鋼結構設計-鋼結構螺栓連接

項目

鋼結構設計任務3：鋼結構螺栓連接設計上堂課內(nèi)容回憶

項目13鋼結構設計1.鋼結構材料；2.鋼結構焊接連接設計；

3.鋼結構螺栓連接設計；

4.

鋼結構基本構件設計；5.鋼結構屋架1.連接方法概述2.鋼結構普通螺栓連接設計；3.鋼結構高強螺栓連接設計。

第3講

鋼結構螺栓連接設計教學目標：重點掌握鋼結構普通螺栓連接設計；掌握鋼結構高強螺栓連接設計。難點鋼結構普通螺栓連接設計；鋼結構高強螺栓連接設計。..一、鋼結構的螺栓連接方法螺栓連接普通螺栓連接高強度螺栓連接第3講鋼結構的螺栓連接設計13.3.1

概述C級B級A級精制螺栓粗制螺栓Q235鋼（4.6級）（8.8級）材料性能等級45號鋼35號鋼Ⅰ類孔Ⅱ類孔1.5～2.0mm0.18～0.25mmⅠ類孔：連接板組裝時，孔口精確對準，孔壁平滑，孔軸線與板面垂直。Ⅱ類孔：質(zhì)量達不到Ⅰ類孔要求的孔粗制螺栓(C級):制作精度較差，孔徑比栓桿直徑大1.0～1.5mm，便于制作和安裝。適用于承受拉力，而受剪性能較差。因此，它常用于承受拉力的安裝螺栓連接，次要結構和可拆卸結構的抗剪連接，以及安裝時的臨時固定。精制螺栓(A級或B級):它的制作精度較高，孔徑比栓桿直徑只大0.3-0.5mm，制作和安裝都較費工，價格昂貴，故鋼結構中較少采用。（1)普通螺栓連接包括螺帽和墊圈均采用高強度材料制作.是現(xiàn)代鋼結構另一種主要的連接方法。高強度螺栓分大六角頭型和扭剪型兩種。

安裝時通過特別的板手，以較大的扭矩上緊螺帽，使螺桿產(chǎn)生很大的預拉力。

（1)高強螺栓連接優(yōu)點：在材料、扳手、制造和安裝方面有一些特殊的技術要求，價格較貴缺點：連接緊密、受力良好、耐疲勞、可拆換、安裝簡單以及動力荷載作用下不易松動高強度螺栓摩擦型連接高強度螺栓承壓型連接①高強度螺栓摩擦型連接

高強螺栓的預拉力把被連接的部件夾緊，使部件的接觸面間產(chǎn)生很大的磨擦力，外力通過摩擦力來傳遞。栓孔直徑比螺桿的公稱直徑d大1.5－2.0mm優(yōu)點：同高強度螺栓摩擦型連接缺點：連接緊密、可拆換、安裝簡單高強度螺栓承壓型連接

高強度螺栓摩擦型連接只利用摩擦傳力這一工作階段，以滑移作為承載能力的極限狀態(tài)。

高強度螺栓承壓型連接起初由摩擦傳力，后期依靠栓桿抗剪和承壓傳力，極限狀態(tài)和普通螺栓連接相同。

同普通螺栓一樣，允許接觸面滑移，依靠螺栓桿和螺栓孔之間的承壓來傳力。

栓孔直徑比螺桿的公稱直徑d大1.0－1.5mm二、高強度螺栓連接和普通螺栓連接的主要區(qū)別普通螺栓連接：預拉力很小，摩擦力忽略不計，抗剪時依靠孔壁承壓和栓桿抗剪來傳力。高強度螺栓連接：預拉力很大，摩擦力很大，抗剪時全部或部分依靠摩擦來傳力。

摩擦型連接的剪切變形小，彈性性能好，特別適用于承受動荷載的結構。承壓型連接的承載力高于摩擦型，連接緊湊，但剪切變形大，不得用于承受動力荷載的結構中。

高強螺栓及其它螺栓的施工安裝過程13.3.2

螺栓連接1.普通螺栓連接的計算和構造（1）普通螺栓連接的構造1）螺栓的規(guī)格鋼結構采用的普通螺栓形式為六角頭型，其代號用字母M和公稱直徑的毫米數(shù)表示。螺栓直徑d應根據(jù)整個結構及其主要連接的尺寸和受力情況選定，受力螺栓一般采用M16、M20、M24等。

13.3鋼結構連接六角頭型M+公稱直徑M20M22螺栓的規(guī)格外六角內(nèi)六角●螺栓在構件上的排列應同時考慮受力要求、構造要求及施工要求?！駨氖芰嵌瘸霭l(fā)，螺栓端距不能太小，否則孔前鋼板有被剪壞的可能；螺栓端距也不能過大，螺栓端距過大不僅會造成材料的浪費，對受壓構件而言還會發(fā)生壓屈鼓肚現(xiàn)象?！駨臉嬙旖嵌瓤紤]，螺栓的栓距及線距不宜過大，否則被連接構件間的接觸不緊密，潮氣就會侵入板件間的縫隙內(nèi)，造成鋼板銹蝕。

●從施工角度來說，布置螺栓還應考慮擰緊螺栓時所必須的施工空隙。

3）螺栓的其他構造要求①每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭的一端，永久性的螺栓數(shù)不宜少于兩個。對組合構件的綴條，其端部連接可采用一個螺栓。②

C級螺栓宜用于沿其桿軸方向的受拉連接，在下列情況下可用于受剪連接：●承受靜荷載或間接承受動荷載結構中的次要連接；●不承受動荷載的可拆卸結構的連接；●臨時固定構件用的安裝連接。③對直接承受動荷載的普通螺栓連接應采用雙螺帽或其它能防止螺帽松動的有效措施。

（2）普通螺栓連接的計算普通螺栓連接的受力形式分為三類：外力與栓桿垂直的受剪螺栓連接；外力與栓桿平行的受拉螺栓連接；同時受剪和受拉的螺栓連接。

1）受剪螺栓連接①受力特點受剪螺栓連接達到極限承載力時的五種破壞形式：

受剪破壞擠壓破壞A并列邊距中距端距端距螺栓的排列形式A并列：簡單、整齊、緊湊，連接板尺寸小，但截面削弱大。B錯列：排列不緊湊，連接板尺寸較大，但截面削弱較小。

上述第③種破壞形式由螺栓端距L1≥2d0來保證；第④種破壞屬于構件的強度驗算。因此，普通螺栓的受剪連接只考慮①、②兩種破壞形式。（2）單個普通螺栓的受剪計算

栓桿受剪計算時，假定螺栓受剪面上的剪應力是均勻分布的；孔壁承壓計算時，假定擠壓力沿栓桿直徑平面（實際上是相應于栓桿直徑平面的孔壁部分）均勻分布。受剪承載力設計值承壓承載力設計值單個受剪螺栓的承載力設計值（3）普通螺栓群受剪連接計算螺栓群在軸心力作用下的抗剪計算彈性階段：各螺栓受力不相等，兩端大中間小彈塑性階段：內(nèi)力發(fā)生重分布，各螺栓受力趨于均勻假定每個螺栓受力相等連接一側(cè)所需螺栓數(shù)目規(guī)范規(guī)定：構件開孔處凈截面強度驗算最不利截面的選擇

應對構件凈截面強度進行驗算。構件開孔處凈截面強度應滿足：

式中——連接件或構件在所驗算截面處的凈截面面積；

N——連接件或構件驗算截面處的軸心力設計值；——鋼材的抗拉（或抗壓）強度設計值。

凈截面強度驗算截面應選擇最不利截面，即內(nèi)力最大或凈截面面積較小的截面。凈截面強度驗算例13.2.1如圖所示兩塊鋼板截面為18×400，鋼材Q235，承受軸心力設計值N=1000KN，采用M22普通螺栓拼接,I類螺孔，試設計此連接。（按錯列I-I）2)受拉螺栓連接①受力特點

由于被連接板件的剛度常較小，受拉后和拉力垂直的角鋼水平肢會發(fā)生較大的變形，因而在角鋼水平肢的端部因杠桿作用而產(chǎn)生反力Q，普通螺栓所受拉力將會增大至Nt+Q/2。

為了簡化計算，我國規(guī)范將螺栓的抗拉強度設計值降低20%來考慮撬力影響。②受拉螺栓連接受軸心力作用時的計算方法

由于受拉螺栓的最不利截面在螺栓削弱處，因此，計算時應根據(jù)螺紋削弱處的有效直徑de或有效面積Ae來確定其承載力。

一個受拉螺栓的承載力設計值為

式中：de、Ae——分別為螺栓螺紋處的有效直徑和有效面積；

ftb——螺栓抗拉強度設計值。

假定各個螺栓所受拉力相等，則連接所需螺栓數(shù)目為:3）同時承受剪力和拉力的螺栓連接

當螺栓同時承受剪力和拉力時，連接螺栓安全工作的強度條件是連接中最危險螺栓所承受的剪力和拉力應滿足下面的相關公式：【例13.2.2】試驗算圖13.2.3所示普通螺栓連接的強度。螺栓M20，孔徑21.5mm，鋼材Q235。圖13.2.32.高強度螺栓連接(1)受力性能與構造要求●高強螺栓連接主要是靠被連接板件間的強大摩阻力來抵抗外力。●摩擦型高強螺栓連接單純依靠被連接件間的摩阻力傳遞剪力，以摩阻力剛被克服，連接鋼板間即將產(chǎn)生相對滑移為承載能力極限狀態(tài)。●承壓型高強螺栓連接的傳力特征是剪力超過摩擦力時，被連接件間發(fā)生相互滑移，螺栓桿身與孔壁接觸，螺桿受剪，孔壁承壓，以螺栓受剪或鋼板承壓破壞為承載能力極限狀態(tài)，其破壞形式同普通螺栓連接。1)預拉力

高強螺栓的預拉力,是通過擰緊螺帽實現(xiàn)的。

一般采用扭矩法、轉(zhuǎn)角法和扭斷螺栓尾部法來控制預拉力：●扭矩法是采用可直接顯示扭矩的特制板手施加扭矩至規(guī)定的扭矩值；●轉(zhuǎn)角法分初擰和終擰兩步。

2）摩擦面抗滑移系數(shù)

高強度螺栓連接摩擦阻力的大小與螺栓的預拉力和連接件間的摩擦面的抗滑移系數(shù)μ有關。規(guī)范規(guī)定的摩擦面抗滑移系數(shù)μ值。3）高強度螺栓的排列高強度螺栓的排列要求與普通螺栓相同。（2）摩擦型高強度螺栓連接的計算摩擦型高強螺栓連接的受力形式有受剪、受拉或同時受剪受拉幾種情況。

一個摩擦型高強度螺栓的抗剪承載力設計值為：

式中nf——一個螺栓的傳力摩擦面數(shù)目；

μ——摩擦面的抗滑移系數(shù)；

P——高強度螺栓預拉力。

則高強度螺栓連接一側(cè)所需螺栓數(shù)為

式中n——連接一側(cè)所需螺栓數(shù)；

N——連接所受軸心拉力設計值。

由于摩擦阻力作用，一部分剪力已由第一列螺栓孔前接觸面?zhèn)鬟f。圖13.1.33

規(guī)范規(guī)定，孔前傳力占螺栓傳力的50%，那么Ⅰ-Ⅰ截面處拉力應為：

式中n1——計算截面上的螺栓數(shù)；

n——連接一側(cè)的螺栓數(shù)。因此，摩擦型高強螺栓連接的構件凈截面強度驗算公式為：【例13.2.3】試設計一高強螺栓的拼接連接(圖13.2.3)。連接一側(cè)承受軸心拉力設計值N=600KN，鋼板截面340mm×12mm，鋼材Q235鋼，采用10.9級的M22高強度螺栓，連接處構件接觸面用鋼絲刷清理浮銹。圖13.2.3

2)同時受剪受拉的計算柱與牛腿的高強螺栓連接同時承受剪力和拉力。高強度螺栓在外力作用前，已經(jīng)有很高的預拉力P，為避免拉力大于螺栓預拉力時，卸荷后產(chǎn)生松馳現(xiàn)象，應使板件接觸面間始終被擠壓很緊。規(guī)范規(guī)定每個摩擦型高強螺栓的抗拉設計承載力不得大于0.8P，于是，一個抗拉高強螺栓的承載力設計值為：圖13.2.4高強螺栓連接承受拉力Nt后，摩擦面間的預壓力從P減小到（P-Nt），此時接觸面間的抗滑移系數(shù)μ也隨之減小。為便于應用，仍采用原來的抗滑移系數(shù)，而以1.25Nt代替Nt。故摩擦型高強螺栓連接同時受剪受拉時，其一個螺栓的抗剪承載力設計值為式中Nt——

一個高強螺栓在桿軸方向的外拉力，其值不應大于0.8P。本節(jié)課小結：1.普通螺栓連接的概念、特點、形式2.普通螺栓連接：3.高強螺栓摩擦型連接：

一個摩擦型高強度螺栓的抗剪承載力設計值為：

式中nf——一個螺栓的傳力摩擦面數(shù)目；

μ——摩擦面的抗滑移系數(shù)；

P——高強度螺栓預拉力。

則高強度螺栓連接一側(cè)所需螺栓數(shù)為