钢结构普通螺栓连接设计.ppt

1 普通螺栓 第五节普通螺栓连接设计 复习 由45号 40B和20MnTiB钢加工而成 并经过热处理 45号 8 8级 40B和20MnTiB 10 9级 2 高强度螺栓连接 高强度螺栓分类 根据确定承载力极限的原则不同 分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接 传力途径 摩擦型 依靠被连板件间摩擦力传力 以摩擦阻力被克服作为设计准则 承压型 依靠螺栓杆与孔壁承压传力 以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态 破坏时的极限承载力 孔径 摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1 5 2 0mm 承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1 0 1 5mm 一 普通螺栓连接构造 2 螺栓排列 螺栓的排列应简单 统一而紧凑 满足受力要求 构造合理又便于安装 排列的方式通常分为并列和错列两种形式 1 最少螺栓数要求每一杆件在节点上以及拼接接头一端 螺栓数目不宜少于2个 并列 简单整齐 所用连接板尺寸小 但由于螺栓孔的存在 对构件截面的削弱较大 错列 可以减小螺栓孔对截面的削弱 但螺栓孔排列不如并列紧凑 连接板尺寸较大 螺栓排列的要求 1 受力要求 在垂直于受力方向 对于受拉构件 各排螺栓的中距及边距不能过小 以免使螺栓周围应力集中相互影响 且使钢板的截面削弱过多 降低其承载能力 平行于受力方向 端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定 以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂 规范规定端距不应小于2d0 受压构件上的中距不宜过大 否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象 因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距 2 构造要求边距和中距不宜过大 中距过大 连接板件间不密实 潮气容易侵入 造成板件锈蚀 规范规定了螺栓的最大容许间距 3 施工要求要保证有一定的空间 以便转动扳手 拧紧螺母 因此规范规定了螺栓的最小容许间距 三 螺栓连接的构造要求 螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外 根据不同情况尚应满足下列构造要求 1 为了证连接的可靠性 每个杆件的节点或拼接接头一端 永久螺栓不宜少于两个 但组合构件的缀条除外 2 直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽 或其他措施以防螺帽松动 3 C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接 可用于抗剪连接情况有 承受静载或间接动载的次要连接 承受静载的可拆卸结构连接 临时固定构件的安装连接 4 型钢构件拼接采用高强螺栓连接时 为保证接触面紧密 应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件 四 普通螺栓的抗剪连接计算 1 抗剪连接工作性能 工作性能对图示螺栓连接做抗剪试验 即可得到板件上a b两点相对位移 和作用力N的关系曲线 由此曲线可看出 抗剪螺栓受力经历了四个阶段 摩擦传力的弹性阶段 0 1段 直线段 连接处于弹性工作阶段 由于对普通螺栓板件间摩擦力较小 故此该阶段很短 可略去不计 滑移阶段 1 2段 水平段 摩擦力被克服后 板件间突然产生相对滑移 最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙 栓杆直接传力的弹性阶段 2 3段 曲线上升段 该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力 栓杆受剪力 拉力 弯矩作用 孔壁则受到挤压 由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大 N 关系以曲线状态上升 弹塑性阶段 3 4段 荷载继续增加 剪切变形迅速加大 直到连接最后破坏 曲线的最高点 4 所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载 2 抗剪连接的破坏形式 栓杆被剪坏破坏条件 栓杆直径较小而板件较厚时 较薄的连接板被挤压破坏破坏条件 栓杆直径较大而板件较薄时 板件被拉 压 断破坏条件 截面削弱过多时 由于拴杆和扳件的挤压是相对的 故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏 板件端部被剪坏破坏条件 端矩a过小时构造保证措施 端矩不应小于2d0 栓杆弯曲破坏破坏条件 螺栓杆过长时构造保证措施 栓杆长度不应大于5d 前三种破坏形式通过计算解决 后两种则通过构造要求保证 第 种破坏属于构件强度破坏 因此 抗剪螺栓连接的计算只考虑 和 两种形式破坏 3 单个普通螺栓的抗剪承载力计算 由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压 即螺栓承压 两种情况 1 假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布 一个螺栓的受剪承载力设计值为 式中 nv 受剪面数目 单剪 1 双剪 2 d 螺栓杆公称直径 fvb 螺栓的抗剪强度设计值 见附录1中的附表1 3 单个螺栓的承压承载力设计值为 式中 t 同一受力方向的承压构件的较小总厚度 承压强度设计值 见附录1中的附表1 3 对双剪 取t1与t2 t3中较小者对单剪 取t1与t2中较小者 一个普通螺栓的抗剪承载力设计值 4 普通螺栓群的抗剪承载力计算 1 普通螺栓群轴心受剪 试验证明 栓群在轴心受剪时 长度方向上各螺栓的受力并不均匀 而是两端大 中间小 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 内力发生重分布 各螺栓受力趋于相同 故设计时假定N由各螺栓平均分担 即连接所需螺栓数为 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 即使内力发生重分布 各螺栓受力也难以均匀 而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏 然后依次向里破坏 由试验可得连接的抗剪强度折减系数 与l1 d0的关系曲线 我国规范规定 因此 对普通螺栓的长列连接 所需抗剪栓数为 当时 当时 以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接 F作用下每个螺栓平均受力 则 2 普通螺栓群偏心受剪 栓群在扭矩T Fe作用下 每个螺栓均受剪 按弹性设计法计算的基本假设如下 连接件绝对刚性 螺栓弹性 连接板件绕栓群形心转动 各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比 方向则与它和形心的连线垂直 1 号螺栓距形心最远 因此 其所受剪力最大 计算公式推导如下 设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 r2 r3 rn 各螺栓承受的分力分别为N1T N2T N3T NnT 根据平衡条件得 栓钉受力大小与其到形心的距离成正比 则 故得螺栓i因力矩T而产生的剪力为 在扭矩T作用下的剪力在x y轴方向的分量 受力最大螺栓 1 所受的合力为 如果y1 3x1 则可假定xi 0 由此得N1Ty 0 则计算式为 五 普通螺栓的抗拉连接计算1 单个普通螺栓的抗拉承载力受拉螺栓的撬力连接刚度对受拉螺栓的影响 普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设计值的0 8倍 单个抗拉螺栓的承载力设计值为 式中de Ae 螺栓的有效直径和有效截面面积 要考虑螺纹的影响 见附录8中的附表8 1 螺栓抗拉强度设计值 2 普通螺栓群轴心受拉计算 当外力通过螺栓群形心时 一般假定每个螺栓均匀受力 因此 连接所需的螺栓数为 式中 Ntb为一个螺栓的抗拉承载力设计值 在弯矩M作用下 被连接件有顺弯矩M作用方向旋转的趋势 因此螺栓受拉 螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M Ne的联合作用 技弹性设计法 根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况 3 普通螺栓群偏心受拉 轴心力和弯矩共同作用 计算 剪力V直接通过承托板传递 螺栓受轴心力和弯矩作用 底排与顶排螺栓受力分别为最小和最大 式中n 连接中螺栓总个数 y1 1 号即顶排螺栓到旋转轴的距离 yn n 号即底排螺栓到旋转轴的距离 yi i 号螺栓到旋转轴的距离 当由上式算得的Nmin 0时 说明所有螺栓均受拉 构件绕栓钉群形心轴旋转 此时应验算满足条件 以上是当弯矩M较小时 小偏心情况的计算公式 计算就会出现Nmin 0的情况 表示该连接的下部螺栓受压 而这是不可能的 这时应按构件绕底排螺栓连线轴z 一z 转动 即按大偏心计算 e 轴心力N到底排螺栓连线轴的距离 顶排螺栓到底排螺栓连线轴的距离 连接中所有螺栓到旋转轴 底排螺栓连线轴 的距离平方和由此可见 对于普通螺栓连接 在轴心力和弯矩共同作用下的计算 应需判断是小偏心 还是大偏心 然后按有关公式验算危险螺栓受力是否安全 大偏心时连接的受力有如下特点 受拉螺栓截面只是孤立的几个螺栓点 端板受压区则是宽度较大 高度较小的实体矩形截面 其中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位置 实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓处 偏安全地忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩而只考虑受拉螺栓部分 当无轴心力N而只有弯矩M作用时 是这种连接的一个特例 肯定属于大偏心的情况 六 普通螺栓受剪力和拉力联合作用的连接计算 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式 一是螺栓杆受剪 受拉破坏 二是孔壁承压破坏 试验研究结果表明 兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力 所得的相关关系近似为圆曲线 如图所示 规范规定 同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓 应分别符合下列公式的要求 孔壁承压的计算式应为 NVb 一个螺栓的螺杆抗剪承载力设计值 Ncb 一个螺栓孔壁承压承载力设计值Ntb 一个螺栓的螺杆抗拉承载力设计值 Nv Nt 一个螺栓所承受的剪力和拉力设计值 第六节高强度螺栓连接设计 一 高强度螺栓预拉力控制 高强度螺栓的预拉力是在安装螺栓时通过拧紧螺帽来实现的 高强螺栓分为大六角头型和扭剪型两种 扭矩法 采用可直接显示扭矩的特制扳手 通过控制拧紧力矩来控制预拉力 施加的施工扭矩是根据计算确定的 扭矩法的优点是较简单 易实施 费用低 缺点是所得的预拉力值误差大且分散 一般误差为25 左右 大角头型高强度螺栓拧紧方法分扭矩法和扭角法 具体采用什么方法 应根据施工条件 施工经验确定 扭角法是先用扳手将螺母初拧到一定扭矩 该扭矩值由试验决定 然后再复拧一次 复拧的控制扭矩与初拧扭矩相同 终拧时将螺母再转动一个角度 螺栓即可达到预定的预拉值 扭剪型高强度螺栓拧紧方法是拧掉栓梅花头 即扭剪法 扭剪法 施加预拉力的方法是用特殊的扳手 该扳手有两个套头 分别套在螺母和螺栓的十二角体上 施加方向相反的扭矩 拧至断颈槽处剪断为止 扭剪型高强螺栓的受力特征与一般高强螺栓相同 施加预拉力简单 准确 高强螺栓的预拉力设计值P为 式中 系数1 2 考虑拧紧螺帽时 螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低 Ae 螺纹处有效截面积 fu 高强度螺栓经热处理后的最低抗拉强度 对8 8级 fu 830N mm2 对10 9级 fu 1040N mm2 0 9 考虑抗力的变异等影响 0 9 是以抗拉强度为准引入的附加安全系数 0 9 考虑施加预拉力时的超张拉 高强度螺栓采用高强度钢经热处理做成 无明显屈服点 确定螺栓中设计预拉力值时 应使栓杆中的拉应力接近所用钢材的抗拉强度 以获得较大的经济效益 一个高强度螺栓的设计预拉力P 把有关数据代人上式 并按5kN的模数取整 即得表3 6所示常用直径高强度螺栓的设计预拉力P值 供设计时直接选用 注 施加预拉力时 栓杆中的预拉力应接近螺栓所用材料的屈服强度 效果才好 因预拉力有损失 所以要超张拉5 10 但超张拉有可能使栓杆中的应力超过fy 从而引起塑性变形 而降低预拉力 二 高强度螺栓连接构造 普通螺栓连接构造要求一般也适用于高强度螺栓 但高强度螺栓连接构造也有特殊的要求 1 最少螺栓数的要求 高强度螺栓最好每一接头至少3个 2 高强度螺栓的排列要求 与普通螺栓的相同 每个高强度螺栓的有效接触面范围约为3do 故不分轧制边和切割边 其最小边距一律取1 5d0 其他尺寸规定也符合每个摩擦型高强度螺栓的接触面范围约为3do的要求 3 高强度螺栓孔应采用钻成孔 不得采用冲成孔 因冲成孔边缘有翻边现象 使板间压不紧 且易有细裂纹 使疲劳强度降低 在高强度螺栓连接范围内 构件接触面的处理方法应在施工图中说明 在不同板厚的连接处设置填板时 填板两面均应做与母材相同的表面处理 承压型连接的高强度螺栓的预拉力P应与摩擦型连接高强度螺栓相同 连接处构件接触面应清除油污及浮锈 三 高强度螺栓连接基本计算公式 高强度螺栓抗剪连接工作性能 受力过程与普通螺栓相似 也分为四个阶段 摩擦传力的弹性阶段 滑移阶段 栓杆传力的弹性阶段 弹塑性阶段 但比较两条N 曲线可知 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 0 1段 远远大于普通螺栓 通过1点后 连接产生了滑移 当栓杆与孔壁接触后 连接又可继续承载直到破坏 对于高强度螺栓承压型连接 破坏准则为连接达到其极限状态4点 1 摩擦型高强度螺栓抗剪连接 对于高强度螺栓摩擦型连接 其破坏准则为摩擦力被克服 板件间出现相对滑移 因此以1点为极限 连接的承载力取决于构件接触面的摩擦力 而摩擦力的大小与螺栓所受预拉力和摩擦面的抗滑移系数以及连接的传力摩擦面数有关 因此 一个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为 摩擦面抗滑移系数 值 0 9 抗力分项系数的倒数 即取nf 传力摩擦面数目 单剪时nf 1 双剪时nf 2 P 一个高强度螺栓的设计预拉力 按表3 6选用 摩擦面抗滑移系数 按3 7表选用 高强度螺栓承压型连接的计算方法与普通螺栓连接相同 计算单个螺栓的承载力设计值 2 承压型高强度螺栓抗剪连接 取单栓抗剪承载力为 单栓承压设计承载力 剪切面在螺纹处时 注 试验证明 低温对摩擦型高强度螺栓抗剪承载力无明显影响 但当温度t 100 C 150 C时 螺栓的预拉力将产生温度损失 故应将摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值降低10 当t 150 C时 应采取隔热措施 以使连接所处温度在100 或150 以下 3 高强度螺栓抗拉连接 高强度螺栓在承受外拉力前 螺杆中已有很高的预拉力P 板层之间则有压力C 而P与C维持平衡 即C P 当外拉力为Nt时 板件有被拉开趋势 板件间的压力C减小为Cf 栓杆拉力P增加为Pf 根据平衡关系有 若螺栓和被连接板件保持弹性 板叠厚度为 则 螺栓杆的伸长量 板件压缩恢复量 Ab 栓杆截面面积 Ap 板件挤压面面积 由以上三式 可得 当板件即将被拉开时 Cf 0 有Pf Nt 因此 一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多 近似取AP Ab 10 则有 当板件即将被拉开时 栓杆的拉力仅增加10 另外 试验证明 当栓杆的外加拉力大于P时 卸载后螺栓杆的预拉力将减小 即发生松弛现象 但当Nt不大于0 8P时 则无松弛现象 这时Pf 1 07P 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密接触 所以现行规范规定 在杆轴方向受力的高强度螺栓摩擦型连接中 单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为 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相同 即 式中 Ae 螺栓杆的有效截面面积 de 螺栓杆的有效直径 ftb 高强度螺栓的抗拉强度设计值 4 摩擦型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接 当螺栓所受外拉力Nt 0 8P时 虽然螺杆中的预拉力P基本不变 但板间压力将减小到p Nt 试验研究表明 这时接触面的抗滑移系数 也有所降低 而且 值随Nt从的增大面减小 现行钢结构设计规范考虑了摩擦力与拉力的相互不利影响 故一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时 其承载能力应按下式计算 Nv Nt 某个摩擦型高强度螺栓所承受的剪力和拉力 一个摩擦型高强度螺栓的受剪 受拉承载力设计值 5 承压型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接 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 即为防止栓杆剪拉破坏 要求 将 代入 可得到常用的习惯表达方式 的意义变化为一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗剪承载力设计值 为了防止孔壁的承压破坏 应满足 由于在剪应力单独作用下 高强度螺栓对板层间产生强大压紧力 当板层问的摩擦力被克服 螺杆与孔壁接触时 板件孔前区形成三向应力场 因而承压型连接高强度螺栓的承压强度比普通螺栓高得多 两者相差约50 当承压型连接高强度螺栓受有杆轴拉力时 板层间的压紧力随外拉力的增加而减小 因而其承压强度设计值也随之降低 为了计算简便 我国现行钢结构设计规范规定 只要有外拉力存在 就将承压强度除以1 2予以降低 而未考虑承压强度设计值变化幅度随外拉力大小而变化这一因素 单个螺栓承载力设计值汇总表 一 单个螺栓承载力设计值汇总表 二 单个螺栓承载力设计值汇总表 三 四 高强度螺栓连接基本计算公式应用 1 高强度螺栓群受轴心力作用抗剪计算 假定各螺栓受力均匀 故所需螺栓数 1 对于摩擦型连接 2 对于承压型连接 或 2 高强度螺栓群受扭矩或扭矩 剪力共同作用的抗剪计算 计算方法与普通螺栓相同 但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算 剪力F作用下每个螺栓受力 扭矩T作用下 由此可得螺栓1的强度验算公式为 摩擦型连接 承压型连接 3 高强度螺栓群受轴心力作用抗拉计算 假定各螺栓受力均匀 故所需螺栓数 1 对于摩擦型连接 2 对于承压型连接 4 高强度螺栓群偏心拉力作用抗拉计算 偏心力