《金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計》第二章金屬結(jié)構(gòu)的連接

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接目錄

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

§2.1金屬結(jié)構(gòu)連接概述

§2.2金屬結(jié)構(gòu)的連接方法

§2.3焊縫連接

§2.4螺栓連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接目的:

金屬結(jié)構(gòu)件在制造和組裝時，無論是把基本桿件制成部件，還是各桿件組裝成整體，都必不可少要用連接實現(xiàn)。如果連接設(shè)計不恰當，在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，影響結(jié)構(gòu)的整體剛度和強度。因此，連接的設(shè)計同構(gòu)件本身設(shè)計一樣重要。

好的連接評判原則：

安全可靠，節(jié)約材料，構(gòu)造簡單和施工方便?！?.1金屬結(jié)構(gòu)連接概述2.金屬結(jié)構(gòu)的連接金屬結(jié)構(gòu)的連接方法可分為：焊縫連接、螺栓連接、鉚釘連接（圖2－1）?！?.2金屬結(jié)構(gòu)的連接方法圖2－1金屬結(jié)構(gòu)的連接方法（a）焊縫連接；（b）螺栓連接；（c）鉚釘連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接金屬結(jié)構(gòu)連接的特點連接方法優(yōu)點

缺點焊縫連接不削弱構(gòu)件截面，密封性好，對幾何形體適應(yīng)性強，構(gòu)造簡單，省材省工，易于自動化，工效高。易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力和變形，對材質(zhì)要求高，焊接程序嚴格，質(zhì)量檢驗工作量大。普通螺栓連接裝卸便利，設(shè)備簡單螺栓精度低時不宜受剪，螺栓精度高時加工和安裝難度較大。高強螺栓連接加工方便，對結(jié)構(gòu)削弱少，可拆換，能承受動力荷載，耐疲勞。摩擦面處理，安裝工藝略為復(fù)雜，造價略高。鉚釘連接韌性和塑性好，傳力可靠，質(zhì)量易于檢查，抗動力荷載好。費鋼、費工、噪聲大。射釘、自攻螺栓連接靈活，安裝方便，構(gòu)件無須予先處理，適用于輕鋼、薄板結(jié)構(gòu)。不能受較大集中力。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.3.1焊縫連接的特性

§2.3.2焊縫強度§2.3.3角焊縫的受力情況及強度計算

§2.3.4對接焊縫的受力情況及強度計算

§2.3.5焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形§2.3焊縫連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

§2.3.1焊縫連接的特性一、金屬結(jié)構(gòu)中常用的焊接方法電弧焊電阻焊氣焊常用的焊接方法手工電弧焊自動埋弧焊半自動埋弧焊CO2氣體保護焊2.金屬結(jié)構(gòu)的連接二、焊縫連接的特點

焊接連接與鉚釘、螺栓連接比較，有以下優(yōu)點：

⑴不需打孔，省工省時；

⑵任何形狀的構(gòu)件可直接連接，連接構(gòu)造方便；

⑶氣密性、水密性好，結(jié)構(gòu)剛度較大，整體性較好。缺點：

⑴焊縫附近有熱影響區(qū)，材質(zhì)變脆；

⑵焊接的殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞，殘余變形使結(jié)構(gòu)形狀尺寸發(fā)生變化；

⑶焊接裂縫一經(jīng)發(fā)生，便容易擴展。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接常見的焊縫缺陷：裂紋、氣孔、未焊透、夾渣、咬邊、燒穿、凹坑、塌陷、未焊滿等（圖2－2）。三、焊縫缺陷圖2－2常見焊縫缺陷2.金屬結(jié)構(gòu)的連接焊接檢驗按GB50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》中要求，焊縫質(zhì)量分為三級。

A級（三級）：全部外觀檢查。

B級（二級）：在全部外觀檢查的基礎(chǔ)上做超聲波檢驗（抽取50％）

C級（一級）：在A、B級檢查后對局部做x射線檢驗（對不同的結(jié)構(gòu)還可用部頒標準，如水工鋼結(jié)構(gòu)可用《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》SL36，又如，《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗收規(guī)范》等。）四、焊縫檢驗

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

五、焊縫標注焊縫代號國家標準（GB/T324-1988)1234N1－箭頭線2－實基線3－虛基線4－尾線N－標注焊縫方法或相同的焊縫數(shù)量。焊縫在非箭頭側(cè)，將焊縫符號注在基線的虛線側(cè)。對稱焊縫及雙面焊不加虛線。說明：在《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗收規(guī)程》

中無虛線、尾部。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接六、焊縫連接型式及焊縫型式

⑴焊縫連接型式焊縫連接型式主要有四種：平接、搭接、T形連接和角接（圖2－3）。(a)(b)(c)(d)(e)圖2－3焊縫連接型式(a)平接；(b)搭接；(c)、(d)T形連接；(e)角接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

⑵焊縫型式焊縫可分為對接焊縫和角焊縫。①對接焊縫按受力與焊縫方向分：

a）直縫：作用力方向與焊縫方向正交。

b）斜縫：作用力方向與焊縫方向斜交。

②角焊縫按受力與焊縫方向分：

a）正面角焊縫（端焊縫）：作用力方向與焊縫長度方向垂直。

b）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）：作用力方向與焊縫長度方向平行。

③按焊縫連續(xù)性：

a）連續(xù)焊縫：受力較好。b）斷續(xù)焊縫：易發(fā)生應(yīng)力集中。

④按施工位置：俯焊、立焊、橫焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊縫質(zhì)量也最好，仰焊最差。

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接七、焊縫強度焊縫強度主要取決于焊縫金屬和母材金屬的強度。并與焊接型式、應(yīng)力集中程度以及焊接工藝等因素有關(guān)（見書中表2－1）。對接焊縫：受壓對接焊縫：抗壓強度設(shè)計值（）與母材相同。受拉對接焊縫：一級和二級焊縫的抗拉和抗彎強度設(shè)計值（）與母材相同；三級焊縫的抗拉和抗彎強度設(shè)計值取母材強度設(shè)計值的0.85倍。角焊縫：抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值（）取統(tǒng)一的強度設(shè)計值。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接八、角焊縫的受力情況及強度計算(一)角焊縫的受力情況及構(gòu)造要求

⑴角焊縫的截面型式

角焊縫按兩焊腳邊間夾角不同可分為：直角角焊縫、斜角角焊縫（圖2－4）。直角角焊縫又可分為：普通式、平坡式和深溶式（凹面式）（圖2－4）。斜角角焊縫：銳角角焊縫、鈍角角焊縫（有凸、凹面）（圖2－4）。直角角焊縫的有效厚度：圖2－4角焊縫截面型式斜角角焊縫的有效厚度：當時，當時，（2－1）2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵角焊縫的受力情況角焊縫按其長度方向與受力方向的相對位置可分為：正面角焊縫（端焊縫）、側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）、圍焊縫。側(cè)面角焊縫主要承受剪力作用。在彈性階段，應(yīng)力沿焊縫長度方向分布不均勻，但塑性正面角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，其破壞強度比側(cè)面角焊縫高，但塑性較差（圖2－6）。圖2－5側(cè)面角焊縫應(yīng)力分布較好，在規(guī)范長度范圍內(nèi)，應(yīng)力分布可趨于均勻（圖2－5）。圖2－6正面角焊縫應(yīng)力分布2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑶角焊縫的尺寸限制

①最小焊腳尺寸（取整毫米數(shù)）：且②最大焊腳尺寸（取整毫米數(shù)）：

③板件邊緣(厚度為t)的角焊縫，最大焊腳尺寸尚應(yīng)符合下列要求：當時，取；當時，取。選擇的焊腳尺寸應(yīng)符合：④角焊縫計算長度的限制對側(cè)焊縫：受靜力荷載時，；

受動力荷載時，

；

對側(cè)焊縫和端焊縫：或40mm；

角焊縫計算長度的適宜值為：⑤在搭接連接中，當僅采用正面角焊縫時，搭接長度應(yīng)或25mm。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（二）角焊縫的強度計算⑴角焊縫計算的基本公式現(xiàn)以圖2-7所示的受力情況為例，導(dǎo)出角焊縫計算的基本公式。

Nx在焊縫有效截面上引起的沿焊縫軸線方向的剪應(yīng)力為：

Ny在焊縫有效截面上引起的垂直于焊縫軸線方向的應(yīng)力為：

將σf沿焊縫有效截面的法向和垂直于焊縫軸線的切向分解得：

根據(jù)第四強度理論，角焊縫的強度條件為：2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2－7直角角焊縫的計算圖2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑴角焊縫計算的基本公式（續(xù)一）將式(2-2)、(2-4)、(2-5)代入式(2-6)得：

或?qū)懗桑菏街校害耭─正面角焊縫（端焊縫）的強度增大系數(shù)。其值為：承受靜力荷載或間接承受動力荷載時：βf＝(3/2)1/2＝1.22

直接承受動力荷載時：βf＝1.0

正面角焊縫（端焊縫），Nx＝0，即τf＝0，其算式為：

側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫），Ny＝0，即σf＝0，其算式為：

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接①角焊縫連接對稱焊件當只有側(cè)焊縫時，按式(2-10)計算；當只有端焊縫時，按式(2-9)計算；采用圍焊縫時，先按式(2-9)計算端縫承擔的內(nèi)力N，所余內(nèi)力(N-N)由側(cè)焊縫承擔。若承受動力荷載作用，軸心力Ｎ由全部焊縫有效截面平均承擔(f＝1.0)。(2)角焊縫受拉力、壓力或剪力作用

②采用三面圍焊縫連接不對稱焊件(圖2－8)計算步驟：

a.選定端焊縫的hf，計算它能承擔的內(nèi)力；

b.按下式確定角鋼肢背、肢尖承擔的內(nèi)力：N1＝(b2/b)N－N3/2＝k1N－N3/2N2＝(b1/b)N－N3/2＝k2N－N3/2

c.選定側(cè)焊縫的hf，按式(2－10)求出側(cè)焊縫的lw1和lw2。若無端焊縫，則令上式中的N3＝0即可。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2－8受軸心力作用的角鋼和節(jié)點板焊縫連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑶角焊縫受彎矩、剪力和軸心力共同作用（圖2－9）圖2－9受彎、受剪、受拉的角焊縫計算在彎矩作用下產(chǎn)生x方向（垂直于焊縫長度方向）的應(yīng)力為：在剪力作用下產(chǎn)生y方向（平行于焊縫長度方向）的應(yīng)力為：在軸力作用下產(chǎn)生x方向（垂直于焊縫長度方向）的應(yīng)力為：這三個應(yīng)力代入式（2－8）得2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑷角焊縫受扭矩、軸力、剪力共同作用（圖2－10）圖2－10受扭、受拉、受剪的角焊縫計算扭矩M在焊縫有效截面上引起的應(yīng)力：扭矩M引起三面圍焊最遠點A的應(yīng)力沿x、y方向分解：式中：—焊縫計算截面（有效截面）對形心的極慣性矩；

、—焊縫角點到焊縫形心軸的距離。剪力V、軸力N在A點引起的應(yīng)力為：式(2-16b)和式(2-16c)代入式(2-8)得角焊縫計算習題2-1試驗算圖2.1所示直角角焊縫的強度。已知焊縫承受的斜向靜力荷載設(shè)計值F＝280kN，θ＝60°，角焊縫的焊腳尺寸hf＝8mm，實際長度l＝

155mm，鋼材為Q235-B，手工焊，焊條E43型。2-3在圖2.2所示角鋼和節(jié)點板采用兩邊側(cè)焊縫的連接中，N＝660kN（靜力荷載，設(shè)計值），角鋼為2∠110×10，節(jié)點板厚度t＝12mm，鋼材為Q235B，焊條為E43系列型，手工焊。試確定所需角焊縫的焊腳尺寸hf和實際長度l。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接九、對接焊縫的受力情況及強度計算(一)對接焊縫的構(gòu)造要求為保證焊件熔透，當焊件厚度大于10mm時，須對焊件接頭處進行加工，以形成其具有規(guī)則的幾何形狀的溝槽（坡口）。對接焊縫的坡口形式（圖2－11）：直邊Ⅰ形、單邊V形、雙邊V形、U形、K形縫、X形縫等。板厚t10mmt＝10～20mmt>20mm優(yōu)點：用料經(jīng)濟、傳力均勻、無明顯的應(yīng)力集中，利于承受動力荷載。

缺點：需開坡口，焊件長度要精確。圖2－11對接焊縫構(gòu)造2.金屬結(jié)構(gòu)的連接(二)對接焊縫的構(gòu)造處理

⑴起落弧處易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工復(fù)雜，除承受動力荷載外，一般不用，計算時將焊縫長度兩端各減去2t，t為連接件的較小厚度。

⑵變厚度板對接，在板的一面或兩面切成坡度不大于1：4的斜面，避免應(yīng)力集中。

⑶變寬度板對接，在板的一側(cè)或兩側(cè)切成坡度不大于1：4的斜邊，避免應(yīng)力集中。圖2－12不同厚度或?qū)挾鹊匿摪迤唇?.金屬結(jié)構(gòu)的連接(三)對接焊縫的強度計算⑴軸心受力時⑵斜向受力時⑶彎矩和剪力共同作⑷軸力、彎矩和剪力共同⑴軸心受力時對接焊縫的計算─式中N軸心拉力或壓力；Nlw─焊縫計算長度，無引弧板時，焊縫長度取實長減去2t，有引弧板時，取實長。─對接焊縫的抗壓、抗拉強度設(shè)計值。教材p35表2－1。

─平接時為焊件的較小厚度，頂接時取腹板厚；t（2－17）圖2－13軸心受力的對接焊縫連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵對接斜向焊縫受力計算主要用于焊縫強度設(shè)計值低于構(gòu)件強度設(shè)計值的連接中。

優(yōu)點：抗動力荷載性能較好缺點：較費材料當tg

1.5即

56.3時，可不驗算焊縫強度。

（2－18）（2－19）—對接焊縫抗剪強度設(shè)計值?！毕蚝缚p計算長度。圖2－14斜向受力的焊縫2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑶彎矩和剪力共同作用時對接焊縫的計算焊縫內(nèi)應(yīng)力分布同母材。同時受彎、剪時，分別驗算最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力?！缚p截面抵抗矩;—焊縫截面上計算點處以上（以下）截面對中和軸的面積矩。對于腹板和翼緣的交界點，正應(yīng)力、剪應(yīng)力雖不是最大，但都比較大，所以需驗算折算應(yīng)力。（2－20）（2－21）（2－22）圖2－15彎矩和剪力共同作用下的對接焊縫2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑷軸力、彎矩和剪力共同作用時對接焊的縫計算

牛腿和柱的對接焊縫，剪力全部由腹板承受并均勻分布，彎矩、拉力由全截面承擔，與梁計算相同，截面形式和截面上各種應(yīng)力分布見圖2-16。牛腿截面為非對稱，在拉力作用下全截面均勻受拉，在剪力作用下，整個腹板截面按均勻抗剪考慮，在彎矩作用下，中和軸以上受拉，中和軸以下受壓。因此圖中1、2、3、4點均需強度驗算。點1為下翼緣最外緣的點，點2為下翼緣與腹板的交界點，點3為上翼緣與腹板的交界點，點4為上翼緣最外緣的點。圖2－16軸力、彎矩和剪力共同作用下的對接焊縫2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑷軸力、彎矩和剪力共同作用時對接焊的縫計算（續(xù)）點1：點2：點3：點4：—有效抗剪面積，—整個焊縫截面的截面積；—各個計算點到中和軸的距離。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接例題某主梁腹板采用圖2－17所示的對接焊縫拼接（有引弧板）。已知拼接截面處的內(nèi)力M＝980KN·m；Q＝200KN，荷載均為設(shè)計荷載值。鋼材為Q235鋼，焊條E425型，手工焊接且用普通方法檢查焊縫質(zhì)量。試驗算對接焊縫強度。解：圖2－172.金屬結(jié)構(gòu)的連接

金屬結(jié)構(gòu)在焊接過程中，局部區(qū)域受到劇烈的高溫作用，引起不均勻的加熱和冷卻，使構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形。由于在冷卻時焊縫和焊縫附近的鋼材不能自由收縮，受到約束而產(chǎn)生焊接應(yīng)力（殘余應(yīng)力）。焊接殘余應(yīng)力是自平衡應(yīng)力。焊接變形和焊接應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)的主要問題之一，它直接影響結(jié)構(gòu)的實際工作。十、焊接應(yīng)力與焊接變形2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（一）殘余應(yīng)力的影響⑴靜力及部分區(qū)域的應(yīng)力疊加對強度無影響

⑵降低構(gòu)件的剛度焊接殘余應(yīng)力的存在增大了結(jié)構(gòu)的變形，故降低了結(jié)構(gòu)的剛度。

⑶降低構(gòu)件的穩(wěn)定承載力由于剛度降低，有效截面減小，過早地進入彈塑性區(qū)，彈性模量降低，所以穩(wěn)定承載力降低。⑷降低構(gòu)件的疲勞強度殘余應(yīng)力的存在，加快了疲勞裂紋的開展速度（雙向或三向拉應(yīng)力場），因此，疲勞強度降低。

⑸加劇低溫冷脆。

材料在低溫下呈脆性，焊接殘余應(yīng)力的同號拉力場會阻礙材料塑性的發(fā)展，加重了脆性因素。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（二）焊接變形的產(chǎn)生和防止焊接變形：金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點在焊接過程中，局部區(qū)域受到很強的高溫作用，在此不均勻的加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的變形稱為焊接變形。

焊接變形是由于焊接過程中焊區(qū)的收縮變形引起的，表現(xiàn)在構(gòu)件局部的鼓起、歪曲、彎曲或扭曲等。焊接變形對構(gòu)件的影響：

⑴安裝困難，且產(chǎn)生附加應(yīng)力；

⑵降低結(jié)構(gòu)承載能力；⑶影響結(jié)構(gòu)外觀。表現(xiàn)主要有：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形、扭曲變形等（圖2－18）。圖2－18焊接變形2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（三）減少殘余應(yīng)力和焊接變形的方法⑴設(shè)計方面

①采用細長、不采用短粗的焊縫；

②對稱布置焊縫，減小變形；

③不等高連接加不大于1/4的斜坡；

④盡量防止銳角連接；

⑤焊縫不宜過于集中，不要出現(xiàn)交叉焊縫；

⑥注意施焊方便，以保證焊接質(zhì)量。⑵制造方面

①采用合理的焊接工藝，如分段退焊、分層焊、對稱焊、鋼板分塊拼接、對角跳焊（工字形截面）等（圖2－19）；②制造過程中，采用減少殘余應(yīng)力和焊接變形的方法；

③焊后消除殘余應(yīng)力和矯正變形使結(jié)構(gòu)有一個和焊接變形相反的預(yù)變形。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2－19

合理的焊接順序212435613423212.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.4螺栓連接

§2.4.1螺栓連接的排列和構(gòu)造要求

一、螺栓的排列二、螺栓、螺栓孔圖例

§2.4.2高強度螺栓連接的工作性能和計算

一、高強度螺栓連接的工作性能二、一個高強度螺栓的抗剪承載力三、一個高強度螺栓的抗拉承載力四、高強度螺栓同時承受剪力和拉力的計算五、高強度螺栓群的連接計算2.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.4.1螺栓連接的排列和構(gòu)造要求一、螺栓的排列

螺栓和鉚釘?shù)呐帕型ǔ７譃椴⒘校▓D2-20(a)）和錯列（圖2-20(b)）兩種形式。

(a)(b)圖2-20鋼板的螺栓(鉚釘)排列

螺栓在構(gòu)件上的排列應(yīng)考慮的要求

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑴受力要求

⑵構(gòu)造要求

⑶施工要求

根據(jù)以上要求，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的連接板件上螺栓和鉚釘?shù)娜菰S距離見表2－1。

表2－1螺栓或鉚釘?shù)淖畲?、最小容許距離

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接名稱位置和方向最大容許距離(取兩者的較小值)最小容許距離中心間距外排（垂直內(nèi)力方向或順內(nèi)力方向）或中間排垂直內(nèi)力方向或順內(nèi)力方向構(gòu)件受壓力或構(gòu)件受拉力或沿對角線方向中心至構(gòu)件邊緣距離順內(nèi)力方向或垂直內(nèi)力方向剪切邊或手工氣割邊軋制邊、自動氣割或鋸割邊高強度螺栓其他螺栓或鉚釘二、螺栓、螺栓孔圖例2.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.4.2高強度螺栓連接的工作性能和計算2.金屬結(jié)構(gòu)的連接一、高強度螺栓連接的工作性能高強度螺栓摩擦型連接只依靠被連接板件間的摩擦力傳遞剪力，以剪力等于摩擦力作為承載能力的極限狀態(tài)。高強度螺栓承壓型連接的傳力特征是剪力超過摩擦力時，板件間發(fā)生相互滑移，螺栓桿身與孔壁接觸，開始受剪并和孔壁承壓。以螺栓或鋼板破壞作為承載能力的極限狀態(tài)，可能的破壞形式和普通螺栓相同。⑴高強度螺栓的預(yù)拉力高強度螺栓連接摩擦型連接承壓型連接①預(yù)拉力的控制方法2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強度螺栓分大六角頭型(圖2-21(a))和扭剪型(圖2-21(b))兩種，大六角頭螺栓的預(yù)拉力控制方法包括扭矩法和轉(zhuǎn)角法。

a.扭矩法一般采用可直接顯示或控制扭矩的特定扭矩扳手。扭矩法是通過控制擰緊力矩來實現(xiàn)控制預(yù)拉力。優(yōu)點：施加預(yù)拉力簡單，易實施，費用少。缺點：由于連接件和被連接件的表面質(zhì)量和擰緊速度的差異，測得的預(yù)拉力值誤差大且分散，一般誤差為±25％。(a)(b)圖2-21高強度螺栓①預(yù)拉力的控制方法(續(xù))2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

b.轉(zhuǎn)角法先用普通扳手進行初擰，使被連接板件相互緊密貼合，再以初擰位置為起點，按終擰角度，用長扳手或風動扳手旋轉(zhuǎn)螺母，擰至該角度值時，螺栓的拉力即達到施工控制預(yù)拉力。扭剪型高強度螺栓(圖2－21(b))

特點：強度高，安裝簡便，質(zhì)量便于控制，可以單面擰緊，對操作人員沒有特殊要求。②預(yù)拉力的計算

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強度螺栓的預(yù)拉力設(shè)計值P由下式計算，并取5kN的整倍數(shù)。式中：—螺栓螺紋處的有效面積；

—螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強度。式(2-23)中的系數(shù)考慮了以下幾個因素：

a.擰緊螺帽時螺栓同時受到由預(yù)拉力引起的拉應(yīng)力和由扭矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用。試驗表明，可取系數(shù)1.2考慮擰緊螺栓時扭矩對螺桿的不利影響。

b.施工時為了彌補高強度螺栓預(yù)拉力的松弛損失，一般超張拉5％～10％，為此考慮一個超張拉系數(shù)0.9。

c.考慮螺栓材質(zhì)的不均勻性，引入一個折減系數(shù)0.9。

d.由于以螺栓的抗拉強度為準，為了安全引入一個安全系數(shù)0.9。各種規(guī)格高強度螺栓預(yù)拉力的取值列于表2－2。

(2-23)表2－2一個高強度螺栓的預(yù)拉力P2.金屬結(jié)構(gòu)的連接螺栓的性能等級

螺栓公稱直徑（mm）

M16M20M22M24M27M308.8級8012515017523028010.9級100155190225290355注：螺栓的性能等級“m.n級”，m表示螺栓成品的抗拉強度不小于

m×100N/mm2，.n表示螺栓材料的屈強比，即屈服點與抗拉強度的比值。

⑵抗滑移系數(shù)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接摩擦面抗滑移系數(shù)的大小與連接處板件接觸面的處理方法和板件的鋼號有關(guān)。試驗表明，此系數(shù)值隨被連接板件接觸面間的壓緊力減小而降低。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》推薦采用的接觸面處理方法包括噴砂、噴砂后涂無機富鋅漆、噴砂后生銹以及用鋼絲刷消除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面等。各種處理方法相應(yīng)的抗滑移系數(shù)μ值列于表2－3。

表2－3摩擦面抗滑移系數(shù)μ值

在連接處構(gòu)件接觸面的處理方法

板件的鋼號

Q235鋼Q345、Q390鋼Q420鋼噴砂0.450.500.50噴砂（丸）后涂無機富鋅漆0.350.400.40噴砂（丸）后生銹0.450.500.50鋼絲刷消除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面0.300.350.40二、一個高強度螺栓的抗剪承載力2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強度螺栓的抗剪連接的工作性能可通過連接的抗剪試驗得到，試驗得出的相對位移δ與作用力N的關(guān)系曲線如圖2-22所示。由曲線可見，試件由零載一直加載至連接破壞的全過程，經(jīng)歷了四個階段，即彈性階段、相對滑移階段、螺栓直接傳力階段和彈塑性階段。

圖2-22單個螺栓的抗剪試驗結(jié)果⑴摩擦型連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強度螺栓摩擦型連接是以板件間出現(xiàn)滑動作為抗剪承載能力的極限狀態(tài)，故其最大承載力點應(yīng)取板件間產(chǎn)生相對滑動的起始點“1”點。摩擦型連接的承載力取決于板件接觸面的摩擦力，而此摩擦力的大小與螺栓所受預(yù)拉力、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，一個摩擦型連接高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值為：式中：0.9—抗力分項系數(shù)的倒數(shù)；—傳力摩擦面數(shù)目，單剪時，，雙剪時，，依此類推；

P—一個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力，按表2－2采用；

μ—摩擦面抗滑移系數(shù)，按表2－3采用。(2-24)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接承壓型連接受剪時，從受力直到破壞的荷載－位移曲線如圖2-22所示，由于它允許接觸面滑動并以連接達到破壞的極限狀態(tài)作為設(shè)計準則，因此承壓型連接的最大抗剪承載力應(yīng)取圖2-22曲線最高點，即“4”點。高強度螺栓承壓型連接的計算方法與普通螺栓連接相同。一個承壓型高強度螺栓抗剪承載力設(shè)計值為：⑵承壓型連接

式中：nv—受剪面數(shù)目，單剪時，nv＝1，雙剪時，nv＝2，依此類推；

d—螺栓桿直徑（螺栓的公稱直徑）；

—高強度螺栓抗剪強度設(shè)計值，按表采用。一個承壓型高強度螺栓承壓承載力設(shè)計值為：(2-25a)式中：—在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度；

—高強度螺栓承壓強度設(shè)計值，按表采用。

(2-25b)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

⑴摩擦型連接單個高強度螺栓承受外拉力時，由試驗得知，當外拉力大于螺桿的預(yù)拉力時，卸荷后螺桿中的預(yù)拉力會變小，即發(fā)生松弛現(xiàn)象。但當外拉力小于螺桿預(yù)拉力的80％時，即無松弛現(xiàn)象發(fā)生。也就是說，被連接板件接觸面間仍保持一定的壓緊力。因此，現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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，單個高強度螺栓抗拉承載力設(shè)計值取為：三、一個高強度螺栓的抗拉承載力

⑵承壓型連接一個承壓型連接高強度螺栓的承載力設(shè)計值的計算方法與普通螺栓相同，按下式計算（計算結(jié)果與0.8P相差不大）。(2-26)式中：de—螺栓的有效直徑；

—螺栓抗拉強度設(shè)計值，按表采用。(2-27)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2-23高強度螺栓受拉力作用

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接四、高強度螺栓同時承受剪力和拉力的計算

⑴摩擦型連接如前所述，當螺栓所受外拉力Nt≤0.8P時，雖然螺桿中的預(yù)拉力P基本不變，但板層間壓力減小到P－Nt。試驗研究表明，這時接觸面的抗滑移系數(shù)μ也有所降低，而且μ值隨Nt的增大而減小?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》將Nt乘以系數(shù)1.125來考慮μ值降低的不利影響，故一個摩擦型連接高強度螺栓有外拉力作用時的抗剪承載力設(shè)計值為：式中：1.111——抗力分項系數(shù)。(2-28)將，代人上式，則式中：Nv，Nt—某個螺栓所承受的剪力和拉力。(2-29)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵承壓型連接同時承受剪力和桿軸方向外拉力的承壓型連接高強度螺栓的計算方法與普通螺栓相同，即按下式計算。（2－30）此外，尚應(yīng)按下式計算孔壁承壓。（2－31）式中：—高強度螺栓的承壓強度設(shè)計值，按表采用。

各種受力情況的單個高強度螺栓承載力設(shè)計值的計算式列于表2-4中。

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接表2-4單個高強度螺栓承載力設(shè)計值序號連接種類受力狀態(tài)計算式備注1高強度螺栓摩擦型連接受剪受拉兼受剪拉

或：2高強度螺栓承壓型連接受剪剪切面在螺紋處時

受拉兼受剪拉2.金屬結(jié)構(gòu)的連接五、高強度螺栓群的連接計算

⑴高強度螺栓群的抗剪計算

①軸心力作用時軸心力作用的高強度螺栓群抗剪連接所需螺栓數(shù)目由下式確定。（2－31）對摩擦型連接，按式（2-24）計算。對承壓型連接，為分別按式（2-25a）與式（2-25b）計算值的較小值。當剪切面在螺紋處時，計算應(yīng)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(yīng)采用高強度螺栓承載力設(shè)計值進行計算。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接a.扭矩作用時首先布置螺栓，然后計算受力最大螺栓所承受的剪力，再和一個高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值（取值同上）進行比較。

計算時作如下假定：

(a)被連接構(gòu)件是剛性的，而螺栓是彈性的；

(b)各螺栓繞螺栓群形心O旋轉(zhuǎn)(圖2-24)其受力大小與其至螺栓群形心的距離成正比，力的方向與其和螺栓群形心的連線垂直。則受力最大螺栓所承受的剪力為：（2－32）圖2-24扭矩作用的螺栓群當螺栓布置成狹長帶時，例如y1＞3x1時，式（2－32）可簡化為:（2－33）設(shè)計時，受力最大的一個螺栓所承受的設(shè)計剪力應(yīng)不大于高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值，即（2－34）2.金屬結(jié)構(gòu)的連接b.扭矩、剪力和軸心力共同作用時圖2-25所示的螺栓群，承受扭矩T、剪力V和軸心力N的共同作用。設(shè)計時，通常先布置好螺栓，再進行驗算。在扭矩T作用下，螺栓1、2、3、4受力最大為，其在x、y兩個方向的分力為:在剪力V和軸心力N的作用下，螺栓均勻受力，每個螺栓受力為:以上各力對于螺栓都是剪力，故受力最大螺栓1承受的合力N1應(yīng)滿足下式:（2－35）2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2-25扭矩、剪力和軸心力共同作用的螺栓群2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵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（2－36）式中：N—作用于螺栓群的軸心拉力設(shè)計值；

—單個高強度螺栓抗拉承載力設(shè)計值。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接②彎矩作用時高強度螺栓的外拉力總是小于預(yù)拉力P，在連接受彎矩作用(圖2-26(a))而使螺栓沿栓桿方向受力時，被連接構(gòu)件的接觸面一直保持緊密貼合，因此可認為中和軸在螺栓群的形心軸上(圖2-26(b))，最外排螺栓受力最大。則高強度螺栓群因彎矩受拉時最大拉力螺栓的驗算式為：（2－37）(a)(b)圖2-26承受彎矩的高強度螺栓連接

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強度螺栓承受偏心拉力作用時，螺栓的最大拉力不得超過0.8P，能夠保證板層之間始終保持緊密貼合，端板不會被拉開，故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③偏心拉力作用時（2－38）式中：N1—最大受力螺栓的拉力；

N—作用于螺栓群的偏心拉力