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第三章钢结构的连接 1 按受力情况分为 剪力螺栓 抗剪螺栓 螺栓杆垂直于力线 拉力螺栓 抗拉螺栓 螺栓杆平行于力线 既受剪又受拉的螺栓 螺栓的工作 第一节螺栓连接的构造 只受剪力 只受拉力 剪力 拉力 2 抗剪连接 板件之间有相互错动的趋势抗拉连接 板件之间有相互脱开的趋势 3 螺栓的排列分为并列和错列两种形式 并列 比较简单整齐 布置紧凑 连接板尺寸小 螺栓孔对构件截面削弱较大 错列 可以减小对截面的削弱 但螺栓排列松散 连接板尺寸较大 4 螺栓排列考虑的因素 受力要求垂直于受力方向 受拉构件各排螺栓的中距及边距不能过小 以免螺孔导致钢板截面削弱过多 降低其承载能力 在顺力作用方向 端距应按被连接件材料的抗挤压及抗剪切等强度条件确定 以使钢板在端部不致被螺栓冲剪破坏 端距不应小于2d0 中距不宜过大 否则被连接板件间容易发生鼓曲现象 构造要求中距及边距不宜过大 否则连接板件间不能紧密贴合 潮气侵入缝隙使钢材锈蚀 施工要求保证一定空间 便于打锚和采用扳手拧紧螺帽 根据扳手尺寸和工人的施工经验 规定最小中距为3d0 5 螺栓的最大 最小容许距离 6 螺栓的构造要求 为连接可靠 连接的一端永久螺栓不得少于两个 对承受动力荷载的 必须要求防螺栓松动措施 如加弹簧垫圈 焊死螺帽和螺杆 C级螺栓有较大孔隙 只适用于杆轴方向受拉的连接 采用高强度螺栓进行拼接 为保证摩擦面紧密贴合 不采用型钢 而采用钢板 沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板 应采取增强刚度的措施 7 第二节普通螺栓连接的性能和计算 抗剪连接的工作性能抗剪连接是最常见的螺栓连接 抗剪试验可得试件上a b两点间的相对位移 与作用力N的关系曲线 试件由零载一直加载至连接破坏的全过程 经历三个阶段 8 1 摩擦传力弹性阶段O1斜直线段 加荷之初 连接中剪力较小 荷载靠板件间接触面的摩擦力传递 螺栓杆与孔壁间的间隙保持不变 处于弹性阶段 板件间摩擦力大小取决于拧紧螺帽时螺杆中的初始拉力 板面处理方式 普通螺栓的初应力很小 此阶段很短 可略去不计 2 相对滑移阶段12水平线段 荷载增大 剪力达到摩擦力最大值 板件间产生相对滑移 其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙 直至螺栓杆与孔壁接触 9 3 弹塑性阶段荷载继续增加 连接所承受的外力主要靠螺栓与孔壁接触传递 螺栓杆除主要受剪力外 还承受弯矩和轴向拉力 孔壁受到挤压 螺杆的伸长受到螺帽的约束 增大了板件间的压紧力 使板件间的摩擦力随之增大 所以曲线呈上升状态 达到 3 点时 螺栓或连接板达到弹性极限 4 破坏阶段荷载继续增加 此阶段即使给荷载很小的增量 连接的剪切变形也迅速加大 直到连接的最后破坏 曲线的最高点 4 所对应的荷载即为普通螺栓连接的极限荷载 10 栓杆直径较小时 栓杆可能先被剪断 单个螺栓的破坏形式 栓杆直径较大 板件较薄时 板件可能先被挤坏 这种破坏叫做螺栓承压破坏 板件截面可能因螺栓孔消弱截面太多而被拉断 以上三种破坏形式通过强度计算避免 11 措施 栓杆长度不应大于5d0 端距太小 端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏 栓杆弯曲破坏 措施 端距不应小于2dO 以上两种破坏形式通过构造避免 12 单螺栓承载力设计值 t 连接接头一侧承压构件总厚度的较小值 fcb 螺栓孔壁承压强度设计值 单螺栓抗剪承载力 抗剪承载力 承压承载力 nv 剪切面数目 d 螺栓杆直径 fvb 螺栓抗剪强度设计值 13 剪切面数目nv 14 普通螺栓群抗剪连接计算 轴心力 当l1 15d0 d0为孔径 时 假定N由各螺栓均匀承担 螺栓群承受轴心剪力时 螺栓群在长度方向各螺栓受力不均匀 两端大 中间小 当沿受力方向的连接长度 15d0时 连接工作进入弹塑性阶段后 内力发生重分布 螺栓群中各螺栓受力逐渐均匀 15 当l1 l5d0后 各螺杆所受内力不易均匀 端部螺栓首先达到极限强度而破坏 随后由外向里依次破坏 为防止端部螺栓提前破坏 当l1 l5d0时 螺栓的抗剪和承压承载力设计值应乘以折减系数 予以降低 普通螺栓群长连接螺栓数确定 16 普通螺栓群轴心受剪的计算流程 17 18 19 普通螺栓群偏心力受剪 F作用下 T作用下 2个假定 连接件为绝对刚体 螺栓为弹性体 T作用下螺栓所受剪力与距形心的距离成正比 20 21 22 螺栓1的强度验算公式为 当螺栓布置比较狭长 如y1 3x1 时 可令 xi 0 则N1Ty 0 23 24 25 26 1 破坏形式 单普通螺栓抗拉连接 栓杆被拉断 2 单个普通螺栓的抗拉承载力设计值 式中 Ae 螺栓的有效截面面积 de 螺栓的有效直径 ftb 螺栓的抗拉强度设计值 27 公式的两点说明 a 螺栓的有效截面面积Ae 因栓杆上的螺纹为斜方向的 所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn 现行国家标准取 28 b 螺栓的抗拉强度ftb 当连接板件发生变形时 螺栓有被撬开的趋势 杠杆作用 使螺杆中的拉力增加 撬力Q 并产生弯曲现象 影响撬力的因素较多 大小难确定 规范采取简化计算的方法 取ftb 0 8f f 螺栓钢材的抗拉强度设计值 29 受轴心拉力普通螺栓群的设计 假定各螺栓受力均匀 30 普通螺栓群弯矩受拉计算 M作用下螺栓连接按弹性设计 其假定为 1 连接板件绝对刚性 螺栓为弹性 2 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处 各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比 V 承托板承受 M 螺栓群承受 31 假定2 1 号螺栓在M作用下所受拉力最大 假定1 2 32 33 普通螺栓群在偏心拉力作用 可采用偏于安全的设计方法 即叠加法 34 小偏心受拉 螺栓全部受拉 e和yi均从形心O处取值 大偏心受拉 下 最外部 螺栓受压 e和yi均从最下排 最外部 螺栓处取值 35 例题 如下图所示螺栓群连接 竖直向力由承托板承受 连接只承受偏心水平拉力 拉力设计值为N 250kN 偏心距e 100mm 螺栓布置如图 试选用合适的螺栓 36 解 连接属于小偏心受拉 单螺栓有效截面面积 选用螺栓的规格为M20 其有效截面为Ae 245mm2 查表得ftb 170N mm2 37 拉 剪联合作用 破坏形式 a 螺杆受剪兼受拉破坏b 孔壁承压破坏 为防止螺杆受剪兼受拉破坏 应满足 为防止孔壁的承压破坏 应满足 四分之一圆 园内安全 园外破坏 实际承受荷载 理论能承受荷载 38 例如图示螺栓连接 采用M20 承受设计荷载V 250kN e 120mm 螺栓为C级 布置如图 结构为Q235B钢材 试按考虑承托板传递全部V 此时hf 10mm 和不承受V两种情况验算此连接 39 解 1 承托板传递全部剪力V 螺栓群受弯矩作用 1 单个螺栓抗拉承载力 2 单个螺栓最大拉力 3 承托焊缝验算 40 2 不考虑承托传递剪力V 2 一个螺栓受力 1 一个螺栓承载力 3 螺栓验算 41 第三节高强度螺栓连接计算 摩擦型高强度螺栓的预拉力P 摩擦型连接是依靠被连接件之间的摩擦力传递内力 以荷载设计值引起的剪力不超过摩擦阻力为设计原则 影响高强度螺栓摩擦型连接承载力的因素 螺栓的预拉力P 摩擦面的抗滑移系数 钢材种类 高强度螺栓 摩擦型 承压型 42 a 大六角头螺栓 b 扭剪型螺栓 预应力P施加基本思路 拧紧螺帽 使螺杆受拉而产生预应力 从而对连接板件压紧 43 初拧 用普通扳手拧至不动 使板件贴紧密 预拉力施加方法 大六角头螺栓 a 转角法 终拧 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120o 240o完成终拧 预拉力的建立简单 有效 但要防止欠拧 漏拧和超拧 简单 易实施 但得到的预拉力误差较大 b 扭矩法 初拧 用力矩扳手拧至终拧力矩的30 50 使板件贴紧终拧 初拧基础上 按100 设计终拧力矩拧紧 44 C 扭断螺栓杆尾部法 扭剪型高强度螺栓 初拧 拧至终拧力矩的60 80 终拧 初拧基础上 以扭断螺栓杆尾部为准 施工简单 技术要求低 易实施 质量易保证等 预拉力施加方法 扭剪型螺栓 45 预拉力P的确定 P根据螺杆的有效抗拉强度确定 考虑材料的不均匀性的折减系数0 9 为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0 9 考虑拧紧螺帽时螺杆上产生的扭矩对螺杆的不利影响1 2 附加安全系数0 9 系数的确定 46 抗滑移系数 与接触面的处理方法和构件钢号有关 抗滑移系数 的确定 注意 钢材表面涂红丹后 0 15 环境潮湿也降低 因此严格禁止钢材表面涂红丹及雨天施工 47 高强度螺栓抗剪连接工作性能 48 a 摩擦型高强度螺栓 设计原则 通过板件间摩擦力传递内力 破坏准则为克服摩擦力 抗剪连接单栓承载力 式中 0 9 抗力分项系数 R的倒数 R 1 111 nf 传力摩擦面数目 摩擦面抗滑移系数 P 预拉力设计值 要求 处理表面 限制温度 49 b 承压型高强度螺栓 设计原则 容许接触面相对滑动 以连接破坏为准则 要求 清理表面 单栓抗剪承载力 抗剪承载力 承压承载力 50 a 摩擦型高强度螺栓 单栓承载力 b 承压型高强度螺栓 高强度螺栓抗拉连接 当外拉力大于预应力时 卸荷后螺杆中的预应力变小 发生螺杆松弛现象 当外拉力小于预应力的80 时 无松弛现象 51 高强度螺栓同时受拉 轴心 剪力 单个螺栓所受的剪力 单个螺栓所受的拉力 高强度螺栓摩擦型连接 单个螺栓所受的拉力 剪力验算 或 52 高强度螺栓承压型连接 为了防止孔壁的承压破坏 应满足 系数1 2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 螺栓承受剪力 拉力验算 53 54 高强度螺栓群的抗剪计算 轴心力作用 对于摩擦型连接 对于承压型连接 假定各螺栓受力均匀 所需螺栓数 在受剪 受拉共同作用下的计算与普通螺栓相同 但采用高强度螺栓的设计值进行计算 55 例 设计一双盖板拼接的连接 钢材为Q235B 高强度螺栓采用M20 8 8级 拼接的钢板厚为20mm 盖板厚为12mm 连接承受的荷载为轴心拉力N 800kN 试分别采用摩擦型 表面采用喷砂后生赤锈处理 和承压型设计 56 解 查得8 8级 M20高强螺栓P 125kN 0 45 一个螺栓受剪承载力 一侧所需螺栓数n 取9个 1 采用摩擦型连接 57 承载力设计值 一侧所需螺栓数n 取6个 2 采用承压型连接 58 螺栓布置图 59 60 61 高强度螺栓群的抗拉 a 轴心力作用 b 弯矩作用下 假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合 假定各螺栓均匀受力 62 因此 设计时只要满足下式即可