资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3,钢结构的连接设计,3.9,普通螺栓连接的构造和计算,3.9.1,普通螺栓的规格,类别,加工精度,成本,使用范围,A,级,B,级,精制,螺栓,加工精度高，栓径与孔径之差为,0.3,0.5mm,，,I,类孔,高,主要应用于构件精度很高的结构，如机械结构；,C,级,粗制,螺栓,加工精度较低，栓径与孔径之差为,1,1.5mm,低,1,）抗拉连接；,2,）静力荷载下抗剪连接；,4,）可拆卸连接；,5,）安装螺栓；,6,）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用,扭剪型高强度螺栓具有强度高、安装简便和质量易于保证、可以单面拧紧、对操作人员没有特殊要求等优点。扭剪型高强度螺栓螺纹端部有一个承受拧紧反力矩的十二交体（,“,梅花头,”,）和一个能在规定力矩下剪断的断颈槽。安装时用特制的电动扳手，有两个套头，一个套在螺母六角体上，另一个套在螺栓的十二角体上。拧紧时，对螺母施加顺时针力矩,M1,，对螺栓十二角体施加大小相等的逆时针力矩,M2,，使螺栓断颈部分承受扭剪，其初拧力矩为拧紧力矩的,50,，复拧力矩等于初拧力矩，终拧至断颈剪断为止，安装结束后，相应的安装力矩即为拧紧力矩。,3,钢结构的连接设计,3,钢结构的连接设计,A,级,B,级区别：,仅尺寸不同，,A,级,d24,，,L 150mm,；,B,级,d,24,，,L,150mm,分类,钢材,强度,等级,孔径,d,0,与栓径,d,之差,(mm),加工,受力,特点,安装,C,级,粗制,螺栓,普通,碳素钢,Q235,4.6,4.8,1.0 1.5,粗糙,尺寸不准,成本低,抗剪差,抗拉好,方便,A,级,B,级,精制,螺栓,优质,碳素钢,45,号钢,35,号钢,8.8,0.30.5,精度高,尺寸准确,成本高,抗剪,抗拉,均好,精度,要求高,I,类孔：,孔壁粗糙度小，对应,A,、,B,级螺栓,II,类孔：,孔壁粗糙度大，对应,C,级螺栓,3.9.1,普通螺栓的规格,3,钢结构的连接设计,钢结构用高强度大六角头螺栓：,High Strength,Bolts,with Large Hexagon Head for Steel Structures,钢结构设计规范,3.8.3,条 ：,3.9.2,螺栓的排列和构造要求,螺栓在构件上的排列时应考虑,受力要求,、,构造要求,、,施工要求,。,1,受力要求,：对于受拉构件，螺栓的,栓距,和,线距,不应过小，否则对钢板截面削弱太多，构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏。对于受压构件，沿作用力方向,螺栓间距,不应过大，否则被连接的板件间容易发生凸曲现象。因此，从受力角度应规定螺栓的,最大和最小容许间距,。,a,）,端距,限制,防止孔端钢板剪断,b,）螺孔中距限制,下限：防止孔间板发生净截面破坏,上限：防止板翘曲,2,构造要求,：若栓距和线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀，所以，构造上要规定螺栓的,最大容许间距,。,3,施工要求,：,为便于拧紧螺栓，留适当间距（不同的工具有不同要求）。,施工上要规定螺栓的,最小容许间距,。,3,钢结构的连接设计,3.9.2,螺栓的排列和构造要求,3,钢结构的连接设计,受力要求,螺距过小：,截面削弱太多，净截面破坏,。,螺距过大：受压时钢板张开。,构造要求,螺距过大：连接不紧密，潮气侵入腐蚀。,施工要求,螺距过小：施工时转动扳手困难。,螺栓,间距,布置,要求,3,钢结构的连接设计,钢板上螺栓排列,角钢上螺栓排列,并列螺栓,错列螺栓,螺栓容许间距,3.9.2,螺栓的排列和构造要求,3,钢结构的连接设计,根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距见下表。,注,: 1.,d,0,为螺栓孔径，,t,为外层薄板件厚度。,2.,钢板边缘与刚性构件,(,如角钢、槽钢,),相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。,螺栓的最大和最小容许间距,3,钢结构的连接设计,剪力螺栓,受力垂直螺杆，螺杆承剪、孔壁承压。,连接件有错动趋势,拉力螺栓,受力平行螺杆，螺杆承拉。,连接件有脱开趋势。,依据,受力,方式,剪力螺栓,拉力螺栓,3.10,普通螺栓连接的受力性能,普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为,抗剪螺栓连接,和,抗拉螺栓连接,。,还可能既受剪有受拉，称为,拉剪共同作用,。,3,钢结构的连接设计,3.10.1,普通受剪螺栓的传力机理,工作性能：,剪力螺栓受力后，,当受力不大时：剪力螺栓靠连接板间的摩擦力传力,当受力较大时：剪力螺栓靠孔壁承压、螺杆抗剪传力 （当外力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁而受剪，孔壁则受压。,）,当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端大，中间小；当外力继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。,剪力螺栓可能发生的破坏形式有：,（,1,）螺栓剪断,（,2,）钢板孔壁挤压破坏,（,3,）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断,（,4,）钢板因螺孔端距剪坏,（,5,）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生受弯破坏,3,钢结构的连接设计,3.10.1,普通受剪螺栓的传力机理,防止螺栓破坏措施,(1) (2) (3),通过计算解决,(4) (5),通过构造解决,3,钢结构的连接设计,（,1,）,螺栓剪断,（板较厚，螺栓较细）,（,2,）,钢板孔壁挤压破坏,（板较薄，螺栓较粗）,3.10.1,普通受剪螺栓的传力机理,螺栓安装拧紧后，在工作荷载的作用下，被夹紧的板件相对滑动，在相反的方向螺杆靠紧孔壁，导致螺杆受剪切作用，孔壁受压力作用，直至螺杆剪断或孔壁受压破坏。,螺栓剪断,3,钢结构的连接设计,钢板孔壁挤压破坏,3,钢结构的连接设计,3,钢结构的连接设计,（,1,）,螺栓剪断,（板较厚，螺栓较细）,（,2,）,钢板孔壁挤压破坏,（板较薄，螺栓较粗）,（,3,）,钢板拉断,（板开孔，截面削弱）,（,4,）,钢板剪坏,（螺栓端距过小）,（,5,）,螺栓弯曲破坏,（板过厚，螺栓细长）,防止螺栓破坏措施,(1) (2) (3),通过计算解决,(4) (5),通过构造解决,端距,2d,。,螺杆长度,5d,3.10.1,普通受剪螺栓的破坏模式,钢板由于螺孔削弱而净截面拉断,3,钢结构的连接设计,钢板因螺孔端距而剪坏,3,钢结构的连接设计,螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生受弯破坏,3,钢结构的连接设计,3,钢结构的连接设计,单剪面,n,v,=1,四剪面,n,v,=4,双剪面,n,v,=2,一个螺栓受剪承载力设计值,剪面数,螺杆直径,螺栓抗剪,设计强度,一个螺栓承压承载力设计值,同一受力方向的承压,构件的较小总厚度,螺栓承压,设计强度,一个剪力螺栓的设计承载力,一个螺栓所受剪力,验算,N,v,N,v,公式条件：各剪,面上剪力相同,3.10.2,剪力螺栓的设计承载力,3,钢结构的连接设计,螺栓连接的强度设计值,3,钢结构的连接设计,3.10.2,受拉螺栓的破坏模式,螺杆净截面达到设计承载力而被拉坏控制,螺纹滑牙破坏构造控制,3,钢结构的连接设计,螺栓拉力：,P,f,= N /,2,+V,刚度越小，,V,越大,N,N,撬力,加劲肋,3.10.2,受拉螺栓的破坏模式,拉力螺栓撬力的概念,思考：撬力产生的原因？,对螺栓拉力的影响？,减少撬力的措施？,N,剪力螺栓,拉力螺栓,拉力螺栓,3,钢结构的连接设计,在受拉的连接接头中，普通螺栓所受拉力的大小与连接板件的刚度有关。假如连接板件的刚度很大，连接板件无变形，,所以一个螺栓所受拉力为：,P,f,=,N,/2,实际被连板件的刚度常较小，受拉后和拉力垂直的角钢水平肢发生较大的变形，因而在角钢水平肢的端部因杠杆作用而产生反力,V,。由于杠杆作用的存在，使抗拉螺栓的负担加重了，,所以一个螺栓所受拉力为：,P,f,=,N,/2 + V,为了简化计算，,规范中把普通螺栓的抗拉设计强度定得比较低，,以考虑螺栓负担加重这一不利影响。而且，设计中应,设加劲肋等构造措施,来提高角钢的刚度。,3,钢结构的连接设计,产生撬力的原因,角钢抗弯刚度不足，存在较大变形,对螺栓受力影响,使螺栓拉力增大,减小撬力的措施,增强角钢抗弯刚度，加大厚度或增设加劲肋,螺栓拉力：,P,f,= N /,2,+V,刚度越小，,V,越大,N,N,撬力,加劲肋,3.10.2,受拉螺栓的破坏模式,拉力螺栓撬力的概念,3,钢结构的连接设计,一个螺栓的抗拉承载力设计值,抗拉验算,一个螺栓所受的拉力,螺栓有效直径,螺栓抗拉设计强度,3.10.3,一个,拉力螺栓的设计承载力,3.10.4,剪力螺栓群计算：,典型节点（,1,）,剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,（,1,）当螺栓连接处于弹性阶段时，螺栓群中各螺栓受力并不相等，两端大而中间小,(,图,3-15a,),；,当螺栓群连接长度,l,1,不太大时，随着外力增加连接超过弹性变形而进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀,(,图,3-15,b,),。,（,2,）当构件沿受力方向的连接长度,l,1,过大时，端部的螺栓会因受力过大而首先发生破坏，随后依次向内逐排破坏（即所谓,解钮扣现象,）。,（,3,）,当外力通过螺栓群中心时，可认为所有的螺栓受力相同。,3,钢结构的连接设计,3,钢结构的连接设计,弹性,阶段受力状态,l,1,塑性,阶段受力状态,当,l,1,15d,时，采用,承载力折减系数考虑,螺栓群受力不均,剪力螺栓群的不均匀受力,3.10.4,典型节点（,1,）,剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,引入折减系数,后,就可以按螺栓群中所有的螺栓受力相同来计算了：,计算螺栓群在轴心力作用下的螺栓群所需螺栓数目：,此时应验算板的净截面强度,式中：,f,连接板材料设计强度；,A,n,节点板净截面积。,3,钢结构的连接设计,3.10.4,典型节点（,1,）,剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,对于,A,n,说明如下：,当螺栓并列布置时：,当螺栓错列布置时：构件有可能沿,I,I,或,II,II,截面破坏。,取,I,I,、,II,II,净截面的较小者来验算钢板净截面强度。,3,钢结构的连接设计,3.10.4,典型节点（,1,）,剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,3,钢结构的连接设计,螺栓总数,n,（,1,）螺栓抗剪计算,求,n,时，取整数,（,2,）钢板强度计算,钢材抗拉或,抗压设计强度,钢板净截面积,b,I,截面,A,nI,螺栓并列布置,螺栓错列布置,a,螺栓并列布置,螺栓错列布置,II,截面,A,nII,3.10.4,典型节点（,1,）,剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,轴力,N,3,钢结构的连接设计,受扭矩,T,螺栓受力分析假定,（,1,）板件为刚体，螺栓为弹性体,（,2,）各螺栓绕螺栓群形心旋转,（,3,）产生的剪力与形心距离正比,力矩平衡：,(a),各螺栓剪力与,r,正比：,各剪力都用,N,1,表示：,(b),(b),代入,(a),得：,验算剪力最大的螺栓：,3.10.4,典型节点（,2,）,受螺栓群分布平面内扭矩的剪切作用,3,钢结构的连接设计,剪力,V,轴力,N,扭矩,T,剪力,V,轴力,N,扭矩,T,螺栓所受的最大合剪力,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,3.10.4,典型节点（,3,）,受螺栓群分布平面内,N,、,V,、,T,剪切作用,3,钢结构的连接设计,螺栓的,最大拉力,验算,1,2,3,4,5,2,列,5,排,螺栓群绕最低排螺栓轴线旋转,3.10.4,典型节点（,4,）,螺栓群受弯矩,M,的作用,构件,A,构件,B,3,钢结构的连接设计,螺栓群绕形心线,旋转时内力分布,螺栓群绕最低排螺,栓旋转时内力分布,形心线,最低,排螺,栓线,先假定：螺栓群绕形心线转动,（,1,）当 ，螺栓都受拉，原假定正确，,验算：要求,（,2,）当 ，最低排螺栓受压，则螺栓群绕最低排螺栓中心转动,重新计算螺栓的最大拉力,验算：要求,6,5,4,3,2,1,3.10.5,典型节点（,5,）,螺栓群受弯矩,M,和轴拉力,N,的作用,3,钢结构的连接设计,(1),采用支托承剪,C,级螺栓承拉弯,剪力,V,支托焊缝承受,进行焊缝验算,弯矩,M,、轴拉力,N,螺栓承受,进行螺栓验算,方法同前,剪力,V,N,v,= V/n,弯矩,M,、轴拉力,N,N,t,max,计算方法同前,验算,(2),未采用支托,3.10.6,典型节点（,6,）,螺栓群受弯矩,M,、剪力,V,和轴拉力,N,的作用,3,钢结构的连接设计,3.11,高强度螺栓连接,分类,钢材,强度,等级,孔径,d,0,与栓径,d,之差,(mm),加工,受力,特点,安装,应用,C,级,粗制,螺栓,普通,碳素钢,Q235,4.6,4.8,1.0 1.5,粗糙,尺寸不准,成本低,抗剪差,抗拉好,方便,承拉,应用多,临时固定,A,级,B,级,精制,螺栓,优质,碳素钢,45,号钢,35,号钢,8.8,0.30.5,精度高,尺寸准确,成本高,抗剪,抗拉,均好,精度,要求高,目前,应用,减少,复习,普通螺栓的分类：,3,钢结构的连接设计,连接方法,优 点,缺 点,焊 接,对焊件几何形体适应性强，构造简单，省材省工，工效高，连接连续性强,可达到气密和水密要求，节点刚度大,质量检验工作量大,要求高,;,存在有焊接缺陷的可能，产生焊接应力和焊接变形，导致材料脆化，对构件的疲劳强度和稳定性产生影响,;,对焊工技术等级要求较高。,铆 接,传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力性能好,费钢、费工，开孔对构件截面有一定削弱。,普通螺栓,连 接,装拆便利，设备简单,粗制螺栓不宜受剪，受力后变形大；精制螺栓加工和安装难度较大，,开孔对构件截面有一定削弱。,高强螺栓,连 接,加工方便，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好,造价略高，,开孔对构件截面削弱相对较小，,质量检验要求高,3,钢结构的连接设计,螺栓强度等级,螺栓采用钢材,8.8,级,45,号钢，,40,B,钢,10.9,级,20,MnTiB,钢，,35,VB,钢,按,材质,分类,受力,特征,承载力,极限状态,安装孔,孔径,d,0,（,mm),应用,特点,摩擦型连接,外力达到最大摩擦力，有相对滑移的趋势,d,0,d1.5 2.0,剪切变形小，耐疲劳，动载下不易松动,承压型连接,外力超过最大静摩擦力，螺栓承剪，孔壁承压，发生相对滑移,d,0,d1.0 1.5,承载力比摩擦型大，剪切变形大，一般不用于直接动载情况,按,受力状况分类,3.11.1,高强度螺栓的分类,3,钢结构的连接设计,螺栓,高强度螺栓,普通螺栓,材料,材质好，强度高,材质一般，强度低,传力方式,依靠连接板件摩擦传力,螺栓直接传力,变形,连接变形小，螺栓不易松动,连接变形大，螺栓易松动,安装,需专门扳手施加预拉力,一般常用扳手，手感拧紧,外力,N,预拉力,P,挤压力,Q,摩擦力,F,拧紧螺母产生预拉力,3.11.2,高强度螺栓的传力机理,控制外力不超过,摩擦力，无滑移。,摩擦型螺栓设计准则,:,承压型螺栓设计准则,:,外力可超过摩擦力，经,滑移后由螺杆承剪承压。,3,钢结构的连接设计,剪力,N,变形,N,N,N,N,摩擦型螺栓,设计准则,承压型螺栓,设计准则,控制外力不超过,摩擦力，无滑移。,外力可超过摩擦力，经,滑移后由螺杆承剪承压。,3.11.2,高强度螺栓的传力机理,3,钢结构的连接设计,摩擦系数,1,、高强螺栓的预拉力,:,高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，以达到传递外力的目的。,3.11.3,摩擦型,连接,高强度螺栓承载力,计算,3,钢结构的连接设计,一个摩擦型高强度,螺栓的,抗剪,承载力设计值,摩擦,面数,摩擦,系数,预拉力,一个螺栓所受剪力,验算,3.11.3,摩擦型,连接,高强度螺栓承载力,计算,单剪面,n,f,=1,双剪面,n,f,=2,N,v,N,v,p,p,p,p,3,钢结构的连接设计,规范给出的高强螺栓预拉力设计值为：,3.11.3,摩擦型,连接,高强度螺栓承载力,计算,3,钢结构的连接设计,高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数,3.11.3,摩擦型,连接,高强度螺栓承载力,计算,3,钢结构的连接设计,系数含义：,考虑螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数,0.9,；,施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉,5%10%,，引入折减系数,0.9,；,钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数,0.9,；,在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数,1/1.2,。,3.11.3,摩擦型,连接,高强度螺栓承载力,计算,对于高强度螺栓承压型连接承载力设计值，,极限承载力由螺栓杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法与普通螺栓相同。,3,钢结构的连接设计,3.11.3,摩擦型,连接,高强度螺栓承载力,计算,一个摩擦型高强度,螺栓的,抗拉,承载力设计值,预拉力,防止受拉后,出现脱开松动,一个螺栓所受拉力,验算,可控制连接贴紧，不松动,2,、,摩擦型,连接,高强度螺栓,抗拉,承载力,抗拉承载力设计值：,高强度螺栓连接由于螺栓中的预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强度螺栓受到外拉力作用时，首先要抵消这种挤压力。分析表明，当高强度螺栓达到规范规定的承载力,0.8,P,时，螺栓杆的拉力仅增大,7%,左右，可以认为基本不变。,3,钢结构的连接设计,3.11.3,摩擦型,连接,高强度螺栓承载力,计算,承压型连接高强度螺栓的承载力设计值：,受剪： 螺杆抗剪,孔壁承压,受拉： 螺杆抗拉,（,1,）计算方法与普通精制螺栓相同，但材料强度参数不同；,（,2,）典型连接节点的验算方法也与普通精制螺栓相同，不再赘述。,3,、,承压型连接高强度螺栓的承载力设计值,（,1,）每个高强螺栓受力为：,所需螺栓数目为：,3,钢结构的连接设计,3.11.4,典型节点（,1,）摩擦型连接高强度螺栓群受“剪力”作用时,3,钢结构的连接设计,（,2,）净截面验算,3.11.4,典型节点（,1,）摩擦型连接高强度螺栓群受,“剪力”,作用时,（开孔对构件截面削弱相对较小）,钢板搭接，承受剪力,N,假设共,2n,个螺栓,3,钢结构的连接设计,受剪力,V,、,轴力,N,、扭矩,T,剪力,V,轴力,N,扭矩,T,螺栓所受的,最大合剪力,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,3.11.4,典型节点（,2,）,摩擦型连接高强度螺栓群受,剪力,V,、轴力,N,、扭矩,T,作用,3,钢结构的连接设计,形心线,1,2,3,4,5,承受弯矩,M,连接保持不松动，所有螺栓均处于受拉状态,螺栓群绕形心线旋转！,验算最上一排受拉螺栓,3.11.4,典型节点（,3,）,摩擦型连接高强度螺栓群受,弯矩,M,作用,3,钢结构的连接设计,3.11.4,典型节点（,4,）摩擦型连接高强度螺栓群受拉力、弯矩作用时的计算,对于高强度螺栓通常认为螺栓群绕螺栓群形心轴旋转，即中性轴位于形心轴。螺栓中受到的最大拉力计算如下：,3,钢结构的连接设计,一个摩擦型高强度螺栓,同时受剪、受拉时,承载力计算,外剪力,N,v,外拉力,N,t,2003,版,钢结构规范,相关公式,3.11.4,摩擦型,连接,高强度螺栓,受剪、拉作用的,承载力,验算,3,钢结构的连接设计,钢结构设计规范,（,GB50017-2003,）,相关公式,:,3,钢结构的连接设计,无论有否拉力,N,，,总是绕螺栓群形心线旋转！,1,2,3,4,5,6,剪力,V,弯矩,M,拉力,N,验算,3.11.4,典型节点（,5,）,摩擦型连接高强度螺栓群受,弯矩,M,、剪力,V,、拉力,N,作用,
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