钢结构普通螺栓连接设计ppt课件

1、普通螺栓,第五节普通螺栓连接设计,复习,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,2、高强度螺栓连接,高强度螺栓分类：根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。,传力途径：,摩擦型依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。,承压型依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。,孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5-2.0mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0-1.5mm。,一、普通螺栓连接构造,2.螺栓排列,螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。,1.最少螺栓数要求每一杆件在节点上以及拼接接头一端，螺栓数目不宜少于2个。,并列简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。,错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。,螺栓排列的要求,（1）受力要求,在垂直于受力方向：对于受拉构件，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，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。,平行于受力方向：端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于2d0；受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。,因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距,（2）构造要求边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的最大容许间距,（3）施工要求要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。,三、螺栓连接的构造要求,螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：,（1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。,（2）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。,（3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。,（4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。,四、普通螺栓的抗剪连接计算,1、抗剪连接工作性能,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两点相对位移和作用力N的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。,摩擦传力的弹性阶段(0-1段)直线段连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。,滑移阶段(1-2段)水平段摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。,栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段),曲线上升段该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。,弹塑性阶段(3-4段),荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载。,2、抗剪连接的破坏形式,栓杆被剪坏破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时,较薄的连接板被挤压破坏破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时,板件被拉（压）断破坏条件：截面削弱过多时,由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。,板件端部被剪坏破坏条件：端矩a过小时构造保证措施：端矩不应小于2d0,栓杆弯曲破坏破坏条件：螺栓杆过长时构造保证措施：栓杆长度不应大于5d,前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑和两种形式破坏。,3.单个普通螺栓的抗剪承载力计算,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（即螺栓承压）两种情况。,（1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个螺栓的受剪承载力设计值为：,式中：nv受剪面数目，单剪=1；双剪=2。d螺栓杆公称直径；fvb螺栓的抗剪强度设计值，见附录1中的附表1.3,单个螺栓的承压承载力设计值为：,式中t同一受力方向的承压构件的较小总厚度；承压强度设计值，见附录1中的附表1.3。,对双剪：取t1与t2+t3中较小者对单剪：取t1与t2中较小者,一个普通螺栓的抗剪承载力设计值：,4.普通螺栓群的抗剪承载力计算,(1)普通螺栓群轴心受剪,试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大,中间小。,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N由各螺栓平均分担。,即连接所需螺栓数为：,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：,因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：,当时，,当时，,以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。,F作用下每个螺栓平均受力，则,(2)普通螺栓群偏心受剪,栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下：连接件绝对刚性,螺栓弹性；连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线垂直。,“1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。,计算公式推导如下：,设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1、r2、r3，rn，各螺栓承受的分力分别为N1T、N2T、N3T，NnT，根据平衡条件得：,栓钉受力大小与其到形心的距离成正比，则：故得螺栓i因力矩T而产生的剪力为：在扭矩T作用下的剪力在x、y轴方向的分量：,受力最大螺栓“1”所受的合力为:,如果y13x1，则可假定xi=0，由此得N1Ty=0，,则计算式为：,五、普通螺栓的抗拉连接计算1.单个普通螺栓的抗拉承载力受拉螺栓的撬力连接刚度对受拉螺栓的影响,普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设计值的0.8倍.单个抗拉螺栓的承载力设计值为:式中de、Ae螺栓的有效直径和有效截面面积，要考虑螺纹的影响，见附录8中的附表8.1；螺栓抗拉强度设计值。,2.普通螺栓群轴心受拉计算,当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：,式中：,Ntb为一个螺栓的抗拉承载力设计值,在弯矩M作用下，被连接件有顺弯矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓受拉。,螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩MNe的联合作用。技弹性设计法，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。,3.普通螺栓群偏心受拉（轴心力和弯矩共同作用）计算:,剪力V直接通过承托板传递，螺栓受轴心力和弯矩作用,，底排与顶排螺栓受力分别为最小和最大：，式中n连接中螺栓总个数；y1“1”号即顶排螺栓到旋转轴的距离；yn“n”号即底排螺栓到旋转轴的距离；yi“i”号螺栓到旋转轴的距离；当由上式算得的Nmin0时，说明所有螺栓均受拉，构件绕栓钉群形心轴旋转，此时应验算满足条件：以上是当弯矩M较小时，小偏心情况的计算公式,计算就会出现Nmin150C时，应采取隔热措施，以使连接所处温度在100或150以下,3.高强度螺栓抗拉连接,高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力P，板层之间则有压力C，而P与C维持平衡，即C=P,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，根据平衡关系有:,若螺栓和被连接板件保持弹性，板叠厚度为，则,螺栓杆的伸长量=板件压缩恢复量,Ab栓杆截面面积；Ap板件挤压面面积。,由以上三式，可得,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许多，近似取AP/Ab=10，则有：,当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加10%。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：,在杆轴方向受力的高强度螺栓摩擦型连接中，单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：,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：,式中：Ae螺栓杆的有效截面面积；de螺栓杆的有效直径；ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值。,4.摩擦型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接,当螺栓所受外拉力Nt0.8P时，虽然螺杆中的预拉力P基本不变，但板间压力将减小到p-Nt。试验研究表明，这时接触面的抗滑移系数也有所降低，而且值随Nt从的增大面减小。现行钢结构设计规范考虑了摩擦力与拉力的相互不利影响，故一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时，其承载能力应按下式计算,Nv,Nt某个摩擦型高强度螺栓所承受的剪力和拉力；,一个摩擦型高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。,5.承压型高强度螺栓同时承受剪力和外拉力的连接,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，即为防止栓杆剪拉破坏，要求,将,代入,可得到常用的习惯表达方式：,的意义变化为一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗剪承载力设计值。,为了防止孔壁的承压破坏，应满足：,由于在剪应力单独作用下，高强度螺栓对板层间产生强大压紧力。当板层问的摩擦力被克服，螺杆与孔壁接触时，板件孔前区形成三向应力场，因而承压型连接高强度螺栓的承压强度比普通螺栓高得多，两者相差约50%。当承压型连接高强度螺栓受有杆轴拉力时，板层间的压紧力随外拉力的增加而减小，因而其承压强度设计值也随之降低。为了计算简便，我国现行钢结构设计规范规定，只要有外拉力存在，就将承压强度除以1.2予以降低，而未考虑承压强度设计值变化幅度随外拉力大小而变化这一因素。,单个螺栓承载力设计值汇总表（一）,单个螺栓承载力设计值汇总表（二）,单个螺栓承载力设计值汇总表（三）,四、高强度螺栓连接基本计算公式应用,1、高强度螺栓群受轴心力作用抗剪计算,假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,（1）对于摩擦型连接：,（2）对于承压型连接：,或,2、高强度螺栓群受扭矩或扭矩、剪力共同作用的抗剪计算,计算方法与普通螺栓相同，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。,剪力F作用下每个螺栓受力：,扭矩T作用下：,由此可得螺栓1的强度验算公式为:,摩擦型连接:,承压型连接:,3、高强度螺栓群受轴心力作用抗拉计算,假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,（1）对于摩擦型连接：,（2）对于承压型连接：,4、高强度螺栓群偏心拉力作用抗拉计算,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按普通螺栓小偏心受拉计算，即中和轴位于螺栓群形心O处，则,摩擦型高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用时,由于弯矩M存在，不同位置的螺栓所受的拉力大小不同。如此各螺栓的抗剪承载力设计值不同，所受拉力大的承载力小，反之亦然。即可按下式计算:,5、摩擦型高强度螺栓群承受拉力、弯矩、剪力共同作用,（1）对于摩擦型连接：,在M和N共同作用下，最外（下）排“1”号螺栓所受拉力最大为（中和轴位于螺栓群形心O处）：,验算方法一：,在V作用下，各螺栓所受剪力均相同，即为：,在拉、剪共同作用下，对高强度螺栓摩擦型连接的验算条件为：,上式中:,按GBJ17-88规范，验算条件为：,在弯矩M和拉力N共同作用下，高强螺栓群中各排螺栓拉力都不相同，即：,故对于栓群抗剪强度,应按下式进行验算更为合理，即,单个螺栓抗剪设计承载力随拉力的增加而减小，有,验算方法二：,此外，螺栓最大拉力尚应满足：,验算法二计及了螺栓拉力不同对抗剪强度的影响，因此更为经济合理，而验算法一则过于保守。,即：,上式中，只考虑螺栓拉力对抗剪承载力的不利影响，未考虑