摘要：為解決大型鋼結構工業廠房梁柱節點連接施工難度大、施工效率低的問題，研究以中聯重科智能裝備制造產業園項目為研究對象，開展高強螺栓連接施工技術應用研究。通過有限元分析方法，建立三維模型研究帶側板節點受力機理；創新開發新型橢圓單邊螺栓連接技術，實現單面操作安裝；優化連接板預處理、螺栓孔加工和螺栓安裝工藝，建立預緊力與扭矩關系。研究結果表明：節點有限元模型計算結果與實測數據誤差在6%以內；新型橢圓單邊螺栓安裝效率提高40%；優化后的施工工藝可確保節點連接質量穩定可靠。研究成果可為同類工程施工提供技術參考。

關鍵詞：鋼結構工業廠房；高強螺栓連接；施工技術

引言：隨著我國工業化進程加快，大型鋼結構工業廠房建設需求日益增長。作為鋼結構工程的關鍵技術之一，高強螺栓連接施工質量直接影響結構安全性能。傳統的雙面操作安裝方式施工效率低下，質量控制難度大。同時，節點連接構造復雜，受力機理尚需深入研究。因此，開展高強螺栓連接施工技術創新與工藝優化研究具有重要工程價值。本文結合工程實踐，通過理論分析和試驗研究，提出新型連接技術和優化施工方案，以期為提高鋼結構工業廠房施工質量和效率提供技術支持。

1項目概況

本研究針對中聯重科智能裝備制造產業園項目工程開展技術應用研究。項目位于安徽省馬鞍山市鄭蒲港新區置信北路與和州大道交口西北角，廠房采用鋼框架結構體系，主要由鋼柱、鋼架、柱間支撐、屋面支撐、吊車梁和屋面檁條等構成。建筑面積102115.61m2，單層檐口高度18m，跨度33m，設計使用年限50年。主體結構采用H型鋼和十字型鋼制作的柱構件，主要規格包括WH400×380×6×16、WH500×250×8×14、WH600×250×6×14、WH650×400×10×18、WH800×346×8×14、WH900×350×10×16，十600×400×10×250及十800×400×10×250。最大板厚柱腳底板為40mm，材質為Q355B。最大變截面H型鋼架尺寸為H(130030mm。工程鋼結構總用量約9000t。

工程采用帶側板節點的高強度螺栓連接工藝，涉及60組梁柱節點連接和40組柱腳連接。節點構造采用雙側板對稱布置，側板厚度16mm，采用10.9級M20高強螺栓，螺栓排距80mm。連接節點承受復雜受力工況，最大剪力設計值達到280kN，彎矩設計值達到420kN·m，對節點構造和施工精度提出嚴格要求。地下結構主要為預埋地腳螺栓連接形式。

2帶側板節點機理與創新應用

2.1有限元模型建立

為研究中聯重科智能裝備制造產業園項目的帶側板節點性能，建立了基于實際工程尺寸的三維有限元模型。節點模型包含WH900×350×10×16規格梁構件、WH800×346×8×14規格柱構件、16mm厚雙側連接板以及10.9級M20高強螺栓組。模型幾何尺寸嚴格按照施工圖紙要求，梁長2000mm，柱高3000mm，連接板采用雙側對稱布置，螺栓間距80mm，邊距40mm。

模型采用ANSYS Workbench建模平臺，構件材質為Q355B鋼材，輸入實測材料性能參數：彈性模量210GPa，屈服強度355MPa，抗拉強度510MPa，泊松比0.3。考慮材料塑性發展，采用雙線性強化本構模型，強化模量取2.1GPa。網格劃分采用Solid185實體單元，基本網格尺寸15mm，節點核心區域加密至8mm，螺栓孔周邊局部加密至5mm，總單元數量達到152,640個。

在接觸設置方面，螺栓與構件間采用摩擦接觸，摩擦系數0.45，連接板與主構件間設置面-面接觸。邊界條件按實際支承狀態施加：柱底固定約束，柱頂約束水平位移，梁端施加豎向循環位移荷載。加載制度按照工程實際內力需求設計：先施加螺栓預緊力380N·m，后施加豎向位移，位移幅值±120mm，加載速率1mm/step，共計24個循環。圖1為極限狀態下節點應力分布云圖，能夠發現，應力集中區域主要出現在梁翼緣與側板連接處，最大Mises應力達到362MPa，超過材料屈服強度，表明該區域率先發生局部屈服。這與工程中觀察到的節點薄弱部位吻合。應力分布規律表明，有必要對該區域進行構造優化設計。

圖1節點破壞

圖2對比了有限元分析與實測數據的荷載-位移滯回曲線。模型計算得到的節點初始剛度為56.8kN/mm，與實測值54.2kN/mm誤差4.8%；極限承載力誤差在6%以內；骨架曲線吻合度達95%。位移達到±90mm時，節點出現明顯強度退化，與實際破壞過程相符。模擬結果驗證了該有限元模型可靠性，可用于指導后續節點優化設計^[1]。

圖2荷載位移曲線

2.2帶鋼板節點機理研究

2.2.1受力傳遞機制

基于已建立的有限元模型，對項目車間中帶側板節點在280kN剪力和420kN·m彎矩作用下的受力傳遞機制進行分析。節點在荷載作用下的力傳遞路徑呈現明顯的空間分布特征：彎矩主要通過梁翼緣傳遞至連接板，剪力則由腹板和螺栓群共同承擔。彎矩作用下的連接板應力表達如式（1）：

                   （1）

式中：σ_b為連接板應力；M為作用彎矩；W_n為連接板凈截面模量；n為連接板數量；N為軸向力；A_n為連接板凈截面面積。

連接板承受的彎曲應力沿高度方向呈梯度分布，靠近翼緣處應力最大，達到332MPa。高強螺栓群在預緊力和外力共同作用下表現出顯著的群體效應，外排螺栓的剪力分擔比達到65%，內排螺栓則主要提供抗滑移約束。螺栓孔周邊出現應力集中，最大應力達到342MPa，接近材料屈服強度。

2.2.2變形特征分析

節點在使用荷載作用下的變形特征表現為多層次性。整體位移分析顯示，節點區域相對剛度較大，變形主要集中在梁端^[2]。局部變形分析表明，連接板與梁翼緣連接處發生明顯的面外變形，最大變形量為2.8mm，產生二階效應，具體節點各關鍵部位的變形數據詳見表1：

表1節點關鍵部位變形數據

螺栓孔周邊材料在剪力作用下出現局部壓潰趨勢，孔壁變形量達到0.6mm。高強螺栓受剪后的滑移量隨載荷增加呈非線性發展，在設計荷載下的最大滑移量為0.4mm，低于規范允許值1.0mm。通過位移云圖分析發現，節點核心區變形梯度較大，應力集中區域的應變達到2100με，接近材料屈服應變。變形特征分析結果表明，節點剛度滿足工程要求，但連接板厚度和螺栓布置需要優化以改善局部變形性能。

2.3新型節點形式創新

針對項目車間節點連接問題，采用新型橢圓單邊螺栓連接技術，結構詳見圖3。該螺栓構造包含橢圓螺栓頭、螺桿主體、定位槽系統及螺紋連接組件。橢圓螺栓頭采用異形設計，長軸42mm，短軸26mm，表面經過高精度機加工，確保與孔壁緊密配合^[3]。螺桿主體直徑20mm，長度120mm，與標準M20螺栓規格匹配，表面滾絲加工。定位槽系統采用凹槽式構造，深度4mm，寬度8mm，沿螺栓頭圓周設置，用于鎖定安裝位置。螺紋段采用公制粗牙螺紋，螺距2.5mm，配套10.9級高強度螺母和墊片。

圖3新型橢圓單邊螺栓構造

新型橢圓單邊螺栓的安裝工藝突破了傳統雙面操作模式的限制，實現單人單面完成安裝^[4]。施工現場通過專業安裝工具和定位裝置，保證安裝精度和施工質量。安裝過程需嚴格執行工藝要求，確保每道工序符合技術規范，具體安裝步驟詳見圖4，流程如下：

（1）對準定位：將橢圓螺栓頭的長軸方向與預制孔對齊，確保螺栓軸線與孔軸線重合；

（2）插入穿透：將螺栓頭沿長軸方向完全插入預制孔內，插入深度應超過連接板厚度；

（3）旋轉鎖定：將螺栓整體旋轉90度，使橢圓頭短軸與孔壁緊密貼合，定位槽與鋼板邊緣對準；

（4）施加預緊力：安裝墊片和螺母，使用力矩扳手擰緊至設計扭矩值，形成預緊力。

圖4新型橢圓單邊螺栓安裝方法

該創新螺栓的工作機理基于橢圓頭與圓孔的幾何鎖定作用。在安裝完成后，橢圓頭與孔壁形成面-面接觸，通過摩擦力和幾何構造雙重作用傳遞剪力。定位槽的設置防止螺栓在使用過程中發生轉動，保證連接可靠性。節點制作過程中，螺栓孔采用數控精確加工，孔徑公差控制在+0.5mm以內，保證安裝精度。

3高強螺栓連接施工工藝優化

3.1連接板預處理

連接板表面質量直接影響高強螺栓連接節點的受力性能。連接板加工前需進行噴砂處理，采用硬度不低于6級的鋼砂，噴砂壓力控制在0.6MPa，確保表面粗糙度Ra12.5。清除連接板表面的氧化皮、油污和銹蝕，使金屬本體充分暴露。噴砂后的連接板表面呈現均勻的灰白色金屬光澤，觸摸時具有細微顆粒感。連接板預處理采用自動噴砂流水線作業，輸送帶速度設定為2m/min。噴砂室配備4臺往復式噴砂機，噴嘴與鋼板表面夾角保持60°，相鄰噴嘴間距200mm。廢砂回收系統將使用后的鋼砂進行篩分，粒度小于0.3mm的細砂及雜質直接廢棄，其余鋼砂經磁選除銹后循環使用^[5]。表面處理完成后立即在連接板表面涂覆環氧富鋅底漆，漆膜厚度控制在40μm。涂裝采用無氣噴涂工藝，噴涂壓力0 .4MPa，噴嘴與板面距離300mm。涂層固化24小時后方可進行后續加工。涂裝環境溫度需保持在15-25℃，相對濕度不超過85%。

3.2螺栓孔加工

螺栓孔采用數控鉆床加工，鉆孔直徑比螺栓公稱直徑大1.5mm。鉆頭選用高速鋼麻花鉆，主軸轉速1200r/min，進給量0.15mm/r。鉆孔過程使用切削液冷卻，保證加工精度和表面質量。鉆孔位置基于三維放樣數據，通過數控系統自動定位，定位精度±0.2mm。螺栓孔加工采用多軸聯動工藝，單次裝夾可完成一組連接板的全部鉆孔。鉆孔設備配備自動測量系統，實時監測鉆孔尺寸和位置偏差。當檢測到鉆頭磨損超過0.1mm時，系統自動報警提示更換刀具。鉆孔完成后用錐度90°的鉸刀倒角，去除毛刺，倒角寬度1mm。為提高鉆孔效率，研發了專用夾具系統。夾具采用氣動快速定位機構，裝夾時間縮短至15秒。夾具頂面設置基準塊，保證連接板位置固定^[6]。多塊連接板疊加鉆孔時，采用專用墊鐵消除板間間隙，防止鉆孔過程發生竄動。

3.3螺栓安裝定位與緊固力矩控制

基于項目風電車間高強螺栓連接施工實踐，針對前期完成的連接板預處理和螺栓孔加工，開展螺栓安裝定位與緊固力矩控制研究。根據《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》（JGJ 82-2011），新型橢圓單邊螺栓的預緊扭矩T_c與預緊力P之間的關系通過扭矩系數k建立，如式（2）：

                        （2）

式中：d為螺栓直徑。根據新型橢圓單邊螺栓構造特點，開展預緊力與扭矩關系試驗。試驗采用MTS-100kN軸力檢測儀測試螺栓軸力，使用數顯扭矩扳手施加扭矩。選取4組M20規格橢圓單邊螺栓進行測試，分別在有潤滑劑和無潤滑劑條件下進行對比。試驗過程中，以40N·m為增量逐步施加扭矩，記錄對應的螺栓軸力值。每組螺栓在不同扭矩級別下重復測試3次，取平均值作為最終結果，詳見表2：

表2橢圓單邊螺栓扭矩系數試驗結果

試驗結果顯示，在涂抹潤滑劑條件下，橢圓單邊螺栓扭矩系數平均值為0.214，較無潤滑條件下的0.205高出4.4%。這是由于潤滑劑改變了螺紋接觸面的摩擦特性，提高了扭矩向軸向預緊力的轉化效率。基于試驗數據，工程應用中采用扭矩系數k=0.21進行安裝扭矩設計。依據試驗確定的扭矩系數，螺栓安裝采用分級緊固策略：第一遍扭矩值為設計值的60%，螺栓組內按對角交叉順序擰緊；第二遍達到設計扭矩值，確保連接節點受力均勻。扭矩施加采用數顯扭力扳手，精度等級2級，測量范圍覆蓋設計扭矩值的30%-100%。每把扭力扳手配備扭矩標定證書，使用50次后進行復檢。施工記錄詳細登記扭矩值、施工人員、天氣條件等信息，實現全過程可追溯。螺栓組安裝完成后，采用專用力矩檢測儀復核10%的螺栓。檢測儀具備無線數據傳輸功能，檢測結果自動上傳至質量管理系統。同時對螺栓外觀進行檢查，確認螺母露出螺紋長度2-3扣，墊圈均勻受力無變形。對于檢測不合格的螺栓，需拆除重新安裝，并擴大抽檢比例至30%。通過嚴格的安裝質量控制，確保新型橢圓單邊螺栓連接節點的施工質量滿足設計要求。

4結語

工業廠房鋼結構高強螺栓連接作為關鍵施工技術，其質量控制對工程整體性能具有重要影響。本文基于工程實踐，通過理論研究和技術創新，建立了節點力學性能分析方法，采用新型連接構造，優化施工工藝流程，形成了完整的技術應用體系。研究成果對提高鋼結構工業廠房施工質量和效率具有重要的工程價值，可為相關技術標準的完善和工程應用提供參考。隨著建筑工業化進程加快，鋼結構連接技術仍有較大發展空間，需要在智能建造、綠色施工等方向持續創新，推動施工技術水平不斷提升。

參考文獻：

[1]韓鵬,呂明巖,王子亞,等.鋼結構電梯井道在電子廠房中的技術研究[J].中國建筑金屬結構,2025,24(06):115-117.

[2]周桃香.鋼結構梁上無配重抱箍式旋轉吊籃裝置工藝分析[J].安徽建筑,2025,32(03):63-65.

[3]金博文,劉學春,陳學森,等.裝配式鋼結構梁柱支托式螺栓連接節點抗震性能研究[J].建筑結構,2025,55(05):9-15.

[4]劉宜豐,蔡宏昊,劉曉光.鋼管混凝土束剪力墻-鋼梁全螺栓連接節點初始剛度及抗震性能研究[J].建筑科學與工程學報,2025,42(01):26-40.

[5]李勁男,李尚飛,杜金,等.負載下高強螺栓加固H型鋼軸壓構件有限元分析[J].建筑技術,2024,55(24):3051-3056.

[6]馬志貴,冀偉,武維宏.摩擦型高強螺栓連接抗剪滑移行為研究[J].公路交通科技,2024,41(07):101-109.