水工钢结构-3钢结构的连接(螺栓)

1、 普通螺栓的构造和计算Bolted Connections一、概述一、概述二、普通螺栓连接的构造二、普通螺栓连接的构造三、普通螺栓的受剪连接三、普通螺栓的受剪连接四、普通螺栓的受拉连接四、普通螺栓的受拉连接五、普通螺栓受剪力和拉力的联合作用五、普通螺栓受剪力和拉力的联合作用螺栓的种类：螺栓的种类：普通螺栓普通螺栓六角头，六角头，Q235钢制造。分为精制螺栓、粗制螺栓。钢制造。分为精制螺栓、粗制螺栓。 精制螺栓（精制螺栓（A、B级）：加工精度高，栓径与孔径之差为级）：加工精度高，栓径与孔径之差为0.50.8mm，I类孔。其抗剪性能好，但成本较高。材料性能等级为类孔。其抗剪性能好，但成本较高。材料

2、性能等级为5.6S、8.8S。 A级级 d24mm， B级级 d24mm。 粗制螺栓（粗制螺栓（C级）：加工精度低，栓径与孔径之差为级）：加工精度低，栓径与孔径之差为11.5mm，II类类孔。其抗剪性能较差，但成本较低。材料性能等级为孔。其抗剪性能较差，但成本较低。材料性能等级为4.6S、4.8S。 注：注：4.6级（级（4.6S), 4表示螺栓抗拉强度为表示螺栓抗拉强度为400MPa，.6表示屈服强度与表示屈服强度与抗拉强度之比。抗拉强度之比。 高强螺栓高强螺栓中碳钢或合金钢经热处理（淬火并回火），中碳钢或合金钢经热处理（淬火并回火）， 强度较高。材料性能等级为强度较高。材料性能等级为8.8

3、S和和10.9S。 材质一般为材质一般为45号钢、号钢、 20MnTiB、40B。 分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接 螺栓孔的类别螺栓孔的类别 I 类孔类孔在装配好的构件上按设计孔径钻成；在装配好的构件上按设计孔径钻成； 在单个构件上分别用钻模按设计孔径钻成；在单个构件上分别用钻模按设计孔径钻成； 在单个构件上先钻成或冲成较小孔径，装在单个构件上先钻成或冲成较小孔径，装 配配 好后再扩钻至设计孔径。好后再扩钻至设计孔径。 II类孔类孔在单个的构件上一次冲成或不用钻模钻成在单个的构件上一次冲成或不用钻模钻成 设计孔径。设计孔径。 精制螺栓连接要

4、求精制螺栓连接要求 I 类孔，孔径比栓径大类孔，孔径比栓径大0.50.8mm。 粗制螺栓连接可用粗制螺栓连接可用 II 类孔，孔径比栓径大类孔，孔径比栓径大1.01.5mm。 高强螺栓孔应采用钻成孔，不能为冲成孔。摩擦型高强螺栓孔径比高强螺栓孔应采用钻成孔，不能为冲成孔。摩擦型高强螺栓孔径比栓径大栓径大1.52.0mm。承压型高强螺栓孔比栓径大。承压型高强螺栓孔比栓径大1.01.5mm。 常用螺栓直径：常用螺栓直径：M16，M18，M20，M22，M24, M27, M30 mm 螺栓排列：1. 最小容许距离 中距中距 s 3d0 确定原则在垂直于受力方向，保证钢材净截面抗拉强度大于或等于螺栓

5、孔壁钢材的承压强度；在顺受力方向，保证孔间钢材净截面抗剪强度大于或等于螺栓孔壁的承压强度。 端距端距 s 2d0 确定原则保证端部钢材的抗剪强度大于等于螺栓孔壁钢材的承压强度。 边距边距 轧制边轧制边 s 1.2d0 ；切割边切割边 s 1.5d0 （考虑切割尺寸误差） 确定原则保证净截面抗拉强度大于或等于毛截面的屈服强度。端距端距端距端距中距中距边距边距线距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0端距端距边距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距2. 最大容许距离 中距中距 受压时受压时 s 12d0 或或 18t （保证不失稳） 受拉时受拉时

6、s 16d0 或或 24t （保证钢材间紧密贴合， 防止潮气侵入引起锈蚀） 外排外排 s 8d0 或或 12t 端距、边距端距、边距 s 4d0 或或 8t 3. 排列方式 并列布置紧凑、整齐、简单，接头尺寸小 错列布置松散，接头尺寸大，但可减少螺栓孔对截面的削弱程度。 为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端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；不宜少于两个永久螺栓；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；施以防螺帽松动； C C级螺栓

7、宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于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：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。 型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，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；应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；螺栓的受力类形：受剪、受拉、既受剪又受拉螺栓的受力类形：受剪、受拉、既受剪又受拉普通螺栓的受剪连接1 受剪螺栓的工作性能及破坏形式受剪螺栓的工作性能及

8、破坏形式四个阶段：四个阶段： 摩擦传力摩擦传力 01 ; 滑移阶段滑移阶段 12 栓杆传力栓杆传力 23 ; 破坏破坏 3以后以后剪力螺栓破坏的5种形式螺栓连接的计算步骤：螺栓连接的计算步骤：计算单个螺栓的承载力计算单个螺栓的承载力确定螺栓数量确定螺栓数量螺栓排列螺栓排列净截面强度验算净截面强度验算d2 单个普通螺栓的受剪计算单个普通螺栓的受剪计算按螺栓抗剪按螺栓抗剪 按孔壁承压按孔壁承压 单个螺栓的承载力单个螺栓的承载力 )(42bbvvbvfdnN)(bcbcbcf tdNbcbvbNNN,minmin总厚度的最小值。同一受力方向承压钢板 t3 普通螺栓群受剪连接计算普通螺栓群受剪连接计算

9、（1） 普通螺栓群轴心受剪普通螺栓群轴心受剪所需螺栓数目所需螺栓数目 假定所有螺栓受力相等假定所有螺栓受力相等 （ ） 沿受力方向螺栓中心间的总距离沿受力方向螺栓中心间的总距离 l115d0 （孔径）时，螺栓受力（孔径）时，螺栓受力不均匀，端部螺栓受力最大，先破坏，然后依次向内逐个破坏（不均匀，端部螺栓受力最大，先破坏，然后依次向内逐个破坏（“解解纽扣现象纽扣现象”）。规范对此予以折减：）。规范对此予以折减：当当l115d0 时时 当当l160d0 时时 当采用搭接或拼接板的单面连接传递轴心力，考虑偏心影响，应当采用搭接或拼接板的单面连接传递轴心力，考虑偏心影响，应将螺栓数目按计算增加将螺栓数

10、目按计算增加10%。bNNnmin011501 . 1dl7 . 00115dl bNNnmin 被螺栓孔削弱的构件净截面强度验算：被螺栓孔削弱的构件净截面强度验算： 并列布置时并列布置时 错列布置的螺栓群，还应考虑沿齿状错列布置的螺栓群，还应考虑沿齿状净截面的破坏。净截面的破坏。 由图可能沿直线净截面由图可能沿直线净截面1、齿状净截、齿状净截面面1a、1b破坏。破坏。An应取最小值。应取最小值。 fANn搭接连接的偏心效应tdnAAn01螺栓群在扭矩作用下的螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算抗剪计算基本假定：基本假定： 被连接构件是绝对被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是刚性的，而螺栓则是弹性的；弹

11、性的； 各螺栓绕螺栓群形各螺栓绕螺栓群形心心o旋转，其受力大旋转，其受力大小与其至螺栓群形心小与其至螺栓群形心o的距离的距离r成正比，力成正比，力的方向与其至螺栓群的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直。形心的连线相垂直。（2） 普通螺栓群受扭 平衡条件：平衡条件： 根据螺栓受力大小与其至形心根据螺栓受力大小与其至形心o的距离的距离r成正比条件：成正比条件： 得：得：1122TTTnnTN rN rN r 1212nTTTnNNNrrr 111min222TbiiiTrTrNNrxy（3）普通螺栓群偏心受剪（同时受剪和受扭）由扭矩由扭矩T=Fe引起的剪力：引起的剪力：由轴心力由轴心力F引起的剪力：

12、引起的剪力：22112211 iiTyiiTxyxxTNyxyTNbFTyTxNNNNmin21121)()(nFNF1（4）普通螺栓群在扭矩、剪力、轴心力作用下的抗剪计算1111TTxyNNr1VyNV n在扭矩作用下，螺栓1受力：1111TTyxNNr在剪力V和轴心力N作用下，螺栓均匀受力：1NxNN n则螺栓1承受的最大剪力N1应满足：2211111min()()NTVTbxxyyNNNNNN例题3-7普通螺栓的受拉连接普通螺栓的受拉连接1. 受拉工作性能受拉工作性能2. 单个螺栓的承载力单个螺栓的承载力轴心受拉轴心受拉 btebtebtfdfAN42dedndmd133()24eddP

13、P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，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：1 22bttbvvNNNN同时受拉和受剪3. 普通螺栓群的计算普通螺栓群的计算轴心受力时，假定各螺栓轴心受力时，假定各螺栓均匀受拉：均匀受拉：btNNn 倾斜受力时，通常由承托倾斜受力时，通常由承托板分担竖向分力板分担竖向分力cosNV btbtNNNHnsin（1） 轴心受拉轴心受拉承托板与柱翼缘角焊缝连接承托板与柱翼缘角焊缝连接wfefAV35. 1（2） 螺栓群受弯矩螺栓群受弯矩受

14、力特点：受力特点：螺栓间距很大(中距3d0)，受拉螺栓只是孤立的几个螺栓点，而钢板受压区则是宽度较大的实体矩形面积。中和轴通常在最下排螺栓之下的某个位置(负弯矩情况)。因此, 实际计算时可近似并偏安全地取中和轴位于最下排螺栓O处，即认为连接变形为绕O处水平轴转动，螺栓拉力与O点算起的纵坐标yi成正比。（弯矩方程中，忽略端板受压区的影响）螺栓 i 的拉力最大拉力 nniinniiyNyNyNyNMyNyNyNyN 221122112iiiyMyNbtiNyMyN211（3） 螺栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉偏心较小，即弯矩较小，全部螺栓受拉。偏心较小，即弯矩较小，全部螺栓受拉。偏心较大，即弯矩较大，

15、在端板底部将出现受压区。偏心较大，即弯矩较大，在端板底部将出现受压区。021min21maxibtiyNeynNNNyNeynNN偏心较小偏心较小偏心较大偏心较大 中和轴位于最下排螺栓O处btiNyyNeN2 11)(12nyyei(4) 螺栓群同时受剪力和拉力每个螺栓的剪力为：bcvNnVN按(2)或（3）的方法计算每个螺栓的拉力1 22bttbvvNNNN例题3-8 高强螺栓高强螺栓 高强螺栓，通过拧紧螺母，在螺杆中施加很大的预拉力，此预高强螺栓，通过拧紧螺母，在螺杆中施加很大的预拉力，此预拉力将连接件夹紧，使接触面间产生很大摩擦阻力，抵消外荷载产拉力将连接件夹紧，使接触面间产生很大摩擦阻

16、力，抵消外荷载产生的剪力。生的剪力。高强螺栓承压型连接高强螺栓承压型连接 剪力超过摩阻力时，构件之间产生相对滑动，螺杆和孔壁接触，由摩阻力、螺杆剪力、承压力共同传力。以螺栓剪坏或孔壁承压破坏为承载力极限状态。类似于普通螺栓的受力性能。高强螺栓摩擦型连接高强螺栓摩擦型连接 完全依靠被连接件间的摩阻力传力，当剪力等于最大摩擦力时即为承载能力极限状态。使用于动载结构。预拉力控制方法：扭矩法、扭剪法、转角法。 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 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

17、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的准确控制的准确控制非常重要。非常重要。b 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

18、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。扭剪型高强度螺栓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，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：因此施工要求较严格：终拧力矩偏差不应大于终拧力矩偏差不应大于10%10%；如发现欠、漏和超拧螺栓应更换

19、；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。eu0.90.90.91.2PA fAe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 =1040N/mm2高强度螺栓预拉力的确定高强度螺栓预拉力的确定高强螺栓的预拉力设计值由下式确定高强螺栓的预拉力设计值由下式确定 考虑材料的不均匀性的折减系数考虑材料的不均匀性的折减系数0.90.9；为防止施工

20、时超张拉导致螺杆破坏的折减系数为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.90.9； 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除以系数1.21.2。附加安全系数附加安全系数0.90.9。高强度螺栓和普通螺栓连接受力的主要区别：高强度螺栓和普通螺栓连接受力的主要区别： 普通螺栓连接的螺母拧紧的预拉力很小，受力后全靠螺杆承普通螺栓连接的螺母拧紧的预拉力很小，受力后全靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。压和抗剪来传递剪力。 高强度螺栓是靠拧紧螺母，对螺杆施加强大而受控制的预拉高强度螺栓是靠拧紧螺母，对螺杆施加强大而受控制的预拉力，此预拉力将

21、被连接的构件夹紧，这种靠构件夹紧而使接触面间力，此预拉力将被连接的构件夹紧，这种靠构件夹紧而使接触面间的摩擦阻力来承受连接内力是高强度螺栓连接受力的持点。的摩擦阻力来承受连接内力是高强度螺栓连接受力的持点。电动扳手-初拧、复拧、终拧扭矩扳手-检查 试验证明，摩擦面涂红丹防锈漆后，抗滑移系数小于试验证明，摩擦面涂红丹防锈漆后，抗滑移系数小于0.150.15，故，故摩擦面应摩擦面应严禁涂红丹严禁涂红丹。另外，连接在潮湿或淋雨条件下拼装，也会。另外，连接在潮湿或淋雨条件下拼装，也会降低降低 值，故应采取有效措施保证连接处表面的干燥。值，故应采取有效措施保证连接处表面的干燥。摩擦型高强螺栓摩擦型高强螺

22、栓单个螺栓抗剪承载力单个螺栓抗剪承载力单个螺栓抗拉承载力单个螺栓抗拉承载力PnPnNfRfbv9 . 0PNbt8 . 0 R=1.111高强螺栓群连接的计算高强螺栓群连接的计算（1 1）轴心受剪）轴心受剪设一侧的螺栓数为设一侧的螺栓数为n，平均受，平均受剪，承受外力剪，承受外力N。轴力通过螺。轴力通过螺栓群的形心，所需螺栓数目：栓群的形心，所需螺栓数目： 分析方法和计算公式与普通螺栓同。分析方法和计算公式与普通螺栓同。高强度螺栓群受剪高强度螺栓群受剪对于摩擦型连接：对于摩擦型连接：bvNNn（2 2）高强度螺栓群非轴心受剪）高强度螺栓群非轴心受剪在扭矩或扭矩和剪力共同作用时的抗剪计算方法与普

23、通螺栓群在扭矩或扭矩和剪力共同作用时的抗剪计算方法与普通螺栓群相同，但应该采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。相同，但应该采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。1n (1-0.5)nnNfA高强度螺栓群受拉高强度螺栓群受拉（1 1）轴心受拉）轴心受拉对于摩擦型连接：对于摩擦型连接：PN8 . 0btbtNNn 高强度螺栓连接所需的螺栓数目：高强度螺栓连接所需的螺栓数目：（2 2）高强度螺栓群受弯矩作用）高强度螺栓群受弯矩作用由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力P P，故在弯矩作用，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

24、，可认下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认为是一个整体为是一个整体, ,所以所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧，最外侧螺栓受力最大。螺栓受力最大。MM1 2 3 4y1y2N1N2N3N4受压区受压区中中和和轴轴nnyNyNyNM2211由力学知识可得：由力学知识可得：nnyNyNyNyN332211b11t21niiM yNNy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：b11t21niiM yNNNnyNe1 2 3 4M=NeNy1y2N1N2N3N4中中和和轴轴M作用下作用下N作用下作用下（3 3）高强

25、度螺栓群偏心受拉）高强度螺栓群偏心受拉偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于0.80.8P P，以，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叠加法计算用叠加法计算: :高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力共同作用下高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力共同作用下1 1号螺栓受到最大拉力，应满足：号螺栓受到最大拉力，应满足：PyMynNN8 . 02i1t（1 1）摩擦型连接的计算）摩擦型连接的计算MNV1 2 3 4M=NeNy1y2N1N2N3N4中中和和轴轴M作用下作用下N作用下作用下VV作用下作用下tvbbtv1NNNN承受剪力和拉力作用时，应满足：承受剪力和拉力作用时，应满足：摩擦型连接高强度螺栓的内力分布摩擦型连接高强度螺栓的内力分布tvNPnN25. 19 . 0f将将Nbv=0.9nf P 和和Nt0.8P带入上式得：带入上式得：bttbvvNNNN1可改写为：可改写为：2ityMynNNii 在弯矩和拉力共同作用下，高强螺栓群中的拉力各不相同，即：在弯矩和拉力共同作用下，高强螺栓群中的拉力各不相同，即： 当当Nti