钢结构3(螺栓)xin.ppt

1、第3章 钢结构的连接,螺栓连接的构造 普通螺栓连接 高强度螺栓连接,3-6普通螺栓的构造和计算,3.6.1螺栓的排列和其他构造要求,一、螺栓的排列 螺栓的排列应简单、统一、整齐而紧凑； 通常分为并列和错列两种形式,螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求：,受力要求,构造要求,施工要求,螺栓或铆钉的最大、最小容许距离 P49（表3.4）,二、螺栓的其他构造要求,每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。但对于组合构件的缀条，其端部连接可采用一个螺栓。,对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。,由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆

2、轴方向受拉的连接。,其他,3.6.2普通螺栓的受剪连接,普通螺栓连接按受力情况可分为三类：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力的共同作用。,一、受剪连接的工作性能,摩擦传力的弹性阶段,滑移阶段,栓杆直接传力的弹性阶段,弹塑性阶段,（1）单个螺栓受剪时的工作性能 如图：螺栓工作分以下三阶段, 弹塑性工作阶段(2后) 螺杆与孔壁接触、挤 压。, 相对滑移阶段(1-2) 传递的剪力大于摩擦 力，连接板间相对滑移。, 弹性工作阶段(0-1) 传递的剪力小于板间的摩擦阻力，连接板间相对位置保持不变。,图3-51,（2）单个抗剪螺栓的破坏形式 a)螺杆被剪断 b)连接件半孔壁挤压破坏 c)钢

3、板拉（压）断 d)钢板剪坏 e)螺杆弯曲破坏,（3）单个螺栓的承载力,分螺栓抗剪和螺栓承压两种情况：,受轴力作用螺栓群 剪力分布,螺栓的承压面,t连接件最小承压总厚度 fcb螺栓承压设计强度,（ ）,（ ）, 螺杆抗剪,Nvb一个螺栓的抗剪设计承载力 nv 受剪面数目。单剪nv=1，双剪nv=2 d 螺杆直径 fvb 螺栓抗剪设计强度，可查表。, 螺杆承压,说明,d) 上述承载力未计入摩擦。,b ) Nvb 计算式中的受剪面数nv (图中nv =4),a) 螺栓承载力是 Nvb和 Ncb中之最小值。,c) t取 a+b+c和d+e 之间的最小值。,（1）基本假定 不计螺杆弯曲和受拉变形、不计板

4、间磨擦； 所有螺栓均匀受力（考虑塑性和连接长度 l115倍螺孔直径d0）； 轴心力（外力）通过螺栓群中心。,（2）目标 确定螺栓数目n和排列。,2、螺栓群受轴心力作用,（3）验算公式,（a）,此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力N最近的一排螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保证其安全，将承载力乘降低系数。 有设计计算式（b）：, l115d0情况,n 所需螺栓数 N 轴心力 Nbmin Nvb和Ncb 中之较小值, l115d0情况,关于按l115d0 、 l115d0 划分情况进行设计，以及相应的计算式和取值，对于铆钉和高强螺栓也是适用的。,（b）,（4）排列设计连接件静截面验算

5、连接件受力变化图, 验算公式,N 连接件上的轴力 An 连接件截面的净截面面积 A 连接件截面的毛截面面积 f 连接板钢材抗拉强度设计值 n 截面上的螺栓数 d0 螺孔直径, 螺栓错开排列时的比较验算,除对1-1截面验算外，还应对2-2截面进行比较验算。 因此，使用上述式计算时，其中An应取An1 和An2中的较小值。,2-2线总长： 扣除螺孔直径后： n22-2线截面上的螺孔数,M,3、螺栓群受扭矩作用计算,(1)基本假设 连接件绝对刚性 螺栓弹性 螺栓绕螺栓群形心转动，受力大小与螺栓至形心的距离r成正比，方向与它和形心的连线垂直。,o,由平衡条件：（n个螺栓） 判定螺栓1是危险螺栓（图3-

6、55）， 最大剪力N1。由假设， 于是， 将（b）式代入（a），得用N1表达的T式：,（a）,（b）,（2）螺栓受力特性,（3）剪力计算公式,承受剪力,i,Ni,ri,M,xi第i个螺栓中心的x坐标,将式N1代入，得,把N1沿x、y方向分解，有,（4）对上式的简化,yi第i个螺栓中心的y坐标,（3-31）,是 和 中的较小值（单个螺栓承载力）。,（3-28）,（3-31）,当y3x时，略去x的所有项，有近似的简化式:,（5）设计条件,4、螺栓群受扭矩、剪力共同作用计算 螺栓群偏心受剪就属此类。这类状态在工程中多见。,+,=,合成后，得,(3-32),状态,状态,状态,5、抗拉螺栓计算 （1）受

7、轴力作用的抗拉螺栓 单个螺栓抗拉承载力和设计条件 Ntb = Ae ftb Ntb单个螺栓抗拉承载力 Ae 螺栓螺纹处的有效面积 ftb螺栓的抗拉允许应力值 Nt Ntb Nt单个螺栓受到的拉力, 受轴向拉力作用的抗拉螺栓,验算公式 n需要的螺栓数 N总外拉力,（3-33）,（2）弯矩作用下的抗拉螺栓 假定,由几何关系，有,由平衡条件, 危险螺栓上的拉力,上排螺栓（1号）最危险。,螺栓群绕最下一排螺栓轴线（O点）旋转（上部易脱开，转动中心下移）。设螺栓布置有m列，一列螺栓受到的弯矩为M/m。,得,(3-36), 设计条件,式（3-36）中， N1由弯矩M产生的1号螺栓上 的轴心拉力； y11号

8、螺栓到旋转中心O的距离； yi第i号螺栓到O点的距离； yi2各排螺栓到O点距离的平方和。,（3-31）,*（2）弯矩作用下的抗拉螺栓,分析：,图中的剪力V通过承托板传递；,实际计算时可近似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y成正比。在对O点水平轴列弯矩平衡方程时，偏安全地忽略了力臂很小的端板受压区部分的力矩。,（3）普通螺栓群偏心受拉,螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯知M=Ne的联合作用。按弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。,小偏心受拉,在计算时轴心拉力N由各螺栓均匀承受；弯矩M则引起以螺栓群

9、形心O为中和轴的三角形内力分布，使上部螺栓受拉，下部螺栓受压；叠加后全部螺栓均受拉。,a b,式b为公式使用条件，由此式可得,令 为螺栓有效截面组成的核心距，则当e时为小偏心受拉。,大偏心受拉,当 偏心距e较大时，e时，在端板底部将出现受压区。与受弯情形类似，仿式（3.46）偏安全取中和轴位于最下排螺栓O处，按相似步骤列对O点的弯矩平衡方程，可得：（最上排螺栓1的拉力最大）,6、 同时受拉、受剪的螺栓计算,力矩M作用下，1号螺栓受到的拉力：,剪力V作用下1号螺栓受到的剪力,（b）,（c）,满足式（c）时，保证螺栓本身不会被剪坏和拉坏。但不一定能保证螺栓不承压破坏。因此，还需满足 NvNcb,用

10、相关公式（右图）作近 似验算,7、算例,7、算例 （1）例1： 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M22，孔径23.5mm。,o,柱翼缘,节点板,端板,N1,b), 计算危险螺栓拉力 设每排螺栓有两列，m=2。 一共6排螺栓，螺栓总数12，n=12。,解 判断 大小偏心受拉, 计算荷载 N=150kN，e=13cm，,M引起的1点拉应力： N1M=My1/(m yi2),e=33cm，m=2，y1=40cm,yi2=402+322+242+162+82 =3520cm2,把数据代入式，, 强度判断 N1 Ntb （28.130.14) 满足强度要求。, 确定螺栓承载力设计值

11、Ntb,Ntb =Ae ftb 查附表4-2， ftb =110N/mm 查附表4-5，Ae=274 mm2 （M22螺栓计算净截面面积） Ntb=27411010-3=30.14kN,（2）例2: 验算如图所示普通螺栓连接强度。螺栓M20，孔径21.5mm，材料为A3F。 解, 计算螺栓上的力 N=803/5=48kN V=804/5=64kN, 分析螺栓受力状态 荷载P通过螺栓截面形 心O，分解后得剪力V和拉 力N，螺栓处于既受拉又受 剪的状态。, 用相关公式验算强度 满足要求。,Nv=V/n=64/4=16kN Nt=N/n=48/4=12kN, 计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值 Ntb

12、=Ae ftb =218110 10-3=23.98kN Nvb =nvA fvb =13.14202/48010-3=25.12kN,及 Nv=16kNd t fcb =2020170 10-3=68kN,满足要求。,3.7 高强度螺栓连接的计算,摩擦型 承压型,分类：,特点： 预拉力很大，依直径等级不同，可达80355kN。,高强螺栓是高强螺栓和配套螺母、垫圈的合称，强度等级10.9和8.8级。,3.7 高强度螺栓连接的计算,摩擦型 连接件间的剪力完全靠摩擦力传递。 以剪力等于摩擦力为设计极限状态。 连接件间不允许相互滑动，变形小。 工艺保证措施：喷砂，使=0.30.55。,分类：,承压型

13、连接件间允许相互滑动。 荷载较小时连接件间无滑动，剪力由摩擦力和螺杆抗剪共同传递。 当荷载很大时，连接件间有较大塑性变形。 接近破坏时，连接件间有相对滑动。,承压型连接件间允许相互滑动。 摩擦只起推迟滑移作用。剪力由螺杆传递，其特点与普通螺栓相同。因此，有与普通螺栓相同的极限状态： 螺栓剪坏 孔壁挤压坏 构件被拉断 变形大,不适于受动荷载的连接。抗拉时与普通螺栓相同，但变形小，可减少锈蚀，改善疲劳性能。,1、确定预拉力P数值(可查表） 使螺栓中的拉应力接近于所用材料的屈服点（fy）,考虑材料不均匀系数0.9、超张拉系数0.9和剪应力（拧螺母时产生）引起的承载力降低系数1.2，预拉力计算式为：,

14、fy高强螺栓经热处理后的最低屈服强度； Ae螺栓有效面积,3.7.1 高强螺栓的预拉力的建立,3.7.2 预拉工艺扭螺帽,（1）扭矩法 工具能显示扭矩的搬手。 先标定搬手的扭矩值T与螺杆拉力关系。,d螺栓直径 k系数。由预先标定得出 P预拉力 根据预拉力确定出T，施工时用T控制。上紧螺栓按初拧和终拧二阶段进行。初拧扭矩不得小于终拧扭矩的30%，常为50% 。,（2）转角法 先用普通扳手把连接件拧紧密，称初拧。 以初拧位置为起点，用电动或风动扳手将螺帽扭1/22/3圈，达到终拧角度。螺栓的拉力即达到预拉力。终拧角度根据螺栓直径，连接件厚度通过实测确定。方法简单，但常常出现予拉力比设计值高。 （3

15、）张拉法 （4）扭角法 （5）扭剪型高强螺栓,1、单个高强螺栓抗剪承载力设计值 Nvb = 0.9P nf Nvb 单个高强螺栓抗剪承载力设计值 P 预拉力 抗滑移（摩擦）系数，查表 nf 传力摩擦面数,3.7.3 摩擦型高强螺栓的计算,抗剪承载力由摩擦力确定。,摩擦型高强螺栓连接计算 受剪连接计算 一个螺栓抗剪承载力设计值 连接所需螺栓数 净截面强度：考虑50孔前传力,受拉连接高强螺栓计算 由于高强螺栓的基本承载力为摩擦力，而摩擦力预正压力有关，为保证板件间保留一定的压紧力规范规定: 受弯连接计算（形心轴在中排） 拉、剪共同作用连接计算,同时承受剪力和拉力连接的承载力： 规范规定，当高强度螺

16、栓摩擦型连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时，其承载力应按下式计算：,两个公式是等价的。式中的Nv是同时作用剪力和拉力时，单个螺栓所能承受的最大剪力设计值，即一个螺栓抗剪承载力设计值NVb。,3.7.4 高强度螺栓承压型连接计算,受剪承载力设计值,承压承载力设计值,受拉连接承载力,同时承受剪力和拉力连接的承载力,3.7.5 高强度螺栓群的计算,一、高强度螺栓群受剪 1、轴心受剪 高强度螺栓连接所需螺栓数目应由下式确定：,2、高强度螺栓群的非轴心受剪高强度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用时的抗剪计算方法与普通螺栓群相同，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。,二、高强度螺栓群受拉

17、 1、轴心受拉高强度螺栓群连接所需螺栓数目：,2、高强度螺栓群受弯矩作用： 高强度螺栓的外拉力总是小于预拉力P，在连接受弯矩而使螺栓沿栓杆方向受力时，被连接构件的接触面一直保持紧密贴合；因此，可认为中和轴在螺栓群的形心轴上，最外排螺栓受力最大。最大拉力及其验算式为：,由于高强度螺栓偏心受拉时，螺拉的最大拉力不得超过0.8P，能够保证板层之间始终保持紧密贴合，端板不会拉开，故摩擦型连接高强度螺栓和承压型连接高强度螺栓均可按普通螺栓小偏心受拉计算，即：,3、高强度螺栓群偏心受拉,三、高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用,1、承压型连接的计算： 承压型连接高强度螺栓，应按下式验算拉剪的共同作用。即：,2、摩擦型连接的计算 图示为摩擦型连接高强度螺栓承受拉力、弯矩和剪力共同作用时的情况。,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：,则剪力V的验算应满足下式：,此外，螺栓最大拉力应满足：,例题3.10,解：,例题3.12,图示为