1、第3章 鋼結(jié)構(gòu)的連接,鋼結(jié)構(gòu)-原理與設(shè)計,螺栓連接,1. 普通螺栓連接,2. 高強度螺栓連接,高強度螺栓是高強螺桿和配套螺母、墊圈的合稱。,由45號、40B和20MnTiB鋼經(jīng)過熱處理加工而成。,45號8.8級；40B和20MnTiB10.9級,（a）大六角頭螺栓 （b）扭剪型螺栓,（a）大六角頭螺栓,（b）扭剪型螺栓,Q235鋼和45號鋼的區(qū)別,用途不同，Q235是普通結(jié)構(gòu)鋼，屬工程用鋼，主要用作鋼構(gòu)件，如角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼板等；45號鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬機械用鋼，主要用作機械零件，如軸類、齒輪、高強度螺栓等。,鋼號表示方法不同，Q235鋼號表示的是鋼的力學性能-強度（屈服強度不低23

2、5MPa）；45號鋼好表示鋼的化學成分（鋼的含碳量為0.45%左右）。,Q235鋼和45號鋼的區(qū)別,鋼的性能不同，Q235屬于低碳鋼，其塑性較高，但強度較低，適合于拉伸、壓延加工，如制作型材、板材等；45號鋼屬于中碳鋼，可進行淬火處理，其熱處理后強度和硬度高，故適合于制作機械零件，用于要求受力大及耐磨性好的場合。,高強度螺栓摩擦型連接和承壓型連接比較,鉚釘連接及特點,鉚釘連接是用一端帶有半圓形預(yù)制釘頭的鉚釘，將釘桿燒紅迅速插入被連接件的釘孔中，再用鉚釘槍將另一端也打鉚成釘頭，使連接達到緊固。,目前承重鋼結(jié)構(gòu)連接中已很少應(yīng)用。,主要連接方法及優(yōu)缺點,3.6 普通螺栓連接的構(gòu)造和計算,注：A、B兩

3、級的區(qū)別只是尺寸不同。 A級用于d24mm, l150mm的螺栓，B級用于d24mm, l150mm 螺栓。,常用螺栓直徑為d=16，20，24mm，用M表示，如M16。,螺栓符號,螺栓孔為d0=d+1.53mm M12、 M16大1.5mm， M18、 M20 、 M22 、M24大2mm， M27、 M30大3mm,5.5.1 螺栓的排列和構(gòu)造要求,螺栓的排列應(yīng)簡單、統(tǒng)一而緊湊，滿足受力要求，構(gòu)造合理又便于安裝。排列的方式有并列排列和錯列排列兩種。,圖3.5.1 螺栓的排列方式,1.螺栓的排列,并列比較簡單整齊，所用連接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，對構(gòu)件截面的削弱較大；錯列可以減小螺栓孔

4、對截面的削弱，但螺栓空排列不如并列緊湊，連接板尺寸較大。,(1)受力要求,中心距太大,（2）構(gòu)造要求 螺栓的中距及邊距過大，則構(gòu)件接觸面不夠緊密，潮氣易侵入縫隙而發(fā)生銹蝕。,（3）施工要求 要保證有一定的空間，以便轉(zhuǎn)動扳手，擰緊螺母。,根據(jù)規(guī)范規(guī)定（P52表3.4）的螺栓最大、最小容許間距，排列螺栓時宜按最小容許間距取用，且宜取5mm的倍數(shù)，并按等距離布置，以縮小連接的尺寸。最大容許間距一般只在起連系作用的構(gòu)造連接中采用。,為了保證連接的可靠性，每個桿件的節(jié)點或拼接接頭一端不宜少于兩個永久螺栓；,2.螺栓的其它構(gòu)造要求,直接承受動荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽，或其他措施以防螺帽松動；,C級螺

5、栓宜用于沿桿軸方向的受拉連接，以下情況可用于抗剪連接： 承受靜載或間接動載的次要連接； 承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接； 臨時固定構(gòu)件的安裝連接。,沿桿軸方向受拉螺栓連接的端板，應(yīng)適當加大剛度，以減小撬力對螺栓抗拉承載力的不利影響。,3.7 普通螺栓的工作性能和計算,螺栓連接的受力形式分為：只受剪力，只受拉力。有時受剪力和拉力的共同作用。,A 剪力螺栓,B 拉力螺栓,C 剪力和拉力共同作用,受力垂直螺桿，承剪、承壓。 連接件有錯動趨勢,受力平行螺桿，承拉 連接件有脫開趨勢,對圖示螺栓連接做抗剪試驗,即可得到板件上a、b兩點相對位移與作用力N的關(guān)系曲線,該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個階段,1.

6、受剪連接的工作性能,(1) 摩擦傳力的彈性階段(01段) 直線段連接處于彈性狀態(tài)； 該階段較短摩擦力較小。,(2) 滑移階段(12段) 克服摩擦力后，板件間突然發(fā)生水平滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的間隙，表現(xiàn)在曲線上為水平段。,(3) 栓桿傳力的彈性階段(23段) 該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力。栓桿受剪力、拉力、彎矩作用，孔壁受擠壓。由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導(dǎo)致的板件間摩擦力的增大，N-關(guān)系以曲線狀態(tài)上升。,(4) 彈塑性階段(34段) 達到3后，即使給荷載以很小的增量，連接的剪切變形迅速增大，直到連接破壞。4點（曲線的最高點）即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。,螺桿被剪斷；

7、 b) 連接件孔壁擠壓破壞；c) 鋼板拉斷； d) 鋼板沖剪破壞；e) 螺桿彎曲破壞 。,2.受剪螺栓的破壞形式,a)、b)、c)通過計算解決,d)、e) 通過構(gòu)造解決,單個剪力螺栓的設(shè)計承載力：,受剪承載力設(shè)計值：,承壓承載力設(shè)計值：,3.單個普通螺栓的受剪計算,剪力螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況，故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定:,（3.5.1）,（3.5.2）,假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力均勻分布 ； 假定擠壓力沿栓桿直徑平面（實際上是相應(yīng)于栓桿直徑平面的孔壁部分）均勻分布,受剪承載力設(shè)計值：,承壓承載力設(shè)計值：,試驗證明,栓群在軸力作用下各個螺栓的內(nèi)力沿螺栓群長度方向不均勻，

8、兩端大,中間小。,當l115d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)后，內(nèi)力重新分布，各個螺栓內(nèi)力趨于相同，故設(shè)計時假定N由各螺栓平均分擔。,4.普通螺栓群抗剪連接計算,（1）普通螺栓群軸心受剪計算,當連接長度l115d0(d0為孔徑)時，各個螺栓內(nèi)力難以均勻，端部螺栓受力最大首先破壞，然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強度折減系數(shù)與l1/d0的關(guān)系曲線。,因此規(guī)范采用承載力折減系數(shù)考慮螺栓群受力不均。,（2）普通螺栓群偏心受剪,F作用下每個螺栓受力：,基本假設(shè) 連接件絕對剛性, 螺栓彈性； T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動，各螺栓剪力大小與螺栓至形心的距離ri成正比，方向與它和形心的連線垂

9、直。,V=F T=Fe,（a）,顯然，T作用下1號螺栓所受剪力最大（r1最大）。,根據(jù)平衡條件得：,（c）,將（c）式代入（a），得用N1T表達的T式：,由各螺栓剪力與r成正比：,（b）,由各剪力都用N1表示：,螺栓1離形心最遠是危險螺栓,最大剪力N1T:,將N1T它分解為水平和豎直分力：,（3.5.8）,( 3.5.7),驗算剪力最大螺栓:,（3.5.9）,此時計算F作用下的螺栓內(nèi)力時，不需考慮長接頭的折減系數(shù),y,o,x,x1,1,r1,y1,如果y13x1，則可假定xi=0 。 由此得N1Ty=0，則計算式為：,（3.5.10）,如果x13y1，則可假定yi=0 。 由此得N1Tx=0，

10、則計算式為,（3.5.10）,5.5.3 普通螺栓的受拉連接,1.普通螺栓受拉的工作性能,b) 試驗證明影響撬力的因素較多，其大小難以確定，規(guī)范將螺栓的抗拉強度設(shè)計值降低20來考慮撬力的影響，取ftb=0.8f（f螺栓鋼材的抗拉強度設(shè)值）。,a) 螺栓受拉時，一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞，即螺桿并非軸心受拉，當連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開的趨勢（杠桿作用），使螺桿中的拉力增加（撬力Q）并產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。連接件剛度越小撬力越大。,圖3.5.6 受拉螺栓的撬力,c) 在構(gòu)造上可以通過加強連接件的剛度的方法，來減小杠桿作用引起的撬力，如設(shè)加勁肋，可以減小甚至消除撬力的影響。,加勁肋,翼緣加強的措

11、施,2.單個普通螺栓受拉承載力,（3.5.11）,Ntb單個螺栓抗拉承載力；Ae 螺栓螺紋處的有效面積； de 螺栓有效直徑；附表9.2 (P455) ftb 螺栓的抗拉強度設(shè)計值。 ftb 0.8f,假定拉應(yīng)力在螺栓螺紋處截面上均勻分布，則一個拉力螺栓的承載力設(shè)計值：,螺栓的有效截面面積 因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是有效直徑de而不是凈直徑dn，現(xiàn)行國家標準?。?（1）栓群軸心受拉,當外力通過螺栓群形心時，一般假定每個螺栓均勻受力，因此連接所需的螺栓數(shù)目為：,（ 3.5.13）,（3.5.11）,3. 普通螺栓群受拉,(2）栓群承受彎矩作用,M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計，其假定為：

12、 連接板件絕對剛性，螺栓為彈性； 螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處，各螺栓所受拉力與其至中和軸的距離成正比。,顯然1號螺栓在M作用下所受拉力最大,由力學及假定可得：,將式(c)代入式(b)得:,由式(a)得:,因此，設(shè)計時只要滿足下式即可：,螺栓i 的拉力:,即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超過一個螺栓的抗拉承載力設(shè)計值,圖3.5.10 螺栓群偏心受拉,(3）栓群偏心受拉,小偏心受拉 當M/N較小時，所 有螺栓均承受拉力 作用，構(gòu)件B繞螺 栓群的形心O轉(zhuǎn)動。 螺栓群的最大和最小螺栓受力為：,（3.5.15a）,（3.5.15b）,當 Nmin0 ，e 則表示所有螺栓受拉，螺栓群繞形心軸旋轉(zhuǎn)

13、。,螺栓有效截面組成的核心矩,大偏心受拉 當Nmin ，構(gòu)件B繞A點（底排螺栓）旋轉(zhuǎn)趨勢，偏于安全取中和軸位于最下排螺栓O處，受拉力最大的螺栓要求滿足：,5.5.4 剪拉螺栓群的計算,同時承受剪力和拉力作用的普通螺栓有兩種可能破壞形式：一是螺栓桿受剪受拉破壞；二是孔壁承壓破壞。,圖3.5.12 剪拉聯(lián)合作用的螺栓,圖3.5.13 剪力和拉力的相關(guān)曲線,試驗研究結(jié)果表明，兼受剪力和拉力的螺桿分別除以各自單獨作用的承載力，所得的相關(guān)關(guān)系近似為圓曲線。,規(guī)范規(guī)定：同時承受剪力和桿軸方向拉力的普通螺栓，應(yīng)分別符合下列公式的要求：,驗算剪-拉聯(lián)合作用：,（3.5.17）,（3.5.18）,驗算孔壁承壓：

14、,Nvb單個螺栓抗剪承載力設(shè)計值； Ncb單個螺栓承壓承載力設(shè)計值 Ntb單個螺栓抗拉承載力設(shè)計值； Nv 、Nt單個螺栓承受的最大剪力和拉力設(shè)計值。,例5.7 驗算如圖所示，普通螺栓連接。N=349.5kN， M=17.475kN.m。M22，B級，鋼材Q235。,單個螺栓抗拉承載力,【解】,強度驗算,先假設(shè)小偏心，以眾栓形心計,例5.8 驗算如圖所示，普通螺栓連接。V=233kN， N=349.5kN， M=17.475kNm。M22，B級，鋼材Q235。,單個螺栓抗拉承載力,【解】,強度驗算,先假設(shè)小偏心，以眾栓形心計,例5.10 驗算如圖所示端板和柱翼緣間普通螺栓的連接強度。普通螺栓4

15、.6級，M22，孔徑24mm。,計算模型可為（a圖）或（b圖）。 a圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在螺栓群的形心處稱小偏心； b圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在端板上1號螺栓處，稱大偏心。,計算,1.內(nèi)力計算 N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN-cm,2. 單個螺栓的抗拉承載力：,查P383附表1.4，ftb=170N/mm2 查P455附表9.2，Ae=303mm2 （M22螺栓有效截面面積）,3. 計算危險螺栓拉力 設(shè)每排螺栓有兩列，m=2 一共6排螺栓，螺栓總數(shù)12，n=12,判斷大小偏心：,此連接屬大偏心受拉， 構(gòu)件應(yīng)繞頂排螺栓轉(zhuǎn)動。,滿足,例5.11 驗算如圖所示普通螺栓連接強度。螺栓M20，孔徑21.5mm，材料為Q235。,步驟1 計算螺栓上的力 N=1003/5=60kN V=1004/5=80kN,分析螺栓受