鋼結(jié)構(gòu)設計原理：第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接（螺栓）

1、鋼結(jié)構(gòu)的連接第三章(Connections)36 螺栓連接（bolting）的構(gòu)造一、螺栓的種類1.普通螺栓C級-粗制螺栓，性能等級為4.6或4.8級；4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；類孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d) 13mm。A、B級-精制螺栓，性能等級為5.6或8.8級;5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；類孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d)0.30.5mm。按其加工的精細程度和強度分為:A、B、C三個級別。精制螺栓粗制螺栓代號A級和B級C級強度等級5.6級和8.8級4.6級和4.8級加工方式車

2、床上經(jīng)過切削而成單個零件上一次沖成加工精度螺桿與栓孔直徑之差為0.250.5mm螺桿與栓孔直徑之差為1.53mm抗剪性能好較差經(jīng)濟性能價格高價格經(jīng)濟用途構(gòu)件精度很高的結(jié)構(gòu)(機械結(jié)構(gòu));在鋼結(jié)構(gòu)中很少采用,已被高強鋼替代。沿螺栓桿軸受拉的連接；次要的抗剪連接；安裝的臨時固定2.高強度螺栓由45號、40B和20MnTiB鋼加工而成，并經(jīng)過熱處理45號8.8級； 40B和20MnTiB10.9級 （a）大六角頭螺栓 （b）扭剪型螺栓二、螺栓的排列1.并列簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu) 件截面削弱大；B 錯列A 并列中距中距邊距邊距端距2.錯列排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構(gòu)件截 面削弱??；

3、 3.螺栓排列的要求 （1）受力要求 【垂直受力方向】為了防止螺栓應力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力,螺栓的邊距和端距不能太??； 【順力作用方向】為了防止板件被拉斷或剪壞，端距 不能太??； 【受壓構(gòu)件】為防止連接板件發(fā)生鼓曲,中距不能太大。15d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)后，即使內(nèi)力重新分布,各個螺栓內(nèi)力也難以均勻，端部螺栓首先破壞,然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強度折減系數(shù)與l1/d0的關系曲線。ECCS試驗曲線8.8級 M22我國規(guī)范1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80l1/d0平均值長連接螺栓的內(nèi)力分布故，連接所需栓數(shù)：

4、NNbtt1b1 普通螺栓群軸心力作用下，為了防止板件被拉斷尚應進行板件的凈截面驗算。拼接板的危險截面為2-2截面:A、螺栓采用并列排列時:主板的危險截面為1-1截面:1122NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用錯列排列時:主板的危險截面為1-1和1-1截面:1111NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險截面為2-2和2-2截面:2222設計螺栓蓋板拼接，設計拉力N=350kN，鋼材Q345B(或16Mn)，拼接板寬b=360mm，厚t1=8mm，采用M20C級螺栓，孔徑f22。例題：解： 螺栓抗剪強度板件承壓強度(1)雙蓋板的厚度t2拼接板的厚度t1/28/2=4mm板件抗拉強度取

5、t2=6mm雙剪(2)單個螺栓抗剪承載力(3)孔壁承壓(4)所需螺栓數(shù)n=350/61.6 =5.3個(6)連接長度驗算l1=15do=1522 =330mm 100601060100330mm(7)拼接凈截面積An=(360 - 322 )8 =2352mm2凈截面拉應力sn=350000/2352=149N/mm21181kN被連接板強度計算： f=215結(jié)論：該節(jié)點安全。2.普通螺栓群偏心力作用下抗剪計算F作用下每個螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下連接按彈性設計，其假定為： （1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性； （2） T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動

6、，各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關系，方向與ri垂直。TxyN1TN1TxN1Tyr11 顯然，T作用下1號螺栓所受剪力最大（r1最大）。由假定(2)得由式3-39得:由力的平衡條件得：TxyN1TN1TxN1Tyr11將式3-40代入式3-38得:將N1T沿坐標軸分解得:由此可得螺栓1的強度驗算公式為: 另外,當螺栓布置比較狹長(如y13x1)時,可進行如下簡化計算：令:xi=0，則N1Ty=0（一）普通螺栓抗拉連接的工作性能三、普通螺栓的抗拉連接 抗拉螺栓連接在外力作用下，連接板件接觸面有脫開趨勢，螺栓桿受桿軸方向拉力作用，以栓桿被拉斷為其破壞形式。（二）單個普通螺栓的抗拉承載力設計值式中

7、：Ae螺栓的有效截面面積； de螺栓的有效直徑； ftb螺栓的抗拉強度設計值。dedndmd【公式的兩點說明】（1）螺栓的有效截面面積 因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是有效直徑de而不是凈直徑dn，現(xiàn)行國家標準?。?普通螺栓規(guī)格公共直徑12（14）16（18）20（22）24（27）30螺距1.752.02.02.52.52.53.03.03.5中徑10.86312.70114.07116.37618.37620.37622.05225.05227.727內(nèi)徑10.10611.83513.83715.29417.29419.29420.75226.211螺栓有效截面0.841151.5

8、71.922.453.033.534.595.61(2）螺栓垂直連接件的剛度對螺栓抗拉承載力的影響 A、螺栓受拉時，一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞，即螺桿并非軸心受拉,當連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開的趨勢（杠桿作用）,使螺桿中的拉力增加（撬力Q）并產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。連接件剛度越小撬力越大?！驹囼炞C明】影響撬力的因素較多,其大小難以確定,規(guī)范采取簡化計算的方法，取ftb = 0.8f（f螺栓鋼材的抗拉強度設計值）來考慮其影響。 B、在構(gòu)造上可以通過加強連接件的剛度的方法，來減小杠桿作用引起的撬力，如設加勁肋，可以減小甚至消除撬力的影響。(三）普通螺栓群的軸拉設計 一般假定每個螺栓均勻受力，因此，

9、連接所需的螺栓數(shù)為：N(四）普通螺栓群在彎矩作用下M刨平頂緊承托(板)M1 2 3 4受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸M作用下螺栓連接按彈性設計，其假定為： （1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性； （2）螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處，各 螺栓所受拉力與其至中和軸的距離呈正比。顯然1號螺栓在M作用下所受拉力最大由力學及假定可得：M刨平頂緊承托(板)M1 2 3 4受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸由式3-52得:將式3-54代入式3-53得:因此，設計時只要滿足下式，即可：(五）普通螺栓群在偏心拉力作用下 偏心力作用下普通螺栓連接，可采用偏于安全的設計方法，即疊加法。刨平頂緊

10、承托(板)FeN1F1 2 3 4FMy1y2y3N1MN2MN3MM=Fe中和軸N4M四、普通螺栓拉、剪聯(lián)合作用011VeM=VeV因此：2、由試驗可知，兼受剪力和拉力 的螺桿，其承載力無量綱關系 曲線近似為一“四分之一圓”。1、普通螺栓在拉力和剪力的共同 作用下，可能出現(xiàn)兩種破壞形 式：螺桿受剪兼受拉破壞、孔 壁的承壓破壞；3、計算時，假定剪力由螺栓群均 勻承擔，拉力由受力情況確定。規(guī)范規(guī)定普通螺栓拉、剪聯(lián)合作用為了防止螺桿受剪兼受拉破壞，應滿足：為了防止孔壁的承壓破壞，應滿足：011ab 另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓連接，當有承托承擔全部剪力時，螺栓群按受拉連接計算。承托與柱翼緣

11、的連接角焊縫按下式計算：式中： 考慮剪力對角焊縫偏心 影響的增大系數(shù)， 一般取=1.251.35； 其余符號同前。M刨平頂緊承托(板)V連接角焊縫例題：驗算牛腿螺栓連接,設計剪力V=200kN,偏心e=150mm,連接板厚t=20mm,Q235B鋼材,采用10個M20C級螺栓,孔徑f22，分別計算有承托和無承托兩種情況。解： 螺栓抗剪強度:板件承壓強度:螺栓抗拉強度:(1)有承托板，螺栓群受彎矩: M=Ve=2000.15=30kN.m 單個螺栓抗拉承載力:螺栓最大拉力:(2)無承托板，螺栓受拉受剪單個螺栓抗剪承載力:螺栓平均剪力:螺栓最大拉力:螺栓計算:孔壁承壓計算:例題：驗算如圖所示端板和

12、柱翼緣間普通螺栓的連接強度。普通螺栓4.6級，M22，孔徑23.5mm。NMoN1N=245kNa)N=245kNo柱翼緣節(jié)點板端板N1b)NMoN1N=245kNa)12）算危險螺栓拉力設每排螺栓有兩列，m=2一共6排螺栓，螺栓總數(shù)12，n=12解：1） 算荷載N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN-cm 計算模型可為（a圖）或（b圖）。 a圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在螺栓群的形心處稱小偏心； b圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在端板上1號螺栓處，稱大偏心。 假定轉(zhuǎn)動中心在螺栓群的形心處，則 y1=20cm, yi2=2202+2122+242=1120cm。N1M=My1/(m yi2) =3

13、18520/（21120）=28.44kNN引起的1點拉應力： N1N=N/n=245/12=20.42kN最外排的螺栓拉力：Nmin=20.42-28.440 M引起的1點拉應力： N1M=My1/(m yi2) 計算結(jié)果連接上部受壓，構(gòu)件應繞頂排螺栓轉(zhuǎn)動，則1點所受的最大拉力為N=245kNo柱翼緣節(jié)點板端板N1b)e=33cm，m=2，y1=40cmyi2=402+322+242+162+82 =3520cm24）強度判斷 Nmax1 Ntb （45.9kNP時，卸載后螺栓桿的預拉力將減小，即發(fā)生松弛現(xiàn)象。 當Nt0.8P時，則無松弛現(xiàn)象，這時Pf=1.07P，可認為螺桿的預拉力不變，且

14、連接板件間有一定的擠壓力保持緊密接觸， 現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定：A、摩擦型高強度螺栓的單栓抗拉承載力為：（未考慮橇力的影響）Nt0.5P時，橇力Q=0；Nt0.5P后，橇力Q出現(xiàn)，增加速度先慢后快。橇力Q的存在導致連接的極限承載力由Nu降至Nu。故，如設計時不考慮橇力的影響,應使Nt0.5P或增加連接板件的剛度(如設加勁肋)。300 250 200 150 100 50 050 100 150 200 250 300Pf(KN)NuNuNt(KN)2NNNQQ19518.8級 M22P=150KNQ有橇力時的螺栓破壞無橇力時的螺栓破壞當考慮橇力影響時,螺栓桿的拉力Pf與Nt的關系曲線圖：B、承壓型高強度

15、螺栓的單栓抗拉承載力,因其破壞準則為螺栓桿被拉斷，故計算方法與普通螺栓相同,即：式中：Ae-螺栓桿的有效截面面積； de-螺栓桿的有效直徑； ftb 高強度螺栓的抗拉強度設計值。上式的計算結(jié)果與0.8P相差不多。6.高強度螺栓連接在拉力和剪力 共同作用下的工作性能和單栓承載力（1）高強度螺栓摩擦型連接 當NtP時，栓桿的預拉力變化不大，但由于隨Nt的增大而減小，且隨Nt的增大板件間的擠壓力減小，故連接的抗剪能力下降。規(guī)范規(guī)定在V和N共同作用下應滿足下式：或即（2）高強度螺栓承壓型連接 對于高強度螺栓承壓型連接在剪力和拉力共同作用下計算方法與普通螺栓相同。為了防止孔壁的承壓破壞，應滿足：系數(shù)1.

16、2是考慮由于外拉力的存在導致高強度螺栓的承壓承載力降低的修正系數(shù)。二、高強度螺栓群的抗剪計算1.軸心力作用對于摩擦型連接：對于承壓型連接：NN1.軸心力作用 假定各螺栓受力均勻，故所需螺栓數(shù)： 高強度螺栓群軸心力作用下,為了防止板件被拉斷尚應進行板件的凈截面驗算.A、高強度螺栓摩擦型連接NNbtt1b1主板的危險截面為1-1截面?？紤]孔前傳力50%得： 1-1截面的內(nèi)力為： 拼接板的危險截面為2-2截面?？紤]孔前傳力50%得： 2-2截面的內(nèi)力為：B、高強度螺栓承壓型連接的凈截面驗算與普通螺栓的凈截面驗算完全相同。2.扭矩或扭矩、剪力共同作用下 計算方法與普通螺栓相同，即： FTTxyN1TN

17、1TxN1Tyr11F1N1F剪力F作用下每個螺栓受力：扭矩T作用下：由此可得螺栓1的強度驗算公式為:三、高強度螺栓群的抗拉計算1. 軸心力作用 M2.彎矩作用下 由于高強度螺栓的抗拉承載力一般總小于其預拉力P，故在彎矩作用下，連接板件接觸面始終處于緊密接觸狀態(tài)，彈性性能較好，可認為是一個整體,所以假定連接的中和軸與螺栓群形心軸重合，最外側(cè)螺栓受力最大。假定各螺栓均勻受力,故所需螺栓數(shù)：MM1 2 3 4y1y2N1N2N3N4受壓區(qū)中和軸由力學可得：因此，設計時只要滿足下式即可：3.偏心拉力作用下Ne1 2 3 4M=NeNy1y2N1N2N3N4中和軸M作用下N作用下 偏心力作用下的高強度

18、螺栓連接，螺栓最大拉力不應大于0.8P，以保證板件緊密貼合，端板不會被拉開，所以摩擦型和承壓型均可采用以下方法（疊加法）計算:四、高強度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的連接計算NV1 2 3 4NVV作用下N作用下單個螺栓所受的剪力：單個螺栓所受的拉力：所以：、對于高強度螺栓摩擦型連接應滿足：、對于高強度螺栓承壓型連接應滿足：五、高強度螺栓群在拉力、彎矩和剪力共同作用下的連接計算MNV1 2 3 4M=NeNy1y2N1N2N3N4中和軸M作用下N作用下VV作用下1號螺栓在N、M作用下所受拉力如前所述應滿足：1.采用高強度螺栓摩擦型連接時 單個螺栓所受的剪力： 對于高強度螺栓摩擦型連接，在拉力和

19、剪力共同作用下，單栓抗剪承載力如前所述為：上式中:2. 采用高強度螺栓承壓型連接時MNV1 2 3 4M=NeNy1y2N1N2N3N4中和軸M作用下N作用下VV作用下單個螺栓所受的剪力：單個螺栓所受的最大拉力：解：1、查取有關參數(shù) 預拉力： P=155kN; 摩擦系數(shù)：=0.45 2、確定控制點 受力分析控制點為最上排螺栓。例題:圖示摩擦型高強螺栓連接， Q235B鋼材， M20，10.9級，噴砂生赤銹，驗算連接強度。已知：M=106kN.m；N=384kN；V=450kN。3、最上排螺栓分項受力 軸力N：各螺栓均勻受拉 彎矩M作用：最上排受最大拉力 其中總拉力：剪力V：各螺栓均勻受剪4、承

20、載力驗算5、結(jié)論：連接承載力滿足要求 3.9 混合連接(自學內(nèi)容)小結(jié)：主要連接方法及優(yōu)缺點方法優(yōu) 點缺 點焊 接對幾何形體適應性強，構(gòu)造簡單，省材省工，易于自動化，工效高 。焊接殘余應力大且不易控制,焊接變形大。對材質(zhì)要求高,質(zhì)量檢驗工作量大。 鉚 接傳力可靠，韌性和塑性好，質(zhì)量易于檢查，抗動力荷載好。 費鋼、費工 。目前很少采用普通螺栓裝卸便利，設備簡單螺栓精度低時不宜受剪，精度高時加工和安裝難度較大 。高強螺栓加工方便，對結(jié)構(gòu)削弱少，能承受動力荷載，耐疲勞，塑性、韌性好 。摩擦面處理，安裝工藝略為復雜，造價略高 例題：驗算梁端梁柱連接,設計彎距M=40kN.m，剪力V=160kN，Q23

21、5B鋼材，采用8個M20、8.8級螺栓，摩擦型連接，連接板鋼刷除銹。解： 螺栓預力P=110kN,抗滑移系數(shù)m=0.35,0.8P =88kN彎矩產(chǎn)生螺栓拉力(最外排螺栓)螺栓平均剪力Nv =160/8 =20kN計算最外排螺栓抗剪計算全部螺栓抗剪例題：設計下圖所示軸心受拉鋼板的高強螺栓連接。鋼板的鋼材為Q235，高強螺栓10.9級，摩擦型,M20,孔徑d0=22mm。連接處截面用噴砂處理。 M20、10.9級定孔徑22符合規(guī)范要求（+1.52.0mm) 由鋼種、噴砂處理定。NN拼接板連接板連接板 驗算內(nèi)容 作為設計，需要驗算所需高強螺栓數(shù)目（強度） 、連接板件強度和拼接板強度。但因規(guī)范規(guī)定：

22、拼接板面積應與被連接板件的截面面積相同，所以不再驗算拼接板。 題目給出了螺栓數(shù)目、直徑、排列，未給荷載N的數(shù)值。意味著，需驗算連接件能承受的最大荷載和在此荷載下螺栓強度（數(shù)目）是否滿足規(guī)范要求。分析1、連接驗算 1）凈截面承載力計算:將 n=28，n1=4， An=(450-422)20=7240mm2， f=215N/mm2,代入上式得 N=1676.3kNNN拼接板連接板連接板解查表得預拉力： P=155kN。（10.9, M20）查表得抗滑移系數(shù)： =0.45。（3號鋼，噴砂） 單面摩擦： nf=1。 單個高強螺栓抗剪承載力設計值: Nvb=0.9nfP 但在螺栓群中可能出現(xiàn)螺栓剪力分布

23、不均情況。因此引入非均勻分布系數(shù): Nvb= 0.9nfP 按凈截面承載力N=1676.kN計算所需螺栓數(shù)目。（2）螺栓數(shù)計算 2）毛截面承載力計算 N=Af=4502021510-2=1935kN原用47=28個正好。所需高強螺栓數(shù)目:計算螺栓抗剪強度設計值: Nvb=0.9550.910.45155=60kN計算:先計算順力向連接長度l1 ，判斷是否大于15d0。 l1=806=48015d0=1522=330mm應根據(jù)順力方向螺栓連接長度l1確定。例題: 設計圖示梁腹板拼接接頭的高強螺栓連接。腹板接頭所受彎矩M=600kN.m,剪力V=230kN。腹板鋼材為Q235,高強螺栓10.9級,

24、摩擦型，M20，孔徑22。連接的接觸面處理：噴砂后生赤銹。 MMVV11 孔徑比公稱直徑大1.52.0mm。 腹板厚14 mm，用兩塊截面為138010mm拼接鋼板（上下各留了20mm）。由于拼接板總厚度大于被連接腹板厚度。拼接板本身可不驗算。螺栓受剪。M對梁而言是彎矩，對螺栓群是扭矩。解螺栓強度驗算 最危險螺栓判定上下“1”號螺栓。M110130=1300mm80mml1螺栓沿受力向的連接長度，受力方向基本上是水平的。 l1=80mm15d0=1522=330mm取 =1.0查表： =0.45 P=155kN， 雙面摩擦：nf=2 Nvb=1.00.920.45155=125.6kN 單個摩

25、擦型高強螺栓抗剪承載力NVb= 0.9nfPM1V1 剪力V產(chǎn)生的螺栓剪力一個螺栓承受的剪力 1號螺栓承載力驗算 彎矩M產(chǎn)生的螺栓剪力因為y13x1滿足設計要求。設計下圖所示軸心受拉鋼板的承壓型高強螺栓連接。鋼板的鋼材為Q235，高強螺栓10.9級，M20,孔徑d0=21.5mm。連接處截面用噴砂處理。剪切面在螺紋處。NN思考題 連接是組成鋼結(jié)構(gòu)的重要部分，是本課程的基本知識和基本技能。 通過本章的學習，要了解鋼結(jié)構(gòu)采用的焊接連接和螺栓連接兩種常用的連接方法及其特點；深刻理解對接焊縫及角焊縫的工作性能；熟練掌握各種內(nèi)力作用下，連接的構(gòu)造、傳力過程和計算方法；了解焊縫缺陷對其承載力的影響及質(zhì)量檢驗方法；理解焊接應力和焊接變形的種類、產(chǎn)生原因、影響以及減小和消除的方法；深刻理解普通螺栓和高強螺栓的工作性能和破壞形式，熟練掌握螺栓連接在