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3 38 8 高强度螺栓连接计算高强度螺栓连接计算一、高强度螺栓的工作性能及单栓承载力一、高强度螺栓的工作性能及单栓承载力 按受力特征的不同高强度螺栓分为两类：按受力特征的不同高强度螺栓分为两类：摩擦型高强度螺栓摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内通过板件间摩擦力传递内力，力，破破坏准则为克服摩擦力坏准则为克服摩擦力；承压型高强度螺栓承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。受力特征与普通螺栓类似。1 1、高强度螺栓预拉力的建立方法、高强度螺栓预拉力的建立方法 通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法：通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法：A A、转角法、转角法 施工方法：施工方法：初拧初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；终拧终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的 角度，一般为角度，一般为120120o o180180o o完成终拧。完成终拧。特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧 和超拧；和超拧；B B、扭矩法、扭矩法 施工方法：施工方法：初拧初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%30%50%，使，使 板件贴紧密；板件贴紧密；终拧终拧初拧基础上，按初拧基础上，按100%100%设计终拧力矩拧紧。设计终拧力矩拧紧。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。C C、扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）、扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）施工方法：施工方法：初拧初拧拧至终拧力矩的拧至终拧力矩的60%80%60%80%；终拧终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等高强度螺栓的施工要求：高强度螺栓的施工要求：由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格：栓杆的预拉力，因此施工要求较严格：1 1）终拧力矩偏差不应大于）终拧力矩偏差不应大于10%10%；2 2）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换；）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换；3 3）拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。）拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。如工字型梁为：如工字型梁为：上翼缘上翼缘下翼缘下翼缘腹板腹板。表盘式扭力扳手表盘式扭力扳手电动扭力扳手电动扭力扳手2 2、高强度螺栓预拉力的确定、高强度螺栓预拉力的确定 高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强有效抗拉强度度确定的，并考虑了以下修正系数：确定的，并考虑了以下修正系数：考虑材料的不均匀性的折减系数考虑材料的不均匀性的折减系数0.90.9；为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.90.9；考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数的降低除以系数1.21.2。附加安全系数附加安全系数0.90.9。因此，预拉力：因此，预拉力：A Ae e螺纹处有效截面积；螺纹处有效截面积；f fu u螺栓热处理后的最抵抗拉强度；螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.88.8级，取级，取f fu u=830N/mm=830N/mm2 2，10.910.9级，取级，取f fu u=1040N/mm=1040N/mm2 23 3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数F摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P P）和板件）和板件间的抗滑移系数间的抗滑移系数 ；F板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小其大小随板件间的挤压力的减小而减小；规范给出了不同钢材在不同接触面的处理方法下的规范给出了不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数抗滑移系数,如下表如下表4 4、高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承载力、高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承载力(1)(1)抗剪连接工作性能抗剪连接工作性能 受力过程与普通螺栓相似，受力过程与普通螺栓相似，分为四个阶段：分为四个阶段：摩擦传力的弹性摩擦传力的弹性阶段阶段、滑移阶段滑移阶段、栓杆传力的弹栓杆传力的弹性阶段性阶段、弹塑性阶段弹塑性阶段。但比较两条但比较两条N N曲线可知，曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段很大的摩擦力，故其第一个阶段远远大于普通螺栓。远远大于普通螺栓。高强度高强度螺栓螺栓N NO O1 12 23 34 41 12 23 34 4普通螺栓普通螺栓a ab bN NN/2N/2N/2N/2A A、对于高强度螺栓摩擦型连接，其、对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为其极限状态为1 1点而不是点而不是4 4点，所以点，所以1 1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力：型连接的抗剪承载力：N NO O1 12 23 34 41 12 23 34 4高强度高强度螺栓螺栓普通螺栓普通螺栓a ab bN NN/2N/2N/2N/2式中：式中：0.90.9抗力分项系数抗力分项系数R R的倒的倒 数数(R R=1.111);=1.111);n nf f传力摩擦面数目传力摩擦面数目;-摩擦面抗滑移系数摩擦面抗滑移系数;P P预拉力设计值预拉力设计值.（2 2）、抗剪连接单栓承载力）、抗剪连接单栓承载力B B、对于高强度螺栓承压型抗剪连接，、对于高强度螺栓承压型抗剪连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态则为连接达到其极限状态4 4点，所以点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。承载力计算方法与普通螺栓相同。NO12341234高强度高强度螺栓螺栓普通螺栓普通螺栓单栓抗剪承载力：单栓抗剪承载力：抗剪承载力抗剪承载力：承压承载力承压承载力：5 5、高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力、高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力当外拉力为零，即当外拉力为零，即N=0N=0时：时：P=CP=C；当外拉力为当外拉力为N Nt t时：板件有被拉开趋势，时：板件有被拉开趋势，板件间的压力板件间的压力C C减小为减小为C Cf f，栓杆拉力栓杆拉力P P增加为增加为P Pf f，由力及变形协调得：，由力及变形协调得：NPCP+P=Pf fC-C=Cf fNtA Ab b栓杆截面面积；栓杆截面面积；A Ap p板件挤压面面积；板件挤压面面积；板叠厚度。板叠厚度。当板件即将被拉开时：当板件即将被拉开时：C Cf f=0=0，有，有P Pf f=N=Nt t，因此：，因此：一般板件间的挤压面面积比一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大的多，近似栓杆截面面积大的多，近似取取A AP P/A/Ab b=10=10，得：，得：显然栓杆的拉力增加不大。显然栓杆的拉力增加不大。另外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于另外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于P P时，卸载时，卸载后螺栓杆的预拉力将减小，即发生后螺栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象松弛现象。但当。但当N Nt t不不大于大于0.8P0.8P时，则无松弛现象，这时时，则无松弛现象，这时P Pf f=1.07P=1.07P，可认为螺，可认为螺杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接触，所以现行规范规定：密接触，所以现行规范规定：P+P=PP+P=Pf fC-C=CC-C=Cf fN Nt tA、摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为：F上式未考虑橇力的影响，当考虑橇力上式未考虑橇力的影响，当考虑橇力影响时，螺栓杆的拉力影响时，螺栓杆的拉力P Pf f与与N Nt t的关系的关系曲线如图：曲线如图：FN Nt t0.5P0.5P时，橇力时，橇力Q=0Q=0；FN Nt t0.5P0.5P后，橇力后，橇力Q Q出现，增加速度出现，增加速度先慢后快先慢后快。F橇力橇力Q Q的存在导致连接的极限承载力的存在导致连接的极限承载力由由N Nu u降至降至N Nu u。F所以，如设计时不考虑橇力的影响所以，如设计时不考虑橇力的影响,应使应使N Nt t0.5P0.5P或增加连接板件的刚度或增加连接板件的刚度（如设加劲肋）。（如设加劲肋）。300 250 200 150 100 50 050 100 150 200 250 300Pf(KN)(KN)Nu u Nu uNt(KN)(KN)2NNNQQ191951518.8级级 M22P=150KNQ Q有橇力时的有橇力时的螺栓破坏螺栓破坏无橇力时的无橇力时的螺栓破坏螺栓破坏B、承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：相同，即：式中：式中：A Ae e-螺栓杆的有效截面面积；螺栓杆的有效截面面积；d de e-螺栓杆的有效直径；螺栓杆的有效直径；f ft tb b高强度螺栓的抗拉强度设计高强度螺栓的抗拉强度设计值。值。上式的计算结果与上式的计算结果与0.8P0.8P相差不多。相差不多。（1 1）高强度螺栓摩擦型连接）高强度螺栓摩擦型连接 尽管当尽管当N Nt tPP时，栓杆的预拉力变化不大，但由时，栓杆的预拉力变化不大，但由于于随随N Nt t的增大而减小的增大而减小，且随，且随N Nt t的增大板件间的挤的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定在压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定在V V和和N N共同作用下应满足下式：共同作用下应满足下式：6 6、高强度螺栓连接在拉力和剪力共同作用下的工作、高强度螺栓连接在拉力和剪力共同作用下的工作性能和单栓承载力性能和单栓承载力（2 2）高强度螺栓承压型连接）高强度螺栓承压型连接 对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同。作用下计算方法与普通螺栓相同。为了防止孔壁的承压破坏，应满足：为了防止孔壁的承压破坏，应满足：系数系数1.21.2是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。承压承载力降低的修正系数。二、高强度螺栓群的抗剪计算二、高强度螺栓群的抗剪计算1 1、轴心力作用、轴心力作用 假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：对于摩擦型连接：对于摩擦型连接：对于承压型连接：对于承压型连接：NNN NN Nb bt tt t1 1b b1 1 高强度螺栓群轴心力作用下高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算尚应进行板件的净截面验算.A A、高强度螺栓摩擦型连接、高强度螺栓摩擦型连接主板的危险截面为主板的危险截面为1-11-1截面。截面。1 11 1考虑孔前传力考虑孔前传力50%50%得：得：1-11-1截面的内力为：截面的内力为：N NN Nb bt tt t1 1b b1 1拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-22-2截面。截面。2 22 2考虑孔前传力考虑孔前传力50%50%得：得：2-22-2截面的内力为：截面的内力为：B B、高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的、高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面验算完全相同。净截面验算完全相同。2 2、扭矩或扭矩、剪力共同作用下、扭矩或扭矩、剪力共同作用下 计算方法与普通螺栓相同，即：计算方法与普通螺栓相同，即：FTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F剪力剪力F F作用下每个螺栓受力作用下每个螺栓受力：扭矩扭矩T T作用下：作用下：由此可得螺栓由此可得螺栓1 1的强度验算公式为的强度验算公式为:三、高强度螺栓群的抗拉计算三、高强度螺栓群的抗拉计算1 1、轴心力作用、轴心力作用 假定各螺栓均匀受力，故所需假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓数：螺栓数：N2 2、弯矩作用下、弯矩作用下 由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力力P P，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认为是接触状态，弹性性能较好，可认为是一个整体一个整体,所以假所以假定定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受最外侧螺栓受力最大。力最大。MMM1234y1y2N1N2N3N4受压区受压区中中和和轴轴由力学可得：由力学可得：因此，设计时只要满足下式即可：因此，设计时只要满足下式即可：3 3、偏心拉力作用下、偏心拉力作用下 偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于于0.8P0.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可采用以下方法摩擦型和承压型均可采用以下方法（叠加法）（叠加法）计算计算:Ne1234M=NeNy1y2N1N2N3N4中中和和轴轴M作用下作用下N作用下作用下四、高强度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的连四、高强度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的连接计算接计算NV单个螺栓所受的剪力：单个螺栓所受的剪力：单个螺栓所受的拉力：单个螺栓所受的拉力：1234NVN作用下作用下V作用下作用下、对于高强度螺栓、对于高强度螺栓承压型承压型连接应满足：连接应满足：、对于高强度螺栓、对于高强度螺栓摩擦型摩擦型连接应满足：连接应满足：所以：所以：五、高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用五、高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用下的连接计算下的连接计算1、采用高强度螺栓摩擦型连接时采用高强度螺栓摩擦型连接时 1 1号螺栓在号螺栓在N N、M M作用下所受拉力如前所述应满足：作用下所受拉力如前所述应满足：MNV1234M=NeNy1y2N1N2N3N4中中和和轴轴M作用下作用下N作用下作用下VV作用下作用下 对于高强度螺栓摩擦型连接，在拉力和剪力共同对于高强度螺栓摩擦型连接，在拉力和剪力共同作用下，单栓抗剪承载力如前所述为：作用下，单栓抗剪承载力如前所述为：单个螺栓所受的剪力：单个螺栓所受的剪力：上式中上式中:2 2、采用高强度螺栓承压型连接时、采用高强度螺栓承压型连接时螺栓的强度计算公式：螺栓的强度计算公式：单个螺栓所受的剪力：单个螺栓所受的剪力：单个螺栓所受的最大拉力：单个螺栓所受的最大拉力：MNV1234M=NeNy1y2N1N2N3N4中中和和轴轴M作用下作用下N作用下作用下VV作用下作用下【例例3.103.10】牛腿与柱用高强螺栓连接，牛腿与柱用高强螺栓连接，e=200mme=200mm，钢，钢材为材为Q235Q235，螺栓，螺栓8.88.8级，级，M20M20的摩擦型和承压型高强度的摩擦型和承压型高强度螺栓连接，接触面为喷砂，试计算该连接所能承受的螺栓连接，接触面为喷砂，试计算该连接所能承受的荷载荷载F F（经计算，采用普通螺栓时所能承受的荷载（经计算，采用普通螺栓时所能承受的荷载F F约约为为200KN200KN）。）。(1)(1)摩擦型按平均受剪计算摩擦型按平均受剪计算“1 1”号螺栓最危险号螺栓最危险 ，所受剪力：，所受剪力：在弯矩作用下，旋转轴在形心轴在弯矩作用下，旋转轴在形心轴x xx x上：上：所受拉力：所受拉力：单栓抗剪承载力设计值：单栓抗剪承载力设计值：单栓抗拉设计承载力：单栓抗拉设计承载力：单栓抗剪承载力设计值：单栓抗剪承载力设计值：得得 F223.4kN 或或同样得同样得 F223.4kN F223.4kN(2)(2)摩擦型按节点整体协调受剪计算摩擦型按节点整体协调受剪计算在弯矩作用下，旋转轴在形心轴在弯矩作用下，旋转轴在形心轴x xx x上：上：顶排一个螺栓所受拉力：顶排一个螺栓所受拉力：其余螺栓不受拉力其余螺栓不受拉力。一个螺栓抗剪承载力随所受拉力大小一个螺栓抗剪承载力随所受拉力大小而变化而变化 第二排一个螺栓所受拉力：第二排一个螺栓所受拉力：第一排单个螺栓的抗剪承载力为第一排单个螺栓的抗剪承载力为 第二排单个螺栓的抗剪承载力为第二排单个螺栓的抗剪承载力为 第三、四、五排单个螺栓的抗第三、四、五排单个螺栓的抗剪承载力为剪承载力为 连接节点的整体抗剪承载力必须满足：连接节点的整体抗剪承载力必须满足：代入数据：代入数据：解得解得 F261.3kN验算螺栓最大拉力验算螺栓最大拉力 按平均剪力计算太保守按平均剪力计算太保守(3)(3)承压型高强度螺栓连接计算承压型高强度螺栓连接计算 一个螺栓抗剪承载力随所受拉力大小而变化一个螺栓抗剪承载力随所受拉力大小而变化 “l l”号螺栓受力：号螺栓受力：单栓抗拉设计承载力单栓抗拉设计承载力：单栓承压设计承载力：单栓承压设计承载力：单栓抗剪承载力设计值：单栓抗剪承载力设计值：解得解得 F356.4kN验算最大拉力验算最大拉力承压验算承压验算比摩擦型的承载力大（223.4KN、261.3kN)例例3.11 3.11 螺栓连接轴心受剪螺栓连接轴心受剪钢板拼接连接，钢材为钢板拼接连接，钢材为Q235Q235，采用盖板拼接，采用螺，采用盖板拼接，采用螺栓连接，连接受到轴向力栓连接，连接受到轴向力N N的作用。的作用。1 1、N=700kN,N=700kN,采用采用C C级普通螺栓连接。螺栓采用级普通螺栓连接。螺栓采用M20M20，孔径为孔径为21.5mm21.5mm。2 2、N=950kNN=950kN，采用，采用M20M20的的10.910.9级高强螺栓，孔径也是级高强螺栓，孔径也是21.5mm21.5mm，按摩擦型高强螺栓计算，按摩擦型高强螺栓计算,构件表面采用喷砂构件表面采用喷砂处理。处理。验算以上方案的螺栓强度。验算以上方案的螺栓强度。NNNN1 1、普通螺栓、普通螺栓4807070280t=16mmt=12mmA A、螺栓受剪、螺栓受剪B B、强度指标：、强度指标：C C、计算单个螺栓的承载力设计值、计算单个螺栓的承载力设计值D D、计算单个螺栓的内力、计算单个螺栓的内力E E、钢材验算、钢材验算NN4807070280NNNN2 2、摩擦型高强螺栓、摩擦型高强螺栓4807070280t=16mmt=12mmA A、螺栓受剪、螺栓受剪B B、计算参数：、计算参数：C C、计算单个螺栓的承载力设计值、计算单个螺栓的承载力设计值D D、计算单个螺栓的内力、计算单个螺栓的内力E E、钢材验算、钢材验算NNN4807070280例例3.12 3.12 连接综合题连接综合题双角钢拉杆与柱的连接如图。拉力双角钢拉杆与柱的连接如图。拉力N N550kN550kN。钢。钢材为材为Q235BQ235B钢。角钢与节点板、节点板与端板采用钢。角钢与节点板、节点板与端板采用焊缝连接，焊条采用焊缝连接，焊条采用E43E43型焊条。端板与柱采用型焊条。端板与柱采用10.910.9级级M20M20高强螺栓连接。构件表面采用喷砂处理高强螺栓连接。构件表面采用喷砂处理。1 1、角钢与节点板连接、角钢与节点板连接的焊缝长度的焊缝长度2 2、节点板与端板的焊、节点板与端板的焊缝高度缝高度3 3、验算高强螺栓连接、验算高强螺栓连接1.1.角钢与节点板连接的焊缝长度角钢与节点板连接的焊缝长度由于角钢为不等肢角钢，且为由于角钢为不等肢角钢，且为长边相拼长边相拼肢背：肢背：肢肢尖尖2.2.节点板与端板的焊缝高度节点板与端板的焊缝高度FV由于钢板厚度为由于钢板厚度为14mm，端板厚为，端板厚为20mm，可设焊缝高度为，可设焊缝高度为10mm3.3.验算高强螺栓连接验算高强螺栓连接螺栓的最大内力：螺栓的最大内力：按摩擦型连接计算按摩擦型连接计算：按承压型连接计算按承压型连接计算：有有：
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