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1、钢结构设计原理 3.7螺栓和铆钉连接的排列和构造要求 3.7.1 螺栓和铆钉的排列 分为并列和错列两种形式。并列比较简单整齐，布置紧 凑，连接板尺寸小，螺栓孔对构件截面削弱较大。错列 可以减小对截面的削弱，但螺栓排列松散，连接板尺寸 较大。 螺栓和铆钉在构件上的排列应考虑以下要求： 受力要求 垂直于受力方向：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，钢板截 面削弱过多，降低其承载能力。在顺力作用方向：端 距应按被连接件材料的抗挤压及抗剪切等强度条件确 定，以使钢板在端部不致被螺栓冲剪破坏，端距不应 小于2d0；中距不宜过大，否则被连接板件间容易发生 鼓曲现象。 构
2、造要求 中距及边距不宜过大，否则连接板件间不能紧密贴合 ，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。 施工要求 保证一定空间，便于打锚和采用扳手拧紧螺帽。根据 扳手尺寸和工人的施工经验、规定最小中距为3d0。 根据以上要求规范规定了螺栓和铆钉的容许距离。 3.8.1 普通螺栓的抗剪连接 1. 抗剪连接的工作性能 抗剪连接是最常见的螺栓连接。抗剪试验可得试件上a、 b两点间的相对位移与作用力N的关系曲线。试件由零载 一直加载至连接破坏的全过程，经历三个阶段。 3.8 普通螺栓连接的工作性能和计算 (1)弹性阶段 O1斜直线段：加荷 之初，连接中剪力较小，荷载靠 板件间接触面的摩擦力传递，螺 栓杆与孔壁间的间隙保持
3、不变， 处于弹性阶段，板件间摩擦力大 小取决于拧紧螺帽时螺杆中的初 始拉力，普通螺栓的初应力很小 。此阶段很短，可略去不计。 (2)相对滑移阶段 12水平线段：荷 载增大，剪力达到摩擦力最大值 ，板件间产生相对滑移，其最大 滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间 隙，直至螺栓杆与孔壁接触。 (3)弹塑性阶段 荷载继续增加，连 接所承受的外力主要靠螺栓与孔壁 接触传递。螺栓杆除主要受剪力外 ，还承受弯矩和轴向拉力，孔壁受 到挤压。螺杆的伸长受到螺帽的约 束，增大了板件间的压紧力，使板 件间的摩擦力随之增大，所以曲线 呈上升状态。达到“3”点时，螺栓或 连接板达到弹性极限。 荷载继续增加，此阶段即使给荷载
4、很小的增量，连接的剪切变形也迅 速加大，直到连接的最后破坏。曲 线的最高点“4”所对应的荷载即为普 通螺栓连接的极限荷载。 螺栓抗剪连接达到极限承载力时，可能的破坏形式： 栓杆直径较小时，栓杆可能先被剪断； 栓杆直径较大、板件较薄时，板件可能先被挤坏，栓 杆和板件的挤压是相对的，也把这种破坏叫做螺栓承压 破坏； 板件截面可能因螺栓孔消弱截面太多而被拉断； 端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏 。 第种破坏形式属于构件的强度计算；第种破坏形式 由螺栓端距2d0来保证。因此，抗剪螺栓连接的计算只 考虑第、种破破形式。 2. 一个普通螺栓的抗剪承载力 普通螺栓连接的抗剪承载力，应考虑螺栓杆
5、受剪 和孔壁承压两种情况。 假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个抗剪 螺栓的抗剪承载力设计值为 nv受剪面数目，单剪nv=1，双剪nv=2，四剪nv =4；d螺栓杆直径(螺栓的公称直径)； 螺栓 抗剪强度设计值。 螺栓的实际承压应力分布情况难以确定，简化计算 ，假定螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上，且假 定该承压面上的应力为均匀分布，则一个抗剪螺栓 的承压承载力设计值式为 在同一受力方向的承压构件的较小总厚度； 螺栓承压强度设计值。 3.轴心剪力作用的普通螺栓群计算 试验表明，螺栓群承受轴心剪力时，螺栓群在长度方向 各螺栓受力不均匀，两端大，中间小。当沿受力方向的 连接长度l115d0时，连
6、接工作进入弹塑性阶段后，内力 发生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐渐均匀，故可认为 轴心力N由每个螺栓平均分担，螺栓数n 一个螺栓抗剪承载力设计值与承压承载力设计值的 较小值 当l1l5d0时，连接工作进入弹塑性阶段后，各螺杆所 受内力不易均匀，端部螺栓首先达到极限强度而破坏， 随后由外向里依次破坏。为防止端部螺栓提前破坏，因 此，当l1l5d0 时，螺栓的抗剪和承压承载力设计值应 乘以折减系数予以降低： l160d0时，=0.7。 则所需抗剪螺栓数为 构件截面验算 板件 1-1截面 N 2-2截面 3-3截面 1-1截面受力最大 拼接板 3-3截面受力最大 错列螺栓排列，需验算正交截面和折线截面
7、的强度 4扭矩作用的普通螺栓群计算 首先布置螺栓，然后计算受力最大螺栓所承受的剪力， 再和 进行比较。 螺栓群在扭矩作用下，每个螺栓均受剪,假设： (1)被连接板件为绝对刚性时，螺栓为弹性的； (2)被连接板件绕螺栓群形心旋转，各螺栓所受剪力大 小与该螺栓至形心距离ri成正比，其方向与连线该螺栓 至形心垂直。 5.扭矩、剪力和轴心力共同作用的普通螺栓群计算 先布置螺栓，再进行验算。 3.8.2 普通螺栓的抗拉连接 1. 一个普通螺拴的抗拉承载力 受拉连接中，螺栓所受的拉力和垂直连接件的刚度有关 。螺栓受拉时，通常不可能使拉力正作用在螺栓轴线上 ，通过与螺杆垂直的板件传递。如连接件的刚度较小，
8、受力后连接件会变形，形成杠杆作用，螺栓有被撬开的 趋势，使螺杆中的拉力增加并产生弯曲现象。考虑杠杆 作用时，螺杆的轴心力为： Nt=N+Q Q由于杠杆作用对螺栓产生的撬力。 抗拉螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断，一个抗拉螺栓 的承载力设计值为： 撬力大小与连接件的刚度有关，连接件的刚度越小， 撬力越大，同时撬力也与螺栓直径和螺栓所在位置等 因素有关。确定撬力比较复杂，为了简化，规定普通 螺栓抗拉强度设计值取为螺栓钢材抗拉强度设计值的 0.8倍，以考虑撬力的影响。 此外，在构造上也可采取一些措施加强连接件的刚度 ，如设置加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。 2、 轴心拉力作用的普通螺栓群计算 螺栓
9、群在轴心力作用下的抗拉连接 ，通常假定每个螺栓平均受力，则 连接所需螺栓数为： 3.弯矩作用的普通螺栓群计算 剪力V通过承托板传递。离中和轴越远螺栓受拉力越大，压应力由 弯矩指向一侧的部分端板承受，设中和轴至端板受压边缘的距离 为c。受拉螺栓截面是孤立的几个螺栓点；端板受压区则是宽度较 大的实体矩形截面。计算形心位置作为中和轴时，所求得的端板 受压区高度c总是很小，中和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O处 ，即认为连接变形为绕O处水平轴转动，螺栓拉力与O点算起的纵 坐标y成正比。偏安全忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩 4、弯矩和拉力共同
10、作用的普通螺栓群计算 螺栓群承受轴心拉力N和弯矩MNe的共同作用。按弹 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。 (1)小偏心受拉：所有螺栓均承受拉力作用，轴心力由各 螺栓均匀承受；弯矩则引起以螺栓群形心O处水平轴为中 和轴的三角形应力分布，使上部螺栓受拉，下部螺栓受 压；叠加后全部螺栓均为受拉。可得最大和最小受力螺 栓的拉力，各y均自O点算起： Nmin0时的偏心距 (2)大偏心受拉 时，端板底部将出现受压区。偏安全取中和 轴位于最下排螺栓O处，e和各y自O点算起，最上排螺 栓1的拉力最大： 3.8.3普通螺栓连接受剪力和拉力的共同作用 承受剪力和拉力共同作用的普
11、通螺栓应考虑两种可能的 破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏；二是孔壁承压破坏。 根据试验，兼受剪力和拉力的螺杆，无量纲化后的相关 关系近似为一圆曲线，螺杆计算式为 孔壁承压的计算式为 3.9高强度螺栓连接的工作性能和计算 3.9.1高强度螺栓连接的工作性能 高强度螺栓连接和普通螺栓连接的区别：普通螺栓连接 受剪时依靠栓杆承压和抗剪传递剪力，预拉力很小，可 略去不计，高强螺栓除材料强度高外，施加很大的预拉 力，板件间存在很大的摩擦力。预拉力、抗滑移系数和 钢材种类等都直接影响高强度螺栓连接的承载力。 高强度螺栓连接按分为摩擦型连接和承压型连接。 摩擦型连接依靠被连接件之间的摩擦阻力传递剪力，以 剪力等
12、于摩擦力作为承载能力的极限状态。 1.高强度螺栓的预拉力 （1）预拉力的控制方法 大六角头型和扭剪型两种，都是通过拧紧螺帽使螺杆受 到拉伸产生预拉力，使被连接板件间产生压紧力。 大六角头螺栓的预拉力控制方法： 力矩法 采用可直接显示钮矩的特定扭矩扳手。目前多 采用电动钮矩扳手。通过控制拧紧力矩来实现控制预拉 力。拧紧力矩可由试验确定，施工时控制的预拉力为设 计预拉力的1.1倍。 为了克服板件和垫圈等变形，基本消除板件间的间隙， 使拧紧力矩系数有较好的线性度，提高施工控制预拉力 值的准确度，应先按拧紧力矩的50进行初拧，然后按 100拧紧力矩进行终拧。大型节点在初拧后，还应按初 拧力矩进行复拧，
13、然后再行终拧。 优点：较简单、易实施、费用少，但由于连接件和被连 接件的表面质量和拧紧速度的差异，测得的预拉力值误 差大且分散，一般误差为25。 转角法 先普通扳手进行初拧，被连接板件相互紧密贴 合，再以初拧位置为起点，按终拧角度，用长扳手或风 动扳手旋转螺母。 扭剪型高强度螺栓具有强度高、安装简便和质量易于保 证、可以单面拧紧、对操作人员没有特殊要求等优点。 与普通大六角型高强度螺栓不同。螺栓头为盘头，螺纹 段端部有一个承受拧紧反力矩的十二角体和一个能在规 定力矩下剪断的断颈槽。 （2）预拉力的确定 预拉力设计值P（取5kN的整数倍） Ae螺栓螺纹处的有效面积；fu螺栓经热处理后的最 低抗拉
14、强度8.8级fu 830MPa；10.9级fu 1040MPa。 系数考虑了以下几个因素： 拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由 扭矩引起的剪应力作用。试验表明可取系数1.2考虑扭矩 对螺杆的不利影响。 施工时为了弥补高强度螺栓预拉力的松弛损失，一般 超张拉510，为此考虑一个超张拉系数0.9。 考虑螺栓材质的不均匀性，引进一折减系数0.9； 由于以螺栓的抗拉强度为准，为安全再引入一个附加 安全系数0.9。 2. 抗滑移系数 抗滑移系数的大小与构件接触面的处理方法和构件的钢 号有关。此系数值随被连接构件接触面间的压紧力减小 而降低，故与物理学中的摩擦系数有区别。 推荐采用的接触面处理
15、方法有：喷砂、喷砂后涂无机富 锌漆、喷砂后生赤锈和钢丝刷消除浮锈或未经处理的干 净轧制表面等，各种处理方法相应的值详见表3.9。 钢材表面经喷砂除锈后，表面看来光滑平整，实际上金 属表面尚存在着微观的凹凸不平，高强度螺栓连接在很 高的压紧力作用下，被连接构件表面相互啮合，钢材强 度和硬度愈高，要使这种啮合的面产生滑移的力就愈大 ，因此，值与钢种有关。 试验证明，摩擦面涂红丹后0.15，即使经处理后仍然 很低，故严禁在摩擦面上涂刷红丹。另外，连接在潮湿 或淋雨条件下拼装，也会降低值，故应采取有效措施保 证连接处表面的干燥。 3.9.2 一个高强度螺栓的抗剪承载力 1.摩擦型连接 高强度螺栓拧紧时
16、，螺杆中产生很大的预拉力，被连接 板件间则产生很大的预压力。连接受力后接触面上的摩 擦力，能在相当大的荷载下阻止板件间的相对滑移，因 而弹性工作阶段较长。当外力超过了板间摩擦力后，板 件间即产生相对滑动。摩擦型连接是以板件间出现滑动 为抗剪承载力极限状态。 摩擦型连接的承载力取决于构件接触面的摩擦力，此摩 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。一个摩擦型连接高强度螺 栓的抗剪承载力设计值为： 2.承压型连接 承压型连接受剪时，允许接触面滑动并以连接达到破坏 的极限状态作为设计准则，接触面的摩擦力只起延缓滑 动的作用。连接达到极限承载力时，螺杆伸长，预拉力 几乎全部消失，故高强度螺栓承压型连接的计算方法与 普通螺栓连接相同 只是应采用高强度螺栓的强度设计值。当剪切面在螺纹 处时，高强度螺栓承压型连接的抗剪承载力应按螺
