螺栓连接结构与计算.pptx

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1、一二三四目录 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第1页/共67页1.1.普通螺栓的种类和构造要求普通螺栓的种类和构造要求2 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)-栓杆直径(d)0.30.5mm。

2、按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。第2页/共67页3（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。B 错列A 并列中距中距边距边距端距2）错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小。第3页/共67页（3 3）螺栓）螺栓排列的要求排列的要求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。4第4页/

3、共67页3 3）施工要求）施工要求 为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。5名称名称位置和方向位置和方向最大容许距离最大容许距离（两者最小距离）（两者最小距离）最小容许距离最小容许距离中心间距外排（垂直外力方向或顺内力方向）8do 或 12t 3do中间排垂直内力方向16do 或 24t 顺内力方向构件受拉力12do 或 18t 构件受压力16do 或 24t 沿对角线方向 _中 心 至 构 件 边 缘 间 距顺内力方向4do 或 8t 2do垂直内力方向剪切边或手工气割边1.5do轧制边、自动气割边或锯割边高强度螺栓其他螺栓或铆钉1.2do第5

4、页/共67页（4 4）螺栓连接的构造要求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。6第6页/共67页7二二.螺栓螺栓连接的受力形式连接的受力形式FNFA 只受剪力B 只受拉力C 剪力和拉力共同作用N第7页/共67页 三三.普通普通螺栓抗剪连接螺栓抗剪连接 1.工作性能和破坏形式 (1)工作性能 对图示螺栓连接

5、做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力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。8NO1234NNabNN/2N/2第8页/共67页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。9NO1234abNN/2N/2 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。第9页/共67页 4)

6、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的极限承载力Nu。10NO1234abNN/2N/2Nu第10页/共67页2.2.破坏形式破坏形式（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。以上破坏形式予以计算解决。11N/2NN/2NNNN第11页/共67页（4）板件端部被剪坏(拉豁)端矩过小时；端矩不应小于2dO12NN（5）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d这两种破坏构造解决N/2NN/2第12页

7、/共67页四四.抗抗剪螺栓的单栓承载力设计值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:13nv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：d第13页/共67页剪切面数目n nv v14NNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2第14页/共67页五.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 15N/2Nl1N/2平均值螺栓的内力分布 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

8、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：第15页/共67页 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。16ECCS试验曲线8.8级 M22我国规范1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80l1/d0平均值长连接螺栓的内力分布故，连接所需栓数：1501.1601501010-=dldldh时：当第16

9、页/共67页 普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被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算。拉断尚应进行板件的净截面验算。拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-22-2截面截面:17NNbtt1b1(1)螺栓采用并列排列时:主板的危险截面为1-1截面:1122第17页/共67页18NNtt1bc2c3c4c1(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:1111第18页/共67页19NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危险截面为2-2和2-2截面:2222第19页/共67页2.2.普通普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算螺栓群偏心力作用下抗剪计算F

10、F作用下每个螺栓受力作用下每个螺栓受力：20FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT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。第20页/共67页21TxyN1TN1TxN1Tyr11 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：第21页/共67页22TxyN1TN1TxN1Tyr11从而可得:将N1T沿坐标轴分解得:第22页/共67页由此可得螺栓由此可得螺栓1 1的强度验算公式为的强度验算公式为:23 另外,当螺栓布置

11、比较狭长(如y13x1)时,可进行如下简化计算：令:xi=0，则N1Ty=0第23页/共67页六六.普通普通螺栓的抗拉连接螺栓的抗拉连接241.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。第24页/共67页公式的两点说明：公式的两点说明：（1 1）螺栓的有效截面面积）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因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径d de

12、e而不是净直径而不是净直径d dn n，现，现行国家标准取：行国家标准取：25dedndmd第25页/共67页(2(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响响 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。26第26页/共67页 2）在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减

13、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。27第27页/共67页3.3.普通普通螺栓群的轴拉设计螺栓群的轴拉设计28 一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：N第28页/共67页294.普通螺栓群在弯炬作用下M刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为：（1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2）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。第29页/共67页30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：M刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2

14、N3N4中和轴第30页/共67页同前可得同前可得:31强度要求为：第31页/共67页325.5.普通普通螺栓群在偏心拉力作用下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。刨平顶紧承托(板)FeN1F1234FMy1y2y3N1MN2MN3MM=Fe中和轴N4M第32页/共67页6.6.普通普通螺栓拉、剪联合作用螺栓拉、剪联合作用33011VeM=VeV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

15、算时，假定剪力由螺栓群均 匀承担，拉力由受力情况确定。第33页/共67页 规范规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止止螺杆螺杆受剪兼受拉受剪兼受拉破坏，应满足：破坏，应满足：为了防止孔壁的承压破坏，应满足：34011ab第34页/共67页 另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当当有承托承担全部剪力时有承托承担全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。，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：35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。M刨平顶紧承托(板)V连接

16、角焊缝第35页/共67页 七七.高强度高强度螺栓连接计算螺栓连接计算36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）扭剪型螺栓第36页/共67页1.1.高强度螺栓的工作性能及单栓承载力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；37第37页/共

17、67页终拧终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的定的 角度，一般为角度，一般为120120o o180180o o完成终拧。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。38第38页/共67页3 3）扭断）扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）螺栓杆尾部法（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

18、、技术要求低易实施、质量易保证等2.2.高强度高强度螺栓的施工要求：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。39第39页/共67页3.3.高强度高强度螺栓预拉力的确定螺栓预拉力的确定 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

19、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：40Ae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第40页/共67页4.4.高强度高强度螺栓摩擦面抗滑移系数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；41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,如下表第41页/共67页42螺栓的性能螺栓的性能

20、等级等级 螺栓公称直径（mm）M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级100155190225290355高强度螺栓预拉力P（KN）第42页/共67页43连接处构件接触面的处连接处构件接触面的处理方法理方法构件的钢号 Q235钢Q345/390钢Q420钢喷砂（丸）0.450.500.50喷砂（丸）后涂无机富锌漆0.350.400.40喷砂（丸）后生赤锈0.450.500.50钢丝刷清楚浮锈或未经处理的干净轧制表面0.300.350.40摩擦面抗滑移系数第43页/共67页5.5.高强度高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承载螺栓抗剪连接的工作性能和

21、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。44高强度螺栓NO12341234普通螺栓abNN/2N/2第44页/共67页1 1）对于）对于高强度螺栓高强度螺栓摩擦型连接摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为因此其极限状态为1 1点而不是点而不是4 4点，点，所以所以1 1点的承载力即为一个高强度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：螺栓摩擦型连接

22、的抗剪承载力：45NO12341234高强度螺栓普通螺栓abNN/2N/2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预拉力设计值.（2）抗剪连接单栓承载力第45页/共67页2 2）对于）对于高强度螺栓高强度螺栓承压型抗剪连承压型抗剪连接接，允许接触面发生相对滑移，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破坏准则为连接达到其极限状态4 4点，所以高强度螺栓承压型连接点，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的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。通螺栓相同。46NO12341234高强度螺栓普通螺栓单栓抗剪承载力：抗

23、剪承载力：承压承载力：第46页/共67页6.6.高强度高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力（1 1）当外拉力为零，即）当外拉力为零，即N=0N=0时：时：P=CP=C；（2 2）当外拉力为）当外拉力为N Nt t时：板件有被拉开趋势，时：板件有被拉开趋势，板件间的压板件间的压力力C C减小为减小为C Cf f，栓杆拉力栓杆拉力P P增加为增加为P Pf f，由力及变形协调得：，由力及变形协调得：47NPCP+P=PfC-C=CfNtAb栓杆截面面积；Ap板件挤压面面积；板叠厚度。第47页/共67页（3 3）当）当板件即将被拉开时：板件即将被拉开时：C Cf f

24、=0=0，有，有P Pf f=N=Nt t，因此：，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：48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：P+P=PfC-C=CfNt第48页/共67页1 1）摩擦）摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为：F上式未考虑橇力的影响，当考虑橇力影响时，螺栓杆的拉力Pf与Nt的关系曲线如图：FNt

25、0.5P时，橇力Q=0；FNt0.5P后，橇力Q出现，增加速度先慢后快。F橇力Q的存在导致连接的极限承载力由Nu降至Nu。F所以，如设计时不考虑橇力的影响,应使Nt0.5P或增加连接板件的刚度（如设加劲肋）。49300 250 200 150 100 50 050 100 150 200 250 300Pf(KN)Nu NuNt(KN)2NNNQQ19518.8级 M22P=150KNQ有橇力时的螺栓破坏无橇力时的螺栓破坏第49页/共67页2）承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：50式中：Ae-螺栓杆的有效截面面积；de-螺栓杆的有效直径

26、；ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值。上式的计算结果与0.8P相差不多。第50页/共67页6 6、高强度螺栓连接在拉力和剪力共同作用下的工作、高强度螺栓连接在拉力和剪力共同作用下的工作性能和单栓承载力性能和单栓承载力（1）高强度螺栓摩擦型连接 尽管当NtP时，栓杆的预拉力变化不大，但由于随Nt的增大而减小，且随Nt的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定在V和N共同作用下应满足下式：51第51页/共67页（2 2）高强度螺栓承压型连接）高强度螺栓承压型连接 对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同。52为了防止孔壁的承压破坏，应满足：系数1.2是考虑由

27、于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。第52页/共67页八八.高强度高强度螺栓群的抗剪计算螺栓群的抗剪计算1.轴心力作用 假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：53对于摩擦型连接：对于承压型连接：NN第53页/共67页 高强度螺栓群轴心力作用下高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面拉断尚应进行板件的净截面验算。验算。54NNbtt1b11)高强度螺栓摩擦型连接主板的危险截面为1-1截面。11考虑孔前传力50%得：1-1截面的内力为：第54页/共67页55NNbtt1b1拼接板的危险截面为2-2截面。22考虑孔前传力50%得：2-2截面的内力

28、为：2)高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面验算完全相同。第55页/共67页2.2.扭矩扭矩或扭矩、剪力共同作用下或扭矩、剪力共同作用下 计算方法与普通螺栓相同，即：56FTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F剪力F作用下每个螺栓受力：第56页/共67页扭矩扭矩T T作用下：作用下：57由此可得螺栓1的强度验算公式为:第57页/共67页九九.高强度高强度螺栓群的抗拉计算螺栓群的抗拉计算1.轴心力作用：假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓数：58N2.弯矩作用下：由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力P，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认

29、为是一个整体,所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。M第58页/共67页59MM1234y1y2N1N2N3N4受压区中和轴由力学可得：设计时满足下式即可：第59页/共67页603.偏心拉力作用下：偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于0.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可采用以下方法（叠加法）计算:Ne1234M=NeNy1y2N1N2N3N4中和轴M作用下N作用下第60页/共67页十十.高强度高强度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的连接计螺栓群在拉力和剪力共同作用下的连接计算算单个螺栓所受的剪力：61NV单个螺栓所受的拉力：123

30、4NVN作用下V作用下第61页/共67页1.1.对于高强度螺栓摩擦型连接应满足：2.2.对于高强度螺栓对于高强度螺栓承压型承压型连接应满足：连接应满足：62所以：第62页/共67页十一十一.高强度高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用下螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用下的的 连接连接计算计算1.采用高强度螺栓摩擦型连接时 1号螺栓在N、M作用下所受拉力如前所述应满足：63MNV1234M=NeNy1y2N1N2N3N4中和轴M作用下N作用下VV作用下第63页/共67页 对于高强度螺栓摩擦型连接，在拉力和剪力共同作用下，单栓抗剪承载力如前所述为：64单个螺栓所受的剪力：上式中:第64页/共67页2.2.采用采用高强度螺栓承压型连接时高强度螺栓承压型连接时螺栓的强度计算公式：65单个螺栓所受的剪力：单个螺栓所受的最大拉力：MNV1234M=NeNy1y2N1N2N3N4中和轴M作用下N作用下VV作用下第65页/共67页谢谢谢谢第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页