螺栓连接结构与计算

装配培训教材螺栓连接构造与计算张明录一二三四目录普通螺栓连接构造与计算普通螺栓抗剪连接普通螺栓抗拉连接高强度螺栓连接构造与计算五六高强度螺栓抗剪连接高强度螺栓抗拉连接1.普通螺栓的种类和构造要求3一.普通螺栓连接构造与计算（1）普通螺栓种类C级---粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级；4表示fu≥400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅱ类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)＝1～3mm。A、B级---精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级;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类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)＝0.3～0.5mm。按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。4（2）螺栓的排列1）并列—简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大。B错列A并列中距中距边距边距端距2）错列—排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小。（3）螺栓排列的要求1）受力要求:垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小；顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。2）构造要求；螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。53）施工要求为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。6名称位置和方向最大容许距离（两者最小距离）最小容许距离中心间距外排（垂直外力方向或顺内力方向）8do或12t3do中间排垂直内力方向16do或24t顺内力方向构件受拉力12do或18t构件受压力16do或24t沿对角线方向_中心至构件边缘间距顺内力方向4do或8t2do垂直内力方向剪切边或手工气割边1.5do轧制边、自动气割边或锯割边高强度螺栓其他螺栓或铆钉1.2do（4）螺栓连接的构造要求为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓，但组合构件的缀条除外；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；C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：1）承受静载或间接动载的次要连接；2）承受静载的可拆卸结构连接；3）临时固定构件的安装连接。78二.螺栓连接的受力形式FNFA只受剪力B只受拉力C剪力和拉力共同作用N三.普通螺栓抗剪连接1.工作性能和破坏形式(1)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,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,即：1)摩擦传力的弹性阶段(0~1段)直线段—连接处于弹性状态；该阶段较短—摩擦力较小。9NδO1234NNabNN/2N/22)滑移阶段(1~2段)克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。10NδO1234abNN/2N/23)栓杆传力的弹性阶段(2~3段)该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大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)达到‘3’后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。‘4’点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。11NδO1234abNN/2N/2Nu2.破坏形式（1）螺栓杆被剪坏栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断截面削弱过多时以上破坏形式予以计算解决。12N/2NN/2NNNN（4）板件端部被剪坏(拉豁)端矩过小时；端矩不应小于2dO13NN（5）栓杆弯曲破坏螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d这两种破坏构造解决N/2NN/2四.抗剪螺栓的单栓承载力设计值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两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:14nv—剪切面数目；d—螺栓杆直径；fvb、fcb—螺栓抗剪和承压强度设计值；∑t—连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。)343(minminbcbvbNNN，单栓抗剪承载力：)323(42bvvbvfdnN抗剪承载力：)333(bcbcftdN承压承载力：d剪切面数目nv15NN1vn单剪：NN/2N/22vn双剪：4vn四剪：N/2N/3N/3N/3N/2五.普通螺栓群抗剪连接计算1.普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算16N/2Nl1N/2平均值螺栓的内力分布试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。当l1≤15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N有各螺栓均担。bNNnmin所以，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，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏,然后依次破坏。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。17ECCS试验曲线8.8级M22我国规范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值长连接螺栓的内力分布7.06001时：当dl)363(minbNNn故，连接所需栓数：1501.1601501010dldld时：当普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。拼接板的危险截面为2-2截面:18NNbtt1b1(1)螺栓采用并列排列时:主板的危险截面为1-1截面:1122主板厚度。主板宽度；危险截面上的螺栓数；螺栓孔直径；钢材强度设计值tbmdftdmbAfANnn001,1,;;拼接板厚度。危险截面上的螺栓数；拼接板宽度；螺栓孔直径；钢材强度设计值1101012,2,;;5.0tmbdftdmbAfANnn19NNtt1bc2c3c4c1(2)螺栓采用错列排列时:主板的危险截面为1--1和1’--1’截面:主板厚度。主板宽度；危险截面上的螺栓数；螺栓孔直径；钢材强度设计值；式中：截面：’’对于截面：对于tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn00222140;1211;11111’1’20NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危险截面为2--2和2’--2’截面:拼接板厚度。拼接板宽度；危险截面上的螺栓数；螺栓孔直径；钢材强度设计值；式中：截面：’’对于截面：对于1101022214101;1222;225.0tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn222’2’2.普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算★F作用下每个螺栓受力：)373(1nFNF21FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F★T作用下连接按弹性设计，其假定为：（1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2）T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系，方向与ri垂直。)383(2211nnTTTrNrNrNT22TxyN1TN1TxN1Tyr11显然，T作用下‘1’号螺栓所受剪力最大（r1最大）。)393(332211nnTTTTrNrNrNrN由假定(2)得由上式可得:)403(1131132112nTnTTTTTrrNNrrNNrrNN；；由力的平衡条件得：23TxyN1TN1TxN1Tyr11从而可得:)413(12112222111niiTnTrrNrrrrNT)423(112211211niniiiniiTyxrTrrTN将N1T沿坐标轴分解得:)443()433(11221111122111122111112211niniiininiiiTyniniiininiiiTxyxxTrxyxrTNyxyTryyxrTN由此可得螺栓1的强度验算公式为:)453(min21121bFTyTxNNNN24另外,当螺栓布置比较狭长(如y1≥3x1)时,可进行如下简化计算：令:xi=0，则N1Ty=0)463(121111211niiniiTxyyTryyrTN)473(min2121bFTxNNN六.普通螺栓的抗拉连接251.普通螺栓抗拉连接的工作性能抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。2.单个普通螺栓的抗拉承载力设计值4834btebtebtfdfAN式中：Ae--螺栓的有效截面面积；de--螺栓的有效直径；ftb--螺栓的抗拉强度设计值。公式的两点说明：（1）螺栓的有效截面面积因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：26dedndmd)493()(32413螺距ttdde(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响1）螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。27)503(22QNNt2）在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。283.普通螺栓群的轴拉设计29一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：)513(btNNnN304.普通螺栓群在弯炬作用下M刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴☻M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为：（1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。31显然‘1’号螺栓在M作用下所受拉力最大)533(2211nnyNyNyNM由力学及假定可得：)523(332211nnyNyNyNyNM刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴同前可得:32)543(1131132112nnyyNNyyNNyyNN；；)553(12112222111niinyyNyyyyNM)563(1211niiyyMN强度要求为：)573(1btNN335.普通螺栓群在偏心拉力作用下偏心力作用下普通螺栓连接，可采用偏于安全的设计方法，即叠加法。刨平顶紧承托(板)FeN1F)583(121111btniiMFNyyMnFNNN1234FMy1y2y3N1MN2MN3MM=F·e中和轴N4M6.普通螺栓拉、剪联合作用34bVVNNbttNN011VeM=VeV因此：nVNV（2）由试验可知，兼受剪力和拉力的螺杆，其承载力无量纲关系曲线近似为一“四分之一圆”。（1）普通螺栓在拉力和剪力的共同作用下，可能出现两种破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔壁的承压破坏；（3）计算时，假定剪力由螺栓群均匀承担，拉力由受力情况确定。规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：为了防止孔壁的承压破坏，应满足：35)593(122bttbvvNNNN)603(bcvNNbVVNNbttNN011ab另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托承担全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。承托与柱翼缘的连接角焊缝按下式计算：36)6