第5章 钢结构的紧固件连接

1、本科教学本科教学 第5章 钢结构的紧固件连接 钢结构-原理与设计 中南大学中南大学 土木工程学院土木工程学院 欧阳震宇欧阳震宇 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 5.1 5.1 螺栓连接概述螺栓连接概述 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 精制螺栓精制螺栓粗制螺栓粗制螺栓 代号代号A A级和级和B B级级C C级级 强度等级强度等级5.65.6级和级和8.88.8级级4.64.6级和级和4.84.8级级 加工方式加工方式车床上经过切削而成车床上经过切削而成单个零件上一次冲成单个零

2、件上一次冲成 加工精度加工精度 螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为 0.250.250.5mm0.5mm 螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为 1.51.53mm3mm 抗剪性能抗剪性能好好较差较差 经济性能经济性能价格高价格高价格经济价格经济 用途用途 构件精度很高的结构（机械构件精度很高的结构（机械 结构）；在钢结构中很少采结构）；在钢结构中很少采 用用 沿螺栓杆轴受拉的连接；次沿螺栓杆轴受拉的连接；次 要的抗剪连接；安装的临时要的抗剪连接；安装的临时 固定固定 1. 1. 普通螺栓连接普通螺栓连接 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土

3、木工程学院 欧阳震宇 2. 2. 高强度螺栓连接高强度螺栓连接 高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的 合称。合称。 由由4545号、号、40B40B和和20MnTiB20MnTiB钢经过热处理加工而成。钢经过热处理加工而成。 4545号号8.88.8级；级；40B40B和和20MnTiB20MnTiB10.910.9级级 （a）大六角头螺栓）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓）扭剪型螺栓 2021-7-1 （a）大六角头螺栓）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓）扭剪型螺栓 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 高强度螺

4、栓摩擦型连接和承压型连接比较高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较 高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接高强度螺栓承压型连接 传力机理传力机理 利用预拉力把被连接的部利用预拉力把被连接的部 件夹紧，使部件的接触面件夹紧，使部件的接触面 间产生很大的摩擦力，外间产生很大的摩擦力，外 力通过摩擦力来传递力通过摩擦力来传递 允许接触面滑移，依靠螺栓杆允许接触面滑移，依靠螺栓杆 和螺孔之间的承压来传力和螺孔之间的承压来传力 栓孔直径栓孔直径 螺杆的公称直径螺杆的公称直径 +1.5+1.52.0mm2.0mm 螺杆的公称直径螺杆的公称直径 +1.0+1.01.5mm1.5mm 特点

5、特点 剪切变形小，弹性性能好，剪切变形小，弹性性能好， 特别适用于承受动力荷载特别适用于承受动力荷载 的结构的结构 连接紧凑，但剪切变形大，不连接紧凑，但剪切变形大，不 得用于承受动力荷载的结构得用于承受动力荷载的结构 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 铆钉连接及特点铆钉连接及特点 铆钉连接铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆是用一端带有半圆形预制钉头的铆 钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中， 再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达 到紧固

6、。到紧固。 缺点缺点费工费料、劳动强度高。费工费料、劳动强度高。 目前承重钢结构连接中已很少应用。目前承重钢结构连接中已很少应用。 优点优点传力可靠，塑性、韧性好，传力可靠，塑性、韧性好， 动力性能好动力性能好 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 连接方法连接方法优优 点点缺缺 点点 焊焊 接接 对几何形体适应性强，构对几何形体适应性强，构 造简单，省材省工，易于造简单，省材省工，易于 自动化，工效高自动化，工效高 。 焊接残余应力大且不易控制，焊接残余应力大且不易控制， 焊接变形大。对材质要求高，焊接变形大。对材质要求高， 质

7、量检验工作量大。质量检验工作量大。 铆铆 接接 传力可靠，韧性和塑性好，传力可靠，韧性和塑性好， 质量易于检查，抗动力荷质量易于检查，抗动力荷 载好。载好。 费钢、费工费钢、费工 。 目前很少采用目前很少采用 普通螺栓普通螺栓 连接连接 装卸便利，设备简单装卸便利，设备简单 螺栓精度低时不宜受剪，螺螺栓精度低时不宜受剪，螺 栓精度高时加工和安装难度栓精度高时加工和安装难度 较大较大 。 高强螺栓高强螺栓 连接连接 加工方便，对结构削弱少，加工方便，对结构削弱少， 能承受动力荷载，耐疲劳，能承受动力荷载，耐疲劳， 塑性、韧性好塑性、韧性好 。 摩擦面处理，安装工艺略为摩擦面处理，安装工艺略为 复

8、杂，造价略高复杂，造价略高 主要连接方法及优缺点主要连接方法及优缺点 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 螺栓规格螺栓规格精制螺栓精制螺栓粗制螺栓粗制螺栓 分类分类A A级和级和B B级级C C级级 强度等级强度等级5.65.6级和级和8.88.8级级4.64.6级和级和4.84.8级级 加工方式加工方式车床上经过切削而成车床上经过切削而成单个零件上一次冲成单个零件上一次冲成 加工精度加工精度 螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为 0.250.250.5mm0.5mm 螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为 1.51.53

9、mm3mm 受力特点受力特点抗剪差、抗拉好抗剪差、抗拉好抗剪抗拉均好抗剪抗拉均好 经济性能经济性能价格高价格高价格经济价格经济 用途用途 构件精度很高的结构（机械构件精度很高的结构（机械 设备用设备用）；）；在钢结构中很少在钢结构中很少 采用采用 沿螺栓杆轴受拉的连接；次沿螺栓杆轴受拉的连接；次 要的抗剪连接；安装的临时要的抗剪连接；安装的临时 固定固定 5.2 5.2 普通螺栓连接的构造普通螺栓连接的构造 注：注：A、B两级的区别只是尺寸不同。两级的区别只是尺寸不同。 A级用于级用于d24mm, l150mm的的 螺栓，螺栓，B级用于级用于d24mm, l150mm 螺栓。螺栓。 2021-

10、7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 常用螺栓直径：常用螺栓直径：d=16，20，24mm，用，用M表示，如表示，如M16。 螺栓符号螺栓符号 螺栓孔为螺栓孔为d0=d+1.53mm 2021-7-1 M12、 M16大大1.5mm； M18、 M20 、 M22 、M24大大2mm； M27、 M30大大3mm 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 5.2.1 螺栓的排列和构造要求螺栓的排列和构造要求 螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要

11、求，构造合理 又便于安装。又便于安装。排列的方式有并列排列和错列排列两种排列的方式有并列排列和错列排列两种。 图图5.2.1 螺栓的排列方式螺栓的排列方式 1.1.螺栓的排列螺栓的排列 并列方式并列方式 比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对比较简单整齐，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；构件截面的削弱较大； 错列方式错列方式 可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓空排列不如并列紧凑，可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓空排列不如并列紧凑， 连接板尺寸较大。连接板尺寸较大。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木

12、工程学院 欧阳震宇 (1)(1)受力要求受力要求 下限：下限：防止孔间板破裂防止孔间板破裂3d0 上限：上限：防止板间张口和鼓曲防止板间张口和鼓曲。 b）螺孔中心距限制）螺孔中心距限制 a）端距限制）端距限制防止孔端钢板剪断防止孔端钢板剪断，2d0 ； 中心距太大中心距太大 2d 端距过小端距过小 （2 2）构造要求）构造要求 螺栓的中距及边距过大，则构件接触面不够紧密，螺栓的中距及边距过大，则构件接触面不够紧密， 潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。 （3 3）施工要求）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。 202

13、1-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 端距端距 边距边距 1.5d0 (1.2d0) 2d02d0 1.5d0 3d0 端距端距端距端距端距端距中距中距 边距边距 线距线距 3d0 2d03d0 1.5d 0 1.5d0 3d0 3d02d0 边距边距 规范规定规范规定： u螺栓的最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且螺栓的最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且 宜取宜取5mm5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸；的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸； u最大容许间距一般只在起连系作用的构造

14、连接中采用。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 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；个永久螺栓； 2.2.螺栓的其它构造要求螺栓的其它构造要求 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；松动； C

15、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：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： 承受静载或间接动载的次要连接；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；承受静载的可拆卸结构连接； 临时固定构件的安装连接。临时固定构件的安装连接。 沿杆轴方向受拉螺栓连接的端板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺沿杆轴方向受拉螺栓连接的端板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺 栓抗拉承载力的不利影响。栓抗拉承载力的不利影响。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 5.3 普通螺栓连接（根据受力形式）普通

16、螺栓连接（根据受力形式） 螺栓连接的受力形式分为：螺栓连接的受力形式分为：A：只受剪力；只受剪力；B：只受拉只受拉 力；力；C: 同时受剪力和拉力作用。同时受剪力和拉力作用。 F F A A 剪力螺栓剪力螺栓 N B B 拉力螺栓拉力螺栓 C C 剪力和拉力共剪力和拉力共 同作用同作用 受力垂直螺杆，承剪受力垂直螺杆，承剪 连接件有错动趋势连接件有错动趋势 受力平行螺杆，承拉受力平行螺杆，承拉 连接件有脱开趋势连接件有脱开趋势 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 N O 1 2 3 4 N N a b N N/2 N/2 对图示

17、螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验, ,即可得到板即可得到板 件上件上a a、b b两点相对位移两点相对位移与作用力与作用力N N的关的关 系曲线系曲线, ,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受 力的四个阶段力的四个阶段 1. 1. 受剪连接的工作性能受剪连接的工作性能 (1) 摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(01段段) 直线段直线段连接处于弹性状态；连接处于弹性状态； 该阶段较短该阶段较短摩擦力较小。摩擦力较小。 (2) 滑移阶段滑移阶段(12段段) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑 移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表

18、移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表 现在曲线上为水平段。现在曲线上为水平段。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 N O 1 2 3 4 a b N N/2 N/2 (3) 栓杆传力的弹性阶段栓杆传力的弹性阶段(23段段) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。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。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，板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态关系以曲线状态 上

19、升。上升。 (4) 弹塑性阶段弹塑性阶段(34段段) 达到达到3 3后，即使给荷载以很小的增量，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。连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。 4 4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪 连接的极限承载力连接的极限承载力Nu。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 螺杆被剪断；螺杆被剪断； b) 连接件孔壁挤压破坏；连接件孔壁挤压破坏；c) 钢板拉断；钢板拉断； d) 钢板冲剪破坏；钢板冲剪破坏；e) 螺杆弯曲破坏螺杆弯曲破坏 。 2.2.

20、受剪螺栓的破坏形式受剪螺栓的破坏形式 a) A B 栓杆较细而板件较厚时栓杆较细而板件较厚时 b) B A 栓杆较粗而板件较薄时栓杆较粗而板件较薄时 c) A 截面削弱过多截面削弱过多 d) 35 35 a1 A 端矩过小时；端矩端矩过小时；端矩2d0 e) A 板过厚螺栓杆过长；栓杆长度板过厚螺栓杆过长；栓杆长度5d a)、b)、c)通过计算解决通过计算解决 d)、e) 通过构造解决通过构造解决 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 单个剪力螺栓的设计承载力：单个剪力螺栓的设计承载力： 受剪承载力设计值：受剪承载力设计值： 承压

21、承载力设计值：承压承载力设计值： d 3.3.单个普通螺栓的受剪计算单个普通螺栓的受剪计算 剪力螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单剪力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栓抗剪承载力由以下两式决定: : b v 2 v b v 4 f d nN （3.5.1） b c b c f tdN （3.5.2） b v b c b min ,minNNN p 假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布 ； p 假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于 栓杆直径平面的孔壁部分）均匀

22、分布栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布 验算：验算： b vmin NN 2021-7-1 nv-剪面数目剪面数目 d-螺栓直径螺栓直径 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 受剪承载力设计值：受剪承载力设计值： b v 2 v b v 4 f d nN 承压承载力设计值：承压承载力设计值： b c b c f tdN t1 t2 ,t= t1 t1 t2 t1 t2 t3 t2 t1+ t2 ,t= t2d+b15d0(d0为孔径为孔径)时，各个螺栓内力难以均匀，端部时，各个螺栓内力难以均匀，端部 螺栓受力最大首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接

23、的螺栓受力最大首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪抗剪 强度折减系数强度折减系数 与与l1/d0的关系曲线。的关系曲线。 010 1 0 1560 1.1(3.5.4*) 150 dld l d 当时： 7 .0 60 01 时时：当当dl 则连接所需栓数：则连接所需栓数： b min N N n (3.5.5) 因此因此规范规范采用承载力折减系数采用承载力折减系数 考虑螺栓群受力不均。考虑螺栓群受力不均。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 F e F T T x y N1T N1Tx N1Ty r1 1 F 1N1F

24、 （2 2）普通螺栓群偏心受剪）普通螺栓群偏心受剪 F作用下每个螺栓受力：作用下每个螺栓受力： )6 . 5 . 3( 1 n F N F 基本假设基本假设 连接件绝对刚性连接件绝对刚性, , 螺栓弹性；螺栓弹性； T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心 的距离的距离ri成正比，方向与它和形心的连线垂直。成正比，方向与它和形心的连线垂直。 V=F T=Fe 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 1T 12T 2T T TTiinn N rN rN rN r

25、T （a） T x y N1T N1Tx N1Ty r1 1 显然，显然，T作用下作用下1号螺栓所受剪力最大（号螺栓所受剪力最大（r1最大）。最大）。 根据平衡条件得：根据平衡条件得： 1T 1 n nT1T 1 3 3T1T 1 2 2T ,N r r NN r r NN r r N （c） 将将（c）式代入式代入（a），），得用得用N1T表达的表达的T式：式： Tr r N rrrr r N n i i 1 2 i 1 1T 22 3 2 2 2 1 1 1T 由各螺栓剪力与由各螺栓剪力与r成正比：成正比： n nT 3 3 2 2T 1 1T r N r TN r N r N （b） 由

26、各剪力都用由各剪力都用N1表示：表示： 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 22 1 2 1 1 iii T yx Tr r Tr N 螺栓螺栓1离形心最远是危险螺栓离形心最远是危险螺栓, ,最大剪力最大剪力N1T: 将将N1T它分解为水平和竖直分力：它分解为水平和竖直分力： 22 1 1 1 1T1Ty ii yx Tx r x NN （3.5.8） xi第第i个螺栓中心的个螺栓中心的x坐标，坐标， yi第第i个螺栓中心的个螺栓中心的y坐标坐标 y 1T N o x x1 1Tx N 1Ty N 1 r1 y1 1F N 22

27、 1 1 1 1T1Tx ii yx Ty r y NN ( 3.5.7) 验算剪力最大螺栓验算剪力最大螺栓: : b min 2 1F1Ty 2 1Tx1 NNNNN（3.5.9） 此时计算此时计算F作用下的螺栓内力时，不需考虑长接头的折减系数作用下的螺栓内力时，不需考虑长接头的折减系数 )6 . 5 . 3( 1 n F N F 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 y 1T N o x x1 1Tx N 1Ty N 1 r1 y1 1F N 如果如果y13x1，则可假定，则可假定xi=0 。 由此得由此得N1Ty=0， 1

28、1Tx 2 i Ty N y 则计算式为：则计算式为： b min 2 2 2 1 1 N n F y Ty N i （3.5.10） 如果如果x13y1，则可假定，则可假定yi=0 。由此得。由此得N1Tx=0， 1 1Ty 2 i Tx N x 则计算式为：则计算式为： 2 b 1 1min 2 i TxF NN xn （3.5.10） 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 5.3.2 普通螺栓的受拉连接普通螺栓的受拉连接 1.1.普通螺栓受拉的工作性能普通螺栓受拉的工作性能 b) 试验证明影响撬力的因素试验证明影响撬力的因素

29、 较多，其大小难以确定，规较多，其大小难以确定，规 范将螺栓的抗拉强度设计值范将螺栓的抗拉强度设计值 降低降低2020来考虑撬力的影响，来考虑撬力的影响， 取取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗螺栓钢材的抗 拉强度设值拉强度设值）。 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（撬力用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q Q）并产生弯曲现象。连接件刚）并产生弯曲现象。连接件刚 度越小撬力越大

30、。度越小撬力越大。 图图3.5.6 受拉螺栓的撬力受拉螺栓的撬力 QNNt 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 c) 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。用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。 加劲肋加劲肋 图图5.5.7 翼缘加强的措施翼缘加强的措施 2.2.单个普通螺栓受拉承载力单个普通螺栓受拉承载力 b t 2 e b te b t 4 f d fAN （5.5.11） Ntb单个螺栓

31、抗拉承载力；单个螺栓抗拉承载力；Ae 螺栓螺纹处的有效面积；螺栓螺纹处的有效面积； de 螺栓有效直径；附表螺栓有效直径；附表9.2 (P455) ftb 螺栓的抗拉强度设计值。螺栓的抗拉强度设计值。 ftb 0.8f 假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均 匀分布，则一个拉力螺栓的承载力匀分布，则一个拉力螺栓的承载力 设计值：设计值： 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 dedn dm d 13 3()(5.5.12) 24 e ddPP螺距 螺栓的有效截面面积螺栓的有效截面面积 因栓杆上的螺纹为斜方向的

32、，所以公式取的是有效直因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直 径径de而不是净直径而不是净直径dn，现行国家标准取：，现行国家标准取： 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 NN b t t1 b1 1 1 n110 Abndt N N t t1 b c2c3 c4 c1 1 1 22 n421220 21;Acnccn dt 螺栓并列布置按最危险的正螺栓并列布置按最危险的正 交截面（交截面（）计算：）计算： 螺栓错列布置可能沿正交截面螺栓错列布置可能沿正交截面 （）破坏，也可能沿齿（）破坏，也可能沿齿 状截面（状截面（

33、）破坏，取截）破坏，取截 面的较小面积计算：面的较小面积计算： 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 （1 1）栓群轴心受拉）栓群轴心受拉 当外力通过螺栓群形心时，当外力通过螺栓群形心时，一般假定每个螺栓均匀受一般假定每个螺栓均匀受 力，力，因此连接所需的螺栓数目为：因此连接所需的螺栓数目为： b t N N n （ 3.5.13） b t 2 e b te b t 4 f d fAN （3.5.11） 3. 3. 普通螺栓群受拉普通螺栓群受拉 N 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木

34、工程学院 欧阳震宇 M 刨平顶紧刨平顶紧 承托承托(板板) M 1 2 3 4 受压区受压区 y1 y2 y3 N1 N2 N3 N4 中和轴中和轴 (2(2）栓群承受弯矩作用）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：作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为： 连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； 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 中和轴的距离成正比中和轴的距离成正比。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 M 刨

35、平顶紧刨平顶紧 承托承托(板板) M 1 2 3 4 受压区受压区 y1 y2 y3 N1 N2 N3 N4 中和轴中和轴 显然显然1号螺栓在号螺栓在M作用下所受拉力最大作用下所受拉力最大 )( 2211 byNyNyNM nn 由力学及假定可得：由力学及假定可得： )( 3 3 2 2 1 1 a y N y N y N y N n n 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 将式将式(c)代入式代入式(b)得得: : )( 1 1 3 1 1 32 1 1 2 cy y N Ny y N Ny y N N nn ； )( 1 2

36、 1 1 22 2 2 1 1 1 dy y N yyy y N M n i in 由式由式(a)得得: : )( 1 2 e y yM N n i i i i 因此，设计时只要满足下式即可：因此，设计时只要满足下式即可： b 1 1t 2 (5.5.14) i My NN my 螺栓螺栓i 的拉力的拉力: : 即受力最大的最外排螺即受力最大的最外排螺 栓栓1 1的拉力不超过一个螺栓的拉力不超过一个螺栓 的抗拉承载力设计值的抗拉承载力设计值 M 1 2 3 4 2021-7-1 m螺栓的总列数螺栓的总列数 yi第第 i 个螺栓至中和轴的距离个螺栓至中和轴的距离 其中：其中： 第第5 5章章 钢

37、结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 图图3.5.10 螺栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉 刨平顶紧刨平顶紧 承托承托(板板) N e V V (3(3）栓群偏心受拉）栓群偏心受拉 小偏心受拉小偏心受拉 当当M/N较小时，所较小时，所 有螺栓均承受拉力有螺栓均承受拉力 作用，我们假定作用，我们假定 构件构件B绕螺栓群绕螺栓群 的形心的形心O转动。转动。 螺栓群的最大和最小螺栓受力为：螺栓群的最大和最小螺栓受力为： b 1 maxt 2 i MyN NN mnmy （5.5.15a） 1 min 2 i 0 MyN N mnmy （5.5.15b） 当当 Nmin0 ，e

38、则表示所有螺栓受则表示所有螺栓受 拉，螺栓群绕形心拉，螺栓群绕形心 轴旋转。轴旋转。 2 1 i my ny 螺栓有效截面组成的核心矩螺栓有效截面组成的核心矩 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 大偏心受拉大偏心受拉 当当Nmin ，构件构件B绕绕A点（底排螺栓）点（底排螺栓） 旋转趋势，偏于安全考虑，我们旋转趋势，偏于安全考虑，我们 假定中和轴位于最下排螺栓假定中和轴位于最下排螺栓O处，处， 受拉力最大的螺栓要求满足：受拉力最大的螺栓要求满足： 1 b 1 1t 22 () 2 ii h N ec y Ne y NN mymy

39、 （5.5.16） O 2021-7-1 b 1 1t 2 i NeyN NN mnmy 8080年代设计方法，考虑年代设计方法，考虑N N和和M M共同作用：共同作用：显然显然： 1 2 () 2 i h Nc y N mymn 故现行设计方故现行设计方 法更为简单安全法更为简单安全 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 5.3.3 剪拉螺栓群的计算剪拉螺栓群的计算 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：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。一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承

40、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。的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 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：符合下列公式的要求： 验算剪验算剪- -拉联合作用：拉联合作用： 1 2 b t t 2 b v v N N N N （5.5.17） b vc V NN n （

41、5.5.18） 验算孔壁承压：验算孔壁承压： Nvb单个螺栓抗剪承载力设计值；单个螺栓抗剪承载力设计值； Ncb单个螺栓承压承载力设计值单个螺栓承压承载力设计值 Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值；单个螺栓抗拉承载力设计值； Nv 、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 例例5.7 5.7 验算如图所示，普通螺栓连接。验算如图所示，普通螺栓连接。 N=349.5kNN=349.5kN， M=17.475kN.mM=17.475kN.m。M22M22，B B级

42、，钢级，钢 材材Q235Q235。 单个螺栓抗拉承载力单个螺栓抗拉承载力 2 bbb ttt 303.4 2163.7kN 4 e e d NfA f 【解】 2b t N/mm210f 支托支托 50 50 75 75 75 75 50 60 10 N M 强度验算强度验算 先假设小偏心，以众栓形心计先假设小偏心，以众栓形心计 max max 2 min i MyN N mnmy )75150(22 15010475.17 10 105 .349 22 63 小偏心 满足 0kN65.11 ,kN7 .63kN25.58 b t N 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧

43、固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 例例5.85.8 验算如图所示，普通螺栓连接。验算如图所示，普通螺栓连接。 V=233V=233kN， N=349.5kNN=349.5kN， M=17.475kNmM=17.475kNm。 M22M22，B B级，钢材级，钢材Q235Q235。 单个螺栓抗拉承载力单个螺栓抗拉承载力 2 bbb ttt 303.4 2163.7kN 4 e e d NfA f 【解】 2b c 2b t N/mm405,N/mm210ff bb cc 22 20 305134.2kNNdtf 强度验算强度验算 支托支托 50 50 75 75 75 75 60 10

44、 N M V 50 22 bb vvv 22 1305115.94kN 44 d Nnf 233 23.3kN 10 V V N mn 2021-7-1 b c 134.2kNN 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 支托支托 50 50 75 75 75 75 60 10 N M V 50 22 b t t b V V N N N N max, 先假设小偏心，以众栓形心计先假设小偏心，以众栓形心计 max ,max 2 ,min t t i MyN N mnmy )75150(22 15010475.17 10 105 .349 22 63 小偏

45、心, 0kN65.11 kN25.58 22 7 .63 25.58 94.115 3 .22 192. 0 2021-7-1 所以满足要求 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 查查P524附表附表1.3，ftb=170N/mm2 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 例例5.10 验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。 普通螺栓普通螺栓4.6级，级，M22，孔径，孔径24mm。 N M o N1 N=245kN a) N=245kN o 柱翼缘柱

46、翼缘 节点板节点板 端板端板 N1 b) 计算模型可为（计算模型可为（a图）或（图）或（b图）。图）。 a图弯曲转动中心在螺栓群的形图弯曲转动中心在螺栓群的形 心处称小偏心；心处称小偏心； b图弯曲转动中心在端板上图弯曲转动中心在端板上1号螺栓处，称大偏心。号螺栓处，称大偏心。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 计算计算 1.内力计算内力计算 N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN-cm 2. 单个螺栓的抗拉承载力：单个螺栓的抗拉承载力： bb3 tet 303 170 1051.51kNNA f 查

47、查P524附表附表1.3，ftb=170N/mm2 查查P525附表附表1.4，Ae=303mm2 （M22螺栓有效截面面积）螺栓有效截面面积） 3. 计算危险螺栓拉力计算危险螺栓拉力 设每排螺栓有两列，设每排螺栓有两列，m=2 一共一共6排螺栓，螺栓总数排螺栓，螺栓总数12，n=12 判断大小偏心（先计算螺栓群有效截面核心距）：判断大小偏心（先计算螺栓群有效截面核心距）： 222 2 1 22 20 +2 12 +2 4 =9.33cm13cm 12 20 i my e ny 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 故可判断：故可

48、判断： 此连接属大偏心受拉此连接属大偏心受拉。 1 1max 2 b t 22222 245 33 40 45.9kN51.51kN 2403224168 i Ne y N my N N=245kN o 柱翼缘柱翼缘 节点板节点板 端板端板 N1 b) 故满足设计要求故满足设计要求 2021-7-1 构件应绕顶排螺栓转动！构件应绕顶排螺栓转动！ 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 例例5.11 验算如图所示普通螺栓连接强度。螺栓验算如图所示普通螺栓连接强度。螺栓M20，孔径，孔径 21.5mm，材料为，材料为Q235。 步骤步骤1 计算螺栓上的力

49、计算螺栓上的力 N=1003/5=60kN V=1004/5=80kN 分析螺栓受力状态分析螺栓受力状态 荷载荷载P通过螺栓截面形心通过螺栓截面形心O，分解，分解 后得剪力后得剪力V和拉力和拉力N，螺栓处于既，螺栓处于既 受拉又受剪的状态。受拉又受剪的状态。 P=100kN 5 4 3 o 计算计算 Nv=V/n=80/4=20kN Nt=N/n=60/4=15kN 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 步骤步骤3 用相关公式验算强度用相关公式验算强度 172. 0 6 .41 15 9 .31 20 22 2 b t t 2 b

50、 v v N N N N 步骤步骤2 计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值 V=80 N=60 Nv=20kN Ncb =2020305 10-3=122kN 满足设计要求满足设计要求 Ntb=Aeftb=244.8170 10-3=41.6kN Nvb=nv( d2/4) fvb =13.14202/413010-3=31.9kN 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 5.4 5.4 高强度螺栓连接的构造和计算高强度螺栓连接的构造和计算 5.4.1 高强度螺栓的工作性能和构造要求高强度螺栓的工作性能和构造

51、要求 强度等级强度等级采用钢材采用钢材 8.8级级45号钢、号钢、40B钢钢 10.9级级20MnTiB钢、钢、35VB钢钢 按材料分类按材料分类 按受力特征分类按受力特征分类 受力特征受力特征承载力极限状态承载力极限状态安装孔径安装孔径应用特点应用特点 摩擦型摩擦型外力达到板件摩擦力外力达到板件摩擦力d0=d+1.52 剪切变形小，耐疲剪切变形小，耐疲 劳，动载下不易松动劳，动载下不易松动 承压型承压型 外力超过摩擦力外力超过摩擦力 栓杆受剪栓杆受剪 板件承压板件承压 d0=d+1.01. 5 承载力比摩擦型大，承载力比摩擦型大， 剪切变形大，一般不剪切变形大，一般不 用于直接动载情况用于直

52、接动载情况 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 1.1.高强度螺栓连接工作性能高强度螺栓连接工作性能 1) 1) 抗剪连接工作性能抗剪连接工作性能 由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被 连接件中有很大的预压力，当连接受剪时，主要连接件中有很大的预压力，当连接受剪时，主要 依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力 可达到可达到1 1点。通过点。通过1 1点后，连接产生了滑移，当栓点后，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

53、到破坏。杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。 高强度高强度 螺栓螺栓 N O 1 2 3 4 1 2 3 4 普通螺栓普通螺栓 a b N N/2 N/2 对于对于高强度螺栓摩擦型高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板连接，其破坏准则为板 件发生相对滑移，因此其极限状态为件发生相对滑移，因此其极限状态为1 1点，所以点，所以 1 1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的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。抗剪承载力。 对于对于高强度螺栓承压型高强度螺栓承压型连接，允许接触面发生相连接，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对滑移，破坏准则为连接达到其极限

54、状态4 4点，点， 所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计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。算方法与普通螺栓相同。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 2 2）高强度螺栓的抗拉工作性能）高强度螺栓的抗拉工作性能 图图3.6.1 高强度螺栓受拉高强度螺栓受拉 P+ P C C a) b) 高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力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，板层之 间则有压力间则有压力C，而，而P与与C维持平衡维持平衡C = P (状态状态a)。 加荷载拉力

55、加荷载拉力Nt后，螺栓拉力从后，螺栓拉力从P增加了增加了 P，板件挤压力则由，板件挤压力则由C减减 小了小了 C (状态状态b)。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 300 250 200 150 100 50 0 50 100 150 200 250 300 Pf(kN)(kN) Nu u Nu u Nt (kN)(kN) Q Q 有橇力时的有橇力时的 螺栓破坏螺栓破坏 无橇力时的无橇力时的 螺栓破坏螺栓破坏 计算表明，当螺杆的外拉力计算表明，当螺杆的外拉力Nt为预拉力为预拉力P的的80时，螺杆内的拉力时，螺杆内的拉力 增加

56、很少，可以认为此时螺杆的预拉力基本不变。增加很少，可以认为此时螺杆的预拉力基本不变。 F 当考虑橇力影响时，螺栓杆的拉力当考虑橇力影响时，螺栓杆的拉力Pf与与 Nt的关系曲线如图：的关系曲线如图： F Nt0.5P时，橇力时，橇力Q=0； F Nt0.5P后，橇力后，橇力Q出现，增加速度先慢出现，增加速度先慢 后快。后快。 F 橇力橇力Q的存在导致连接的极限承载力由的存在导致连接的极限承载力由 Nu降至降至Nu。 F 所以，如设计时不考虑橇力的影响所以，如设计时不考虑橇力的影响, ,应使应使 Nt0.5P或增加连接板件的刚度（如设加或增加连接板件的刚度（如设加 劲肋）劲肋）。 直接承受动力荷载

57、的结构外拉力不宜超过直接承受动力荷载的结构外拉力不宜超过0.5 P 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 （1 1）高强度螺栓预拉力的建立方法）高强度螺栓预拉力的建立方法 2.2.高强度螺栓连接的构造要求高强度螺栓连接的构造要求 大六角头螺栓的预拉力控制方法有：大六角头螺栓的预拉力控制方法有： a. .力矩法力矩法 初拧初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使板件贴紧密；，使板件贴紧密； 终拧终拧初拧基础上，按初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。设计终拧力矩拧紧。 特点：简单、易实施，但得到的预拉力

58、误差较大。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。 为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉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的准确控制非常的准确控制非常 重要。重要。 b. .转角法转角法 初拧初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密； 终拧终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度， 一般为一般为120o180o完成终拧。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。特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧。 2021-7-1 第第5 5章章 钢

59、结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓） 初拧初拧拧至终拧力矩的拧至终拧力矩的60%80%； 终拧终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。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。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：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：要求较严格： 终拧力矩偏差不应大于终拧力矩偏差不

60、应大于10%10%； 如发现欠、漏和超拧螺栓应更换；如发现欠、漏和超拧螺栓应更换； 拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。 如工字型梁为：上翼缘如工字型梁为：上翼缘下翼缘下翼缘腹板。腹板。 2021-7-1 第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 )2 . 6 . 3( 2 . 1 9 . 09 . 09 . 0 ue fAP Ae螺纹处有效截面积；螺纹处有效截面积； fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取级，取fu =830N/mm2， 10.9级，取级，取fu =10