高强度螺栓连接设计要点

高强度螺栓连接设计是钢结构设计中的核心环节。连接设计的合理性不仅影响结构安全，也直接关系到施工可行性和工程造价。根据 GB 50017-2017《钢结构设计标准》和 JGJ 82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》，本文系统梳理高强度螺栓连接的设计要点。

1. 连接类型的选择

1.1 摩擦型连接 vs 承压型连接

这是高强度螺栓连接设计的首要选择：

对比项	摩擦型连接	承压型连接
承载机理	板件摩擦力传递剪力	螺栓杆壁和孔壁承压传递剪力
孔壁受力	孔壁不受压（预留间隙）	孔壁承压，允许一定变形
适用荷载	直接承受动力荷载（吊车梁等）	静载或间接动载结构
设计重点	摩擦面抗滑移系数、预拉力	螺栓抗剪、承压、板件净截面
变形能力	较小	较大
预拉力要求	必须施加设计预拉力	需施加预拉力但非决定性因素

1.2 选型建议

• 抗震结构：应采用摩擦型连接，连接系数按 GB 50011 执行
• 工业厂房吊车梁：摩擦型，重级工作制吊车必须摩擦型
• 门式刚架梁柱连接：通常采用承压型或半刚性连接
• 普通框架连接：根据荷载性质，两种均可选用

2. 螺栓布置与构造要求

2.1 螺栓间距要求

根据 JGJ 82，螺栓间距应满足以下最小要求：

间距类型	要求	目的
最小间距（沿受力方向）	≥ 2d₀（d₀为孔径）	便于施工、保证钢板承载力
最小端距（顺力方向）	≥ 1.5d₀（剪切边）/ 1.3d₀（轧制边）	防止钢板端部撕裂
最小边距（垂直力方向）	≥ 1.5d₀	防止边缘应力集中
最大间距	≤ 12t 或 ≤ 180mm（外排）/ 24t 或 300mm（内侧）	防止板件翘曲、保证密水性

2.2 常用构造原则

• 螺栓排列优先采用并列布置，便于施工和质量控制
• 在角钢、槽钢等型钢上布置螺栓时，应注意肢翼缘宽度的限制
• 同一连接接头中，不允许采用不同直径混合布置
• 螺栓连接不宜超过9列，超过时需进行特别验算
• 高强度螺栓孔应采用钻孔，不得气割扩孔

3. 承载力设计计算

3.1 摩擦型连接抗剪承载力

单个螺栓的抗滑移系数设计值：

• 喷砂/喷丸：μ = 0.45
• 喷砂后涂无机富锌漆：μ = 0.35
• 喷砂后热镀锌：μ = 0.25
• 钢丝刷除锈：μ = 0.30

抗剪承载力：N = 0.9n_f μ P

• n_f：传力摩擦面数目（双剪=2）
• μ：抗滑移系数
• P：螺栓预拉力设计值

3.2 承压型连接抗剪承载力

承载力取以下三项的最小值：

1. 螺栓杆受剪：N_v^b = 0.9n_v A_e f_v^b
2. 孔壁承压：N_c^b = d Σt · f_c^b
3. 板件净截面抗拉：A_n · f

3.3 同时承受剪力和拉力

高强度螺栓同时承受剪力和拉力时，应满足：

(N_v/N_v^b)² + (N_t/N_t^b)² ≤ 1

同时，N_v ≤ N_v^b，且 N_t ≤ 0.8P（拉力不应超过预拉力的80%，以保证夹紧力不丧失）

4. 预拉力设计值

GB 50017 规定的螺栓预拉力设计值：

螺栓规格	10.9级预拉力 P (kN)	12.9级预拉力 P (kN)
M16	100	120
M20	155	190
M22	190	235
M24	225	275
M27	290	355
M30	355	430

5. 常见设计问题

5.1 端板连接设计

门式刚架等端板连接是高强度螺栓的典型应用场景：

• 端板厚度应满足撬力作用下的强度要求
• 柱翼缘厚度较薄时，需设置加劲肋
• 端板连接通常按T形受拉节点计算
• 高强螺栓应尽量布置在翼缘内侧，减小撬力影响

5.2 梁柱连接设计

• 采用端板连接时，螺栓宜对称布置
• 腹板域加劲肋设置应与螺栓群协调
• 地震区应进行梁端内力调整，确保连接先于构件屈服

5.3 柱脚设计

• 锚栓通常采用Q355或Q390，不属于高强度螺栓范畴
• 柱脚底板与基础间灌浆料应保证密实
• 外包式柱脚需验算混凝土抗冲切

6. 设计例题

题目：某 HS10.9 高强度螺栓双剪连接，M24，板厚 2×10mm，喷砂处理，求单颗螺栓的摩擦型抗剪承载力。

解答：

• 查表：M24 / 10.9 级，P = 225 kN
• 喷砂处理：μ = 0.45
• n_f = 2（双剪）
• N = 0.9 × n_f × μ × P = 0.9 × 2 × 0.45 × 225 = 182.25 kN

结论

高强度螺栓连接设计需要综合考虑结构安全、施工可行性和经济性。设计时应根据荷载性质正确选择连接类型（摩擦型/承压型），严格按照构造要求布置螺栓，并进行详细的承载力验算。特别注意摩擦面的处理方式和抗滑移系数的选用，这是摩擦型连接的设计重点。