第3章 连接-8

1、第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 焊缝连接焊缝连接 螺栓连接螺栓连接 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 主要内容主要内容 钢结构的连接钢结构的连接 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造和计算 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算 普通螺栓的构造和计算普通螺栓的构造和计算 高强度螺栓的构造和计算高强度螺栓的构造和计算 螺栓的排列和构造要求螺栓的排列和

2、构造要求 普通螺栓的受剪连接普通螺栓的受剪连接 普通螺栓的受拉连接普通螺栓的受拉连接 剪拉螺栓群的计算剪拉螺栓群的计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 3.5.3 普通螺栓的受拉连接普通螺栓的受拉连接 1.1.普通螺栓受拉的工作性能普通螺栓受拉的工作性能 b) 试验证明影响撬力的因素试验证明影响撬力的因素 较多，其大小难以确定，规较多，其大小难以确定，规 范将螺栓的抗拉强度设计值范将螺栓的抗拉强度设计值 降低降低2020来考虑撬力的影响，来考虑撬力的影响， 取取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗螺栓钢材的抗 拉强度设值）拉强度设值）。 a) 螺栓受拉时，一

3、般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴螺栓受拉时，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（撬力用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q Q）并产生弯曲现象。连接件刚）并产生弯曲现象。连接件刚 度越小撬力越大。度越小撬力越大。 图图3.5.6 受拉螺栓的撬力受拉螺栓的撬力 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 QNNt 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections c) 在构造上可以通过加强连接件的刚度

4、的方法，来减小杠杆作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，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。 加劲肋加劲肋 图图3.5.7 翼缘加强的措施翼缘加强的措施 2.2.单个普通螺栓受拉承载力单个普通螺栓受拉承载力 b t 2 e b te b t 4 f d fAN （3.6.11） Ntb单个螺栓抗拉承载力；单个螺栓抗拉承载力；Ae 螺栓螺纹处的有效面积；螺栓螺纹处的有效面积； de 螺栓有效直径；附表螺栓有效直径；附表9.2 (P455) ftb 螺栓的抗拉强度设计值。螺栓的抗拉强度设计值。 ftb 0.8

5、f 假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均 匀分布，则一个拉力螺栓的承载力匀分布，则一个拉力螺栓的承载力 设计值：设计值： 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections dedn dm d )12. 6 . 3()(3 24 13 螺距PPdd e 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因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直 径径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： 3.5 3.5 普通螺栓连接的

6、构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections （1 1）栓群轴心受拉）栓群轴心受拉 当外力通过螺栓群形心时，当外力通过螺栓群形心时，一般假定每个螺栓均匀受一般假定每个螺栓均匀受 力，力，因此连接所需的螺栓数目为：因此连接所需的螺栓数目为： b t N N n （ 3.6.13） b t 2 e b te b t 4 f d fAN （3.6.11） 3. 3. 普通螺栓群受拉普通螺栓群受拉 N 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections M

7、 刨平顶紧刨平顶紧 承托承托(板板) M 1 2 3 4 受压区受压区 y1 y2 y3 N1 N2 N3 N4 中和轴中和轴 (2(2）栓群承受弯矩作用）栓群承受弯矩作用 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： 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； 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受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成正比。拉力与其至中和轴的距离成正比。 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connect

8、ions M 刨平顶紧刨平顶紧 承托承托(板板) M 1 2 3 4 受压区受压区 y1 y2 y3 N1 N2 N3 N4 中和轴中和轴 显然显然1号螺栓在号螺栓在M作用下所受拉力最大作用下所受拉力最大 )( 2211 byNyNyNM nn 由力学及假定可得：由力学及假定可得： )( 3 3 2 2 1 1 a y N y N y N y N n n 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 将式将式(c)代入式代入式(b)得得: : )( 1 1 3 1 1 32 1 1 2 cy y N N

9、y y N Ny y N N nn ； )( 1 2 1 1 22 2 2 1 1 1 dy y N yyy y N M n i in 由式由式(a)得得: : )( 1 2 e y yM N n i i i i 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： )14. 6 . 3( b t 2 1 1 N y My N i 螺栓螺栓i 的拉力的拉力: : 即受力最大的最外排螺即受力最大的最外排螺 栓栓1 1的拉力不超过一个螺栓的拉力不超过一个螺栓 的抗拉承载力设计值的抗拉承载力设计值 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 M 1 2 3 4 第第3

10、3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 图图3.5.10 螺栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉 刨平顶紧刨平顶紧 承托承托(板板) N e V V (3(3）栓群偏心受拉）栓群偏心受拉 小偏心受拉小偏心受拉 当当M/N较小时，所较小时，所 有螺栓均承受拉力有螺栓均承受拉力 作用，构件作用，构件B绕螺绕螺 栓群的形心栓群的形心O转动。转动。 螺栓群的最大和最小螺栓受力为：螺栓群的最大和最小螺栓受力为： b 1 maxt 2 i MyN NN ny （3.6.15a） 0 1 min 2 i y My n N N （3.6.15b） 当当 Nmin0 ，e 则则 表示所有螺栓受拉，

11、表示所有螺栓受拉， 螺栓群绕形心轴旋螺栓群绕形心轴旋 转。转。 2 e e1 i y W nAny 螺栓有效截面组成的核心距螺栓有效截面组成的核心距 N y1 y1 y2 y2 Nmax N2 N3 Nmin 1 2 3 4O B A M 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 大偏心受拉大偏心受拉 当当Nmin ，构件构件B有有绕绕A点（底排螺栓）点（底排螺栓） 旋转的趋势，偏于安全取中和轴旋转的趋势，偏于安全取中和轴 位于最下排螺栓位于最下排螺栓O处，受拉力最处，受拉力最 大的螺栓要求满足：大的螺栓要求满足： 图图3.5.10 螺栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉

12、1 2 3 4 N y1 y3 y2 N1 N2 N3 N e O nnii yNyNyNyN 2211 2 222 222 2 111 2211 iii nnniii nnii yyN yyNyyNyyNyyN yNyNyNyNeN （3.6.16） 2 iii yyeNN b ti NyyeNN 2 11 B A 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 例例3.14 3.14 验算如图所示，普通螺栓连接。验算如图所示，普通螺栓连接。 N=349.5kNN=349.5kN， M=17.475kN.mM=17.475kN.m。M22M22，B B级，钢级，钢 材

13、材Q235Q235。 1. 单个螺栓抗拉承载力单个螺栓抗拉承载力 2 bbb ttt 303.4 2163.7kN 4 e e d NfA f 【解】 2b t N/mm210f 支托支托 50 50 75 75 75 75 50 60 10 N M 2. 强度验算强度验算 先假设小偏心，以众栓形心计先假设小偏心，以众栓形心计 2 max min max i y My n N N )75150(22 15010475.17 10 105 .349 22 63 小偏心 满足 0kN65.11 ,kN7 .63kN25.58 b t N 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connec

14、tions 例例3.15 验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。普验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。普 通螺栓通螺栓4.6级，级，M22，孔径，孔径24mm，共两列，共两列6排。排。 N M o N1 N=245kN a) N=245kN o 柱翼缘柱翼缘 节点板节点板 端板端板 N1 b) 计算模型可能为（计算模型可能为（a图）或（图）或（b图）。图）。 a图弯曲转动中心在螺栓群的图弯曲转动中心在螺栓群的 形心处称小偏心；形心处称小偏心； b图弯曲转动中心在端板上图弯曲转动中心在端板上1号螺栓处，称大偏心。号螺栓处，称大偏心。 第第3 3章章 连连 接接 Chapter

15、3 Connections 计算计算 1.内力计算内力计算 N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN.cm 2. 单个螺栓的抗拉承载力：单个螺栓的抗拉承载力： bb3 tet 303 170 1051.51kNNA f 查查P383附表附表1.4，ftb=170N/mm2 查查P455附表附表9.2，Ae=303mm2 （M22螺栓有效截面面积）螺栓有效截面面积） 3. 算危险螺栓拉力算危险螺栓拉力 一共一共6排螺栓，螺栓总数排螺栓，螺栓总数12，n=12 判断大小偏心：判断大小偏心： cmecm ny yi 1333. 9 2012 421222022 222 1 2

16、 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 此连接属大偏心受拉，此连接属大偏心受拉， 构件应绕顶排螺栓转动。构件应绕顶排螺栓转动。 满足满足 kNNkN y yeN N b t i 51.519 .45 8162432402 4033245 22222 2 1 max1 N=245kN o 柱翼缘柱翼缘 节点板节点板 端板端板 N1 b) 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 3.5.4 剪拉螺栓群的计算剪拉螺栓群的计算 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式： 一是

17、螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。 试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用 的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别 符合下列公式的要求：符合下列公式的要求： 验算剪验算剪- -拉联合作用：拉

18、联合作用： 1 2 b t t 2 b v v N N N N （3.5.17） b vc V NN n （3.5.18） 验算孔壁承压：验算孔壁承压： Nvb单个螺栓抗剪承载力设计值；单个螺栓抗剪承载力设计值； Ncb单个螺栓承压承载力设计值单个螺栓承压承载力设计值 Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值；单个螺栓抗拉承载力设计值； Nv 、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。 3.5 3.5 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 例例3.16 验算如图所示普通验算如图所示普通

19、C级螺栓连接强度。螺栓级螺栓连接强度。螺栓M20，孔，孔 径径22mm，材料为，材料为Q235。 步骤步骤1 计算螺栓上的力计算螺栓上的力 N=1003/5=60kN V=1004/5=80kN 分析螺栓受力状态分析螺栓受力状态 荷载荷载P通过螺栓截面形心通过螺栓截面形心O，分解，分解 后得剪力后得剪力V和拉力和拉力N，螺栓处于既，螺栓处于既 受拉又受剪的状态。受拉又受剪的状态。 P=100kN 5 4 3 o 计算计算 Nv=V/n=80/4=20kN Nt=N/n=60/4=15kN 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 步骤步骤3 用相关公式验算强度用相关公式验算强度 172. 0 6 .41 15 9 .31 20 22 2 b t t 2 b v v N N N N 步骤步骤2 计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值 V=80 N=60 Nv=20kN Ncb =2020305 10-3=122kN 满足设计要求满足设计要求 Ntb=Aeftb=244.8170 10-3=41.6kN Nvb=nv( d2/4) fvb =13.14202/413010-3=31.9kN 第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 例例3.17