《钢结构制作与安装》课件-07-螺栓连接基础知识

螺栓连接基本知识螺栓连接基本构造1目录CONTENT螺栓连接的计算2PART01螺栓连接的构造普通螺栓基本特点（1）六角头，代号M和直径mm，钢结构上常用M16、M20、M24。（2）孔径：一类孔：严丝合缝；孔径：d+0.3～0.5mm。二类孔：可动。栓径：≤16mm时，孔径：d+1.5mm；栓径：20--24mm，孔径：d+2mm；栓径：27--30mm时，孔径：d+3mm。普通螺栓分类按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。（1）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；Ⅰ类孔（2）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；Ⅱ类孔高强度螺栓目前，我国采用8.8S和10.9S两种强度性能等级的高强度螺栓，小数点前的数字8或10表示螺栓经热处理后的最低抗拉强度“×100MPa"的近似值，二者的实际抗拉强度分别为830MPa--1030MPa和1040MPa--1240MPa；小数点后面的0.8或0.9表示螺栓经而处理的屈服比（即螺栓的条件屈服强度与最低抗拉强度的比值）。S表示螺栓，H表示螺母，螺母分为8H和10H两级。高强度螺栓根据外形来分有大六角头螺栓和扭剪型螺栓两种大六角头螺栓的现行国家标准为《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈与技术条件》（GB／T1228

1231），螺栓规格有M12、M16、M20、M22、M24、M27和M30等7种，性能等级有8.8级和10.9级两种。10.9级的螺栓材料有20MnTiB（M24）和35VB钢（M30），8.8级的螺栓材料有35号钢（M20）、45号钢(M22）和40B钢（M24）。螺栓的公称长度l＝35260mm。高强度螺栓分类钢结构施工图上应按建筑制图标准的要求用图形将螺栓及螺栓孔的施工要求表示清楚，以免引起混淆。1、定位线：“十”字线；2、标注螺栓直径及孔径。螺栓符号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。B错列A并列中距中距边距边距端距螺栓的排列形式螺栓的排列螺栓排列的要求1、受力要求（1）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；（2）顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；（3）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。螺栓的排列1、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；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，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。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；螺栓连接的构造要求1、普通螺栓（1）施工简单，拆装方便（2）承载力较低（3）费工一般用Q235钢材做成（4）一般用于次要的连接材料性能等级4.6普通螺栓与高强螺栓连接的区别和联系2、高强螺栓性能等级8.8级10.9级45号钢、35号钢3、高强螺栓受力前，内有很大的预拉力PPART02螺栓连接的计算FNFA只受剪力B只受拉力C剪力和拉力共同作用N三种基本受力形式（1）受剪螺栓连接

1.受力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δ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。NδO1234NNabNN/2N/2

(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。NδO1234abNN/2N/2

(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-δ关系以曲线状态上升。

NδO1234abNN/2N/2(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N/2NN/2NNNN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2dONN（5）栓杆弯曲破坏螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d这两种破坏构造解决N/2NN/2※3、抗剪螺栓的单栓承载力设计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:（1）抗剪承载力：（2）孔壁承压承载力：（3）单栓抗剪承载力：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（P212附表1.3）；∑t—连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。剪切面数目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算N/2Nl1N/2平均值螺栓的内力分布试验证明,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。（1）连接所需螺栓个数为：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η与l1/d0的关系曲线。ECCS试验曲线8.8级M22我国规范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值长连接螺栓的内力分布故，连接所需栓数：NNbtt1b1普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。A、螺栓采用并列排列时:主板的危险截面为1-1截面:11净截面验算拼接板的危险截面为2-2截面:NNbtt1b11122NNtt1bc2c3c4c1螺栓采用错列排列时:主板的危险截面为1--1和1’--1’截面:111’1’NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危险截面为2--2和2’--2’截面:22221.普通螺栓抗拉连接的工作性能普通螺栓的抗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。N2.单个普通螺栓的抗拉承载力设计值式中：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。N3.普通螺栓群的轴拉设计一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：N4.普通螺栓群在弯矩作用下M刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴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：M刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴由式得:将式代入式得:因此，设计时只要满足下式，即可：5.普通螺栓群在偏心拉力作用下

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。刨平顶紧承托(板)FeN1F1234FMy1y2y3N1MN2MN3MM=F·e中和轴N4M6.普通螺栓拉、剪联合作用011VeM=VeV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：011ab一、高强度螺栓的工作性能及单栓承载力按受力特征的不同，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。1、高强度螺栓预拉力的建立方法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/mm23.高强度螺栓摩擦面抗滑移系数μ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μ；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μ,如下表（依据最新规范）试验表明，高强度螺栓连接的抗滑移系数会随着被连接构件接触面间的压紧力减小而降低，故与物理学中的摩擦系数有区别。摩擦面的抗滑移系数受到多种因素的影响，不同的施工工艺、施工水平对抗滑移系数影响较大，会明显影响结构的施工质量，主要受到以下几个方面的影响：(1)摩擦面处理方法及生锈时间高强度螺栓摩擦面的常用处理方法有喷砂（丸）、酸洗、砂轮打磨和钢丝刷人工除锈几种方法，不同的处理方法得到的构件表面粗糙度不同，其摩擦面的抗滑移数值有所变化；另外摩擦面处理后经生锈的表面粗糙度普遍高于未经生锈摩擦面的表面粗糙度，也即生成浮锈后摩擦面抗滑移系数值要大于未生锈的，根据不同的处理方法一般要大10%—30%。一般的最佳生锈时间为60d，除掉浮锈后进行工地安装效果更好。抗滑移系数影响因素(2)摩擦面状态连接板摩擦面状态如表面涂防锈漆、面漆、防腐涂层、镀锌等都对摩擦面抗滑移系数有重要影响，一般来讲，对重要的受力节点，在摩擦面处限制或禁止使用涂层，涂层对摩擦面抗滑移系数有降低的影响，同时由于涂层在高压下的蠕变引起螺栓轴向预拉力的损失，从而导致连接承载力的降低。试验证明，摩擦面涂红丹防锈漆后

＜0.15，即使经处理后仍然很低，故严禁在摩擦面上涂刷红丹。另外连接在潮湿或淋雨条件下拼装，也会降低

值，故应采取有效措施保证连接处表面的干燥。(3)连接板母材钢种连接板钢种强度及硬度对摩擦面抗滑移系数有一定的影响，随着强度及硬度的提高而增大，就目前国内常用的Q235及Q345钢而言，Q345钢的表面抗滑移系数要比Q235钢高约15%—25%。钢材表面经喷砂（丸）除锈后，表面看来光滑平整，实际上金属表面存在着微观的凹凸不平，高强度螺栓连接在很高的压紧力作用下，被连接构件表面将相互啮合。钢材强度和硬度愈高，要使这种啮合的接触面产生滑移的力就愈大。(4)连接板厚度摩擦面抗滑移系数随着连接板厚度的增加而区域减小，比如连接板厚度为16mm的摩擦面抗滑移系数值要比9mm的低10%左右。(5)环境温度钢结构材料在高温下变软，抗滑移系数也明显降低，试验表明，在200℃时，抗滑移系数较常温降低约9%—16%，当温度上升到350℃时则下降30%，当温度上升到450℃时下降70%。因此，一般要求摩擦型高强度螺栓连接的环境温度不超过350℃。(6)摩擦面重复使用试验结果表明，滑移以后的摩擦面栓孔周围的粗糙面变得平滑发亮，其抗滑移系数降低3%—30%，平均降低20%。1.试验设备材料万能试验机（≥1000kN）、压力传感器或贴有电阻应变片的高强度螺栓、电阻应变仪。2.试验方法试验方法为：

GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范附录B3.适用范围螺纹规格d：大六角头M12～M30；扭剪型M16～M24。4.试验要求（1）工程量每2000t为一批，不足2000t可视为一批，每批三组试件（12套螺栓）（2）试验用的试件与所代表的钢结构构件应为同一材质、同批制作、采用同一摩擦面处理工艺；（3）拼接试件连接螺栓孔d0应大于螺栓直径d；（4）对装好压力传感器或贴好应变片的高强度螺栓，将螺母逐步拧紧，实测控制螺栓的预拉力应在0.95P～1.05P之间（P为高强度螺栓设计预拉力值）；（5）对于扭剪型高强度螺栓不进行预拉力实测时，可按同批复验预拉力的平均值取用。

摩擦面抗滑移系数检测摩擦面抗滑移系数测试连接试件5.试验过程试验步骤：（1）将组装好的试件装夹在试验机上，试件的轴线必须与试验机夹具中心对中；（2）先加载抗滑移设计荷载值的10％，停1分钟后，再平稳加载，直到拉滑动破坏为止，此时记录下滑移荷载值NV；滑动破坏情况可视为下列情况之一：（1）试件侧面画线发生错动；（2）荷载－位移曲线上发生突变或波动折线；（3）试件突然发生“嘣”的响声。

抗滑移系数计算抗滑移系数，应根据试验所测得的滑移荷载NV和螺栓预拉力P的实测值，按下式计算：

式中NV——由试验测得的滑移荷载（kN)；

nf——摩擦面面数，取2；

P1

——试件滑移一侧高强度螺栓预拉力实测值之和（kN)；

m——试件一侧螺栓数量，取2。例题FFM16大六角头高强螺栓，10.9S级，摩擦面处理方法为喷砂后生赤锈，连接板件为Q235-A(u=0.45)3组抗滑移系数试件的检测值见表123滑移荷载(kN)265.3270.6247.9滑移侧螺栓预拉力(kN)102.0100.1104.1103.6103.0100.1摩擦面抗滑移系数检测常见问题（1）试件的板件厚度（2）设计抗滑移系数取值较大，检测达不到要求高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承载力(1)抗剪连接工作性能受力过程与普通螺栓相似，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—δ曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段远远大于普通螺栓。高强度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/2A、对于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γR的倒数(γR=1.111);nf—传力摩擦面数目;

μ--摩擦面抗滑移系数;P—预拉力设计值.（2）抗剪连接单栓承载力高强度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/2B、对于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。NδO12341234高强度螺栓普通螺栓单栓抗剪承载力：抗剪承载力：承压承载力：5.高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力当外拉力为零，即N=0时：P=C；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，由力及变形协调得：NPCP+△P=PfC-△C=CfNtAb—栓杆截面面积；Ap—板件挤压面面积；δ—板叠厚度。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的多，近似取AP/Ab=10，得：显然栓杆的拉力增加不大。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：P+△P=PfC-△C=CfNtA、摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为：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）。30025020015010050050100150200250300Pf(KN)Nu’NuNt(KN)2NNNQQ19518.8级M22P=150KNQ有橇力时的螺栓破坏无橇力时的螺栓破坏B、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。（1）高强度螺栓摩