9.1 紧固件连接

9.1.1 本条规定了铝合金结构普通螺栓和铆钉连接的计算方法。
    1 关于普通螺栓或铆钉受剪连接的计算，欧规和英规的计算公式均可转化为同钢规相同的形式，即分别计算紧固件的受剪承载力和连接构件的承压承载力，并取其较小值作为受剪连接的承载力设计值。钢规中规定的单个螺栓抗剪强度设计值是由实验数据统计得出的，未区分受剪面是在栓杆部位还是在螺纹部位。而本规范条文中单个螺栓抗剪强度设计值是参照国外铝合金结构规范并比较强度设计值与材料机械性能值的相关关系式得出的,因此在计算公式中必须区分不同受剪部位剪切面积不同的影响。欧规中，连接构件承压承载力计算公式中考虑了紧固件端距与孔洞直径比值、中距与孔洞直径比值、紧固件抗拉强度与连接构件抗拉强度比值等参数的影响，计算公式较为复杂。如将欧规中规定的最小端距2d₀、常用中距2.5d₀代入，则计算得到的连接构件承压强度设计值为连接材料抗拉强度的1.16倍。基本相当并略高于钢规的规定。钢规的构件承压强度设计值是根据受拉构件且端距为2d₀得到的试验统计值，因此可从简仍采用钢规的公式形式，不再考虑以上参数的影响，并规定2d₀为允许端距的最小值。英规关于承压承载力的计算不仅要验算连接构件的承压强度，还要求验算紧固件的承压强度，按照该公式对本次规范中所规定的几种紧固件材料进行验算，由于紧固件的抗拉强度一般均大于铝合金连接构件的抗拉强度，因此不会发生紧固件先于构件被挤压坏的现象，故此，本规范计算公式中也不考虑验算紧固件承压强度。综上所述，受剪连接的计算公式，采用钢规的形式，可保证满足欧规、英规相应规定的安全性要求。
    2 见条文说明第4.3.5条第3款，此处单独列出以强调其重要性。
    3 关于普通螺栓杆轴方向受拉连接的计算，欧规明确要求在设计中应考虑因撬力作用引起的附加力的影响，即应采用适当的方法分析计算撬力的大小。在钢规中，不要求计算撬力，而仅将螺栓的抗拉强度设计值降低20％，这相当于考虑了25％的撬力。这样虽然简化了设计计算，但在某些情况下撬力与节点承受的轴向拉力的比值很可能会超过25％，在设计中不考虑撬力作用是不安全的，因此作出本条规定。同时考虑到缺乏充分的理论和实验研究，为保证结构的安全，螺栓抗拉强度设计值仍按降低20％取值。
    撬力作用是否显著，主要与连接板抗弯刚度和螺栓杆轴向抗拉刚度的比值有关，该比值越小，则撬力引起的不利影响越大。此外，撬力大小还与受拉型连接节点的形式、螺栓数目和位置等因素有关。对于如图17所示的双T形轴心受拉连接，给出其极限承载力的计算公式，以供参考。
    图17中所示的由4个螺栓连接的双T形节点，在轴心拉力 P 的作用下，随T形构件翼缘板抗弯刚度和螺栓杆轴抗拉刚度比值的不同，可能会发生3种不同的破坏模式，见图18。图18中黑色圆点代表翼缘出现塑性铰的位置，下面所示为翼缘板的弯矩图。
    破坏模式1：T形构件螺栓孔洞处及T形构件腹板与翼缘交接处产生塑性铰破坏。极限承载力为：P₁＝4M_p/a₁。其中，M_p＝0.25Bt²f为T形构件翼缘板的塑性抵抗弯矩，f 为翼缘材料的抗弯强度设计值，其余符号参见图17。
    破坏模式2：T形构件腹板与翼缘交接处产生塑性铰，同时螺栓被拉断。极限承载力为：  。其中，c≤1.25a₁， 为全部螺栓的受拉承载力。
    破坏模式3：螺栓被拉断。极限承载力为：  。
    连接节点的承载力应取P₁、P₂和P₃的最小值。当T形构件的翼缘板较薄时，节点容易发生模式1的破坏，撬力 Q 是非常显著的。上述公式来源于《欧洲钢结构规范》EC3，并经在同济大学完成的铝合金双T形受拉节点试验研究，证明同样适用于铝合金结构的计算。对于其他类型的受拉型螺栓连接，在设计中应结合实际情况采用适当的方法分析计算撬力的大小。

图17 双T型受拉连接

图18 双T形受拉连接的破坏模式

    4 关于普通螺栓沿杆轴方向受拉连接的计算，欧规中除规定应验算螺栓的抗拉承载力外，还提出应验算螺栓头及螺母下构件的抗冲切承载力，并将二者中的较小值作为受拉螺栓连接的承载力设计值。英规中不考虑构件抗冲切承载力的验算，美规也无此项要求。对铝合金结构而言，当所采用螺栓材料的抗拉强度超出铝合金连接构件的名义屈服强度较多时，如螺栓杆中的拉应力较大，螺栓头或螺母对连接构件的压紧应力有可能引起构件表面损伤进而使构件发生冲切破坏。因此，考虑构件抗冲切的验算是必要的。参考欧规公式，螺栓头及螺母下构件抗冲切承载力为  ，其中  为抗力分项系数。由于构件抗冲切实质上是验算构件的抗剪强度，故经变换后提出式(9.1.1-7)，式中0.8来源于  的取整值。
    5 关于同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓计算，英规为圆形相关公式，同钢规一致；欧规为直线相关公式  。本规范依据英规的设计形式，这样也可同钢规保持一致，同时应验算满足连接构件的承压承载力设计值和螺栓头及螺母下构件抗冲切承载力设计值。
9.1.2 本条规定了铝合金结构高强度螺栓摩擦型连接的计算方法。
    1 设计公式采用与钢规相同的形式。表9.1.2中一个高强度螺栓的预拉力取值来源于钢规的相应规定，该预拉力值略小于欧规及英规中规定的预拉力值。经公式变换，该设计公式满足欧规及英规的安全度要求。式（9.1.2-1)中的系数0.8是考虑了抗力分项系数1.25得到的。
    2 关于铝合金结构高强度螺栓摩擦型连接的抗滑移系数取值，欧规仅规定了“未作表面保护的标准轻度喷砂处理摩擦面”的抗滑移系数值，该值与连接板的总厚度有关，具体数值见表15。采用表中数值时，摩擦面的表面处理应符合ISO 468/1302 N10a的规定。对于采用其他的表面处理方法，欧规规定均应通过标准试件试验得出抗滑移系数值。

表15 铝合金摩擦面抗滑移系数（N10a标准轻度喷砂处理）

    英规仅规定了符合英国标准BS 2451规定要求的“喷铝砂处理摩擦面”的抗滑移系数值；对于其他的表面处理方法，规定均应通过标准试件试验得出抗滑移系数值。美规中只允许使用普通螺栓，对采用有预拉力的高强度螺栓未作相应规定。日本《铝合金建筑结构设计规范（2002年）》规定：当摩擦面的表面处理符合日本铝合金建筑结构协议会制定的《铝合金建筑结构制作要领》的要求，并且板厚在螺栓直径的1/4以上时，抗滑移系数可取0.45。
对于单面摩擦的连接，板厚在螺栓直径的1/4以上1/2以下时，抗滑移系数取0.3。此处的板厚指上下两压板厚度之和与中间板的厚度中的较小值。无表面处理以及采用其他表面处理方法时，单面摩擦、双面摩擦的抗滑移系数都取0.15。
    由于铝合金材料种类繁多，已有的试验数据表明不同材料在同一种摩擦面处理条件下其抗滑移系数和摩擦抗力是有差别的。因此，摩擦连接时不论其处理方法如何，事先进行摩擦抗力试验，确保设计的安全度是一条基本原则。因缺乏充足的试验数据和统计资料，对铝合金构件的表面处理方法也缺少相应的国家标准，国外规范中的摩擦面处理方法在实际应用中也很难具体实施，故对高强度螺栓摩擦型连接的抗滑移系数，本规范未作出具体规定，如需采用应根据标准试件的试验测定结果确定。
9.1.3 本条规定了铝合金结构高强度螺栓承压型连接的计算方法。设计公式采用同钢规相同的形式。同普通螺栓相同，也要求验算螺栓头及螺母下构件抗冲切承载力设计值。
9.1.4 当构件的节点处或拼接接头的一端。螺栓或铆钉的连接长度l₁过大时，螺栓或铆钉的受力很不均匀，端部的螺栓或铆钉受力最大，往往首先破坏，并将依次向内逐个破坏。因此对长连接的抗剪承载力应进行适当折减。关于折减系数的规定，欧规为 且0.75≤β_Lf≤1.0，长连接的折减区段为15d～65d。该公式来源于《欧洲钢结构规范》EC3，同钢规公式相比，稍偏于不安全，因此，本条款参照钢规公式制定。应注意本条规定不适用于沿连接的长度方向受力均匀的情况，如梁翼缘同腹板的紧固件连接。
9.1.5 关于借助填板或其他中间板件的紧固件连接，当填板较厚时，应考虑连接的抗剪承载力折减。本条款参照欧规公式制定。
9.1.6 单面连接会引起荷载的偏心，使紧固件除受剪力之外还受到拉力的作用，因此明确规定不得采用铆钉连接形式，且对螺栓连接应进行适当的抗剪承载力折减，螺栓数目按计算增加10％的规定参考了钢规相应条款。
9.1.7 当紧固件的夹紧厚度过大时，由于紧固件弯曲变形引起的抗剪承载力折减不应被忽视。英规明确规定，铆钉连接的铆合总厚度不得超过铆钉孔径的5倍。钢规对铆合总厚度超过铆钉孔径5倍时，规定应按计算适当增加铆钉的数目，且铆合总厚度不得超过铆钉孔径的7倍。美规规定的夹紧厚度过大时的强度折算不仅适用于铆钉连接，也适用于螺栓连接，规定当紧固件的夹紧厚度超过铆钉孔径或螺栓直径的4.5倍时，紧固件的抗剪承载力应当乘以折减系数  ，其中 G 为紧固件的夹紧厚度，d为铆钉孔径或螺栓直径，并规定一般情况下夹紧厚度不应超过6d。