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裝配培訓(xùn)教材螺栓連接構(gòu)造與計(jì)算2021/5/91一二三四目錄普通螺栓連接構(gòu)造與計(jì)算普通螺栓抗剪連接普通螺栓抗拉連接高強(qiáng)度螺栓連接構(gòu)造與計(jì)算五六高強(qiáng)度螺栓抗剪連接高強(qiáng)度螺栓抗拉連接2021/5/921.普通螺栓的種類和構(gòu)造要求
一.普通螺栓連接構(gòu)造與計(jì)算(1)普通螺栓種類C級(jí)---粗制螺栓,性能等級(jí)為4.6或4.8級(jí);4表示fu≥400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8;Ⅱ類孔,孔徑(do)-栓桿直徑(d)=1~3mm。A、B級(jí)---精制螺栓,性能等級(jí)為5.6或8.8級(jí);5或8表示fu≥500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8;Ⅰ類孔,孔徑(do)-栓桿直徑(d)=0.3~0.5mm。按其加工的精細(xì)程度和強(qiáng)度分為:A、B、C三個(gè)級(jí)別。2021/5/93(2)螺栓的排列1)并列—簡(jiǎn)單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小,但構(gòu)件截面削弱大。B錯(cuò)列A并列中距中距邊距邊距端距2)錯(cuò)列—排列不緊湊,所用連接板尺寸大,但構(gòu)件截面削弱小。
2021/5/94(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(guò)多而降低承載力,螺栓的邊距和端距不能太??;
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(duì)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。2021/5/953)施工要求
為了便于扳手?jǐn)Q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。名稱位置和方向最大容許距離(兩者最小距離)最小容許距離中心間距外排(垂直外力方向或順內(nèi)力方向)8do或12t3do中間排垂直內(nèi)力方向16do或24t順內(nèi)力方向構(gòu)件受拉力12do或18t構(gòu)件受壓力16do或24t沿對(duì)角線方向_中心至構(gòu)件邊緣間距順內(nèi)力方向4do或8t2do垂直內(nèi)力方向剪切邊或手工氣割邊1.5do軋制邊、自動(dòng)氣割邊或鋸割邊高強(qiáng)度螺栓其他螺栓或鉚釘1.2do2021/5/96(4)螺栓連接的構(gòu)造要求
為了保證連接的可靠性,每個(gè)桿件的節(jié)點(diǎn)或拼接接頭一端不宜少于兩個(gè)永久螺栓,但組合構(gòu)件的綴條除外;直接承受動(dòng)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(dòng);C級(jí)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(dòng)載的次要連接;
2)承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接;
3)臨時(shí)固定構(gòu)件的安裝連接。2021/5/97二.螺栓連接的受力形式FNFA只受剪力B只受拉力C剪力和拉力共同作用N2021/5/98
三.普通螺栓抗剪連接
1.工作性能和破壞形式
(1)工作性能對(duì)圖示螺栓連接做抗剪試驗(yàn),即可得到板件上a、b兩點(diǎn)相對(duì)位移δ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(gè)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。NδO1234NNabNN/2N/22021/5/992)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。NδO1234abNN/2N/2
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-δ關(guān)系以曲線狀態(tài)上升。2021/5/9104)彈塑性階段(3~4段)
達(dá)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(diǎn)(曲線的最高點(diǎn))即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。NδO1234abNN/2N/2Nu2021/5/9112.破壞形式(1)螺栓桿被剪壞栓桿較細(xì)而板件較厚時(shí)(2)孔壁的擠壓破壞栓桿較粗而板件較薄時(shí)(3)板件被拉斷截面削弱過(guò)多時(shí)
以上破壞形式予以計(jì)算解決。N/2NN/2NNNN2021/5/912(4)板件端部被剪壞(拉豁)
端矩過(guò)小時(shí);端矩不應(yīng)小于2dONN(5)栓桿彎曲破壞螺栓桿過(guò)長(zhǎng);栓桿長(zhǎng)度不應(yīng)大于5d這兩種破壞構(gòu)造解決N/2NN/22021/5/913四.抗剪螺栓的單栓承載力設(shè)計(jì)值
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(qiáng)度設(shè)計(jì)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:d2021/5/914剪切面數(shù)目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/22021/5/915五.普通螺栓群抗剪連接計(jì)算1.普通螺栓群軸心力作用下抗剪計(jì)算N/2Nl1N/2平均值螺栓的內(nèi)力分布
試驗(yàn)證明,栓群在軸力作用下各個(gè)螺栓的內(nèi)力沿栓群長(zhǎng)度方向不均勻,兩端大,中間小。
當(dāng)l1≤15d0(d0為孔徑)時(shí),連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后,內(nèi)力重新分布,各個(gè)螺栓內(nèi)力趨于相同,故設(shè)計(jì)時(shí)假定N有各螺栓均擔(dān)。所以,連接所需螺栓數(shù)為:2021/5/916
當(dāng)l1>15d0(d0為孔徑)時(shí),連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后,即使內(nèi)力重新分布,各個(gè)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(yàn)可得連接的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)η與l1/d0的關(guān)系曲線。ECCS試驗(yàn)曲線8.8級(jí)
M22我國(guó)規(guī)范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長(zhǎng)連接螺栓的內(nèi)力分布故,連接所需栓數(shù):1501.1601501010-=££dldldh時(shí):當(dāng)2021/5/917
普通螺栓群軸心力作用下,為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進(jìn)行板件的凈截面驗(yàn)算。拼接板的危險(xiǎn)截面為2-2截面:NNbtt1b1(1)螺栓采用并列排列時(shí):主板的危險(xiǎn)截面為1-1截面:11222021/5/918NNtt1bc2c3c4c1(2)螺栓采用錯(cuò)列排列時(shí):主板的危險(xiǎn)截面為1--1和1’--1’截面:111’1’2021/5/919NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險(xiǎn)截面為2--2和2’--2’截面:222’2’2021/5/9202.普通螺栓群偏心力作用下抗剪計(jì)算F作用下每個(gè)螺栓受力:FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下連接按彈性設(shè)計(jì),其假定為:
(1)連接板件絕對(duì)剛性,螺栓為彈性;
(2)T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動(dòng),各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關(guān)系,方向與ri垂直。2021/5/921TxyN1TN1TxN1Tyr11
顯然,T作用下‘1’號(hào)螺栓所受剪力最大(r1最大)。由假定(2)得由上式可得:由力的平衡條件得:TxyN1TN1TxN1Tyr11從而可得:將N1T沿坐標(biāo)軸分解得:由此可得螺栓1的強(qiáng)度驗(yàn)算公式為:
另外,當(dāng)螺栓布置比較狹長(zhǎng)(如y1≥3x1)時(shí),可進(jìn)行如下簡(jiǎn)化計(jì)算:令:xi=0,則N1Ty=02021/5/924六.普通螺栓的抗拉連接1.普通螺栓抗拉連接的工作性能
抗拉螺栓連接在外力作用下,連接板件接觸面有脫開(kāi)趨勢(shì),螺栓桿受桿軸方向拉力作用,以栓桿被拉斷為其破壞形式。2.單個(gè)普通螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值式中: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(qiáng)度設(shè)計(jì)值。2021/5/925公式的兩點(diǎn)說(shuō)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取:dedndmd2021/5/926(2)螺栓垂直連接件的剛度對(duì)螺栓抗拉承載力的影響
1)螺栓受拉時(shí),一般是通過(guò)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(shí),螺栓有被撬開(kāi)的趨勢(shì)(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(yàn)證明影響撬力的因素較多,其大小難以確定,規(guī)范采取簡(jiǎn)化計(jì)算的方法,取ftb=0.8f(f—螺栓鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)來(lái)考慮其影響。2021/5/927
2)在構(gòu)造上可以通過(guò)加強(qiáng)連接件的剛度的方法,來(lái)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。2021/5/9283.普通螺栓群的軸拉設(shè)計(jì)
一般假定每個(gè)螺栓均勻受力,因此,連接所需的螺栓數(shù)為:N2021/5/9294.普通螺栓群在彎炬作用下M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計(jì),其假定為:
(1)連接板件絕對(duì)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。2021/5/930顯然‘1’號(hào)螺栓在M作用下所受拉力最大由力學(xué)及假定可得:M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸2021/5/931同前可得:強(qiáng)度要求為:2021/5/9325.普通螺栓群在偏心拉力作用下
偏心力作用下普通螺栓連接,可采用偏于安全的設(shè)計(jì)方法,即疊加法。刨平頂緊承托(板)FeN1F1234FMy1y2y3N1MN2MN3MM=F?e中和軸N4M2021/5/9336.普通螺栓拉、剪聯(lián)合作用011VeM=VeV因此:(2)由試驗(yàn)可知,兼受剪力和拉力的螺桿,其承載力無(wú)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(jì)算時(shí),假定剪力由螺栓群均勻承擔(dān),拉力由受力情況確定。2021/5/934
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:011ab2021/5/935
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(shí),螺栓群按受拉連接計(jì)算。
承托與柱翼緣的連接角焊縫按下式計(jì)算:式中:
α—考慮剪力對(duì)角焊縫偏心影響的增大系數(shù),一般取α=1.25~1.35;
其余符號(hào)同前。M刨平頂緊承托(板)V連接角焊縫2021/5/936
七.高強(qiáng)度螺栓連接計(jì)算高強(qiáng)螺栓由45號(hào)、40B和20MnTiB鋼加工而成,并經(jīng)過(guò)熱處理45號(hào)-8.8級(jí);40B和20MnTiB-10.9級(jí)
(a)大六角頭螺栓(b)扭剪型螺栓2021/5/9371.高強(qiáng)度螺栓的工作性能及單栓承載力按受力特征的不同高強(qiáng)度螺栓分為兩類:
摩擦型高強(qiáng)度螺栓—通過(guò)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(qiáng)度螺栓—受力特征與普通螺栓類似。(1)高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的建立方法通過(guò)擰緊螺帽的方法,螺帽的緊固方法:
1)轉(zhuǎn)角法
施工方法:初擰—用普通扳手?jǐn)Q至不動(dòng),使板件貼緊密;
2021/5/938終擰—初擰基礎(chǔ)上用長(zhǎng)扳手或電動(dòng)扳手再擰過(guò)一定的
角度,一般為120o~180o完成終擰。特點(diǎn):預(yù)拉力的建立簡(jiǎn)單、有效,但要防止欠擰、漏擰和超擰;2)扭矩法
施工方法:初擰—用力矩扳手?jǐn)Q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(jì)終擰力矩?cái)Q緊。特點(diǎn):簡(jiǎn)單、易實(shí)施,但得到的預(yù)拉力誤差較大。2021/5/9393)扭斷螺栓桿尾部法(扭剪型高強(qiáng)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(diǎn):施工簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低易實(shí)施、質(zhì)量易保證等2.高強(qiáng)度螺栓的施工要求:
由于高強(qiáng)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。2021/5/9403.高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的確定
高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力是根據(jù)螺栓桿的有效抗拉強(qiáng)度確定的,并考慮了以下修正系數(shù):(1)考慮材料的不均勻性的折減系數(shù)0.9;(2)為防止施工時(shí)超張拉導(dǎo)致螺桿破壞的折減系數(shù)0.9;(3)考慮擰緊螺帽時(shí),螺栓桿上產(chǎn)生的剪力對(duì)抗拉強(qiáng)度的降低除以系數(shù)1.2。(4)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(qiáng)度;8.8級(jí),取fu=830N/mm2,
10.9級(jí),取fu=1040N/mm22021/5/9414.高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)μ(1)摩擦型高強(qiáng)度螺栓是通過(guò)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)μ
;(2)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(hào)有關(guān),其大小隨板件間的擠壓力的減小而減小;規(guī)范給出了預(yù)拉力值和不同鋼材在不同接觸面處理方法下的抗滑移系數(shù)μ,如下表2021/5/942螺栓的性能等級(jí)
螺栓公稱直徑(mm)M16M20M22M24M27M308.8級(jí)8012515017523028010.9級(jí)100155190225290355高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力P(KN)2021/5/943連接處構(gòu)件接觸面的處理方法構(gòu)件的鋼號(hào)Q235鋼Q345/390鋼Q420鋼噴砂(丸)0.450.500.50噴砂(丸)后涂無(wú)機(jī)富鋅漆0.350.400.40噴砂(丸)后生赤銹0.450.500.50鋼絲刷清楚浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面0.300.350.40摩擦面抗滑移系數(shù)μ2021/5/9445.高強(qiáng)度螺栓抗剪連接的工作性能和單栓承載力(1)抗剪連接工作性能受力過(guò)程與普通螺栓相似,分為四個(gè)階段:摩擦傳力的彈性階段、滑移階段、栓桿傳力的彈性階段、彈塑性階段。但比較兩條N—δ曲線可知,由于高強(qiáng)度螺栓因連接件間存在很大的摩擦力,故其第一個(gè)階段遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通螺栓。高強(qiáng)度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/22021/5/9451)對(duì)于高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接,其破壞準(zhǔn)則為板件發(fā)生相對(duì)滑移,因此其極限狀態(tài)為1點(diǎn)而不是4點(diǎn),所以1點(diǎn)的承載力即為一個(gè)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力:NδO12341234高強(qiáng)度螺栓普通螺栓abNN/2N/2式中:0.9—抗力分項(xiàng)系數(shù)γR的倒數(shù)(γR=1.111);nf—傳力摩擦面數(shù)目;
μ--摩擦面抗滑移系數(shù);P—預(yù)拉力設(shè)計(jì)值.(2)抗剪連接單栓承載力2021/5/9462)對(duì)于高強(qiáng)度螺栓承壓型抗剪連接,允許接觸面發(fā)生相對(duì)滑移,破壞準(zhǔn)則為連接達(dá)到其極限狀態(tài)4點(diǎn),所以高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的單栓抗剪承載力計(jì)算方法與普通螺栓相同。NδO12341234高強(qiáng)度螺栓普通螺栓單栓抗剪承載力:抗剪承載力:承壓承載力:2021/5/9476.高強(qiáng)度螺栓抗拉連接工作性能和單栓承載力(1)當(dāng)外拉力為零,即N=0時(shí):P=C;(2)當(dāng)外拉力為Nt時(shí):板件有被拉開(kāi)趨勢(shì),板件間的壓力C減小為Cf,栓桿拉力P增加為Pf,由力及變形協(xié)調(diào)得:NPCP+△P=PfC-△C=CfNtAb—栓桿截面面積;Ap—板件擠壓面面積;δ—板疊厚度。2021/5/948(3)當(dāng)板件即將被拉開(kāi)時(shí):Cf=0,有Pf=Nt,因此:
一般板件間的擠壓面面積比栓桿截面面積大的多,近似取AP/Ab=10,得:顯然栓桿的拉力增加不大。另外,試驗(yàn)證明,當(dāng)栓桿的外加拉力大于P時(shí),卸載后螺栓桿的預(yù)拉力將減小,即發(fā)生松弛現(xiàn)象。但當(dāng)Nt不大于0.8P時(shí),則無(wú)松弛現(xiàn)象,這時(shí)Pf=1.07P,可認(rèn)為螺桿的預(yù)拉力不變,且連接板件間有一定的擠壓力保持緊密接觸,所以現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:P+△P=PfC-△C=CfNt2021/5/9491)摩擦型高強(qiáng)度螺栓的單栓抗拉承載力為:上式未考慮橇力的影響,當(dāng)考慮橇力影響時(shí),螺栓桿的拉力Pf與Nt的關(guān)系曲線如圖:Nt≤0.5P時(shí),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(jì)時(shí)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)。30025020015010050050100150200250300Pf(KN)Nu’NuNt(KN)2NNNQQ19518.8級(jí)M22P=150KNQ有橇力時(shí)的螺栓破壞無(wú)橇力時(shí)的螺栓破壞2021/5/9502)承壓型高強(qiáng)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(jì)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(qiáng)度螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。上式的計(jì)算結(jié)果與0.8P相差不多。2021/5/9516、高強(qiáng)度螺栓連接在拉力和剪力共同作用下的工作性能和單栓承載力(1)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接盡管當(dāng)Nt≤P時(shí),栓桿的預(yù)拉力變化不大,但由于μ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:2021/5/952(2)高強(qiáng)度螺栓承壓型連接
對(duì)于高強(qiáng)度螺栓承壓型連接在剪力和拉力共同作用下計(jì)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(qiáng)度螺栓的承壓承載力降低的修正系數(shù)。2021/5/953八.高強(qiáng)度螺栓群的抗剪計(jì)算1.軸心力作用假定各螺栓受力均勻,故所需螺栓數(shù):對(duì)于摩擦型連接:對(duì)于承壓型連接:NN2021/5/954
高強(qiáng)度螺栓群軸心力作用下,為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進(jìn)行板件的凈截面驗(yàn)算。NNbtt1b11)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接主板的危險(xiǎn)截面為1-1截面。11考慮孔前傳力50%得:1-1截面的內(nèi)力為:2021/5/955NNbtt1b1拼接板的危險(xiǎn)截面為2-2截面。22考慮孔前傳力50%得:2-2截面的內(nèi)力為:2)高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的凈截面驗(yàn)算與普通螺栓的凈截面驗(yàn)算完全相同。2021/5/9562.扭矩或扭矩、剪力共同作用下
計(jì)算方法與普通螺栓相同,即:FTTxyN1TN1
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