普通螺栓的構(gòu)造和計算概要

PAGE69-§3-5普通螺栓的構(gòu)造和計算3.5.1螺栓的排列和其他構(gòu)造要求一、螺栓的排列螺栓在構(gòu)件上排列應(yīng)簡單、統(tǒng)一、整齊而緊湊，通常分為并列和錯列兩種形式（圖3.5.1）。并列比較簡單整齊，所用連接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，對構(gòu)件截面削弱較大。錯列可以減小螺栓孔對截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列緊湊，連接板尺寸較大。圖3.5.1鋼板上的螺栓（鉚釘）排列螺栓在構(gòu)件上的排列應(yīng)滿足受力、構(gòu)造和施工要求：（1）受力要求：在受力方向螺栓的端距過小時，鋼材有剪斷或撕裂的可能。各排螺栓距和線距太小時，構(gòu)件有沿折線或直線破壞的可能。對受壓構(gòu)件，當沿作用方向螺栓距過大時，被連板間易發(fā)生鼓曲和張口現(xiàn)象。（2）構(gòu)造要求：螺栓的中矩及邊距不宜過大，否則鋼板間不能緊密貼合，潮氣侵入縫隙使鋼材銹蝕。（3）施工要求：要保證一定的空間，便于轉(zhuǎn)動螺栓板手擰緊螺帽。根據(jù)上述要求，規(guī)定了螺栓（或鉚釘）的最大、最小容許距離，見表3.5.1。螺栓沿型鋼長度方向上排列的間距，除應(yīng)滿足表3.5.1的要求外，尚應(yīng)滿足附錄10螺栓線距的要求。表3.5.1螺栓或鉚釘?shù)淖畲?、小最容許距離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）8d0或12t3d0中間排垂直內(nèi)力方向16d0或24t順內(nèi)力方向構(gòu)件受壓力12d0或18t構(gòu)件受拉力16d0或24t沿對角線方向—中心至構(gòu)件邊緣距離順內(nèi)力方向4d0或8t2d0垂直內(nèi)力方向剪切邊或手工氣割邊1.5d0軋制邊、自動氣割或鋸割邊高強度螺栓其他螺栓或鉚釘1.2d0注：1d0為螺栓或鉚釘?shù)目讖?，t為外層較薄板件的厚度。2鋼板邊緣與剛性構(gòu)件（如角鋼、槽鋼等）相連的螺栓或鉚釘?shù)淖畲箝g距，可按中間排的數(shù)值采用。二、螺栓的其他構(gòu)造要求螺栓連接除了滿足上述螺栓排列的容許距離外，根據(jù)不同情況尚應(yīng)滿足下列構(gòu)造要求：（1）為了使連接可靠，每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭的一端，永久性螺栓數(shù)不宜少于兩個。但根據(jù)實踐經(jīng)驗，對于組合構(gòu)件的綴條，其端部連接可采用一個螺栓。（2）對直接承受動力荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽或其他防止螺帽松動的有效措施。例如采用彈簧墊圈，或?qū)⒙菝被蚵輻U焊死等方法。（3）由于C級螺栓與孔壁有較大間隙，只宜用于沿其桿軸方向受拉的連接。承受靜力荷載結(jié)構(gòu)的次要連接、可拆卸結(jié)構(gòu)的連接和臨時固定構(gòu)件用的安裝連接中，也可用C級螺栓受剪。但在重要的連接中，例如：制動梁或吊車梁上翼緣與柱的連接，由于傳遞制動梁的水平支承反力，同時受到反復(fù)動力荷載作用，不得采用C級螺栓。柱間支撐與柱的連接，以及在柱間支撐處吊車梁下翼緣的連接，因承受著反復(fù)的水平制動力和卡軌力，應(yīng)優(yōu)先采用高強度螺栓。（4）沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板（法蘭板），應(yīng)適當加強其剛度（如加設(shè)加勁肋），以減少撬力對螺栓抗拉承載力的不利影響。3.5.2普通螺栓的受剪連接普通螺栓連接按受力情況可分為三類：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力的共同作用。下面先介紹螺栓受剪時的工作性能和計算方法。一、受剪連接的工作性能抗剪連接是最常見的螺栓連接。如果以圖3.5.2（a）所示的螺栓連接試件作抗剪試驗，可得出試件上a、b兩點之間的相對位移δ與作用力N的關(guān)系曲線（圖3.5.2b）。該曲線給出了試件由零載一直加載至連接破壞的全過程，經(jīng)歷了以下四個階段：（1）摩擦傳力的彈性階段在施加荷載之初，荷載較小，荷載靠構(gòu)件間接觸面的摩擦力傳遞，螺栓桿與孔壁之間的間隙保持不變，連接工作處于彈性階段，在N-δ圖上呈現(xiàn)出0，1斜直線段。但由于板件間摩擦力的大小取決于擰緊螺帽時在螺桿中的初始拉力，一般說來，普通螺栓的初拉力很小，故此階段很短。（2）滑移階段當荷載增大，連接中的剪力達到構(gòu)件間摩擦力的最大值，板件間產(chǎn)生相對滑移，其最大滑移量為螺栓桿與孔壁之間的間隙，直至螺栓與孔壁接觸，相應(yīng)于N-δ曲線上的1，2水平段。圖3.5.2單個螺栓抗剪試驗結(jié)果（3）栓桿傳力的彈性階段荷載繼續(xù)增加，連接所承受的外力主要靠栓桿與孔壁接觸傳遞。栓桿除主要受剪力外，還有彎矩和軸向拉力，而孔壁則受到擠壓。由于栓桿的伸長受到螺帽的約束，增大了板件間的壓緊力，使板件間的摩擦力也隨之增大，所以N-δ曲線呈上升狀態(tài)。達到“3”點時，曲線開始明顯彎曲，表明螺栓或連接板達到彈性極限，此階段結(jié)束。受剪螺栓連接達到極限承載力時，可能的破壞形式有：①當栓桿直徑較小，板件較厚時，栓桿可能先被剪斷（圖3.5.3a）；②當栓桿直徑較大，板件較薄時，板件可能先被擠壞（圖3.5.3b），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；③端距太小，端距范圍內(nèi)的板件有可能被栓桿沖剪破壞（圖3.5.3c）；④板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉斷（圖3.5.3d）。圖3.5.3受剪螺栓連接的破壞形式上述第③種破壞形式由螺栓端距l(xiāng)1≥2d。表保證；第④種破壞屬于構(gòu)件的強度驗算。因此，普通螺栓的受剪連接只考慮①、②兩種破壞形式。二、單個普通螺栓的受剪計算普通螺栓的受剪承載力主要由栓桿受剪和孔壁承壓兩種破壞模式控制，因此應(yīng)分別計算，取其小值進行設(shè)計。計算時做了如下假定：①栓桿受剪計算時，假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力是均勻分布的；②孔壁承壓計算時，假定擠壓力沿栓桿直徑平面（實際上是相應(yīng)于栓桿直徑平面的孔壁部分）均勻分布?？紤]一定的抗力分項系數(shù)后，得到普通螺栓受剪連接中，每個螺栓的受剪和承壓承載力設(shè)計值如下：受剪承載力設(shè)計值：（3.5.1）承壓承載力設(shè)計值：（3.5.2）式中：nv——受剪面數(shù)目，單剪nv=1，雙剪nv=2，四剪nv=4；d——螺栓桿直徑；——在不同受力方向中一個受力方向承壓構(gòu)件總厚度的較小值；、——螺栓的抗剪和承壓強度設(shè)計值，由附表1.4查用。三、普通螺栓群受剪連接計算1、普通螺栓群軸心受剪試驗證明，螺栓群的受剪連接承受軸心力時，與側(cè)焊縫的受力相似，在長度方向各螺栓受力是不均勻的（圖3.5.4），兩端受力大，中間受力小。當連接長度（為螺孔直徑）時，由于連接工作進入彈塑性階段后，內(nèi)力發(fā)生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐漸接近，故可認為軸心力N由每個螺栓平均分擔，即螺栓數(shù)n為：（3.3.3）式中——一個螺栓受剪承載力設(shè)計值與承壓承載力設(shè)計值的較小值。圖3.5.4長接頭螺栓的內(nèi)力分布當時，連接進入彈塑性階段后，各螺桿所受內(nèi)力仍不易均勻，端部螺栓首先達到極限強度而破壞，隨后由外向里依次破壞。根據(jù)試驗，并參考國外的規(guī)定，我國規(guī)范規(guī)定，當時，應(yīng)將承載力設(shè)計值乘以折減系數(shù)：（3.3.4）則對長連接，所需抗剪螺栓數(shù)為：（3.3.5）2、普通螺栓群偏心受剪圖3.5.5示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T=F·e的聯(lián)合作用在軸心力作用下可認為每個螺栓平均受力，即：（3.3.6）圖3.5.5偏心受剪的螺栓群在扭矩T=F·e作用下，通常采用彈性分析，假定連接板的旋轉(zhuǎn)中心在螺栓群的形心，則螺栓剪力的大小與該螺栓至中心點距離成正比，方向則與此距離垂直（圖3.5.5c）。由因得最大剪力將分解為水平分力和垂直分力：（3.5.7）（3.5.8）由此可得受力最大螺栓所承受的合力N1的計算式：（3.5.9）當螺栓布置在一個狹長帶，即時，可假定公式（3.5.7）和（3.5.8）中的xi=0，由此得，計算式為：（3.5.10）公式中的各符號見圖3.5.5。為一個螺栓的受剪承載力設(shè)計值。以上設(shè)計方法，除受力最大的螺栓外，其余大多數(shù)螺栓均有潛力。所以按公式（3.3.6）計算軸心力F作用下的螺栓內(nèi)力時，即使連接長度＞15d0，也不用考慮長接頭的折減系數(shù)η。[例題3-6]試設(shè)計圖3.5.5所示普通螺栓連接。柱翼緣板厚度為10mm，連接板厚度為8mm，鋼材為Q235-B，荷載設(shè)計值F=150kN，偏心矩e=250mm。若螺栓排列為豎向排距2X1=120mm，豎向行距y2=80mm，豎向端距為50mm，試選C級螺栓規(guī)格。[解]螺栓群中受力最大的點為1、2二點的螺栓，1點螺栓所受的剪力N1T計算如下：為求所需螺栓直徑，首先要確定C級螺栓的抗剪和承壓強度設(shè)計值。由附表1.4查得：。則可分別由公式（3.5.1）和（3.5.2）求出所需的螺栓直徑：受剪所需直徑承壓所需直徑故取d=22mm的C級螺栓可滿足強度要求。圖中螺栓排列構(gòu)造均大于中距3d=66mm，邊距2d=44mm，符合構(gòu)造要求。3.5.3普通螺栓的受拉連接一、普通螺栓受拉的工作性能沿螺栓桿軸方向受拉時，一般很難做到拉力正好作用在螺桿軸線上，而是通過水平板件傳遞，如圖3.5.6所示。若與螺栓直接相連的翼緣板的剛度不是很大，由于翼緣的彎曲，使螺栓受到撬力的附加作用，桿力增加到：Nt=N+Q式中Q稱為撬力。撬力的大小與翼緣板厚度、螺桿直徑、螺栓位置、連接總厚度等因素有關(guān)，準確求值非常困難。圖3.5.6受拉螺栓的撬力為了簡化計算，我國規(guī)范將螺栓的抗拉強度設(shè)計值降低20%來考慮撬力影響。例如4.6級普通螺栓（3號鋼做成），取抗拉強度設(shè)計值為：這相當于考慮了撬力Q=0.25N。一般來說，只要按構(gòu)造要求取翼緣板厚度t≥20mm，而且螺栓距離b不要過大，這樣簡化處理是可靠的。如果翼緣板太薄時，可采用加勁肋加強翼緣，如圖3.5.7所示。圖3.5.7翼緣加強措施二、單個普通螺栓的受拉承載力采用上述方法考慮撬力之后，單個螺栓的受拉承載力的設(shè)計值為：（3.3.11）式中Ae為螺栓有效截面積；de為螺紋處的有效直徑。由于螺紋呈傾斜方向，螺栓受拉時采用的直徑，既不是扣去螺紋后的凈直徑dn，也不是全直徑與凈直徑的平均直徑dm，而是由下式計算的有效直徑：（3.3.12）式中P為螺紋的螺矩。附表9.2給出了普通螺栓按有效直徑de算得的螺栓凈截面面積An（即有效截面面積Ae），可直接查用。三、普通螺栓群受拉1、栓群軸心受拉圖3.5.8示栓群軸心受拉，由于垂直于連接板的助板剛度很大，通常假定各個螺栓平均受拉，則連接所需的螺栓數(shù)為：（3.5.13）圖3.5.8螺栓群承受軸心拉力2、栓群承受彎矩作用圖3.5.9所示為螺栓群在彎矩作用下的受拉連接（圖中的剪力V通過承托板傳遞）。按彈性設(shè)計法，在彎矩作用下，離中和軸越遠的螺栓所受拉力越大，而壓力則由部分受壓的端板承受，設(shè)中和軸至端板受壓邊緣的距離為c（圖3.5.9c）。這種連接的受力有如下特點：受圖3.5.9普通螺栓彎矩受拉拉螺栓截面只是孤立的幾個螺栓點；而端板受壓區(qū)則是寬度較大的實體矩形截面（圖3.5.9b、c）。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。在對O點水平軸列彎矩平衡方程時，偏安全地忽略了力臂很小的端板受壓區(qū)部分的力矩?？紤]到：則：螺栓i的拉力為：設(shè)計時要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超過一個螺栓的抗拉承載力設(shè)計值：（3.5.14）3、栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉相當于連接承受軸心拉力N和彎知M=N·e的聯(lián)合作用。按彈性設(shè)計法，根據(jù)偏心距的大小可能出現(xiàn)小偏心受拉和大偏心受拉兩種情況。圖3.5.10螺栓群偏心受拉（1）小偏心受拉當偏心較小時，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；彎矩M則引起以螺栓群形心O為中和軸的三角形內(nèi)力分布（圖3.5.10a、b），使上部螺栓受拉，下部螺栓受壓；疊加后全部螺栓均受拉?？赏瞥鲎畲蟆⒆钚∈芰β菟ǖ睦蜐M足設(shè)計要求的公式如下（yi均自O(shè)點算起）：（3.5.15a）（3.5.15b）式（3.5.15b）為公式使用條件，由此式可得時的偏心距。令為螺栓有效截面組成的核心距，則當時為小偏心受拉。（2）大偏心受拉當偏心距e較大時，即時，在端板底部將出現(xiàn)受壓區(qū)（圖3.5.10c）。仿式（3.5.14）近似并偏安全取中和軸位于最下排螺栓O’處，按相似步驟列對O’點的彎矩平衡方程，可得（e’和yi’自O(shè)’點算起，最上排螺栓1的拉力最大）：（3.5.16）[例題3-7]設(shè)圖3.5.11為一剛接屋架下弦節(jié)點，豎向力由承托承受。螺栓為C級，只承受偏心拉力。設(shè)N=300kN，e=100mm。螺栓布置如圖3.5.11（a）所示。試求所需的C級螺栓規(guī)格。[解]螺栓有效截面的核心距：即偏心力作用在核心距以內(nèi)，屬小偏心受拉（圖3.5.11c），應(yīng)由式（3.5.15a）計算：圖3.5.11例題3-7圖需要的有效面積：由附表9.5查得M20螺栓的有效面積，故采用C級M20螺栓。顯然連接的布置滿足構(gòu)造要求。3.5.4普通螺栓受剪力和拉力的聯(lián)合作用大量的試驗研究結(jié)果表明，同時承受剪力和拉力作用的普通螺栓（圖3.5.12）有兩種可能破壞形式：一是螺栓桿受剪受拉破壞；二是孔壁承壓破壞。圖3.5.12拉一剪聯(lián)合作用的螺栓圖3.5.13剪力和拉力的相關(guān)曲線大量的試驗結(jié)果表明，當將拉一剪聯(lián)合作用下處于極限承載力時的拉力和剪力，分別除以各自單獨作用時的承載力，所得到的關(guān)于和的相關(guān)曲線，近似為圓曲線（圖3.5.13）。于是，規(guī)范規(guī)定：同時承受剪力和桿軸方向拉力的普通螺栓，應(yīng)分別符合下列公式的要求：驗算剪一拉作用：（3.5.17）驗算孔壁承壓：（3.5.18）式中、——一個螺栓所承受的剪力和拉力設(shè)計值；、——一個螺栓的螺桿抗剪和抗拉承載力設(shè)計值；——一個螺栓的孔壁承壓載力設(shè)計值。[例題3-8]圖3.5.14示一承受斜拉力的螺栓連接。已知被連板件的厚度均為20mm，鋼材均為Q235B，已知斜拉力的二個分力分別為V=300kN，N=200kN，偏心e=120mm，螺栓采用等距離布置，行距為100mm，端距為50mm，共設(shè)兩排C級螺栓，試選擇螺栓規(guī)格。圖3.5.14例題3-8圖[解]栓群有效截面的核心距為：故按大偏心求解螺栓中的最大拉力，此時距最上一行螺栓軸O’的偏心距。由公式（3.5.16）求出受拉力最大的1號螺栓的拉力為：由剪力引起的螺栓剪力由12個螺栓共同承受，試選用M20C級螺栓，查附表9.2知，其有效面積Ae=245mm2，查附表1.4知有則故所選螺栓滿足強度要求。§3-6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算3.6.1高強度螺栓連接的工作性能和構(gòu)造要求一、高強度螺栓連接的工作性能1、高強度螺栓的抗剪性能由圖3.5.2中可以看出，由于高強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，當連接受剪時，主要依靠摩擦力傳力的高強度螺栓連接的抗剪承載力可達到1點。通過1點后，連接產(chǎn)生了滑解，當栓桿與孔壁接觸后，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，即為高強度螺栓摩擦型連接；如果連接的承載力用到4點，即為高強度螺栓承壓型連接。2、高強度螺栓的抗拉性能高強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，而P與C維持平衡（圖3.6.1a）。當對螺栓施加外拉力Nt，則栓桿在板層之間的壓力未完全消失前被拉長，此時螺桿中拉力增量為，同時把壓緊的板件拉松，使壓力C減少（圖圖3.6.1高強度螺栓受拉3.6.1b）。計算表明，當加于螺桿上的外拉力Nt為預(yù)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(yù)拉力基本不變。同時由實驗得知，當外加拉力大于螺桿的預(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。但當外加拉力小于螺桿預(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能保持一定的壓緊力，可以假定整個板面始終處于緊密接觸狀態(tài)。但上述取值沒有考慮杠桿作用而引起的撬力影響。實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，當外拉力Nt≤0.5P時，不出現(xiàn)撬力，如圖3.6.2所示，撬力Q大約在Nt達到0.5P時開始出現(xiàn)，起初增加緩慢，以后逐漸加快，到臨近破壞時因螺栓開始屈服而又有所下降。圖3.6.2高強度螺栓的撬力影響由于撬力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)計中不計算撬力Q，應(yīng)使N≤0.5P；或者增大T形連接件翼緣板的剛度。分析表明，當翼緣板的厚度t1不小于2倍螺栓直徑時，螺栓中可完全不產(chǎn)生撬力。實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。在直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，由于高強度螺栓連接受拉時的疲勞強度較低，每個高強度螺栓的外拉力不宜超過0.5P。當需考慮撬力影響時，外拉力還得降低。二、高強度螺栓連接的構(gòu)造要求1、高強度螺栓預(yù)拉力的建立方法為了保證通過摩擦力傳遞剪力，高強度螺栓的預(yù)拉力P的準確控制非常重要。針對不同類型的高強度螺栓，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：①力矩法一般采用指針式扭力（測力）扳手或預(yù)置式扭力（定力）扳手。目前用得多的是電動扭矩扳手。力矩法是通過控制擰緊力矩來實現(xiàn)控制預(yù)拉力。擰緊力矩可由試驗確定，應(yīng)使施工時控制的預(yù)拉力為設(shè)計預(yù)拉力的1.1倍。當采用電動扭矩搬手時，所需要的施工扭矩Tf為：（3.6.1）式中Pf——施工預(yù)拉力，為設(shè)計預(yù)拉力1/0.9倍；k——扭矩系數(shù)平均值，由供貨廠方給定，施工前復(fù)驗；d——高強度螺栓直徑。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)拉力值的準確度，在安裝大六角頭高強度螺栓時，應(yīng)先按擰緊力矩的50%進行初擰，然后按100%擰緊力矩進行終擰。對于大型節(jié)點在初擰之后，還應(yīng)按初擰力矩進行復(fù)擰，然后再行終擰。力矩法的優(yōu)點是較簡單、易實施、費用少，但由于連接件和被連接件的表面和擰緊速度的差異，測得的預(yù)拉力值誤差大且分散，一般誤差為±25%。②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(fēng)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。（2）扭剪型高強度螺栓是我國60年代開始研制，80年代制訂出標準的新型連接件之一。它具有強度高、安裝簡單和質(zhì)量易于保證、可以單面擰緊、對操作人員沒有特殊要求等優(yōu)點。扭剪型高強度螺栓如圖3.1.9(b)所示，螺栓頭為盤頭，螺紋段端部有一個承受擰緊反力矩的十二角體和一個能在規(guī)定力矩下剪斷的斷頸槽。扭剪型高強度螺栓連接副的安裝需用特制的電動扳手，該扳手有兩個套頭，一個套在螺母六角體上；另一個套在螺栓的十二角體上。擰緊時，對螺母施加順時針力矩，對螺栓十二角體施加大小相等的逆時針力矩，使螺栓斷頸部分承受扭剪，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)拉力值的確定高強度螺栓的預(yù)拉力設(shè)計值P由下式計算得到：（3.6.2）式中Ae——螺栓的有效截面面積；fu——螺栓材料經(jīng)熱處理后的最低抗拉強度。對于8.8級螺栓，fu=830N/mm2；10.9級螺栓，fu=1040N/mm2。式（3.6.2）中的系數(shù)考慮了以下幾個因素：①擰緊螺帽時螺栓同時受到由預(yù)拉力引起的拉應(yīng)力和由螺紋力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用。折算應(yīng)力為：（3.6.3）根據(jù)試驗分析，系數(shù)在職1.15~1.25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扭矩對螺桿的不利影響系數(shù)。②為了彌補施工時高強度螺栓預(yù)拉力的松馳損失，在確定施工控制預(yù)拉力時，考慮了預(yù)拉力設(shè)計值的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。③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作為標準值的系數(shù)0.9。各種規(guī)格高強度螺栓預(yù)拉力的取值見表3.6.1和3.6.2。表3.6.1一個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力值（kN）(GB50017規(guī)范)螺栓的性能等級螺栓公稱直徑（mm）M16M20M22M24M27M308.8級8012515518023028510.9級100155190225290355表3.6.2高強度螺栓的預(yù)拉力P值（kN）(GB50017規(guī)范)螺栓的性能等級螺栓公稱直徑（mm）M12M14M168.8級45608010.9級55751003、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。我國規(guī)范推薦采用的接觸面處理方法有：噴砂、噴砂后涂無機富鋅漆、噴砂后生赤銹和鋼絲刷消除浮銹或?qū)Ω蓛糗堉票砻娌蛔魈幚淼?，各種處理方法相應(yīng)的μ值詳見表3.6.3和3.6.4。表3.6.3摩擦面的抗滑移系數(shù)μ值在連接處構(gòu)件接觸面的處理方法構(gòu)件的鋼號Q235鋼Q345、Q230鋼Q420鋼噴砂0.450.500.50噴砂后涂無機富鋅漆0.350.400.40噴砂后生赤銹0.450.500.50鋼絲刷清除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面0.300.350.40表3.6.4抗滑移系數(shù)μ值連接處構(gòu)件接觸面的處理方法構(gòu)件的鋼材牌號Q235Q345噴砂（丸）0.400.45熱軋鋼材軋制表面清除浮銹0.300.35冷軋鋼材軋制表面清除浮銹0.25—注：除銹方向應(yīng)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，表面看來光滑平整，實際上金屬表面尚存在著微觀的凹凸不平，高強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，μ值與鋼種有關(guān)。試驗證明，摩擦面涂紅丹后μ＜0.15，即使經(jīng)處理后仍然很 低，故嚴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，也會降低μ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：（1）當型鋼構(gòu)件拼接采用高強度螺栓連接時，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)在施工圖中說明。3.6.2高強度螺栓摩擦型連接計算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，一個摩型連接高強度螺栓的受剪承載力設(shè)計值為：（3.6.4）式中0.9——抗力分項系數(shù)的倒數(shù)，即??；——傳力摩擦面數(shù)目：單剪時，；雙剪時，；P——一個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力，按表3.6.1和3.6.2采用；——摩擦面抗滑移系數(shù)，按表3.6.3和3.6.4采用。試驗證明，低溫對摩擦型高強度螺栓抗剪承載力無明顯影響，但當溫度t=100℃~150℃時，螺栓的預(yù)拉力將產(chǎn)生溫度損失，故應(yīng)將摩擦型高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值降低10%；當t＞150℃時，應(yīng)采取隔熱措施，以使連接溫度在150℃或100℃以下。2、受拉連接承載力如前所述，為提高強度螺栓連接在承受拉力作用時，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度螺栓摩型連接中，單個高強度螺栓受拉承載力設(shè)計值為：（3.6.5）但承壓型連接的高強度螺栓，應(yīng)卻按普通螺栓的公式計算（但強度設(shè)計取值不同）。3、同時承受剪力和拉力連接的承載力如前所述，當螺栓所受外拉力時，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-Nt。試驗研究表明，這時接觸面的抗滑移系數(shù)值也有所降低，而且值隨Nt的增大而減小，試驗結(jié)果表明，外加剪力Nv和拉力Nt與高強螺栓的受拉、受剪承載力設(shè)計值之間具有線性相關(guān)關(guān)系，故規(guī)范規(guī)定，當高強度螺栓摩擦型連接同時承受摩擦面間的剪力和螺栓桿軸方向的外拉力時，其承載力應(yīng)按下式計算：（3.3.6）式中、——某個高強度螺栓所承受的剪力和拉力設(shè)計值；、——一個高強度螺栓的受剪、受拉承載力設(shè)計值。3.6.3高強度螺栓承壓型連接計算1、受剪連接承載力高強度螺栓承壓型連接的計算方法與普通螺栓連接相同，仍可用式（3.5.1）和式（3.5.2）計算單個螺栓的抗剪承載力設(shè)計值，只是應(yīng)采用承壓型連接高強度螺栓的強度設(shè)計值。當剪切面在螺紋處時，承壓型連接高強度螺栓的抗剪承載力應(yīng)按螺紋處的有效截面計算。但對于普通螺栓，其抗剪強度設(shè)計值是根據(jù)連接的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計而定的，試驗時不分剪切面是否在螺紋處，故計算抗剪強度設(shè)計值時用公稱直徑。2、受拉連接承載力承壓型連接高強度螺栓沿桿軸方向受拉時，規(guī)范給出了相應(yīng)強度級別的螺栓抗拉強度設(shè)計值，抗拉承載力的計算公式與普通螺栓相同，只是抗拉強度設(shè)計值不同。3、同時承受剪力和拉力連接的承載力同時承受剪力和桿軸方向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：（3.6.7）（3.6.8）式中、——某個高強度螺栓所承受的剪力和拉力設(shè)計值；、、——一個高強度螺栓的受剪、受拉和承壓承載力設(shè)計值。由于在剪應(yīng)力單獨作用下，高強度螺栓對板層間產(chǎn)生強大壓緊力。當板層間的摩擦力被克服，螺桿與孔壁接觸時，板件孔前區(qū)形成三向應(yīng)力場，因而承壓型連接高強度螺栓的承壓強度比普通螺栓高得多，兩者相差約50%。當承壓型連接高強度螺栓受有桿軸拉力時，板層間的壓緊力隨外拉力的增加而減小，因而其承壓強度設(shè)計值也隨之降低。為了計算簡便，我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，只要有外拉力存在，就將承壓強度除以1.2予以降低，而未考慮承壓強度設(shè)計值變化幅度隨外拉力大小而變化這一因素。因為所有高強度螺栓的外拉力一般均不大于0.8P。此時，可以為整個板層間始終處于緊密接觸狀態(tài)，采用統(tǒng)一除以1.2的做法來降低承壓強度，一般能保證安全。3.6.4高強度螺栓群的計算一、高強度螺栓群受剪1、軸心受剪此時，高強度螺栓連接所需螺栓數(shù)目應(yīng)由下式確定：式中是相應(yīng)連接類型的單個高強度螺栓受剪承載力設(shè)計值的最小值，應(yīng)按相應(yīng)類型由公式（3.6.4）或公式（3.5.1）和（3.5.2）計算。2、高強度螺栓群的非軸心受剪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。二、高強度螺栓群受拉1、軸心受拉高強度螺栓群連接所需螺栓數(shù)目：式中——在桿軸方向受拉力時，一個高強度螺栓（摩擦型或承壓型）的承載力設(shè)計值，根據(jù)連接類型按公式（3.6.5）或公式（3.5.11）計算。2、高強度螺栓群受彎矩作用高強度螺栓（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，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3.6.3），最外排螺栓受力最大。最大拉力及其驗算式為：（3.6.9）式中——螺栓群形心軸至螺栓的最大距離；——形心軸上、下各螺栓至形心軸矩離的平方和。圖3.6.3承受彎矩的高強度螺栓連接3、高強度螺栓群偏心受拉由于高強度螺栓偏心受拉時，螺拉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，端板不會拉開，故摩擦型連接高強度螺栓和承壓型連接高強度螺栓均可按普通螺栓小偏心受拉計算，即：（3.6.10）三、高強度螺栓群承受拉力、彎矩和剪力的共同作用1、摩擦型連接的計算圖3.6.4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。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度螺栓承受剪力和拉力聯(lián)合作用時，螺栓的承載力設(shè)計值應(yīng)符合相關(guān)方程：（3.6.6）該式可改寫為：將；代入上式得：（3.6.11）即公式（3.6.11）和（3.6.6）是等價的。式中的是同時作用剪力和拉力時，單個螺栓所能承受的最大剪力設(shè)計值。圖3.6.4摩擦型連接高強度螺栓的內(nèi)力分布在彎矩和拉力共同作用下，高強螺栓群中的拉力各不相同，即：（3.6.12）則剪力V的驗算應(yīng)滿足下式：（3.6.13）或式（3.6.12）中，當時，取。在式（3.6.13）中，只考慮螺栓拉力對抗剪承載力的不利影響，未考慮受壓區(qū)板層間壓力增加的有利作用，故按該式計算的結(jié)果是略偏安全的。此外，螺栓最大拉力應(yīng)滿足：2、承壓型連接的計算對承壓型連接高強度螺栓，應(yīng)按公式（3.6.7）和（3.6.8）驗算拉剪的共同作用。即：式中的1.2為承壓強度設(shè)計值降低系數(shù)。計算時，應(yīng)采用無外拉力狀態(tài)的值。[例題3-9]圖3.6.5所示高強度螺栓摩擦型連接，被連接構(gòu)件的鋼材為Q235-B。螺栓為10.9級，直徑20mm，接觸面采用噴砂處理。試驗算此連接的承載力。圖中內(nèi)力均為設(shè)計值。圖3.6.5例題3-9圖[解]由表3.6.1和表3.6.3查得預(yù)拉力P=155kN，抗滑移系數(shù)。受力最大的一個螺栓的拉力為：按比例關(guān)系可求得：有按公式（3.6.13）驗算受剪承載力設(shè)計值：故滿足強度要求?！?-7輕鋼結(jié)構(gòu)緊固件連接的構(gòu)造和計算3.7.1緊固件連接的構(gòu)造要求用于薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中的緊固件應(yīng)滿足下述構(gòu)造要求：（1）抽芯鉚釘（拉鉚釘）和自攻螺釘?shù)尼旑^部分應(yīng)靠在較薄的板件一側(cè)。連接件的中距和端距不得小于連接件直徑的3倍，邊距不得小于連接件直徑的1.5倍。受力連接中的連接件不宜少于2個。（2）抽芯鉚釘?shù)倪m用直徑為2.6~6.4mm，在受力蒙皮結(jié)構(gòu)中宜選用直徑不小于4mm的抽芯鉚釘；自攻螺釘?shù)倪m用直徑為3.0~8.0mm，在受力蒙皮結(jié)構(gòu)中宜選用直徑不小于5mm的自攻螺釘。（3）自攻螺釘連接的板件上的預(yù)制孔徑d0應(yīng)符合下式要求：（3.7.1）且（3.7.2）式中——自攻螺釘?shù)墓Q直徑（mm）；——被連接板的總厚度（mm）。（4）射釘只用于薄板與支承構(gòu)件（即基材如檁條）的連接。射釘?shù)拈g距不得小于射釘直徑的4.5倍，且其中距不得小于20mm，到基材的端部和邊緣的距離不得小于15mm，射釘?shù)倪m用直徑為3.7~6.0mm。射釘?shù)拇┩干疃龋ㄖ干溽敿舛说交谋砻娴纳疃?，如圖3.7.1所示）應(yīng)不小于10mm。圖3.7.1射釘?shù)拇┩干疃然牡那姸葢?yīng)不小于150N/mm2，被連鋼板的最大屈服強度應(yīng)不大于360N/mm2?；暮捅贿B鋼板的厚度應(yīng)滿足表3.7.1和表3.7.2的要求。表3.7.1被連鋼板的最大厚度（mm）表3.7.2基材的最小厚度（5）在抗拉連接中，自攻螺釘和射釘?shù)尼旑^或墊圈直徑不得小于14mm；且應(yīng)通過試驗保證連接件由基材中的拔出強度不小于連接件的抗拉承載力設(shè)計值。上述規(guī)定大部分引自國外的相關(guān)規(guī)范，項次（3）是根據(jù)我國自己的試驗結(jié)果歸納出的經(jīng)驗公式。3.7.2緊固件的強度計算1、緊固件受拉根據(jù)大量的試驗結(jié)果，得到了靜荷載和反復(fù)荷載作用下，自攻螺釘和射釘連接抗拉強度的計算公式。風(fēng)是反復(fù)荷載的根本起因，在風(fēng)吸力作用下，壓型鋼板上下波動，使緊固件承受反復(fù)荷載作用，常引起釘頭部位的疲勞破壞。因此含風(fēng)組合時承載力降低。GB50018規(guī)范規(guī)定，在壓型鋼板與冷彎型鋼等支承構(gòu)件之間的連接件桿軸方向受拉的連接中，每個自攻螺釘或射釘所受的拉力應(yīng)不大于按下列公式計算的抗拉承載力設(shè)計值。當只受靜荷載作用時：（3.7.3）當受含有風(fēng)荷載的組合荷載作用時：（3.7.4）式中——一個自攻螺釘或射釘?shù)目估休d力設(shè)計值（N）；t——緊挨釘頭側(cè)的壓型鋼板厚度（mm），應(yīng)滿足0.5mm≤t≤1.5mm；f——被連接鋼板的抗拉強度設(shè)計值（N/mm2）。當連接件位于壓型鋼板波谷的一個四分點時（如圖3.7.2.b所示），其抗拉承載力設(shè)計值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.9；當兩個四分點均設(shè)置連接件時（如圖3.7.2c所示）則應(yīng)乘以折減系數(shù)0.7。圖3.7.2壓型鋼板連接示意圖自攻螺釘在基材中的鉆入深度tc應(yīng)大于0.9mm，其所受的拉力應(yīng)不大于按下式計算的抗拉承載力設(shè)計值。（3.7.5）式中d——自攻螺釘?shù)闹睆剑╩m）；tc——釘桿的圓柱狀螺紋部分鉆入基杜中的深度（mm）；f——基材的抗拉強度設(shè)計值（N/mm2）。2、緊固件受剪當緊固件能牢固的將壓型鋼板與其支承構(gòu)件（如檁條和墻梁等）連在一起時，壓型鋼板面層除能承受法向于它的面外荷載之外，還可與支承構(gòu)件一起承受面內(nèi)的剪力，這一效應(yīng)稱為受力蒙皮作用（stressedskinaction），此時緊固件要承受剪力作用。試驗研究表明，緊