钢结构第三章螺栓连接

净截面
Nf
An
板件
连接板
力的传递：
左边板件 螺栓 拼接板
板件承受全部的力N 板件承受2/3N 板件承受1/3N
右边板件
板件在截 面1-1处受 力最大N
拼接板在 截面3-3处 受力最大
净截面面积：
板件 An t(B n1d0 ) 拼接板 An 2t1(B n3d0)
错列螺栓排列
截面的有效面积
小偏心
三、普通螺栓受剪力和拉力共同作用
受剪
螺栓被剪坏 孔壁承压破坏
受拉 螺栓被拉坏 螺杆受剪兼受拉破坏 孔壁承压破坏
A. 第一种破坏形式

Nv
N
b v
2

Nt
N
b t
2
1
B. 第二种破坏形式
N
v
N
b c
3.9 高强螺栓连接的
工作性能和计算
水平距离
端距 水平中距
最小容许距离
43mm，取45mm 64.5mm，取70mm
竖向距离
边距 竖向中距
最大容许距离
172mm或120mm，取120mm 边距=（600-120×4）/2=60mm
3、验算螺栓受力
扭矩T 剪力V 轴心力N
合力：
N

1
(
NT 1x

N )N 2 1x

N N T
需验算 正交截 面和折 线截面 的强度
An t[2e4 (n2 1) e12 e22 n2d0 ]
例题3-14
设计两角钢用C级普通螺栓的拼接，已知角 钢型号为∟90×6，所承受的轴心拉力的设计 值为N=160KN，采用拼接角钢的型号与构件 的相同，钢材为Q235A，螺栓直径d=20mm， 孔径为21.5mm。
1d 1.2
t

f
b c
4、螺栓群的连接计算 a 抗剪计算 b 抗拉计算 c 偏心拉力作用 d 拉力、弯矩和剪力共同作用
3.9.4高强度螺栓同时承受剪力和拉力的计算
a 抗剪计算
n N
N
b m
in
Nvb 0.9n f P
3.9.4高强度螺栓同时承受剪力和拉力的计算
b 抗拉计算
轴心力：


y2 i
最大 剪力
N N T
b
1
min
5.扭矩、剪力和轴力共同作用的普通螺栓 群计算
受力最大的螺栓 而轴力、剪力下螺栓受力均匀
取1处的螺栓进行验算
扭矩作用下1螺栓的受力：
N1Tx
N1T
y1 r1

Ty1 ri2

Ty1 xi2 yi2
N1Ty
N1T
x1 r1
验算螺栓受力以及净截面强度
1、拼接板尺寸：长、宽、厚度
600mm
厚度的确定原则：拼接板的截面面积大于被 连接钢板的截面面积。
被连接钢板的截面面积：18×600
拼接板的截面面积：2×600×t
取10mm
长度的确定：与螺栓的布置间距有关
布置螺栓
2、螺栓布置：水平距离和竖向距离
距离的选取原则：在容许距离范围之内，水 平距离取较小值；竖向距离取较大值。
de2
4
ftb
2. 轴心拉力作用普通螺拴群的计算
螺栓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：
n

N N tb
3.弯矩作用的普通螺栓群计算
中和轴
受拉区 受压区
由螺栓承担 由整个受压板承担
近似地取最下排螺栓中心处
假设：
1、螺栓拉力与O点算起的纵坐标y成正比；
2、偏安全忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩。
由假设1可知：
N1 N2 N3 ... Nn
yyy
y
1
2
3
n
n-1个方程
由假设2可知：
M N1 y1 N2 y2 N3 y3 ... Nn yn

N 1
y1
y2 1

N 2
y2
y2 2

N3 y3
y2 3
...
3.8 普通螺栓连接的工作性能 和计算
普通螺栓受力
一、抗剪连接 二、抗拉连接 三、受剪力和拉力共同作用
一、抗剪连接
1、普通螺栓抗剪连接的主要性能
测试值： a、b两点的相对 位移δ； 外力N；
时间： 零载→连接破坏
极限承载力状态 弹性极限
三个阶段：
(1)弹性阶段
荷载靠板件间接触面 的摩擦力传递，此阶段 很短，可略去不计。0-1
摩擦型：
n≥
N N vb
Nvb 0.9n f P
承压型：
n

N
N
b m
in
知识回顾 Knowledge Review

Tx1 ri2

Tx1 xi2 yi2
剪力作用下1螺栓的受力：
NV 1y
V n
轴力作用下1螺栓的受力：
NN 1x

N n
扭矩、剪力和轴力作用下的叠加：
N1
(
NT 1x

NN 1x
)2

N N T
V
1y
1y
2
Nb min
设计拼接板尺寸和螺栓布置
拼接板尺寸：长、宽、厚度 螺栓布置：水平距离和竖向距离

NT 2

NT 3
...
NT n
r1
r2
r3
rn
n个方程
NT 2

NT 1
r 2
r1
,
NT 3

NT 1
r3 r1
,...,
N
T n

NT 1
rn r1
T

NT 1 r
(r12

r2 2

r2 3
...rn2 )

NT 1 r
r2 i
1
1
NT 1

Tr1
r2 i

Tr1

wenku.baidu.com
x2 i
3.7 螺栓连接和铆钉连接
排列和构造要求
一、螺栓和铆钉的排列
排列
并列 错列
优点：简单、紧凑、连接 板的尺寸小 缺点：截面削弱大
优点：减少截面削弱
缺点：排列松散、连接板 尺寸大
受力要求 构造要求 施工要求
螺栓或铆钉的最大、最小容许距离见表3-3
螺栓连接除了容许距离外，还应满足下列构造要求：
1、每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性 螺栓数不宜少于2个； 2、直接承受动力荷载的普通螺栓应采用双螺帽或其 他防止螺帽松动的有效措施； 3、C级螺栓宜用于杆轴方向的受拉连接，以下情况 可以用于受剪：承受静力荷载的次要连接；可拆卸 结构的连接；临时固定构件； 4、型钢采用高强螺栓连接时，采用钢板作为拼接件； 5、高强螺栓连接范围内，接触面的处理方法应在施 工图中说明
Nti≤0.8P
3.9.3一个高强度螺栓的抗拉承载力
承压型：

Nv
N
b v
2


Nt
N
b t
2
1
保证 安全
Nv

N
b c
1.2
1d 1.2
t
f
b c
例题3-20 试设计一双盖板拼接的钢板连接。钢材为 Q235B，高强度螺栓为8.8级的M20，连接处板 件接触面采用喷砂处理，作用在螺栓形心处 的轴心拉力设计值N=750KN，设计此连接。
(2)相对滑移阶段
从开始滑移到螺栓与 孔壁接触。1-2 (3)弹塑性阶段
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。
螺栓抗剪连接可能的破坏形式： ①栓杆直径较小时，栓杆可能先被剪断； ②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；
n
N
N
b t
弯矩：
N1
My1 yi2

N
b t
N
b t

0.8P
Ntb

d
2 e
4
ftb
c 偏心拉力作用 按小偏心计算
∑ N1
=
N n
+
Ney1 yi2
≤
Ntb
d 拉力、弯矩和剪力共同作用 摩擦型：
V≤0.9nfμ(nP-1.25ΣNti)
受压区螺栓的压力 受拉区螺栓的拉力 此外，螺栓最大拉力应满足：
N1

Ne'
y' 1

y'2 i

N
b t
例题3-16 牛腿与柱采用C级普通螺栓和承托连接，如图， 承 受 竖 向 荷 载 设 计 值 F=220KN ， 偏 心 距 e=200mm。试设计其螺栓连接。钢材为Q235A， 螺栓为，M20，孔径d0=21.5mm。
N1

My 1 y2 i

N
b t
Ntb

de2
4
ftb
例题3-17 如图，刚接屋架下弦节点，竖向力由承托承 受。螺栓为C级，承受偏心拉力，其设计值为 N=250KN，e=100mm，螺栓布置如图所示， 设计此连接。
大小偏心的确定：
e yi2 /(ny1)
e


y2 i
/(ny1
)
N Ney1
∑ N1 = n + yi2
160KN
160KN
确定螺栓数量
验算净截面的 强度
4. 扭矩作用的普通螺栓群计算
n个螺栓； 形心为O； 外力T；
受力最大的那个螺栓的剪力
要找到受力最大的螺栓并求出其力的大小 n个未知量，需要n个方程
力的平衡方程：
T

NT 1
r1

N
T 2
r2

NT 3
r3
...

N
T n
rn
假设条件：
NT 1
N
b t

0.8P
无松弛现象
承压型：
与普通螺栓相同
Ntb
de2
4
ftb
3.9.3一个高强度螺栓的抗拉承载力 3、高强螺栓同时受拉和受剪的计算
摩擦型： Nv Nt 1
N
b v
Ntb
2
2
承压型：

Nv Nvb



Nt Ntb

1
保证 安全
Nv

N
b c
1.2
Nn yn
y2 n
N Myi
i
y2
i
要求：受力最大的最外排螺栓的拉力不超过一 个螺栓的抗拉承载力设计值，即：
N My1 N b
1
y2
i
t
4. 弯矩和拉力共同作用的普通螺栓群计算
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：全部螺栓均为受拉
轴心力：由各螺栓均匀承受；
f
b v
孔壁承压
N
b c

d

tf
b c
3. 轴心剪力作用的普通螺栓群计算
轴心力N由每个螺栓平均分担，螺栓数n：
n

N Nmb in
轴心力N由每个螺栓平均分担，螺栓数n：
n

N
Nmb
in
1.1 l1
150 d0
由于螺栓孔削弱了板件的截面，为防止板 件在净截面处被拉断，需要验算净截面的强度：
③板件截面可能因螺栓孔削弱截面太多而被拉断； ④端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲 剪破坏。
抗剪螺栓连接的计算只考虑第①、②种破破形式。
2. 一个普通螺栓的抗剪承载力
螺栓杆受剪
一个螺栓抗剪 承载力设计值
孔壁承压
一个螺栓抗压 承载力设计值
一个螺栓抗剪的承载力设计值:
螺栓杆受剪
N
b v
=
nv
πd 2 4
弯矩：螺栓群以形心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；
∑ Nmax = N / n + Ney1 /
yi2
≤
N
b t
∑ Nmin = N / n Ney1 / yi2 ≥ 0
e yi2 /(ny1)
（2）大偏心受拉： e


y2 i
/(ny1
)
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：
二、高强度螺栓连接的计算
1、一个高强螺栓的抗剪承载力 2、一个高强螺栓的抗拉承载力 3、高强螺栓同时受拉和受剪的计算 4、螺栓群的连接计算
1、一个高强螺栓的抗剪承载力
摩擦型： Nvb 0.9n f P
抗力分项系数的倒数
抗滑移系数
承压型： 与普通螺栓相同
2、一个高强螺栓的抗拉承载力
摩擦型：
V
1y
1y
2
Nb min
N vb
=
nv
πd 2 4
f
b v
N
b c

d

tf
b c
4、净截面强度验算：1-1截面 1 作用力：轴力、剪力和扭矩
只有正应力
正应力最大的点：最外纤维处
需要验 1 算的点： 剪应力最大的点：靠近形心处
既有正应力又有剪应力
二、抗拉连接
1. 一个普通螺拴的抗拉承载力
Ntb
一、高强度螺栓连接的工作性能
可忽略 普通螺栓：材料强度较小，预拉力小；
高强螺栓：材料强度较高，预拉力大； 产生较大摩擦力
摩擦型连接 承压型连接
摩擦型连接
特点：只依靠被连接件之间的摩擦阻力传递剪力； 极限状态：剪力等于最大静摩擦力时；
承压型连接
特点：受剪时与普通螺栓相同；受拉时首先克服预 拉力产生的压紧力。 极限状态：破坏形式和普通螺栓相同；
预拉力的 控制方法
扭矩法 转角法
50%拧紧力矩 初拧 终拧
100%拧紧力矩 初拧 终拧
普通扳手拧紧
用长扳手或风动扳 手拧至终拧角度
预拉力的确定——预拉力设计值P
安全系数
P

0.9 0.9 0.9 1.2
Ae
fu
（取5kN的整数倍）
预应力损失 材质不均匀的 折减系数
同时受拉和受 剪的不利影响
Ae—螺栓螺纹处的有效面积； fu—螺栓经热处理后的最低抗拉强度；