第5章钢结构的紧固件连接1

螺栓连接螺栓规格精制螺栓粗制螺栓分类A级和B级C级强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级加工方式车床上经过切削而成未经加工的圆钢压制而成加工精度螺杆与栓孔直径之差为0.25～0.5mm螺杆与栓孔直径之差为1.5～3mm受力特点抗剪差、抗拉好抗剪抗拉均好经济性能价格高价格经济用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定3.6普通螺栓连接的构造和计算注：A、B两级的区别只是尺寸不同。A级用于d≤24mm,l≤150mm的螺栓，B级用于d>24mm,l>150mm

螺栓。

3.6.1螺栓的排列和构造要求排列的方式有并列排列和错列排列两种。并列比较简单整齐，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，但螺栓空排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。(1)受力要求

下限：防止孔间板破裂上限：防止板间张口和鼓曲。b）螺孔中心距限制a）端距限制——防止孔端钢板剪断，；中心距太大<2d端距过小（2）构造要求

螺栓的中距及边距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。（3）施工要求

要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。螺栓的排列满足受力要求，构造要求，施工要求。端距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距端距中距边距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0边距中心距

表3.3

根据规范规定（表3.3）的螺栓最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸。常用螺栓直径为d=16，20，24mm，用M表示，如M16。螺栓符号3.6.2普通螺栓的工作性能

螺栓连接的受力形式分为：A.只受剪力B.只受拉力C.受剪力和拉力共同作用。

FNFA剪力螺栓B拉力螺栓C剪力和拉力共同作用受力垂直螺杆，承剪、承压。连接件有错动趋势受力平行螺杆，承拉连接件有脱开趋势NδO1234NNabNN/2N/2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δ与作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段1）受剪连接的工作性能

(A)摩擦传力的弹性阶段(0~1段)

直线段—连接处于弹性状态；由板件间的摩擦力传递外力。该阶段较短—摩擦力较小。(B)滑移阶段(1~2段)

克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表现在曲线上为水平段。1.抗剪螺栓连接NδO1234abNN/2N/2(C)栓杆传力的弹性阶段(2~3段)

该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-δ关系以曲线状态上升。

(D)弹塑性阶段(3~4段)

达到‘3’后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。‘4’点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。螺杆被剪断；b)连接件孔壁挤压破坏c)钢板拉断；d)钢板冲剪破坏；e)螺杆弯曲破坏。a)AB栓杆较细而板件较厚时b)BA栓杆较粗而板件较薄时c)A截面削弱过多时d)35º35ºa1A端矩过小时；端矩≥2d0e)A板过厚螺栓杆过长；栓杆长度＜5da)、b)、c)通过计算解决d)、e)通过构造解决2）

受剪连接的破坏形式受剪承载力设计值：承压承载力设计值：

抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:（3-24）（3-25）d

假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布；假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布单个剪力螺栓的设计承载力：3）单个螺栓的受剪承载力设计值受剪承载力设计值：t1<t2

,Σt=t1t1t2t1t2t3t2<t1+t3

,Σt=t2d+b<a+c+e

,Σt=b+d剪面数目螺栓抗剪设计强度承压承载力设计值：螺栓直径承压设计强度承压构件一侧总厚度的较小值d2.抗拉螺栓连接1）受拉连接的工作性能b)试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20％来考虑撬力的影响，取ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗拉强度设值）。a)

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（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。

图3-69受拉螺栓的撬力加劲肋翼缘加强的措施c)

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。（3-26）其中：Ntb——单个螺栓抗拉承载力；Ae

——螺栓螺纹处的有效面积；de——螺栓有效直径；附表6(P490)

ftb

——螺栓的抗拉强度设计值。2）单个螺栓的受拉承载力设计值

图3-69受拉螺栓的撬力dedndmd螺栓的有效直径因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：N/2Nl1N/2(a)试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿螺栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。

(b）当连接长度l1≤15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N由各螺栓平均分担。1.在轴心力作用下受剪计算

连接一侧所需螺栓数为：(3-27)平均值螺栓的内力分布弹性阶段塑性阶段3.6.3螺栓群的计算我国规范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值长连接螺栓的内力分布(c)当连接长度l1>15d0(d0为孔径)时，各个螺栓内力难以均匀，端部螺栓受力最大首先破坏，然后依次破坏,出现解纽扣现象。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。(3-28)因此《规范》采用承载力折减系数考虑螺栓群受力不均。连接一侧所需螺栓数为：NNbtt1b111由于螺栓孔消弱了板件的截面，因此要验算板件的净截面强度，按最危险的净截面计算。NNtt1bc2c3c6c111ⅡⅡt≤2t1螺栓并列布置按最危险的正交截面（Ⅰ－Ⅰ）计算：螺栓错列布置可能沿正交截面（Ｉ－Ｉ）破坏，也可能沿齿状截面（Ⅱ－Ⅱ）破坏，取截面的较小面积计算：TTTxyN1TN1TxN1Tyr11基本假设:①连接件绝对刚性,螺栓弹性；②

T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离ri成正比，方向与它和形心的连线垂直。2.在扭矩作用下受剪计算

（a）显然，T作用下‘1’号螺栓所受剪力最大（r1最大）。根据平衡条件得：（c）将（c）式代入（a），得用N1T表达的T式：

由各螺栓剪力与r成正比：（b）由各剪力都用N1表示：yTxyN1Tr11N2TN4TN5T螺栓1离形心最远是危险螺栓,最大剪力N1T:yoxx11r1y1(3-33)当螺栓布置在一个狭长带，例如y1≥3x1，则可假定xi=0

。同理x1≥3y1，则可假定yi=0

。(3-34)验算剪力最大螺栓:(3-36)剪力V，和轴力N作用下每个螺栓受力：2.在扭矩,剪力，轴心力作用下受剪计算

TTxyN1TN1TxN1Tyr1T1N1NyVFV1N1VxN1将N1T它分解为水平和竖直分力：在V,N,T作用下，受力最大罗刷1所受合力N1应满足:（3-37）在扭矩T作用下，外围4个螺栓离形心最远，受力最大，最大剪力N1T：yoxx11r1y14.轴心力作用下抗拉计算

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目为：（3-38）（3-26）NM刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为：

①连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；②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。5.弯矩作用下受拉计算M刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴显然‘1’号螺栓在M作用下所受拉力最大由力学及假定可得：将式(c)代入式(b)得:由式(a)得:因此，设计时只要满足下式即可：

即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值M1234刨平顶紧承托(板)Ne螺栓群偏心受拉，将N移到螺栓群形心，等效为承受轴心拉力N和弯矩M。这时要考虑两种情况：1）M/N较小时，为小偏心受拉。2）M/N较大时，为大偏心受拉。6.弯矩和轴心力作用下受拉计算（偏心受拉）①小偏心受拉

当M/N较小时，所有螺栓均承受拉力作用，构件B绕螺栓群的形心O转动。螺栓群的最大和最小螺栓受力为：（3-40）（3-41）O②大偏心受拉

当Nmin<0

时，由于M/N较大，e>ρ，构件B绕A点（底排螺栓）旋转趋势，偏于安全取中和轴位于最下排螺栓O’处，受拉力最大的螺栓要求满足：（3-43）O’

同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种算法：

1）假定支托刨平顶紧，作为承托板承受剪力。

2）假定纸托不受力，仅在安装时起临时固定作用。7.

同时承受剪力和拉力计算VVM承托(板)此时螺栓同时承受弯矩M引起的拉力和剪力V引起的剪力。VM在弯矩M作用下，受力最大的最外排螺栓的拉力为：在剪力V作用下，每个螺栓受力相等，其值为：1）假定支托不受力，仅在安装时起临时固定作用。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：

验算剪-拉联合作用：（3-44a）（3-44b）验算孔壁承压：Nvb——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Ntb——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。

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：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。图3.5.12剪－拉联合作用的螺栓图3.5.13剪力和拉力的相关曲线试验研究结果表明，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。

2）假定支托刨平顶紧，作为承托板承受剪力。此时螺栓仅承受弯矩M=Ve,剪力V由承托承受，则受力最大的最外排螺栓的拉力应满足：VVM支托与柱翼缘用角焊缝连接，按下式计算：-----考虑剪力对焊缝的偏心影响系数，可取1.25-1.35.[例3-7]

设计图3-78所示的角钢拼接节点，采用C级普通螺栓连接。角钢为L100×8，材料为Q235钢，承受轴心拉力设计值N=250KN。采用同型号角钢做拼接角钢，螺栓直径为d=22mm，孔径d0=23.5mm。【解】

由附表5查得

（1）螺栓计算一个螺栓的受剪承载力设计值为：一个螺栓的承压承载力设计值为：构件一侧所需的螺栓数个，取n=5每侧用5个螺栓，在角钢两肢上交错排列。（2）构件净截面强度计算将角钢沿中线展开（图3-78b），角钢的毛截面面积为15.6cm2直线截面I-I的净面积为折线截面II-II的净面积为净截面强度满足要求。设计双盖板拼接的普通螺栓连接，被拼接的钢板为370mm*14mm，钢材为Q235，承受设计值扭矩T=25kN.m,剪力V=300kN,轴心力N=300kN.螺栓直径d=20mm，孔径d0=21.5mm。【例3-8】(受剪）

【解】螺栓布置及盖板尺寸见图3-79，盖板截面积大于被拼接钢板截面积。螺栓间距均在容许距离范围内。一个螺栓的受剪承载力设计值为：扭矩作用时，最外螺栓受剪力最大，其值为：剪力和轴心力作用时，每个螺栓所受剪力相同，其值为：受力最大螺栓所受的剪力合力为yoxx11r1y1钢板净截面强度验算，首先计算1—1截面几何性质钢板界面最外边缘正应力钢板界面形心处的剪应力，轴向力图3-80为牛腿与柱翼缘的连接，承受设计值竖向力。V的作用点距柱翼缘表面距离螺栓直径20mm,为普通C级螺栓，排列如图所示。牛腿下设支托，焊条E43型，手工焊。按支托承受剪力支托只起支承作用，不承受剪力，验算螺栓强度和支托焊缝。

。钢材为Q235，【例3-9】（受拉，受剪+受拉）

【解】（1）由支托承受剪力，螺栓承受轴力N和弯矩M，

支托5010070707070NV一个抗拉螺栓的承载力设计值

支托5010070707070NVM先按小偏心受拉计算，假定牛腿绕螺栓群形心转动，受力最小螺栓的拉力为说明连接下部受压，连接为大偏心受拉，中性轴位于最下排螺栓处,,受力最大的最上排螺栓所受拉力为，

支托承受剪力V=100KN,设焊缝（2）支托不承受剪力，螺栓同时承受拉力和剪力

一个螺栓的承载力设计值:每个螺栓承担的剪力为:受拉力最大螺栓所承担的拉力同（1），为

拉力和剪力共同作用下:螺栓强度满足要求。【补充】

验算如图所示普通螺栓连接强度。螺栓M20，孔径21.5mm，材料为Q235。

步骤1计算螺栓上的力

N=100×3/5=60kN

V=100×4/5=80kN

分析螺栓受力状态荷载P通过螺栓截面形心O，分解后得剪力V和拉力N，螺栓处于既受拉又受剪的状态。P=100kN543o[计算]Nv=V/n=80/4=20kNNt=N/n=60/4=15kN

步骤3用相关公式验算强度

步骤2计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值V=80N=60Nv=20kN＜Ncb=20×20×305×10-3=122kN满足设计要求

Ntb=Aeftb=244.8×170×10-3=41.6kN

Nvb=nv×(d2/4)×fvb=1×3.14×202/4×130×10-3=31.9kN3.7高强度螺栓连接3.7.1高强度螺栓连接性能强度等级采用钢材8.8级45号钢、40B钢10.9级20MnTiB钢、35VB钢按材料分类按受力特征分类高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接abNN/2N/2高强度螺栓用强度较高钢材制作，施工时通过特制的扳手，以较大的扭矩拧紧螺帽，使螺栓杆产生很大的预拉力。高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接传力机理利用预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力，外力通过摩擦力来传递允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺孔之间的承压来传力承载能力极限状态外力达到板件摩擦力作为极限状态外力超过摩擦力栓杆受剪，板件承压栓孔直径＝螺杆的公称直径+1.5～2.0mm＝螺杆的公称直径+1.0～1.5mm特点剪切变形小，弹性性能好，特别适用于承受动力荷载的结构连接紧凑，承载力比摩擦型大，但剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构abNN/2N/21.高强度螺栓预拉力①大六角头螺栓的预拉力控制方法有：

a.力矩法

初拧——用力矩扳手拧至终拧力矩的30%~50%，使板件贴紧密；终拧——初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。

特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要。b.转角法

初拧——用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；终拧——初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120o~180o完成终拧。

特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧。②

扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）初拧——拧至终拧力矩的60%~80%；终拧——初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等。其中：Ae—螺纹处有效截面积；fu—螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu=830N/mm2，

10.9级，取fu=1040N/mm2高强螺栓的预拉力设计值由下式确定

考虑材料的不均匀性的折减系数0.9；为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9；

考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。由于高强度螺栓材料无明显的屈服点，用抗拉强度fu代替fy的附加安全系数0.9。螺栓的性能等级螺栓公称直径（mm）M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级100155190225290355表3-8高强螺栓的预拉力P(GB50017)摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数μ

；2.高强度螺栓摩擦面抗滑移系数连接处接触面处理方法构件的钢号Q235Q345Q420喷砂喷砂后涂无机富锌漆喷砂后生赤绣钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面0.450.350.450.300.500.400.500.350.500.400.500.40表3-9摩擦面抗滑移系数值板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而降低；

试验证明，摩擦面涂红丹防锈漆后，抗滑移系数小于0.15，故摩擦面应严禁涂红丹。另外，连接在潮湿或淋雨条件下拼装，也会降低值，故应采取有效措施保证连接处表面的干燥。1.抗剪连接由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连接件中有很大的预压力，当连接受剪时，主要依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到1点。通过1点后，连接产生了滑移，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。高强度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/2对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为1点，所以1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力。对于高强度螺栓承压型连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态4点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。3.7.2高强度螺栓工作性能

一个摩擦型连接高强度螺栓抗剪承载力设计值:

0.9—抗力分项系数R的倒数(R=1.111);

nf—传力摩擦面数目;

—摩擦面抗滑移系数;

P—预拉力设计值.（1）高强度螺栓摩擦型连接（2）高强度螺栓承压型连接（同普通螺栓计算方法一样）受剪承载力：承压承载力：2.抗拉连接图3.6.1高强度螺栓受拉P+PC－Ca)b)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C=P

(状态a)。加荷载拉力Nt后，螺栓拉力从P增加了

P，板件挤压力则由C减小了

C(状态b)。30025020015010050050100150200250300Pf(kN)Nu’NuNt(kN)Q有橇力时的螺栓破坏无橇力时的螺栓破坏计算表明，当螺杆的外拉力Nt为预拉力P的80％时，螺杆内的拉力增加很少，可以认为此时螺杆的预拉力基本不变。当考虑橇力影响时，螺栓杆的拉力Pf与Nt的关系曲线如图：Nt≤0.5P时，橇力Q=0；Nt≥0.5P后，橇力Q出现，增加速度先慢后快。橇力Q的存在导致连接的极限承载力由Nu降至Nu’。所以，如设计时不考虑橇力的影响,应使Nt≤0.5P或增加连接板件的刚度（如设加劲肋）。直接承受动力荷载的结构外拉力不宜超过0.5P单个摩擦型连接高强度螺栓抗拉承载力设计值:（1）高强度螺栓摩擦型连接（2）高强度螺栓承压型连接（同普通螺栓计算方法一样）3.同时承受剪力和拉力连接尽管当Nt≤P

时，栓杆的预拉力变化不大，但由于随Nt的增大而减小，且随Nt的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。实验结果表明，外加剪力和拉力与高强螺栓的受拉、受剪承载力设计值之间为线性关系，故规范规定在V和N共同作用下应满足下式：（1）高强度螺栓摩擦型连接（2）高强度螺栓承压型连接（同普通螺栓计算方法一样）1.受剪连接承载力2.受拉连接承载力3.同时受拉和受剪连接承载力总结：高强度螺栓摩擦型连接1.受剪连接承载力受剪承载力：承压承载力：2.受拉连接承载力总结：高强度螺栓承压型连接3.同时承受剪力和拉力连接的承载力

系数1.2是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。图5.2.3摩擦型高强螺栓孔前传力对于高强螺栓的摩擦型连接，可以认为连接传力所依靠的摩擦力均匀分布于螺孔四周，故在孔前接触面已传递一半的力（50％），因此最外列螺栓处危险截面的净截面强度应按下式计算：高强度螺栓摩擦型连接的构件，除按上式验算净截面强度外，尚需按式(6.2.1)验算毛截面强度。（6.2.1）3.7.3高强螺栓群抗剪计算1.轴心受剪图

轴心受剪设一侧的螺栓数为n，平均受剪，承受外力N。轴力通过螺栓群的形心，所需螺栓数目：

分析方法和计算公式与普通螺栓似。对于摩擦型连接：对于承压型连接：图3-87摩擦型高强螺栓孔前传力对于高强螺栓的摩擦型连接，可以认为连接传力所依靠的摩擦力均匀分布于螺孔四周，故在孔前接触面已传递一半的力（50％），因此最外列螺栓处危险截面的净截面强度应按下式计算：高强度螺栓摩擦型连接的构件，除按上式验算净截面强度外，尚需按式(3-54)验算毛截面强度。（3-54）（3-53）2.扭矩作用及剪力，轴力，扭矩共同作用下受剪在扭矩或扭矩和剪力共同作用时的抗剪计算方法与普通螺栓群相同，但应该采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。1.轴心受拉对于摩擦型连接：高强度螺栓连接所需的螺栓数目：对于承压型连接：2.弯矩作用受拉由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力P，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认为是一个整体,所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。3.7.4高强螺栓群抗拉计算MM1234y1y2N1N2N3N4受压区中和轴由力学知识可得：因此，设计时只要满足下式即可：3.拉力、弯矩和剪力共同作用1号螺栓受到最大拉力，应满足：（1）摩擦型连接的计算MNV1234M=N·eNy1y2N1N2N3N4中和轴M作用下N作用下VV作用下承受剪力和拉力作用时，应满足：(2)承压型连接的计算同时承受拉－剪作用的承压型连接高强度螺栓的承载力设计值与普通螺栓计算相同，分螺栓杆受剪受拉和孔壁承压两部分。应满足：

Nv、Nt——最危险螺栓受到的剪力、拉力。

Nvb