摩擦型高強(qiáng)螺栓的計(jì)算方式

1、I）第三章連接返回§3-6高強(qiáng)度螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算3.6.1 高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能和構(gòu)造要求一、高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能1、高強(qiáng)度螺栓的抗剪性能由圖3.5.2中可以看出，由于高強(qiáng)度螺栓連接有較大的預(yù)拉力，從而使被連板疊中有很大的預(yù)壓力，當(dāng)連接受剪時(shí)，主要依靠摩擦力傳力的高強(qiáng)度螺栓連接的抗剪承載力可達(dá)到1點(diǎn)。通過(guò)1點(diǎn)后，連接產(chǎn)生了滑解，當(dāng)栓桿與孔壁接觸后，連接又可繼續(xù)承載直到破壞。如果連接的承載力只用到1點(diǎn)，即為高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接；如果連接的承載力用到4點(diǎn),即為高強(qiáng)度螺栓承壓型連接。2、高強(qiáng)度螺栓的抗拉性能高強(qiáng)度螺栓在承受外拉力前，螺桿中已有很高的預(yù)拉力P,板層之間則有壓力 C

2、,而P與C維持平衡（圖361a ）。當(dāng)對(duì)螺栓施加外拉力 Nt,則栓桿在板層之間的壓力未完全消失前被拉長(zhǎng)，此時(shí)螺桿中拉力增量為AP,同時(shí)把壓緊的板件拉松，使壓力 C減少AC （圖3.6.1b ）。圖3 61高強(qiáng)度螺栓受拉計(jì)算表明，當(dāng)加于螺桿上的外拉力Nt為預(yù)拉力P的80%時(shí)，螺桿內(nèi)的拉力增加很少，因此可認(rèn)為此時(shí)螺桿的預(yù)拉力基本不變。同時(shí)由實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)外加拉力大于螺桿的預(yù)拉力時(shí)，卸荷后螺桿中的預(yù)拉力會(huì)變小，即發(fā)生松弛現(xiàn)象。但當(dāng)外加拉力小于螺桿預(yù)拉力的80%時(shí)，即無(wú)松弛現(xiàn)象發(fā)生。也就是說(shuō)，被連接板件接觸面間仍能保持一定的壓緊力，可以假定整個(gè)板面始終處于緊密接觸狀態(tài)。但上述取值沒(méi)有考慮杠桿作用而引起的

3、撬力影響。實(shí)際上這種杠桿作用存在于所有螺栓的抗拉連接中。研究表明，當(dāng)外拉力Nt<0.5P時(shí)，不出現(xiàn)撬力，如圖3.6.2所示，撬力Q大約在Nt達(dá)到0.5P時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，起初增加緩慢，以后逐漸加快，到臨近破壞時(shí)因螺栓開(kāi)始屈服而又有所下降。燈措力的椎抬鼻圖M62高強(qiáng)度螺栓的熱力影響由于撬力Q的存在，外拉力的極限值由Nu下降到N'u。因此，如果在設(shè)計(jì)中不計(jì)算撬力Q,應(yīng)使NK0.5P ;或者增大T形連接件翼緣板的剛度。分析表明，當(dāng)翼緣板的厚度ti不小于2倍螺栓直徑時(shí)，螺栓中可完全不產(chǎn)生撬力。實(shí)際上很難滿足這一條件，可采用圖3.5.7所示的加勁肋代替。在直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，由于高強(qiáng)度螺栓

4、連接受拉時(shí)的疲勞強(qiáng)度較低，每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的外拉力不宜超過(guò)0.5P o當(dāng)需考慮撬力影響時(shí)，外拉力還得降低。二、高強(qiáng)度螺栓連接的構(gòu)造要求1、高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的建立方法為了保證通過(guò)摩擦力傳遞剪力，高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力P的準(zhǔn)確控制非常重要。針對(duì)不同類型的高強(qiáng)度螺栓，其預(yù)拉力的建立方法不盡相同。(1)大六角頭螺栓的預(yù)拉力控制方法有：力矩法一般采用指針式扭力(測(cè)力)扳手或預(yù)置式扭力(定力)扳手。目前用得多的是電動(dòng)扭矩扳手。力矩法是通過(guò)控制擰緊力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)控制預(yù)拉力。擰緊力矩可由試驗(yàn)確定，應(yīng)使施工時(shí)控制的預(yù)拉力為設(shè)計(jì)預(yù)拉力的1.1倍。當(dāng)采用電動(dòng)扭矩搬手時(shí)，所需要的施工扭矩Tf為：4 H qd(3.6.1)式中乃

5、一一施工頸粒力，為設(shè)計(jì)預(yù)拉力1后夕倍：無(wú)一一扭矩系數(shù)平均值，由供貨廠方給定，施工前復(fù)瞌；d一一高強(qiáng)度螺栓直徑口為了克服板件和墊圈等的變形，基本消除板件之間的間隙，使擰緊力矩系數(shù)有較好的線性度，從而提高施工控制預(yù)拉力值的準(zhǔn)確度，在安裝大六角頭高強(qiáng)度螺栓時(shí)，應(yīng)先按擰緊力矩的50%進(jìn)行初擰，然后按 100%擰緊力矩進(jìn)行終擰。對(duì)于大型節(jié)點(diǎn)在初擰之后，還應(yīng)按初擰力矩進(jìn)行復(fù)擰，然后再行終擰。力矩法的優(yōu)點(diǎn)是較簡(jiǎn)單、易實(shí)施、費(fèi)用少，但由于連接件和被連接件的表面和擰緊速度的差異，測(cè)得的預(yù)拉力值誤 差大且分散，一般誤差為 ±25%。轉(zhuǎn)角法 先用普通扳手進(jìn)行初擰，使被連接板件相互緊密貼合，再以初擰位置為起

6、點(diǎn)，按終擰角度，用長(zhǎng)扳手或風(fēng)動(dòng)扳手旋轉(zhuǎn)螺母，擰至該角度值時(shí)，螺栓的拉力即達(dá)到施工控制預(yù)拉力。(2)扭剪型高強(qiáng)度螺栓是我國(guó)60年代開(kāi)始研制，80年代制訂出標(biāo)準(zhǔn)的新型連接件之一。它具有強(qiáng)度高、安裝簡(jiǎn)單和質(zhì)量易于保證、可以單面擰緊、對(duì)操作人員沒(méi)有特殊要求等優(yōu)點(diǎn)。扭剪型高強(qiáng)度螺栓如圖3.1.9(b)所示，螺栓頭為盤(pán)頭，螺紋段端部有一個(gè)承受擰緊反力矩的十二角體和一個(gè)能在規(guī)定力矩下剪斷的斷頸槽。扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副的安裝需用特制的電動(dòng)扳手，該扳手有兩個(gè)套頭，一個(gè)套在螺母六角體上；另一個(gè)套在螺 栓的十二角體上。擰緊時(shí)，對(duì)螺母施加順時(shí)針力矩，對(duì)螺栓十二角體施加大小相等的逆時(shí)針力矩，使螺栓斷頸部分承受 扭剪，

7、其初擰力矩為擰緊力矩的50% ,復(fù)擰力矩等于初擰力矩，終擰至斷頸剪斷為止，安裝結(jié)束，相應(yīng)的安裝力矩即為擰緊力矩。安裝后一般不拆卸。2、預(yù)拉力值的確定高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值P由下式計(jì)算得到:_ 09x0,9x0,9 上P =4，（36 2）I , W式中A,螂桂的有效就面面積F支螺栓材料經(jīng)熱處理后的最任抗控強(qiáng)度.對(duì)于S 3皴螂栓，A=830N/mm 10 9級(jí)螺栓， /,=1040N/mm3.式（3.6.2 ）中的系數(shù)考慮了以下幾個(gè)因素：擰緊螺帽時(shí)螺栓同時(shí)受到由預(yù)拉力引起的拉應(yīng)力和由螺紋力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用。折算應(yīng)力為：J" +3P = 37b（3.6.3）根據(jù)試驗(yàn)分析，系數(shù)在耳

8、R 1.151.25之間，取平均值為 1.2。式（3.6.2 ）中分母的1.2既為考慮擰緊螺栓時(shí)扭矩對(duì)螺桿的不利影響系數(shù)。為了彌補(bǔ)施工時(shí)高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的松馳損失，在確定施工控制預(yù)拉力時(shí)，考慮了預(yù)拉力設(shè)計(jì)值的1/0.9的超張拉，故式（3.6.2 ）右端分子應(yīng)考慮超張拉系數(shù)0.9 o考慮螺栓材質(zhì)的不定性系數(shù)0.9 ;再考慮用fu而不是用fy作為標(biāo)準(zhǔn)值的系數(shù) 0.9 o各種規(guī)格高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的取值見(jiàn)表3.6.1和3.6.2 o表生人1一個(gè)高強(qiáng)度螺檢的設(shè)計(jì)預(yù)拉力值（kN ） （GBOT17規(guī)范）螺栓的性能等線腺檢公稱直徑（3 ）M16M20M22M24M27M3030155ISO2302S5|1口

9、9級(jí)100155190225冽355表362高強(qiáng)度悔栓的預(yù)拉/P值1 kN ） （GB50口 17規(guī)范）蟬栓的性能等級(jí)鰥栓公都直徑C mm）M12M14M16氏8級(jí)456080|109 級(jí)55751003、高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)的大小與連接處構(gòu)件接觸面的處理方法和構(gòu)件的鋼號(hào)有關(guān)。試驗(yàn)表明，此系數(shù)值有隨 連接構(gòu)件接觸面間的壓緊力減小而降低的現(xiàn)象，故與物理學(xué)中的摩擦系數(shù)有區(qū)別。我國(guó)規(guī)范推薦采用的接觸面處理方法有：噴砂、噴砂后涂無(wú)機(jī)富鋅漆、噴砂后生赤銹和鋼絲刷消除浮銹或?qū)Ω蓛糗堉票?面不作處理等，各種處理方法相應(yīng)的心值詳見(jiàn)表3.6.3和3.6.4。表3.63摩擦面的抗滑

10、移系數(shù)出值在連接處構(gòu)件接觸面的處理方法構(gòu)件的鋼號(hào)Q235 輛Q345、Q2兜鋼Q420 鋼|噴砂0.450.500.50噴砂后涂無(wú)機(jī)富錦康0350.400.40噴砂后生赤鑄0.450.500.50鋼線刷清除浮透或未健處理的千凈軋制表面0300.350.40表m直4抗滑移系數(shù)口值連接處構(gòu)件接觸面的處理方法構(gòu)件的鋼材牌號(hào)Q235QM5噴砂（丸）0.400 45熱軋鋼材軋制表面清除浮銹0.30035冷軋鋼材軋制表面清除浮銹口 N5注:除銹方向底與受力方向相垂直.|由于冷彎薄壁型鋼構(gòu)件板壁較薄，其抗滑移系數(shù)均較普通鋼結(jié)構(gòu)的有所降低。鋼材表面經(jīng)噴砂除銹后，表面看來(lái)光滑平整，實(shí)際上金屬表面尚存在著微觀的凹

11、凸不平，高強(qiáng)度螺栓連接在很高的壓緊力作用下，被連接構(gòu)件表面相互嚙合，鋼材強(qiáng)度和硬度愈高，要使這種嚙合的面產(chǎn)生滑移的力就愈大，因此，心值與鋼種有關(guān)。試驗(yàn)證明，摩擦面涂紅丹后<0.15 ,即使經(jīng)處理后仍然很低，故嚴(yán)禁在摩擦面上涂刷紅丹。另外，連接在潮濕或淋雨條件下拼裝，也會(huì)降低心值，故應(yīng)采取有效措施保證連接處表面的干燥。4、其他構(gòu)造要求高強(qiáng)度螺栓連接除需滿足與普通螺栓連接相同之排列布置要求外，尚須注意以下二點(diǎn)：(1)當(dāng)型鋼構(gòu)件拼接采用高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)，其拼接件宜采用鋼板。以使被連接部分能緊密貼合，保證預(yù)拉力的建 立。(2 )在高強(qiáng)度螺栓連接范圍內(nèi)，構(gòu)件接觸面的處理方法應(yīng)在施工圖中說(shuō)明。3.6

12、.2 高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接計(jì)算1、受剪連接承載力摩擦型連接的承載力取決于構(gòu)件接觸面的摩擦力，而此摩擦力的大小與螺栓所受預(yù)拉力和摩擦面的抗滑移系數(shù)以及 連接的傳力摩擦面數(shù)有關(guān)。因此，一個(gè)摩型連接高強(qiáng)度螺栓的受剪承載力設(shè)計(jì)值為：甯=0.9福小產(chǎn)(3 6.4)式中o g抗力分項(xiàng)系數(shù)的倒數(shù)，即取力=1 / o 9 = 1111 ：叼一一傳力摩擦面數(shù)目：?jiǎn)昔鍟r(shí)一雙翦時(shí)，同丁=2'P個(gè)高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)而拉力，按表3Hl和362采用；”摩擦面抗滑移系數(shù)，按表3 d,3和364采用試驗(yàn)證明，低溫對(duì)摩擦型高強(qiáng)度螺栓抗剪承載力無(wú)明顯影響，但當(dāng)溫度t=100 C150 C時(shí)，螺栓的預(yù)拉力將產(chǎn)生溫度損失，故應(yīng)

13、將摩擦型高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值降低10% ;當(dāng)t>150 C時(shí)，應(yīng)采取隔熱措施，以使連接溫度在150 C或100 C以下。2、受拉連接承載力如前所述，為提高強(qiáng)度螺栓連接在承受拉力作用時(shí)，能使被連接扳間保持一定的壓緊力，規(guī)范規(guī)定在桿軸方向承受 拉力的高強(qiáng)度螺栓摩型連接中，單個(gè)高強(qiáng)度螺栓受拉承載力設(shè)計(jì)值為：辮二0名產(chǎn)(3.6.5)但承壓型連接的高強(qiáng)度螺栓，然應(yīng)卻接普通蝶桂的公式計(jì)算(但強(qiáng)度設(shè)計(jì)取值不同).3、同時(shí)承受剪力和拉力連接的承載力如前所述，當(dāng)螺栓所受外拉力時(shí)，雖然螺桿中的預(yù)拉力P基本不變，但板層間壓力將減少到P-N to試驗(yàn)研究表明，這時(shí)接觸面的抗滑移系數(shù)值也有所降低，而且值隨

14、Nt的增大而減小，試驗(yàn)結(jié)果表明，外加剪力Nv和拉力Nt與高強(qiáng)螺栓的受拉、受剪承載力設(shè)計(jì)值之間具有線性相關(guān)關(guān)系，故規(guī)范規(guī)定，當(dāng)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接同時(shí)承受摩擦面間的剪力 和螺栓桿軸方向的外拉力時(shí)，其承載力應(yīng)按下式計(jì)算：%+(3.6.6)此*式中 明、通一一某個(gè)高強(qiáng)度螺栓所承受的翦力和拉力設(shè)計(jì)值：泌、M個(gè)高強(qiáng)度螂栓的受弱、受拉承載力設(shè)計(jì)值.3.6.3 高強(qiáng)度螺栓承壓型連接計(jì)算1、受剪連接承載力高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的計(jì)算方法與普通螺栓連接相同，仍可用式(3.5.1 )和式(3.5.2 )計(jì)算單個(gè)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值，只是應(yīng)采用承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。當(dāng)剪切面在螺紋處時(shí)，承壓型連接高強(qiáng)度螺

15、栓的抗剪承 載力應(yīng)按螺紋處的有效截面計(jì)算。但對(duì)于普通螺栓，其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是根據(jù)連接的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而定的，試驗(yàn)時(shí)不分-|剪切面是否在螺紋處，故計(jì)算抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)用公稱直徑。2、受拉連接承載力承壓型連接高強(qiáng)度螺栓沿桿軸方向受技師，規(guī)范給出了相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別的螺栓抗粒強(qiáng)度設(shè)計(jì)值工悶0.48才，抗拉承載：j的計(jì)算公式與普通螺栓相同，只是抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不同。3、同時(shí)承受剪力和拉力連接的承載力死/12同時(shí)承受剪力和桿軸方向拉力的承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的計(jì)算方法與普通螺栓相同，即:(3.67)(3.6S)式中 明、Nt一一某個(gè)高居度螺栓所承受的剪力和拉力設(shè)計(jì)值：死、M、死個(gè)高強(qiáng)度螺栓的受翦、受控和承壓承載力設(shè)

16、計(jì)值.由于在剪應(yīng)力單獨(dú)作用下，高強(qiáng)度螺栓對(duì)板層間產(chǎn)生強(qiáng)大壓緊力。當(dāng)板層間的摩擦力被克服，螺桿與孔壁接觸時(shí)，板件孔前區(qū)形成三向應(yīng)力場(chǎng)，因而承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的承壓強(qiáng)度比普通螺栓高得多，兩者相差約50% o當(dāng)承壓型連接高強(qiáng)度螺栓受有桿軸拉力時(shí)，板層間的壓緊力隨外拉力的增加而減小，因而其承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值也隨之降低。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，我國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，只要有外拉力存在，就將承壓強(qiáng)度除以1.2予以降低，而未考慮承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值變化幅度隨外拉力大小而變化這一因素。因?yàn)樗懈邚?qiáng)度螺栓的外拉力一般均不大于0.8P o此時(shí)，可以為整個(gè)板層間始終處于緊密接觸狀態(tài)，采用統(tǒng)一除以1.2的做法來(lái)降低承壓強(qiáng)度，一般能

17、保證安全。3.6.4 高強(qiáng)度螺栓群的計(jì)算、高強(qiáng)度螺栓群受剪1、軸心受剪止匕時(shí)，高強(qiáng)度螺栓連接所需螺栓數(shù)目應(yīng)由下式確定:NNb式中心是相應(yīng)連接類型的單個(gè)高強(qiáng)度螺栓受剪承載力設(shè)計(jì)值的最小值，應(yīng)按相應(yīng)類型由公式（里64）或公式（3.5.1 和（3.5.2）計(jì)算2、高強(qiáng)度螺栓群的非軸心受剪高強(qiáng)度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用時(shí)的抗剪計(jì)算方法與普通螺栓群相同，但應(yīng)采用高強(qiáng)度螺栓承載力設(shè)計(jì) 值進(jìn)行計(jì)算。二、高強(qiáng)度螺栓群受拉1、軸心受拉高強(qiáng)度螺栓群連接所需螺栓數(shù)目:N 片之j 耳式中 Nf在桿軸方向受拉力時(shí)，一個(gè)高強(qiáng)度螺栓摩擦型或承壓型）的承載力設(shè)計(jì)值，根據(jù)連接類型按公式（3 6. 或公式計(jì)算.2、高強(qiáng)度

18、螺栓群受彎矩作用高強(qiáng)度螺栓（摩擦型和承壓型）的外拉力總是小于預(yù)拉力P,在連接受彎矩而使螺栓沿栓桿方向受力時(shí)，被連接構(gòu)件的接觸面一直保持緊密貼合；因此，可認(rèn)為中和軸在螺栓群的形心軸上（圖3.6.3 ）,最外排螺栓受力最大。最大拉力及其驗(yàn)算式為：式中乃一一螂栓群形心軸至螺栓的最大距離:功;一一形心軸上，下各螺栓至形心格矩離的平方和.3、高強(qiáng)度螺栓群偏心受拉由于高強(qiáng)度螺栓偏心受拉時(shí)，螺拉的最大拉力不得超過(guò)0.8P ,能夠保證板層之間始終保持緊密貼合，端板不會(huì)拉開(kāi),故摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓均可按普通螺栓小偏心受拉計(jì)算，即：始之，十三4乂（3.S.10）« Zu三、高強(qiáng)度螺

19、栓群承受拉力、彎矩和剪力的共同作用1、摩擦型連接的計(jì)算圖3.6.4所示為摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓承受拉力、彎矩和剪力共同作用時(shí)的情況。由于螺栓連接板層間的壓緊力和 接觸面的抗滑移系數(shù)，隨外拉力的增加而減小。已知摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓承受剪力和拉力聯(lián)合作用時(shí)，螺栓的承載力 設(shè)計(jì)值應(yīng)符合相關(guān)方程：該式可蟠為,Mfa噌將沈二09連/尸；制二08?代入上式得；貨¥界必 P7 25%)即公式（3.6.11 ）和（3.6.6 ）是等價(jià)的。式中的 Nv是同時(shí)作用剪力和拉力時(shí)，單個(gè)螺栓所能承受的最大剪力設(shè)計(jì)圖M64摩既型連接高強(qiáng)度鰥栓的內(nèi)力分布在彎矩和拉力共同作用下，高強(qiáng)螺栓群中的拉力各不相同，即:則剪力V的驗(yàn)算應(yīng)滿足下式:(3.6 七±0%皿尸-125%)(3 6.13)0.