結構設計原理-第20章

第20章鋼結構的連接葉見曙

張娟秀馬瑩編20.1焊縫連接20.2普通螺栓連接20.3高強度螺栓連接2本章目錄教學要求了解焊接連接的方法和形式，理解焊接殘余應力產生的原因，深刻理解對接焊縫和角焊縫的工作性能，熟練掌握在各種內力作用下，焊接連接的計算方法及構造。掌握螺栓排列方式和構造要求，深刻理解普通螺栓連接的工作性能，熟練掌握普通螺栓連接的計算方法。了解高強度螺栓的施工方法，理解高強度螺栓連接的工作性能，熟練掌握高強度螺栓連接的計算方法。3

螺栓連接又分為普通螺栓連接和高強度螺栓連接兩種。4a)b)c)圖20-1鋼結構的連接方法a)焊縫連接；b)螺栓連接；c)鉚釘連接橋梁鋼結構的基本構件如梁、柱、桁架等是由鋼板、型鋼等連接而成，而基本構件則通過安裝連接成整體結構。鋼結構的連接方式可分為焊接連接、螺栓連接和鉚釘連接三種（圖20-1）。鋼板2鋼板1焊縫螺栓鋼板1鋼板2鉚釘鋼板1鋼板2焊縫連接是以手工弧焊或自動、半自動埋弧焊接作為連接手段并用金屬焊條或焊絲作為材料將鋼構件或鋼板部件連接成整體的方法。優(yōu)點：不需要在鋼材上開孔，截面不會受到削弱，構造簡單，施工方便；易于采用自動化操作，生產效率高。缺點：在焊縫附近的熱影響區(qū)內，鋼材材料會局部變脆；焊接會產生焊接殘余應力和殘余變形，對結構的承載能力有不利影響。焊接結構低溫冷脆問題較突出。焊縫質量易受操作人員技術熟練程度的影響。520.1焊縫連接1）焊接方法（1）手工電弧焊包有藥皮的焊條和焊件分別作為電源的兩極形成電弧，在高溫作用下，電弧周圍的金屬熔化成液態(tài)，形成熔池，同時焊條中的焊絲熔化進入熔池中，與焊件的熔融金屬相互結合，冷卻后形成焊縫。手工電弧焊應選用與焊接構件鋼材的強度相適應、焊縫的塑性及沖擊韌性較高、抗裂性較好的焊條型號。620.1.1鋼結構中的焊接方法和焊縫連接的形式（2）埋弧焊埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊。焊絲進入和電弧按焊接方向的移動有專門設備控制完成的稱為埋弧自動電弧焊。焊絲進入有專門設備控制，而電弧按焊接方向的移動靠人工操作完成的稱為埋弧半自動電弧焊。埋弧焊所采用的焊絲和焊劑應與焊件鋼材相匹配。7（3）氣體保護焊氣體保護焊是利用二氧化碳（CO2）氣體或其他惰性氣體作為保護介質的一種電弧熔焊方法。氣體保護焊的優(yōu)點是電弧熱量集中，焊接速度快，焊件熔深大，熱影響區(qū)較小，焊接變形較?。粴怏w保護焊所形成的焊縫強度比手工電弧焊高、塑性和抗腐蝕性較好，適用于厚鋼板或厚度100mm以上的特厚鋼板的連接。89a)b)d)c)f)g)板件2板件12）焊縫連接的形式（1）連接接頭對接接頭（將連接的構件、部件或板件在同一平面內相互連接成整體的連接方式）

搭接接頭（將連接的構件、部件或板件相互重疊連接成整體的方式）T形接頭角部接頭板件1板件2蓋板板件2板件1板件1板件2板件2板件1板件2板件110（2）焊縫形式對接焊縫和角焊縫兩種形式。圖20-2焊縫連接的形式a)g)f)e)d)c)b)對接接頭搭接接頭T形接頭角部接頭3）焊縫連接的缺陷及質量檢驗焊接接頭產生不符合設計或工藝要求的現(xiàn)象稱為焊縫缺陷，常見的焊縫缺陷有：

11表面缺陷內部缺陷焊縫外形尺寸不符合要求咬邊（沿焊趾處母材部位產生的溝槽或凹槽）焊瘤（熔化的金屬流淌在焊縫以外的母材上所形成的金屬瘤）弧坑、氣孔（焊接后殘留在焊縫中的空氣所形成的空穴）燒穿（熔化金屬自坡口背面流出形成穿孔的現(xiàn)象內部裂紋，內部氣孔，夾渣（焊接后殘留在焊縫中的熔渣）、未焊透以及焊縫成形不良等。表面裂紋焊縫的質量要求可分為一級、二級和三級。三級焊縫只要求對焊縫作外觀檢查并應符合三級質量標準。二級、一級焊縫則除外觀檢查外，還要求一定數(shù)量的超聲波檢驗并應符合相應級別的質量標準，超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應采用射線探傷。12焊縫質量檢驗方法外觀檢查無損檢查肉眼或低倍放大鏡檢查超聲探傷，射線探傷，磁粉探傷及可滲透探傷1）對接焊縫的構造對接焊縫是在兩焊件坡口面之間或一焊件的坡口面與另一焊件表面之間焊接的焊縫。應根據(jù)焊件厚度和施工條件將焊件邊緣加工成適當形式和尺寸的坡口（指在焊接部位加工成一定形狀的溝槽），保證焊件在全厚度內焊透。1320.1.2對接焊縫的構造與計算常見的坡口形式

14a)不開設坡口b)V形坡口c)U形坡口d)X形坡口e)K形坡口f)單邊V形坡口板件2板件1板件2板件1板件2板件1板件2板件1板件2板件2板件1板件1引弧板的鋼材和坡口應與焊件相同，引弧板長度對手工焊不小于60mm，對自動焊不小于150mm，引弧板在焊接完后用氣割切除，并將板邊沿受力方向修磨平整。當受條件限制無法放置引弧板時，焊縫計算長度應按實際長度減去2hf，hf為焊腳尺寸。15引弧板對接焊縫被焊板件圖20-5對接焊縫施焊的引弧板對接焊縫應在兩端設置引弧板（圖20-5）。在鋼板寬度和厚度有變化的焊接中，當焊件寬度不等或厚度相差4mm以上時，應將較寬或較厚板的一側或兩側做成坡度不大于1:5的斜角，形成平緩的過渡，以減小應力集中（圖20-6）。16

a)b)圖20-6鋼板的對接(對接焊縫)a)改變寬度；b)改變厚度當對接焊接的兩鋼板厚度之差不超過4mm時，則可采用焊縫表面斜坡來過渡。2）對接焊縫的計算（1）軸向受力的對接焊縫

直對接焊縫時（圖20-7a），強度驗算式為：17a)直對接焊縫（20-1）軸向拉力或軸向壓力計算值，N=g0Nd焊縫的計算長度，采用引弧板時取焊縫實際長度，未采用引弧板時取實際長度減去2hf。在對接接頭中為連接件的較小厚度,在T形接頭中為腹板厚度。分別為對接焊縫的抗壓強度設計值和抗拉強度設計值，見附表4-4。對接焊縫斜對接焊縫時，分別驗算斜對接焊縫的正應力和剪應力，即：18（20-3）（20-2）

b)斜對接焊縫正應力剪應力作用力方向與焊縫長度方向間的夾角對接焊縫抗剪強度設計值公路鋼橋上一般規(guī)定，對接焊縫的抗壓強度設計值、抗剪強度設計值和一、二級檢驗的抗拉強度設計值均與被連接鋼材相應的強度設計值相同。只有三級檢驗的承受軸向拉力對接焊縫才需按式（20-1）、式（20-2）和式（20-3）進行強度驗算。焊縫截面慣性矩焊縫截面模量焊縫截面面積矩剪力計算值，V=g0Vd

（2）彎矩和剪力共同作用的對接焊縫采用對接焊縫的鋼板拼接（圖20-8a），受到彎矩和剪力共同作用。19（20-5）（20-4）彎矩計算值，M=g0Md

正應力剪應力對接焊縫強度分別進行驗算：圖20-8對接焊縫承受彎矩和剪力共同作用a)矩形截面對接焊縫圖20-8對接焊縫承受彎矩和剪力共同作用b)工字形截面對接焊縫20

采用對接焊縫的T形或工字形截面梁，正應力和剪應力在同一位置均較大時，還應驗算腹板和翼緣交接處對接焊縫的折算應力：（20-6）

s1、t1分別為腹板與翼緣交接處A點焊縫正應力和剪應力；式中的1.1是強度提高系數(shù)值。1）角焊縫的構造（1）角焊縫的形式角焊縫是指兩焊件形成一定角度相交面上的焊縫。按受力方向和位置分為垂直于受力方向的正面角焊縫、平行于受力方向的側面角焊縫、傾斜于受力方向的斜向角焊縫、垂直于受力方向角焊縫和平行于受力方向角焊縫組成的周圍角焊縫。按截面形式可分為兩焊腳邊夾角為直角的直角角焊縫和夾角為銳角或鈍角的斜角角焊縫。2120.1.3角焊縫的構造與計算

直角角焊縫的截面形式

22圖20-9直角角焊縫截面a)普通焊縫；b)平坡焊縫；c)深熔焊縫hf為角焊縫的焊腳尺寸，它是在角焊縫橫截面中畫出最大等腰三角形的等腰邊長度。he

=hf

cos45°0.7hf稱為角焊縫的有效厚度（指在角焊縫橫截面中所畫出最大等腰三角形的等腰高度）。a)b)c)（2）角焊縫尺寸的構造要求①最大焊腳尺寸最大焊腳尺寸hf1.2t1，t1為較薄焊件的厚度，尺寸單位為mm。對于圖20-11b）所示的板件邊緣的角焊縫應滿足：當t1<8mm時，hft1；當t18mm時，hf(t1-2)，t1為較薄焊件的厚度，尺寸單位為mm。23圖20-11最大焊腳尺寸a)一般角焊縫b)板件邊緣角焊縫②最小焊腳尺寸角焊縫的最小焊腳尺寸應滿足hf1.5(tmax)

0.5（mm），tmax為較厚焊件的厚度。對角部接頭和T形接頭不開坡口的角焊縫，當tmax20mm時，hf6mm；當tmax>20mm時，hf8mm。24③側面角焊縫的最大計算長度側面角焊縫承受動載時，最大計算長度為lw50hf；承受靜載時，最大計算長度為lw60hf。當大于此規(guī)定時，超過的若內力沿側面角焊縫全長分布時（如焊接工字形梁翼緣與腹板的連接縫），其計算長度不受此限制。tmin25④角焊縫的最小計算長度正面角焊縫或側面角焊縫的計算長度應滿足lw8hf。⑤搭接接頭的構造要求在搭接接頭中，搭接長度應不小于5tmin（圖20-12），tmin為接頭較薄焊件的厚度且不應只采用一條正面角焊縫來傳力。圖20-12搭接接頭的角焊縫5tmin當板件端部僅有兩條側面角焊縫連接時:每條側面角焊縫的計算長度應大于兩側面焊縫之間的間距，即lwb。間距b應滿足b16tmin（tmin＞12mm時）或200mm（tmin12mm時）,不滿足時，應加正面角焊縫。

26當角焊縫的端部在構件轉角處時，應有長度為2hf的繞角焊且必須連續(xù)施焊，不能斷焊。圖20-13焊縫長度及兩側焊縫間距側面角焊縫連續(xù)繞角焊鋼板橫向拱曲變形（3）角焊縫的受力特點側面角焊縫主要承受平行于焊縫長度方向的剪應力作用。破壞常由兩端開始，在出現(xiàn)裂紋后，即很快地沿焊縫有效截面（最小截面）迅速斷裂。正面角焊縫內應力沿焊縫長度方向比較均勻，兩端比中間略低。正面角焊縫的破壞可能發(fā)生在兩焊腳邊或沿角焊縫45°方向的焊縫有效截面（最小截面）上。正面角焊縫剛度大、破壞時變形小，但強度較高，其平均破壞強度是側面角焊縫的強度的1.35～1.55倍。27hehfNz

2）角焊縫的計算

直角角焊縫均以沿角焊縫45°方向的焊縫有效截面作為計算破壞截面。

角焊縫有效面積為每條角焊縫的有效厚度和計算長度的乘積，其中角焊縫的有效厚度tmin=0.7hf，計算長度為每條角焊縫實際長度減去規(guī)定的減小值。28外力Ny=g0Nyd垂直于焊縫長度方向，且通過焊縫重心，沿焊縫長度方向產生平均應力sf值為：（20-8）圖20-15b)Ny直角角焊縫板件2板件1焊縫的計算長度焊縫的有效厚度，對直角角焊縫取

he=0.7hf

。

sf可分解為s與t，對于直角角焊縫：

29（20-9）外力Nz=g0Nzd平行于焊縫長度方向，且通過焊縫重心，沿焊縫長度方向產生的平均剪應力tf值為：（20-10）圖20-15c)按焊縫有效截面計算、平行于焊縫長度方向的剪應力按焊縫有效截面計算、垂直于焊縫長度方向的應力

直角角焊縫在sf和tf共同作用處的強度計算式為:30（20-11）

bf為正面角焊縫的強度設計值增大系數(shù)，bf=(3/2)0.5=1.22。在公路橋梁鋼結構設計中，一般不考慮正面角焊縫強度設計值的提高，通常取bf=0，故得到

（20-12）角焊縫的強度設計值連接接頭一側側面角焊縫的計算長度之和角焊縫的有效厚度作用于構件的軸向力計算值，N=g0Nd

拼接接頭矩形鋼板僅用側面角焊縫連接，則角焊縫強度計算表達式為：31（20-13）圖20-16a)角焊縫的抗拉、抗壓或抗剪強度設計值，按附表4-4采用。（1）軸向力作用下拼接板角焊縫的計算板件1板件2蓋板側面角焊縫側面角焊縫

連接接頭一側正面角焊縫的計算長度之和

拼接接頭矩形鋼板僅采用正面角焊縫連接，則角焊縫強度計算表達式為32（20-14）圖20-16c)拼接接頭矩形鋼板采用角焊縫三面圍焊，按作用力N由連接一側的角焊縫有效截面面積平均承擔來計算角焊縫強度：（20-15）圖20-16b)連接一側角焊縫的計算長度之和板件1板件2蓋板正面角焊縫正面角焊縫角焊縫三面圍焊33例20-1已知被拼接的板寬b=500mm，厚14mm；兩塊拼接板塊板寬b1=300mm，厚10mm。鋼材采用Q235鋼，焊條為E43型，手工焊。結構安全等級為一級，軸向拉力設計值Nd=1118.6kN。試設計圖20-16所示的雙蓋板連接。解：查附表4-4知采用Q235鋼時角焊縫的強度設計值

。軸向力設計值N=g0Nd=1.1×1118.6=1230.46kN。1）采用兩面?zhèn)群缚p連接由于hmax=10-2=8mm，hmin=1.5(tmax)0.5=6mm，取焊腳hf=8mm，角焊縫的有效厚度he=0.7hf=5.6mm。計算連接一側一條側面角焊縫的長度為

取l1=410mm，側面角焊縫長度l1大于8hf=64mm，小于60hf=480mm。滿足要求。342）采用三面圍焊連接正面焊縫承載力為

計算連接一側一條側面角焊縫的長度為

取l1=180mm，側面角焊縫長度l1大于8hf=64mm，小于60hf=480mm。滿足要求。35

（2）軸向力作用下角鋼角焊縫的計算當承受軸向力的角鋼用兩面?zhèn)群缚p連接時，利用N1+N2=N和N1e1=N2e2兩個平衡條件，可以解得：36（20-16）圖20-17a)Ne2e1e1和e2分別為角鋼肢背和角鋼肢尖至角鋼截面形心的距離k1和

k2分別為角鋼肢背和肢尖的焊縫分配系數(shù)N3當采用三面圍焊時（圖20-17b），可先選定端焊縫的厚度hf，并計算出它所能承受的內力：37

當為L形圍焊縫時，令式的N2=0，可得：圖20-17b)圖20-17c)（20-17）（20-18）NN1N2N1Ne1e2N3e1e2例20-238圖20-17a)圖20-17a）所示的兩面?zhèn)群缚p連接中，作用力設計值Nd=700kN。角鋼為2∟100×10，連接板厚度t=10mm，鋼材為Q345鋼，焊條為E50型，手工焊。結構安全等級為二級，試設計角鋼與連接板之間的連接角焊縫。解：查附表4-4知采用Q345鋼時角焊縫的強度設計值ffdw=175N/mm2。取hf=8mm，滿足hmax=10-2=8mm及hmin=5mm的要求，則角焊縫的有效厚度he=0.7hf=5.6mm。作用力計算值N=g0Nd=1.0×700=700kN。兩面?zhèn)群福澈椭夥謸膬攘Ψ謩e為39肢背和肢尖所需的焊縫實際長度分別為取lw1=270mm。取lw2=130mm。側縫長度lw滿足大于8hf=64mm及小于60hf=480mm的要求。4041

由扭矩T=Ne在A點產生的應力為圖20-18（20-19）（20-20）N（3）扭矩和剪力共同作用下角焊縫的計算用三面圍焊縫連接的兩塊鋼板，在焊縫平面內作用著一個不通過圍焊縫形心的偏心力N。假定被連接的構件是絕對剛性的，只有焊縫是彈性的。由作用于焊縫形心上的豎向力N=g0Nd在A點產生的應力為

TNTNa)b)

將tT分解成為x軸和y軸的分力為：42r—圍焊縫的形心O至焊縫最遠點A的距離；J—圍焊縫的計算截面積對其形心O點的極慣性矩，J=Iy+Ix；Iy—圍焊縫對oy軸的慣性矩；Ix—圍焊縫對ox軸的慣性矩。圖20-18c)

A點應力由sNy、sTy、tTy組合而成，因此，焊縫中最大應力組合驗算公式為:A點（或B點）處應力為焊縫的最大應力，保證了A點（或B點）應力不大于ffdw，則焊縫其余各處的強度均可得到滿足。（20-21）43圖20-18所示連接中，l1=295mm，l2=400mm。鋼材采用Q235鋼，焊條為E43型，手工焊，焊腳尺寸為hf=8mm，結構安全等級為二級。偏心力設計值Nd=118kN，偏心距e=400mm。試驗算該焊縫的強度。44圖20-18承受扭矩和剪力的角焊縫連接接頭受力示意NTN例20-3

解：查附表4-2知角焊縫的強度設計值ffdw=140N/mm2。角焊縫有效厚度he=0.7hf=5.6mm。連續(xù)角焊縫長度，減去兩端弧坑2hf后，得到焊縫有效截面計算圖。1）焊縫有效截面幾何特性

形心位置：45圖20-19角焊縫有效計算截面圖(尺寸單位：mm)

2）角焊縫強度驗算

從角焊縫應力分布來看，最危險點為“A”點。46滿足要求。（4）彎矩、剪力和軸向力共同作用下角焊縫的計算軸向拉力引起角焊縫中垂直于焊縫長度方向應力sN，剪力引起平行于焊縫長度方向應力tV，彎矩引起按三角形分布的垂直于焊縫長度方向應力sM，最大應力在角焊縫的上端A點。47由于圖20-20復雜受力下的角焊縫MVNVMN

角焊縫A點處強度驗算公式為：48得到以下焊縫接頭各種受力情況的角焊縫計算公式，即

彎矩和剪力共同作用時

彎矩和軸力共同作用時

僅受彎矩作用時（20-22）（20-24）（20-23）（20-25）

鋼柱和支托連接接頭的構造和受力見圖20-21。鋼材采用Q235鋼，焊條E43型，手工焊，焊腳尺寸為hf=8mm，安全等級為一級，試驗算該焊縫的強度。49圖20-21例20-4圖(尺寸單位：mm)a)連接接頭立面圖；b)連接接頭正面圖；需驗算的角焊縫板件1板件2例20-4解：查附表4-4知采用Q235鋼時角焊縫的強度設計值ffdw=140N/mm2。鋼柱和支托連接受彎矩和剪力的共同作用:剪力計算值彎矩計算值

角焊縫的有效厚度he=0.7hf=5.6mm。計算簡圖可近似的用圖20-21c）表示。50圖20-21例20-4圖(尺寸單位：mm)角焊縫有效截面計算圖

（1）角焊縫有效截面幾何特性水平角焊縫的有效面積：

垂直角焊縫的有效面積：全部角焊縫的有效面積：角焊縫的重心位置：51（2）角焊縫強度驗算彎矩計算值由接頭全部角焊縫承擔，但支托翼緣的剛度較小，假定剪力V僅由垂直角焊縫承擔，最危險點為A點（圖20-21c），即

滿足要求。52

焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程。

在施焊時，焊件上產生不均勻的溫度場，高溫部分的鋼材膨脹受到鄰近鋼材的約束，不能自由收縮，從而在焊件內部引起較大的溫度應力和變形，稱為焊接應力和焊接變形。

焊接應力較高的部位產生塑性變形，冷卻后將殘存于構件內部，因而將殘存于構件內部的焊接應力和焊接變形，稱為焊接殘余應力和焊接殘余變形。5320.1.4焊接殘余應力及殘余變形

1）焊接殘余應力

焊接殘余應力是一種內應力，因此會在焊縫構件截面上自相平衡。焊接殘余應力包括縱向應力、橫向應力和構件厚度方向的應力。

（1）縱向焊接殘余應力

縱向焊接殘余應力是指沿焊縫長度方向的應力。54500oC800oC300oC+--板件1板件2施焊方向焊接縱向殘余應力，壓應力為負號。

（2）橫向焊接殘余應力

橫向焊接殘余應力是指垂直于焊縫長度方向且平行于構件表面的應力。

55-+-焊縫縱向收縮時的橫向殘余應力xy+-+焊縫橫向收縮時的橫向殘余應力xy-+-+焊縫橫向殘余應力yx焊縫縱向收縮時的變形趨勢焊縫橫向收縮時的變形趨勢（3）厚度方向焊接殘余應力厚度方向焊接殘余應力是指垂直于焊縫長度方向且垂直于構件表面的應力。較厚鋼板焊接時，焊縫厚度方向中部冷卻比表面緩慢，形成中間焊縫受拉，四周受壓的狀態(tài)。因此，焊縫在厚度方向還存在焊接殘余應力sz（圖20-23）。56圖20-23厚度方向殘余應力

焊接殘余應力是自相平衡的內應力，其拉應力合力與壓應力合力相等。

焊接殘余應力將使焊接構件的變形增大、剛度降低。

有殘余應力的受壓桿件，桿件的抗彎剛度也相應減小，因此降低了壓桿的穩(wěn)定承載力。

在焊接構件中均存在雙向或三向殘余應力，當形成同號應力，尤其是同號拉應力時，裂紋容易產生和開展，因而降低了焊縫及其附近鋼材的疲勞強度，尤其是在低溫情況下，冷脆現(xiàn)象更明顯。572）焊接殘余變形

在焊接過程中，焊件不均勻受熱和不均勻冷卻將產生焊接殘余應力及焊接殘余變形。

焊接殘余變形包括縱向和橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形。

焊接殘余變形影響結構的尺寸精度和外觀，并可能導致構件產生初彎曲、初扭曲以及初偏心等，從而使構件受力時產生附加彎矩、扭矩和變形，引起其承載能力降低。583）減小焊接殘余應力和殘余變形的方法

（1）構造措施

①為避免焊接熱量集中引起焊接應力過于集中，應盡量減少焊縫數(shù)量以及焊縫的厚度和長度。

盡量避免焊縫過于集中或多方向焊縫相交于一點。

②為避免截面突變引起應力集中現(xiàn)象，連接過渡應盡量平緩。

③為避免焊接缺陷引起應力集中，焊縫應布置在便于施焊的位置，并且有合適的空間和角度，盡量避免仰焊。59（2）焊接工藝措施

①采取適當?shù)暮附禹樞蚝头较颉?/p>

60圖20-25合理的施焊順序

②施加反變形。施焊前使構件有一個和焊接變形相反的預變形，焊接后產生的焊接變形與預變形可以相互抵消。

③施焊前預熱。④施焊后高溫回火。

⑤錘擊。a)施焊順序b)沿厚度分層焊c)對角跳焊d)鋼板分塊拼接

普通螺栓是由墩粗的頭部、帶螺紋圓柱形桿身并配合螺母和墊圈組成并可拆卸的緊固件。

普通螺栓分為A、B和C三級，其中A和B級為精制螺栓，C級為粗制螺栓。

6120.2普通螺栓連接

普通螺栓連接是用普通螺栓將構件或板部件連成整體的連接方式。板件1普通螺栓板件2螺栓孔C級螺栓（粗制螺栓）（1）用未加工的圓鋼制成，桿身不光滑。（2）螺孔多用沖孔方法制成，II類孔,螺桿直徑較螺孔直徑小1~2mm。（3）螺栓材料性能等級為4.6級或4.8級。（2）螺孔用鉆模鉆孔方法制成，I類孔,螺桿直徑較螺孔直徑小0.3~0.5mm。（3）螺栓材料性能等級為5.6級或8.8級。

（1）車床切削加工制成，桿身表面光滑.A級和B級螺栓（精制螺栓）表示螺栓材質的公稱抗拉強度為500MPa表示螺栓材質的屈服強度與抗拉強度之比（屈強比）為0.662

采用并列和錯列兩種螺栓排列形式,并列較簡單，錯列較緊湊。6320.2.1螺栓的排列和構造要求b)螺栓錯列布置a)螺栓并列布置圖20-26螺栓的排列布置

1）螺栓排列布置的間距應滿足：受力要求；構造要求；現(xiàn)場施工要求。

（1）受力要求

為了防止螺栓布置造成板件截面削弱過多而降低承載力，螺栓布置的中距，邊距和端距不能太?。粸榱朔乐拱寮瞬夸摪灞焕瓟嗷蚣魤?，在受力方向上螺栓端距不能太小；為了防止接頭的連接板件受壓發(fā)生鼓曲，螺栓間的中距不能太大。64（2）構造要求螺栓布置的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。（3）施工要求為了施工方便，螺栓間應保持足夠的距離以便使用扳手擰緊螺母有足夠的操作空間。65

2）接頭板件上螺栓布置排列的容許間距（1）螺栓排列的容許中間距離名稱方向構件種類容許間距最大最小中心間距沿對角線方向拉力或壓力—3.5d0靠邊行列7d0和16t的較小者3d0中間行列垂直內力方向24t順內力方向拉力24t壓力16t66螺栓的容許中心間距表20-2d0為螺栓的孔徑，t為外層較薄鋼板厚度。“靠邊行列”指沿板邊一行的螺栓（2）螺栓中心垂直內力方向、順內力方向和沿對角線方向至邊緣的最大距離不大于8t或120mm的較小值；垂直內力方向至邊緣的最小距離不小于1.3d0，順內力方向或沿螺栓對角線方向不小于1.5d0。67圖20-26螺栓的排列a)螺栓并列；b)螺栓錯列3）接頭的角鋼上螺栓布置排列的容許間距除應符合螺栓的最大與最小距離要求外，應設置在適中的位置，設計時應符合表20-3規(guī)定的線距e和最大孔徑d0的要求。對肢寬大于125mm的角鋼采用雙行螺栓錯列，對肢寬大于160mm的角鋼采用雙行并列。68角鋼肢上的線距和孔徑要求（單位：mm）表20-369工字鋼和槽鋼上的線距和孔徑要求（單位：mm）表20-4

普通螺栓按受力情況可以分為:7020.2.2普通螺栓連接的計算圖20-27普通螺栓連接

受剪螺栓依靠螺桿的承壓和抗剪來傳遞垂直于螺桿的外力。

受拉螺栓則依靠螺桿受拉來傳遞平行于螺桿的外力。受剪螺栓連接受拉螺栓連接同時受剪和受拉螺栓連接螺栓受剪螺栓受拉螺栓受剪和受拉

1）受剪螺栓連接

71（1）受力階段對螺栓連接接頭進行抗剪試驗,可得到板件上m點與n點的相對位移δ和作用力N關系曲線,較清楚的說明螺栓連接受剪工作有四個階段：

①摩擦傳力的彈性階段(o~a段)關系曲線為直線段，表明連接處于彈性狀態(tài)；該工作階段較短—板件之間靜摩擦力較小。δNOabcd普通螺栓NN/2N/2NN/2N/2

mn72

②滑移階段(a~b段)

克服了靜摩擦力后，板件間突然發(fā)生水平滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的水平距離，表現(xiàn)在曲線上近視為水平段。

③

栓桿傳力的彈性階段(b~c段)

該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力。栓桿受剪力、拉力、彎矩作用，孔壁受擠壓。由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導致的板件間摩擦力的增大，N-δ關系以曲線狀態(tài)上升。δNOabcd普通螺栓NN/2N/2④彈塑性階段(c~d段)達到c后，即使給荷載以很小的增量，連接的剪切變形迅速增大，直到連接破壞。曲線的最高點d點為普通螺栓抗剪連接的承載力Nu。73δNOabcd普通螺栓NuNuNu/2Nu/2

①當螺栓直徑較小而板件相對較厚時可能發(fā)生螺栓剪斷破壞。74

②當螺栓直徑較大而板件相對較薄時可能發(fā)生孔壁擠壓破壞。a)螺栓剪斷破壞b)孔壁擠壓破壞c)鋼板拉斷破壞(2)破壞形式

③當板件因螺孔削弱太多，可能沿開孔截面發(fā)生鋼板拉斷破壞。75d)端部鋼板剪切破壞e)螺栓身受彎破壞

④當沿受力方向的端距過小時可能發(fā)生端部鋼板剪切破壞。

⑤當螺栓過長時可能發(fā)生螺栓受彎破壞。

有些破壞形式可以采取相應的構造措施加以防止，例如規(guī)定端距大于1.5d0可防止端部鋼板剪切破壞；限制螺栓長度l<5d0（d0為栓孔直徑）可防止螺桿受彎破壞。但對其他破壞形式，則需通過計算來避免發(fā)生，而其中鋼板拉斷破壞的計算也屬于構件計算。

（20-27）（20-26）76螺栓桿直徑每只螺栓受剪面數(shù)量，單剪nv＝1，雙剪nv＝2(3)單個普通螺栓的抗剪承載力計算

①單個螺栓的抗剪承載力為

②單個螺栓的承壓承載力為在同一受力方向的承壓構件較小總厚度普通螺栓承壓強度設計值，見附表4-3普通螺栓抗剪強度設計值，見附表4-3在普通螺栓受剪連接中，應取Nbvu和Nbcu兩者較小值Nbumin作為單個受剪螺栓的承載力。

當外力通過螺栓群形心時，可以認為每個螺栓平均受力，則軸向力作用下受剪螺栓連接所需要的螺栓數(shù)目為：

77（4）受剪螺栓連接接頭在軸向力作用下的計算（20-28）連接承受的軸向拉力或軸向壓力計算值，單個受剪螺栓的承載力單個受剪螺栓承載力的折減系數(shù)（20-29a）（20-29b）（20-29c）l1為節(jié)點處或拼接接頭一端，受剪螺栓群沿受力方向的連接長度,d0為受剪螺栓孔徑。圖20-31構件凈截面面積a)螺栓并列排列時鋼板的凈面積；

b)螺栓錯列排列時鋼板的凈面積78

An為構件在螺栓孔削弱處的凈截面面積：

排列好所需的螺栓后，還需按下式驗算構件的凈截面強度：（20-30）當螺栓并列布置時，凈截面面積按最危險正交截面I-I計算；當螺栓孔交錯布置時，凈截面面積按垂直截面I-I、齒狀截面II-II或III-III三者中的較小值取用。鋼材的強度設計值（20-31）79

普通螺栓螺紋處的有效直徑（螺栓內徑），有效直徑及其計算面積見附表4-7。

螺栓的抗拉強度設計值，按附表4-3采用。2）受拉螺栓連接

（1）普通螺栓抗拉連接的工作性能

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。（2）單個普通螺栓的抗拉承載力(3)受拉螺栓群的計算受拉螺栓群常用于鋼構件的T形連接中。在T形連接中，當外力作用在螺栓群形心時，假定每個螺栓所受拉力相等，則軸向拉力作用下受拉螺栓連接所需要的螺栓數(shù)目為80（20-32）螺栓連接承受的軸向拉力計數(shù)值，單個受拉螺栓的承載力受拉螺栓NN用角鋼做連接件與受拉螺栓群組成的T形連接81

角鋼的剛度對連接中的螺栓拉力有影響。如果角鋼的剛度不很大，連接接頭收拉后，與拉力垂直的角鋼肢會發(fā)生較大變形，產生角鋼的杠桿作用，在角鋼外側相應產生反力R,螺栓受力與外力T和反力R平衡，實際受力為：角鋼的剛度愈小，反力R愈大。在工程上，一般在構造上采用設置角鋼加勁板的措施來減少或消除反力R值，也可加厚角鋼肢的厚度。圖20-32受拉螺栓受力狀態(tài)b)角鋼設加勁肋a)角鋼不設加勁肋角鋼加勁肋兩角鋼拼接采用4.8級C級普通螺栓連接。角鋼截面為∟75×5，材料為Q235鋼，軸向拉力設計值為Nd=100kN，拼接角鋼采用與構件相同的截面，采用的螺栓直徑d=20mm，孔徑為d0=21.5mm。結構安全等級為二級，試對該連接進行設計。82圖20-33例20-5圖(尺寸單位：mm)

∟75×5

∟

75×5例20-5解：查附表4-3知，fvdb=120N/mm2，fcdb=265N/mm2。（1）螺栓的連接計算單只螺栓的抗剪承載力為

單只螺栓的承壓承載力為

取Nbvu和Nbcu的較小值Nbumin=26500N。構件一側所需要的螺栓數(shù)目（個）每側用5只螺栓，為了安排緊湊，在角鋼兩側上交錯排列。83

（2）構件強度驗算將角鋼展開，角鋼的截面面積為A=741.2mm2

Ⅰ-Ⅰ截面的凈面積

Ⅱ-Ⅱ截面的凈面積

?、?Ⅱ截面為破壞截面，則

滿足要求。84圖20-33例20-5圖(尺寸單位：mm)3）受剪螺栓連接在扭矩、剪力和軸力共同作用下的計算受剪螺栓群同時承受力彎矩M和剪力V，有時還要承受軸向力N的作用。

85在進行連接設計時，應首先分別計算各種內力單獨對螺栓所產生的剪力值。再按矢量疊加方法，求出同一螺栓在幾種內力共同作用下所承受的合力，并使其不超過單個螺栓的承載力。螺栓群承受扭矩T=Ve、豎向力V和水平力N。

假定連接的鋼板是絕對剛性的，在扭矩T單獨作用下，連接鋼板只發(fā)生繞螺栓群的形心o點的相對轉動。各個螺栓受力的大小與其到形心o點的距離r成正比。86

距形心o點最遠的螺栓“1”受力最大，其值為：

由扭矩產生的剪力的水平分力及垂直分力分別為：（20-34）（20-36）（20-35）由豎向力V產生的螺栓“1”的剪力為：87由水平力N產生的螺栓“1”的剪力為：最不利螺栓“1”的合成剪力應不超過其承載力當螺栓群布置成一狹長帶狀，即y1>3x1或x1>3y1時，可簡化為：（20-41）（20-40）（20-39）（20-38）（20-37）當y1>3x1時，當x1>3y1時，某鋼板梁腹板的高度h=1500mm，厚度t=12mm。在腹板接縫處承受彎矩設計值Md=420kN·m和剪力設計值Vd=392kN。腹板為Q235鋼，采用A級5.6級普通螺栓連接。結構安全等級為一級，試對該連接進行設計。88圖20-35螺栓連接計算（尺寸單位：mm）1-1500×12例20-6解：選用與腹板同樣高度的兩塊鋼板作為拼接板，其厚度均為8mm，螺栓直徑d=20mm，孔徑d0=21.5mm，如圖20-35所示。89圖20-35螺栓連接計算（尺寸單位：mm）（1）螺栓連接設計單只螺栓的承壓承載力為90

單個螺栓按雙剪計算時的抗剪承載力為單個螺栓的承載力取Nbvu和Nbcu的較小值Nbumin=84000N。因螺栓被排成狹長的行距（y1=685mm，x1=40mm，即y1>3x1），由彎矩作用在最不利螺栓上的最大內力可按近似公式（20-40）計算?？傻玫?1而y1=685mm

則由剪力作用Vd在一只螺栓上的內力為則螺栓群中受力最大的一只螺栓所承受的內力為滿足要求。92（2）腹板強度驗算腹板全截面慣性矩93螺栓孔削弱的慣性矩凈截面慣性矩凈截面抵抗矩

凈截面靜矩

腹板的彎曲應力滿足要求。腹板的剪應力滿足要求。944）受拉螺栓連接在彎矩作用下的計算假定旋轉中心位于最下一排螺栓的軸線處，螺栓所受拉力的大小與其到旋轉中心的距離yi成正比，因此，最上一排螺栓所受拉力最大（圖20-36）。圖20-36彎矩作用下的受拉螺栓連接95由平衡條件：最上一排受拉螺栓所受的拉力應滿足：n為每列螺栓數(shù)目，m為螺栓列數(shù)。（20-42）（20-43）965）受拉螺栓連接在彎矩和軸力共同作用下的計算

當螺栓群所受的彎矩M較小時，螺栓全部受拉，端板與柱分離。

因此，當時，受力最大螺栓的拉力應滿足（20-44）97軸向力N使各個螺栓均勻受拉，彎矩M使上部螺栓受拉，下部螺栓受壓，螺栓群中和軸與形心軸重合。圖20-37彎矩和軸力共同作用下的受拉螺栓連接（1）

當螺栓群所受彎矩M較大、軸力N較小時，螺栓群也全部受拉，但端板與柱有分離的趨勢，偏于安全地假定中和軸位于最下排螺栓處，即端板繞最下排螺栓轉動。

因此，當時，受力最大的螺栓的拉力應滿足（20-45）98圖20-37彎矩和軸力共同作用下的受拉螺栓連接（2）6）受剪-拉螺栓連接在剪力、軸力和彎矩作用下的計算

在剪力V、軸力N和彎矩M共同作用下，接頭不設支托時，此時螺栓群不僅受拉力，還承受由外力V作用引起的剪力。圖20-38在M、N、V共同作用下剪-拉螺栓群的受力情況

螺栓在拉力和剪力共同作用下按下式計算：Nv—單個螺栓所承受的剪力計算值；Nt—單個螺栓所承受的拉力計算值。（20-46）（20-47）99螺栓連接的N~δ曲線：o~a段為摩擦傳力的彈性階段；a~b段為主滑移階段；

b~c段為栓桿傳力的彈性階段；c~d段為接頭破壞階段。20.3高強度螺栓連接

高強度螺栓連接的材料強度高，還在扭緊螺帽時給螺栓施加很大的預拉力，使被連接構件的接觸面間產生擠壓力，從而沿接觸面上產生很大的摩擦力，這種摩擦力對外力的傳遞有很大的影響。100

高強螺栓連接是通過對高強度螺栓施加緊固軸力將構件或板件連成整體的連接方式。NδOabcdabcd高強度螺栓普通螺栓

高強度螺栓連接按傳力特征可分為高強度螺栓摩擦型連接和高強度螺栓承壓型連接兩種。

101

高強度螺栓承壓型連接依靠螺栓桿抗剪和螺桿與孔壁承壓來傳遞剪力，受剪時，允許板件間發(fā)生相對滑移，然后外力可以繼續(xù)增加并以螺栓受剪或孔壁承壓破壞（圖中d點）為極限狀態(tài)。

高強度螺栓摩擦型連接依靠高強度螺栓的緊固，在被連接件間產生摩擦阻力傳遞剪力，在受剪設計時以剪力達到摩擦力（圖中a點）為承載能力的極限狀態(tài)。NδOabcd高強度螺栓

高強度螺栓連接副及分類：

102圖20-39兩類高強度螺栓連接副a)大六角頭高強度螺栓連接副b)扭剪型高強度螺栓連接副帶有扭剪裝置的螺栓尾部，在承受規(guī)定的扭矩時能自動剪斷。螺母螺母高強螺栓身高強螺栓身大六角頭大六角頭高強螺栓連接副含一個螺栓，一個螺母和兩個墊圈；扭剪型高強螺栓連接副含一個螺栓，一個螺母和一個墊圈。高強螺栓，螺母和墊圈在組成一個連接副時，其材料以及性能等級要匹配。墊圈墊圈

在橋梁鋼結構中一般只使用高強度螺栓摩擦型連接。103橋梁鋼結構中常采用材料強度等級為10.9級的40硼（40B）和20錳鈦硼（20MnTiB）鋼制作高強度螺栓。螺母、墊圈采用45號優(yōu)質碳素鋼。類別性能等級推薦材料材料標準螺栓10.9S20MnTiBGB/T307740BGB/T3077螺母10H45號或35號GB/T69915MnVBGB/T3077墊圈HRC35~4545號或35號GB/T699大六角頭高強度螺栓連接副材料及性能等級匹配表20.3.1高強度螺栓連接的施工1）高強度螺栓的預拉力與施擰方法

（1）《公路橋規(guī)》規(guī)定的高強度螺栓的預拉力值螺紋規(guī)格d(mm)M22M24M27M30設計預拉力P(kN)190225270355施工預拉力Pc(kN)210250300390表20-510410.9級高強度螺栓的預拉力（kN）高強螺栓的設計預拉力（緊固軸力）是根據(jù)螺栓中的拉應力和扭矩產生的剪應力所形成的折算應力不超過螺栓的屈服點，并考慮以下因素而確定的：（1）考慮剪應力對螺栓強度的影響，取折算應力系數(shù)1.2；（2）螺栓的應力松弛系數(shù)取0.9；(3)高強螺栓的生產、扭矩系數(shù)等施工參數(shù)測試以及緊固工具，量具等都存在著一定的偏差，取偏差因素影響系數(shù)為0.9.對10.9s級高強螺栓

(2)高強度螺栓預拉力的建立方法大六角頭高強度螺栓副大六角頭高強度螺栓副的常用擰緊方法有扭矩法、轉角法和張拉法等。A.扭矩法通過控制施工扭矩值對高強螺栓副進行緊固的方法。采用直接顯示或控制扭矩的扭矩扳手擰緊到規(guī)定的扭矩值。105擰緊分為初擰和終擰，對大型節(jié)點應分為初擰、復擰和終擰。（1）初擰，目的是使連接接觸面密貼，初擰扭矩為終擰扭矩值的50%。初擰后的高強螺栓應用顏色在螺母上標記；（2）復擰，復擰扭矩為終擰扭矩值的50%。復擰后的高強螺栓應用顏色在螺母上標記；（3）終擰，按本批次連接副扭矩值所計算的終擰扭矩值（施工扭力矩值）進行終擰。

B.轉角法

轉角法是通過控制螺栓與螺母相對轉角值對高強螺栓連接副進行緊固的方法，即在板層間緊密接觸后，利用螺母的旋轉角度以控制螺桿彈性伸長量來控制螺栓軸力值。

106轉角法擰緊施工分為初擰和終擰兩步進行（必要時需增加復擰）。（1）初擰，采用定矩扳手擰緊螺栓。目的是使連接接觸面密貼，初擰扭矩，對常用螺栓（M22、M24）定在200~300N·m比較合適；（3）終擰，用專用扳手再將螺母擰緊一定的角度，使螺栓軸力達到施工預拉力。終擰角度按表規(guī)定執(zhí)行。螺栓長度L范圍螺母轉角連接狀態(tài)L≤4d1/3圈（120°）連接形式為一層芯板加兩層蓋板4d<L≤8d或200mm及以下1/2圈（180°）8d<L≤12d或200mm以上2/3圈（240°）初擰（復擰）后大六角頭高強度螺栓連接副的終擰轉角C.張拉法張拉法是用張拉器直接張拉螺栓，使其達到規(guī)定的預拉力，然后上緊螺帽加以固定。在張拉器上直接可以顯示螺栓的拉力。大六角頭高強度螺栓施擰結束后，要進行質量檢查。方法是：用小錘輕擊螺栓，檢查螺母的轉動角度是否足夠；用0.3mm厚的試插器插入連接板層之間看是否緊密；用更精確的扭力扳手抽查5％的螺栓。1072）構件的表面處理

采用高強度螺栓連接時，構件的接觸面要經過特殊處理，使其凈潔并粗糙，以提高摩擦面的抗滑移系數(shù)。在連接處構件接觸面的分類μ沒有浮銹且經噴丸處理或噴鋁的表面0.45涂抗滑型無機富鋅漆的表面0.45沒有軋鋼氧化皮和浮銹的表面0.45噴鋅的表面0.4涂硅酸鋅漆的表面0.35僅涂防銹底漆的表面0.25表20-6108摩擦面的抗滑移系數(shù)20.3.2單個摩擦型高強度螺栓的承載力

1）單個摩擦型連接高強度螺栓的抗剪承載力

公路鋼橋單個摩擦型連接高強度螺栓的抗剪承載力為Pd—高強度螺栓的預拉力，按表20-5取用；m

—摩擦面的抗滑移系數(shù)，按表20-6取用；nf—傳力摩擦面數(shù)目，如圖20-40中，則nf=2。圖20-40高強度螺栓的連接中的內力傳遞(nf=2)109單個高強螺栓所承受的剪力計算值2）單個摩擦型連接高強度螺栓的抗拉承載力單個摩擦型連接高強度螺栓的抗拉承載力為Pd為高強螺栓的預拉力，按表20-5取用。3）單個摩擦型連接高強度螺栓同時承受剪力和拉力時的承載力高強度螺栓摩擦型連接同時承受剪力Nv和拉力Nt時，單個螺栓的承載力應滿足：（20-50）（20-51）110單個高強螺栓所承受的拉力計算值20.3.3摩擦型高強度螺栓連接的計算1）摩擦型連接高強度螺栓群承受軸向力作用時的計算

在軸心力N作用下，所需的高強螺栓數(shù)為：Nbvu按式（20-49）計算。

高強度螺栓摩擦型連接中構件凈截面強度驗算

被連接鋼板的最危險截面在最外列螺栓孔處，最外列螺栓孔截面的凈截面強度應按下式計算：111（20-53）（20-52）計算截面（最外列螺栓處）的高強度螺栓數(shù)目螺栓群承受的軸向力計算值

對高強度螺栓摩擦型連接的構件，除按上式驗算凈截面強度外，尚應驗算構件的毛截面強度。112連接一側的高強度螺栓數(shù)目式中計算拉力N’計算表達式為：孔前傳力系數(shù)有一計算截面為340mm×12mm的鋼板，采用高強度螺栓和兩塊尺寸為340mm×8mm的連接板連接（圖20-42），鋼材為Q235鋼，螺栓材料為20MnTiB。承受軸向拉力設計值為Nd=700kN

，安全等級為一級。試對該連接進行設計。113圖20-42高強度螺栓尺寸連接（尺寸單位：mm）例20-7解：（1）高強度螺栓連接設計選用螺栓的直徑為N=22mm，孔徑為d0=23mm，鋼板接觸面涂抗滑型無機富鋅漆，按表20-6，m=0.45；按表20-5，一個M22的高強度螺栓的預拉力為Pd=190kN；摩擦面數(shù)為nf=2。單個高強螺栓的承載力為

需要的高強螺栓數(shù)目計算：114采用6個。圖20-42高強度螺栓尺寸連