钢结构普通螺栓连接设计教学课件.ppt

1、钢结构普通螺栓连接设计钢结构普通螺栓连接设计.性能等级的含义：性能等级的含义：5表示表示fu500N/mm2,0.6表示表示fy/fu=0.6如如5.6级级 由由45号、号、40B和和20MnTiB钢加工而成，并经过热钢加工而成，并经过热处理处理45号号8.8级；级；40B和和20MnTiB10.9级级2 2、高强度螺栓连接、高强度螺栓连接 大六角头螺栓大六角头螺栓 扭剪型螺栓扭剪型螺栓1 1 2 3 42 3 41-1-螺栓；螺栓；2-2-垫圈；垫圈；3-3-螺母；螺母；4-4-螺丝螺丝;5-;5-槽口槽口1 1 4 3 54 3 5高强度螺栓分类：高强度螺栓分类：根据确定承载力极限的原则不

2、同，分为高强度螺栓根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。传力途径：传力途径：摩擦型摩擦型依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。力被克服作为设计准则。承压型承压型依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。极限承载力）。孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大直径大1.5-2.0mm；承

3、压型连接的高强度螺栓的孔径比；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大螺栓公称直径大1.0-1.5mm。一、普通螺栓连接构造一、普通螺栓连接构造2.螺栓排列螺栓排列螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。理又便于安装。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。并列并列端距端距中距中距边距边距 中距中距 边距边距错列错列端距端距边距边距 边距边距中距中距3d01.最少螺栓数要求最少螺栓数要求 每一杆件在节点上以及拼接接头一每一杆件在节点上以及拼接接头一 端，螺栓数目不宜少于端，螺栓数目

4、不宜少于2个。个。并列并列简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。错列错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。螺栓排列的要求螺栓排列的要求（1 1）受力要求）受力要求 在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。

5、且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。平行于受力方向：平行于受力方向：端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于于2d0；受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。发生鼓曲现象。因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距（2 2）构造要求）构造要求 边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密边距和中距不宜过大，中距过大，

6、连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的规范规定了螺栓的最大容许间距最大容许间距（3 3）施工要求）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。端距端距端距端距中距中距边距边距中距中距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0端距端距边距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距并列并列并列并列 螺栓或铆钉的最大、最小容许距离螺栓或铆钉的最大、最小容许距离1.2d1.2d0 0其他螺栓或

7、铆钉其他螺栓或铆钉高强度螺栓高强度螺栓轧制边自动精密气割或轧制边自动精密气割或锯割边锯割边1.5d1.5d0 0剪切边或手工气割边剪切边或手工气割边垂直内垂直内力方向力方向2d2d0 04d4d0 0或或8t8t顺内力方向顺内力方向中心中心至构至构件边件边缘距缘距离离沿对角线方向沿对角线方向16d16d0 0或或24t24t拉力拉力12d12d0 0或或18t18t压力压力顺内力方向顺内力方向16d16d0 0或或24t24t垂直内力方向垂直内力方向中中间间排排3d3d0 08d8d0 0或或12t12t外排（垂直内力方向或顺内力方向）外排（垂直内力方向或顺内力方向）中心中心间距间距最小容许最

8、小容许距离距离最大容许距离最大容许距离（取两者中的小值）（取两者中的小值）位置和方向位置和方向名称名称注注：(1)(1)d d0 0 为螺栓孔或铆钉孔直径，为螺栓孔或铆钉孔直径，t t为外层较薄板件的厚度；为外层较薄板件的厚度；(2)(2)钢板边缘与刚性构件钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢等如角钢、槽钢等)相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。三、三、螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求 螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：据不同情况尚应满足下列构造

9、要求：（1 1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。（2 2）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或）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。其他措施以防螺帽松动。（3 3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。可拆卸

10、结构连接；临时固定构件的安装连接。（4 4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧）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。密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。四、普通螺栓的抗剪连接计算四、普通螺栓的抗剪连接计算 1 1、抗剪连接工作性能、抗剪连接工作性能工作性能工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上即可得到板件上a、b两点相对位移两点相对位移和作用力和作用力N的关系曲线，由此曲线可的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。NN/2N/2ba012341

11、234N普通螺栓普通螺栓高强度螺栓高强度螺栓 摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(0-1段段)直线段直线段连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。滑移阶段滑移阶段(1-2段段)水平段水平段摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。栓杆直接传力的弹性阶段栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段段)曲线上升曲线上升段段该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓该阶段主要靠栓杆与孔壁接触

12、传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。关系以曲线状态上升。弹塑性阶段弹塑性阶段(3-4段段)荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后破坏。曲线的最高点后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺所对应的荷载即为普通螺栓栓抗剪连接的极限荷载。抗剪连接的极限荷载。2 2、抗剪连接的破坏形式、抗剪连接的破坏形式 栓杆被剪坏栓杆被剪坏 破坏条件：栓杆直径

13、较小而板件较厚时破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时N NN N较薄的连接板被挤压破坏较薄的连接板被挤压破坏 破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时 NN板件被拉（压）断板件被拉（压）断 破坏条件：截面削弱过多时破坏条件：截面削弱过多时NN 由于拴杆和扳件的挤压由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。坏叫做螺栓承压破坏。板件端部被剪坏板件端部被剪坏 破坏条件：端矩破坏条件：端矩a过小时过小时 构造保证措施：端矩不应构造保证措施：端矩不应小于小于2d0aNN 栓杆弯曲破坏栓杆弯曲破坏 破坏条件：螺栓杆过长时破坏条件：螺栓

14、杆过长时 构造保证措施：栓杆长度不应大于构造保证措施：栓杆长度不应大于5d5d 前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的证。第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑和两种形式破坏。计算只考虑和两种形式破坏。N/2NN/23.单个普通螺栓的抗剪承载力计算单个普通螺栓的抗剪承载力计算 由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和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孔壁承压（即螺栓（即螺栓承压承压）两种情况。）两种情况。（1 1）假定螺栓受剪面上的剪应力均

15、匀分布，一个螺栓）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个螺栓的受剪承载力设计值为：的受剪承载力设计值为：式中式中：nv 受剪面数目，单剪受剪面数目，单剪=1；双剪；双剪=2。d 螺栓杆公称直径；螺栓杆公称直径；fvb 螺栓的抗剪强度设计值螺栓的抗剪强度设计值，见附录见附录1中的附表中的附表1.3bv2vbv4fdnNNN/2N/22 vn双双剪剪：t2t1t3NN1 vn单单剪剪：t2t1d d单个螺栓的承压承载力设计值为：单个螺栓的承压承载力设计值为：bbccNdtf式中式中 t同一受力方向的承压构件的较小总厚度；同一受力方向的承压构件的较小总厚度；承压强度设计值，见附录承压强度设计值，见附

16、录1中的附表中的附表1.3。对双剪：取对双剪：取t1与与t2+t3中较小者中较小者 对单剪：取对单剪：取t1与与t2中较小者中较小者bcf高强螺栓的预拉力设计值P为：普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设计值的0.以上是当弯矩M较小时，小偏心情况的计算公式式中 t同一受力方向的承压构件的较小总厚度；连接处构件接触面应清除油污及浮锈。螺栓或铆钉的最大、最小容许距离承压型依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。在杆轴方向受力的高强度螺栓摩擦型连接中，单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算

17、只考虑和两种形式破坏。Nv、Nt一个螺栓所承受的剪力和拉力设计值。当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。大六角头螺栓 扭剪型螺栓9级，fu=1040N/mm2；摩擦型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接（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。扭矩法的优点是较简单、易实施、费用低，缺点是所连接的承载力取决于构件接触面的摩擦力，而摩擦力的大小与螺栓所受预拉力和摩擦面的抗滑移系数以及连接的传力摩擦面数有关。承压型高强度螺栓的抗剪承载力

18、设计值与普通螺栓计算相同，分螺栓杆抗剪和孔壁承压两部分。临时固定构件的安装连接。一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，近似取AP/Ab=10，则有：minminbbbvcNNN，一个普通螺栓的抗剪承载力设计值：一个普通螺栓的抗剪承载力设计值：4.普通螺栓群的抗剪承载力计算普通螺栓群的抗剪承载力计算(1)普通螺栓群轴心受剪普通螺栓群轴心受剪 试验证明试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大受力并不均匀，而是两端大,中间小。中间小。l l1 1N NN/2N/2N/2N/2平均值平均值图图3.7.2 当当l115d0(d0为孔

19、径为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N N 由各螺栓平均分担。由各螺栓平均分担。即连接所需螺栓数为：即连接所需螺栓数为：当当l115d0(d0为孔径为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数由试验可得连接的抗剪强度折减系数

20、与与l1/d0的关系曲线，的关系曲线，我国规范规定：我国规范规定：bVNNnmin因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：当当 时，时，1010015601.1150ldldd10600.7ld当当 时，时，以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。bVNNnminF作用下每个螺栓平均受力，则作用下每个螺栓平均受力，则 1FFNn (2)普通螺栓群偏心受剪普通螺栓群偏心受剪 eF=F+TOr1x1y1y2N1TxN1TyN1TNt21F作用作用扭矩扭矩T作用作用 栓群在扭矩栓群在扭矩T=F

21、e作用下，每个螺栓均受剪，按弹性作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下：设计法计算的基本假设如下：连接件绝对刚性连接件绝对刚性,螺栓弹性；螺栓弹性；连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线成正比，方向则与它和形心的连线垂直。垂直。“1 1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。计算公式推导如下：计算公式推导如下：设各螺栓至螺栓群形心设各螺栓至螺栓群形心O的距离为的距离为r1、r2、r3，rn，各螺栓承受的分力分别为各螺栓承受

22、的分力分别为N1T、N2T、N3T，NnT，根据，根据平衡条件得：平衡条件得：栓钉受力大小与其到形心的距离成正比，则：故得螺栓i因力矩T而产生的剪力为：在扭矩T作用下的剪力在x、y轴方向的分量：nTnTTrNrNrNT 2211nTnTTrNrNrN 22112222222111)()()()(iiTinnTnTTrrNrrNrrNrrNT 222iiiiiTiyxTrrTrN22iiiiiTiTixyxTyryNN22iiiiiTiTiyyxTxrxNN受力最大螺栓受力最大螺栓“1”所受的合力为所受的合力为:如果如果y13x1，则可假定，则可假定xi=0 ，由此得由此得N1Ty=0，11Tx

23、2iTyNy则计算式为：则计算式为：bmin22211NnFyTyNibVTyFTxNNNNNmin211211 五、普通螺栓的抗拉连接计算五、普通螺栓的抗拉连接计算 1.单个普通螺栓的抗拉承载力单个普通螺栓的抗拉承载力 受拉螺栓的撬力 连接刚度对受拉螺栓的影响普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设计值的计值的0.8倍倍.单个抗拉螺栓的承载力设计值为单个抗拉螺栓的承载力设计值为:式中式中 de、Ae螺栓的有效直径和有效截面面积，螺栓的有效直径和有效截面面积，要考虑螺纹的要考虑螺纹的 影响，见附录影响，见附录8中的附表中的附表8.1；螺栓抗拉

24、强度设计值螺栓抗拉强度设计值。btebtebtfdfAN42btf 2.普通螺栓群轴心受拉计算普通螺栓群轴心受拉计算 当外力通过螺栓群形心时当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：受力，因此，连接所需的螺栓数为：式中：式中：btNNn Ntb为一个螺栓的抗拉承载力设计值为一个螺栓的抗拉承载力设计值 在弯矩在弯矩M作用下，被连接件有顺弯作用下，被连接件有顺弯矩矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓作用方向旋转的趋势，因此螺栓受拉。受拉。N取二者较小值，当剪切面在螺纹处时钢结构普通螺栓连接设计.螺栓杆的伸长量=板件压缩恢复量一个摩擦型高强度螺栓的受

25、剪、受拉承载力设计值。由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。的意义变化为一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗接触面范围约为3do的要求。的意义变化为一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设计值的0.高强螺栓的预拉力设计值P为：(1)普通螺栓群轴心受剪扭矩法的优点是较简单、易实施、费用低，缺点是所肯定属于大偏心的情况，。一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，近似取AP/Ab=10，则有：在杆轴方向受力的高强度螺栓摩擦型连接中，单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：其他尺寸规定也符合每个摩擦型高强度螺栓的当外拉力为Nt

26、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，根据平衡关系有:9抗力分项系数的倒数，即取受力过程与普通螺栓相似，也分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图所示。螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩和弯矩MNe的联合作用。技弹性设计法，根据偏心距的大小的联合作用。技弹性设计法，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。可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。V V由承托承担由承托承担

27、大偏心受拉大偏心受拉y y1 1y y2 2y y3 3N NN N1 1N N2 2N N3 3O O中和轴中和轴受压区受压区e e小偏心受拉小偏心受拉V VM MN N刨平顶紧刨平顶紧承托（板）承托（板）e e旋转中心旋转中心N NmaxmaxN N2 2N N3 3N Nminmin00N Ny y2 2y y2 2y y1 1y y1 1c cO Oe e3.普通螺栓群偏心受拉（轴心力和弯矩共同作用）计算普通螺栓群偏心受拉（轴心力和弯矩共同作用）计算:剪力剪力V直接通过承托板传递，螺栓受轴心力和弯矩作用直接通过承托板传递，螺栓受轴心力和弯矩作用KyNyNyNyNnMniMiMM 221

28、111KyNM22KyNMnMnKyNnMniMiMMyNyNyNyNM2211 ，底排与顶排螺栓受力分别为最小和最大：，式中 n连接中螺栓总个数；y1“1”号即顶排螺栓到旋转轴的距离；yn“n”号即底排螺栓到旋转轴的距离；yi“i”号螺栓到旋转轴的距离；当由上式算得的Nmin0时，说明所有螺栓均受拉，构件绕栓钉群形心轴旋转，此时应验算满足条件：以上是当弯矩M较小时，小偏心情况的计算公式2122221niKyKyKyKyM2iyKM2iyMK2mininyMynNN21maxiyMynNNbtNNmax计算就会出现Nmin0的情况，表示该连接的下部螺栓受压，而这是不可能的.这时应按构件绕底排螺

29、栓连线轴z一z转动，即按大偏心计算。e轴心力N到底排螺栓连线轴的距离；顶排螺栓到底排螺栓连线轴的距离，连接中所有螺栓到旋转轴(底排螺栓连线轴)的距离平方和 由此可见，对于普通螺栓连接，在轴心力和弯矩共同作用下的由此可见，对于普通螺栓连接，在轴心力和弯矩共同作用下的计算，应需判断是小偏心、还是大偏心，然后按有关公式验算危险计算，应需判断是小偏心、还是大偏心，然后按有关公式验算危险螺栓受力是否安全螺栓受力是否安全:btiNyyNeN12 max 大偏心时连接的受力有如下特点大偏心时连接的受力有如下特点:受拉螺栓截面只是孤立的几个螺栓点受拉螺栓截面只是孤立的几个螺栓点;端板受压区则是宽度较大、高度较

30、小的实体矩形截面，其中和端板受压区则是宽度较大、高度较小的实体矩形截面，其中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位置。轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位置。实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓处，偏安全地忽略实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓处，偏安全地忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩而只考虑受拉螺栓部分。力臂很小的端板受压区部分的力矩而只考虑受拉螺栓部分。当无轴心力当无轴心力N而只有弯矩而只有弯矩M作用时，是这种连接的一个特例，作用时，是这种连接的一个特例，肯定属于大偏心的情况，。肯定属于大偏心的情况，。btiNyyNeN12 max六、普通螺栓受剪力和拉力联合作用

31、的连接计算六、普通螺栓受剪力和拉力联合作用的连接计算 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪式：一是螺栓杆受剪、受拉破坏；二是孔壁承压破坏。受拉破坏；二是孔壁承压破坏。试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图所示。所示。剪剪拉同时作用的相关曲线拉同时作用的相关曲线0 00.50.51.01.01.01.00.50.5N Nv vN Nv vb bN Nt tN

32、Nt tb bNVe 规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：应分别符合下列公式的要求：孔壁承压的计算式应为孔壁承压的计算式应为NVb一个螺栓的螺杆抗剪承载力设计值。一个螺栓的螺杆抗剪承载力设计值。Ncb一个螺栓孔壁承压承载力设计值一个螺栓孔壁承压承载力设计值Ntb一个螺栓的螺杆抗拉承载力设计值。一个螺栓的螺杆抗拉承载力设计值。Nv、Nt一个螺栓所承受的剪力和拉力设计值。一个螺栓所承受的剪力和拉力设计值。122bttbVVNNNNbcVNN 第六节第六节 高强度螺栓连接设计高强度螺栓连接设计 一、高强度螺栓预拉力

33、控制一、高强度螺栓预拉力控制 高强度螺栓的预拉力是在安装螺栓时通过拧紧螺帽来实现的，高高强度螺栓的预拉力是在安装螺栓时通过拧紧螺帽来实现的，高强螺栓分为大六角头型和扭剪型两种。强螺栓分为大六角头型和扭剪型两种。大六角头螺大六角头螺栓栓1 1 2 2 3 43 41-1-螺栓；螺栓；2-2-垫圈；垫圈；3-3-螺母；螺母；4-4-螺丝螺丝扭剪型扭剪型螺栓螺栓螺螺栓栓垫垫圈圈螺螺母母扭矩法扭矩法:采用可直接显示扭矩的特制扳手，通过控制拧紧力矩来采用可直接显示扭矩的特制扳手，通过控制拧紧力矩来控制预拉力，施加的施工扭矩是根据计算确定的。控制预拉力，施加的施工扭矩是根据计算确定的。扭矩法的优点是较简单

34、、易实施、费用低，缺点是所扭矩法的优点是较简单、易实施、费用低，缺点是所得的预拉力值误差大且分散，一般误差为得的预拉力值误差大且分散，一般误差为25%左右。左右。大角头型高强度螺栓拧紧方法分扭矩法和扭角法，具体采用什大角头型高强度螺栓拧紧方法分扭矩法和扭角法，具体采用什么方法，应根据施工条件、施工经验确定。么方法，应根据施工条件、施工经验确定。扭角法是先用扳手将螺母初拧到一定扭矩扭角法是先用扳手将螺母初拧到一定扭矩(该扭矩值由试该扭矩值由试验决定验决定)，然后再复拧一次，复拧的控制扭矩与初拧扭矩相同，然后再复拧一次，复拧的控制扭矩与初拧扭矩相同，终拧时将螺母再转动一个角度，螺栓即可达到预定的预

35、拉值。终拧时将螺母再转动一个角度，螺栓即可达到预定的预拉值。扭剪型螺栓扭剪型螺栓螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母扭剪型高强度螺栓拧紧方法是拧掉栓梅花头，即扭剪法。扭剪型高强度螺栓拧紧方法是拧掉栓梅花头，即扭剪法。扭剪法扭剪法:施加预拉力的方法是用特殊的扳手，该扳手有两个套头，施加预拉力的方法是用特殊的扳手，该扳手有两个套头，分别套在螺母和螺栓的十二角体上，施加方向相反的扭矩，拧至分别套在螺母和螺栓的十二角体上，施加方向相反的扭矩，拧至断颈槽处剪断为止。断颈槽处剪断为止。扭剪型高强螺栓的受力特征与一般高强螺栓相同扭剪型高强螺栓的受力特征与一般高强螺栓相同，施，施加预拉力简加预拉力简单、准确。单、准确。取

36、二者较小值，当剪切面在螺纹处时高强度螺栓的排列要求：与普通螺栓的相同。高强度螺栓的预拉力是在安装螺栓时通过拧紧螺帽来实现的，高一个高强度螺栓的设计预拉力P曲线上升段该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。以上是当弯矩M较小时，小偏心情况的计算公式当外拉力为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，根据平衡关系有:当板层问的摩擦力被克服，螺杆与孔壁接触时，板件孔前区形成三向应力场，因而承压型连接高强度螺栓的承压强度比普通螺栓高得多，两者相差约50%。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。取二者较小值，当剪切面在螺纹处时三、螺

37、栓连接的构造要求一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，近似取AP/Ab=10，则有：当Nti 150C时，时，应采取隔热措施，以使连应采取隔热措施，以使连接所处温度在接所处温度在100或或150以下以下3.高强度螺栓抗拉连接高强度螺栓抗拉连接 高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力预拉力P，板层之间则有压力，板层之间则有压力C，而，而P与与C维持平衡，维持平衡，即即 C=P图图3.8.4 高强度螺栓受拉高强度螺栓受拉P Pf fC Cf fN Nt tP PC C 当外拉力为当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的时：板件有被拉开趋

38、势，板件间的压力压力C减小为减小为Cf，栓杆拉力，栓杆拉力P增加为增加为Pf，根据平衡关，根据平衡关系有系有:ftfPNCffbpPPCCEAEA若螺栓和被连接板件保持弹性，板叠厚度为若螺栓和被连接板件保持弹性，板叠厚度为，则，则 螺栓杆的伸长量螺栓杆的伸长量=板件压缩恢复量板件压缩恢复量Ab栓杆截面面积；栓杆截面面积；Ap板件挤压面面积。板件挤压面面积。由以上三式，可得由以上三式，可得1tfpbNPPAA当 时，第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑和两种形式破坏。yn“n”号即底排螺栓到旋转轴的距离；（3）施工要求当 时，栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于对

39、普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图所示。1 2 3 4单个螺栓承载力设计值汇总表（二）边距 边距在杆轴方向受力的高强度螺栓摩擦型连接中，单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：边距 中距 边距试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图所示。Ntb为一个螺栓的抗拉承载力设计值，2予以降低，而未考虑承压强度设计值变化幅度随外拉力大小而变化这一因素。扭矩法

40、的优点是较简单、易实施、费用低，缺点是所技弹性设计法，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。当板件即将被拉开时：当板件即将被拉开时：Cf=0，有，有Pf=Nt，因此：，因此：一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，近似取近似取AP/Ab=10，则有：，则有：1ffpbPPPAA1.1fPP 当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加10%。另。另外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于P时，卸载后螺时，卸载后螺栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当栓杆的预拉力将减小，即

41、发生松弛现象。但当Nt不大于不大于0.8P时，则无松弛现象，这时时，则无松弛现象，这时Pf=1.07P，可认为螺杆的，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：触，所以现行规范规定：在杆轴方向受力的高强度螺栓摩擦型连接中，单个高强度在杆轴方向受力的高强度螺栓摩擦型连接中，单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：螺栓抗拉承载力设计值取为：0.8btNP 承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准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：则为螺栓杆被拉断，故计算方

42、法与普通螺栓相同，即：24bbbetettdNA ff式中：式中：Ae螺栓杆的有效截面面积；螺栓杆的有效截面面积；de 螺栓杆的有效直径；螺栓杆的有效直径；ftb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。4.摩擦型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接摩擦型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接 当螺栓所受外拉力当螺栓所受外拉力Nt0.8P时，虽然螺杆中的预拉力时，虽然螺杆中的预拉力P P基本基本不变，但板间压力将减小到不变，但板间压力将减小到p-Ntp-Nt。试验研究表明，这时接触面。试验研究表明，这时接触面的抗滑移系数的抗滑移系数也有所降低，而且也有所降低，而且值随值随Nt从的增

43、大面减小。从的增大面减小。现行钢结构设计规范考虑了摩擦力与拉力的相互不利影响，故现行钢结构设计规范考虑了摩擦力与拉力的相互不利影响，故一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时，其承载能力应按下一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时，其承载能力应按下式计算式计算vtbbvt1NNNNNv,Nt某个摩擦型高强度螺栓所承受的剪力和拉力；某个摩擦型高强度螺栓所承受的剪力和拉力；一个摩擦型高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。一个摩擦型高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。bVNtVNbvf0.9NnPvtbbvt1NNNN0.8btNP5.承压型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接承压型高强度螺栓同时承受剪力和

44、外拉力的连接22vtbbvt1NNNN 对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同，即为防止栓杆剪拉破坏，要求计算方法与普通螺栓相同，即为防止栓杆剪拉破坏，要求将将代入代入)25.1(9.0tfbVNPnN可得到常用的习惯表达方式：可得到常用的习惯表达方式：的意义变化为一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗的意义变化为一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗剪承载力设计值。剪承载力设计值。bVNbcv1.2NN 为了防止孔壁的承压破坏，应满足：为了防止孔壁的承压破坏，应满足：由于在剪应力单独作用下，高强度螺栓对板层间产生

45、强大压紧由于在剪应力单独作用下，高强度螺栓对板层间产生强大压紧力。当板层问的摩擦力被克服力。当板层问的摩擦力被克服，螺杆与孔壁接触时，板件孔前螺杆与孔壁接触时，板件孔前区形成三向应力场，因而承压型连接高强度螺栓的承压强度比区形成三向应力场，因而承压型连接高强度螺栓的承压强度比普通螺栓高得多，两者相差约普通螺栓高得多，两者相差约50%。当承压型连接高强度螺栓受有杆轴拉力时，板层间的压紧力随当承压型连接高强度螺栓受有杆轴拉力时，板层间的压紧力随外拉力的增加而减小，因而其承压强度设计值也随之降低。为外拉力的增加而减小，因而其承压强度设计值也随之降低。为了计算简便，我国现行钢结构设计规范规定，只要有外

46、拉力存了计算简便，我国现行钢结构设计规范规定，只要有外拉力存在，就将承压强度除以在，就将承压强度除以1.2予以降低，而未考虑承压强度设计值予以降低，而未考虑承压强度设计值变化幅度随外拉力大小而变化这一因素。变化幅度随外拉力大小而变化这一因素。兼受剪拉兼受剪拉受拉受拉取二者较小取二者较小值，长列螺值，长列螺栓折减栓折减受剪受剪普通螺栓普通螺栓备注备注计算公式计算公式受力状态受力状态螺栓种类螺栓种类24bbvvvdNnfbbccNdtf24bbettdNf221vttvbbNNNNbvcNN单个螺栓承载力设计值汇总表（一）单个螺栓承载力设计值汇总表（一）兼受剪拉兼受剪拉受拉受拉长列螺栓折长列螺栓折

47、减减受剪受剪摩擦型高摩擦型高强度螺栓强度螺栓备注备注计算公式计算公式受力状态受力状态螺栓种类螺栓种类0.9bvNnfP0.8btNP1NNNNvttvbb0.8tNP0.91.25)bvtNnfPN（或单个螺栓承载力设计值汇总表（二）单个螺栓承载力设计值汇总表（二）兼受剪拉兼受剪拉受拉受拉取二者较小值，当取二者较小值，当剪切面在螺纹处时剪切面在螺纹处时受剪受剪承压型高承压型高强度螺栓强度螺栓备注备注计算公式计算公式受力状态受力状态螺栓种类螺栓种类24bbvvvdNnfbbccNdtf24bbettdNf221vttvbbNNNN/1.2bvcNN24bbevvvdNnf单个螺栓承载力设计值汇总

48、表（三）单个螺栓承载力设计值汇总表（三）四、高强度螺栓连接基本计算公式应用四、高强度螺栓连接基本计算公式应用 1 1、高强度螺栓群受轴心力作用抗剪计算、高强度螺栓群受轴心力作用抗剪计算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：（1 1）对于摩擦型连接：）对于摩擦型连接：bvNNn（2 2）对于承压型连接：）对于承压型连接：bNNnmin 24bbvvvdNnfbbccNdtf24bbevvvdNnf或或PnNfbV9.0bcbVbVNNN,minmin2 2、高强度螺栓群受扭矩或扭矩、剪力共同作用的抗剪计算、高强度螺栓群受扭矩或扭矩、剪力共同作用的抗剪计算计算方法与普

49、通螺栓相同，但应采用高强度螺栓承载力设计计算方法与普通螺栓相同，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。值进行计算。剪力剪力F作用下每个螺栓受力：作用下每个螺栓受力：1FFNn（）eF=F+TOr1x1y1y2N1TxN1TyN1TNt21F作用作用扭矩扭矩T作用作用图图3.8.5当Nti 15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。为了防止孔壁的承压破坏，应满足：扭剪法:施加预拉力的方法是用特殊的扳手，该扳手有两个套头，受拉螺栓的撬力 连接刚度对受拉螺栓的影响规范规定：同时承受剪力和杆轴方

50、向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：fvb 螺栓的抗剪强度设计值，见附录1中的附表1.钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面强螺栓分为大六角头型和扭剪型两种。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时三、螺栓连接的构造要求孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.（2）对于承压型连接：Nv、Nt一个螺栓所承受的剪力和拉力设计值。当 时，高强度螺栓孔应采用钻成孔，不得采用冲成孔。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：扭矩扭矩T作用下：作用下：由此可得螺栓由此可得螺栓1的强度验算公式为的强度验算公式为:摩擦型连接摩擦