第四章 鋼結(jié)構(gòu)連接(螺栓)-劉福順 (1).

1、4.1 螺栓連接的構(gòu)造要求螺栓連接的構(gòu)造要求4.2 螺栓的工作性能及承載力螺栓的工作性能及承載力4.3 螺栓連接的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算螺栓連接的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算本章內(nèi)容本章內(nèi)容：螺栓連接形式螺栓連接形式I類孔：制作費(fèi)工，成本高；螺桿直徑比螺栓孔直徑小0.30.5mm。 II類孔：允許加工偏差較大，但成本低。螺桿直徑比螺栓孔徑小1.01.5mm。 高強(qiáng)螺栓的孔為II類孔，采用鉆成孔，不能用沖成孔； 螺栓孔制作螺栓孔制作1）在裝配好的構(gòu)件上按設(shè)計(jì)孔徑鉆成；2）在單個(gè)構(gòu)件上分別用鉆模按設(shè)計(jì)孔徑鉆成；3）在單個(gè)構(gòu)件上先鉆成或沖成較小孔徑，裝配好后再擴(kuò)鉆至設(shè)計(jì)孔徑；4）在單個(gè)構(gòu)件上一次沖成或不用鉆模鉆成設(shè)計(jì)孔徑。原則：

2、螺栓的排列形式應(yīng)簡(jiǎn)單、整齊、緊湊。邊距邊距線距線距線距端距端距線距邊距邊距端距端距線距并列排列錯(cuò)列排列螺栓孔的排列螺栓孔的排列螺栓在構(gòu)件上的排列也應(yīng)符合最大距離要求，以避免受壓時(shí)被連接的板件間發(fā)生張口、鼓出或被連接的構(gòu)件因接觸面不夠緊密、潮氣進(jìn)入縫隙而產(chǎn)生腐蝕等現(xiàn)象。螺栓在構(gòu)件上的排列應(yīng)符合最小距離要求，以便用扳手?jǐn)Q緊螺帽時(shí)有一定的空間，并避免受力時(shí)鋼板在孔之間以及孔與板端、板邊之間發(fā)生剪斷、截面過分削弱等現(xiàn)象。思考：抗剪螺栓連接破壞形式思考：抗剪螺栓連接破壞形式螺栓只受剪力作用；螺栓只受拉力作用；螺栓受剪力、拉力共同作用。拉拉剪剪剪拉剪拉螺栓的受力形式螺栓的受力形式思考：螺栓設(shè)計(jì)？思考：螺栓

3、設(shè)計(jì)？單個(gè)螺栓承載力；螺栓群的整體受力； 一種是螺桿剪切破壞；一種是螺桿剪切破壞；一種是鋼板孔壁擠壓破壞；一種是鋼板孔壁擠壓破壞；一種是構(gòu)件本身還有可能由于截面開孔削弱過多而破壞；一種是構(gòu)件本身還有可能由于截面開孔削弱過多而破壞；一種是由于鋼板端部螺孔端距太小而被剪壞；一種是由于鋼板端部螺孔端距太小而被剪壞；一種是由于鋼板太厚，螺桿直徑太小，發(fā)生螺桿彎曲破壞。一種是由于鋼板太厚，螺桿直徑太小，發(fā)生螺桿彎曲破壞。螺栓的破壞形式螺栓的破壞形式板端沖剪破壞0C級(jí)螺栓高強(qiáng)度螺栓34212134受剪螺栓受剪螺栓1）摩擦傳力的彈性階段；2）滑移階段；3）螺桿受剪面?zhèn)髁Φ膹椥噪A段；4）彈塑性階段。(1)受剪

4、螺栓的工作性能受剪螺栓的工作性能42bvvbvdfnN 假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力均勻分布，一個(gè)剪力螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：?jiǎn)渭綦p剪（2）普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力）普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力bvf式中： nv 受剪面數(shù)目，單剪1；雙剪2。 d 螺栓桿公稱直徑； 螺栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。假定承壓面為半圓柱面的投影面，即螺栓的直徑面dt，且壓應(yīng)力均勻分布。d螺栓孔壓壞壓應(yīng)力簡(jiǎn)化分布板端沖剪破壞 一般情況下，一個(gè)螺栓的抗剪承載力和抗壓承載力不同，那一種承載力較小，螺栓就發(fā)生那一種破壞。因此，一個(gè)受剪螺栓的承載力應(yīng)取上兩式中的較小值。即： 得一個(gè)剪力螺栓的抗壓承載力設(shè)計(jì)

5、值為： bcbcftdN tbcf式中 在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度； 螺栓的承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取決于構(gòu)件材料。bvNbcNmin , 綜合考慮各種影響因素后，高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力值由下式計(jì)算： P0.90.90.9fuAe1.2 式中 fu 螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度； Ae 螺紋處的有效面積。 （3）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力與普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓不同，摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓抗剪不是通過與普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓不同，摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓抗剪不是通過螺栓桿受剪，而是通過緊固螺帽在螺栓桿內(nèi)產(chǎn)生很大的預(yù)拉力使被連接件壓緊獲螺栓桿受剪，而

6、是通過緊固螺帽在螺栓桿內(nèi)產(chǎn)生很大的預(yù)拉力使被連接件壓緊獲得摩擦力，由摩擦力抵抗剪力。因此，要確定摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載得摩擦力，由摩擦力抵抗剪力。因此，要確定摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力（摩擦力），必須先確定高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力。力（摩擦力），必須先確定高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力。PnNfbv9 . 0 設(shè)被連接板間接觸表面的抗滑移系數(shù)為設(shè)被連接板間接觸表面的抗滑移系數(shù)為u，傳力的摩擦面數(shù)目為，傳力的摩擦面數(shù)目為nf。則一個(gè)摩。則一個(gè)摩擦型連接高強(qiáng)度螺拴的受剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值擦型連接高強(qiáng)度螺拴的受剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值nfuP ；除以；除以抗力分項(xiàng)系數(shù)抗力分項(xiàng)系數(shù)1.111，得一個(gè)摩擦型連接高強(qiáng)度螺拴的

7、受剪承載力設(shè)計(jì)值：得一個(gè)摩擦型連接高強(qiáng)度螺拴的受剪承載力設(shè)計(jì)值： 螺栓桿受到沿桿軸方向的拉力作用，受拉螺栓的破壞形式為螺栓桿被拉斷。因此，一個(gè)普通螺栓或承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值為： 42ebtebtbtdfAfN 受拉螺栓受拉螺栓(1)普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓受拉承載力普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓受拉承載力btf式中 de螺栓在螺紋處的有效直徑。 螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。 采用雙角鋼構(gòu)成的采用雙角鋼構(gòu)成的T形連接來傳遞拉力時(shí)，通常角鋼的剛度不大，受拉后，形連接來傳遞拉力時(shí)，通常角鋼的剛度不大，受拉后，垂直于拉力作用方向的角鋼肢會(huì)發(fā)生較大的變形，并起杠桿作用，在該肢外側(cè)垂直于

8、拉力作用方向的角鋼肢會(huì)發(fā)生較大的變形，并起杠桿作用，在該肢外側(cè)端部產(chǎn)生撬力端部產(chǎn)生撬力Q。因此，螺栓實(shí)際所受拉力。因此，螺栓實(shí)際所受拉力N+Q，由于確定，由于確定Q值比較復(fù)雜，在值比較復(fù)雜，在計(jì)算中不計(jì)計(jì)算中不計(jì)Q力，而是采用降低螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的方法解決，即；力，而是采用降低螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的方法解決，即； 并采取構(gòu)造措施加強(qiáng)角鋼的剛度。并采取構(gòu)造措施加強(qiáng)角鋼的剛度。 ff8 . 0bt 角鋼變形焊加勁肋2）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓受拉承載力）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓受拉承載力 由于高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力作用，被連接構(gòu)件間在外力作用前已經(jīng)有較大的擠壓力。當(dāng)連接受拉時(shí)，構(gòu)件間有松開的趨勢(shì)，擠壓力逐步變小。經(jīng)分

9、析，當(dāng)構(gòu)件剛好被拉開時(shí) Pf1.1PbtN 0.8P 為了避免外拉力大于預(yù)拉力而使板件松開，規(guī)范規(guī)定：每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值：a）承壓型連接高強(qiáng)度螺栓）承壓型連接高強(qiáng)度螺栓受拉受拉+受剪受剪我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：同時(shí)承受剪力和桿軸方向拉力時(shí)，普通螺栓和我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：同時(shí)承受剪力和桿軸方向拉力時(shí)，普通螺栓和承壓型連接的高強(qiáng)度螺栓的承載能力必須滿足：承壓型連接的高強(qiáng)度螺栓的承載能力必須滿足：12btt2bvvNNNNb）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓受拉受拉+受剪受剪01.01.0 1) 根據(jù)連接要求選擇螺栓類型和排列方式； 2) 初選螺栓的公稱直徑，按構(gòu)造要求布置螺栓孔；

10、3) 根據(jù)連接承受的荷載，計(jì)算螺栓群中各螺栓的受力情況； 4) 確定所需的螺栓數(shù)或驗(yàn)算螺栓的承載力。若受力構(gòu)件的截面有削弱，還需對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。 基本步驟基本步驟平均值 試驗(yàn)證明，沿連接的長(zhǎng)度方向分布的各螺栓，其所受剪力并不均勻，兩端大，中間小。當(dāng)l115d0時(shí)，考慮連接進(jìn)入彈塑性階段后，內(nèi)力發(fā)生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐漸接近，可認(rèn)為軸力N由每個(gè)螺栓平均分擔(dān)。螺栓群均勻受剪螺栓群均勻受剪雙蓋板螺栓連接螺栓群螺栓群 nbNN連接所需的螺栓數(shù)目n為： 但對(duì)于圖示連接形式，螺栓孔削弱了受拉鋼板的截面面積，因此還需對(duì)板件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，強(qiáng)度計(jì)算公式為： nAN 601501dl011501

11、. 1dl6001dl7 . 0 折減系數(shù)a、普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓1-1截面： Ant（bn1d0）2-2截面： An?板件強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)要注意所采用的螺栓類型、板件的破壞面位置、破壞面的內(nèi)力和凈截面面積。蓋 板 內(nèi) 力 分 布構(gòu) 件 內(nèi) 力 分 布（b）l1e1e2ta 采用摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓時(shí)，由于摩擦型連接是靠接觸面上的摩擦阻力傳遞剪力，有部分摩擦力在孔前傳遞，因而構(gòu)件凈截面上的內(nèi)力與普通螺栓連接有所不同。 孔前孔后)5 . 01 (5 . 011nnNnnNNN故摩擦型連接構(gòu)件凈截面的強(qiáng)度計(jì)算公式為：fAnnNn/5 . 011 b、摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓孔前傳力系數(shù)n:在節(jié)點(diǎn)或

12、連接處構(gòu)件一端所用的高強(qiáng)度螺栓數(shù)目n1:所計(jì)算截面上高強(qiáng)度螺栓數(shù)目e0N 如圖所示，軸力作用在螺栓群形心，可認(rèn)為螺栓群均勻受拉，無論采用那種螺栓，每個(gè)螺栓的拉力為：btNiNnNN 可確定螺栓數(shù)或驗(yàn)算螺栓的抗拉承載力。 螺栓群均勻受拉螺栓群均勻受拉托板圖示T型連接，在彎矩M作用下，被連接件有順彎矩M作用方向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，螺栓受拉。e(a)oMoyy(b)(c)o(d)yy螺栓群受彎矩螺栓群受彎矩M作用作用問題：轉(zhuǎn)動(dòng)中心？ 普通螺栓的預(yù)拉力很小，在圖示彎矩作用下，連接板件的上部會(huì)拉開一定的縫隙。因此，可偏安全地認(rèn)為被連接構(gòu)件是繞底排螺栓軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，并設(shè)各螺栓所受拉力的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的距離成正比。根

13、據(jù)平衡條件得： nMn3M32M21M1yNyNyNyNmM 根據(jù)幾何關(guān)系得:nMniMi2M21M1yNyNyNyN 2i1M1ymMyN由上兩式得:1)采用普通螺栓 根據(jù)高強(qiáng)螺栓受拉的限制條件,拉力0.8P。所以，在彎矩M作用下，被連接構(gòu)件的接觸面一直保持緊密貼合，可認(rèn)為被連接構(gòu)件是繞螺栓群形心軸O轉(zhuǎn)動(dòng)。螺栓的軸向拉力計(jì)算公式與普通螺栓相同，只是轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同。2)采用高強(qiáng)螺栓e(a)oMoyy(b)(c)o(d)yy總結(jié)：板不被拉開時(shí)，中和軸在螺栓群形心處；板可被拉開時(shí)，與普通螺栓一樣，中和軸在最外排 受壓螺栓形心處。在扭矩T作用下，連接板件有繞螺栓群形心旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，使螺栓受剪。各螺栓所受

14、的剪力方向與螺栓群形心的連線垂直，剪力大小與距離r成正比。 ooTN11TN1xTN1yTT螺栓群受扭螺栓群受扭TN1TN2TN3TnN 設(shè)螺栓1、2、3n至螺栓群中心o點(diǎn)的距離為r1、r2、r3rn；各螺栓承受的剪力分別為、根據(jù)平衡條件及幾何條件得： 332211rNrNrNTTT+ nTnrNT 332211/rNrNrNTTTnTnrN / TrNrrrrTn 112232221/)( 211/iTrTrN1Tr 22iiyx() 整理得： 確定了螺栓所受的最大剪力，即可驗(yàn)算連接是否可靠，其強(qiáng)度條件是： 不大于螺栓的抗剪承載力解決幾種外荷載同時(shí)作用的簡(jiǎn)便方法是采用疊加原理：?jiǎn)为?dú)作用效應(yīng)疊

15、加eoMoyyoyy繞形心轉(zhuǎn)動(dòng)繞下排螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓群受剪、拉、彎共同作用螺栓群受剪、拉、彎共同作用由于軸向拉力N和彎矩M作用都使螺栓受軸向拉力，可先對(duì)N、M作用進(jìn)行一次疊加，然后再與剪力疊加當(dāng)彎矩M 較小時(shí)。設(shè)被連接件繞螺栓群的形心線上的O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，可得連接中螺栓所受拉力最大和最小的計(jì)算式為： 2iiMtiNtmaxymMynNNNN 2iiMtiNtminymMynNNNN 若 說明所有螺栓均受拉，被連接構(gòu)件是繞螺栓群形心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，與假設(shè)相符，可由第一式求出 0min NmaxN1）拉、彎組合iy各螺栓到形心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離。42cbtbtmaxdfNN 當(dāng)彎矩M 較大時(shí)。可能出現(xiàn) 。此時(shí)，說明連

16、接下部受壓，認(rèn)為被連接構(gòu)件是繞底排螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)底排螺栓軸線取矩，得頂排螺栓受力為：0min Nbt2i1MtiNtmaxNymMyNNN 式中 y1yi中的最大值； yi各螺栓到底排螺栓軸線的距離。 因?yàn)槁菟ㄈ壕鶆蚴芗簦?將 和 代入剪拉組合的相關(guān)公式和附加條件驗(yàn)算即可。nVN vvNmaxN 12btmax2bvv NNNN附加條件是：普通螺栓： 承壓型連接高強(qiáng)度螺栓： 摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓：bcvNN 2 . 1bcvNN maxNp8 . 0 bviVN2)剪、拉組合 各個(gè)螺栓所受的拉力。有彎矩作用時(shí)，各螺栓的 將不同，需按下式逐個(gè)計(jì)算：tiNtiN 2iitiymMynNN當(dāng)Nti0時(shí)

17、，取Nti0nbviftii 10.91.25NnPN原因？當(dāng)桿軸方向外拉力不大于螺栓預(yù)拉力P時(shí)，構(gòu)件摩擦面之間的預(yù)壓力減為PNt。但有試驗(yàn)資料知，螺栓受拉后摩擦面間的抗滑移系數(shù)u將降低，同時(shí)，Nt還要考慮抗力分項(xiàng)系數(shù)rR1.111，為此在保持u不變的情況下，用P rRNt改為P1.25Nt，以考慮u將降低的影響。V、N、T 作用均使螺栓群受剪，但剪力方向不同。仍按疊加原理，可對(duì)V、N、T 單獨(dú)計(jì)算，然后疊加。eFNoooPVNTN11TN1xTN1yT+=3)螺栓群受剪、拉、扭共同作用其強(qiáng)度條件為：N1不大于螺栓的抗剪承載力 剪力V作用：拉力N作用： 扭矩T作用：nVN vinNN Ni 2

18、11/iTrTrN 22111112211111/iiTTyiiTTxyxTxrxNNyxTyryNN 螺栓群在剪力V、軸力N、扭矩T共同作用下的搭接連接中，螺栓1所受的合剪力也最大 2112111TyVyTxNxNNNNN TN1為便于組合，將 分解為水平及豎直方向分力：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓承載力設(shè)計(jì)值.doc 圖示摩擦型高強(qiáng)螺栓連圖示摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，接，M20M20，10.910.9級(jí)，噴砂級(jí)，噴砂生赤銹，驗(yàn)算連接強(qiáng)度。生赤銹，驗(yàn)算連接強(qiáng)度。 已知：已知：M=106k.mM=106k.m； N=384kNN=384kN； V=450kNV=450kN。例題1：解：解：1、查取有關(guān)參數(shù)、查取有關(guān)參數(shù) 預(yù)拉力：預(yù)拉力： P=155kN; 摩擦系數(shù)：摩擦系數(shù)：=0.45 2、確定控制點(diǎn)、確定控制點(diǎn) 經(jīng)受力分析控制點(diǎn)為最經(jīng)受力分析控制點(diǎn)為最 上排螺栓上排螺栓。3、最上排螺栓分項(xiàng)受力、最上排螺栓分項(xiàng)受力 軸力軸力N N：各螺栓均勻受拉：各螺栓均勻受拉 彎矩彎矩