第三章 钢结构连接(螺栓)02

1、(Connections)36 螺栓连接（bolting）的构造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

2、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。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

3、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；次要的抗剪连接；安装的临时固定装的临时固定由由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

4、）扭剪型螺栓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； 【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、截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面削弱过多而降低承载力, ,螺栓的边距和端距不能太小；螺栓的边距和端距不能太小； 【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

5、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, ,中距不能太大。中距不能太大。15d15d0 0(d(d0 0为孔径为孔径) )时，连接进入弹塑性工作状时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布态后，即使内力重新分布, ,各个螺栓内力也难以均匀，各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏端部螺栓首先破坏, ,然后依次破坏。由试验可得连接的然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数抗剪强度折减系数与与l l1 1/d/d0 0的关系曲线的关系曲线。)353(1501 . 1601501010dldld时：当ECCS试验曲线试验曲线8.88.

6、8级级 M22M22我国规范1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80l l1 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7 .06001 时时：当当dl)363(min bNNn 故，连接所需栓数：故，连接所需栓数：NNbt tt t1 1b1拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-22-2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 主主板板厚厚度度。主主板板宽宽度度；危危险险截截面面上上的的螺螺栓栓数数；螺螺栓栓孔孔直直径径；钢钢材材强强度度设设计

7、计值值 tbmdftdmbAfANnn001 ,1 ,; 拼接板厚度。危险截面上的螺栓数；拼接板宽度；螺栓孔直径；钢材强度设计值1101012,2,;5 . 0tmbdftdmbAfANnnNNt 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: : 主主板板厚厚度度。主主板板宽宽度度；危危险险截截面面上上的的螺螺栓栓数数；螺螺栓栓孔孔直直径径；钢钢材材强强度度设设计计值值；式式中中：截截面面：对对于于截截面面：对对于于 tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn00222140;1211;11

8、 1111NNbt 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: :拼接板厚度。拼接板宽度；危险截面上的螺栓数；螺栓孔直径；钢材强度设计值；式中：截面：对于截面：对于1101022214101;1222;225 . 0tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn2222例例题：设计螺栓盖板拼接，设计拉力题：设计螺栓盖板拼接，设计拉力N=350kN，钢材，钢材Q345B(或或16Mn)，拼接板宽，拼接板宽b=360mm，厚厚t1=8mm，采用，采用M20C级螺栓，孔径级螺栓，孔径f f22。解：解： 螺栓抗剪强度螺栓抗剪强度2bvN/mm1

9、40f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=4mm2bcN/mm385f2N/mm310f板件抗拉强度板件抗拉强度取取t2=6mmkN0 .881404202422bv2bvfdN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kN6 .61)628min(38520bcbc，tdfN(4)所需螺栓数所需螺栓数n=350/61.6 =5.3个个(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 =

10、2352mm2净截面拉应力净截面拉应力 n=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。vbfd421304222vcftd23/4 .214185 .23418400101181mmNANn2/ mmNF F作用下每个螺栓受力作用下每个螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F)373(1 nFNFT 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

11、2） T T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪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，方向与力与其至形心距离呈线形关系，方向与r ri i垂直。垂直。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）。)383(2211 nnTTTrNrNrNT)393(332211 nnTTTTrNrNrNrN由假定由假定(2)(2)得得由式由式3-393-39得得: :)403(1131132112 nTnTTTTTrrNNrrNNrrNN；由力的平衡条件得：由力的平衡条件得：TxyN1TN1

12、TxN1Tyr11将式将式3-40代入式代入式3-38得得: : )413(12112222111 niiTnTrrNrrrrNT)423(112211211 niniiiniiTyxrTrrTN将将N1T1T沿坐标轴分解得沿坐标轴分解得: :)443()433(11221111122111122111112211 niniiininiiiTyniniiininiiiTxyxxTrxyxrTNyxyTryyxrTN )453(min21121 bFTyTxNNNN 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

13、下简化计算：令令:x:xi i=0=0，则，则N1Ty1Ty=0=0)463(121111211 niiniiTxyyTryyrTN)473(min2121 bFTxNNN 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。 4834 btebtebtfdfAN 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

14、。dedndmd（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，所以公式取的是因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径有效直径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：)493()(32413螺距ttdde A A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即、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 Q）并产并产生弯曲现象。生弯曲现象。

15、连接件刚度越小撬力越大连接件刚度越小撬力越大。【试验证明试验证明】影响撬力的因素较多，其大小难以确定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，规范采取简化计算的方法，取f ft tb b=0.8f=0.8f（ff螺栓螺栓钢材的抗拉强度设计值）钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。来考虑其影响。)503(22 QNNt B 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。 一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接

16、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：)513( btNNnNM刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1 2 3 4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。)533(2211 nnyNyNyNM由力学及假定可得：由力学及假定可得：)523(

17、332211 nnyNyNyNyNM刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1 2 3 4受压区受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴中和轴将式将式3-543-54代入式代入式3-533-53得得: :)543(1131132112 nnyyNNyyNNyyNN； )553(12112222111 niinyyNyyyyNM)563(1211 niiyyMN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：)573(1 btNN 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)F

18、eN1F)583(121111 btniiMFNyyMnFNNN1 2 3 4FMy1y2y3N1MN2MN3MM=Fe中和轴中和轴N4MbVVNNbttNN011VeM=VeV因此：因此：nVNV 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

19、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。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：)593(122 bttbvvNNNN)603( bcvNNbVVNNbttNN011a ab b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：)613( wfewffhlN 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例例题：验算牛腿螺栓

20、连接题：验算牛腿螺栓连接,设计剪力设计剪力V=200kN,偏心偏心e=150mm,连接板厚连接板厚t=20mm,Q235B钢材钢材,采用采用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。解：解： 螺栓抗剪强度螺栓抗剪强度:2bvN/mm130f2bcN/mm305f2btN/mm170f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:kN6.41170245mm245btebt2efANA螺

21、栓最大拉力螺栓最大拉力:bt222262i1tkN20)100200300400(24001030NyMyNkN202i1tyMyNkN4113042042bv2bvfdNkN2010/200vN(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:168. 0412041.620222vbv2tbtNNNN孔壁承压计算孔壁承压计算:vbcbckN1222030520NtdfN例题：例题：验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。普通螺栓的连接强度。普通

22、螺栓4.64.6级，级，M22M22，孔径，孔径23.5mm23.5mm。NMoN1N=245kNa)N=245kNo柱翼缘柱翼缘节点板节点板端板端板N1b)NMoN1N=245kNa)12）算危险螺栓拉力）算危险螺栓拉力设每排螺栓有两列，设每排螺栓有两列，m=2一共一共6排螺栓，螺栓总数排螺栓，螺栓总数12，n=12解：解：1） 算荷载算荷载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

23、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。 假定转动中心在螺栓群的形心处，则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引起的引起的1点拉应力：点拉应力： N1N=N/n=245/12=20.42kN最外排的螺栓拉力：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) ) 计算结果连接上部受压，构件应绕顶排螺

24、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柱翼缘柱翼缘节点板节点板端板端板N1b)e =33cm，m=2，y1=40cmyi2=402+322+242+162+82 =3520cm2kN9 .4535202403324521max1iymyeNN4）强度判断）强度判断 Nmax1 Ntb （45.9kN3x1满足设计要求。满足设计要求。设计下图所示轴心受拉钢板的设计下图所示轴心受拉钢板的承压型高强螺栓承压型高强螺栓连接。钢连接。钢板的钢材为板的钢材为Q235，高强螺栓，高强螺栓10.9级，级，M20,孔径孔径d0=21.5

25、mm。连接处截面用喷砂处理。连接处截面用喷砂处理。剪切面在螺纹处。剪切面在螺纹处。NN思考题思考题 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）（本章完） 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，