中美钢结构节点设计差异对铁塔设计的影响

崔宏祥，李亚琳

（1.陕西省电力设计院，陕西西安 710054；2.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048）

在我国电力设计企业“走出去”的过程中，在输电线路工程上，铁塔重量一直是影响中标率的关键因素。铁塔重量除了材质、荷载、方法等大的方面外，节点设计上的差异也是不容忽视的一个方面。国外铁塔设计往往采用美国规范，螺栓的强度设计值、设计方法、保证手段和焊缝的计算方法等方面与我国规范有一定的差异，这些差异直接导致了按我国规范设计铁塔重量上的增加。

1 螺栓比较

1.1 强度设计值

美国常用的高强螺栓主要有A325和A490两种等级，与我国的8.8级和10.9级高强螺栓的强度设计值不同，详见表1。

由表1可见，我国8.8级高强螺栓的抗拉强度fu与美标的A325几乎相当，而抗剪强度fv只有A325的0.6倍（按ACI360-2005） 或0.55倍（按ACI360-2010）；10.9级高强螺栓的抗拉强度与美标的A490几乎相当，而抗剪强度只有A490的0.6倍（按ACI360-2005）或0.54倍（按ACI360-2010）。这也就是说，对铁塔这种大多数螺栓承受剪力的结构，按中国规范计算出的螺栓数目要比美国规范多出近一倍；除螺栓本身重量外，还会引起连接板重量及塔身风荷载的增加，并由于连接板尺寸的增大导致部分节点构造复杂、重量加大。

表1 中美螺栓设计强度Tab.1 Bolt design strengths in the USA and China

1.2 高强螺栓拧紧状态校验方法比较

除了高强螺栓的强度值不同之外，中美两国的高强螺栓的拧紧状态校验方法也有所不同，以下是两国规范都有的方法：

校正扳手法（Calibrated Wrench Tightening）；

断尾扭力控制法（Torque Control Bolts）。

校正扳手法以及断尾扭力控制法都属于力控制（Force Control）法，这两种方法有个共同缺点，即通过扳手施加的扭力需要克服螺栓头与垫圈之间及螺纹与螺帽间的摩擦力等，这些摩擦力会影响最终螺栓对连接构件的紧固力。

美国结构节点研究委员会（RCSC）发布的标准[2]之“8.2 Pretensioned Joints”一节还给出了两种位移控制法，即直接拉力指示器法（Direct Tension Indicator）以及螺帽旋转法（Turn-of-Nut Tightening，或者叫做角度控制法Angle Controlled Tightening，20世纪50年代就被采用）。这两种方法目前在我国钢结构规范中还没有采用，兹做简单介绍。

“螺帽旋转法”指将螺栓拧到紧贴（Snug-Tight）状态，使被紧固连接件的结合面接触至紧密状态，然后在螺杆、螺帽以及连接件上画一直线作为记号，见图1，然后用扳手将螺栓继续拧紧至一个具体要求，见表2，以达到文献[2]之表格8.2的要求。

图1 螺栓上的直线记号Fig.1 The line mark on the bolt

表2 螺栓拧紧要求Tab.2 Tightening required of the bolt

直接拉力指示器法（Direct Tension Indicator）是另一种位移控制法，除了高强螺栓，还需要一种专门制作的垫圈和舌状探片，见图2。垫圈一面是平整的，另一面上通常有五六个凸起，其中含有有色颜料，在拧紧螺栓过程中，螺栓头或者螺母与垫片间的间隙被逐渐压缩，当间隙小到一定值时，凸起中的颜料被挤压出来，直观地表示已经达到预拉力。

文献[3]的图C-8.1.给出了采用DTI方法进行高强螺栓安装的示意图。

这两种位移控制法都不会受摩擦力的影响，比校正扳手法和断尾扭力控制法更能确保高强螺栓达到预拉力。

图2 垫圈Fig.2 Washers

1.3 中美高强螺栓最小预拉力的比较

根据文献[2]的表J3.1M以及我国标准《钢结构设计规范》[1]的表7.2.2-2，将两国高强度螺栓预拉力列于表3。

表3 中美螺栓的预拉力Tab.3 Pre-tensions of bolts in the USA and China

可见我国的8.8级和10.9级高强螺栓的预拉力与美国A325与A490高强螺栓的最小预拉力之比均在0.85~0.88。即按中国规范每个高强度螺栓的承载力设计值降低12%~15%，仍会引起螺栓数量增加。

1.4 中美高强螺栓验算方法之比较

在计算高强螺栓承压型连接的抗剪承载力时，美国规范规定高强螺栓只需拧到紧贴（Snug-Tight）状态即可，连接件间的摩擦力忽略不计。需要根据剪切面与螺杆上的螺纹是否在剪切平面内来决定剪切承载力。当剪切面穿过螺纹时，用“N”（iN）表示；当螺纹不在剪切面内时，用“X”(eXcluded)表示；摩擦型验算用“SC”（Slip Critical）表示，并在前面加上高强螺栓等级，常用表示法为“A325-N”，“A325-X”，“A490-N”，“A490-X”，高强螺栓摩擦型连接的表示方式为：“A325-SC”，“A490-SC”。

我国规范在高强螺栓承压型连接的抗剪承载力计算时也有类似规定，当剪切面在螺纹处时，其受剪承载力设计值应按螺纹处的有效面积计算。

1.5 撬力验算

当连接件所连接的构件受有轴力（例如梁下吊杆）时，需要考虑撬力对螺栓的影响。美国的钢结构设计手册根据文献[2]以及文献[3]总结了关于考虑撬力验算的公式（1），我国规范中尚未见到具体的验算条文。

2 焊缝验算

2.1 焊缝强度设计值

美国规范关于角焊缝强度与我国规范的角焊缝强度设计值列于表4。

表4 焊缝强度Tab.4 Welding strength

可见，美国的E60XX，E70XX以及E80XX等级的角焊缝抗剪强度，分别与我国的E43，E50，E55等级基本相当。

2.2 角焊缝强度计算比较

角焊缝计算长度，我国规范是对每条焊缝的实际长度减去2hf，美国规范取焊缝实际长度。

美国规范中，当荷载与角焊缝的夹角为θ时，角焊缝的抗剪强度为

式（2）计算结果见表5。

表5 剪切强度计算结果Tab.5 Results of shearing strength calculation

当焊缝段与荷载平行或者垂直时，美国规范取以下两式的较大值作为焊缝组的承载力（其中Lenlong表示与荷载方向平行的焊缝的长度，Lentran表示与荷载方向垂直的焊缝长度）：

我国规范[1]的式7.1.3.3，定义了一个斜向角焊缝强度增大系数β。对于承受静力荷载以及间接承受动力荷载的结构，β取1.22，对于直接承受动力荷载的结构，β取1.0。

2.3 算例比较

按美国LRFD算法，计算简图如图3所示。

图3 美国焊缝计算简图Fig.3 Calculated diagram of welding in the USA

图3所示的两块连接板，材质A36，焊条E70，焊脚高度1/4 in（6.35 mm），单面围焊缝。与荷载同向的角焊缝总长度Lenlong=7+7=14 in；与荷载垂直的焊缝长度Lentran=8 in，Φ取0.75。

其中，kip为美制单位，klb。

取式（5）、（6）计算结果的较大值，焊缝承载力为586 kN。

按GB50017算法，焊缝抗剪强度取217 N/mm2。如果焊缝强度按E50取200 N/mm2的话，则焊缝抗拉承载力为570 kN·200/217=525 kN，约为按美国规范计算结果的0.9倍。而焊缝强度的降低同样引起焊缝长度的增加、节点构造的复杂。

3 结语

通过比较可以看出，中美两国钢结构规范在节点构造——螺栓和焊缝设计上有明显差异，尤其是螺栓的剪切强度差异较大，对结构影响也最大。而且美国规范在强度保证方法上比我国规范先进，有值得借鉴的地方。

[1]中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003.

[2] American Institute of Steel Construction.ANSI/AISC-360-10 specification for structural steel buildings[S].Chicago，USA，2010.

[3] THORNTON W A.Prying Action—A general treatment[J].AISC Engineering Journal，1985，22（2）:67-75.