空心截面中的贯穿螺栓:应按销轴而非螺栓进行设计

IDEA StatiCa Connection 中的一个基准算例展示了这一后果：同一个 M16 8.8 螺栓可以通过标准螺栓校核，但按销轴建模时却不满足要求。下面说明原因，以及如何正确设计贯通螺栓。

IDEA StatiCa Connection 可以对几乎任何节点几何形式进行建模和分析。然而，有些节点属于非标准情况：软件中已实现的规范所提供的通用螺栓校核，无法准确描述其受力行为。典型示例是采用贯通螺栓连接的空心截面，通常为 RHS 或 SHS。这类螺栓是穿过截面两侧壁的长螺栓或螺纹杆，螺栓头和螺母支承在外表面上。

贯通螺栓是盲螺栓、Hollo-Bolts、热熔钻螺栓及其他特殊单面紧固件的替代方案。它们易于采购：只需螺纹杆、螺母和垫圈即可。然而，其力学行为与常规螺栓连接节点有三点不同。

图 1 与 HSS 壁连接的节点：螺栓位于单侧壁（左）和贯通两侧壁的贯通螺栓（右）。来源：J. McCormick，Steel Tube Institute (2017)

要点

• 无套管的贯通螺栓应在模型中按销轴建模，而不应归类为螺栓。
• 如果套管能够阻止弯曲，带有紧密内套管的非预应力螺栓可按标准螺栓建模。
• 如果套管与螺栓之间不贴合并预留了间隙，则应将螺栓按销轴建模。
• 需要注意的是，在 IDEA StatiCa Connection 中，此类节点不允许使用摩擦型螺栓。

贯通螺栓与螺栓的三点区别

1. 在未加强的空心截面中，螺栓无法施加预紧力

拧紧螺栓时，会以集中力将两侧壁向内挤压。空心截面柔性的壁面会发生变形，而不是被夹紧。因此，贯通螺栓仅限用于采用贴紧拧紧螺栓的承压型节点。即使是贴紧拧紧安装（约为 AISC 360-16 表 J3.1 中最小预拉力的 10 %），在薄壁截面上也必须谨慎操作，以免壁面被压扁。由于构件内部存在空腔，贴紧拧紧也无法使所有板层紧密接触。

图 2 贯通螺栓施加全预拉力时 HSS 壁可能产生的变形。来源：J. McCormick，Steel Tube Institute (2017)

2. 螺栓的受力行为类似销轴，而非螺栓

各板层未被夹紧，且可能并未接触。因此，螺杆承受剪力和弯矩，仅采用标准螺栓剪力校核无法反映其受力行为。贯通螺栓必须按销轴进行设计，并校核：

• 剪力，
• 弯矩，
• 剪力–弯矩相互作用。

3. 被连接板的承压承载力降低

螺栓头和螺母仅支承在空心截面壁的外侧，而不像常规螺栓连接节点那样同时支承在壁的内外两侧。夹持区不受膨胀约束，因此板在孔周围没有受到约束，可能发生局部压溃。承压承载力按销轴而非螺栓确定。这同时适用于空心截面壁和被连接板。

规范背景

AISC 360-22，§J3.11(b)（AISC 360-16 中为 §J3.10(c)）。完全贯穿未设加劲 HSS 的螺栓，应按 §J7 中的销轴承压校核进行验算：

Rn = 1.8·Fy·Apb, φ = 0.75, Apb = d·tdesign (J7-1)

这里的“未设加劲”是指壁两侧没有被螺栓头和螺母约束，也没有被填充物或加强件加劲。螺栓剪力（式 J3-1）和被连接构件的其余极限状态按常规方法校核。AISC 360-16 未涉及贯通螺栓的撕裂问题；AISC 360-22 中同一条款涵盖了螺栓撕裂。对于间距较小的螺栓或靠近构件端部的螺栓，需要采用合理的方法。

EN 1993-1-8。该规范没有专门的计算方法。参照 AISC，采用表 3.10 中的销轴规则：

Fb,Rd = 1.5·t·d·fy/γM0 (承压)

MRd = 1.5·Wel·fyp/γM0 (弯曲)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (剪力–弯矩相互作用)

带套管的贯通螺栓是指空心截面内部的螺栓穿过一根隔离管，其内孔直径较小，与标准螺栓孔相同。当螺栓中存在拉力时，该管可防止空心截面壁变形。各板层随后被夹紧在一起，与标准螺栓节点类似。螺栓甚至可以施加全预紧力（CIDECT 设计指南 9，§5.11；Kurobane 等，2004）。实际中，该管通常作为套管焊接在截面内（Dutta 等，1998；McCormick，2017）。此时节点的受力行为更接近常规螺栓连接节点，而不是销轴节点（McCormick，2017）。

图 3 贯通螺栓处的 HSS 螺栓套管加强。来源：M. Manor，Steel Tube Institute (2026)

基准算例

螺栓组件：标准螺栓的受力行为

焊接 SHS 110×110×10 mm 由 S355 钢材制成，通过标准 M16 8.8 螺栓贯穿截面，与一块 8 mm 厚的板连接。螺栓采用“承压 – 拉力/剪力相互作用”螺栓类型建模，剪切面位于螺纹处。模型仅承受作用在被连接板上的 40 kN 轴力。该力使螺栓承受剪力 (V = 40 kN)，并在 SHS 中产生剪力和扭矩。

图 4 IDEA StatiCa Connection 中的基准模型，贯通螺栓按标准螺栓建模：板中 40 kN 的力、SHS 的端部内力以及紧固件设置（M16 8.8，剪切面位于螺纹处，承压 – 拉力/剪力相互作用）。

按 EN 1993-1-8 进行螺栓校核

剪力几乎全部由第一个剪切面承担 (40.0 kN)。第二个剪切面中的剩余剪力可以忽略 (1.56 kN)，因此第二侧壁几乎不参与受力。螺栓通过校核，拉力–剪力相互作用承载比为 69.4 %，由剪力承载比 66.3 % 控制。

然而，报告中增加了一条警告：被连接板之间存在间隙，数值模型中未考虑螺栓的弯曲，且各板未被夹紧。因此，螺栓的抗剪承载力和板的承压承载力可能不正确。这是需要您关注的第一个信号。

图 5 按 EN 1993-1-8 进行的螺栓校核 (M16 8.8)：F_t,Ed = 3.91 kN，两个剪切面中的 F_v,Ed = 40.00/1.56 kN，F_b,Rd = 116.15 kN，拉力承载比 4.3 %，剪力承载比 66.3 %，相互作用承载比 69.4 %，并针对贯通螺栓节点给出了警告。

螺栓的等效梁模型使结果易于解读。它显示了沿螺栓长度的内力和应力分布，并得到相同的剪力承载比，因此可作为一种简便的可靠性校验。

图 6 螺栓的等效梁模型：第一个剪切面处 V = 40 kN，剪应力 4V/3A = 339.6 MPa，相对于 V_Rd = 60.31 kN 的剪力承载比为 0.66。该模型独立于 IDEA StatiCa 验证了内力和承载比。

螺栓组件：销轴的受力行为

现采用“销轴”紧固件建立同一模型。销轴单元承受剪力和弯矩，不传递轴力。

图 7 贯通螺栓按销轴建模的基准模型（用户自定义的 D16 销轴贯穿板和 SHS 两侧壁）：板中 40 kN 的力和 SHS 的端部内力。

按 EN 1993-1-8 进行销轴校核

销轴的弯曲对其受力行为影响最为显著：仅弯曲一项就产生 90.9 % 的承载比。与螺栓方法相比，承压承载力也下降约 41 %（68.2 kN 对 116.2 kN）。弯矩与剪力共同作用使销轴校核不满足要求：剪力–弯矩相互作用达到 109.5 %，销轴不通过校核。弯矩峰值出现在销轴进入空心截面处。

图 8 销轴校核（用户自定义 D16 销轴，f_yp = 640 MPa）：F_v,Ed = 39.99 kN，M_Ed = 0.35 kNm，F_v,Rd = 77.21 kN，F_b,Rd = 68.16 kN，M_Rd = 0.39 kNm；剪力承载比 58.7 %，弯曲承载比 90.9 %，相互作用承载比 109.5 %。抗弯承载力按 EN 1993-1-8 表 3.10 确定。

等效梁模型（销轴）的结果

解析模型可按 IDEA StatiCa 知识库文章 Steel pins 中的规则建立。

解析梁模型与 IDEA StatiCa Connection 模型吻合良好。在 Connection 中，荷载沿加载销轴的板厚均匀分布；等效模型则采用偏保守的集中力。这使两个模型的内力和承载比存在微小差异，因此梁模型可作为有效的可靠性与合理性校验。

58.7 % 的剪力承载比由被连接板的销轴承压校核控制，而不是由销轴自身的抗剪（51.8 %）控制。由于采用集中力，等效梁模型中的弯曲（0.93）和剪力–弯矩相互作用（1.14）略高。销轴的受力行为符合预期。

图 9 按销轴建模的贯通螺栓等效梁模型：第一个剪切面处 V = 40 kN，销轴进入 SHS 壁处 M = 0.36 kNm，弯曲承载比 0.93（对应 M_Rd = 0.386 kNm），相互作用 1.14。销轴承压：被连接板 0.59，两侧 SHS 壁分别为 0.52 和 0.05。

带预制内套管的模型

McCormick (2017) 将套管描述为改善贯通螺栓节点性能最常用的方法之一：

“改善贯通螺栓节点性能最常用的方法之一，是为贯通螺栓提供一根套管（或圆管）使其穿过。其做法是在 HSS 上钻孔，插入内径等于贯通螺栓标准孔径的套管，然后将套管焊接就位（Dutta 等，1998）。套管允许对螺栓施加预紧力，同时防止 HSS 壁变形。因此，贯通螺栓节点的受力行为将更接近螺栓连接节点，而不是销轴节点。”（McCormick, Steel Tube Institute, 2017）

图 10 带内套管预制的 RHS/SHS 构件。

IDEA StatiCa 中的套管：未施加预紧力的螺栓

如果在 RHS/SHS 内部对焊接套管进行建模，且螺栓未施加预紧力，则可按照上述文章和参考文献，在 IDEA StatiCa 中将贯通螺栓按标准螺栓建模。套管必须精确约束螺栓，标准螺栓模型才有效。一旦套管与螺栓之间存在间隙，螺栓就会回到销轴的受力行为。

• 即使使用“加劲构件”制作操作对套管建模，报告中仍会显示未考虑螺栓弯曲的警告。 
• 承压校核针对被连接板层进行

图 11 带内套管和未施加预紧力 M16 8.8 螺栓的 RHS/SHS 节点：按 EN 1993-1-8 表 3.4 进行的承压承载力校核，以及关于被连接板之间存在间隙的警告。

IDEA StatiCa 中的套管：摩擦型螺栓

IDEA StatiCa Connection 不允许在此模型中使用摩擦型（抗滑移）螺栓。分析会停止，并提示“如果板之间存在间隙，则不能使用摩擦型螺栓”。原因如下：

• 在模型中，预紧力不会传递到套管中。螺栓在抗剪方面被加劲，螺栓的切向力以受拉和受压方式作用于孔，但在轴向上螺栓的表现与标准螺栓相同，不会形成预应力状态。套管不会因预紧力而受压，因此得到的应力状态会产生误导。

图 12 带内套管和预紧（摩擦型）螺栓的 RHS/SHS 节点：分析提示如果板之间存在间隙，则不能使用摩擦型螺栓。

结论

• 无套管的贯通螺栓是销轴，而不是螺栓。它无法施加预紧力，各板层未被夹紧，螺杆承受剪力和弯矩。
• 此处采用标准螺栓校核是不安全的。在基准算例（SHS 110×110×10，8 mm 板，M16 8.8，40 kN）中，螺栓校核以 69.4 % 通过。销轴校核的剪力–弯矩相互作用为 109.5 %，不满足要求，其中仅弯曲一项即达 90.9 %。
• 请阅读报告中的警告。IDEA StatiCa Connection 会提示板之间存在间隙：未考虑螺栓的弯曲，螺栓抗剪承载力和板承压承载力可能不正确。
• 承压承载力下降约 41 %。8 mm 板的销轴承压为 68.2 kN，而螺栓承压为 116.2 kN。
• 在 IDEA StatiCa Connection 中按销轴建模，并将螺栓强度等级赋予销轴材料。销轴不承受轴力，因此如有必要，应单独校核拉力效应。
• 焊接套管可恢复螺栓的受力行为。采用紧密配合的套管时，贯通螺栓可按标准承压型螺栓建模。当板层之间存在间隙时，IDEA StatiCa Connection 无法分析摩擦型（预紧）螺栓。

参考文献

• AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• AISC (n.d.). Design Guide 24: Hollow Structural Section Connections, 2nd edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• CEN (2005). EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels.
• Dutta, D., Wardenier, J., Yeomans, N., Sakae, K., Bucak, Ö. and Packer, J.A. (1998). Design Guide 7: For Fabrication, Assembly and Erection of Hollow Section Structures. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Kurobane, Y., Packer, J.A., Wardenier, J. and Yeomans, N. (2004). Design Guide 9: For Structural Hollow Section Column Connections. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Manor, M. (2026). HSS Bolted Connections: Keep It Together With a Bolt of Confidence. Steel Tube Institute. steeltubeinstitute.org
• McCormick, J. (2017). Connecting Hollow Structural Section Members with Through-Bolts. Steel Tube Institute, July 2017. steeltubeinstitute.org

本文作者：Lukas Juricek、Pavel Kalab 和 Martin Vild