 力为 Ⅳ 1 9 o I 1 0 5k N 2 21 2 224 2 一 在 作用下 ， 一个最外排螺栓所受剪力 为 警 5 ． 6 2 5 k N ． ． 一 个最不利螺栓的荷载设计值为 Nt 1 0 5k N 5． 6 2 5k N 2 ． 2 使用 G B 5 0 0 1 7进行验算 Nt 1 0 5k N 5． 6 2 5k N ． ．此螺栓的强度满足 A I S C规范要求。 2 ． 4 说 明 此算例仅验算了最不利螺栓的设计承载 力， 偏于保守 。由于弯矩对各排螺栓所 产生 的拉力不同， 因而其抗剪承载力也不同。若 按使连接节点所受剪力小于等于节点中各排 螺栓抗剪设计承载力的总和来验算， 则会获 得更为合理的结果 。 3 中美规范比较 3 ． 1 高强螺栓摩擦型连接承受剪力 1 G B 5 0 0 1 7中规定的摩擦型高强螺栓 的承载力 0 ． 9 P 4 式 中 Ⅳ一摩擦面数； 一 摩擦面的抗滑移系数 ； JP 一 一个高强螺栓的预拉力， k N 。 2 A I S C规范中规定的滑移抗力设计值 R e - O h 。 2 3 比较 区别一 A I S C规范考虑了不 同的螺栓孔 型对于摩擦型高强螺栓滑移抗力 的影 响， 即 孔型系数 ， 分别按照标准孔、 扩大孔、 短槽 孔和长槽孔取值 ， 并且根据荷载方向的不同， 取值分别为 1 ． 0 、 0 ． 8 5 、 0 ． 7和 0 ． 6 ， 在计算时 应加以区别 ； 而 G B 5 0 0 1 7则统一采用折减系 数 0 ． 9来考虑。相对来讲 ， A I S C考虑的更为 全面和精确一些。 区别二 A I S C规范中滑移系数 的取值 仅与表面处理的等级有关 ， 与钢材材质无关 ， 对 A级表面 不漆 ， 表 面清锈或 喷砂后 A级 涂层 取 ／_ t 0 ． 3 3 ， B级表面 不漆 ， 喷砂或喷 砂后 B级涂层 取 0 ． 5 0 ， C级表面 热浸锌 和粗糙表面 取 0 ． 3 5 ； 而 G B 5 0 0 1 7中 的 取值与钢材材质和表面处理方法都有关系 ， 并且取值比A I s c规范更为复杂， 具体值见表 l 。 3 ． 2 高强螺栓摩擦型连接承受剪力和拉力 两国规范都认为 ， 当高强螺栓摩擦型连 接承受给定的拉力时， 会引起夹紧力的降低 ， 但是处理方法又有所不同。 1 G B 5 0 0 1 7 规定， 当高强螺栓摩擦型连 接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴力方 向的外拉力时， 其承载力应采用直线相关公 式， 表达如公式 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 余 热 锅 炉2 0 0 9 ． 3 表 1 G B 5 0 0 1 7中规定的摩擦面抗滑移系数 构件的钢号 在连接处构件接触面的处理方法 Q 2 3 5 Q 3 4 5 喷砂 丸 o ． 4 5 0 ． 5 O 喷砂 丸 后涂无机富锌漆 0 ． 3 5 o ． 4 0 喷砂 丸 后生赤锈 0 ． 4 5 0 ． 5 0 钢丝刷清除锈或未经处理的干净轧制表面 0 ． 3 0 0 ． 3 5 Nv Nt ≤ 1 5 ≤ 式 中 一一 个螺栓所受剪力 ， k N； Ⅳ 一 一个高强度螺栓抗剪承载力设计 值 ， k N； 一一 个螺栓所受拉力 ， k N ； 』Iv 一 一个高强度螺栓抗拉承载力设计 值 ， k N 。 将公式 4 及 N 0 ． 8 P代入公式 5 ， 即可得到单个高强螺栓的抗剪承载力公式 N 0 ． 9 n y z P一1 ． 2 5 6 2 A I S C 规范规定 ， 当摩擦型连接承受拉 剪力时， 此时按照公式 2 计算 的单个螺栓 滑移抗力须乘以折减系数 k ， 此时高强螺栓 的抗剪承载力公式为 R D 。 7 式中各符号定义与章节 1 ． 3一致。 3 比较 区别一 使用 G B 5 0 0 1 7规范计算高强螺 栓时， 不论是公式 5 还是公式 6 的方法 ， 计 算量都很大； 而 A I S C规范中采用了折减系 数 ， 使得计算量降低， 并且易于掌握。 区别二 G B 5 0 0 1 7中规定 ， 当外 拉力 过大时， 螺栓将发生松弛现象， 这样就丧失了 摩擦型连接高强度螺栓的优越性 。为避免螺 栓松弛并保留一定的余量， 因此 G B 5 0 0 1 7规 范规定 每个高强度螺栓在其杆轴方向的外 拉力的设计值 不得大于 0 ． 8 P 。 而在 A I S C规范中， 单个摩擦型高强螺栓 拉、 剪连接计算应乘 以折减系数 ， 将 D 1 ． 1 3 代入， 得到 1 一 耘 8 由公式 8 我们可 以判断 当单个螺栓 所承受 的拉力 ≥ 1 ． 1 3 T b 时， 为 0 或负 值， 此时滑移抗力 R 为0 或负值， 螺栓失效。 所以， 在 A I S C规范 中， 高强度螺栓在其杆轴 方向的外拉力的设计值 不能大于 1 ． 1 3 倍 的预拉力 死， 与 G B 5 0 0 1 7中规定的 0 ． 8 倍有 所不同， 需要在计算时加以关注。 4 结论 通过以上对中美钢结构设计规范中关于 高强螺栓的 比较分析， 我们可以看到 1 两国规范对于高强螺栓 的计算基本 出发点是相同的。 2 中国标准的大六角高强度螺栓可以 使用 A I S C规范验算强度 ， 但须注意 高强螺 栓 的预紧力应按我国相关标准取值 。 3 A I S C规范对高强螺栓的研究全面而 细致 ， 其设计方法 比较成熟 。而中国规范对 于一些问题还无法在设计计算中加以考虑， 例如连接孔的类型问题等 ， 在实验研究方面 还有大量的工作要做， 并且对于摩擦型连接 的承载力要求较为保守 ， 在实际工程 中可能 下 转封 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 9 ． 3 4 ． 3 横 向风振 动态风荷载 计算差异 双方关于风荷载计算上最大的差异点就 是横向风振 动态风荷载 计算。首先， 中国 认为须 先根据 烟 囱的结构来计 算 出雷诺 系 数 ， 然后判断结构有无微风 、 超 临界 、 跨 临界 共振 ， 然后再用烟 囱的顶部风速与临界风速 比较来判断烟囱是否有进入跨临界横风共振 范围的区域； 其次， 中国规定计算出横向风振 以后要与顺风 向荷载组合 ， 而对是否计算疲 劳则没有说明 ； 最后 中国标准里对烟 囱没有 进行卵形变形的计算 。而美国则是直接用烟 囱5 ／ 6 高度处的风速与 I ． 2 倍的临界风速比 较来判断是否需要计算动态风荷载 ； 美 国规 定动态风荷载不与顺风向荷 载组合 ， 在一定 条件下则需要验算疲劳 ； 且美国规范则要求在 一 定的条件下对烟 囱进行卵形变形计算并采 取措施加强 ， 为了防止烟 囱产生卵形变形， 美 ． ．- 一 一一 --一*-一 卜 一 卜 - - 卜 一 卜-一-卜- 上接第 1 2页 当钢管 材料价格 为 6 O O O元／ 吨， 翅 片价 格与每吨光管缠绕翅片加工费均为 2 5 0 0元 情况下 ， 选择小管径 、 高翅片、 小翅片节距 的 翅片管可使受热面材料成本费用最低 。 国给出了 需要的最小环向加劲肋的截面模量。 5 结论 根据 比较双方标 准的共 同点和差异点， 我们发现 中国和美国在风荷载计算上具有统 一 的基本理论 。笔者经过对同一烟囱在同样 的环境下采用不同标准计算后发现， 采用中 国标准计算和校核后与采用美国标准计算和 校核后 比较 ， 采用 中国规范计算要 比采用美 国标准计算要相对偏安全。 参考文献 [ 1 ] 建筑结构荷载规范 ． G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ． [ 2 ] 烟囱工程手册 ． 中国计划出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 3 ] M i n imu m d e s i g n l o a d s f o r b u i l d i r 1 g s a n d o t h e r t r u c t u r s } ． A S C E 70 2 ． [ 4 ] S t e e l s t a c k s ． A S M E S T S l a 一 2 0 0 3 ． 需要说 明的是 ， 以上关系是在一定结构 尺寸和一定热力状态下得出的， 当条件改变 时 ， 结果可能与上述关系相反。锅炉设计中 ， 应通过优化设计来得到最佳结构。 上接 第 1 6页 很难灵活处理 。 4 表面上看， A I S C规范中高强度螺栓的 参考文献 承载力比中国高强 度螺栓 的承载力大很多 ， 1 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 实际上， 因规范体系不同， 荷载取值和组合也 [ 2 ] A IS C S p e c ifi c a fi o n f o r m 耐 B u il d in g s 不同， 到底有多大差别还需做更多细致工作 。 。 a n n n n 。 c 。 瑚 廿 u 。 n 玄 比彩c 。 [ 3 3魏明钟 ，钢结构 ． 武汉理工大学出版社 ． 2 O 0 2 ． 上接第 2 7页 2 ] 火力发电设备技术手册． 中国动力工程学会主 力计算标准方法 5 7版 ． 编 ． [ 4 ]王福银译 ． 关于喷水减温期 的计算． 电力技 [ 3 ]A． M． 古尔维奇、 H． B． 库兹涅佐夫 ， 锅炉机组热 术 ． 1 9 6 5 ． [ 5 ] 锅炉机组蒸汽过热器． 武汉锅炉厂出版． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m