第三章 钢结构的连接2螺栓连接.ppt
第第3章章钢钢结结构构的的连连接接钢结构是由钢构件经连接而成的结构钢结构是由钢构件经连接而成的结构,因此连接在钢因此连接在钢结构总占有很重要的位置结构总占有很重要的位置,它直接关系钢结构的安全和经它直接关系钢结构的安全和经济济。在受力过程中，连接应有足够的强度，被连接构件之在受力过程中，连接应有足够的强度，被连接构件之间应保持正确的相互位置。间应保持正确的相互位置。螺栓的排列和构造要求螺栓的排列和构造要求B B 错列错列A A 并列并列中距中距中距中距边距边距边距边距端距端距构造要求：构造要求：施工要求：施工要求：螺距过小螺距过小螺距过大螺距过大螺距过大螺距过大螺距过小螺距过小螺螺距距间间距距布布置置要要求求受力要求受力要求连接不紧密，潮气侵入腐蚀连接不紧密，潮气侵入腐蚀施工时转动扳手困难施工时转动扳手困难受压时钢板张开受压时钢板张开钢板剪坏钢板剪坏据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距3.5螺栓连接的构造螺栓连接的构造螺栓最大和最小容许间距螺栓最大和最小容许间距3.6C级普通螺栓连接的工作性能和计算级普通螺栓连接的工作性能和计算一、一、C级普通螺栓连接的工作性能级普通螺栓连接的工作性能2.C级普通螺栓连接的传力方式级普通螺栓连接的传力方式1.普通螺栓的分类及性能普通螺栓的分类及性能二、螺栓群的计算二、螺栓群的计算1)抗拉连接；抗拉连接；2)静力荷载下抗剪连接；静力荷载下抗剪连接；3)加防松措施后受风振作用抗剪加防松措施后受风振作用抗剪4)可拆卸连接；可拆卸连接；5)安装螺栓；安装螺栓；6)与抗剪支托配合抗拉剪联合作用与抗剪支托配合抗拉剪联合作用低低较低较低较低较低类孔类孔粗制粗制(C级级)1)构件精度很高的结构，机械结构；构件精度很高的结构，机械结构；2)连接点仅用一个螺栓或有模具套连接点仅用一个螺栓或有模具套钻的多个螺栓连接的可调节杆件钻的多个螺栓连接的可调节杆件（柔性杆）（柔性杆）高高高高高高I类孔类孔精制精制(A、B)级级使用范围使用范围成本成本抗剪抗剪性能性能加工精度加工精度类别类别注：注：A级用于级用于M24以下，以下，B级用于级用于M24以上。以上。1.1.普通螺栓的分类及性能普通螺栓的分类及性能A 只受剪力只受剪力B 只受拉力只受拉力C 剪力和拉力剪力和拉力共同作用共同作用抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接FN抗拉螺栓连接抗拉螺栓连接同时抗拉抗剪同时抗拉抗剪螺栓连接螺栓连接2.C2.C级普通螺栓连接的传力方式级普通螺栓连接的传力方式NF工作性能工作性能 (1)(1)摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(0(01 1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)(2)滑移阶段滑移阶段(1(12 2段段)水平段水平段 最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离 (3)(3)栓杆传力的弹性阶段栓杆传力的弹性阶段(2(23 3段段)栓杆与孔壁的接触传力栓杆与孔壁的接触传力 N-N-关系以曲线状态上升关系以曲线状态上升 (4)(4)弹塑性阶段弹塑性阶段(3(34 4段段)剪切变形迅速增大，直到连接破坏剪切变形迅速增大，直到连接破坏 44点（曲线的最高点）即为点（曲线的最高点）即为NuNuNO1234NNabNN/2N/2抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接Nua、b两点相对位移两点相对位移(1)(1)螺栓杆被剪坏螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时栓杆较细而板件较厚时(2)(2)孔壁的挤压破坏孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时栓杆较粗而板件较薄时(3)(3)板件被拉断板件被拉断 截面削弱过多时截面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。以上破坏形式予以计算解决。N/2NN/2NNNN 破坏形式破坏形式抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接（4 4）板件端部被剪坏板件端部被剪坏(拉豁拉豁)端矩过小时；端矩不应小于端矩过小时；端矩不应小于2d2dO ONN（5 5）栓杆弯曲破坏栓杆弯曲破坏（螺栓杆过长；栓杆长度不应大于螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d5d）这这两两种种破破坏坏构构造造解解决决N/2NN/2 破坏形式破坏形式抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接 抗剪螺栓的承载力取决于抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪螺栓杆受剪和和孔壁承孔壁承压压两种情况，故两种情况，故单栓单栓抗剪承载力由以下两式决抗剪承载力由以下两式决定定:nv剪切面数目剪切面数目；d螺栓杆直径；螺栓杆直径；fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值；螺栓抗剪和承压强度设计值；t t同一受力方向同一受力方向承压构件总厚度承压构件总厚度的较小值。的较小值。单栓抗剪承载力：单栓抗剪承载力：抗剪承载力：抗剪承载力：承压承载力：承压承载力：d连接计算连接计算抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接单个普通螺栓的抗拉承载力设计值单个普通螺栓的抗拉承载力设计值破坏形式：栓杆被拉断破坏形式：栓杆被拉断式中：式中：A Ae e-螺栓的螺栓的有效截面面积（附表有效截面面积（附表8-1）；d de e-螺栓的螺栓的有效直径有效直径；f ft tb b-螺栓的抗拉强度设计值。螺栓的抗拉强度设计值。抗拉螺栓连接抗拉螺栓连接工作性能和承载力工作性能和承载力产生撬力的原因产生撬力的原因 角钢抗弯刚度不足，水平肢有较大变形角钢抗弯刚度不足，水平肢有较大变形对螺栓受力影响对螺栓受力影响 使螺栓拉力增大使螺栓拉力增大减小撬力的措施减小撬力的措施 增强角钢抗弯刚度，加大厚度或增设加劲肋增强角钢抗弯刚度，加大厚度或增设加劲肋螺栓拉力：螺栓拉力：Pf=N/2+V 刚度越小，撬力越大刚度越小，撬力越大NN撬力撬力加劲肋加劲肋拉力螺栓撬力的概念拉力螺栓撬力的概念1.1.螺栓群轴心力作用下抗剪计算螺栓群轴心力作用下抗剪计算 N/2Nll1 1N/2平均值平均值螺栓的内力分布螺栓的内力分布 试验证明试验证明,栓群在轴栓群在轴力作用下各个螺栓的内力力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，沿栓群长度方向不均匀，两端大两端大,中间小。中间小。当当ll1 115d15d0 0(d(d0 0为孔径为孔径)时，时，连接进入弹塑性工作状态后，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定力趋于相同，故设计时假定N有各螺栓均担。有各螺栓均担。所以，连接所需螺栓数为：所以，连接所需螺栓数为：二、二、螺栓群的计算螺栓群的计算 当当l l1 115d15d0 0(d(d0 0为孔径为孔径)时，端部螺栓首先破坏时，端部螺栓首先破坏,然后依次破然后依次破坏。由试验可得连接的坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数抗剪强度折减系数与与ll1 1/d/d0 0的关系曲线。的关系曲线。1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80ll1 1/d/d0 0平均值平均值长连接螺栓的内力分布长连接螺栓的内力分布故，连接所需栓数：故，连接所需栓数：1.1.螺栓群轴心力作用下抗剪计算螺栓群轴心力作用下抗剪计算 试验曲线试验曲线8.88.8级级 M22M22我国规范我国规范NNbt tt t1 1b1螺栓群在轴心力作用下，为了防止螺栓群在轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。验算。拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-2截面截面:A A、螺栓采用并列排列时、螺栓采用并列排列时:主板的危险截面为主板的危险截面为1-1截面截面:11221.1.螺栓群轴心力作用下抗剪计算螺栓群轴心力作用下抗剪计算 NNt tt t1 1bc2c3c4c1B B、螺栓采用错列排列时、螺栓采用错列排列时:主板的危险截面为主板的危险截面为1-1和和1-1截面截面:11112222拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-2和和22-2截面截面:受扭矩受扭矩T螺栓受力分析假定螺栓受力分析假定（1）板件为刚体，螺栓为弹性体）板件为刚体，螺栓为弹性体（2）各螺栓绕螺栓群形心旋转）各螺栓绕螺栓群形心旋转（3）产生的剪力与形心距离正比）产生的剪力与形心距离正比力矩平衡：力矩平衡：(a)各螺栓剪力与各螺栓剪力与r正比：正比：各剪力都用各剪力都用N1表示：表示：(b)(b)代入代入(a)得：得：验算剪力最大的螺栓：验算剪力最大的螺栓：2.螺栓群在扭矩作用时的螺栓群在扭矩作用时的抗剪抗剪计算计算剪力剪力V轴力轴力N扭矩扭矩T剪力剪力V轴力轴力N扭矩扭矩T螺栓所受的最大合剪力螺栓所受的最大合剪力1234567891013.螺栓群在扭矩、剪力和轴向力共同作用下的抗剪计算螺栓群在扭矩、剪力和轴向力共同作用下的抗剪计算 一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：为：N4.螺栓群在轴力作用下的抗拉计算螺栓群在轴力作用下的抗拉计算M刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1234受压区受压区y1y2y3N1N2N3N4中性轴中性轴 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：（1 1）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；（2 2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各）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。螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。5.螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算11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M刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1234受压区受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴中和轴6.螺栓群同时受剪力和拉力的计算螺栓群同时受剪力和拉力的计算支托仅起安装作用：支托仅起安装作用：螺栓群受力为螺栓群受力为M=Ve和剪力和剪力V，则，则螺栓不发生拉剪破坏：螺栓不发生拉剪破坏：板不发生承压破坏：板不发生承压破坏：支托承受剪力：支托承受剪力：螺栓群只承受弯矩螺栓群只承受弯矩M=Ve作用，则作用，则支托和柱翼缘的角焊缝验算：支托和柱翼缘的角焊缝验算：为考虑剪力为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取偏心对角焊缝的影响，取1.251.353.7高强螺栓连接的工作性能和计算高强螺栓连接的工作性能和计算一、高强螺栓的抗剪工作性能一、高强螺栓的抗剪工作性能二、高强螺栓连接的抗剪计算二、高强螺栓连接的抗剪计算三、高强螺栓连接的抗拉计算三、高强螺栓连接的抗拉计算强度等级强度等级采用钢材采用钢材8.88.8级级3535号钢，号钢，4545号钢，号钢，40B40B钢钢10.910.9级级20MnTiB20MnTiB钢，钢，30VB30VB钢钢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孔径安装孔孔径d0(mm)应用特点应用特点摩擦型摩擦型外力达到最大摩擦力外力达到最大摩擦力d0=d+1.52.0剪切变形小，耐剪切变形小，耐疲劳，动载下不疲劳，动载下不易松动易松动承压型承压型螺栓剪坏螺栓剪坏承压破坏承压破坏d0=d+1.01.5承载力比摩擦型承载力比摩擦型大，剪切变形大，大，剪切变形大，一般不用于直接一般不用于直接动载情况动载情况1.按材质分类按材质分类2.按受力状况分类按受力状况分类一、高强螺栓的抗剪工作性能一、高强螺栓的抗剪工作性能3.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A、转角法、转角法 施工方法：施工方法：初拧初拧用用普通扳手普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；拧至不动，使板件贴紧密；终拧终拧初拧基础上用初拧基础上用长扳手或电动扳手长扳手或电动扳手再拧过一定的再拧过一定的 角度，一般为角度，一般为120o180o完成终拧。完成终拧。特点：特点：预拉力的建立简单有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧；预拉力的建立简单有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧；螺帽的紧固方法：螺帽的紧固方法：通过拧紧螺帽的方法通过拧紧螺帽的方法B、扭矩法、扭矩法施工方法：施工方法：初拧初拧用用力矩扳手力矩扳手拧至终拧力矩的拧至终拧力矩的30%50%，使板件贴紧；使板件贴紧；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：特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。C C、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）、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）施工方法：施工方法：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，初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。以扭断螺栓杆尾部为准。特点：特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等 4.高强螺栓的预拉力计算高强螺栓的预拉力计算 fu高强螺栓的抗拉强度；高强螺栓的抗拉强度；Ae螺栓有效面积；螺栓有效面积；0.9考虑材料不均匀性的折减系数；考虑材料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；为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数；1.2考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低的降低表3.65、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈；对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈；对于摩擦型连接，要求见表对于摩擦型连接，要求见表3-7：6、高强螺栓的排列、高强螺栓的排列要求同普通螺栓，同样要考虑连接长度对承要求同普通螺栓，同样要考虑连接长度对承载力的不利影响。载力的不利影响。二、高强度螺栓连接的抗剪计算二、高强度螺栓连接的抗剪计算1.1.高强螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值高强螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值 R R-抗力分项系数抗力分项系数 R R的倒数，一般取的倒数，一般取0.90.9，最小板厚，最小板厚t t 6mm6mm的冷弯薄壁型钢结构取的冷弯薄壁型钢结构取0.80.8 n nf f传力摩擦面数目传力摩擦面数目,同同n nv v -摩擦面抗滑移系数，表摩擦面抗滑移系数，表3-7;3-7;P P预拉力设计值，表预拉力设计值，表3-6.3-6.单栓抗剪承载力：单栓抗剪承载力：抗剪承载力抗剪承载力：承压承载力承压承载力：2 2、高强螺栓承压型连接的抗剪承载力设计值、高强螺栓承压型连接的抗剪承载力设计值 破破坏坏状状态态同同普普通通螺螺栓栓，极极限限承承载载力力由由杆杆身身抗抗剪剪和和孔孔壁壁承承压压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同。决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同。1)1)轴心力作用轴心力作用 假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：对于摩擦型连接：对于摩擦型连接：对于承压型连接：对于承压型连接：NN3.高强度螺栓群的抗剪计算高强度螺栓群的抗剪计算NNbt tt t1 1b1 高强度螺栓群轴心力作用下高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算板件的净截面验算.A A、高强度螺栓摩擦型连接、高强度螺栓摩擦型连接主板的危险截面为主板的危险截面为1-1截面。截面。11考虑孔前传力考虑孔前传力50%得：得：1-1截面的内力为：截面的内力为：NNbt tt t1 1b1拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-2截面。截面。22考虑孔前传力考虑孔前传力50%得：得：2-2截面的内力为：截面的内力为：B B、高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面、高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面验算完全相同。验算完全相同。2)2)扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同作用时扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同作用时 螺栓群受扭矩螺栓群受扭矩T T、剪力、剪力V V和轴心力和轴心力N N共同作用的高共同作用的高强度螺栓连接的抗剪计算与普通螺栓相同，只是用强度螺栓连接的抗剪计算与普通螺栓相同，只是用高强度螺栓的承载力设计值。高强度螺栓的承载力设计值。式中：式中：A Ae e-螺栓杆的有效截面面积；螺栓杆的有效截面面积；d de e-螺栓杆的有效直径；螺栓杆的有效直径；f ft tb b高强度螺栓的抗拉强度设计值。高强度螺栓的抗拉强度设计值。上式的计算结果与上式的计算结果与0.8P相差不多。相差不多。三、高强螺栓连接的抗拉计算三、高强螺栓连接的抗拉计算 承压型连接承压型连接承压型连接承压型连接 摩擦型连接摩擦型连接摩擦型连接摩擦型连接保证连接件不被松驰保证连接件不被松驰 高强度螺栓群的抗拉计算高强度螺栓群的抗拉计算1 1）轴心力作用）轴心力作用 假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓数：数：N2 2）弯矩作用下）弯矩作用下中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。MMM1234y1y2N1N2N3N4受压区受压区中中性性轴轴由力学可得：由力学可得：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：3）同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算）同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓摩擦型连接由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低；由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低；每个螺栓的抗剪承载力也随之减少；每个螺栓的抗剪承载力也随之减少；抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低。抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低。高强度螺栓承压型连接高强度螺栓承压型连接且且 当剪切面在螺纹处时，取当剪切面在螺纹处时，取 本章小结本章小结 本章主要讲述了焊接和螺栓连接的特点、计算本章主要讲述了焊接和螺栓连接的特点、计算方法、构造要求。方法、构造要求。应掌握各种连接的特点，可能的破坏方式，设应掌握各种连接的特点，可能的破坏方式，设计方法和构造要求。计方法和构造要求。了解残余应力和变形对结构的影响。了解残余应力和变形对结构的影响。本章重点本章重点 角焊缝计算角焊缝计算 普通螺栓破坏形式普通螺栓破坏形式 高强螺栓计算高强螺栓计算剪切面剪切面数目数目n nv vNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2连接计算连接计算抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接
