钢结构普通螺栓连接设计

普通螺栓类型精制螺栓粗制螺栓性能等级A级和B级C级5.6级和8.8级4.6级和4.8级加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度Ⅰ类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为0.25～0.5mmⅡ类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为1.5～3mm抗剪性能好较差用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定1、普通螺栓第五节普通螺栓连接设计复习性能等级的含义：5表示fu≥500N/mm2,0.6表示fy/fu=0.6如5.6级由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理45号－8.8级；40B和20MnTiB－10.9级2、高强度螺栓连接大六角头螺栓扭剪型螺栓12341-螺栓；2-垫圈；3-螺母；4-螺丝;5-槽口1435高强度螺栓分类：根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。传力途径：摩擦型——依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。承压型——依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5-2.0mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0-1.5mm。一、普通螺栓连接构造2.螺栓排列螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。并列端距中距边距中距边距错列端距边距边距1.最少螺栓数要求每一杆件在节点上以及拼接接头一端，螺栓数目不宜少于2个。并列——简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。错列——可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。螺栓排列的要求（1）受力要求在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。平行于受力方向：端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于2d0；受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距（2）构造要求边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的最大容许间距（3）施工要求要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。端距端距中距边距中距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0端距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d0端距并列并列螺栓或铆钉的最大、最小容许距离1.2d0其他螺栓或铆钉高强度螺栓轧制边自动精密气割或锯割边1.5d0剪切边或手工气割边垂直内力方向2d04d0或8t顺内力方向中心至构件边缘距离沿对角线方向16d0或24t拉力12d0或18t压力顺内力方向16d0或24t垂直内力方向中间排3d08d0或12t外排（垂直内力方向或顺内力方向）中心间距最小容许距离最大容许距离（取两者中的小值）位置和方向名称注：(1)d0为螺栓孔或铆钉孔直径，t为外层较薄板件的厚度；(2)钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢等)相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。三、螺栓连接的构造要求螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：（1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。（2）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动。（3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。（4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。四、普通螺栓的抗剪连接计算1、抗剪连接工作性能工作性能对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移δ和作用力N的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。NN/2N/2ba012341234Nδ普通螺栓高强度螺栓①摩擦传力的弹性阶段(0-1段)直线段—连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。②滑移阶段(1-2段)水平段—摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。③栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段)曲线上升段——该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-δ关系以曲线状态上升。④弹塑性阶段(3-4段)荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载。2、抗剪连接的破坏形式①栓杆被剪坏破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时NN②较薄的连接板被挤压破坏破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时NN③板件被拉（压）断破坏条件：截面削弱过多时NN由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。④板件端部被剪坏破坏条件：端矩a过小时构造保证措施：端矩不应小于2d0NN⑤栓杆弯曲破坏破坏条件：螺栓杆过长时构造保证措施：栓杆长度不应大于5d前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第③种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑①和②两种形式破坏。N/2NN/23.单个普通螺栓的抗剪承载力计算由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压（即螺栓承压）两种情况。（1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个螺栓的受剪承载力设计值为：式中：nv——受剪面数目，单剪=1；双剪=2。d——螺栓杆公称直径；fvb——螺栓的抗剪强度设计值，见附录1中的附表1.3bv2vbv4fdnNNN/2N/22vn双剪：t2t1t3NN1vn单剪：t2t1d单个螺栓的承压承载力设计值为：bbccNdtf式中∑t—同一受力方向的承压构件的较小总厚度；—承压强度设计值，见附录1中的附表1.3。对双剪：取t1与t2+t3中较小者对单剪：取t1与t2中较小者bcfminminbbbvcNNN，一个普通螺栓的抗剪承载力设计值：4.普通螺栓群的抗剪承载力计算(1)普通螺栓群轴心受剪试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大,中间小。l1NN/2N/2平均值图3.7.2当l1≤15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N由各螺栓平均分担。即连接所需螺栓数为：当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数η与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：bVNNnmin因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：当时，1010015601.1150ldldd10600.7ld当时，以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。bVNNnminF作用下每个螺栓平均受力，则1FFNn(2)普通螺栓群偏心受剪eF=F+TOr1x1y1y2N1TxN1TyN1TNt21F作用扭矩T作用栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下：①连接件绝对刚性,螺栓弹性；②连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线垂直。“1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。计算公式推导如下：设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1、r2、r3…，rn，各螺栓承受的分力分别为N1T、N2T、N3T…，NnT，根据平衡条件得：••栓钉受力大小与其到形心的距离成正比，则：•故得螺栓i因力矩T而产生的剪力为：•在扭矩T作用下的剪力在x、y轴方向的分量：nTnTTrNrNrNT2211nTnTTrNrNrN22112222222111)()()()(iiTinnTnTTrrNrrNrrNrrNT222iiiiiTiyxTrrTrN22iiiiiTiTixyxTyryNN22iiiiiTiTiyyxTxrxNN受力最大螺栓“1”所受的合力为:如果y1≥3x1，则可假定xi=0，由此得N1Ty=0，11Tx2iTyNy则计算式为：bmin22211NnFyTyNibVTyFTxNNNNNmin211211五、普通螺栓的抗拉连接计算•1.单个普通螺栓的抗拉承载力•受拉螺栓的撬力连接刚度对受拉螺栓的影响普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设计值的0.8倍.单个抗拉螺栓的承载力设计值为:式中de、Ae——螺栓的有效直径和有效截面面积，要考虑螺纹的影响，见附录8中的附表8.1；—螺栓抗拉强度设计值。btebtebtfdfAN42btf2.普通螺栓群轴心受拉计算当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：式中：btNNnNtb为一个螺栓的抗拉承载力设计值在弯矩M作用下，被连接件有顺弯矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓受拉。N螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M＝Ne的联合作用。技弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。V由承托承担大偏心受拉y1’y2’y3’NN1N2N3O’中和轴受压区e’小偏心受拉VMN刨平顶紧承托（板）e旋转中心NmaxN2N3Nmin0Ny2y2y1y1cOe3.普通螺栓群偏心受拉（轴心力和弯矩共同作用）计算:剪力V直接通过承托板传递，螺栓受轴心力和弯矩作用KyNyNyNyNnMniMiMM221111KyNM22KyNMnMnKyNnMniMiMMyNyNyNyNM2211••，•底排与顶排螺栓受力分别为最小和最大：•，•式中n——连接中螺栓总个数；•y1——“1”号即顶排螺栓到旋转轴的距离；•yn——“n”号即底排螺栓到旋转轴的距离；•yi——“i”号螺栓到旋转轴的距离；•当由上式算得的Nmin≥0时，说明所有螺栓均受拉，构件绕栓钉群形心轴旋转，此时应验算满足条件：•以上是当弯矩M较小时，小偏心情况的计算公式2122221niKyKyKyKyM2iyKM2iyMK2mininyMynNN21maxiyMynNNbtNNmax计算就会出现Nmin0的情况，表示该连接的下部螺栓受压，而这是不可能的.这时应按构件绕底排螺栓连线轴z’一z’转动，即按大偏心计算。e’—轴心力N到底排螺栓连线轴的距离；—顶排螺栓到底排螺栓连线轴的距离，—连接中所有螺栓到旋转轴(底排螺栓连线轴)的距离平方和由此可见，对于普通螺栓连接，在轴心力和弯矩共同作用下的计算，应需判断是小偏心、还是大偏心，然后按有关公式验算危险螺栓受力是否安全:btiNyyNeN'12''max大偏心时连接的受力有如下特点:①受拉螺栓截面只是孤立的几个螺栓点;②端板受压区则是宽度较大、高度较小的实体矩形截面，其中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位置。实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓处，偏安全地忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩而只考虑受拉螺栓部分。当无轴心力N而只有弯矩M作用时，是这种连接的一个特例，肯定属于大偏心的情况，。btiNyyNeN'12''max六、普通螺栓受剪力和拉力联合作用的连接计算同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪、受拉破坏；二是孔壁承压破坏。试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所