3-2钢结构设计原理-螺栓连接计算-钢结构设计原理课件.ppt

3钢结构的连接设计3.9普通螺栓连接的构造和计算3.9.1普通螺栓的规格类别 加工精度 使用范围A级B级精制螺栓加工精度高，栓径与孔径之差为0.30.5mm，I类孔高主要应用于构件精度很高的结构，如机械结构；C级粗制螺栓加工精度较低，栓径与孔径之差为11.5mm低1）抗拉连接；2）静力荷载下抗剪连接；4）可拆卸连接；5）安装螺栓；6）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用扭剪型高强度螺栓具有强度高、安装简便和质量易于保证、可以单面拧紧、对操作人员没有特殊要求等优点。扭剪型高强度螺栓螺纹端部有一个承受拧紧反力矩的十二交体（“梅花头”）和一个能在规定力矩下剪断的断颈槽。安装时用特制的电动扳手，有两个套头，一个套在螺母六角体上，另一个套在螺栓的十二角体上。拧紧时，对螺母施加顺时针力矩M1，对螺栓十二角体施加大小相等的逆时针力矩M2，使螺栓断颈部分承受扭剪，其初拧力矩为拧紧力矩的50，复拧力矩等于初拧力矩，终拧至断颈剪断为止，安装结束后，相应的安装力矩即为拧紧力矩。3钢结构的连接设计3钢结构的连接设计A级B级区别：仅尺寸不同，A级d24，L150mm；B级d24，L150mm分类 钢材强度等级孔径d0与栓径d之差(mm)加工受力特点安装C级粗制螺栓普通碳素钢Q2354.64.81.01.5粗糙尺寸不准成本低抗剪差抗拉好方便A级B级精制螺栓优质碳素钢45号钢35号钢8.8 0.30.5精度高尺寸准确成本高抗剪抗拉均好精度要求高I类孔：孔壁粗糙度小，对应A、B级螺栓II类孔：孔壁粗糙度大，对应C级螺栓3.9.1普通螺栓的规格3钢结构的连接设计钢结构用高强度大六角头螺栓：HighStrengthBoltswithLargeHexagonHeadforSteelStructures钢结构设计规范3.8.3条：3.9.2螺栓的排列和构造要求3钢结构的连接设计受力要求螺距过小：截面削弱太多，净截面破坏。螺距过大：受压时钢板张开。构造要求螺距过大：连接不紧密，潮气侵入腐蚀。施工要求螺距过小：施工时转动扳手困难。螺栓间距布置要求3钢结构的连接设计钢板上螺栓排列角钢上螺栓排列并列螺栓 错列螺栓 螺栓容许间距3.9.2螺栓的排列和构造要求3钢结构的连接设计根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距见下表。注:1.d0 为螺栓孔径，t 为外层薄板件厚度。2.钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢)相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。螺栓的最大和最小容许间距3钢结构的连接设计3.10.1普通受剪螺栓的传力机理工作性能：剪力螺栓受力后，当受力不大时：剪力螺栓靠连接板间的摩擦力传力当受力较大时：剪力螺栓靠孔壁承压、螺杆抗剪传力（当外力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁而受剪，孔壁则受压。）当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端大，中间小；当外力继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。剪力螺栓可能发生的破坏形式有：（1）螺栓剪断（2）钢板孔壁挤压破坏（3）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断（4）钢板因螺孔端距剪坏（5）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生受弯破坏3钢结构的连接设计3.10.1普通受剪螺栓的传力机理防止螺栓破坏措施(1)(2)(3)通过计算解决(4)(5)通过构造解决螺栓剪断3钢结构的连接设计3钢结构的连接设计（1）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）（2）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）（3）钢板拉断（板开孔，截面削弱）（4）钢板剪坏（螺栓端距过小）（5）螺栓弯曲破坏（板过厚，螺栓细长）防止螺栓破坏措施(1)(2)(3)通过计算解决(4)(5)通过构造解决端距2d。螺杆长度5d3.10.1普通受剪螺栓的破坏模式钢板由于螺孔削弱而净截面拉断3钢结构的连接设计螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生受弯破坏3钢结构的连接设计3钢结构的连接设计单剪面nv=1四剪面nv=4双剪面nv=2一个螺栓受剪承载力设计值剪面数 螺杆直径螺栓抗剪设计强度一个螺栓承压承载力设计值同一受力方向的承压构件的较小总厚度螺栓承压设计强度一个剪力螺栓的设计承载力一个螺栓所受剪力验算NvNv公式条件：各剪面上剪力相同3.10.2剪力螺栓的设计承载力3钢结构的连接设计螺栓连接的强度设计值3钢结构的连接设计3.10.2受拉螺栓的破坏模式螺杆净截面达到设计承载力而被拉坏控制螺纹滑牙破坏构造控制3钢结构的连接设计螺栓拉力：Pf=N/2+V 刚度越小，V 越大NN撬力加劲肋3.10.2受拉螺栓的破坏模式拉力螺栓撬力的概念思考：撬力产生的原因？对螺栓拉力的影响？减少撬力的措施？N剪力螺栓拉力螺栓拉力螺栓3钢结构的连接设计产生撬力的原因角钢抗弯刚度不足，存在较大变形对螺栓受力影响使螺栓拉力增大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螺栓拉力：Pf=N/2+V 刚度越小，V 越大NN撬力加劲肋3.10.2受拉螺栓的破坏模式拉力螺栓撬力的概念3钢结构的连接设计一个螺栓的抗拉承载力设计值抗拉验算一个螺栓所受的拉力螺栓有效直径螺栓抗拉设计强度3.10.3一个拉力螺栓的设计承载力3.10.4剪力螺栓群计算：典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作用下的计算：（1）当螺栓连接处于弹性阶段时，螺栓群中各螺栓受力并不相等，两端大而中间小(图3-15a)；当螺栓群连接长度l1不太大时，随着外力增加连接超过弹性变形而进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀(图3-15b)。（2）当构件沿受力方向的连接长度l1过大时，端部的螺栓会因受力过大而首先发生破坏，随后依次向内逐排破坏（即所谓解钮扣现象）。（3）当外力通过螺栓群中心时，可认为所有的螺栓受力相同。3钢结构的连接设计引入折减系数后,就可以按螺栓群中所有的螺栓受力相同来计算了：计算螺栓群在轴心力作用下的螺栓群所需螺栓数目：此时应验算板的净截面强度式中：f 连接板材料设计强度；An 节点板净截面积。3钢结构的连接设计3.10.4典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作用下的计算：对于An说明如下：当螺栓并列布置时：当螺栓错列布置时：构件有可能沿II或IIII截面破坏。取II、IIII净截面的较小者来验算钢板净截面强度。3钢结构的连接设计3.10.4典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作用下的计算：3钢结构的连接设计受扭矩T螺栓受力分析假定（1）板件为刚体，螺栓为弹性体（2）各螺栓绕螺栓群形心旋转（3）产生的剪力与形心距离正比力矩平衡：(a)各螺栓剪力与r正比：各剪力都用N1表示：(b)(b)代入(a)得：验算剪力最大的螺栓：3.10.4典型节点（2）受螺栓群分布平面内扭矩的剪切作用3钢结构的连接设计剪力V轴力N扭矩T剪力V轴力N扭矩T螺栓所受的最大合剪力1234567891013.10.4典型节点（3）受螺栓群分布平面内N、V、T剪切作用3钢结构的连接设计螺栓的最大拉力验算123452列5排螺栓群绕最低排螺栓轴线旋转3.10.4典型节点（4）螺栓群受弯矩M的作用构件A构件B3钢结构的连接设计螺栓群绕形心线旋转时内力分布螺栓群绕最低排螺栓旋转时内力分布形心线 最低排螺栓线先假定：螺栓群绕形心线转动（1）当，螺栓都受拉，原假定正确，验算：要求（2）当，最低排螺栓受压，则螺栓群绕最低排螺栓中心转动重新计算螺栓的最大拉力验算：要求6543213.10.5典型节点（5）螺栓群受弯矩M和轴拉力N的作用3钢结构的连接设计(1)采用支托承剪C级螺栓承拉弯剪力V 支托焊缝承受 进行焊缝验算弯矩M、轴拉力N 螺栓承受 进行螺栓验算 方法同前剪力V Nv=V/n弯矩M、轴拉力NNt,max计算方法同前验算(2)未采用支托3.10.6典型节点（6）螺栓群受弯矩M、剪力V和轴拉力N的作用3钢结构的连接设计3.11高强度螺栓连接分类 钢材强度等级孔径d0与栓径d之差(mm)加工受力特点安装 应用C 级粗制螺栓普通碳素钢Q2354.64.81.01.5粗糙尺寸不准成本低抗剪差抗拉好方便承拉应用多临时固定A 级B 级精制螺栓优质碳素钢45号钢35号钢8.80.30.5精度高尺寸准确成本高抗剪抗拉均好精度要求高目前应用减少复习普通螺栓的分类：3钢结构的连接设计连接方法 优 点 缺 点焊 接对焊件几何形体适应性强，构造简单，省材省工，工效高，连接连续性强,可达到气密和水密要求，节点刚度大质量检验工作量大,要求高;存在有焊接缺陷的可能，产生焊接应力和焊接变形，导致材料脆化，对构件的疲劳强度和稳定性产生影响;对焊工技术等级要求较高。铆 接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力性能好费钢、费工，开孔对构件截面有一定削弱。普通螺栓连 接装拆便利，设备简单粗制螺栓不宜受剪，受力后变形大；精制螺栓加工和安装难度较大，开孔对构件截面有一定削弱。高强螺栓连 接加工方便，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好造价略高，开孔对构件截面削弱相对较小，质量检验要求高3钢结构的连接设计螺栓强度等级 螺栓采用钢材8.8级 45号钢，40B钢10.9级 20MnTiB钢，35VB钢按材质分类受力特征承载力极限状态安装孔孔径d0（mm)应用特点摩擦型连接外力达到最大摩擦力，有相对滑移的趋势d0d1.52.0剪切变形小，耐疲劳，动载下不易松动承压型连接外力超过最大静摩擦力，螺栓承剪，孔壁承压，发生相对滑移d0d1.01.5承载力比摩擦型大，剪切变形大，一般不用于直接动载情况按受力状况分类3.11.1高强度螺栓的分类3钢结构的连接设计螺栓 高强度螺栓 普通螺栓材料 材质好，强度高 材质一般，强度低传力方式 依靠连接板件摩擦传力 螺栓直接传力变形 连接变形小，螺栓不易松动 连接变形大，螺栓易松动安装 需专门扳手施加预拉力 一般常用扳手，手感拧紧外力N预拉力P挤压力Q摩擦力F拧紧螺母产生预拉力3.11.2高强度螺栓的传力机理控制外力不超过摩擦力，无滑移。摩擦型螺栓设计准则:承压型螺栓设计准则:外力可超过摩擦力，经滑移后由螺杆承剪承压。3钢结构的连接设计剪力N变形NNNN摩擦型螺栓设计准则承压型螺栓设计准则控制外力不超过摩擦力，无滑移。外力可超过摩擦力，经滑移后由螺杆承剪承压。3.11.2高强度螺栓的传力机理3钢结构的连接设计摩擦系数1、高强螺栓的预拉力:高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，以达到传递外力的目的。3.11.3摩擦型连接高强度螺栓承载力计算3钢结构的连接设计一个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值摩擦面数摩擦系数预拉力一个螺栓所受剪力 验算3.11.3摩擦型连接高强度螺栓承载力计算单剪面nf=1 双剪面nf=2NvNvp pp p3钢结构的连接设计规范给出的高强螺栓预拉力设计值为：3.11.3摩擦型连接高强度螺栓承载力计算3钢结构的连接设计高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数3.11.3摩擦型连接高强度螺栓承载力计算3钢结构的连接设计系数含义：考虑螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9；钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9；在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2。3.11.3摩擦型连接高强度螺栓承载力计算对于高强度螺栓承压型连接承载力设计值，极限承载力由螺栓杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法与普通螺栓相同。3钢结构的连接设计3.11.3摩擦型连接高强度螺栓承载力计算一个摩擦型高强度螺栓的抗拉承载力设计值预拉力防止受拉后出现脱开松动一个螺栓所受拉力 验算可控制连接贴紧，不松动2、摩擦型连接高强度螺栓抗拉承载力抗拉承载力设计值：高强度螺栓连接由于螺栓中的预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强度螺栓受到外拉力作用时，首先要抵消这种挤压力。分析表明，当高强度螺栓达到规范规定的承载力0.8P时，螺栓杆的拉力仅增大7%左右，可以认为基本不变。3钢结构的连接设计3.11.3摩擦型连接高强度螺栓承载力计算承压型连接高强度螺栓的承载力设计值：受剪：螺杆抗剪孔壁承压受拉：螺杆抗拉（1）计算方法与普通精制螺栓相同，但材料强度参数不同；（2）典型连接节点的验算方法也与普通精制螺栓相同，不再赘述。3、承压型连接高强度螺栓的承载力设计值（1）每个高强螺栓受力为：所需螺栓数目为：3钢结构的连接设计3.11.4典型节点（1）摩擦型连接高强度螺栓群受“剪力”作用时3钢结构的连接设计（2）净截面验算3.11.4典型节点（1）摩擦型连接高强度螺栓群受“剪力”作用时（开孔对构件截面削弱相对较小）钢板搭接，承受剪力N假设共2n个螺栓3钢结构的连接设计受剪力V、轴力N、扭矩T剪力V轴力N扭矩T螺栓所受的最大合剪力1234567891013.11.4典型节点（2）摩擦型连接高强度螺栓群受剪力V、轴力N、扭矩T作用3钢结构的连接设计形心线12345承受弯矩M连接保持不松动，所有螺栓均处于受拉状态螺栓群绕形心线旋转！验算最上一排受拉螺栓3.11.4典型节点（3）摩擦型连接高强度螺栓群受弯矩M作用3钢结构的连接设计3.11.4典型节点（4）摩擦型连接高强度螺栓群受拉力、弯矩作用时的计算对于高强度螺栓通常认为螺栓群绕螺栓群形心轴旋转，即中性轴位于形心轴。螺栓中受到的最大拉力计算如下：3钢结构的连接设计一个摩擦型高强度螺栓同时受剪、受拉时承载力计算外剪力Nv外拉力Nt2003版钢结构规范相关公式3.11.4摩擦型连接高强度螺栓受剪、拉作用的承载力验算3钢结构的连接设计钢结构设计规范（GB50017-2003）相关公式:3钢结构的连接设计无论有否拉力N，总是绕螺栓群形心线旋转！123456剪力V弯矩M拉力N验算3.11.4典型节点（5）摩擦型连接高强度螺栓群受弯矩M、剪力V、拉力N作用