二级注册建筑考试讲义97

三、螺栓连接的构造和计算1 螺栓的排列 （ 1 ）排列要求1 ）制造要求：螺栓在连接中的排列要考虑便于制造，例如螺栓应排列成行，如图 6 - 22 所示，以便利用多头钻床钻孔。2 ）施工要求：相邻螺栓孔的中心应保证为拧紧螺栓置放扳手所需的最小间距。3 ）受力要求：端距过小时，构件端部钢材易剪坏（见图 6 -23d ) ，因而要规定一个最小端距。螺栓线上的螺栓距过小，则受力后两螺栓孔间的钢材也易剪坏；而螺栓间距过大，当构件为受压时，两螺栓中心间的板件易局部屈曲。因此，需规定最小螺栓间距和最大螺栓间距。4 ）构造要求：线距和螺栓距过大时，连接中板件间接触不密实，潮气易侵入而使钢材锈蚀；端距过大，端部板材易翘起等等。因此，需规定最大螺栓间距和最大螺栓端距。 规范8.3.4条给出了螺栓或铆钉的最大、最小容许距离，设计时必须遵循。（ 2 ）螺栓和螺栓孔的表示方法螺栓和螺栓孔的表示方法见表 6 -3 （摘自 建筑结构制图标准 GB / T 50105 -2001 ）。2 普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的工作性能 （ 1 ）抗剪螺栓连接中的六种破坏形式普通螺栓连接螺帽的拧紧程度为一般，沿螺栓杆产生的轴向拉力不大，因而在抗剪连接中虽然连接板件接触面有一定的摩擦力，但其值甚小，摩擦力会迅速被克服而主要依靠孔壁承压和螺杆受剪传递荷载；高强度螺栓承压型连接以摩擦力被克服、使螺杆受剪和孔壁承压破坏为承载力极限状态。因此在计算中都不考虑摩擦力的存在。图 6 -23 和图 6 -24 给出了抗剪螺栓连接六种可能的破坏形式。l ）螺栓杆被剪断（螺栓直径较小而板件较厚时，图 6 -23a 和 b ）。2 ）钢板孔壁承压破坏（螺栓直径较大而板件较薄时，图 6 -23c）。3 ）构件被拉断或压坏（螺栓孔对构件截面的削弱过大时，图 6 -23d ）。4 ）板件块状拉、剪撕裂。5 ）钢板受剪撕裂（螺栓端距或螺栓孔间距过小时，图 623e）。6 ）螺栓弯曲变形（板叠连接厚度t过大，图6-23f）。（ 2 ）抗拉螺栓连接中的撬力抗拉螺栓连接必须通过 T 形连接件（或由双角钢组成的 T 形连接件）传力，如图 6 -26 （ a ）所示。由于连接件的相对柔性，受力后连接件的翼缘板将发生弯曲变形，如图 6 -26 （ b ) 所示，使螺栓杆承受轴心拉力 N ，同时连接件翼缘板趾部与横梁下翼缘间产生压力 Q 。由杠杆作用产生的此压力 Q 称为撬力。由图 6 -26 （ b ）可见螺栓所受轴心拉力不是 N -F 而为N=F + Q ，即螺栓拉力大于所受荷载值设计时应与考虑。3 普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算螺栓连接的计算通常按下列“四步曲”进行： （ l ）计算单个螺栓的承载力设计值； （ 2 ）按螺栓最大内力确定所需螺栓数量； （ 3 ）按构造要求排列需要的螺栓，这里需注意，每一构件在结点上以及拼接接头的一端，永久性的螺栓数不宜少于两个； （ 4 ）进行构件的净截面强度和块状拉剪破坏验算（必要时）。在受力较复杂的螺栓连接中，也可先假定需要的螺栓数进行排列后验算受力最大的螺栓是否小于其承载力设计值；相差过大时，重新假定螺栓数进行排列和验算。螺栓内力分析、构件净截面强度和块状拉剪破坏的验算均可利用材料力学公式进行，不再赘述。因此，对抗剪螺栓连接和抗拉螺栓连接只需介绍单个螺栓承载力设计值的计算方法。（ l ）抗剪螺栓连接中的螺栓承载力设计值 Nb 取受剪承载力设计值和孔壁承压承载力设计值中的较小者。一个螺栓的受剪承载力设计值为：式中 nv 受剪面数目，图 6 -23 （ a ）所示为单剪，取 nv =1 ，图 6 =23 （ b ）所示为双剪，取 nv= 2 ; fvb 螺栓抗剪强度设计值（见规范表 3 . 4 . 1 -4 ) ，其值与螺栓的类别有关；d 螺栓杆直径，对高强度螺栓承压型连接，当剪切面处于螺纹处时应取螺纹处的有效直径进行计算，但对普通螺栓，不论剪切面是否处在螺纹处，一律取螺杆的直径进行计算。一个螺栓的孔壁承压承载力设计值为：式中 t 在同一受力方向承压的构件较小总厚度；fcb 螺栓的孔壁承压强度设计值（见规范表 3 . 4 . 14 ) ，其值与连接件的钢材牌号及螺栓的类别有关。抗剪螺栓连接中一个螺栓的承载力设计值为：式中，b是螺栓承载力设计值的折减系数，用于考虑当螺栓沿受力方向的连接长度过大时，螺栓受力不均匀（图 6 -27 ）的不利影响。折减系数b按下列公式计算：式中 l1 从连接一端的第一个螺栓到最末一个螺栓的中心距离； d0 螺栓孔直径。（ 2 ）抗拉螺栓连接中的螺栓承载力设计值Ntb一个螺栓的抗拉承载力设计值应按下式计算：式中 de 螺栓在螺纹处的有效直径；ftb 螺栓的抗拉强度设计值（见规范表 3 . 4 . 1 -4 ) ，其值与螺栓的性能等级有关。4 高强度螺栓摩擦型连接的计算计算步骤与前面普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接计算中所述“四步曲”相同，但第一步和第四步中的计算方法不同，即计算单个螺栓承载力设计值的计算方法和构件净截面强度的验算方法两者不同，还有螺栓受弯时的内力分析也不尽相同，其余两者完全相同。（ 1 ）高强度螺栓中的预拉力和摩擦面的抗滑移系数高强度螺栓摩擦型连接主要是依靠拧紧螺帽使螺杆中产生较高的预拉力，从而使连接处的板叠间产生较高的预压力，而后依靠板件间的摩擦力传递荷载，并以摩擦力将要被克服时作为连接的承载能力极限状态。因此，螺栓中的预拉力值和连接处板件间接触面的摩擦系数产（规范中称为抗滑移系数）是决定高强度螺栓摩擦型连接承载能力的两大关键因素。螺栓中的预拉力是通过专用工具拧紧螺帽产生的。规范中规定了每个高强度螺栓的设计预拉力值P，其大小取决于螺栓的性能等级和螺栓的直径如表 6 -4 所列。表中所示一个螺栓的设计预拉力值 P 同时适用于摩擦型连接和承压型连接。抗滑移系数的大小主要取决于摩擦面的平整度、清洁度和粗糙度。为了增加摩擦面的清洁度和粗糙度，需对连接处构件的接触面进行处理。为了避免板件接触面的不平整，高强度螺栓摩擦连接不应采用冲成孔。值的大小除与摩擦面的状况有关外，还与钢材的牌号有关。规范规定的连接处构件接触面的处理方法和摩擦面的抗滑移系数值见表 6 -5 所列。（ 2 ）高强度螺栓群的摩擦型抗剪连接计算 每个高强度螺栓的抗剪承载力设计值Nvb在抗剪连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值应按下式计算：式中 nf 传力摩擦面数目；、P 摩擦面的抗滑移系数（表 6 -5 ）和每个高强度螺栓的预拉力（表 6 -4 ）。当螺栓沿受力方向的连接长度 11 15d0 时，式（ 6 -15 ）确定的螺栓承载力设计值应乘于折减系数b。式（ 6 15 ）右边的系数 0 . 9 为抗力分项系数R的倒数，即取R=1.111 。（ 3 ）高强度螺栓群的抗拉连接计算每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值 Ntb为了避免发生螺栓的松弛并使连接板件间始终保持压紧，规范中规定：摩擦型连接中每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值为：可见：在沿螺栓杆轴方向受拉的连接中，摩擦型连接中每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值与承压型连接中每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值的计算是不相同的，参见前述式（ 6 -11 ）。例：1钢构件采用螺栓连接时，螺栓最小容许中心间距，下列哪一个数值是正确的?(d为螺栓直径) (A)2d；(B)3d；(C)4d；(D)5d【答案】B【说明】钢结构设计规范GB500172003第834条：螺栓或铆钉的距离应符合表61的要求。表6一1螺栓或铆钉的最大、最小容许距离名称位置和方向最大容许距离(取两者的较小值)最小容许距离中心间距外排(垂直内力方向或顺内力方向)8 d0或12t3 d0中间排垂直内力方向16 d0或24t顺内力方向构件受压力12 d0或18t构件受拉力16 d0或24t沿对角线方向中心至构件边缘距离顺内力方向4d0或8t2 d0垂直内力方向剪切边或手工气割边1.5 d0轧制边、自动气割或锯割边高强度螺栓其他螺栓或铆钉1.2 d0注：1d0为螺栓或铆钉的孔径，t为外层较薄板件的厚度。2钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢等)相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。2高强度螺栓的物理力学性能和应用范围，下列哪一种说法是正确的? (A)高强度螺栓其受剪和受拉承载力是相等的(B)承压型高强度螺栓一般应用于地震区的钢结构(C)摩擦型高强度螺栓一般应用于非地震区的钢结构(D)摩擦型高强度螺栓依靠摩擦力传递剪力【答案】D【说明】摩擦型高强螺是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度。在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。3摩擦型高强螺栓用于承