钢结构普通螺栓连接设计[1]课件.ppt
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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:在M和N共同作用下,最外(下)排“1”号螺栓所受拉力最大为(中和轴位于螺栓群形心O处):注:施加预拉力时,栓杆中的预拉力应接近螺栓所用材料的屈服强度,(2)对于承压型连接:摩擦型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.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。(2)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。8P时,则无松弛现象,这时Pf=1.普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设计
12、值的0.大六角头螺栓 扭剪型螺栓螺栓的排列应简单、统一而紧凑,满足受力要求,构造合理又便于安装。对单剪:取t1与t2中较小者摩擦型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。1、抗剪连接工作性能(1)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: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,
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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摩擦型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接最少螺栓数的要求:高强度螺栓最好每一接头至少3个.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。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(即螺栓承压)两种情况。单个抗拉
18、螺栓的承载力设计值为: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。端板受压区则是宽度较大、高度较小的实体矩形截面,其中和当无轴心力N而只有弯矩M作用时,是这种连接的一个特例,一、高强度螺栓预拉力控制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。较薄的连接板被挤压破坏上式中,只考虑螺栓拉力对抗剪承载力的不利影响,未考虑受压区板层间压力增加的有利作用,故按该式计算的结果是略偏安全的。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,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,且使钢板的截面削弱过多,降低
19、其承载能力。分别套在螺母和螺栓的十二角体上,施加方向相反的扭矩,拧至五、普通螺栓的抗拉连接计算注:(1)d0 为螺栓孔或铆钉孔直径,t为外层较薄板件的厚度;水平段摩擦力被克服后,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。传力途径: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
20、l1 1N NN/2N/2N/2N/2平均值平均值图图3.7.2 当当l115d0(d0为孔径为孔径)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
21、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+TOr1x1y
22、1y2N1TxN1TyN1TNt21F作用作用扭矩扭矩T作用作用 栓群在扭矩栓群在扭矩T=Fe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
23、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
24、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=0,11Tx2iTyNy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对于高强度螺栓摩擦型连接,其破坏准则为摩擦力被克服,板件间出现相对滑移,因此以1点为极限。通过1点后,连接产生了滑移,当栓杆与孔壁接触后,连接又可继续承载直到破坏。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。(1)假定螺
25、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:当l115d0(d0为孔径)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N 由各螺栓平均分担。6表示fy/fu=0.并按5kN的模数取整.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。单个螺栓承载力设计值汇总表(二)因此,一个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为:连接件绝对刚性,螺栓弹性;高强度螺栓在承受外拉力前,螺杆中已有很高的预拉力P,板层之间则有压力C,而P与C维持平衡,即 C=P当外拉力为Nt时:板件有被拉开趋势,板件间的压力C减小
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