螺栓连接结构与计算

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1、,装配培训教材,螺栓连接构造与计算,张明录,目录,普通螺栓连接构造与计算,普通螺栓抗剪连接,普通螺栓抗拉连接,高强度螺栓连接构造与计算,五,六,高强度螺栓抗剪连接,高强度螺栓抗拉连接,1.普通螺栓的种类和构造要求,3,一.普通螺栓连接构造与计算,（1）普通螺栓种类,C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级； 4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8； 类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) 13mm。,A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级; 5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6 或0.8；类孔，孔径(do)-栓

2、杆直径(d)0.30.5mm。,按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,4,（2）螺栓的排列,1）并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大。,2）错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小。,（3）螺栓排列的要求,1）受力要求:垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小；顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。 2）构造要求；螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。,5,3）施工要求,为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小

3、于3do。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。,6,（4）螺栓连接的构造要求,为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓，但组合构件的缀条除外；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；C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：1）承受静载或间接动载的次要连接；2）承受静载的可拆卸结构连接；3）临时固定构件的安装连接。,7,8,二.螺栓连接的受力形式,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,N,三.普通螺栓抗剪连接,1.工作性能和破坏形式(1)工作性能对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移

4、和作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,即：1)摩擦传力的弹性阶段(01段)直线段连接处于弹性状态；该阶段较短摩擦力较小。,9,2)滑移阶段(12段)克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。,10,3)栓杆传力的弹性阶段(23段)该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。,4)弹塑性阶段(34段)达到3后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接

5、的极限承载力Nu。,11,2.破坏形式,（1）螺栓杆被剪坏栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断截面削弱过多时以上破坏形式予以计算解决。,12,（4）板件端部被剪坏(拉豁)端矩过小时；端矩不应小于2dO,13,（5）栓杆弯曲破坏螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d,四.抗剪螺栓的单栓承载力设计值,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两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:,14,nv剪切面数目； d螺栓杆直径； fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值； t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,剪

6、切面数目nv,15,五.普通螺栓群抗剪连接计算,1.普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算,16,试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N有各螺栓均担。,所以，连接所需螺栓数为：,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏,然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。,17,故，连接所需栓数：,普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验

7、算。,拼接板的危险截面为2-2截面:,18,(1)螺栓采用并列排列时:,主板的危险截面为1-1截面:,19,(2)螺栓采用错列排列时:,主板的危险截面为1-1和 1-1截面:,20,拼接板的危险截面为2-2和2-2截面:,2.普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算,F作用下每个螺栓受力：,21,T作用下连接按弹性设计，其假定为：（1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2） T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系，方向与ri垂直。,22,显然，T作用下1号螺栓所受剪力最大（r1最大）。,由假定(2)得,由上式可得:,由力的平衡条件得：,23,从而可得:,将N1T沿坐标轴分解得:

8、,由此可得螺栓1的强度验算公式为:,24,另外,当螺栓布置比较狭长(如y13x1)时,可进行如下简化计算： 令:xi=0，则N1Ty=0,六.普通螺栓的抗拉连接,25,1.普通螺栓抗拉连接的工作性能,抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。,2.单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,式中：Ae-螺栓的有效截面面积；de-螺栓的有效直径；ftb-螺栓的抗拉强度设计值。,公式的两点说明：,（1）螺栓的有效截面面积因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：,26,(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉

9、承载力的影响,1）螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。,27,2） 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。,28,3.普通螺栓群的轴拉设计,29,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：,30,4.普通螺栓群在弯炬作用下,M作用下螺栓连接按

10、弹性设计，其假定为：（1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。,31,显然1号螺栓在M作用下所受拉力最大,由力学及假定可得：,同前可得:,32,强度要求为：,33,5.普通螺栓群在偏心拉力作用下,偏心力作用下普通螺栓连接，可采用偏于安全的设计方法，即叠加法。,6.普通螺栓拉、剪联合作用,34,因此：,（2）由试验可知，兼受剪力和拉力的螺杆，其承载力无量纲关系曲线近似为一“四分之一圆”。,（1）普通螺栓在拉力和剪力的共同作用下，可能出现两种破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔壁的承压破坏；,（3）计算时，假定剪力由螺栓群均

11、匀承担，拉力由受力情况确定。,规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：,为了防止孔壁的承压破坏，应满足：,35,另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托承担全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。,承托与柱翼缘的连接角焊缝按下式计算：,36,式中：考虑剪力对角焊缝偏心影响的增大系数，一般取=1.251.35；其余符号同前。,七.高强度螺栓连接计算,37,高强螺栓由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理,45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓,1.高强度螺栓的工作性能及单栓承载力按受力特征的不同高强

12、度螺栓分为两类：摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为克服摩擦力；承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。 (1)高强度螺栓预拉力的建立方法通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法： 1)转角法 施工方法：初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；,38,终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的 角度，一般为120o180o完成终拧。,特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧； 2）扭矩法施工方法：初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使板件贴紧密；终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。 特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,39,3）扭断螺栓杆尾部法（

13、扭剪型高强度螺栓）,施工方法：初拧拧至终拧力矩的60%80%；终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。 特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等 2.高强度螺栓的施工要求：由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格： （1）终拧力矩偏差不应大于10%； （2）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换； （3）拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。如工字型梁为：上翼缘下翼缘腹板。,40,3.高强度螺栓预拉力的确定,高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数： （1）考虑材料的不均匀性的折减系数0.9； （2）为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折

14、减系数 0.9； （3）考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。 （4）附加安全系数0.9。因此，预拉力：,41,Ae螺纹处有效截面积； fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2，10.9级，取fu =1040N/mm2,4.高强度螺栓摩擦面抗滑移系数,（1）摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数 ； （2）板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小；,42,规范给出了预拉力值和不同钢材在不同接触面处理方法下的抗滑移系数,如下表,

15、43,高强度螺栓预拉力P（KN）,44,摩擦面抗滑移系数,5.高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承载力,(1)抗剪连接工作性能受力过程与普通螺栓相似， 分为四个阶段：摩擦传力的弹性 阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹 性阶段、弹塑性阶段。但比较两条N曲线可知， 由于高强度螺栓因连接件间存在 很大的摩擦力，故其第一个阶段 远远大于普通螺栓。,45,1）对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为1点而不是4点，所以1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力：,46,式中：0.9抗力分项系数R的倒数(R=1.111);nf传力摩擦面数目;-摩擦面抗滑移系数;P预拉力

16、设计值.,（2）抗剪连接单栓承载力,2）对于高强度螺栓承压型抗剪连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态4点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。,47,N,O,高强度螺栓,普通螺栓,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,6.高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力,（1）当外拉力为零，即N=0时：P=C； （2）当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的压力C减小为Cf，栓杆拉力P增加为Pf，由力及变形协调得：,48,Ab栓杆截面面积； Ap板件挤压面面积； 板叠厚度。,（3）当板件即将被拉开时： Cf=0，有Pf=Nt，因此：,一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大的多，近似取AP/Ab=10，得：,49,显然栓杆的拉力增加不大。另外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于P时，卸载后螺栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当Nt不大于0.8P时，则无松弛现象，这时Pf=1.07P，可认为螺杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接触，所以现行规范规定：,