《鋼結(jié)構(gòu)的連接》PPT課件.ppt

第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接 3 5普通螺栓的構(gòu)造和計算 一 螺栓的種類 1 普通螺栓 C級 粗制螺栓 性能等級為4 6或4 8級 4表示fu 400N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 類孔 孔徑 do 栓桿直徑 d 1 3mm A B級 精制螺栓 性能等級為5 6或8 8級 5或8表示fu 500或800N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 類孔 孔徑 do 栓桿直徑 d 0 3 0 5mm 按其加工的精細程度和強度分為 A B C三個級別 2 高強度螺栓 由45號 40B和20MnTiB鋼加工而成 并經(jīng)過熱處理 45號 8 8級 40B和20MnTiB 10 9級 a 大六角頭螺栓 b 扭剪型螺栓 3 5 1螺栓的排列和其他構(gòu)造要求 1 并列 簡單 整齊 緊湊 所用連接板尺寸小 但構(gòu)件截面削弱大 2 錯列 排列不緊湊 所用連接板尺寸大 但構(gòu)件截面削弱小 3 螺栓排列的要求 1 受力要求 垂直受力方向 為了防止螺栓應(yīng)力集中相互影響 截面削弱過多而降低承載力 螺栓的邊距和端距不能太小 順力作用方向 為了防止板件被拉斷或剪壞 端距不能太小 對于受壓構(gòu)件 為防止連接板件發(fā)生鼓曲 中距不能太大 2 構(gòu)造要求 螺栓的邊距和中距不宜太大 以免板件間貼合不密 潮氣侵入腐蝕鋼材 3 施工要求 為了便于扳手擰緊螺母 螺栓中距應(yīng)不小于3do 根據(jù)以上要求 規(guī)范給定了螺栓的容許間距 表3 5 1 4 螺栓的其他構(gòu)造要求 為了保證連接的可靠性 每個桿件的節(jié)點或拼接接頭一端不宜少于兩個永久螺栓 但組合構(gòu)件的綴條除外 直接承受動荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽 或其他措施以防螺帽松動 C級螺栓宜用于沿桿軸方向的受拉連接 以下情況可用于抗剪連接 1 承受靜載或間接動載的次要連接 2 承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接 3 臨時固定構(gòu)件的安裝連接 型鋼構(gòu)件拼接采用高強螺栓連接時 為保證接觸面緊密 應(yīng)采用鋼板而不能采用型鋼作為拼接件 3 5 2普通螺栓的受剪連接 一 螺栓連接的受力形式 A只受剪力 B只受拉力 C剪力和拉力共同作用 二 普通螺栓抗剪連接 一 工作性能和破壞形式1 工作性能對圖示螺栓連接做抗剪試驗 即可得到板件上a b兩點相對位移 和作用力N的關(guān)系曲線 該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個階段 即 1 摩擦傳力的彈性階段 0 1段 直線段 連接處于彈性狀態(tài) 該階段較短 摩擦力較小 2 滑移階段 1 2段 克服摩擦力后 板件間突然發(fā)生水平滑移 最大滑移量為栓孔和栓桿間的距離 表現(xiàn)在曲線上為水平段 3 栓桿傳力的彈性階段 2 3段 該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力 栓桿受剪力 拉力 彎矩作用 孔壁受擠壓 由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導(dǎo)致的板件間摩擦力的增大 N 關(guān)系以曲線狀態(tài)上升 4 彈塑性階段 3 4段 達到 3 后 即使給荷載以很小的增量 連接的剪切變形迅速增大 直到連接破壞 4 點 曲線的最高點 即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu 2 破壞形式 1 螺栓桿被剪壞栓桿較細而板件較厚時 2 孔壁的擠壓破壞栓桿較粗而板件較薄時 3 板件被拉斷截面削弱過多時以上破壞形式予以計算解決 4 板件端部被剪壞 拉豁 端矩過小時 端矩不應(yīng)小于2dO 5 栓桿彎曲破壞螺栓桿過長 栓桿長度不應(yīng)大于5d 抗剪螺栓的破壞形式 螺栓桿被剪斷板件被擠壞 孔壁承壓破壞 板件被拉斷板件沖剪破壞螺栓桿彎剪破壞螺栓雙剪破壞 二 單個普通螺栓的受剪計算 由破壞形式知抗剪螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況 故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定 nv 剪切面數(shù)目 d 螺栓桿直徑 fvb fcb 螺栓抗剪和承壓強度設(shè)計值 t 連接接頭一側(cè)承壓構(gòu)件總厚度的較小值 單栓抗剪承載力 抗剪承載力 承壓承載力 剪切面數(shù)目nv 3 普通螺栓群受剪連接計算 1 普通螺栓群軸心力作用下抗剪計算 試驗證明 栓群在軸力作用下各個螺栓的內(nèi)力沿栓群長度方向不均勻 兩端大 中間小 當(dāng)l1 15d0 d0為孔徑 時 連接進入彈塑性工作狀態(tài)后 內(nèi)力重新分布 各個螺栓內(nèi)力趨于相同 故設(shè)計時假定N有各螺栓均擔(dān) 所以 連接所需螺栓數(shù)為 當(dāng)l1 15d0 d0為孔徑 時 連接進入彈塑性工作狀態(tài)后 即使內(nèi)力重新分布 各個螺栓內(nèi)力也難以均勻 端部螺栓首先破壞 然后依次破壞 由試驗可得連接的抗剪強度折減系數(shù) 與l1 d0的關(guān)系曲線 故 連接所需栓數(shù) 2 普通螺栓群偏心力作用下抗剪計算 F作用下每個螺栓受力 T作用下連接按彈性設(shè)計 其假定為 1 連接板件絕對剛性 螺栓為彈性 2 T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動 各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關(guān)系 方向與ri垂直 顯然 T作用下 1 號螺栓所受剪力最大 r1最大 由假定 2 得 由式3 39得 由力的平衡條件得 將式3 40代入式3 38得 將N1T沿坐標(biāo)軸分解得 由此可得螺栓1的強度驗算公式為 另外 當(dāng)螺栓布置比較狹長 如y1 3x1 時 可進行如下簡化計算 令 xi 0 則N1Ty 0 一 普通螺栓受拉的工作性能 3 5 3普通螺栓的受拉連接 抗拉螺栓連接在外力作用下 連接板件接觸面有脫開趨勢 螺栓桿受桿軸方向拉力作用 以栓桿被拉斷為其破壞形式 二 單個普通螺栓的受拉承載力 式中 Ae 螺栓的有效截面面積 de 螺栓的有效直徑 ftb 螺栓的抗拉強度設(shè)計值 公式的兩點說明 1 螺栓的有效截面面積因栓桿上的螺紋為斜方向的 所以公式取的是有效直徑de而不是凈直徑dn 現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)取 2 螺栓垂直連接件的剛度對螺栓抗拉承載力的影響 A 螺栓受拉時 一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞 即螺桿并非軸心受拉 當(dāng)連接板件發(fā)生變形時 螺栓有被撬開的趨勢 杠桿作用 使螺桿中的拉力增加 撬力Q 并產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象 連接件剛度越小撬力越大 試驗證明影響撬力的因素較多 其大小難以確定 規(guī)范采取簡化計算的方法 取ftb 0 8f f 螺栓鋼材的抗拉強度設(shè)計值 來考慮其影響 B 在構(gòu)造上可以通過加強連接件的剛度的方法 來減小杠桿作用引起的撬力 如設(shè)加勁肋 可以減小甚至消除撬力的影響 三 普通螺栓群受拉 一般假定每個螺栓均勻受力 因此 連接所需的螺栓數(shù)為 四 栓群承受彎矩作用 M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計 其假定為 1 連接板件絕對剛性 螺栓為彈性 2 螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處 各螺栓所受拉力與其至中和軸的距離呈正比 顯然 1 號螺栓在M作用下所受拉力最大 由力學(xué)及假定可得 由式3 52得 將式3 54代入式3 53得 因此 設(shè)計時只要滿足下式 即可 五 螺栓群偏心受拉 偏心力作用下普通螺栓連接 可采用偏于安全的設(shè)計方法 即疊加法 1 小偏心受拉 對于小偏心情況 如b圖所示 軸力N由各螺栓均勻承受 彎矩M使上部螺栓受拉 下部螺栓受壓 疊加后全部螺栓均為受拉 則最大和最小受力螺栓的拉力滿足下式 表示最大受力螺栓的拉力部分超過一個螺栓的承載力設(shè)計值 表示全部螺栓受拉 e 時為小偏心受拉 核心距 2 大偏心受拉 當(dāng)偏心距e較大時 即e 時 端板底部將出現(xiàn)受壓區(qū) 最外排螺栓1的拉力最大 解題步驟 判斷e與 的大小 若e 則為大偏心受壓 根據(jù)計算所得的Ae選擇螺栓的型號 若e 為小偏心受壓 偏心受拉解題步驟小結(jié) 3 5 4普通螺栓受剪力 拉力的聯(lián)合作用 因此 2 由試驗可知 兼受剪力和拉力的螺桿 其承載力無量綱關(guān)系曲線近似為一 四分之一圓 1 普通螺栓在拉力和剪力的共同作用下 可能出現(xiàn)兩種破壞形式 螺桿受剪兼受拉破壞 孔壁的承壓破壞 3 計算時 假定剪力由螺栓群均勻承擔(dān) 拉力由受力情況確定 規(guī)范規(guī)定 普通螺栓拉 剪聯(lián)合作用為了防止螺桿受剪兼受拉破壞 應(yīng)滿足 為了防止孔壁的承壓破壞 應(yīng)滿足 另外 拉力和剪力共同作用下的普通螺栓連接 當(dāng)有承托承擔(dān)全部剪力時 螺栓群按受拉連接計算 承托與柱翼緣的連接角焊縫按下式計算 式中 考慮剪力對角焊縫偏心影響的增大系數(shù) 一般取 1 25 1 35 其余符號同前 3 6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算 3 6 1高強度螺栓連接的工作性能及構(gòu)造要求按受力特征的不同高強度螺栓分為兩類 摩擦型高強度螺栓 通過板件間摩擦力傳遞內(nèi)力 破壞準(zhǔn)則為克服摩擦力 承壓型高強度螺栓 受力特征與普通螺栓類似 但比較兩條N 曲線可知 由于高強度螺栓因連接件間存在很大的摩擦力 故其第一個階段 0 1段 遠遠大于普通螺栓 通過1點后 連接產(chǎn)生了滑移 當(dāng)栓桿與孔壁接觸后 連接又可繼續(xù)承載直到破壞 對于高強度螺栓摩擦型連接 其破壞準(zhǔn)則為摩擦力被克服 板件間出現(xiàn)相對滑移 因此以1點為極限 對于高強度螺栓承壓型連接 破壞準(zhǔn)則為連接達到其極限狀態(tài)4點 1 高強度螺栓預(yù)拉力的建立方法 預(yù)拉力是通過擰緊螺帽 使螺桿受到拉伸作用而使被連接板件間產(chǎn)生壓緊力 為了保證通過摩擦力傳遞剪力 高強度度螺栓的預(yù)拉力P的準(zhǔn)確控制非常重要 高強度螺栓分大六角頭型和扭剪型兩種 二者預(yù)拉力控制方法各不相同 通過擰緊螺帽的方法 螺帽的緊固方法 A 轉(zhuǎn)角法施工方法 初擰 用普通扳手擰至不動 使板件貼緊密 終擰 初擰基礎(chǔ)上用長扳手或電動扳手再擰過一定的角度 一般為120o 180o完成終擰 特點 預(yù)拉力的建立簡單 有效 但要防止欠擰 漏擰和超擰 B 扭矩法施工方法 初擰 用力矩扳手擰至終擰力矩的30 50 使板件貼緊密 終擰 初擰基礎(chǔ)上 按100 設(shè)計終擰力矩擰緊 特點 簡單 易實施 但得到的預(yù)拉力誤差較大 C 扭斷螺栓桿尾部法 扭剪型高強度螺栓 施工方法 初擰 擰至終擰力矩的60 80 終擰 初擰基礎(chǔ)上 以扭斷螺栓桿尾部為準(zhǔn) 特點 施工簡單 技術(shù)要求低易實施 質(zhì)量易保證等高強度螺栓的施工要求 由于高強度螺栓的承載力很大程度上取決于螺栓桿的預(yù)拉力 因此施工要求較嚴(yán)格 1 終擰力矩偏差不應(yīng)大于 10 2 如發(fā)現(xiàn)欠 漏和超擰螺栓應(yīng)更換 3 擰固順序先主后次 且當(dāng)天安裝 當(dāng)天終擰完 如工字型梁為 上翼緣 下翼緣 腹板 2 高強度螺栓預(yù)拉力的確定 高強度螺栓預(yù)拉力是根據(jù)螺栓桿的有效抗拉強度確定的 并考慮了以下修正系數(shù) 考慮材料的不均勻性的折減系數(shù)0 9 為防止施工時超張拉導(dǎo)致螺桿破壞的折減系數(shù)0 9 考慮擰緊螺帽時 螺栓桿上產(chǎn)生的剪力對抗拉強度的降低除以系數(shù)1 2 附加安全系數(shù)0 9 因此 預(yù)拉力 Ae 螺紋處有效截面積 fu 螺栓熱處理后的最抵抗拉強度 8 8級 取fu 830N mm2 10 9級 取fu 1040N mm2 一個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力P 按公式計算出的P值以5kN的倍數(shù)取整就形成規(guī)范規(guī)定的設(shè)計預(yù)拉力 3 高強度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù) 摩擦型高強度螺栓是通過板件間摩擦力傳遞內(nèi)力的 而摩擦力的大小取決于板件間的擠壓力 P 和板件間的抗滑移系數(shù) 板件間的抗滑移系數(shù)與接觸面的處理方法和構(gòu)件鋼號有關(guān) 其大小隨板件間的擠壓力的減小而減小 規(guī)范給出了不同鋼材在不同接觸面的處理方法下的抗滑移系數(shù) 如下表 摩擦面抗滑移系數(shù) 值 高強度螺栓摩擦型連接 其破壞準(zhǔn)則為板件發(fā)生相對滑移 因此其極限狀態(tài)為1點而不是4點 所以1點的承載力即為一個高強度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力 式中 0 9 抗力分項系數(shù) R的倒數(shù) R 1 111 nf 傳力摩擦面數(shù)目 摩擦面抗滑移系數(shù) P 預(yù)拉力設(shè)計值 1 受剪連接承載力 3 6 2高強度螺栓摩擦型連接計算 2 受拉連接承載力 上式未考慮橇力的影響 當(dāng)考慮橇力影響時 螺栓桿的拉力Pf與Nt的關(guān)系曲線如圖 Nt 0 5P時 橇力Q 0 Nt 0 5P后 橇力Q出現(xiàn) 增加速度先慢后快 橇力Q的存在導(dǎo)致連接的極限承載力由Nu降至Nu 所以 如設(shè)計時不考慮橇力的影響 應(yīng)使Nt 0 5P或增加連接板件的剛度 如設(shè)加勁肋 3 同時承受剪力和拉力連接的承載力盡管當(dāng)Nt P時 栓桿的預(yù)拉力變化不大 但由于 隨Nt的增大而減小 且隨Nt的增大板件間的擠壓力減小 故連接的抗剪能力下降 規(guī)范規(guī)定在V和N共同作用下應(yīng)滿足下式 高強度螺栓承壓型抗剪連接 允許接觸面發(fā)生相對滑移 破壞準(zhǔn)則為連接達到其極限狀態(tài)4點 所以高強度螺栓承壓型連接的單栓抗剪承載力計算方法與普通螺栓相同 單栓抗剪承載力 抗剪承載力 承壓承載力 3 6 3高強度螺栓承壓型連接計算 1 受剪連接承載力 2 受拉連接承載力承壓型高強度螺栓的單栓抗拉承載力 因其破壞準(zhǔn)則為螺栓桿被拉斷 故計算方法與普通螺栓相同 即 式中 Ae 螺栓桿的有效截面面積 de 螺栓桿的有效直徑 ftb 高強度螺栓的抗拉強度設(shè)計值 上式的計算結(jié)果與0 8P相差不多 3 同時承受剪力和拉力連接的承載力 對于高強度螺栓承壓型連接在剪力和拉力共同作用下計算方法與普通螺栓相同 為了防止孔壁的承壓破壞 應(yīng)滿足 系數(shù)1 2是考慮由于外拉力的存在導(dǎo)致高強度螺栓的承壓承載力降低的修正系數(shù) 3 6 4高強度螺栓群的計算 1 軸心受剪假定各螺栓受力均勻 故所需螺栓數(shù) 對于摩擦型連接 對于承壓型連接 1 高強度螺栓群受剪 2 扭矩或扭矩 剪力共同作用下 計算方法與普通螺栓相同 即 剪力F作用下每個螺栓受力 扭矩T作用下 由此可得螺栓1的強度驗算公式為 2 高強度螺栓群的受拉計算 1 軸心受拉假定各螺栓均勻受力 故所需螺栓數(shù) 2 彎矩作用下 由于高強度螺栓的抗拉承載力一般總小于其預(yù)拉力P 故在彎矩作用下 連接板件接觸面始終處于緊密接觸狀態(tài) 彈性性能較好 可認為是一個整體 所以假定連接的中和軸與螺栓群形心軸重合 最外側(cè)螺栓受力最大 由力學(xué)可得 因此 設(shè)計時只要滿足下式即可 3 偏心拉力作用下 偏心力作用下的高強度螺栓連接 螺栓最大拉力不應(yīng)大于0 8P 以保證板件緊密貼合 端板不會被拉開 所以摩擦型和承壓型均可采用以下方法 疊加法 計算 3 高強度螺栓群承受拉力 彎矩和剪力共同作用 1 摩擦型連接的計算1號螺栓在N M作用下所受拉力如前所述應(yīng)滿足 對于高強度螺栓摩擦型連接 在拉力和剪力共同作用下 單栓抗剪承載力如前所述為 單個螺栓所受的剪力 上式中 2 采用高強度螺栓承壓型連接時 螺栓的強度計算公式 單個螺栓所受的剪力 單個螺栓所受的最大拉力 注意 在軸力N和彎矩M作用下 中和軸位于螺栓群形心O處 因為預(yù)拉力作用 計算時不區(qū)分大小偏心 這點與普通螺栓計算不同 單個螺栓承載力設(shè)計值匯總表 一 單個螺栓承載力設(shè)計值匯總表 二 單個螺栓承載力設(shè)計值匯總表 三 4 高強度螺栓群在拉力 彎矩和剪力共同作用 1 對于摩擦型連接 在M和N共同作用下 最外 下 排 1 號螺栓所受拉力最大為 中和軸位于螺栓群形心O處 驗算方法一 在V作用下 各螺栓所受剪力均相同 即為 在拉 剪共同作用下 對高強度螺栓摩擦型連接的驗算條件為 上式中 按GBJ17 88規(guī)范 驗算條件為 在彎矩M和拉力N共同作用下 高強螺栓群中各排螺栓拉力都不相同 即 故對于栓群抗剪強度 應(yīng)按下式進行驗算更為合理 即 單個螺栓抗剪設(shè)計承載力隨拉力的增加而減小 有 驗算方法二 此外 螺栓最大拉力尚應(yīng)滿足 驗算法二計及了螺栓拉力不同對抗剪強度的