第五、六讲连接

1、第六、七讲 对接焊缝 与螺栓的构造和计算 本本章内容章内容：(1) (1) 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 (2) (2) 焊接方法和焊接连接形式焊接方法和焊接连接形式 (3) (3) 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算 (4) (4) 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算 (5) (5) 螺栓连接的构造螺栓连接的构造 (6) (6) 普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算 (7) (7) 高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算 本章重点本章重点：角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计 算，高强度螺栓连接的计算。

2、算，高强度螺栓连接的计算。 本章难点本章难点：如何运用相关公式进行各种连接计算。如何运用相关公式进行各种连接计算。 坡口型式：厚度很小，手工焊坡口型式：厚度很小，手工焊6mm6mm，埋弧焊，埋弧焊10mm10mm时时 直边缝直边缝； 一般厚度一般厚度，单边单边V V形或形或V V形形坡口坡口；厚度较大，厚度较大，20mm20mm， U U形、形、K K形或形或X X 形形坡口坡口。 3 34 4 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算 一、一、 对接焊缝的构造对接焊缝的构造 1 1、坡口形式、坡口形式 图图3.40 3.40 对接焊缝的坡口形式对接焊缝的坡口形式 (a)(a)直边缝；直边缝；

3、(b)(b)单边单边V V形坡口；形坡口； (c)(c) V V形坡口；形坡口； (d)(d) U U形坡口；形坡口； (e)(e) K K形坡口；形坡口； (f)(f) X X形坡口形坡口 直边缝：适合板厚t 10mm 单边V形：适合板厚t 1020mm 双边V形：适合板厚t 1020mm U形：适合板厚t 20mm K形：适合板厚t 20mm X形：适合板厚t 20mm 应用应用 拼接处，当焊件的宽度或厚度相差拼接处，当焊件的宽度或厚度相差4mm4mm以上时，从一侧或以上时，从一侧或 两侧做坡度不大于两侧做坡度不大于1 1：2.52.5 （承受动力荷载且需要进行疲劳（承受动力荷载且需要进行

4、疲劳 计算的结构不大于计算的结构不大于1 1：4 4）的斜角，平缓过渡。的斜角，平缓过渡。 静力荷载作用时允许不设。静力荷载作用时允许不设。当不设引弧板时，每条焊缝当不设引弧板时，每条焊缝 计算长度等于实际长度减计算长度等于实际长度减2 hf（ hf为焊脚尺寸为焊脚尺寸）。）。 起落弧处起落弧处, ,宜加引弧板宜加引弧板( (引出板引出板) )。 2 2、截面的改变、截面的改变 3 3、引弧板、引弧板 图图3.41 3.41 钢板拼接钢板拼接 (a)改变宽度；改变宽度；(b)改变厚度改变厚度 图图3.42 3.42 用引弧板和引出板焊接用引弧板和引出板焊接 4 4、对接焊缝又可分为、对接焊缝又

5、可分为焊透焊透的和的和未焊透未焊透的两种的两种 焊缝。焊缝。 焊透的对接焊缝强度高，传力性能好，焊透的对接焊缝强度高，传力性能好， 一般对接焊缝多采用焊透的，只有构件较一般对接焊缝多采用焊透的，只有构件较 厚，内力较小时，方可采用未焊透的焊缝厚，内力较小时，方可采用未焊透的焊缝. . 焊缝强度与钢材强度比较： -质量检验为一、二级时质量检验为一、二级时, ,焊缝强度与钢材强度相等；焊缝强度与钢材强度相等； -质量检验为三级时质量检验为三级时, , 抗压强度、抗剪强度与钢材强度相等，抗压强度、抗剪强度与钢材强度相等， 抗拉强度等于抗拉强度等于0.85%0.85%的母材强度。的母材强度。 受拉连接

6、受拉连接, ,三级检验时三级检验时, ,进行焊缝强度验算。进行焊缝强度验算。 对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。 焊缝可视为构件的组成部分；焊缝可视为构件的组成部分； 焊缝中应力分布基本同构件。焊缝中应力分布基本同构件。 二、二、对接焊缝的计算对接焊缝的计算 1 1、焊透的对接焊缝的计算、焊透的对接焊缝的计算 (1)(1)轴心受力对接焊缝轴心受力对接焊缝 时时, ,强度可不进行验算。强度可不进行验算。 N N 轴心拉力或压力；轴心拉力或压力； l lw w 焊缝的计算长度，未采用引弧板焊缝的计算长度，未采用引弧板, ,实际长度减实际长度减2 2t t

7、。 t t 对接连接中对接连接中, ,连接件连接件较小厚度较小厚度；T T形连接中形连接中, , 腹板厚度。腹板厚度。 注：当注：当 ww tc w N ff l t 或 图图3.43 3.43 对接焊缝受轴心力对接焊缝受轴心力 tan1.5 w t w f tl N sin w c f或或 w v w f tl N cos 直缝直缝 斜缝斜缝 (2)(2)承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 图图3.44 3.44 对接焊缝受弯矩和剪力联合作用对接焊缝受弯矩和剪力联合作用 (a) (a) 钢板对接接头；钢板对接接头；(b)(b)工字形截面梁的对接接头工字形截面梁的

8、对接接头 W Ww w-焊缝截面模量焊缝截面模量 S Sw w-焊缝截面面积矩焊缝截面面积矩Iw-焊缝截面惯性矩焊缝截面惯性矩 -焊缝抗剪强度设计值焊缝抗剪强度设计值 t l lw w M V a)a)矩形截面矩形截面 截面正应力截面正应力 w maxt 2 ww 6MM f Wl t w w maxv ww 3 2 VSV f I tl t 截面剪应力截面剪应力 w v f 图图3.45 3.45 对接焊缝矩形截面对接焊缝矩形截面 w t f1 . 13 2 1 2 1 h h0 max1 在腹板与翼缘交接处，验算折算应力在腹板与翼缘交接处，验算折算应力 tI VS w w1 1 t t1

9、1 Sw1 w1-翼缘对中和轴的面积矩 翼缘对中和轴的面积矩, , b b b)b)工字形截面工字形截面 最大正应力最大正应力: : w maxt 2 ww 6MM f Wl t w w maxv ww 3 2 VSV f I tl t 最大剪应力最大剪应力: : 01 w11 22 ht Sbt , h h0 0为腹板高度腹板高度 图图3.46 3.46 工字形截面工字形截面 例例 3.43.4计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度( (图图 3.50)3.50)。 F F=550kN(=550kN(设计值设计值) )，偏心距，偏心距e e=30

10、0mm=300mm。钢材为。钢材为Q235BQ235B， 焊条为焊条为E43E43型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上、下翼缘加型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上、下翼缘加 引弧板和引出板施焊。引弧板和引出板施焊。 图图3.47 3.47 例例3.43.4图图 a a）最大正应力）最大正应力 解解 ： 截面几何特征值和内力截面几何特征值和内力: : 324 x 1 1.2 382 1.6 26 19.838105cm 12 I 3 x1 26 1.6 19.8824cmS 550kNVF550 0.30165kN mM 6 2 max 4 x 165 10206 89.2N/mm 238105

11、10 Mh I w2 t 185N/mmf c c）“1 1”点的折算应力点的折算应力 b b）最大剪应力）最大剪应力 3 x max 4 x 550 10190 (260 16 198 190 12 38105 10122 VS I t 2w2 v 125.1N/mm125N/mmf 2 1max 190 82.3N/mm 206 33 2 x1 1 4 x 550 10824 10 99.1N/mm 38105 1012 VS I t 22222 11 382.33 99.1190.4N/mm 2 1.1 185203.5N/mm 3-5 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形 一、一、 焊

12、接应力的分类和产生的原因焊接应力的分类和产生的原因 焊接残余应力焊接残余应力（weldingweldingresidualresidualstressesstresses）简称焊接应简称焊接应 力：力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩 ，由此约束而产生的应力，由此约束而产生的应力 纵向焊接应力：纵向焊接应力：沿焊缝长度方向；沿焊缝长度方向； 横向焊接应力：横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的 应力应力 ； 沿厚度方向焊接应力：沿厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件垂直于焊缝

13、长度方向且垂直于构件 表面的应力表面的应力 a) b)c)d)e) 1 1、纵向焊接应力、纵向焊接应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向 图图3.48 3.48 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力 (a)(a)、(b)(b)施焊时焊缝及附近的温度场施焊时焊缝及附近的温度场(c)(c)钢板上纵向焊接应力钢板上纵向焊接应力 焊缝区产生纵向焊缝区产生纵向 拉应力拉应力 焊缝稍远区段产焊缝稍远区段产 生压应力生压应力 2 2、横向焊接应力、横向焊接应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向 3 3、厚度方向的焊接应力、厚度方向的焊接应力 图图3.49 3.49 焊缝的

14、横向焊接应力焊缝的横向焊接应力 图图3.50 3.50 厚板中的焊接残余应力厚板中的焊接残余应力 厚板焊接需多层厚板焊接需多层 施焊施焊 纵向、横向和厚纵向、横向和厚 度方向形成三向度方向形成三向 应力，大大降低应力，大大降低 连接的塑性连接的塑性 二、二、 焊接应力对结构性能的影响焊接应力对结构性能的影响 对常温下承受静力荷载结构的强度没有影对常温下承受静力荷载结构的强度没有影 响，但刚度降低；响，但刚度降低； 由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态，由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态， 阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展；阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展； 降低疲劳强度；降低疲劳强度； 降低压杆

15、的稳定性；降低压杆的稳定性； 使构件提前进入弹塑性工作阶段；使构件提前进入弹塑性工作阶段； 三、三、焊接变形焊接变形 焊接变形是焊接构件经局部加热冷却后产生的不可回复变焊接变形是焊接构件经局部加热冷却后产生的不可回复变 形，包括纵向收缩、形，包括纵向收缩、 横收缩、角变形、弯曲变形或扭曲变形横收缩、角变形、弯曲变形或扭曲变形 等，通常是几种变形的组合。等，通常是几种变形的组合。 四、四、减小焊接应力和焊接变形的措施减小焊接应力和焊接变形的措施 1 1、设计上的措施、设计上的措施 （1 1）焊接位置的安排要合理；）焊接位置的安排要合理； （2 2）焊缝尺寸要适当；）焊缝尺寸要适当； （3 3）焊

16、缝的数量宜少，且不宜过分集中；）焊缝的数量宜少，且不宜过分集中； （4 4）应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉；）应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉； （5 5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。 图图3.51 3.51 减小焊接应力和焊接变形影响的设计措施减小焊接应力和焊接变形影响的设计措施 (a)(a)、(c)(c)、(e)(e)、(g) (g) 、(i)(i)推荐；推荐；(b)(b)、 (d)(d)、(f)(f)、(h)(h)、(j)(j)不推荐不推荐 2 2、工艺上的措施、工艺上的措施 （1 1）采用合理的施焊次序；）采用合理的施焊次序； （2 2）采用

17、反变形；）采用反变形； （3 3）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火 加热加热600600左右，然后缓慢冷却，可以部左右，然后缓慢冷却，可以部 分消除焊接应力和焊接变形。也可采用刚分消除焊接应力和焊接变形。也可采用刚 性固定法将构件加以固定来限制焊接变形，性固定法将构件加以固定来限制焊接变形， 但增加了焊接残余应力。但增加了焊接残余应力。 图图3.52 3.52 合理的施焊次序合理的施焊次序 (a)(a)分段退焊；分段退焊；(b)(b)沿厚度分层焊；沿厚度分层焊；(c)(c)对角跳焊；对角跳焊；(d)(d)钢板分块拼接钢板分块拼接 图图3.53 3.53

18、 焊接前反变形焊接前反变形 规格：规格：形式为大六角头型，形式为大六角头型， 其代号用字母其代号用字母M M与公称直径表示。与公称直径表示。 常用常用M16M16、M20M20、M24M24。 螺栓的排列螺栓的排列：并列、错列。并列、错列。 3-6 螺栓连接的构造螺栓连接的构造 一、一、 螺栓的排列螺栓的排列 简单、统一、整齐而紧凑简单、统一、整齐而紧凑 并列和错列两种形式：并列和错列两种形式： 并列比较简单整齐，并列比较简单整齐， 连接板尺寸小，但对构件截面削弱较大连接板尺寸小，但对构件截面削弱较大 错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，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，

19、连接板尺寸较大但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大 螺栓的排列要满足以下三个方面的要求：螺栓的排列要满足以下三个方面的要求： （1 1）受力要求）受力要求：端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方向，端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方向， 中距过大，鼓曲。中距过大，鼓曲。 （2 2）构造要求）构造要求：螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进入螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进入 导致腐蚀。导致腐蚀。 （3 3）施工要求）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于 安装。安装。 规范规范制定出螺栓排列最大、最小容许距离制定出螺栓排列最大、最小容许距离 （书中表（

20、书中表3-43-4）, ,在型钢上排列的螺栓还应符合各在型钢上排列的螺栓还应符合各 自线距和最大孔径的要求自线距和最大孔径的要求. . 图图3.54 3.54 钢板的螺栓钢板的螺栓( (铆钉铆钉) )排列排列 (a) (a) 并列；并列；(b)(b)错列错列 螺栓或铆钉的最大、最小容许长度螺栓或铆钉的最大、最小容许长度 图图3.55 3.55 型钢的螺栓型钢的螺栓( (铆钉铆钉) )排列排列 1 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两个；、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两个； 2 2、直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其他防止螺帽

21、松、直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松 动的有效措施；动的有效措施； 3 3、由于、由于C C级螺栓级螺栓与孔壁有较大间隙，与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承承 受静力荷载结构受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用临时固定构件用的安的安 装连接中，也可用装连接中，也可用C C级级 螺栓受剪。螺栓受剪。 4 4、当采用高强螺栓连接时，拼接件不能采用型钢，只能采、当采用高强螺栓连接时，拼接件不能采用型钢，只能采 用钢板。用钢板。( (型钢型钢 抗弯刚度大，不能保证摩擦面紧密

22、结合抗弯刚度大，不能保证摩擦面紧密结合) ) 5 5、沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板，应适当增强其刚度，以减少撬力、沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板，应适当增强其刚度，以减少撬力 对螺栓抗拉承载力的不利影响。对螺栓抗拉承载力的不利影响。 二、二、 螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求 剪力螺栓（抗剪螺栓）：螺栓杆剪力螺栓（抗剪螺栓）：螺栓杆垂直于垂直于力线力线 按受力情况分为按受力情况分为拉力螺栓（抗拉螺栓）：拉力螺栓（抗拉螺栓）：螺栓杆螺栓杆平行于平行于力线 力线 既受剪又受拉的螺栓既受剪又受拉的螺栓 N N NN N N F 3-7 普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计

23、算 图图3.56 3.56 普通螺栓连接普通螺栓连接 抗剪连接抗拉连接 抗剪连接抗剪连接板件之间有板件之间有相互错动相互错动的趋势的趋势 抗拉连接抗拉连接板件之间有板件之间有相互脱开相互脱开的趋势的趋势 图图3.57 3.57 抗剪连接与抗拉连接抗剪连接与抗拉连接 普通螺栓按加工精度可分为： 普通螺栓按加工精度可分为： 1. 1. 粗制螺栓（粗制螺栓（C C级）级） 级、级8 . 4)6 . 0,/400(6 . 4 0 . 35 . 1 2 0 uyu ffmmNf mmdd 螺杆直径 螺孔直径 d d0 优点优点：安装简单，便于拆装；：安装简单，便于拆装； 缺点缺点：螺杆与钢板孔壁不够紧密

24、，传递剪力时，连接变形较大。：螺杆与钢板孔壁不够紧密，传递剪力时，连接变形较大。 宜用于宜用于承受拉力承受拉力的连接中，或用于的连接中，或用于次要结构次要结构和和可拆卸结构可拆卸结构 的受剪连接及安装时的的受剪连接及安装时的临时固定临时固定。 2. 2. 精制螺栓（精制螺栓（ A A、B B级）级） 级、级6 . 5)8 . 0,/800(8 . 8 5 . 03 . 0 2 0 uyu ffmmNf mmdd 优点优点：受力性能好；：受力性能好； 缺点缺点：安装费时费工，且费用较高。：安装费时费工，且费用较高。 目前建筑结构中已较少使用。目前建筑结构中已较少使用。 一、一、普通螺栓的抗剪连接

25、（受剪螺栓连接）普通螺栓的抗剪连接（受剪螺栓连接） 1 1、抗剪连接的工作性能、抗剪连接的工作性能 N 图图3.58 3.58 单个螺栓抗剪试验结果单个螺栓抗剪试验结果 高强度螺栓高强度螺栓 普通螺栓普通螺栓 从加载至破坏经历以下四个阶段：从加载至破坏经历以下四个阶段： （1 1）弹性阶段（）弹性阶段（0101段）段） 加载初，荷载小，连接中剪力小，荷载靠构件间接触加载初，荷载小，连接中剪力小，荷载靠构件间接触 面的摩擦力传递，栓杆与孔壁之间的间隙保持不变。面的摩擦力传递，栓杆与孔壁之间的间隙保持不变。 （2 2）滑移阶段（）滑移阶段（1212段）段） 剪力达到摩擦力最大值，板件间产生相对滑移

26、，直至剪力达到摩擦力最大值，板件间产生相对滑移，直至 栓杆与孔壁接触。栓杆与孔壁接触。 （3 3）栓杆直接传力的弹性阶段）栓杆直接传力的弹性阶段 外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，曲线上升，外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，曲线上升， 3 3点，螺栓或连接板达到弹性极限。点，螺栓或连接板达到弹性极限。 （4 4）弹塑性阶段）弹塑性阶段 在此阶段即使荷载增量很小，连接的剪切变形迅速加在此阶段即使荷载增量很小，连接的剪切变形迅速加 大，直至连接破坏。大，直至连接破坏。4 4点点-极限荷载。极限荷载。 抗剪螺栓的破坏形式：抗剪螺栓的破坏形式： 螺栓杆被剪断螺栓杆被剪断 板件被挤坏（孔壁承压破

27、坏）板件被挤坏（孔壁承压破坏） 板件被拉断板件被拉断 板件冲剪破坏板件冲剪破坏 螺栓杆弯剪破坏螺栓杆弯剪破坏 螺栓双剪破坏螺栓双剪破坏 针对以上破坏形式，应采取以下措施针对以上破坏形式，应采取以下措施: : 1 1）通过计算保证螺栓抗剪）通过计算保证螺栓抗剪 2 2）通过计算保证螺栓抗挤压）通过计算保证螺栓抗挤压 3 3）通过计算保证板件有足够的拉压强度）通过计算保证板件有足够的拉压强度 4 4）螺栓端距）螺栓端距2 2d d 0 0 避免钢板被拉豁避免钢板被拉豁 螺栓杆弯剪弯剪和双剪双剪两种破坏形式不常见，计算不考 虑，一般靠构造满足； 板件被拉断板件被拉断破坏形式属于构件的强度计算； 板件

28、被冲剪板件被冲剪破坏形式由螺栓端距2d d0 0来保证； 抗剪螺栓连接计算只考虑螺栓杆被剪断螺栓杆被剪断和孔壁承压孔壁承压 破坏破坏两种破坏形式； 抗剪承载力设计值抗剪承载力设计值 b vv b v f d nN 4 2 4 2 d nv -受剪面数目受剪面数目, , 单剪单剪n nv v =1.0 , =1.0 , 双剪双剪n nv v=2.0 , =2.0 , 四剪四剪 n nv v=4.0 =4.0 。 d -螺栓杆直径螺栓杆直径 。 N N NN N N F N N 2 2、单个普通螺栓抗剪连接的承载力、单个普通螺栓抗剪连接的承载力 N/2 N N/2 图图3.60 3.60 抗剪螺栓

29、连接抗剪螺栓连接 单个螺栓承载力设计值单个螺栓承载力设计值 b c b v b NNN,min min 承压承载力设计值承压承载力设计值 b c b c ftdN tt - -同一受力方向承压同一受力方向承压 板较小总厚度。板较小总厚度。 N/2 N/2 N 图图3.61 3.61 螺栓承压螺栓承压 单个螺栓所受的力单个螺栓所受的力N N1 1 b N n N N min1 01 15dl 时，对承载力进行修正：时，对承载力进行修正： 所需螺栓数所需螺栓数n:n: b N N n min b N n N N min1 7 . 0 150 1 . 1 0 1 d l 强度折减系数 b N N n

30、 min 3 3、普通螺栓群抗剪连接、普通螺栓群抗剪连接 普通螺栓群轴心受剪普通螺栓群轴心受剪 图图3.62 3.62 长接头螺栓的内力分布长接头螺栓的内力分布 l1 普通螺栓群普通螺栓群轴心受剪轴心受剪的计算流程的计算流程 b c b V NN 、计算 b c b V b NNN，min min 01 15dl b N N n min b N N n min 7 . 0 150 1 . 1 0 1 d l ）排列螺栓取整数按规定（表 4 . 3 是否 例例 3.53.5设计两块钢板用普通螺栓的盖板拼接设计两块钢板用普通螺栓的盖板拼接( (图图3.60)3.60)。已知。已知 轴心拉力的设计值

31、轴心拉力的设计值N N=325kN=325kN，钢材为，钢材为Q235AQ235A，螺栓直径，螺栓直径d d=20mm=20mm （粗制螺栓）。（粗制螺栓）。 图图3.63 3.63 例例3.53.5图图 受剪承载力设计值受剪承载力设计值 kNNf d nN b vv b v 9 .8787900140 4 2014. 3 2 4 22 承压承载力设计值承压承载力设计值 kNNftdN b c b c 8 .4848800305820 一侧所需螺栓数一侧所需螺栓数n:n: 7 .6 8 .48 325 min b N N n 取取8 8个。个。 解解 ： 假定：假定：板件绝对刚性；螺栓弹性；板

32、件绝对刚性；螺栓弹性； 扭矩作用下螺栓受力与螺栓到旋转中心距离成正比。扭矩作用下螺栓受力与螺栓到旋转中心距离成正比。 V=F (V=F (剪力剪力) ) T=Fe (T=Fe (扭矩扭矩) ) b NN min1 满足满足: : 普通螺栓群偏心受剪普通螺栓群偏心受剪 图图3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪 2 1 2 1 2 1 yxr a) a) 计算计算T T作用下单个螺栓受力作用下单个螺栓受力(N(N1 1=?)=?) 图图3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪(c)(c) T1T2T 12 i i NNN rrr 2 2T1T 1 r NN r T1T 1 i

33、i r NN r 1T 12T 2T = ii T N rN rN r 图图3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪(c)(c) T1T 1 i i r NN r 2222 12 1T2TiT1T 1111 = ii rrrr T NNNN rrrr 1 1T 2 i Tr N r 图图3.61(c)3.61(c)螺栓螺栓1 1 所承受的力为：所承受的力为： 11 1T 222 () iii TrTr N rxy 图图3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪(c)(c) 受力最大的螺栓受力最大的螺栓1 1所承受的力为：所承受的力为： 11 1T 222 () iii TrTr

34、N rxy 其分力为：其分力为： 111 1Tx1T 222 1iii yTyTy NN rrxy 111 1Ty1T 222 1iii xTxTx NN rrxy c) c) 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪: : b) b) 剪力剪力V V作用下：作用下： 图图3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪(b)(b) 图图3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪(d)(d) 1Tx N 螺栓群偏心受剪时螺栓群偏心受剪时, ,受力最大受力最大 的螺栓的螺栓1 1所受的合力为所受的合力为: : 1F F N n Ty N1 min 2 11 2 1 )( b FTyTx NNNN 图图

35、3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪(e)(e) 图图3.64 3.64 螺栓群偏心受剪螺栓群偏心受剪(b)(b) 1Tx 0N 1 1Ty 2 i Tx N x 1Ty 0N 1 1Tx 2 i Ty N y (1)(1)当当x x 3 3y y时时, , y yi i=0=0 (2)(2)当当y 3x时时, , xi i=0=0 普通螺栓群普通螺栓群偏心受剪偏心受剪的计算流程的计算流程 ，按规定排列螺栓选定数目n b c b V b NNN，min min TV和到将偏心力向形心简化得 1找出受力最大的螺栓 b c b V NN 、计算 n V N V y 1 22 1 1 2

36、2 1 1 ii T y ii T x yx xT N yx yT N， bV y T y T x NNNN min 2 11 2 1 结束 是否 例例 3.63.6 设计图设计图3.62 3.62 所示的普通螺栓拼接。柱翼缘厚度为所示的普通螺栓拼接。柱翼缘厚度为 10mm,10mm,连接板厚度为连接板厚度为8mm,8mm,钢材为钢材为Q235B,Q235B,荷载设计值为荷载设计值为F=150=150kN, , 偏心距为偏心距为e e=250mm, =250mm, 粗制螺栓粗制螺栓M22M22。 图图3.65 3.65 例例3.63.6图图 解解 ： 将力向形心简化将力向形心简化 TFe 15

37、0 0.25 150kNVF 37.5kN m 222222 1640)16484(610cmyx ii kN yx yT N ii xT 6 .36 1640 10165 .37 2 22 1 1 kN yx xT N ii yT 7 .13 1640 1065 .37 2 22 1 1 扭矩作用下扭矩作用下1 1号螺栓受力号螺栓受力 剪力作用下剪力作用下1 1号螺栓受力号螺栓受力 kN n F N F 15 10 150 1 kNf d nN b vv b v 2 .53140 4 2214. 3 1 4 22 kNftdN b c b c 7 .53305822 kNNNNN TyFTx

38、 5 .46) 7 .1315(6 .36 22 2 11 2 11 kNNkNN b 2 .535 .46 min1 1 1号螺栓受力号螺栓受力 承载力验算承载力验算 二、二、普通螺栓的抗拉连接普通螺栓的抗拉连接 图图3.66 3.66 受拉螺栓的撬力受拉螺栓的撬力 图图3.67 T3.67 T形连接中螺栓受拉形连接中螺栓受拉 (a)(a) (b)(b) 连接件刚度对螺栓抗拉承载力的影响：若与螺栓 直接相连的翼缘板的刚度不是很大，由于翼缘的弯曲， 使螺栓受到撬力的附加作用，杆力增加到：Nt=N+Q 撬力的大小与翼缘板厚度、螺杆直 径、螺栓位置、连接总厚度等因素 有关，准确求值非常困难 我国规

39、范将螺栓的抗拉强度设计值 降低20%来简化考虑撬力影响即: ftb0.8f 一般来说，只要翼缘板厚度 t20mm，且螺栓距离b不要过大， 该简化处理是可靠的。若翼缘板太 薄，可采用加劲肋加强翼缘 b t e b te b t f d fAN 4 2 d de e螺栓的有效直径；螺栓的有效直径； b t f 螺栓抗拉强度设计值螺栓抗拉强度设计值; ; 有效有效 直径直径 净直径净直径 平均平均 直径直径 最大最大 直径直径 A Ae e螺栓的有效面积。螺栓的有效面积。 1 1、单个普通螺栓的抗拉连接、单个普通螺栓的抗拉连接 图图3.68 3.68 螺栓杆直径螺栓杆直径 b tt N n N N

40、b t N N n n 螺栓数目。螺栓数目。 2 2、普通螺栓群轴心受拉、普通螺栓群轴心受拉 (a)(a) (b)(b) 图图3.69 3.69 螺栓群承受轴心拉力螺栓群承受轴心拉力 假设：螺栓受力与到旋转中心距离成正比假设：螺栓受力与到旋转中心距离成正比 3 3、普通螺栓群弯矩受拉、普通螺栓群弯矩受拉 (a)(a) (b)(b) (c)(c) (d)(d) 图图3.70 3.70 普通螺栓弯矩受拉普通螺栓弯矩受拉 nn yNyNyNM 2211 n n y N y N y N 2 2 1 1 b t i N y yM N 2 1 1 1 1 1 21 2 y yN N y yN N i i

41、1 2 1 1 2 1 1 2 2 1 1 2 1 1 y yN y y N y y N y y NM in 图图3.70 3.70 普通螺栓弯矩受拉普通螺栓弯矩受拉(e)(e) 例例 3.73.7牛腿用牛腿用C C级普通螺栓以及承托与柱连接，如图级普通螺栓以及承托与柱连接，如图3.68 3.68 ， 承受竖向荷载（设计值）承受竖向荷载（设计值）F=200=200kN，偏心距为，偏心距为e e=200mm=200mm。试设。试设 计其螺栓连接。已知构件和螺栓均用计其螺栓连接。已知构件和螺栓均用Q235Q235钢材，螺栓为钢材，螺栓为M20M20， 孔径孔径21.5mm21.5mm。 图图3.7

42、1 3.71 例例3.73.7图图 承托传递全部剪力承托传递全部剪力V,V,弯矩由螺栓连接传递弯矩由螺栓连接传递 mkNVeMkNV442 . 0220220 查表查表,M20,M20（Ae=245mmAe=245mm2 2） kN y yM N i 7 .36 )32024016080(2 3201044 2222 3 2 1 1 单个螺栓最大拉力单个螺栓最大拉力 解解 ： bb tet1 245 17041.7kN36.7kNNA fN 单个螺栓的抗拉承载力设计值单个螺栓的抗拉承载力设计值 满足要求满足要求. . 大小偏心判别 2 1min / i yNeynNN 4 4、普通螺栓群偏心受

43、拉、普通螺栓群偏心受拉 根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉. 图图3.72 3.72 螺栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉 、小偏心受拉（、小偏心受拉（以螺栓群形心为旋转中心）以螺栓群形心为旋转中心） )/( 1 2 nyye i 1 max 2 i M yN N ny t maxb NN 0 2 1 min iy Ney n N N 、大偏心受拉、大偏心受拉（以弯矩指向的最外排螺栓为旋转中心）（以弯矩指向的最外排螺栓为旋转中心） )/( 1 2 nyye i t maxb NN t b i N y yeN N 2 1 1 例例 3.83.8

44、设图设图3.703.70为一刚接屋架支座节点，竖向力由承托承为一刚接屋架支座节点，竖向力由承托承 受。螺栓为受。螺栓为C C级，只承受偏心拉力。设级，只承受偏心拉力。设N=250=250kN，e e=100mm=100mm。螺。螺 栓布置如图栓布置如图3.70(a)3.70(a)所示。所示。 图图3.73 3.73 例例3.83.8、例、例3.93.9图图 螺栓有效截面的核心距：螺栓有效截面的核心距： 即偏心力作用在核心距以内，属小偏心受拉即偏心力作用在核心距以内，属小偏心受拉 图图3.70(c).3.70(c). kN y y eN n N N i 7 .38 250150504 25010

45、0250 12 250 222 1 2 1 解解 ： 2222 1 4 (50150250 ) 116.7mm100mm 12 250 i y e ny b32 e1t /38.7 10 /170228mmANf需要的有效面积需要的有效面积： 采用采用M20M20螺栓螺栓: : 2 e 245mmA 例例3.93.9 同例同例3.83.8题，但取题，但取e e200mm200mm。 由于由于e e200mm200mm117mm117mm，应按大偏心受拉计算螺栓的，应按大偏心受拉计算螺栓的 最大拉力。假设螺栓直径为最大拉力。假设螺栓直径为M22( M22( Ae=303mme=303mm2 2)

46、,),并假定中并假定中 和轴在上面第一排螺栓处，则以下螺栓均为受拉螺栓和轴在上面第一排螺栓处，则以下螺栓均为受拉螺栓 图图 3.70(d).3.70(d). kN y yNe N i 1 .51 1002003004005002 500250200250 222222 1 1 需要的螺栓有效面积：需要的螺栓有效面积： 22 3 4 .3036 .300 170 101 .51 mmmmAe 解解 n V NV 三、三、普通螺栓受剪力和拉力的联合作用普通螺栓受剪力和拉力的联合作用 图图3.74 3.74 螺栓群受剪力和拉力联合作用螺栓群受剪力和拉力联合作用 普通螺栓受剪力和拉力作用两种可能破坏形

47、式普通螺栓受剪力和拉力作用两种可能破坏形式 螺栓杆受剪受拉破坏；螺栓杆受剪受拉破坏； 孔壁承压破坏；孔壁承压破坏； 剪力和拉力无量纲化相关关系曲线得剪力和拉力无量纲化相关关系曲线得 或或 1) 22 b t t b v v N N N N （ 例例3.103.10设图设图3.723.72为短横梁与柱翼缘的连接，剪力为短横梁与柱翼缘的连接，剪力V=250=250kN， e e=120mm=120mm，螺栓为，螺栓为C C级，梁端竖板下有承托。钢材为级，梁端竖板下有承托。钢材为Q235BQ235B，手，手 工焊，焊条工焊，焊条E43E43型，试按考虑承托传递全部剪力型，试按考虑承托传递全部剪力V以

48、及不承受剪以及不承受剪 力力V两种情况设计此连接。两种情况设计此连接。 图图3.75 3.75 例例3.1093.109图图 1 1、承托传递全部剪力、承托传递全部剪力V, V, 螺栓群受弯矩作用螺栓群受弯矩作用 设螺栓为设螺栓为M20M20（A Ae e=245mm=245mm2 2），），n=8n=8 （1 1）单个螺栓抗拉承载力）单个螺栓抗拉承载力 （2 2）单个螺栓最大拉力）单个螺栓最大拉力 （3 3）承托焊缝验算）承托焊缝验算 hf f =10mm=10mm 解解 ： 250kNV 250 0.1230kN mMVe bb tet 245 17041.7kNNA f 3 b 1 1t

49、 22222 30 10400 20kN41.7kN 2 (100200300400 ) t i My NyN m y 3 2 f ew 1.351.35 250 10 150.7N/mm 2 0.7 10 (1802 10) V hl w2 f 160N/mmf （2 2）一个螺栓受力）一个螺栓受力 （1 1）一个螺栓承载力）一个螺栓承载力 2 2、不考虑承托传递剪力、不考虑承托传递剪力V V （3 3）剪力和拉力联合作用下）剪力和拉力联合作用下 22 bb vvv 3.14 20 114044.0kN 44 d Nnf bb cc 20 20 305122kNNd t f b t 41.7

50、kNN t 20kNN b vc 250 25kN122kN 10 V NN n 22 22 vtt bb vt 2025 0.7441 44.041.7 NN NN 摩擦型：摩擦型：只靠摩擦阻力传力只靠摩擦阻力传力, ,以剪力达到接触面的摩擦力作为以剪力达到接触面的摩擦力作为 承载力极限状态承载力极限状态设计准则（设计准则（0 01 1） 承压型：承压型：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏为承载力以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏为承载力 极限状态极限状态设计准则（设计准则（0 04 4） 38 高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算 图图3.76 3.76 单个螺

51、栓抗剪试验结果单个螺栓抗剪试验结果 高强度螺栓高强度螺栓 普通螺栓普通螺栓 一、一、高强度螺栓连接的工作性能高强度螺栓连接的工作性能 N 高强螺栓高强螺栓:分大六角头型和扭剪型两种。分大六角头型和扭剪型两种。 P 1 1、高强度螺栓的预拉力、高强度螺栓的预拉力 图图3.77 3.77 高强度螺栓高强度螺栓 (a)(a)大六角头型；大六角头型；(b)(b)扭剪型扭剪型 扭矩法扭矩法 使用一种能直接显示所施加扭矩大小的定扭扳手，上紧使用一种能直接显示所施加扭矩大小的定扭扳手，上紧 螺栓分初拧和终拧两个阶段，初拧扭矩不得小于终拧扭矩的螺栓分初拧和终拧两个阶段，初拧扭矩不得小于终拧扭矩的 3030。终

52、拧扭矩由试验测定。终拧扭矩由试验测定。 转角法转角法 初拧后初拧后, , 用电动或风动扳手拧螺母用电动或风动扳手拧螺母1/31/32/32/3圈圈, , 终拧角终拧角 度与板叠厚度和螺栓直径等有关度与板叠厚度和螺栓直径等有关, , 可测定。可测定。 扭断螺栓尾部法扭断螺栓尾部法 适用扭剪型高强度螺栓。用特制电动扳手的两个套筒分适用扭剪型高强度螺栓。用特制电动扳手的两个套筒分 别套住螺母和螺栓尾部（正、反转），由于螺栓尾部槽口深别套住螺母和螺栓尾部（正、反转），由于螺栓尾部槽口深 度是按终拧扭矩和预拉力之间的关系确定，故所得预拉力值度是按终拧扭矩和预拉力之间的关系确定，故所得预拉力值 能得到保证

53、。能得到保证。 （1 1）预拉力的控制方法）预拉力的控制方法 eu AfP 2 .1 9 .09 .09 .0 Ae e 有效截面面积；有效截面面积；fu u-螺栓材料经热处理后的抗拉强度。螺栓材料经热处理后的抗拉强度。 0.90.9、0.90.9、0.90.9材料不均匀性、弥补预拉力损失的超张拉、材料不均匀性、弥补预拉力损失的超张拉、 采用采用fu u作标准值等。作标准值等。 1.21.2拧紧螺栓时产生的扭矩将降低栓杆的承载力。拧紧螺栓时产生的扭矩将降低栓杆的承载力。 （2 2）预拉力的确定）预拉力的确定 表表3.4 3.4 一个高强度螺栓的设计预拉力值一个高强度螺栓的设计预拉力值（kN）

54、摩擦面的粗糙程度有关，即与构件接触面的处理方摩擦面的粗糙程度有关，即与构件接触面的处理方 法和钢号有关。法和钢号有关。 抗滑移系数值有随被连接构件接触面的压紧力减小抗滑移系数值有随被连接构件接触面的压紧力减小 而降低的现象而降低的现象。 表表3.5 3.5 摩擦面的抗滑移系数值摩擦面的抗滑移系数值 2 2、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 （1 1）高强度螺栓摩擦型连接）高强度螺栓摩擦型连接 单个螺栓承载力单个螺栓承载力 式中式中 0.9 抗力分项系数抗力分项系数 的倒数，的倒数， R 111. 19 . 0/ 1 R nf 传力摩擦面数目：单剪传力摩擦面数目：单剪nf

55、f =1, =1, 双剪双剪nf f =2 . =2 . P 一个高强度螺栓的设计预拉力，按表一个高强度螺栓的设计预拉力，按表3.4 3.4 采用；采用； P 3 3、高强度螺栓抗剪连接的工作性能、高强度螺栓抗剪连接的工作性能 图图3.78 3.78 高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓摩擦型连接 b vf 0.9NnP 摩擦面抗滑移系数，按表摩擦面抗滑移系数，按表3.5 3.5 采用；采用； （2 2）高强度螺栓承压型连接）高强度螺栓承压型连接同普通螺栓的计算同普通螺栓的计算 受剪承载力设计值受剪承载力设计值 b vv b v f d nN 4 2 承压承载力设计值承压承载力设计值 b c b c

56、 ftdN 单个螺栓承载力设计值单个螺栓承载力设计值 b c b v b NNN,min min b V e V b V f d nN 4 2 面积进行计算： 应按螺纹处的有效，其受剪承载力设计值但当剪切面在螺纹处时 图图3.79 3.79 高强度螺栓承压型连接高强度螺栓承压型连接 受拉前：预拉受拉前：预拉 力与接触面上力与接触面上 的挤压力相平的挤压力相平 衡衡 超张拉实验：当外拉力超过超张拉实验：当外拉力超过P P时，螺栓将发生松弛现时，螺栓将发生松弛现 象，即栓杆中的预拉力减小，这对抗剪不利。象，即栓杆中的预拉力减小，这对抗剪不利。 外拉力外拉力0.8P,0.8P,无松弛现象无松弛现象

57、4 4、高强度螺栓抗拉连接的工作性能、高强度螺栓抗拉连接的工作性能 图图3.80 3.80 高强度螺栓受拉高强度螺栓受拉 规范规范：施加于栓杆上的外拉力不得大于：施加于栓杆上的外拉力不得大于0.8P,0.8P,即即 PN b t 8 . 0 抗拉承载力设计值抗拉承载力设计值 N (b)(b) (a)(a) (c)(c) 图图3.81 3.81 高强度螺栓群受拉高强度螺栓群受拉 （1）高强度螺栓）高强度螺栓摩擦型连接摩擦型连接 值为：螺栓的抗拉承载力设计一个摩擦型连接高强度 PN b t 8 . 0 与普通螺栓相同： 值的计算方法螺栓的抗拉承载力设计一个承压型连接高强度 （2）高强度螺栓）高强度

58、螺栓承压型连接承压型连接 b t e b t f d N 4 2 5 5、高强度螺栓同时承受剪力和外拉力连接的工作性能、高强度螺栓同时承受剪力和外拉力连接的工作性能 1 螺栓的抗剪承载力设计值为螺栓的抗剪承载力设计值为 tf NPn 1 9 .0 仍采用原抗滑移系数，仍采用原抗滑移系数，则适当增加则适当增加来弥补来弥补 t N 单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力：单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力： (1) (1) 高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓摩擦型连接 受拉后，连接板间的挤压力减小，受拉后，连接板间的挤压力减小， PNN NPnN b tt tf b tV 8.0 25.19.0 且 ， PNN

59、NPnN b tt tf b tV 8.0 25.19.0 且 ， 除此之外，拉力应满足除此之外，拉力应满足 以上公式是旧版以上公式是旧版钢结构设计规范钢结构设计规范（GBJ1788) 采用的形式，在新版采用的形式，在新版钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017- 2003）中，其承载力采用直线相关公式表达：）中，其承载力采用直线相关公式表达： 1 b t t b v v N N N N PNN PnNN NN b t b t f b v b v 8 . 0 9 . 0 tv 载能力，单个高强度螺栓抗拉承 载能力，单个高强度螺栓抗剪承 的剪力和拉力某个高强度螺栓所承受、 (2) (2) 高

60、强度螺栓承压型连接高强度螺栓承压型连接 同普通螺栓的计算同普通螺栓的计算 22 vt bb vt 1 NN NN b b c vc 1 1.21.2 N Nd t f 图图3.82 3.82 高强度螺栓群受剪高强度螺栓群受剪 力和拉力联合作用力和拉力联合作用 1.21.2折减系数。由于外拉力将减折减系数。由于外拉力将减 小被连接构件间预压力，因小被连接构件间预压力，因 而构件材料的承压强度设计而构件材料的承压强度设计 值随之降低。值随之降低。 剪拉 受拉承压型高强 受剪 剪拉 受拉摩擦型高强 受剪 剪拉 受拉普通螺栓 受剪 b f b c f tdN b vv b v f d nN 4 2 b