钢结构设计-钢结构螺栓连接

项目

钢结构设计任务3：钢结构螺栓连接设计上堂课内容回忆

项目13钢结构设计1.钢结构材料；2.钢结构焊接连接设计；

3.钢结构螺栓连接设计；

4.

钢结构基本构件设计；5.钢结构屋架1.连接方法概述2.钢结构普通螺栓连接设计；3.钢结构高强螺栓连接设计。

第3讲

钢结构螺栓连接设计教学目标：重点掌握钢结构普通螺栓连接设计；掌握钢结构高强螺栓连接设计。难点钢结构普通螺栓连接设计；钢结构高强螺栓连接设计。..一、钢结构的螺栓连接方法螺栓连接普通螺栓连接高强度螺栓连接第3讲钢结构的螺栓连接设计13.3.1

概述C级B级A级精制螺栓粗制螺栓Q235钢（4.6级）（8.8级）材料性能等级45号钢35号钢Ⅰ类孔Ⅱ类孔1.5～2.0mm0.18～0.25mmⅠ类孔：连接板组装时，孔口精确对准，孔壁平滑，孔轴线与板面垂直。Ⅱ类孔：质量达不到Ⅰ类孔要求的孔粗制螺栓(C级):制作精度较差，孔径比栓杆直径大1.0～1.5mm，便于制作和安装。适用于承受拉力，而受剪性能较差。因此，它常用于承受拉力的安装螺栓连接，次要结构和可拆卸结构的抗剪连接，以及安装时的临时固定。精制螺栓(A级或B级):它的制作精度较高，孔径比栓杆直径只大0.3-0.5mm，制作和安装都较费工，价格昂贵，故钢结构中较少采用。（1)普通螺栓连接包括螺帽和垫圈均采用高强度材料制作.是现代钢结构另一种主要的连接方法。高强度螺栓分大六角头型和扭剪型两种。

安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。

（1)高强螺栓连接优点：在材料、扳手、制造和安装方面有一些特殊的技术要求，价格较贵缺点：连接紧密、受力良好、耐疲劳、可拆换、安装简单以及动力荷载作用下不易松动高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接①高强度螺栓摩擦型连接

高强螺栓的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磨擦力，外力通过摩擦力来传递。栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.5－2.0mm优点：同高强度螺栓摩擦型连接缺点：连接紧密、可拆换、安装简单高强度螺栓承压型连接

高强度螺栓摩擦型连接只利用摩擦传力这一工作阶段，以滑移作为承载能力的极限状态。

高强度螺栓承压型连接起初由摩擦传力，后期依靠栓杆抗剪和承压传力，极限状态和普通螺栓连接相同。

同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。

栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.0－1.5mm二、高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别普通螺栓连接：预拉力很小，摩擦力忽略不计，抗剪时依靠孔壁承压和栓杆抗剪来传力。高强度螺栓连接：预拉力很大，摩擦力很大，抗剪时全部或部分依靠摩擦来传力。

摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，特别适用于承受动荷载的结构。承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构中。

高强螺栓及其它螺栓的施工安装过程13.3.2

螺栓连接1.普通螺栓连接的计算和构造（1）普通螺栓连接的构造1）螺栓的规格钢结构采用的普通螺栓形式为六角头型，其代号用字母M和公称直径的毫米数表示。螺栓直径d应根据整个结构及其主要连接的尺寸和受力情况选定，受力螺栓一般采用M16、M20、M24等。

13.3钢结构连接六角头型M+公称直径M20M22螺栓的规格外六角内六角●螺栓在构件上的排列应同时考虑受力要求、构造要求及施工要求。●从受力角度出发，螺栓端距不能太小，否则孔前钢板有被剪坏的可能；螺栓端距也不能过大，螺栓端距过大不仅会造成材料的浪费，对受压构件而言还会发生压屈鼓肚现象。●从构造角度考虑，螺栓的栓距及线距不宜过大，否则被连接构件间的接触不紧密，潮气就会侵入板件间的缝隙内，造成钢板锈蚀。

●从施工角度来说，布置螺栓还应考虑拧紧螺栓时所必须的施工空隙。

3）螺栓的其他构造要求①每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性的螺栓数不宜少于两个。对组合构件的缀条，其端部连接可采用一个螺栓。②

C级螺栓宜用于沿其杆轴方向的受拉连接，在下列情况下可用于受剪连接：●承受静荷载或间接承受动荷载结构中的次要连接；●不承受动荷载的可拆卸结构的连接；●临时固定构件用的安装连接。③对直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其它能防止螺帽松动的有效措施。

（2）普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的受力形式分为三类：外力与栓杆垂直的受剪螺栓连接；外力与栓杆平行的受拉螺栓连接；同时受剪和受拉的螺栓连接。

1）受剪螺栓连接①受力特点受剪螺栓连接达到极限承载力时的五种破坏形式：

受剪破坏挤压破坏A并列边距中距端距端距螺栓的排列形式A并列：简单、整齐、紧凑，连接板尺寸小，但截面削弱大。B错列：排列不紧凑，连接板尺寸较大，但截面削弱较小。

上述第③种破坏形式由螺栓端距L1≥2d0来保证；第④种破坏属于构件的强度验算。因此，普通螺栓的受剪连接只考虑①、②两种破坏形式。（2）单个普通螺栓的受剪计算

栓杆受剪计算时，假定螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布的；孔壁承压计算时，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。受剪承载力设计值承压承载力设计值单个受剪螺栓的承载力设计值（3）普通螺栓群受剪连接计算螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算弹性阶段：各螺栓受力不相等，两端大中间小弹塑性阶段：内力发生重分布，各螺栓受力趋于均匀假定每个螺栓受力相等连接一侧所需螺栓数目规范规定：构件开孔处净截面强度验算最不利截面的选择

应对构件净截面强度进行验算。构件开孔处净截面强度应满足：

式中——连接件或构件在所验算截面处的净截面面积；

N——连接件或构件验算截面处的轴心力设计值；——钢材的抗拉（或抗压）强度设计值。

净截面强度验算截面应选择最不利截面，即内力最大或净截面面积较小的截面。净截面强度验算例13.2.1如图所示两块钢板截面为18×400，钢材Q235，承受轴心力设计值N=1000KN，采用M22普通螺栓拼接,I类螺孔，试设计此连接。（按错列I-I）2)受拉螺栓连接①受力特点

由于被连接板件的刚度常较小，受拉后和拉力垂直的角钢水平肢会发生较大的变形，因而在角钢水平肢的端部因杠杆作用而产生反力Q，普通螺栓所受拉力将会增大至Nt+Q/2。

为了简化计算，我国规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20%来考虑撬力影响。②受拉螺栓连接受轴心力作用时的计算方法

由于受拉螺栓的最不利截面在螺栓削弱处，因此，计算时应根据螺纹削弱处的有效直径de或有效面积Ae来确定其承载力。

一个受拉螺栓的承载力设计值为

式中：de、Ae——分别为螺栓螺纹处的有效直径和有效面积；

ftb——螺栓抗拉强度设计值。

假定各个螺栓所受拉力相等，则连接所需螺栓数目为:3）同时承受剪力和拉力的螺栓连接

当螺栓同时承受剪力和拉力时，连接螺栓安全工作的强度条件是连接中最危险螺栓所承受的剪力和拉力应满足下面的相关公式：【例13.2.2】试验算图13.2.3所示普通螺栓连接的强度。螺栓M20，孔径21.5mm，钢材Q235。图13.2.32.高强度螺栓连接(1)受力性能与构造要求●高强螺栓连接主要是靠被连接板件间的强大摩阻力来抵抗外力。●摩擦型高强螺栓连接单纯依靠被连接件间的摩阻力传递剪力，以摩阻力刚被克服，连接钢板间即将产生相对滑移为承载能力极限状态。●承压型高强螺栓连接的传力特征是剪力超过摩擦力时，被连接件间发生相互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，螺杆受剪，孔壁承压，以螺栓受剪或钢板承压破坏为承载能力极限状态，其破坏形式同普通螺栓连接。1)预拉力

高强螺栓的预拉力,是通过拧紧螺帽实现的。

一般采用扭矩法、转角法和扭断螺栓尾部法来控制预拉力：●扭矩法是采用可直接显示扭矩的特制板手施加扭矩至规定的扭矩值；●转角法分初拧和终拧两步。

2）摩擦面抗滑移系数

高强度螺栓连接摩擦阻力的大小与螺栓的预拉力和连接件间的摩擦面的抗滑移系数μ有关。规范规定的摩擦面抗滑移系数μ值。3）高强度螺栓的排列高强度螺栓的排列要求与普通螺栓相同。（2）摩擦型高强度螺栓连接的计算摩擦型高强螺栓连接的受力形式有受剪、受拉或同时受剪受拉几种情况。

一个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：

式中nf——一个螺栓的传力摩擦面数目；

μ——摩擦面的抗滑移系数；

P——高强度螺栓预拉力。

则高强度螺栓连接一侧所需螺栓数为

式中n——连接一侧所需螺栓数；

N——连接所受轴心拉力设计值。

由于摩擦阻力作用，一部分剪力已由第一列螺栓孔前接触面传递。图13.1.33

规范规定，孔前传力占螺栓传力的50%，那么Ⅰ-Ⅰ截面处拉力应为：

式中n1——计算截面上的螺栓数；

n——连接一侧的螺栓数。因此，摩擦型高强螺栓连接的构件净截面强度验算公式为：【例13.2.3】试设计一高强螺栓的拼接连接(图13.2.3)。连接一侧承受轴心拉力设计值N=600KN，钢板截面340mm×12mm，钢材Q235钢，采用10.9级的M22高强度螺栓，连接处构件接触面用钢丝刷清理浮锈。图13.2.3

2)同时受剪受拉的计算柱与牛腿的高强螺栓连接同时承受剪力和拉力。高强度螺栓在外力作用前，已经有很高的预拉力P，为避免拉力大于螺栓预拉力时，卸荷后产生松驰现象，应使板件接触面间始终被挤压很紧。规范规定每个摩擦型高强螺栓的抗拉设计承载力不得大于0.8P，于是，一个抗拉高强螺栓的承载力设计值为：图13.2.4高强螺栓连接承受拉力Nt后，摩擦面间的预压力从P减小到（P-Nt），此时接触面间的抗滑移系数μ也随之减小。为便于应用，仍采用原来的抗滑移系数，而以1.25Nt代替Nt。故摩擦型高强螺栓连接同时受剪受拉时，其一个螺栓的抗剪承载力设计值为式中Nt——

一个高强螺栓在杆轴方向的外拉力，其值不应大于0.8P。本节课小结：1.普通螺栓连接的概念、特点、形式2.普通螺栓连接：3.高强螺栓摩擦型连接：

一个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：

式中nf——一个螺栓的传力摩擦面数目；

μ——摩擦面的抗滑移系数；

P——高强度螺栓预拉力。

则高强度螺栓连接一侧所需螺栓数为