第5章钢结构的紧固件连接.ppt

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1、第5章 钢结构的紧固件连接,钢结构-原理与设计,同济大学 建筑工程系 沈德洪,5.1.2 螺栓连接,1. 普通螺栓连接,2. 高强度螺栓连接,高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的合称。,由45号、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成。,45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓,（a）大六角头螺栓,（b）扭剪型螺栓,高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较,铆钉连接及特点,铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达到紧固。,目前承重钢结构连接中已很少应用。,主要连接方法及

2、优缺点,5.5 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d24mm, l150mm的螺栓，B级用于d24mm, l150mm 螺栓。,常用螺栓直径为d=16，20，24mm，用M表示，如M16。,螺栓符号,螺栓孔为d0=d+1.53mm M12、 M16大1.5mm， M18、 M20 、 M22 、M24大2mm， M27、 M30大3mm,5.5.1 螺栓的排列和构造要求,螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列的方式有并列排列和错列排列两种。,图3.5.1 螺栓的排列方式,1.螺栓的排列,并列比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于

3、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,中心距太大,（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。,根据规范规定（P86表3.5.1）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。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。,为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓；,2.螺栓的其它构造要求,直接承受动荷载的

4、普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；,C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接： 承受静载或间接动载的次要连接； 承受静载的可拆卸结构连接； 临时固定构件的安装连接。,沿杆轴方向受拉螺栓连接的端板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。,5.5.2 普通螺栓的受剪连接,螺栓连接的受力形式分为：只受剪力，只受拉力。有时受剪力和拉力的共同作用。,A 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,对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移与作用力N的关

5、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,(1) 摩擦传力的弹性阶段(01段) 直线段连接处于弹性状态； 该阶段较短摩擦力较小。,(2) 滑移阶段(12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。,(3) 栓杆传力的弹性阶段(23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-关系以曲线状态上升。,(4) 弹塑性阶段(34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

6、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 。,2.受剪螺栓的破坏形式,a)、b)、c)通过计算解决,d)、e) 通过构造解决,单个剪力螺栓的设计承载力：,受剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,3.单个普通螺栓的受剪计算,剪力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:,（3.5.1）,（3.5.2）,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,验算：,受剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,

7、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。,当l115d0(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。,4.普通螺栓群抗剪连接计算,（1）普通螺栓群轴心受剪计算,当连接长度l115d0(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。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。,因此规范采用承载力折减系数考虑螺栓群受力不均。,（2）普通螺栓群偏心受剪,F作用下每个螺栓受力：,基本假设 连接件绝对刚性, 螺栓弹性； T作用下连接板件绕栓群形心转动，各

8、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。,V=F T=Fe,（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：,螺栓1离形心最远是危险螺栓,最大剪力N1T:,将N1T它分解为水平和竖直分力：,（3.5.8）,( 3.5.7),验算剪力最大螺栓:,（3.5.9）,此时计算F作用下的螺栓内力时，不需考虑长接头的折减系数,（3.5.10）,（3.5.10）,5.5.3 普通螺栓的受拉连接,1.普通螺栓受拉的工作性能,b) 试验证明影响撬力

9、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3.5.6 受拉螺栓的撬力,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。,2.单个普通螺栓受拉承载力,（3.5.11）,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9.2

10、 (P455) ftb 螺栓的抗拉强度设计值。 ftb 0.8f,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设计值：,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径de而不是净直径dn，现行国家标准取：,轴心受力构件采用螺栓连接时按最危险的净截面计算。,t2t1,螺栓并列布置按最危险的正交截面（）计算：,螺栓错列布置可能沿正交截面（）破坏，也可能沿齿状截面（ ）破坏，取截面的较小面积计算：,（1）栓群轴心受拉,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：,（ 3.5.13）,（3.5.11）,3. 普通螺栓群受拉,(2）栓

11、群承受弯矩作用,M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； 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。,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：,螺栓i 的拉力:,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,图3.5.10 螺栓群偏心受拉,(3）栓群偏心受拉,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：,（3.5.15a）,（3.5.15b）,当 N

12、min0 ，e 则表示所有螺栓受拉，螺栓群绕形心轴旋转。,螺栓有效截面组成的核心矩,大偏心受拉 当Nmin ，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：,5.5.4 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：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。,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

13、：,（3.5.17）,（3.5.18）,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。,例5.7 验算如图所示，普通螺栓连接。N=349.5kN， M=17.475kN.m。M22，B级，钢材Q235。,单个螺栓抗拉承载力,【解】,强度验算,先假设小偏心，以众栓形心计,例5.8 验算如图所示，普通螺栓连接。V=233kN， N=349.5kN， M=17.475kNm。M22，B级，钢材Q235。,单个螺栓抗拉承载力,【解】,强度验算,先假设小偏心，以众栓形心计,例5.10 验

14、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4.6级，M22，孔径24mm。,计算模型可为（a图）或（b图）。 a图弯曲转动中心在螺栓群的形心处称小偏心； b图弯曲转动中心在端板上1号螺栓处，称大偏心。,计算,1.内力计算 N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN-cm,2. 单个螺栓的抗拉承载力：,查P383附表1.4，ftb=170N/mm2 查P455附表9.2，Ae=303mm2 （M22螺栓有效截面面积）,3. 计算危险螺栓拉力 设每排螺栓有两列，m=2 一共6排螺栓，螺栓总数12，n=12,判断大小偏心：,此连接属大偏心受拉， 构件应绕顶排螺栓转动。

15、,满足,例5.11 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=1003/5=60kN V=1004/5=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。,计算,Nv=V/n=80/4=20kN Nt=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,Nv=20kN Ncb =2020305 10-3=122kN,满足设计要求,Ntb=Aeftb=244.8170 10-3=41.6kN Nvb=nv(d2/4) fvb =13.

16、14202/413010-3=31.9kN,5.6 高强度螺栓连接的构造和计算,5.6.1 高强度螺栓的工作性能和构造要求,按材料分类,按受力特征分类,1.高强度螺栓连接工作性能,1) 抗剪连接工作性能,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。,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

17、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。,2）高强度螺栓的抗拉工作性能,图3.6.1 高强度螺栓受拉,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)。,300 250 200 150 100 50 0,50 100 150 200 250 300,Pf(kN),Nu,Nu,Nt (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

18、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： Nt0.5P时，橇力Q=0； Nt0.5P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Nt0.5P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0.5 P,（1）高强度螺栓预拉力的建立方法,2.高强度螺栓连接的构造要求, 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、

19、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120o180o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。, 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。,高强度螺栓的施工要求： 由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格： 终拧力矩偏差不应大于10%； 如发

20、现欠、漏和超拧螺栓应更换； 拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。 如工字型梁为：上翼缘下翼缘腹板。,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,（2）高强度螺栓预拉力的确定,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。,表5.6.1 高强螺栓的预拉力P (GB 50017),

21、表3.6.2 高强度螺栓的预拉力P (GB 50018),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 ；,（3）高强度螺栓摩擦面抗滑移系数,表5.6.3 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。,5.6.2 高强度螺栓摩擦型连接计算,1.受剪连接承载力,一个摩擦型连接高强度螺栓抗剪承载力设计值:,0.9

22、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.,2.受拉连接承载力,单个摩擦型连接高强度螺栓抗拉承载力设计值:,3.同时承受剪力和拉力连接的承载力,尽管当NtP 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：,5.6.3 高强度螺栓承压型连接计算,1.受剪连接承载力,高强度螺栓承压型连接的计算方法与普通螺栓连接相似。,受剪承载力：,单栓抗剪承载力：,承压承载

23、力：,承压型连接高强螺栓，Ntb应按普通螺栓的公式计算。但抗拉强度设计值不同，取 ftb= 0.48fub。,2.受拉连接承载力,（3.5.11）,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）,为了防止孔壁的承压破坏，应满足：,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。,3.同时承受剪力和拉力连接的

24、承载力,对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同。,5.6.4 高强螺栓群连接的计算,（1）轴心受剪,图3.6.3 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：,Nbmin相应连接类型单个高强螺栓抗剪承载力设计值。,分析方法和计算公式与普通螺栓似。,1.高强度螺栓群受剪,对于摩擦型连接：,对于承压型连接：,计算时需考虑连接长度的影响,（2）高强度螺栓群非轴心受剪,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。,2.高强度螺栓群受拉,（1）轴心受拉,高强度螺栓连接所需的

25、螺栓数目：,（2）高强度螺栓群受弯矩作用,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。,由力学知识可得：,因此，设计时只要满足下式即可：,（3）高强度螺栓群偏心受拉,偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于0.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可采用叠加法计算:,3.高强度螺栓群承受拉力、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,承受剪力和拉力作用时，应满足：,(3.6.11)

26、,将Nbv=0.9nfP 和Nt0.8P带入上式得：,可改写为：,(3.6.12),在弯矩和拉力共同作用下，高强螺栓群中的拉力各不相同，即：,当Nti 0时， 取Nti 0。,则剪力V作用下，螺栓群抗剪计算按下式：,(3.6.13),在式（3.6.13）中，只考虑螺栓拉力对抗剪承载力的不利影响，未考虑受压区板层间压力增加的有利作用，故按该式计算的结果是略偏安全的。,如果验算受剪力最大的1号螺栓，可简化计算：,更保守，但计算简单。,或,(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：,（3.6.7）,（3.6.8）,Nv、Nt最危险螺栓受到的剪力、拉力。 Nvb 、Ncb 、Ntb一个承压型高强螺栓的抗剪、承压、抗拉承载力设计值。,1.2为受拉时孔壁承压强度降低系数。,Thank You !,