第三章 鋼結(jié)構(gòu)連接(螺栓)02

1、(Connections)36 螺栓連接（bolting）的構(gòu)造1.1.普通螺栓普通螺栓C級級-粗制螺栓，性能等級為粗制螺栓，性能等級為4.6或或4.8級；級；4表示表示f fu u400N/mm400N/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.8；類孔，孔徑類孔，孔徑(d(do o)-)-栓桿直徑栓桿直徑(d) (d) 1 13mm3mm。A、B級級-精制螺栓，性能等級為精制螺栓，性能等級為5.6或或8.8級級; ;5或或8表示表示f fu u500500或或800N/mm800N/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy

2、y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.8；類孔，孔徑類孔，孔徑(d(do o)-)-栓桿直徑栓桿直徑(d)(d)0.30.30.5mm0.5mm。按其加工的精細(xì)程度和強度分為按其加工的精細(xì)程度和強度分為: :A、B、C三個級別。三個級別。精制螺栓精制螺栓粗制螺栓粗制螺栓代號代號A A級和級和B B級級C C級級強度等級強度等級5.65.6級和級和8.88.8級級4.64.6級和級和4.84.8級級加工方式加工方式車床上經(jīng)過切削而成車床上經(jīng)過切削而成單個零件上一次沖成單個零件上一次沖成加工精度加工精度螺桿與栓孔直徑之差為螺桿與栓孔直徑之差為0.250.250.5mm0.5mm螺桿與栓孔直

3、徑之差為螺桿與栓孔直徑之差為1.51.53mm3mm抗剪性能抗剪性能好好較差較差經(jīng)濟性能經(jīng)濟性能價格高價格高價格經(jīng)濟價格經(jīng)濟用途用途構(gòu)件精度很高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件精度很高的結(jié)構(gòu)( (機械機械結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)); );在鋼結(jié)構(gòu)中很少采在鋼結(jié)構(gòu)中很少采用用, ,已被高強鋼替代。已被高強鋼替代。沿螺栓桿軸受拉的連接沿螺栓桿軸受拉的連接；次要的抗剪連接；安；次要的抗剪連接；安裝的臨時固定裝的臨時固定由由4545號、號、40B40B和和20MnTiB20MnTiB鋼加工而成，并經(jīng)過熱處理鋼加工而成，并經(jīng)過熱處理45號8.8級； 40B和20MnTiB10.9級 （a a）大六角頭螺栓）大六角頭螺栓 （b b）扭剪型螺栓

4、）扭剪型螺栓1.1.并列并列簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu)簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu) 件截面削弱大；件截面削弱大；B B 錯列錯列A A 并列并列中距中距中距中距邊距邊距邊距邊距端距端距2.2.錯列錯列排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構(gòu)件截排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構(gòu)件截 面削弱小；面削弱??； 【垂直受力方向垂直受力方向】為了防止螺栓應(yīng)力集中相互影響、截為了防止螺栓應(yīng)力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力面削弱過多而降低承載力, ,螺栓的邊距和端距不能太??；螺栓的邊距和端距不能太??； 【順力作用方向順力作用方向】為了防止板件被拉斷或剪壞，為了防止板件被拉斷或剪壞，端

5、距端距 不能太??；不能太??； 【受壓構(gòu)件受壓構(gòu)件】為防止連接板件發(fā)生鼓曲為防止連接板件發(fā)生鼓曲, ,中距不能太大。中距不能太大。15d15d0 0(d(d0 0為孔徑為孔徑) )時，連接進(jìn)入彈塑性工作狀時，連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，即使內(nèi)力重新分布態(tài)后，即使內(nèi)力重新分布, ,各個螺栓內(nèi)力也難以均勻，各個螺栓內(nèi)力也難以均勻，端部螺栓首先破壞端部螺栓首先破壞, ,然后依次破壞。由試驗可得連接的然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強度折減系數(shù)抗剪強度折減系數(shù)與與l l1 1/d/d0 0的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線。)353(1501 . 1601501010dldld時：當(dāng)ECCS試驗曲線試驗曲線8.88.

6、8級級 M22M22我國規(guī)范1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80l l1 1/d/d0 0平均值平均值長連接螺栓的內(nèi)力分布長連接螺栓的內(nèi)力分布7 .06001 時時：當(dāng)當(dāng)dl)363(min bNNn 故，連接所需栓數(shù)：故，連接所需栓數(shù)：NNbt tt t1 1b1拼接板的危險截面為拼接板的危險截面為2-22-2截面截面: :A A、螺栓采用并列排列時、螺栓采用并列排列時: :主板的危險截面為主板的危險截面為1-1截面截面: :1122 主主板板厚厚度度。主主板板寬寬度度；危危險險截截面面上上的的螺螺栓栓數(shù)數(shù)；螺螺栓栓孔孔直直徑徑；鋼鋼材材強強度度設(shè)設(shè)計

7、計值值 tbmdftdmbAfANnn001 ,1 ,; 拼接板厚度。危險截面上的螺栓數(shù)；拼接板寬度；螺栓孔直徑；鋼材強度設(shè)計值1101012,2,;5 . 0tmbdftdmbAfANnnNNt tt t1 1bc2c3c4c1B B、螺栓采用錯列排列時、螺栓采用錯列排列時: :主板的危險截面為主板的危險截面為1-1和和1-1截面截面: : 主主板板厚厚度度。主主板板寬寬度度；危危險險截截面面上上的的螺螺栓栓數(shù)數(shù)；螺螺栓栓孔孔直直徑徑；鋼鋼材材強強度度設(shè)設(shè)計計值值；式式中中：截截面面：對對于于截截面面：對對于于 tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn00222140;1211;11

8、 1111NNbt tt t1 1b1c2c3c4c1拼接板的危險截面為拼接板的危險截面為2-2和和2-2截面截面: :拼接板厚度。拼接板寬度；危險截面上的螺栓數(shù)；螺栓孔直徑；鋼材強度設(shè)計值；式中：截面：對于截面：對于1101022214101;1222;225 . 0tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn2222例例題：設(shè)計螺栓蓋板拼接，設(shè)計拉力題：設(shè)計螺栓蓋板拼接，設(shè)計拉力N=350kN，鋼材，鋼材Q345B(或或16Mn)，拼接板寬，拼接板寬b=360mm，厚厚t1=8mm，采用，采用M20C級螺栓，孔徑級螺栓，孔徑f f22。解：解： 螺栓抗剪強度螺栓抗剪強度2bvN/mm1

9、40f板件承壓強度板件承壓強度(1)雙蓋板的厚度雙蓋板的厚度t2拼接板的厚度拼接板的厚度t1/28/2=4mm2bcN/mm385f2N/mm310f板件抗拉強度板件抗拉強度取取t2=6mmkN0 .881404202422bv2bvfdN雙剪雙剪(2)單個螺栓抗剪承載力單個螺栓抗剪承載力(3)孔壁承壓孔壁承壓kN6 .61)628min(38520bcbc，tdfN(4)所需螺栓數(shù)所需螺栓數(shù)n=350/61.6 =5.3個個(6)連接長度驗算連接長度驗算l1=15do=1522 =330mm 100601060100330mm(7)拼接凈截面積拼接凈截面積An=(360 - 322 )8 =

10、2352mm2凈截面拉應(yīng)力凈截面拉應(yīng)力 n=350000/2352=149N/mm21181kN1185.6kN1181kN被連接板強度計算：被連接板強度計算： f=215f=215結(jié)論：該節(jié)點安全。結(jié)論：該節(jié)點安全。vbfd421304222vcftd23/4 .214185 .23418400101181mmNANn2/ mmNF F作用下每個螺栓受力作用下每個螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F)373(1 nFNFT T作用下連接按彈性設(shè)計，其假定為作用下連接按彈性設(shè)計，其假定為： （1 1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；連接板件絕對剛性，螺栓為彈性； （2

11、2） T T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動，各螺栓剪作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動，各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關(guān)系，方向與力與其至形心距離呈線形關(guān)系，方向與r ri i垂直。垂直。TxyN1TN1TxN1Tyr11 顯然，顯然，T T作用下作用下11號螺號螺栓所受剪力最大栓所受剪力最大（r r1 1最大）。最大）。)383(2211 nnTTTrNrNrNT)393(332211 nnTTTTrNrNrNrN由假定由假定(2)(2)得得由式由式3-393-39得得: :)403(1131132112 nTnTTTTTrrNNrrNNrrNN；由力的平衡條件得：由力的平衡條件得：TxyN1TN1

12、TxN1Tyr11將式將式3-40代入式代入式3-38得得: : )413(12112222111 niiTnTrrNrrrrNT)423(112211211 niniiiniiTyxrTrrTN將將N1T1T沿坐標(biāo)軸分解得沿坐標(biāo)軸分解得: :)443()433(11221111122111122111112211 niniiininiiiTyniniiininiiiTxyxxTrxyxrTNyxyTryyxrTN )453(min21121 bFTyTxNNNN 另外另外, ,當(dāng)螺栓布置比較狹長當(dāng)螺栓布置比較狹長( (如如y y1 13x3x1 1) )時時, ,可進(jìn)行可進(jìn)行如下簡化計算：如

13、下簡化計算：令令:x:xi i=0=0，則，則N1Ty1Ty=0=0)463(121111211 niiniiTxyyTryyrTN)473(min2121 bFTxNNN 抗拉螺栓連接在外力作用下，抗拉螺栓連接在外力作用下，連接板件接觸面有連接板件接觸面有脫開趨勢脫開趨勢，螺栓桿受桿軸方向拉力作用，以，螺栓桿受桿軸方向拉力作用，以栓桿被拉栓桿被拉斷為其破壞形式。斷為其破壞形式。 4834 btebtebtfdfAN 式中：式中：A Ae e-螺栓的有效截面面積；螺栓的有效截面面積； d de e-螺栓的有效直徑；螺栓的有效直徑； f ft tb b-螺栓的抗拉強度設(shè)計值。螺栓的抗拉強度設(shè)計值

14、。dedndmd（1）螺栓的有效截面面積）螺栓的有效截面面積 因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是有效直徑有效直徑de而不是凈直徑而不是凈直徑dn，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)?。?，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)?。?493()(32413螺距ttdde A A、螺栓受拉時，一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞，即、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(dāng)連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開螺桿并非軸心受拉，當(dāng)連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開的趨勢的趨勢（杠桿作用），（杠桿作用），使螺桿中的拉力增加使螺桿中的拉力增加（撬力（撬力Q Q）并產(chǎn)并產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。生彎曲現(xiàn)象。

15、連接件剛度越小撬力越大連接件剛度越小撬力越大。【試驗證明試驗證明】影響撬力的因素較多，其大小難以確定影響撬力的因素較多，其大小難以確定，規(guī)范采取簡化計算的方法，取，規(guī)范采取簡化計算的方法，取f ft tb b=0.8f=0.8f（ff螺栓螺栓鋼材的抗拉強度設(shè)計值）鋼材的抗拉強度設(shè)計值）來考慮其影響。來考慮其影響。)503(22 QNNt B B、 在構(gòu)造上可以通過加強連接件的剛度的方法，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，如來減小杠桿作用引起的撬力，如設(shè)加勁肋設(shè)加勁肋，可以減小，可以減小甚至消除撬力的影響。甚至消除撬力的影響。 一般假定每個螺栓均勻受力，因此，連接

16、所需一般假定每個螺栓均勻受力，因此，連接所需的螺栓數(shù)為：的螺栓數(shù)為：)513( btNNnNM刨平頂緊刨平頂緊承托承托(板板)M1 2 3 4受壓區(qū)受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸中和軸M M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計，其假定為作用下螺栓連接按彈性設(shè)計，其假定為： （1 1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性； （2 2）螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處，各）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呈正比。螺栓所受拉力與其至中和軸的距離呈正比。)533(2211 nnyNyNyNM由力學(xué)及假定可得：由力學(xué)及假定可得：)523(

17、332211 nnyNyNyNyNM刨平頂緊刨平頂緊承托承托(板板)M1 2 3 4受壓區(qū)受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸中和軸將式將式3-543-54代入式代入式3-533-53得得: :)543(1131132112 nnyyNNyyNNyyNN； )553(12112222111 niinyyNyyyyNM)563(1211 niiyyMN因此，設(shè)計時只要滿足下式，即可：因此，設(shè)計時只要滿足下式，即可：)573(1 btNN 偏心力偏心力作用下普通螺栓連接，可采用偏于安全的作用下普通螺栓連接，可采用偏于安全的設(shè)計方法，即設(shè)計方法，即疊加法疊加法。刨平頂緊刨平頂緊承托承托(板板)F

18、eN1F)583(121111 btniiMFNyyMnFNNN1 2 3 4FMy1y2y3N1MN2MN3MM=Fe中和軸中和軸N4MbVVNNbttNN011VeM=VeV因此：因此：nVNV 2 2、由試驗可知，兼受剪力和拉力、由試驗可知，兼受剪力和拉力 的螺桿，其承載力無量綱關(guān)系的螺桿，其承載力無量綱關(guān)系 曲線近似為一曲線近似為一“四分之一圓四分之一圓”。1 1、普通螺栓在拉力和剪力的共同、普通螺栓在拉力和剪力的共同 作用下，可能出現(xiàn)兩種破壞形作用下，可能出現(xiàn)兩種破壞形 式：式：螺桿受剪兼受拉破壞、孔螺桿受剪兼受拉破壞、孔 壁的承壓破壞；壁的承壓破壞；3 3、計算時，假定剪力由螺栓群

19、均、計算時，假定剪力由螺栓群均 勻承擔(dān)，勻承擔(dān)，拉力由受力情況確定。拉力由受力情況確定。為了防止孔壁的承壓破壞，應(yīng)滿足：為了防止孔壁的承壓破壞，應(yīng)滿足：)593(122 bttbvvNNNN)603( bcvNNbVVNNbttNN011a ab b承托與柱翼緣的連接角焊縫按下式計算：承托與柱翼緣的連接角焊縫按下式計算：)613( wfewffhlN 式中：式中： 考慮剪力對角焊縫偏心考慮剪力對角焊縫偏心 影響的增大系數(shù)，影響的增大系數(shù)， 一般取一般取=1.25=1.251.351.35； 其余符號同前。其余符號同前。M刨平頂緊刨平頂緊承托承托(板板)V連接角焊縫連接角焊縫例例題：驗算牛腿螺栓

20、連接題：驗算牛腿螺栓連接,設(shè)計剪力設(shè)計剪力V=200kN,偏心偏心e=150mm,連接板厚連接板厚t=20mm,Q235B鋼材鋼材,采用采用10個個M20C級螺栓級螺栓,孔徑孔徑f f22，分別計算有承托和無承托兩種情況。，分別計算有承托和無承托兩種情況。解：解： 螺栓抗剪強度螺栓抗剪強度:2bvN/mm130f2bcN/mm305f2btN/mm170f板件承壓強度板件承壓強度:螺栓抗拉強度螺栓抗拉強度:(1)有承托板，螺栓群受彎矩有承托板，螺栓群受彎矩: M=Ve=2000.15=30kN.m 單個螺栓抗拉承載力單個螺栓抗拉承載力:kN6.41170245mm245btebt2efANA螺

21、栓最大拉力螺栓最大拉力:bt222262i1tkN20)100200300400(24001030NyMyNkN202i1tyMyNkN4113042042bv2bvfdNkN2010/200vN(2)無承托板，螺栓受拉受剪無承托板，螺栓受拉受剪單個螺栓抗剪承載力單個螺栓抗剪承載力:螺栓平均剪力螺栓平均剪力:螺栓最大拉力螺栓最大拉力:螺栓計算螺栓計算:168. 0412041.620222vbv2tbtNNNN孔壁承壓計算孔壁承壓計算:vbcbckN1222030520NtdfN例題：例題：驗算如圖所示端板和柱翼緣間普通螺栓驗算如圖所示端板和柱翼緣間普通螺栓的連接強度。普通螺栓的連接強度。普通

22、螺栓4.64.6級，級，M22M22，孔徑，孔徑23.5mm23.5mm。NMoN1N=245kNa)N=245kNo柱翼緣柱翼緣節(jié)點板節(jié)點板端板端板N1b)NMoN1N=245kNa)12）算危險螺栓拉力）算危險螺栓拉力設(shè)每排螺栓有兩列，設(shè)每排螺栓有兩列，m=2一共一共6排螺栓，螺栓總數(shù)排螺栓，螺栓總數(shù)12，n=12解：解：1） 算荷載算荷載N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN-cm 計算模型可為（計算模型可為（a a圖）或（圖）或（b b圖）。圖）。 a a圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在螺栓群的形心處稱小偏心；螺栓群的形心處稱小偏心； b b圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在端

23、板上圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在端板上1 1號螺栓處，稱大偏心。號螺栓處，稱大偏心。 假定轉(zhuǎn)動中心在螺栓群的形心處，則假定轉(zhuǎn)動中心在螺栓群的形心處，則 y1=20cm, yi2=2202+2122+242=1120cm。N1M=My1/(m yi2) =318520/（21120）=28.44kNN引起的引起的1點拉應(yīng)力：點拉應(yīng)力： N1N=N/n=245/12=20.42kN最外排的螺栓拉力：最外排的螺栓拉力：Nmin=20.42-28.440 MM引起的引起的1 1點拉應(yīng)力：點拉應(yīng)力： N N1 1MM= =MyMy1 1/( /(m m y yi i2 2) ) 計算結(jié)果連接上部受壓，構(gòu)件應(yīng)繞頂排螺

24、計算結(jié)果連接上部受壓，構(gòu)件應(yīng)繞頂排螺栓轉(zhuǎn)動，則栓轉(zhuǎn)動，則1 1點所受的最大拉力為點所受的最大拉力為N=245kNo柱翼緣柱翼緣節(jié)點板節(jié)點板端板端板N1b)e =33cm，m=2，y1=40cmyi2=402+322+242+162+82 =3520cm2kN9 .4535202403324521max1iymyeNN4）強度判斷）強度判斷 Nmax1 Ntb （45.9kN3x1滿足設(shè)計要求。滿足設(shè)計要求。設(shè)計下圖所示軸心受拉鋼板的設(shè)計下圖所示軸心受拉鋼板的承壓型高強螺栓承壓型高強螺栓連接。鋼連接。鋼板的鋼材為板的鋼材為Q235，高強螺栓，高強螺栓10.9級，級，M20,孔徑孔徑d0=21.5

25、mm。連接處截面用噴砂處理。連接處截面用噴砂處理。剪切面在螺紋處。剪切面在螺紋處。NN思考題思考題 連接是組成鋼結(jié)構(gòu)的重要部分，是本課程的基連接是組成鋼結(jié)構(gòu)的重要部分，是本課程的基本知識和基本技能。本知識和基本技能。 通過本章的學(xué)習(xí)，要了解鋼通過本章的學(xué)習(xí)，要了解鋼結(jié)構(gòu)采用的焊接連接和螺栓連接兩種常用的連接方結(jié)構(gòu)采用的焊接連接和螺栓連接兩種常用的連接方法及其特點；深刻理解對接焊縫及角焊縫的工作性法及其特點；深刻理解對接焊縫及角焊縫的工作性能；熟練掌握各種內(nèi)力作用下，連接的構(gòu)造、傳力能；熟練掌握各種內(nèi)力作用下，連接的構(gòu)造、傳力過程和計算方法；了解焊縫缺陷對其承載力的影響過程和計算方法；了解焊縫缺陷對其承載力的影響及質(zhì)量檢驗方法；理解焊接應(yīng)力和焊接變形的種類、及質(zhì)量檢驗方法；理解焊接應(yīng)力和焊接變形的種類、產(chǎn)生原因、影響以及減小和消除的方法；深刻理解產(chǎn)生原因、影響以及減小和消除的方法；深刻理解普通螺栓和高強螺栓的工作性能和破壞形式，熟練普通螺栓和高強螺栓的工作性能和破壞形式，熟練掌握螺栓連接在傳遞各種內(nèi)力時連接的構(gòu)造、傳力掌握螺栓連接在傳遞各種內(nèi)力時連接的構(gòu)造、傳力過程和計算方法，理解螺栓排列方式和構(gòu)造要求。過程和計算方法，理解螺栓排列方式和構(gòu)造要求。（本章完）（本章完） 思考題思考題（一（一) )填空題填空題1 1在普通螺接連接計算中，