《钢结构的连接》PPT课件.ppt

第三章 钢结构的连接 3 5普通螺栓的构造和计算 一 螺栓的种类 1 普通螺栓 C级 粗制螺栓 性能等级为4 6或4 8级 4表示fu 400N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 类孔 孔径 do 栓杆直径 d 1 3mm A B级 精制螺栓 性能等级为5 6或8 8级 5或8表示fu 500或800N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 类孔 孔径 do 栓杆直径 d 0 3 0 5mm 按其加工的精细程度和强度分为 A B C三个级别 2 高强度螺栓 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 a 大六角头螺栓 b 扭剪型螺栓 3 5 1螺栓的排列和其他构造要求 1 并列 简单 整齐 紧凑 所用连接板尺寸小 但构件截面削弱大 2 错列 排列不紧凑 所用连接板尺寸大 但构件截面削弱小 3 螺栓排列的要求 1 受力要求 垂直受力方向 为了防止螺栓应力集中相互影响 截面削弱过多而降低承载力 螺栓的边距和端距不能太小 顺力作用方向 为了防止板件被拉断或剪坏 端距不能太小 对于受压构件 为防止连接板件发生鼓曲 中距不能太大 2 构造要求 螺栓的边距和中距不宜太大 以免板件间贴合不密 潮气侵入腐蚀钢材 3 施工要求 为了便于扳手拧紧螺母 螺栓中距应不小于3do 根据以上要求 规范给定了螺栓的容许间距 表3 5 1 4 螺栓的其他构造要求 为了保证连接的可靠性 每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓 但组合构件的缀条除外 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 C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接 以下情况可用于抗剪连接 1 承受静载或间接动载的次要连接 2 承受静载的可拆卸结构连接 3 临时固定构件的安装连接 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 3 5 2普通螺栓的受剪连接 一 螺栓连接的受力形式 A只受剪力 B只受拉力 C剪力和拉力共同作用 二 普通螺栓抗剪连接 一 工作性能和破坏形式1 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 该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段 即 1 摩擦传力的弹性阶段 0 1段 直线段 连接处于弹性状态 该阶段较短 摩擦力较小 2 滑移阶段 1 2段 克服摩擦力后 板件间突然发生水平滑移 最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离 表现在曲线上为水平段 3 栓杆传力的弹性阶段 2 3段 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力 栓杆受剪力 拉力 弯矩作用 孔壁受挤压 由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大 N 关系以曲线状态上升 4 弹塑性阶段 3 4段 达到 3 后 即使给荷载以很小的增量 连接的剪切变形迅速增大 直到连接破坏 4 点 曲线的最高点 即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu 2 破坏形式 1 螺栓杆被剪坏栓杆较细而板件较厚时 2 孔壁的挤压破坏栓杆较粗而板件较薄时 3 板件被拉断截面削弱过多时以上破坏形式予以计算解决 4 板件端部被剪坏 拉豁 端矩过小时 端矩不应小于2dO 5 栓杆弯曲破坏螺栓杆过长 栓杆长度不应大于5d 抗剪螺栓的破坏形式 螺栓杆被剪断板件被挤坏 孔壁承压破坏 板件被拉断板件冲剪破坏螺栓杆弯剪破坏螺栓双剪破坏 二 单个普通螺栓的受剪计算 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两种情况 故单栓抗剪承载力由以下两式决定 nv 剪切面数目 d 螺栓杆直径 fvb fcb 螺栓抗剪和承压强度设计值 t 连接接头一侧承压构件总厚度的较小值 单栓抗剪承载力 抗剪承载力 承压承载力 剪切面数目nv 3 普通螺栓群受剪连接计算 1 普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算 试验证明 栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀 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 内力重新分布 各个螺栓内力趋于相同 故设计时假定N有各螺栓均担 所以 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 即使内力重新分布 各个螺栓内力也难以均匀 端部螺栓首先破坏 然后依次破坏 由试验可得连接的抗剪强度折减系数 与l1 d0的关系曲线 故 连接所需栓数 2 普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算 F作用下每个螺栓受力 T作用下连接按弹性设计 其假定为 1 连接板件绝对刚性 螺栓为弹性 2 T作用下连接板件绕栓群形心转动 各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系 方向与ri垂直 显然 T作用下 1 号螺栓所受剪力最大 r1最大 由假定 2 得 由式3 39得 由力的平衡条件得 将式3 40代入式3 38得 将N1T沿坐标轴分解得 由此可得螺栓1的强度验算公式为 另外 当螺栓布置比较狭长 如y1 3x1 时 可进行如下简化计算 令 xi 0 则N1Ty 0 一 普通螺栓受拉的工作性能 3 5 3普通螺栓的受拉连接 抗拉螺栓连接在外力作用下 连接板件接触面有脱开趋势 螺栓杆受杆轴方向拉力作用 以栓杆被拉断为其破坏形式 二 单个普通螺栓的受拉承载力 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 公式的两点说明 1 螺栓的有效截面面积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 2 螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响 A 螺栓受拉时 一般是通过与螺杆垂直的板件传递 即螺杆并非轴心受拉 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 连接件刚度越小撬力越大 试验证明影响撬力的因素较多 其大小难以确定 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 来考虑其影响 B 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法 来减小杠杆作用引起的撬力 如设加劲肋 可以减小甚至消除撬力的影响 三 普通螺栓群受拉 一般假定每个螺栓均匀受力 因此 连接所需的螺栓数为 四 栓群承受弯矩作用 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 显然 1 号螺栓在M作用下所受拉力最大 由力学及假定可得 由式3 52得 将式3 54代入式3 53得 因此 设计时只要满足下式 即可 五 螺栓群偏心受拉 偏心力作用下普通螺栓连接 可采用偏于安全的设计方法 即叠加法 1 小偏心受拉 对于小偏心情况 如b图所示 轴力N由各螺栓均匀承受 弯矩M使上部螺栓受拉 下部螺栓受压 叠加后全部螺栓均为受拉 则最大和最小受力螺栓的拉力满足下式 表示最大受力螺栓的拉力部分超过一个螺栓的承载力设计值 表示全部螺栓受拉 e 时为小偏心受拉 核心距 2 大偏心受拉 当偏心距e较大时 即e 时 端板底部将出现受压区 最外排螺栓1的拉力最大 解题步骤 判断e与 的大小 若e 则为大偏心受压 根据计算所得的Ae选择螺栓的型号 若e 为小偏心受压 偏心受拉解题步骤小结 3 5 4普通螺栓受剪力 拉力的联合作用 因此 2 由试验可知 兼受剪力和拉力的螺杆 其承载力无量纲关系曲线近似为一 四分之一圆 1 普通螺栓在拉力和剪力的共同作用下 可能出现两种破坏形式 螺杆受剪兼受拉破坏 孔壁的承压破坏 3 计算时 假定剪力由螺栓群均匀承担 拉力由受力情况确定 规范规定 普通螺栓拉 剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏 应满足 为了防止孔壁的承压破坏 应满足 另外 拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接 当有承托承担全部剪力时 螺栓群按受拉连接计算 承托与柱翼缘的连接角焊缝按下式计算 式中 考虑剪力对角焊缝偏心影响的增大系数 一般取 1 25 1 35 其余符号同前 3 6高强度螺栓连接的构造和计算 3 6 1高强度螺栓连接的工作性能及构造要求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 通过板件间摩擦力传递内力 破坏准则为克服摩擦力 承压型高强度螺栓 受力特征与普通螺栓类似 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 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 高强度螺栓预拉力的建立方法 预拉力是通过拧紧螺帽 使螺杆受到拉伸作用而使被连接板件间产生压紧力 为了保证通过摩擦力传递剪力 高强度度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要 高强度螺栓分大六角头型和扭剪型两种 二者预拉力控制方法各不相同 通过拧紧螺帽的方法 螺帽的紧固方法 A 转角法施工方法 初拧 用普通扳手拧至不动 使板件贴紧密 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 180o完成终拧 特点 预拉力的建立简单 有效 但要防止欠拧 漏拧和超拧 B 扭矩法施工方法 初拧 用力矩扳手拧至终拧力矩的30 50 使板件贴紧密 终拧 初拧基础上 按100 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 C 扭断螺栓杆尾部法 扭剪型高强度螺栓 施工方法 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 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 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 1 终拧力矩偏差不应大于 10 2 如发现欠 漏和超拧螺栓应更换 3 拧固顺序先主后次 且当天安装 当天终拧完 如工字型梁为 上翼缘 下翼缘 腹板 2 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有效抗拉强度确定的 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 螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1 2 附加安全系数0 9 因此 预拉力 Ae 螺纹处有效截面积 fu 螺栓热处理后的最抵抗拉强度 8 8级 取fu 830N mm2 10 9级 取fu 1040N mm2 一个高强度螺栓的设计预拉力P 按公式计算出的P值以5kN的倍数取整就形成规范规定的设计预拉力 3 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 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 P 和板件间的抗滑移系数 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 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抗滑移系数 如下表 摩擦面抗滑移系数 值 高强度螺栓摩擦型连接 其破坏准则为板件发生相对滑移 因此其极限状态为1点而不是4点 所以1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 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 1 受剪连接承载力 3 6 2高强度螺栓摩擦型连接计算 2 受拉连接承载力 上式未考虑橇力的影响 当考虑橇力影响时 螺栓杆的拉力Pf与Nt的关系曲线如图 Nt 0 5P时 橇力Q 0 Nt 0 5P后 橇力Q出现 增加速度先慢后快 橇力Q的存在导致连接的极限承载力由Nu降至Nu 所以 如设计时不考虑橇力的影响 应使Nt 0 5P或增加连接板件的刚度 如设加劲肋 3 同时承受剪力和拉力连接的承载力尽管当Nt P时 栓杆的预拉力变化不大 但由于 随Nt的增大而减小 且随Nt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V和N共同作用下应满足下式 高强度螺栓承压型抗剪连接 允许接触面发生相对滑移 破坏准则为连接达到其极限状态4点 所以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 单栓抗剪承载力 抗剪承载力 承压承载力 3 6 3高强度螺栓承压型连接计算 1 受剪连接承载力 2 受拉连接承载力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 上式的计算结果与0 8P相差不多 3 同时承受剪力和拉力连接的承载力 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 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 3 6 4高强度螺栓群的计算 1 轴心受剪假定各螺栓受力均匀 故所需螺栓数 对于摩擦型连接 对于承压型连接 1 高强度螺栓群受剪 2 扭矩或扭矩 剪力共同作用下 计算方法与普通螺栓相同 即 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 2 高强度螺栓群的受拉计算 1 轴心受拉假定各螺栓均匀受力 故所需螺栓数 2 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力P 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 可认为是一个整体 所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合 最外侧螺栓受力最大 由力学可得 因此 设计时只要满足下式即可 3 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于0 8P 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 叠加法 计算 3 高强度螺栓群承受拉力 弯矩和剪力共同作用 1 摩擦型连接的计算1号螺栓在N M作用下所受拉力如前所述应满足 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 单个螺栓所受的剪力 上式中 2 采用高强度螺栓承压型连接时 螺栓的强度计算公式 单个螺栓所受的剪力 单个螺栓所受的最大拉力 注意 在轴力N和弯矩M作用下 中和轴位于螺栓群形心O处 因为预拉力作用 计算时不区分大小偏心 这点与普通螺栓计算不同 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 4 高强度螺栓群在拉力 弯矩和剪力共同作用 1 对于摩擦型连接 在M和N共同作用下 最外 下 排 1 号螺栓所受拉力最大为 中和轴位于螺栓群形心O处 验算方法一 在V作用下 各螺栓所受剪力均相同 即为 在拉 剪共同作用下 对高强度螺栓摩擦型连接的验算条件为 上式中 按GBJ17 88规范 验算条件为 在弯矩M和拉力N共同作用下 高强螺栓群中各排螺栓拉力都不相同 即 故对于栓群抗剪强度 应按下式进行验算更为合理 即 单个螺栓抗剪设计承载力随拉力的增加而减小 有 验算方法二 此外 螺栓最大拉力尚应满足 验算法二计及了螺栓拉力不同对抗剪强度的