第四章钢结构连接(螺栓)刘福顺(1)介绍

第四章钢结构连接-螺栓4.1螺栓连接的构造要求4.2螺栓的工作性能及承载力4.3螺栓连接的设计、验算本章内容：一、螺栓连接的构造要求螺栓连接形式I类孔：制作费工，成本高；螺杆直径比螺栓孔直径小0.3－0.5mm。II类孔：允许加工偏差较大，但成本低。螺杆直径比螺栓孔径小1.0－1.5mm。高强螺栓的孔为II类孔，采用钻成孔，不能用冲成孔；一、螺栓连接的构造要求螺栓孔制作1）在装配好的构件上按设计孔径钻成；2）在单个构件上分别用钻模按设计孔径钻成；3）在单个构件上先钻成或冲成较小孔径，装配好后再扩钻至设计孔径；4）在单个构件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径。原则：螺栓的排列形式应简单、整齐、紧凑。边距边距线距线距线距端距端距线距边距边距端距端距线距并列排列错列排列一、螺栓连接的构造要求螺栓孔的排列螺栓在构件上的排列也应符合最大距离要求，以避免受压时被连接的板件间发生张口、鼓出或被连接的构件因接触面不够紧密、潮气进入缝隙而产生腐蚀等现象。螺栓在构件上的排列应符合最小距离要求，以便用扳手拧紧螺帽时有一定的空间，并避免受力时钢板在孔之间以及孔与板端、板边之间发生剪断、截面过分削弱等现象。思考：抗剪螺栓连接破坏形式①螺栓只受剪力作用；②螺栓只受拉力作用；③螺栓受剪力、拉力共同作用。拉剪剪拉二、螺栓的工作性能及承载力螺栓的受力形式思考：螺栓设计？①单个螺栓承载力；②螺栓群的整体受力；一种是螺杆剪切破坏；一种是钢板孔壁挤压破坏；一种是构件本身还有可能由于截面开孔削弱过多而破坏；一种是由于钢板端部螺孔端距太小而被剪坏；一种是由于钢板太厚，螺杆直径太小，发生螺杆弯曲破坏。螺栓的破坏形式二、螺栓的工作性能及承载力板端冲剪破坏0C级螺栓高强度螺栓3421τδ2134二、螺栓的工作性能及承载力受剪螺栓1）摩擦传力的弹性阶段；2）滑移阶段；3）螺杆受剪面传力的弹性阶段；4）弹塑性阶段。(1)受剪螺栓的工作性能42bvvbvdfnNπ假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：单剪双剪二、螺栓的工作性能及承载力（2）普通螺栓和承压型连接高强度螺栓的抗剪承载力bvf式中：nv——受剪面数目，单剪＝1；双剪＝2。d——螺栓杆公称直径；——螺栓的抗剪强度设计值。假定承压面为半圆柱面的投影面，即螺栓的直径面d×t，且压应力均匀分布。d螺栓孔压坏压应力简化分布板端冲剪破坏二、螺栓的工作性能及承载力一般情况下，一个螺栓的抗剪承载力和抗压承载力不同，那一种承载力较小，螺栓就发生那一种破坏。因此，一个受剪螺栓的承载力应取上两式中的较小值。即：二、螺栓的工作性能及承载力得一个剪力螺栓的抗压承载力设计值为：bcbcftdNtbcf式中——在同一受力方向的承压构件的较小总厚度；——螺栓的承压强度设计值，取决于构件材料。bvNbcNmin[,]综合考虑各种影响因素后，高强度螺栓预拉力值由下式计算：P＝0.9×0.9×0.9×fu×Ae／1.2式中fu——螺栓经热处理后的最低抗拉强度；Ae——螺纹处的有效面积。二、螺栓的工作性能及承载力（3）摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力与普通螺栓和承压型连接高强度螺栓不同，摩擦型连接高强度螺栓抗剪不是通过螺栓杆受剪，而是通过紧固螺帽在螺栓杆内产生很大的预拉力使被连接件压紧获得摩擦力，由摩擦力抵抗剪力。因此，要确定摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力（摩擦力），必须先确定高强度螺栓的预拉力。PnNμfbv9.0设被连接板间接触表面的抗滑移系数为u，传力的摩擦面数目为nf。则一个摩擦型连接高强度螺拴的受剪承载力标准值＝nfuP；除以抗力分项系数1.111，得一个摩擦型连接高强度螺拴的受剪承载力设计值：二、螺栓的工作性能及承载力螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，受拉螺栓的破坏形式为螺栓杆被拉断。因此，一个普通螺栓或承压型连接高强度螺栓的抗拉承载力设计值为：42ebtebtbtdfAfNπ二、螺栓的工作性能及承载力受拉螺栓(1)普通螺栓和承压型连接高强度螺栓受拉承载力btf式中de——螺栓在螺纹处的有效直径。——螺栓的抗拉强度设计值。采用双角钢构成的T形连接来传递拉力时，通常角钢的刚度不大，受拉后，垂直于拉力作用方向的角钢肢会发生较大的变形，并起杠杆作用，在该肢外侧端部产生撬力Q。因此，螺栓实际所受拉力＝N+Q，由于确定Q值比较复杂，在计算中不计Q力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即；并采取构造措施加强角钢的刚度。ff8.0bt角钢变形焊加劲肋二、螺栓的工作性能及承载力2）摩擦型连接高强度螺栓受拉承载力由于高强度螺栓的预拉力作用，被连接构件间在外力作用前已经有较大的挤压力。当连接受拉时，构件间有松开的趋势，挤压力逐步变小。经分析，当构件刚好被拉开时二、螺栓的工作性能及承载力Pf＝1.1PbtN＝0.8P为了避免外拉力大于预拉力而使板件松开，《规范》规定：每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值：a）承压型连接高强度螺栓受拉+受剪二、螺栓的工作性能及承载力我国设计规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力时，普通螺栓和承压型连接的高强度螺栓的承载能力必须满足：12btt2bvvNNNNb）摩擦型连接高强度螺栓受拉+受剪二、螺栓的工作性能及承载力01.01.01)根据连接要求选择螺栓类型和排列方式；2)初选螺栓的公称直径，按构造要求布置螺栓孔；3)根据连接承受的荷载，计算螺栓群中各螺栓的受力情况；4)确定所需的螺栓数或验算螺栓的承载力。若受力构件的截面有削弱，还需对构件截面进行强度验算。三、螺栓连接的设计、验算基本步骤平均值试验证明，沿连接的长度方向分布的各螺栓，其所受剪力并不均匀，两端大，中间小。当l1≤15d0时，考虑连接进入弹塑性阶段后，内力发生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐渐接近，可认为轴力N由每个螺栓平均分担。螺栓群均匀受剪双盖板螺栓连接螺栓群三、螺栓连接的设计、验算nbNN≥连接所需的螺栓数目n为：但对于图示连接形式，螺栓孔削弱了受拉钢板的截面面积，因此还需对板件进行强度验算，强度计算公式为：nANσ三、螺栓连接的设计、验算601501dl011501.1dl6001dl7.0折减系数a、普通螺栓和承压型连接高强度螺栓1-1截面：An＝t（b－n1d0）2-2截面：An＝???板件强度验算时要注意所采用的螺栓类型、板件的破坏面位置、破坏面的内力和净截面面积。盖板内力分布构件内力分布（b）l1e1e2ta三、螺栓连接的设计、验算采用摩擦型连接高强度螺栓时，由于摩擦型连接是靠接触面上的摩擦阻力传递剪力，有部分摩擦力在孔前传递，因而构件净截面上的内力与普通螺栓连接有所不同。孔前孔后)5.01(5.011nnNnnNNN故摩擦型连接构件净截面的强度计算公式为：fAnnNn/5.011b、摩擦型连接高强度螺栓三、螺栓连接的设计、验算孔前传力系数n:在节点或连接处构件一端所用的高强度螺栓数目n1:所计算截面上高强度螺栓数目e0N如图所示，轴力作用在螺栓群形心，可认为螺栓群均匀受拉，无论采用那种螺栓，每个螺栓的拉力为：btNiNnNN可确定螺栓数或验算螺栓的抗拉承载力。螺栓群均匀受拉三、螺栓连接的设计、验算托板图示T型连接，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，螺栓受拉。e(a)oMoyy(b)(c)o'(d)yy螺栓群受弯矩M作用三、螺栓连接的设计、验算问题：转动中心？？普通螺栓的预拉力很小，在图示弯矩作用下，连接板件的上部会拉开一定的缝隙。因此，可偏安全地认为被连接构件是绕底排螺栓轴线转动，并设各螺栓所受拉力的大小与转动中心O’的距离成正比。根据平衡条件得：nMn3M32M21M1yNyNyNyNmM根据几何关系得:nMniMi2M21M1yNyNyNyN2i1M1ymMyN由上两式得:1)采用普通螺栓三、螺栓连接的设计、验算根据高强螺栓受拉的限制条件,拉力≤0.8P。所以，在弯矩M作用下，被连接构件的接触面一直保持紧密贴合，可认为被连接构件是绕螺栓群形心轴O转动。螺栓的轴向拉力计算公式与普通螺栓相同，只是转动中心不同。2)采用高强螺栓e(a)oMoyy(b)(c)o'(d)yy三、螺栓连接的设计、验算总结：板不被拉开时，中和轴在螺栓群形心处；板可被拉开时，与普通螺栓一样，中和轴在最外排受压螺栓形心处。在扭矩T作用下，连接板件有绕螺栓群形心旋转的趋势，使螺栓受剪。各螺栓所受的剪力方向与螺栓群形心的连线垂直，剪力大小与距离r成正比。ooTN11TN1xTN1yTT螺栓群受扭三、螺栓连接的设计、验算TN1TN2TN3TnN设螺栓1、2、3…n至螺栓群中心o点的距离为r1、r2、r3…rn；各螺栓承受的剪力分别为、、…根据平衡条件及几何条件得：332211rNrNrNTTT…+nTnrN＝T332211///rNrNrNTTT…nTnrN/TrNrrrrTn112232221/)(211/iTrTrN1Tr22iiyx＝／()整理得：确定了螺栓所受的最大剪力，即可验算连接是否可靠，其强度条件是：不大于螺栓的抗剪承载力三、螺栓连接的设计、验算解决几种外荷载同时作用的简便方法是采用叠加原理：单独作用效应叠加eoMoyyo'yy绕形心转动绕下排螺栓转动螺栓群受剪、拉、弯共同作用由于轴向拉力N和弯矩M作用都使螺栓受轴向拉力，可先对N、M作用进行一次叠加，然后再与剪力叠加三、螺栓连接的设计、验算①当弯矩M较小时。设被连接件绕螺栓群的形心线上的O点转动，可得连接中螺栓所受拉力最大和最小的计算式为：2iiMtiNtmaxymMynNNNN2iiMtiNtminymMynNNNN若说明所有螺栓均受拉，被连接构件是绕螺栓群形心轴线转动，与假设相符，可由第一式求出0minNmaxN1）拉、弯组合iy——各螺栓到形心转动轴线的距离。42cbtbtmaxdfNNπ三、螺栓连接的设计、验算②当弯矩M较大时。可能出现。此时，说明连接下部受压，认为被连接构件是绕底排螺栓转动。对底排螺栓轴线取矩，得顶排螺栓受力为：0minNbt2i1MtiNtmaxNymMyNNN式中y1——yi中的最大值；yi——各螺栓到底排螺栓轴线的距离。三、螺栓连接的设计、验算因为螺栓群均匀受剪，将和代入剪－拉组合的相关公式和附加条件验算即可。nVNvvNmaxN12btmax2bvvNNNN附加条件是：普通螺栓：承压型连接高强度螺栓：摩擦型连接高强度螺栓：bcvNN2.1bcvNNmaxN≤p8.0bviVN2)剪、拉组合三、螺栓连接的设计、验算——各个螺栓所受的拉力。有弯矩作用时，各螺栓的将不同，需按下式逐个计算：tiNtiN2iitiymMynNN当Nti0时，取Nti＝0三、螺栓连接的设计、验算nbviftii10.91.25NnPN原因？当杆轴方向外拉力不大于螺栓预拉力P时，构件摩擦面之间的预压力减为P－Nt。但有试验资料知，螺栓受拉后摩擦面间的抗滑移系数u将降低，同时，Nt还要考虑抗力分项系数rR＝1.111，为此在保持u不变的情况下，用P－rRNt改为P－1.25Nt，以考虑u将降低的影响。V、N、T作用均使螺栓群受剪，但剪力方向不同。仍按叠加原理，可对V、N、T单独计算，然后叠加。eFNoooPVNTN11TN1xTN1yT+=3)螺栓群受剪、拉、扭共同作用三、螺栓连接的设计、验算其强度条件为：N1不大于螺栓的抗剪承载力剪力V作用：拉力N作用：扭矩T作用：nVNvinNNNi211/iTrTrN22111112211111////iiTTyiiTTxyxTxrxNNyxTyryNN螺栓群在剪力V、轴力N、扭矩T共同作用下的搭接连接中，螺栓1所受的合剪力也最大2112111TyVyTxNxNNNNN三、螺栓连接的设计、验算TN1为便于组合，将分解