摩擦型高強螺栓的計算方式

1、 第三章 連接返回 §3-6高強度螺栓連接的構造和計算3.6.1高強度螺栓連接的工作性能和構造要求一、高強度螺栓連接的工作性能1、高強度螺栓的抗剪性能由圖3.5.2中可以看出，由于高強度螺栓連接有較大的預拉力，從而使被連板疊中有很大的預壓力，當連接受剪時，主要依靠摩擦力傳力的高強度螺栓連接的抗剪承載力可達到1點。通過1點后，連接產(chǎn)生了滑解，當栓桿與孔壁接觸后，連接又可繼續(xù)承載直到破壞。如果連接的承載力只用到1點，即為高強度螺栓摩擦型連接；如果連接的承載力用到4點，即為高強度螺栓承壓型連接。2、高強度螺栓的抗拉性能高強度螺栓在承受外拉力前，螺桿中已有很高的

2、預拉力P，板層之間則有壓力C，而P與C維持平衡（圖3.6.1a）。當對螺栓施加外拉力Nt，則栓桿在板層之間的壓力未完全消失前被拉長，此時螺桿中拉力增量為P，同時把壓緊的板件拉松，使壓力C減少C（圖3.6.1b）。計算表明，當加于螺桿上的外拉力Nt為預拉力P的80%時，螺桿內(nèi)的拉力增加很少，因此可認為此時螺桿的預拉力基本不變。同時由實驗得知，當外加拉力大于螺桿的預拉力時，卸荷后螺桿中的預拉力會變小，即發(fā)生松弛現(xiàn)象。但當外加拉力小于螺桿預拉力的80%時，即無松弛現(xiàn)象發(fā)生。也就是說，被連接板件接觸面間仍能保持一定的壓緊力，可以假定整個板面始終處于緊密接觸狀態(tài)。但上述取值沒有考慮杠桿作用而引起的撬力影

3、響。實際上這種杠桿作用存在于所有螺栓的抗拉連接中。研究表明，當外拉力Nt0.5P時，不出現(xiàn)撬力，如圖3.6.2所示，撬力Q大約在Nt達到0.5P時開始出現(xiàn)，起初增加緩慢，以后逐漸加快，到臨近破壞時因螺栓開始屈服而又有所下降。由于撬力Q的存在，外拉力的極限值由Nu下降到N'u。因此，如果在設計中不計算撬力Q，應使N0.5P；或者增大T形連接件翼緣板的剛度。分析表明，當翼緣板的厚度t1不小于2倍螺栓直徑時，螺栓中可完全不產(chǎn)生撬力。實際上很難滿足這一條件，可采用圖3.5.7所示的加勁肋代替。在直接承受動力荷載的結構中，由于高強度螺栓連接受拉時的疲勞強度較低，每個高強度螺栓的外拉力不宜超過0.

4、5P。當需考慮撬力影響時，外拉力還得降低。二、高強度螺栓連接的構造要求1、高強度螺栓預拉力的建立方法為了保證通過摩擦力傳遞剪力，高強度螺栓的預拉力P的準確控制非常重要。針對不同類型的高強度螺栓，其預拉力的建立方法不盡相同。（1）大六角頭螺栓的預拉力控制方法有：力矩法  一般采用指針式扭力（測力）扳手或預置式扭力（定力）扳手。目前用得多的是電動扭矩扳手。力矩法是通過控制擰緊力矩來實現(xiàn)控制預拉力。擰緊力矩可由試驗確定，應使施工時控制的預拉力為設計預拉力的1.1倍。當采用電動扭矩搬手時，所需要的施工扭矩Tf為：為了克服板件和墊圈等的變形，基本消除板件之間的間隙，使擰緊力矩系數(shù)有較

5、好的線性度，從而提高施工控制預拉力值的準確度，在安裝大六角頭高強度螺栓時，應先按擰緊力矩的50%進行初擰，然后按100%擰緊力矩進行終擰。對于大型節(jié)點在初擰之后，還應按初擰力矩進行復擰，然后再行終擰。力矩法的優(yōu)點是較簡單、易實施、費用少，但由于連接件和被連接件的表面和擰緊速度的差異，測得的預拉力值誤差大且分散，一般誤差為±25%。轉(zhuǎn)角法  先用普通扳手進行初擰，使被連接板件相互緊密貼合，再以初擰位置為起點，按終擰角度，用長扳手或風動扳手旋轉(zhuǎn)螺母，擰至該角度值時，螺栓的拉力即達到施工控制預拉力。（2）扭剪型高強度螺栓是我國60年代開始研制，80年代制訂出標準的新型連

6、接件之一。它具有強度高、安裝簡單和質(zhì)量易于保證、可以單面擰緊、對操作人員沒有特殊要求等優(yōu)點。扭剪型高強度螺栓如圖3.1.9(b)所示，螺栓頭為盤頭，螺紋段端部有一個承受擰緊反力矩的十二角體和一個能在規(guī)定力矩下剪斷的斷頸槽。扭剪型高強度螺栓連接副的安裝需用特制的電動扳手，該扳手有兩個套頭，一個套在螺母六角體上；另一個套在螺栓的十二角體上。擰緊時，對螺母施加順時針力矩，對螺栓十二角體施加大小相等的逆時針力矩，使螺栓斷頸部分承受扭剪，其初擰力矩為擰緊力矩的50%，復擰力矩等于初擰力矩，終擰至斷頸剪斷為止，安裝結束，相應的安裝力矩即為擰緊力矩。安裝后一般不拆卸。2、預拉力值的確定高強度螺栓的預拉力設計

7、值P由下式計算得到：式（3.6.2）中的系數(shù)考慮了以下幾個因素：擰緊螺帽時螺栓同時受到由預拉力引起的拉應力和由螺紋力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應力作用。折算應力為：根據(jù)試驗分析，系數(shù) 在職1.151.25之間，取平均值為1.2。式（3.6.2）中分母的1.2既為考慮擰緊螺栓時扭矩對螺桿的不利影響系數(shù)。為了彌補施工時高強度螺栓預拉力的松馳損失，在確定施工控制預拉力時，考慮了預拉力設計值的1/0.9的超張拉，故式（3.6.2）右端分子應考慮超張拉系數(shù)0.9。考慮螺栓材質(zhì)的不定性系數(shù)0.9；再考慮用fu而不是用fy作為標準值的系數(shù)0.9。各種規(guī)格高強度螺栓預拉力的取值見表3.6.1和3.6.2。3、高

8、強度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)高強度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)的大小與連接處構件接觸面的處理方法和構件的鋼號有關。試驗表明，此系數(shù)值有隨連接構件接觸面間的壓緊力減小而降低的現(xiàn)象，故與物理學中的摩擦系數(shù)有區(qū)別。我國規(guī)范推薦采用的接觸面處理方法有：噴砂、噴砂后涂無機富鋅漆、噴砂后生赤銹和鋼絲刷消除浮銹或?qū)Ω蓛糗堉票砻娌蛔魈幚淼?，各種處理方法相應的值詳見表3.6.3和3.6.4。由于冷彎薄壁型鋼構件板壁較薄，其抗滑移系數(shù)均較普通鋼結構的有所降低。鋼材表面經(jīng)噴砂除銹后，表面看來光滑平整，實際上金屬表面尚存在著微觀的凹凸不平，高強度螺栓連接在很高的壓緊力作用下，被連接構件表面相互嚙合，鋼材強度和硬度愈高，要使這種嚙

9、合的面產(chǎn)生滑移的力就愈大，因此，值與鋼種有關。試驗證明，摩擦面涂紅丹后0.15，即使經(jīng)處理后仍然很低，故嚴禁在摩擦面上涂刷紅丹。另外，連接在潮濕或淋雨條件下拼裝，也會降低值，故應采取有效措施保證連接處表面的干燥。4、其他構造要求高強度螺栓連接除需滿足與普通螺栓連接相同之排列布置要求外，尚須注意以下二點：（1）當型鋼構件拼接采用高強度螺栓連接時，其拼接件宜采用鋼板。以使被連接部分能緊密貼合，保證預拉力的建立。（2）在高強度螺栓連接范圍內(nèi)，構件接觸面的處理方法應在施工圖中說明。3.6.2高強度螺栓摩擦型連接計算1、受剪連接承載力摩擦型連接的承載力取決于構件接觸面的摩擦力，而此摩擦力的大小與螺栓所受

10、預拉力和摩擦面的抗滑移系數(shù)以及連接的傳力摩擦面數(shù)有關。因此，一個摩型連接高強度螺栓的受剪承載力設計值為：試驗證明，低溫對摩擦型高強度螺栓抗剪承載力無明顯影響，但當溫度t=100150時，螺栓的預拉力將產(chǎn)生溫度損失，故應將摩擦型高強度螺栓的抗剪承載力設計值降低10%；當t150時，應采取隔熱措施，以使連接溫度在150或100以下。2、受拉連接承載力如前所述，為提高強度螺栓連接在承受拉力作用時，能使被連接扳間保持一定的壓緊力，規(guī)范規(guī)定在桿軸方向承受拉力的高強度螺栓摩型連接中，單個高強度螺栓受拉承載力設計值為：3、同時承受剪力和拉力連接的承載力如前所述，當螺栓所受外拉力 時，雖然螺桿中的預

11、拉力P基本不變，但板層間壓力將減少到P-Nt。試驗研究表明，這時接觸面的抗滑移系數(shù) 值也有所降低，而且 值隨Nt的增大而減小，試驗結果表明，外加剪力Nv和拉力Nt與高強螺栓的受拉、受剪承載力設計值之間具有線性相關關系，故規(guī)范規(guī)定，當高強度螺栓摩擦型連接同時承受摩擦面間的剪力和螺栓桿軸方向的外拉力時，其承載力應按下式計算：3.6.3高強度螺栓承壓型連接計算1、受剪連接承載力高強度螺栓承壓型連接的計算方法與普通螺栓連接相同，仍可用式（3.5.1）和式（3.5.2）計算單個螺栓的抗剪承載力設計值，只是應采用承壓型連接高強度螺栓的強度設計值。當剪切面在螺紋處時，承壓型連接高強度螺栓

12、的抗剪承載力應按螺紋處的有效截面計算。但對于普通螺栓，其抗剪強度設計值是根據(jù)連接的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計而定的，試驗時不分剪切面是否在螺紋處，故計算抗剪強度設計值時用公稱直徑。2、受拉連接承載力的計算公式與普通螺栓相同，只是抗拉強度設計值不同。3、同時承受剪力和拉力連接的承載力同時承受剪力和桿軸方向拉力的承壓型連接高強度螺栓的計算方法與普通螺栓相同，即：由于在剪應力單獨作用下，高強度螺栓對板層間產(chǎn)生強大壓緊力。當板層間的摩擦力被克服，螺桿與孔壁接觸時，板件孔前區(qū)形成三向應力場，因而承壓型連接高強度螺栓的承壓強度比普通螺栓高得多，兩者相差約50%。當承壓型連接高強度螺栓受有桿軸拉力時，板層間的壓緊力隨外拉

13、力的增加而減小，因而其承壓強度設計值也隨之降低。為了計算簡便，我國現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范規(guī)定，只要有外拉力存在，就將承壓強度除以1.2予以降低，而未考慮承壓強度設計值變化幅度隨外拉力大小而變化這一因素。因為所有高強度螺栓的外拉力一般均不大于0.8P。此時，可以為整個板層間始終處于緊密接觸狀態(tài)，采用統(tǒng)一除以1.2的做法來降低承壓強度，一般能保證安全。3.6.4高強度螺栓群的計算一、高強度螺栓群受剪1、軸心受剪此時，高強度螺栓連接所需螺栓數(shù)目應由下式確定：2、高強度螺栓群的非軸心受剪高強度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用時的抗剪計算方法與普通螺栓群相同，但應采用高強度螺栓承載力設計值進行計算。二、高強

14、度螺栓群受拉1、軸心受拉高強度螺栓群連接所需螺栓數(shù)目：2、高強度螺栓群受彎矩作用高強度螺栓（摩擦型和承壓型）的外拉力總是小于預拉力P，在連接受彎矩而使螺栓沿栓桿方向受力時，被連接構件的接觸面一直保持緊密貼合；因此，可認為中和軸在螺栓群的形心軸上（圖3.6.3），最外排螺栓受力最大。最大拉力及其驗算式為：3、高強度螺栓群偏心受拉由于高強度螺栓偏心受拉時，螺拉的最大拉力不得超過0.8P，能夠保證板層之間始終保持緊密貼合，端板不會拉開，故摩擦型連接高強度螺栓和承壓型連接高強度螺栓均可按普通螺栓小偏心受拉計算，即：三、高強度螺栓群承受拉力、彎矩和剪力的共同作用1、摩擦型連接的計算圖3.6.4所示為摩擦型連接高強度螺栓承受拉力、彎矩和剪力共同作用時的情況。由于螺栓連接板層間的壓緊力和接觸面的抗滑移系數(shù)，隨外拉力的增加而減小。已知摩擦型連接高強度螺栓承受剪力和拉力聯(lián)合作用時，螺栓的承載力設計值應符合相關方程：即公式（3.6.11）和（3.6.6）是等價的。式中的Nv是同時作用剪