鋼結(jié)構(gòu)的螺栓連接

1、 鋼結(jié)構(gòu)的螺栓連接 螺栓連接分普通螺栓連接和高強度螺栓連接兩大類。（1）普通螺栓連接普通螺栓分為A、B、C三級。A級與B級為精制螺栓，C級為粗制螺栓。A、B級精制螺栓表面光滑，尺寸準確，對成孔質(zhì)量要求高，制作和安裝復雜，價格較高，已很少在鋼結(jié)構(gòu)中采用。A、B級精制螺栓的區(qū)別僅是螺栓桿長度不同。 C級螺栓一般可用于沿螺栓桿軸受拉的連接中，以及次要結(jié)構(gòu)的抗剪連接或安裝時的臨時固定。 （2） 高強度螺栓連接 高強度螺栓連接有摩擦型連接和承壓型連接兩種類型。摩擦型連接：只依靠被連接板件間強大的摩擦力傳力，以摩擦力被克服作為連接承載力的極限狀態(tài)。為了提高摩擦力，對被連接件的接觸面應進行處理。承壓型連接：

2、允許接觸面發(fā)生相對滑移，以栓桿被剪壞或被承壓破壞作為連接承載力的極限狀態(tài)。 高強度螺栓性能等級包括8.8級和10.9兩種。摩擦型連接的螺栓孔徑比螺栓公稱直徑d大，承壓型連接的螺栓孔徑比螺栓公稱直徑d大mm。 承壓型連接的承載力比摩擦型連接高，可節(jié)約螺栓。但剪切變形大，故不得用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中。一、螺栓連接排列的構(gòu)造要求圖1 鋼板的螺栓（鉚釘）排列根據(jù)受力、構(gòu)造和施工要求，規(guī)范規(guī)定了連接板件上螺栓和鉚釘?shù)淖畲蠛妥钚∪菰S距離，除應滿足此最大最小距離外，尚應充分考慮擰緊螺栓時的凈空要求。二、普通螺栓連接的工作性能和計算1普通螺栓的抗剪連接（1） 抗剪連接的工作性能 圖2 螺栓抗剪連接的破環(huán)形式

3、螺栓抗剪連接達到極限承載力時，可能的破壞形式有四種形式：當栓桿直徑較小時，栓桿可能先被剪斷；當栓桿直徑較大時，板件較薄時，板件可能先被擠壞，由于栓桿和板件的擠壓是相對的，故也可把這種破壞叫做螺栓承壓破壞；板件截面可能因螺栓孔削弱截面太多而被拉斷；端距太小，端距范圍內(nèi)的板件有可能被栓桿沖剪破壞。 第種破壞形式屬于構(gòu)件的強度計算；第種破壞形式由螺栓端距2d0來保證。因此，抗剪螺栓連接的計算只考慮第、種破破形式。（2）單個普通螺栓的抗剪承載力普通螺栓連接的抗剪承載力，應考慮螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況。假定螺栓受剪面上的剪應力是均勻分布的，則單個抗剪螺栓的抗剪承載力設計值為 （1）式中 受剪面數(shù)目，

4、單剪1，雙剪2，四剪=4；d螺栓桿直徑（螺栓的公稱直徑）；螺栓抗剪強度設計值。假定螺栓承壓應力分布于螺栓直徑平面上，而且假定該承壓面上的應力為均勻分布，則單個抗剪螺栓的承壓承載力設計值式為 （2）式中 在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度；螺栓承壓強度設計值。 圖3 螺栓承壓的計算承壓面積一個螺栓抗剪承載力設計值取與的較小值。2普通螺栓群抗剪連接計算(1) 普通螺栓群軸心受剪 螺栓群的抗剪連接承受軸心力時，螺栓群在長度方向各螺栓受力不均勻，兩端大中間小。為防止端部螺栓提前破壞，當l1l5d0時，螺栓的抗剪和承壓承載力設計值應乘以折減系數(shù)予以降低： (3)l1>60d0時，=0.7。圖4

5、連接螺栓的內(nèi)力分布螺栓群的抗剪連接承受軸心力時，可認為軸心力N由每個螺栓平均分擔，螺栓數(shù)n為n= （4） (2) 普通螺栓群偏心受剪 圖5所示為螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用線至螺栓群中心線的距離為e，故螺栓群同時受到軸心力F和扭矩TF·e的共同作用。 在軸心力作用下可認為每個螺栓平均受力，則 N1F=圖5 螺栓群的偏心受剪螺栓群在扭矩TFe作用下，每個螺栓均受剪。連接的計算基于下列假設： 被連接板件為絕對剛性時，螺栓為彈性的； 被連接板件繞螺栓群形心旋轉(zhuǎn)，各螺栓所受剪力大小與該螺栓至形心距離ri成正比，其方向與連線該螺栓至形心垂直。 設O為螺栓群栓桿截面的形心，螺栓1距形心

6、O最遠，其所受剪力N1T最大： = （5）將分解為水平分力和垂直分力= （6）= （7）由此可得螺栓群偏心受剪時，受力最大的螺栓l所受合力為= （8）當螺栓群布置在一個狹長帶， y13x1時，可取xi=0以簡化計算，則上式為 （9）3普通螺栓的抗拉連接（1） 單個普通螺栓的抗拉承載力 抗拉螺栓連接在外力作用下，螺栓連接的破壞形式為栓桿被拉斷。單個抗拉螺栓的承載力設計值為： = （9）式中 de螺栓的有效直徑；螺栓抗拉強度設計值。為了考慮撬力的影響，規(guī)范規(guī)定普通螺栓抗拉強度設計值取螺栓鋼材抗拉強度設計值的0.8倍（即0.8）。（2）普通螺栓群軸心受拉圖6所示螺栓群在軸心力作用下的抗拉連接，通常假

7、定每個螺栓平均受力，則連接所需螺栓數(shù)為：圖6 螺栓群承受軸心拉力n= （10）式中 一個螺栓的抗拉承載力設計值。（3）普通螺栓群在彎矩作用下受拉圖7 普通螺栓群承受彎矩圖7所示為螺栓群在彎矩作用下的抗拉連接（剪力V通過承托板傳遞）。當計算其形心位置作為中和軸時，所求得的端板受壓區(qū)高度c總是很小，中和軸通常在彎矩指向一側(cè)最外排螺栓附近的某個位置。因此，實際計算時可近似地取中和軸位于最下排螺栓O處，即認為連接變形為繞O處水平軸轉(zhuǎn)動，螺栓拉力與O點算起的縱坐標y成正比。N1/y1= N2/y2= ··· = Ni/yi= ··· = Nn/

8、yn M= N1y1+ N2y2+ ··· + Niyi+ ··· + Nnyn = （N1/y1）+ （N2/y2） + ··· + （Ni/yi） + ··· + （Nn/yn） 故得螺栓i的拉力為： Ni= Myi （11）設計時要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超一個螺栓的抗拉承載力設計值： N1=My1/ （12）（4）普通螺拴群偏心受拉由圖8a可知，螺栓群偏心受拉相當于連接承受軸心拉力N和彎矩MN·e的共同作用。按彈性設計法，根據(jù)偏心距的大小可能出現(xiàn)小偏

9、心受拉和大偏心受拉兩種情況。圖8 螺栓群偏心受拉1）小偏心受拉 小偏心情況（圖8b），所有螺栓均承受拉力作用，端板與柱翼緣有分離趨勢，故在計算時軸心拉力N由各螺栓均勻承受；而彎矩M則引起以螺栓群形心O處水平軸為中和軸的三角形應力分布（圖8b），使上部螺栓受拉，下部螺栓受壓；疊加后則全部螺栓均為受拉（圖84b）。這樣可得最大和最小受力螺栓的拉力和滿足設計要求的公式如下（各y均自O點算起）： （13） （14）式（13）表示最大受力螺栓的拉力不超過一個螺栓的承載力設計值；式（14）則表示全部螺栓受拉，不存在受壓區(qū)。由此式可得Nmin0時的偏心距e/（ny1）。令=/（ny1）為螺栓有效截面組成的核

10、心距，即e時為小偏心受拉。2）大偏心受拉 當偏心距e較大時，即e=/（ny1）時，則端板底部將出現(xiàn)受壓區(qū)（圖8c）。近似并偏安全取中和軸位于最下排螺栓O處，按相似步驟寫對O處水平軸的彎矩平衡方程，可得（e和各y自O點算起，最上排螺栓1的拉力最大）：N1/= N2/= ··· = Ni/= ··· = Nn/ M= N1+ N2+··· + Ni+ ··· + Nn= （N1/）+ （N2/）+ ··· + （Ni/）+ ··&

11、#183; + （Nn/） N1=Ney1/ （15）4普通螺栓受剪力和拉力的共同作用圖9 螺栓群受剪力和拉力共同作用圖9所示連接，螺栓群承受剪力和偏心力N（即軸心拉力N和彎矩M=N·e）的共同作用。承受剪力和拉力共同作用的普通螺栓應考慮兩種可能的破壞形式：一是螺桿受剪兼受拉破壞；二是孔壁承壓破壞。螺桿計算式為 （16）式中 一個螺栓承受的剪力設計值。一般假定剪力V由每個螺栓平均承擔，即=V/n。n為螺栓個數(shù)。受拉力最大螺栓的拉設計值。由偏心拉力引起的螺栓最大拉力Nt仍按上述方法計算。、一個螺栓的抗剪和抗拉承載力設計值?？妆诔袎旱挠嬎闶綖?（17）式中 一個螺栓孔壁承壓承載力設計值。

12、 三、高強度螺栓連接的工作性能和計算1高強度螺栓連接的工作性能高強度螺栓連接按其受力特征分為摩擦型連接和承壓型連接兩種類型。摩擦型連接是依靠被連接件之間的摩擦力傳遞內(nèi)力，并以荷載設計值引起的剪力不超過摩擦力作為設計準則。螺栓的預拉力P、摩擦面間的抗滑移系數(shù)和鋼材種類等都直接影響到高強度螺栓連接的承載力。（1）預拉力的確定 高強度螺栓的預拉力設計值P由式（18）計算，并取5kN的整數(shù)倍值。 P=Aefu （18）式中 Ae螺栓螺紋處的有效面積； fu螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強度； 式（18）中的系數(shù)考慮了以下幾個因素：擰緊螺帽時螺栓同時受到由預拉力引起的拉應力和由力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應力作用。試驗表

13、明，可取系數(shù)1.2考慮擰緊螺栓時扭矩對螺桿的不利影響。施工時為了彌補高強度螺栓預拉力的松弛損失，一般超張拉510，為此考慮一個超張拉系數(shù)0.9；考慮螺栓材質(zhì)的不均勻性，引進一折減系數(shù)0.9；由于以螺栓的抗拉強度為準，為安全再引入一個附加安全系數(shù)0.9。（2）高強度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù) 高強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)件的鋼號有關(guān)。試驗表明，此系數(shù)值隨被連接構(gòu)件接觸面間的壓緊力減小而降低。2高強度螺栓抗剪連接的工作性能 （1）高強度螺栓摩擦型連接 一個摩擦型連接高強度螺栓的抗剪承載力設計值為：=0.9nfP （19）式中 0.9抗力分頂系數(shù)rR的倒數(shù)；nf傳力摩擦

14、面數(shù)目：單剪時，nf1；雙剪時，nf2；P一個高強度螺栓的設計預拉力；摩擦面抗滑移系數(shù)。 （2）高強度螺栓承壓型連接 承壓型連接受剪時，計算方法與普通螺栓連接相同，仍可用式（1）和式（2）計算單個螺栓的抗剪承載力設計值，只是應采用高強度螺栓的強度設計值。當剪切面在螺紋處時，高強度螺栓承壓型連接的抗剪承載力應按螺紋處的有效截面計算。3高強度螺栓抗拉連接的工作性能 計算表明，當加于螺桿上的外拉力Nt為預拉力P的80時，螺桿內(nèi)的拉力增加很少，因此可認為此時螺桿的預拉力基本不變。因此，為使板件間保留一定的壓緊力，規(guī)范規(guī)定，在桿軸方向受拉力的高強度螺栓摩擦型連接中，一個高強度螺栓抗拉承載力設計值取為：

15、=0.8P （20） 4高強度螺栓同時承受剪力和外拉力連接的工作性能（1）高強度螺栓摩擦型連接一個摩擦型連接高強度螺栓同時承受剪力和外拉力作用時的承載力計算式為： (21)（2）高強度螺栓承壓型連接 同時承受剪力和桿軸方向拉力的高強度螺栓承壓型連接的計算方法與普通螺栓相同，即1 (22)對于兼受剪力和桿軸方向拉力的高強度螺栓承壓型連接，除按式（22）計算螺栓的強度外，尚應按下式計算孔壁承壓：Nv/1.2= （23）式中 只承受剪力時孔壁承壓承載力設計值； 高強度螺栓承壓型連接在無外拉力狀態(tài)的值。5高強度螺栓群的抗剪計算（1）軸心力作用時高強度螺栓群抗剪連接所需螺栓數(shù)目由下式確定n （24）對摩

16、擦型連接，=0.9nfP對承壓型連接，分別按式（1）與式（2）計算的較小值。當剪切面在螺紋處時式（1）中應將d改為de。（2）扭矩或扭矩、剪力共同作用時高強度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用時的抗剪計算方法與普通螺栓群相同，但應采用高強度螺栓承載力設計值進行計算。6高強度螺栓群的抗拉計算(1) 軸心力作用時高強度螺栓群連接所需螺栓數(shù)目 n （25）式中 在桿軸方向受拉力時，一個高強度螺栓（摩擦型連接或承壓型連接）的承載力設計值。（2）高強度螺栓群因彎矩受拉認為中和軸在螺栓群的形心軸上（圖10），最外排螺栓受力最大。高強度螺栓群因彎矩受拉時，最大拉力及其驗算式為：N1= （26）式中 y1螺栓群形心軸至螺栓的最大距離； 形心軸上、下各螺栓至形心軸距離的平方和。圖10 承受彎矩的高強度螺栓連接（3）高強度螺栓群偏心受拉高強度螺栓摩擦型連接和承壓型連接均可按普通螺栓小偏心受拉計算，即： N1=+ （27）（4）高強度螺栓群承受拉力、彎矩和剪力的共同作用圖11所示為摩擦型連接高強度螺栓承受拉力、彎矩和剪力共同作用時的情況。摩擦型連接高強度螺栓承受剪力和拉力共同作用時，一個螺栓抗剪承載力設計值也可以表達為：0.9nf（P-1.25Nt） （28）圖11 摩擦型連接高強度螺栓的應力由圖