普通螺栓連接的性能和計(jì)算

3.7普通螺栓連接的性能和計(jì)算普通螺栓連接按受力情況可分為三類：①螺栓只承受剪力；②螺栓只承受拉力；③螺栓承受拉力和剪力的共同作用。

一、普通螺栓的抗剪連接計(jì)算

先研究較簡(jiǎn)單的單個(gè)螺栓抗剪連接問(wèn)題。以圖3-5-5(a)所示的螺栓連接試件作抗剪試驗(yàn)，可測(cè)量得到試件上a、b兩點(diǎn)之間的相對(duì)位移δ與作用力N之間的關(guān)系曲線圖3-5-5(b)。由此N-δ關(guān)系曲線可見，試件由零載一直加載至連接破壞的全過(guò)程，可大致分為以下四個(gè)階段。1.抗剪連接的工作性能1圖3-5-5單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)結(jié)果(a)試件(b)N-δ曲線2(1)摩擦傳力的彈性階段：在施加荷載之初，荷載較小，連接中的剪力也較小，荷載靠構(gòu)件間接觸面的摩擦力傳遞，螺栓桿與孔壁之間的間隙保持不變，連接工作處于彈性階段(2)滑移階段：當(dāng)荷載增大，連接中的剪力達(dá)到構(gòu)件間摩擦力的最大值，板件間突然產(chǎn)生相對(duì)滑移，其最大滑移量為螺栓桿與孔壁之間的間隙，直至螺栓桿與孔壁接觸(3)栓桿直接傳力的彈性階段：當(dāng)荷載進(jìn)一步增加，連接所承受的外力就主要是靠螺栓與孔壁接觸傳遞。

(4)彈塑性階段：荷載繼續(xù)增加，在此階段即使給荷載很小的增量，連接的剪切變形也迅速加大，直到連接的最后破壞。3試驗(yàn)表明，螺栓群受力時(shí)每個(gè)螺栓的受力大小是不同的，沿長(zhǎng)度方向的內(nèi)力呈現(xiàn)兩頭大、中間小的分布規(guī)律（圖3-5-6）。當(dāng)螺栓連接的長(zhǎng)度l1不是很大時(shí)，進(jìn)入塑性階段后各螺栓的受力逐漸接近，完全可近似假設(shè)受力相等。當(dāng)螺栓連接的長(zhǎng)度l1達(dá)到一定的程度時(shí)，計(jì)算時(shí)就必須考慮此不利影響：可能端部螺栓首先達(dá)到極限承載力而破壞，使中部螺栓內(nèi)力增加，導(dǎo)致螺栓由外向內(nèi)依次破壞(解紐扣現(xiàn)象)，因而其承載力較單個(gè)螺栓承載力之和低，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮折減。圖3-5-6螺栓群長(zhǎng)度方向的內(nèi)力分布4因此，如果希望設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)盡可能地簡(jiǎn)便易行，則可考慮將螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值折減降低、仍按平均值計(jì)算。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，此折減系數(shù)可歸納為：當(dāng)l1≤15d0時(shí)，β=1.0當(dāng)15d0<l1≤60d0時(shí)，當(dāng)l1>60d0時(shí)，β=0.751.破壞類型圖3-5-4抗剪螺栓連接的破壞形式

抗剪螺栓連接達(dá)到極限承載力時(shí)，可能的破壞形式有：(1)栓釘桿被剪斷

(2)較薄的連接板被擠壓破壞

(3)板被拉(壓)壞(4)板件端部被剪壞(5)螺栓桿受彎破壞6設(shè)計(jì)螺栓連接時(shí)，要求節(jié)點(diǎn)在極限狀態(tài)下可靠，就不能發(fā)生上述任何一種型式的破壞。對(duì)于防止栓釘桿被剪斷和連接板被擠壓破壞，屬于連接計(jì)算的內(nèi)容；避免板被拉(壓)壞屬于構(gòu)件計(jì)算內(nèi)容；而后兩種型式的破壞，需要通過(guò)采取構(gòu)造措施來(lái)加以避免：試驗(yàn)和計(jì)算表明，在栓釘孔中心到板端的距離超過(guò)孔徑的兩倍后，這種破壞就不會(huì)出現(xiàn)；通過(guò)限制Σt≤5d(t為連接節(jié)點(diǎn)總厚度，d為螺栓桿直徑)

可避免螺栓桿彎曲破壞。由此可看出，設(shè)計(jì)工作不能僅僅滿足會(huì)計(jì)算，構(gòu)造措施也是不可或缺的，應(yīng)引起重視。73.單個(gè)普通螺栓的抗剪承載力計(jì)算普通螺栓的受剪連接中，在滿足構(gòu)造要求的前提下，一個(gè)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)取抗剪和承壓(擠壓)承載力設(shè)計(jì)值中的較小值。假定剪應(yīng)力在螺桿受剪面上均勻分布，則一個(gè)螺栓的受剪承載力設(shè)計(jì)值為：

螺栓孔壁承壓應(yīng)力的實(shí)際分布情況很復(fù)雜（圖3-5-7），難以準(zhǔn)確描述和確定，計(jì)算時(shí)假定承壓應(yīng)力平均分布于螺桿直徑平面內(nèi)。所以單個(gè)螺栓的承壓承載力設(shè)計(jì)值為：8圖3-5-7螺栓承壓的計(jì)算承壓面積單個(gè)抗剪螺栓的承載力設(shè)計(jì)值為：94.普通螺栓群的抗剪承載力計(jì)算(1)普通螺栓群軸心受剪當(dāng)外力通過(guò)螺栓群形心時(shí)，在連接長(zhǎng)度范圍內(nèi)，計(jì)算時(shí)假定所有螺栓受力相等，按下式計(jì)算所需螺栓數(shù)目：a)螺栓數(shù)目b)構(gòu)件凈截面強(qiáng)度10(2)普通螺栓群偏心受剪

圖3-5-8所示為螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用線至螺栓群中心線的距離為e，故螺栓群同時(shí)受到軸心力F和扭矩T＝Fe的聯(lián)合作用。分析發(fā)現(xiàn)，每個(gè)螺栓實(shí)際上只承受剪力，但剪力的方向與螺栓所處的位置有關(guān)。11在軸心力F作用下可認(rèn)為每個(gè)螺栓平均受力，則

螺栓群在扭矩T作用下，每個(gè)栓釘實(shí)際受剪。對(duì)連接部分分析計(jì)算時(shí)作如下假定：被連接構(gòu)件是絕對(duì)剛性的，螺栓是彈性的，在力矩作用下板件繞螺栓群的形心相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而使各螺栓受剪，各螺栓受力大小與到栓釘群形心的距離成正比，方向與栓釘至形心的直線垂直。根據(jù)力矩平衡可得螺栓i因力矩T而產(chǎn)生的剪力為：12可按下式計(jì)算螺栓i在扭矩T作用下的剪力在x、y軸方向的分量：

顯然，受力最大的一個(gè)螺栓所受的剪力不應(yīng)大于栓釘抗剪承載力設(shè)計(jì)值。下面求受力最大的一個(gè)螺栓所受的剪力設(shè)計(jì)值?？紤]剪力F和扭矩T作用產(chǎn)生的內(nèi)力大小及方向，螺栓1是起控制的螺栓之一，由此可得螺栓群偏心受剪時(shí)，受力最大的螺栓1所受的合力為13二、普通螺栓的抗拉連接計(jì)算

1.單個(gè)普通螺栓的抗拉承載力螺栓桿軸方向受拉時(shí)，通常不可能將拉力正好作用在螺桿的軸線上，而是通過(guò)水平板件傳遞。抗拉螺栓連接在外力作用下，構(gòu)件的接觸面有脫開趨勢(shì)。此時(shí)螺栓受到沿桿軸方向的抗拉螺栓連接的破壞形式為栓桿被拉斷。14如果與螺栓直接相連的翼緣板的剛度不是很大，螺栓就會(huì)受到撬開作用使拉力增加為：Nt=N+Q，式中Q稱為撬力。撬力的大小與翼緣板厚度、螺桿直徑、螺栓位置、連接總厚度等因素有關(guān)，準(zhǔn)確求值非常困難。通過(guò)加勁肋增加連接剛度，可大幅度降低撬動(dòng)變形，減小撬力，增加抗拉承載能力。由于確定撬力比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，規(guī)定普通螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值只取為螺栓鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.8倍，以考慮這一不利的影響。這相當(dāng)于考慮了撬力Q＝0.25N，一般來(lái)說(shuō)，只要翼緣板厚度滿足構(gòu)造要求、且螺栓間距不要過(guò)大，這樣的簡(jiǎn)化處理是可靠的。單個(gè)抗拉螺栓的承載力設(shè)計(jì)值為：

152.普通螺栓群軸心受拉計(jì)算螺栓群承受軸心拉力

螺栓群在軸心力作用下的抗拉連接，通常假定每個(gè)螺栓平均受力，則連接所需螺栓數(shù)為3.普通螺栓群偏心受拉（軸心力和彎矩共同作用）計(jì)算螺栓群偏心受拉相當(dāng)于連接承受軸心拉力N和彎矩M=Ne的聯(lián)合作用（剪力V直接通過(guò)承托板傳遞，不對(duì)螺栓產(chǎn)生剪力）。按彈性設(shè)計(jì)法，根據(jù)偏心距的大?。ɑ驈澗豈與軸心拉力N的相對(duì)大?。┛赡艹霈F(xiàn)小偏心受拉和大偏心受拉兩種情況。16螺栓群承受偏心拉力

17在彎矩M作用下，連接中右側(cè)構(gòu)件有順M方向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。當(dāng)彎矩M較小時(shí)，構(gòu)件繞螺栓群的水平形心軸x旋轉(zhuǎn)，假定在彎矩M作用下，螺栓受力大小與其到旋轉(zhuǎn)軸的距離成正比，則：

根據(jù)平衡條件：

18顯然，在彎矩M作用下，離水平形心軸最遠(yuǎn)的頂排與底排螺栓受力最大，在軸力N和彎矩M共同作用下，控制點(diǎn)底排與頂排螺栓受力分別為最小和最大：當(dāng)由上式算得的Nmin≥0時(shí)，說(shuō)明所有螺栓均受拉，構(gòu)件繞栓釘群形心軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)應(yīng)驗(yàn)算滿足條件：19當(dāng)彎漢矩M喪大到鼻一定狂程度銷時(shí)，飽計(jì)算助就會(huì)轟出現(xiàn)飼Nm蓮in拼<0堆的情豈況，紗表示慨該連很接的頑下部暑螺栓喘受壓乒，而岡這是計(jì)不可衡能的忙，說(shuō)腫明上鐵述假邪定的械構(gòu)件夏繞螺切栓群懸中心儲(chǔ)軸旋即轉(zhuǎn)是農(nóng)錯(cuò)誤圖的。勝這時(shí)丸應(yīng)按汪構(gòu)件憐繞底木排螺啊栓連熔線軸前z’殘一z蠻’轉(zhuǎn)靜動(dòng)，賢即按逢大偏雙心計(jì)屬算。臥頂排兩螺栓望受力宮最大毯，同勿理可岸推導(dǎo)粒得出愁：由此會(huì)可見乞，對(duì)便于普摘通螺幟栓連酸接，伍在軸蔬心力蒸和彎筋矩共譽(yù)同作備用下餓的計(jì)值算，吉應(yīng)需趨判斷祥是小噴偏心君，還催是大燥偏心角，然夫后按尖有關(guān)危公式順驗(yàn)算字危險(xiǎn)浸螺栓煎受力傅是否示安全突。注意，當(dāng)有無(wú)軸除心力研N而爐只有材彎矩毛M作嫌用時(shí)李，是海這種量連接汽的一雅個(gè)特摩例，畢肯定引屬于究大偏階心的斜情況法。20三、盡普通錦螺栓退受剪薄力和故拉力感聯(lián)合幣作用夸的連共接計(jì)舞算兼受猛剪力楊和拉晝力的穗普通竟螺栓壤,音應(yīng)葛考慮譯兩種絞可能龜?shù)钠扑級(jí)男味际剑号P一是圍螺桿勾受剪壓受拋拉破譜壞；咸二是忌孔壁罰承壓章破壞告。對(duì)吧螺桿襖來(lái)說(shuō)張，承畏受拉港力時(shí)誓會(huì)降與低抗槳剪承奸載能惑力，享承受萍剪力津時(shí)也號(hào)會(huì)降決低抗督拉承制載力他，將伍所承然受的胳剪力充和拉圖力分院別除偽以各請(qǐng)自單管獨(dú)作桿用時(shí)沉的承乳載力兇，這男樣無(wú)倆量綱診化后竟相關(guān)諷關(guān)系械的試兇驗(yàn)結(jié)騾果近貧似為柔一圓高曲線這,惠所以縮慧可按孩下式餅驗(yàn)算欠：21孔壁頂承壓彎的計(jì)援算式圖應(yīng)為翠：(3萄.5決.1乒8)式(妹3.姥5.秘18電)是弟普通語(yǔ)螺栓促連接變的基步本公餃?zhǔn)?，危?yīng)用曲時(shí)應(yīng)甘根據(jù)浪受力撥情況申分析汗最不逼利的絲式螺栓斑，求礦出內(nèi)哄力后翅代入積驗(yàn)算詠。22【例視3-萍7-土1】?jī)蓧K霉截面匹為1導(dǎo)4m揪m×毒40汪0m弟m的談鋼板占，采往用雙轟拼接興板進(jìn)容行拼憂接，繪拼接怎板厚辨8m香m，筐鋼材廊Q2翼35丹，板破件受僻軸向懇拉力鍵N＝賀96都0k阻N(詠圖3嶼-5邪-1顫5)英，試駛用直盾徑d曠＝2坊0m鵲m的飯C級(jí)而普通云螺栓舞拼接距。圖3技-7思-1帖5暢例洲3-疤7-續(xù)1普蜻通螺溜栓蓋挖板連岡接設(shè)蒸計(jì)23解：跌單栓漁抗剪狡承載亦力設(shè)劣計(jì)值趨：?jiǎn)嗡ň艿某谐髩撼行容d力躺設(shè)計(jì)井值為坑：板件右一側(cè)那所需豎螺栓塊數(shù)：個(gè)，法取1醒2個(gè)惹。布賄置見虛圖3溫-7啊-1沈5。24【例雖3-淡7-紛2】驗(yàn)算遲如圖辭3-雄7-屢16掩所示緒節(jié)點(diǎn)譽(yù)是否泛滿足斷要求壁。采梯用C擾級(jí)普慈通螺合栓，醋螺栓婦直徑唱d＝剛20蛋mm鉆，育孔徑懼d0辜＝2堤1.劍5m盈m，鑄鋼材筆Q2榜35仔，支齊托板穗上荷錘載為餐F＝儲(chǔ)2×晶12揉0k才N。圖3錦-7脫-1惜6唐例3龜-7營(yíng)-2窯普通窄螺栓四抗剪秋扭連汪接設(shè)仔計(jì)25解：魂(1答)分婆析螺疏栓群徹受力成，把百偏心舉力F祖向形傾心簡(jiǎn)嫌化，級(jí)則螺苦栓群迷受力葛為剪力纏：輩V括＝1鞭20尾kN扭矩期：尖T邁＝1帆20尾X5棚00凍＝6轎00象00粥kN夫?m畜m均對(duì)判螺栓揭產(chǎn)生稻剪力揭。(2喉)計(jì)過(guò)算單淹栓承膛載力丘設(shè)計(jì)音值單栓享抗剪用承載賢力設(shè)別計(jì)值跳：?jiǎn)嗡ㄙF的承求壓承凍載力丟設(shè)計(jì)師值為聚：26(3岸)驗(yàn)釋算受焦力最捧大螺凱栓經(jīng)分刷析，醋受力扒最大扯的螺擦栓之意一為比“1蜘”。剪力賣作用衣下“啟1”席號(hào)螺悉栓受員力：扭矩染作用擋下“口1”螞號(hào)螺奏栓受皂力：27所以驅(qū)，此壤節(jié)點(diǎn)線滿足資要求鎖。28【例蓮3-書7-尿3】設(shè)圖特3-尾7-都17險(xiǎn)為短污橫梁陜與柱牲翼緣桌的連煮接，跪剪力園V＝父25猛0k秋N，珍e＝按12郵0m字m，座螺栓挨為C克級(jí)，掏梁端丟豎板袋下有勿承托鋸。鋼扔材為槽Q2真35暢一B禾?F蟲，手兔工焊樹，焊觸條E械43候型，川試按嶺考慮花承托付傳遞耍全部首剪V限和不小承受其V兩瓜種情委況設(shè)開計(jì)此淡連接栗。29【解塔】(傅1)襲承托膠傳遞