钢结构的连接螺栓.pptx

36 螺栓连接（bolting）的构造一、螺栓的种类一、螺栓的种类1.1.普通螺栓普通螺栓C级级-粗制螺栓，性能等级为粗制螺栓，性能等级为4.6或或4.8级；级；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；类孔，孔径类孔，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d)(d)1 13mm3mm。A、B级级-精制螺栓，性能等级为精制螺栓，性能等级为5.6或或8.8级级;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 y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.8；类孔，孔径类孔，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d)(d)0.30.30.5mm0.5mm。按其加工的精细程度和强度分为按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。三个级别。第1页/共112页精制螺栓精制螺栓粗制螺栓粗制螺栓代号代号A A级和级和B B级级C C级级强度等级强度等级5.65.6级和级和8.88.8级级4.64.6级和级和4.84.8级级加工方式加工方式车床上经过切削而成车床上经过切削而成单个零件上一次冲成单个零件上一次冲成加工精度加工精度螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为0.250.250.5mm0.5mm螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为1.51.53mm3mm抗剪性能抗剪性能好好较差较差经济性能经济性能价格高价格高价格经济价格经济用途用途构件精度很高的结构构件精度很高的结构(机械机械结构结构););在钢结构中很少采在钢结构中很少采用用,已被高强钢替代。已被高强钢替代。沿螺栓杆轴受拉的连接；沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装次要的抗剪连接；安装的临时固定的临时固定第2页/共112页2.2.高强度螺栓高强度螺栓由由4545号、号、40B40B和和20MnTiB20MnTiB钢加工而成，并经过热处理钢加工而成，并经过热处理45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级 （a a）大六角头螺栓）大六角头螺栓 （b b）扭剪型螺栓）扭剪型螺栓第3页/共112页第4页/共112页第5页/共112页二、螺栓的排列二、螺栓的排列1.1.并列并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大；件截面削弱大；B B 错列错列A A 并列并列中距中距中距中距边距边距边距边距端距端距2.2.错列错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小；面削弱小；第6页/共112页3.3.螺栓排列的要求螺栓排列的要求 （1 1 1 1）受力要求）受力要求）受力要求）受力要求 【垂直受力方向垂直受力方向】为了防止螺栓应力集中相互影响、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截面削弱过多而降低承载力,螺栓的边距和端距不能太螺栓的边距和端距不能太小；小；【顺力作用方向顺力作用方向】为了防止板件被拉断或剪坏，为了防止板件被拉断或剪坏，端距端距 不能太小；不能太小；【受压构件受压构件】为防止连接板件发生鼓曲为防止连接板件发生鼓曲,中距不能太中距不能太大。大。15d15d0 0(d(d0 0为孔径为孔径)时，连接进入弹塑性工时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏均匀，端部螺栓首先破坏,然后依次破坏。由试验可然后依次破坏。由试验可得连接的得连接的抗剪强度折减系数抗剪强度折减系数与与ll1 1/d/d0 0的关系曲线的关系曲线。ECCS试验曲线试验曲线8.88.8级级 M22M22我国规范1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80ll1 1/d/d0 0平均值平均值长连接螺栓的内力分布长连接螺栓的内力分布故，连接所需栓数：故，连接所需栓数：第23页/共112页NNbt tt t1 1b1 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2-2截面截面:A A、螺栓采用并列排列时、螺栓采用并列排列时:主板的危险截面为主板的危险截面为1-1截面截面:1122第24页/共112页NNt tt t1 1bc2c3c4c1B B、螺栓采用错列排列时、螺栓采用错列排列时:主板的危险截面为主板的危险截面为1-1和和1-1截面截面:1111第25页/共112页NNbt tt t1 1b1c2c3c4c1拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-2和和2-2截面截面:2222第26页/共112页例例题题：设设计计螺螺栓栓盖盖板板拼拼接接，设设计计拉拉力力N=350kN，钢钢材材Q345B(或或16Mn)，拼拼接接板板宽宽b=360mm，厚厚t1=8mm，采用，采用M20C级螺栓，孔径级螺栓，孔径f f22。第27页/共112页解：解：螺栓抗剪强度螺栓抗剪强度板件承压强度板件承压强度(1)双盖板的厚度双盖板的厚度t2拼接板的厚度拼接板的厚度t1/28/2=4mm板件抗拉强度板件抗拉强度取取t2=6mm双剪双剪(2)单个螺栓抗剪承载力单个螺栓抗剪承载力(3)孔壁承压孔壁承压(4)所需螺栓数所需螺栓数n=350/61.6=5.3个个第28页/共112页(6)连接长度验算连接长度验算l1=15do=1522=330mm 100601060100330mm(7)拼接净截面积拼接净截面积An=(360-322)8=2352mm2净截面拉应力净截面拉应力s sn=350000/2352=149N/mm21181kN1185.6kN1181kN被连接板强度计算：被连接板强度计算：f=215f=215结论：该节点安全。结论：该节点安全。第31页/共112页2 2、普通螺栓、普通螺栓群群偏心力作用下偏心力作用下抗剪抗剪计算计算F作用下每个螺栓受力作用下每个螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT T作用下连接按弹性设计，其假定为作用下连接按弹性设计，其假定为：（1 1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2 2）T T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力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，方向与与其至形心距离呈线形关系，方向与r ri i垂直。垂直。第32页/共112页TxyN1TN1TxN1Tyr11 显然，显然，T T作用下作用下11号螺号螺栓所受剪力最大栓所受剪力最大（r r1 1最大）。最大）。由假定由假定(2)(2)得得由式由式3-393-39得得:由力的平衡条件得：由力的平衡条件得：第33页/共112页TxyN1TN1TxN1Tyr11将式将式3-40代入式代入式3-38得得:将将N1T1T沿坐标轴分解得沿坐标轴分解得:第34页/共112页由此可得螺栓由此可得螺栓1的强度验算公式为的强度验算公式为:另外另外,当螺栓布置比较狭长当螺栓布置比较狭长(如如y y1 13x3x1 1)时时,可进行可进行如下简化计算：如下简化计算：令令:x:xi i=0=0，则，则N1Ty1Ty=0=0第35页/共112页（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能三、普通螺栓的抗拉连接三、普通螺栓的抗拉连接 抗拉螺栓连接在外力作用下，抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有连接板件接触面有脱开趋势脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉栓杆被拉断为其破坏形式。断为其破坏形式。（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值式中：式中：A Ae e-螺栓的有效截面面积；螺栓的有效截面面积；d de e-螺栓的有效直径；螺栓的有效直径；f ft tb b-螺栓的抗拉强度设计值。螺栓的抗拉强度设计值。第36页/共112页dedndmd【公式的两点说明公式的两点说明】（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，所以公式取的因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径是有效直径de而不是净直径而不是净直径dn，现行国家标准取：，现行国家标准取：第37页/共112页(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 A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，、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撬开的趋势（杠杆作用），（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加使螺杆中的拉力增加（撬力（撬力Q）并产生弯曲现象。并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大连接件刚度越小撬力越大。第38页/共112页【试验证明试验证明】影响撬力的因素较多，其大小难以确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，取定，规范采取简化计算的方法，取f ft tb b=0.8f=0.8f（f f螺栓钢材的抗拉强度设计值）螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。来考虑其影响。第39页/共112页 B、在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，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，如来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋设加劲肋，可以减小，可以减小甚至消除撬力的影响。甚至消除撬力的影响。第40页/共112页(三）普通螺栓群的轴拉设计三）普通螺栓群的轴拉设计 一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：的螺栓数为：N第41页/共112页(四）普通螺栓群在弯炬作用下四）普通螺栓群在弯炬作用下四）普通螺栓群在弯炬作用下四）普通螺栓群在弯炬作用下M刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1234受压区受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴中和轴M M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为：（1 1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2 2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各）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。螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。第42页/共112页显然显然显然显然1 1 1 1号螺栓在号螺栓在号螺栓在号螺栓在M M M M作用下所受拉力最大作用下所受拉力最大作用下所受拉力最大作用下所受拉力最大由力学及假定可得：由力学及假定可得：M刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1234受压区受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴中和轴第43页/共112页由式由式3-52得得:将式将式3-54代入式代入式3-53得得:因此，设计时只要满足下式，即可：因此，设计时只要满足下式，即可：第44页/共112页(五）五）五）五）普通螺栓群在偏心拉力作用下普通螺栓群在偏心拉力作用下普通螺栓群在偏心拉力作用下普通螺栓群在偏心拉力作用下 偏心力偏心力作用下普通螺栓连接，可采用偏于安全的作用下普通螺栓连接，可采用偏于安全的设计方法，即设计方法，即叠加法叠加法。刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)FeN1F1234FMy1y2y3N1MN2MN3MM=Fe中和轴中和轴N4M第45页/共112页四、四、普通螺栓拉、剪联合作普通螺栓拉、剪联合作用用011VeM=VeV因此：因此：2 2、由试验可知，兼受剪力和拉力、由试验可知，兼受剪力和拉力 的螺杆，其承载力无量纲关系的螺杆，其承载力无量纲关系 曲线近似为一曲线近似为一“四分之一圆四分之一圆”。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，可能出现两种破坏形作用下，可能出现两种破坏形 式：式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔螺杆受剪兼受拉破坏、孔 壁的承压破坏；壁的承压破坏；3 3、计算时，假定剪力由螺栓群均、计算时，假定剪力由螺栓群均 匀承担，匀承担，拉力由受力情况确定。拉力由受力情况确定。第46页/共112页规范规定规范规定普通螺栓拉、剪联合作用为了防止普通螺栓拉、剪联合作用为了防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：为了防止孔壁的承压破坏，应满足：011a ab b第47页/共112页 另外另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，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：承托与柱翼缘的连接角焊缝按下式计算：式中：式中：考虑剪力对角焊缝偏心考虑剪力对角焊缝偏心 影响的增大系数，影响的增大系数，一般取一般取=1.25=1.251.351.35；其余符号同前。其余符号同前。M刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)V连接角焊缝连接角焊缝第48页/共112页例例题题：验验算算牛牛腿腿螺螺栓栓连连接接,设设计计剪剪力力V=200kN,偏偏心心e=150mm,连连接接板板厚厚t=20mm,Q235B钢钢材材,采采用用10个个M20C级螺栓级螺栓,孔径孔径f f22，分别计算有承托和无承托两种情况。，分别计算有承托和无承托两种情况。第49页/共112页解：解：螺栓抗剪强度螺栓抗剪强度:板件承压强度板件承压强度:螺栓抗拉强度螺栓抗拉强度:(1)有承托板，螺栓群受弯矩有承托板，螺栓群受弯矩:M=Ve=2000.15=30kN.m 单个螺栓抗拉承载力单个螺栓抗拉承载力:螺栓最大拉力螺栓最大拉力:第50页/共112页(2)无承托板，螺栓受拉受剪无承托板，螺栓受拉受剪单个螺栓抗剪承载力单个螺栓抗剪承载力:螺栓平均剪力螺栓平均剪力:螺栓最大拉力螺栓最大拉力:螺栓计算螺栓计算:孔壁承压计算孔壁承压计算:第51页/共112页例题：例题：验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。普通螺栓连接强度。普通螺栓4.64.6级，级，M22M22，孔径，孔径23.5mm23.5mm。NMoN1N=245kNa)N=245kNo柱翼缘节点板端板N1b)第52页/共112页NMoN1N=245kNa)12）算危险螺栓拉力设每排螺栓有两列，m=2一共6排螺栓，螺栓总数12，n=12解：1）算荷载N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN-cm 计算模型可为（计算模型可为（a a图）或（图）或（b b图）。图）。a a图弯曲转动中心在图弯曲转动中心在螺栓群的形心处称小偏心；螺栓群的形心处称小偏心；b b图弯曲转动中心在端板上图弯曲转动中心在端板上1 1号螺栓处，称大偏心。号螺栓处，称大偏心。第53页/共112页 假定转动中心在螺栓群的形心处，则 y1=20cm,yi2=2202+2122+242=1120cm。N1M=My1/(m yi2)=318520/（21120）=28.44kNN引起的1点拉应力：N1N=N/n=245/12=20.42kN最外排的螺栓拉力：Nmin=20.42-28.440 MM引起的引起的1 1点拉应力：点拉应力：N N1 1MM=MyMy1 1/(/(m m y yi i2 2)第54页/共112页 计算结果连接上部受压，构件应绕顶排螺计算结果连接上部受压，构件应绕顶排螺栓转动，则栓转动，则1 1点所受的最大拉力为点所受的最大拉力为N=245kNo柱翼缘节点板端板N1b)e=33cm，m=2，y1=40cmyi2=402+322+242+162+82 =3520cm2第55页/共112页4）强度判断 Nmax1 Ntb （45.9kN3x1满足设计要求。第104页/共112页设计下图所示轴心受拉钢板的承压型高强螺栓连接。钢板的钢材为Q235，高强螺栓10.9级，M20,孔径d0=21.5mm。连接处截面用喷砂处理。剪切面在螺纹处。NN思考题第105页/共112页 连接是组成钢结构的重要部分，是本课程的基连接是组成钢结构的重要部分，是本课程的基本知识和基本技能。本知识和基本技能。通过本章的学习，要了解钢通过本章的学习，要了解钢结构采用的焊接连接和螺栓连接两种常用的连接方结构采用的焊接连接和螺栓连接两种常用的连接方法及其特点；深刻理解对接焊缝及角焊缝的工作性法及其特点；深刻理解对接焊缝及角焊缝的工作性能；熟练掌握各种内力作用下，连接的构造、传力能；熟练掌握各种内力作用下，连接的构造、传力过程和计算方法；了解焊缝缺陷对其承载力的影响过程和计算方法；了解焊缝缺陷对其承载力的影响及质量检验方法；理解焊接应力和焊接变形的种类、及质量检验方法；理解焊接应力和焊接变形的种类、产生原因、影响以及减小和消除的方法；深刻理解产生原因、影响以及减小和消除的方法；深刻理解普通螺栓和高强螺栓的工作性能和破坏形式，熟练普通螺栓和高强螺栓的工作性能和破坏形式，熟练掌握螺栓连接在传递各种内力时连接的构造、传力掌握螺栓连接在传递各种内力时连接的构造、传力过程和计算方法，理解螺栓排列方式和构造要求。过程和计算方法，理解螺栓排列方式和构造要求。（本章完）第106页/共112页 思考题思考题（一（一)填空题填空题1 1在普通螺接连接计算中，受剪螺栓考虑的两在普通螺接连接计算中，受剪螺栓考虑的两种破坏形式为：种破坏形式为：(1)(1)当当()()时，相应的单个螺栓抗剪承载力时，相应的单个螺栓抗剪承载力计算公式为计算公式为()()；(2)(2)当当()()时，相应的单个螺栓承载力计算时，相应的单个螺栓承载力计算公式为公式为()()。因此、单个螺栓的承载力取。因此、单个螺栓的承载力取()。2 2摩擦型高强螺栓受剪连接对应的破坏形式为摩擦型高强螺栓受剪连接对应的破坏形式为()；承压型高强螺栓受剪连接对应的破坏形式为；承压型高强螺栓受剪连接对应的破坏形式为()。3 3对于普通螺栓连接当对于普通螺栓连接当()()时，可防止端部钢时，可防止端部钢板剪坏，当板剪坏，当()()时，可防止栓扦受弯破坏。时，可防止栓扦受弯破坏。第107页/共112页1 1摩擦型与承压型高强螺栓的主要区别摩擦型与承压型高强螺栓的主要区别是是()。施加预拉力的大小和方法不同施加预拉力的大小和方法不同 所采用的材料不同所采用的材料不同 破坏时的极限状态不同破坏时的极限状态不同 板件接触面的处理方式不同板件接触面的处理方式不同（二（二)选择题选择题2 2螺栓连接采用限制端距是为防止螺栓连接采用限制端距是为防止()()。钢板校冲剪破坏钢板校冲剪破坏 螺栓杆被剪坏螺栓杆被剪坏 踞栓杆被压坏踞栓杆被压坏 螺桂产生过大的弯曲变形螺桂产生过大的弯曲变形第108页/共112页 3 3摩擦型高强摩擦型高强螺栓连接的轴心拉杆的验螺栓连接的轴心拉杆的验算净截面强度公式为算净截面强度公式为=N/A=N/An nf fy y,其中其中的的NN与杆件所受拉力与杆件所受拉力N N相比相比()()。NNN N NNN N NN NN 视具体情况而定视具体情况而定4 4摩擦型高强螺栓抗剪时依靠摩擦型高强螺栓抗剪时依靠()()承承载载。螺栓的预拉力螺栓的预拉力 孔壁承压孔壁承压 螺拴杆的抗剪螺拴杆的抗剪 板件间的摩阻力板件间的摩阻力第109页/共112页（三）计算题（三）计算题第110页/共112页解答：解答：第111页/共112页感谢您的观看。第112页/共112页