高强度螺栓作为钢结构的重要连接部件, 通常可分为摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓两类。相对于承压型高强度螺栓连接, 摩擦型高强度螺栓连接具有安装简便、刚度大、变形小、整体性好、受力可靠、耐疲劳, 且不易松动等优点。因此, 摩擦型高强度螺栓连接被更广泛地应用于工程实践, 对于其连接性能的研究也越来越受到学者们的关注。

　　 目前, 围绕摩擦型高强度螺栓抗剪连接的受力性能这一问题, 国内外学者在研究手段、分析方法以及影响因素等方面作出了较为深入的研究, 所得的研究成果丰富了高强度螺栓摩擦型抗剪连接的理论体系。本文对摩擦型高强度螺栓抗剪连接承载力影响因素的研究现状进行了回顾和总结;在国内外相关规范的基础上, 对比分析了摩擦型高强度螺栓抗剪连接承载力的计算公式及影响因素, 并结合当前的研究趋势, 提出今后摩擦型高强度螺栓抗剪连接需要重点研究的内容和方向, 为其进一步研究提供一定的参考。

　　 从1938年, 美国首次使用高强度螺栓以来, 许多国家都相继加入了研究高强度螺栓连接的行列。我国在高强度螺栓连接上的研究与应用稍晚一些, 但近年来也得到了快速发展。就摩擦型高强度螺栓抗剪性能的影响因素而言, 潘斌^[1]等提出了7类主要的影响因素, 分别是螺栓预拉力、连接板接触面的状态、螺栓剪切面位置、螺栓直径、螺距、连接板厚度、夹具类型。已有学者的相关研究表明, 以上因素对普通钢材螺栓抗剪性能的影响很小;对高强度钢材而言, 还没有相关研究。另有试验结果表明, 钢板种类对单个螺栓的剪切强度几乎没有影响, 但高屈服应力钢板的使用会使其变形能力减小^[2,3]。

　　 结合高强度螺栓抗剪连接的受力机理, 本文对摩擦型高强度螺栓抗剪连接的主要影响因素:摩擦面抗滑移系数、预拉力、钢板强度以及螺栓本身的材料特性在国内外的研究现状作简要概述。

　　 摩擦面抗滑移系数作为摩擦型高强度螺栓抗剪连接承载力的影响因素之一, 其大小与连接板件接触面之间的粗糙程度有关, 即表面越粗糙, 抗滑移系数越大, 从而阻碍接触面的相对滑动以提高螺栓抗剪承载力。研究摩擦面抗滑移系数, 最主要的是了解其影响因素和测定方法。

　　 目前, 对于摩擦面抗滑移系数的影响因素已有了非常充分的研究。Maggi等^[4]和李友志等^[5]分别利用有限元建模和钢构件连接试验的方法分析了钢材强度对摩擦面抗滑移系数的影响, 结果表明钢材强度的提高会使摩擦面抗滑移系数降低。Kim等^[6]、Annan等^[7]和国内学者^{[5,8,9,10,11,12]}研究了高强度螺栓连接件表面的处理方式对摩擦面抗滑移系数的影响, 试验结果表明采用锌/铝喷涂、锌基金属搭接面、电弧喷涂铝、喷硬质石英砂、正面喷丸除锈等方法可以有效提高摩擦面抗滑移系数;Annan等^[7]指出锌基金属搭接面获得的摩擦面抗滑移系数比喷砂处理得到的大。王继武等^[13]利用有限元分析软件ANSYS9.0分析了垫片的厚度和外径对摩擦型高强螺栓的抗滑移性能的影响。孙抒宇^[14]在摩擦学原理的基础上, 通过试验指出现场安装时随意扩孔会使摩擦面抗滑移系数降低。张萌等^[15]通过恒温恒湿快速锈蚀模拟方法, 对5组无涂层钢结构高强螺栓摩擦型连接试件进行了试验研究, 结果表明在一定的锈蚀率范围内, 连接试件的摩擦面抗滑移系数随着锈蚀率的增大而增大, 且试件滑动荷载也相应提高。

　　 对于摩擦面抗滑移系数的计算方法, 宋学东等^[16]、江文琳等^[17]和吴澎等^[18]通过理论结合试验的方法进行了研究, 结果表明预拉力对摩擦面抗滑移系数有一定的影响。

　　 摩擦面抗滑移系数的研究表明, 在生产加工和安装的过程中, 影响该系数的因素有很多种, 为了保证高强螺栓摩擦型连接的抗剪承载力, 应严格控制其生产和施工工艺。

　　 在高强度螺栓安装过程中, 通过扳手拧紧螺栓, 使其在进入工作之前预先受到作用力, 该预加的作用力即为高强螺栓的预拉力, 也称为预紧力。下文简述了国内外学者对螺栓端板连接 (图1 (a) ) 、螺栓T形连接 (图1 (b) ) 和螺栓法兰连接 (图1 (c) ) 等常用连接中预拉力的研究现状, 以及高强度螺栓预拉力的控制方法和影响因素。

　　 国内外学者对高强度螺栓预拉力影响因素的研究包括:Grundy等^[19]通过试验分析指出, 在端板的连接设计中, 螺栓规格过大会对螺栓预紧力的施加产生不利影响;Piluso等^[20]通过试验对T形高强度螺栓连接进行了研究分析, 并得出了高强度螺栓预紧力的影响因素;Ahn等^[21]和Kim^[22]等研究了螺栓头腐蚀对预拉力的影响;宋明志等^[23]通过正交试验对9组采用高强螺栓连接的钢结构试件的预拉力损失进行了四因素 (即终拧后时间、螺栓直径、连接板厚度、环境温度) 三水平影响分析, 试验结果表明终拧后时间对螺栓预拉力损失率的影响最大, 并得到了预拉力损失与终拧后时间之间的变化规律;Lou等^[24]和陈建锋等^[25]研究了高强度螺栓预拉力在火灾条件下的变化情况, 研究表明加热冷却后高强度螺栓会出现松弛现象, 其预拉力会降低。

　　 关于高强度螺栓预拉力控制方法的研究包括:周坤等^[26]和朱若燕等^[27]通过计算分析指出螺栓伸长法测得的螺栓预紧力较为精确, 且该方法最适合用于测量法兰连接中螺栓的预紧力;宋明志等^[9]通过试验比较了扭矩控制法、轴力计控制法和粘贴应变片控制法对高强度螺栓预拉力的控制, 结果表明采用在螺杆上粘贴应变片的方法, 可以更好地控制高强度螺栓的预拉力;李会勋等^[28]和施刚等^[29]很好地解决了在ANSYS有限元分析中用数值模拟高强度螺栓预拉力的问题, 李会勋等^[28]指出预紧力单元法可以很好地模拟螺栓的预紧力;张猛等^[30]在工程实践的基础上, 研制出了可对高强度螺栓直接施加预拉力的液压张拉器。

　　 虽然国内外针对螺栓预拉力施加方法的试验研究已取得了相应成果, 但由于施加方法的可操作性和螺栓预拉力的影响因素, 使其未能在实际工程中得到大规模的推广。

　　 钢板作为高强度螺栓的连接件, 其强度的变化对摩擦型高强度螺栓抗剪连接的性能也会产生一定的影响。目前就高强度钢材螺栓抗剪连接性能的研究还很少, 关于其设计方法, 各规范尚未给出具体规定, 仍在使用普通强度钢材的设计方法, 这不免会造成材料浪费。高强度钢材的屈服强度和抗拉强度, 相比普通强度钢材都有显著的提高, 但高强度钢材的塑性变形能力变差, 会对连接性能产生不利影响^[2,3,31]。

　　 针对高强度钢材螺栓抗剪连接性能的研究, 20世纪90年代末至今, 国外学者Cruz等^[32]重点研究了表面处理对S690高强度钢的影响, 通过试验测得摩擦面抗滑移系数, 并与相关规范进行了对比;Može等^[33]、Dusicka等^[34]、Puthli等^[35]和Kim等^[36]通过试验研究了螺栓孔尺寸、螺栓间距和边缘距离对高强钢连接性能的影响, 并与相关规范中的破坏荷载进行了比较, 建立了承载力计算公式;Može等^[37,38]研究了S690级高强钢板在螺栓剪拉作用下的局部延展性和阻力, 将试验阻力与欧洲规范的规定进行了比较;Jiménez等^[39]将高强钢S500MC中厚板作为螺栓连接件, 进行了一系列疲劳试验, 指出在较高的预紧力作用下, 摩擦疲劳降低, 同时建立了三维有限元模型来评估连接处的应力梯度, 并采用多轴准则来确定初始裂纹的位置。

　　 国内学者对高强度钢材螺栓抗剪连接的研究包括:石永久等^[40,41]通过高强度钢材螺栓连接的试验和有限元数值分析, 指出对于高强度钢材螺栓抗剪连接的破坏模式和连接的基本性能尚需进一步的研究分析;潘斌等^[42]结合我国《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) , 对国内外高强度钢材螺栓抗剪连接的研究进展进行了总结, 并指出了高强度钢材螺栓抗剪连接在试验研究、理论分析、有限元分析和现有设计方法四个方面研究的不足之处;随着钢结构的快速发展, 高强度钢材的受力性能具有了很多新的特点, 而我国《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) 已不能满足工程实践, 不能在最大限度上发挥高强度钢材的优点^[43]。

　　 材料特性作为影响螺栓性能最根本的一个因素, 是对比各规范中摩擦型高强度螺栓抗剪承载力不可忽略的因素。由《合金结构钢》 (GB/T 3077—2015) ^[44]可知, 国内高强螺栓常用的材质为40Cr;欧洲ISO 14723—2009^[45]规定其高强度螺栓的材料特性应符合美国ATSM A320/A320M—2015^[46];再结合美国ATSM A325—09^[47]和澳大利亚AS 4291.1—2000^[48]对高强度螺栓材料特性的相关规定, 以下对各规范中螺栓材料的主要化学成分 (表1) 和力学性能 (表2) 进行了汇总, 并加以比较。

　　 由表1可知, 中国GB/T 3077—2015对高强螺栓材料的主要化学成分中P元素和S元素的含量要求更高一些;除了澳大利亚AS 4291.1—2000没有对Mn元素的含量进行规定外, 四种规范对其他主要化学成分的规定没有太大差异。

　　 由表2可知, 中国GB/T 3077—2015对高强螺栓材料的抗拉强度和屈服强度的要求优于其他三种规范, 但是对伸长率和布氏硬度的要求低于其他三种规范的相关规定, 这是否为造成中国GB/T 3077—2015中摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力较为保守的部分原因, 仍需要进一步的试验研究。

　　 高强螺栓在实际工程中的连接方式按照受力机理可以分为抗剪连接、抗拉连接和剪-拉连接^[49]。图2为抗剪连接中的双拼接板拼接的连接方式。

　　 对图2的连接形式, 其抗剪机理为:摩擦型高强度螺栓在拧紧状态下, 使螺栓杆产生较大的预拉力, 进而使构件的接触面处于压紧状态, 当构件受拉力N, 产生移动趋势时, 可以通过接触面摩擦力阻力来阻止构件的相对滑动。其中每个螺栓的摩擦阻力为摩擦面数目n_f、摩擦面抗滑移系数μ和螺栓预拉力P的乘积。

　　 为了更清楚地了解摩擦型高强螺栓连接抗剪承载力的计算规律, 使其在结构连接中充分发挥受力性能, 对《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[50]和欧洲EN 1993-1-3^[51]、美国AISC 360—05^[52]、澳大利亚AS 4100—1998^[53]四种钢结构设计规范关于摩擦型高强螺栓抗剪连接承载力计算的相关规定进行比较 (表3) , 并根据相关的计算结果进行对比分析。

　　 由表3可知, 各规范中单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力计算公式的物理意义是一致的, 即将每个螺栓的摩擦阻力作为其极限承载能力, 同时考虑各个影响因素, 取折减后的极限承载能力作为单个螺栓的抗剪承载能力设计值。

　　 中国GB 50017—2003考虑了整个连接中各个螺栓受力的不均匀, 在单个螺栓摩擦阻力n_fμP的基础上, 乘以抗力分项系数的倒数0.9。

　　 欧洲EN 1993-1-3考虑整个连接中各个螺栓受力不均匀的同时, 也考虑了孔型对螺栓抗剪承载能力的影响, 将螺栓孔分为标准孔、扩大孔、短槽孔和长槽孔四类, 并根据螺栓孔的形状来确定系数k_s和抗剪强度局部安全系数γ_Ms的取值, 但在一般连接中均以标准孔为基准来确定系数。

　　 美国AISC 360—05与欧洲EN 1993-1-3一样, 规定该抗剪承载力与孔因数有关, 且孔因数影响系数的取值也一致;而且还考虑了螺栓安装时的平均预拉力与规定的最小预拉力的比值D_u。

　　 澳大利亚AS 4100—1998与中国GB 50017—2003相同, 仅考虑了整个连接中各个螺栓受力的不均匀, 乘系数ϕ=0.7。

　　 另外, 对摩擦面抗滑移系数的取值, 中国GB 50017—2003规定该系数的取值与钢材强度及在连接处构件接触面的处理方法有关, 国外规范对此并没有进行区分。各规范中对摩擦面抗滑移系数μ的取值见表4所示。在连接处构件接触面的处理方法中, 取喷砂 (丸) 为代表进行计算。

　　 美国规范《Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts》^[54]中给出A325和A490高强螺栓钢材的抗拉强度分别为725～825MPa和1 050MPa, 中国规范《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》 (GB/T 3632—2008) ^[55]中给出8.8S和10.9S高强螺栓钢材的抗拉强度分别为830MPa和1 040MPa。因此中国的8.8S高强螺栓和10.9S高强螺栓分别相当于美国的A325和A490高强螺栓。

　　 根据四种钢结构设计规范给出的摩擦型高强度螺栓抗剪连接时, 预拉力的计算公式及相关规定, 得到了8.8S单个高强度螺栓的预拉力值, 计算结果见表5。

　　 假设某钢板构件连接采用双拼接板拼接 (图2) , 构件承受轴心拉力, 螺栓为8.8S常用规格的高强度螺栓, 构件的接触面采用喷砂处理, 其中对中国GB 50017—2003的Q235钢材和Q345钢材分别进行计算, 则四种规范关于单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值的计算结果见表6, 另图3更清楚地展现了各规范单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值之间的变化趋势。

　　 分别对承载力计算公式、抗滑移系数μ、螺栓预拉力以及四种规范关于单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力进行分析比较:

　　 (1) 承载力计算公式。通过比较可知:各规范中所用的符号虽然有差异, 但公式的形式相似, 且本身要表达的基本意义也是一致的。为方便比较, 对公式进行同等条件下的简化, 即n表示摩擦面数目, μ表示摩擦面抗滑移系数, P表示螺栓预拉力, 化简结果见表7。当各公式按照同一规定的μ值和预拉力P进行计算时, 经比较可发现:美国AISC 360—05计算的高强度螺栓的抗剪承载力最高, 分别为中国GB 50017—2003、欧洲EN 1993-1-3、澳大利亚AS 4100—1998的1.07倍、1.20倍、1.37倍, 能更好地体现螺栓的高强性能;澳大利亚AS 4100—1998相对最为保守;而中国GB 50017—2003对该抗剪承载力的规定相对美国AISC 360—05而言, 相对保守, 但是中国GB 50017—2003计算的该抗剪承载力是欧洲EN 1993-1-3的1.13倍, 是澳大利亚AS 4100—1998的1.29倍, 相比之下中国GB 50017—2003中高强螺栓的高强性能发挥得更好。

　　 (2) 摩擦面抗滑移系数μ。从各规范可知, 摩擦面抗滑移系数μ的取值与连接构件接触面的处理方法有关。即使对相同的处理方法, 不同规范中对此系数的取值也有差异, 但有一个共同的特点, 即喷砂 (丸) 处理相对于其他的处理方法而言, 得到的摩擦面抗滑移系数最大。另外, 中国GB 50017—2003中的摩擦面抗滑移系数与钢材的强度有关, 而其他规范对此并未作要求。

　　 (3) 螺栓预拉力。根据四种规范对螺栓预拉力的规定, 中国GB 50017—2003、欧洲EN 1993-1-3、美国AISC 360—05三种都给出了预拉力的计算公式, 形式如下:预拉力=系数×钢材的最小抗拉强度×螺栓的有效面积。其中, 中国GB 50017—2003中螺栓预拉力的计算公式为:

　　 ${\rm P}=\frac{0.9\times 0.9\times 0.9}{1.2}f{}_{\text{u}}A{}_{\text{e}}$

　　 式中A_e为螺栓在螺纹处的有效面积。

　　 该公式考虑了扭紧螺栓时螺栓产生的剪应力、施工时预拉力的松弛及材料抗力的变异等影响因素。

　　 因澳大利亚AS 4100—1998中没有直接给出预拉力的计算公式, 故以下只对中国GB 50017—2003、欧洲EN 1993-1-3、美国AISC 360—05预拉力的计算公式 (表8) 进行比较。

　　 由表8可知:欧洲EN 1993-1-3和美国AISC 360—05的计算公式中系数相同, 但由于欧洲EN 1993-1-3中给出的钢材的最小抗拉强度低于美国AISC 360—05, 所以由公式计算的预拉力值与表5吻合;结合表5可得, 欧洲EN 1993-1-3中螺栓的预拉力是中国GB 50017—2003的1.11倍, 美国AISC 360—05是中国GB 50017—2003的1.15倍。比较可知, 中国GB 50017—2003中螺栓预拉力的取值相对保守, 这是由于中国GB 50017—2003中预拉力计算公式对考虑到的不利因素采用了系数折减的方法, 而美国AISC 360—05的预拉力根据美国材料试验协会标准对A325级和A490级螺栓进行的试验研究, 取0.7倍的螺栓最小抗拉强度, 相比中国GB 50017—2003, 美国AISC 360—05中公式取值相对可靠。

　　 (4) 螺栓的抗剪承载力。由于中国GB 50017—2003考虑了不同强度钢材的抗滑移系数的不同, 故对四种规范的抗剪承载力比较时按照钢材强度的不同分为Q235和Q345两种情况。计算结果比较可知:当中国GB 50017—2003按Q235钢材计算时, 得到的螺栓抗剪承载力最低;按美国AISC 360—05算得的抗剪承载力约是中国GB 50017—2003的1.37倍;另外, 欧洲EN 1993-1-3和澳大利亚AS 4100—1998两种规范求得抗剪承载力基本一样, 比美国AISC 360—05相对保守, 是中国GB 50017—2003的1.10倍左右。当中国GB 50017—2003按Q345钢材计算时, 中国GB 50017—2003、欧洲EN 1993-1-3、澳大利亚AS 4100—1998三种规范计算的抗剪承载力很接近, 相对美国AISC 360—05都要保守, 且美国AISC 360—05计算的抗剪承载力约是这三种规范的1.24倍。

　　 综上分析可知, 美国AISC 360—05中提出的高强度螺栓抗剪承载力公式得出的承载力最大, 主要有以下两个原因:1) 美国AISC 360—05考虑了螺栓安装时的平均预拉力比规定最小预拉力大的有利影响;2) 螺栓预拉力的取值相对可靠。

　　 本文总结了摩擦型高强度螺栓抗剪连接的影响因素, 分类评述了主要影响因素的研究现状。并通过中国GB 50017—2003、欧洲EN 1993-1-3、美国AISC 360—05和澳大利亚AS 4100—1998规范中有关摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值计算公式的对比, 计算了各规范中8.8S摩擦型高强度螺栓抗剪连接的承载能力设计值。结合当前的发展趋势以及工程实践的需要, 得出以下结论, 并对摩擦型高强度螺栓抗剪连接在今后的研究方向和内容给出如下建议:

　　 (1) 通过比较可得中国GB 50017—2003、欧洲EN 1993-1-3、美国AISC 360—05和澳大利亚AS 4100—1998四种规范关于摩擦型高强度螺栓抗剪连接承载力计算公式的规定相类似, 从本质意义上讲, 都是相关参数、摩擦面抗滑移系数与预拉力的乘积, 由于材质、处理工艺等因素的影响, 使各规范对它们取值的规定各不相同。另由抗剪连接承载力设计值可知:美国AISC 360—05提供的公式得出的承载力设计值最大;而中国GB 50017—2003提供的高强度螺栓抗剪承载力设计值缺乏适用于国产螺栓的大量的试验数据作为支撑, 得出的设计值偏于保守。

　　 (2) 对摩擦面抗滑移系数μ而言, 国内外都已做了大量的试验, 研究了摩擦面抗滑移系数的测定方法及影响因素。但随着高强度钢材的使用, 如何保证需要的摩擦面抗滑移系数已成为工程中不可忽视的问题, 故要满足高强度钢材的使用价值, 今后学者应在新的摩擦面处理方式上做深入研究。

　　 (3) 目前, 对于摩擦型高强度螺栓抗剪连接性能的研究尚具有一定的局限性。国内外众多学者对这一领域的研究仍停留在均匀拉剪的静荷载阶段。为了更好地发挥摩擦型高强度螺栓的连接性能, 学者应着重研究实际工程中摩擦型高强度螺栓在更复杂的受力状态 (如偏心拉剪、动荷载、间接动荷载、疲劳荷载等) 下的连接性能。

　　 (4) 四种规范对高强螺栓材料的主要化学成分的规定差异不大, 但材料的伸长率和布氏硬度是否会对摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力产生一定的影响, 需要广大学者进一步研究分析。