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1、钢结构设计原理,3.7螺栓和铆钉连接的排列和构造要求,3.7.1 螺栓和铆钉的排列 分为并列和错列两种形式。并列比较简单整齐，布置紧凑，连接板尺寸小，螺栓孔对构件截面削弱较大。错列可以减小对截面的削弱，但螺栓排列松散，连接板尺寸较大。,螺栓和铆钉在构件上的排列应考虑以下要求： 受力要求 垂直于受力方向：受拉构件各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，钢板截面削弱过多，降低其承载能力。在顺力作用方向：端距应按被连接件材料的抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以使钢板在端部不致被螺栓冲剪破坏，端距不应小于2d0；中距不宜过大，否则被连接板件间容易发生鼓曲现象。 构造要求 中距及边距
2、不宜过大，否则连接板件间不能紧密贴合，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。 施工要求 保证一定空间，便于打锚和采用扳手拧紧螺帽。根据扳手尺寸和工人的施工经验、规定最小中距为3d0。 根据以上要求规范规定了螺栓和铆钉的容许距离。,3.8.1 普通螺栓的抗剪连接 1. 抗剪连接的工作性能 抗剪连接是最常见的螺栓连接。抗剪试验可得试件上a、b两点间的相对位移与作用力N的关系曲线。试件由零载一直加载至连接破坏的全过程，经历三个阶段。,3.8 普通螺栓连接的工作性能和计算,(1)弹性阶段 O1斜直线段：加荷之初，连接中剪力较小，荷载靠板件间接触面的摩擦力传递，螺栓杆与孔壁间的间隙保持不变，处于弹性阶段，板件间摩擦力
3、大小取决于拧紧螺帽时螺杆中的初始拉力，普通螺栓的初应力很小。此阶段很短，可略去不计。 (2)相对滑移阶段 12水平线段：荷载增大，剪力达到摩擦力最大值，板件间产生相对滑移，其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙，直至螺栓杆与孔壁接触。,(3)弹塑性阶段 荷载继续增加，连接所承受的外力主要靠螺栓与孔壁接触传递。螺栓杆除主要受剪力外，还承受弯矩和轴向拉力，孔壁受到挤压。螺杆的伸长受到螺帽的约束，增大了板件间的压紧力，使板件间的摩擦力随之增大，所以曲线呈上升状态。达到“3”点时，螺栓或连接板达到弹性极限。 荷载继续增加，此阶段即使给荷载很小的增量，连接的剪切变形也迅速加大，直到连接的最后破坏。曲线的最
4、高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓连接的极限荷载。,螺栓抗剪连接达到极限承载力时，可能的破坏形式： 栓杆直径较小时，栓杆可能先被剪断； 栓杆直径较大、板件较薄时，板件可能先被挤坏，栓杆和板件的挤压是相对的，也把这种破坏叫做螺栓承压破坏； 板件截面可能因螺栓孔消弱截面太多而被拉断； 端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏。,第种破坏形式属于构件的强度计算；第种破坏形式由螺栓端距2d0来保证。因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑第、种破破形式。,2. 一个普通螺栓的抗剪承载力 普通螺栓连接的抗剪承载力，应考虑螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况。 假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个抗剪螺栓的抗剪承载
5、力设计值为 nv受剪面数目，单剪nv=1，双剪nv=2，四剪nv =4；d螺栓杆直径(螺栓的公称直径)； 螺栓抗剪强度设计值。,螺栓的实际承压应力分布情况难以确定，简化计算，假定螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上，且假定该承压面上的应力为均匀分布，则一个抗剪螺栓的承压承载力设计值式为 在同一受力方向的承压构件的较小总厚度； 螺栓承压强度设计值。,3.轴心剪力作用的普通螺栓群计算 试验表明，螺栓群承受轴心剪力时，螺栓群在长度方向各螺栓受力不均匀，两端大，中间小。当沿受力方向的连接长度l115d0时，连接工作进入弹塑性阶段后，内力发生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐渐均匀，故可认为轴心力N由每个螺栓平均
6、分担，螺栓数n,一个螺栓抗剪承载力设计值与承压承载力设计值的 较小值,当l1l5d0时，连接工作进入弹塑性阶段后，各螺杆所受内力不易均匀，端部螺栓首先达到极限强度而破坏，随后由外向里依次破坏。为防止端部螺栓提前破坏，因此，当l1l5d0 时，螺栓的抗剪和承压承载力设计值应乘以折减系数予以降低： l160d0时，=0.7。 则所需抗剪螺栓数为 构件截面验算,板件 1-1截面 N 2-2截面 3-3截面 1-1截面受力最大 拼接板 3-3截面受力最大 错列螺栓排列，需验算正交截面和折线截面的强度,4扭矩作用的普通螺栓群计算 首先布置螺栓，然后计算受力最大螺栓所承受的剪力，再和 进行比较。 螺栓群在
7、扭矩作用下，每个螺栓均受剪,假设： (1)被连接板件为绝对刚性时，螺栓为弹性的； (2)被连接板件绕螺栓群形心旋转，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，其方向与连线该螺栓至形心垂直。,5.扭矩、剪力和轴心力共同作用的普通螺栓群计算 先布置螺栓，再进行验算。,3.8.2 普通螺栓的抗拉连接 1. 一个普通螺拴的抗拉承载力 受拉连接中，螺栓所受的拉力和垂直连接件的刚度有关。螺栓受拉时，通常不可能使拉力正作用在螺栓轴线上，通过与螺杆垂直的板件传递。如连接件的刚度较小，受力后连接件会变形，形成杠杆作用，螺栓有被撬开的趋势，使螺杆中的拉力增加并产生弯曲现象。考虑杠杆作用时，螺杆的轴心力为：
8、Nt=N+Q Q由于杠杆作用对螺栓产生的撬力。 抗拉螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断，一个抗拉螺栓的承载力设计值为：,撬力大小与连接件的刚度有关，连接件的刚度越小，撬力越大，同时撬力也与螺栓直径和螺栓所在位置等因素有关。确定撬力比较复杂，为了简化，规定普通螺栓抗拉强度设计值取为螺栓钢材抗拉强度设计值的0.8倍，以考虑撬力的影响。 此外，在构造上也可采取一些措施加强连接件的刚度，如设置加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。,2、 轴心拉力作用的普通螺栓群计算 螺栓群在轴心力作用下的抗拉连接，通常假定每个螺栓平均受力，则连接所需螺栓数为：,3.弯矩作用的普通螺栓群计算 剪力V通过承托板传递。离中和轴越
9、远螺栓受拉力越大，压应力由弯矩指向一侧的部分端板承受，设中和轴至端板受压边缘的距离为c。受拉螺栓截面是孤立的几个螺栓点；端板受压区则是宽度较大的实体矩形截面。计算形心位置作为中和轴时，所求得的端板受压区高度c总是很小，中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位置。实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓O处，即认为连接变形为绕O处水平轴转动，螺栓拉力与O点算起的纵坐标y成正比。偏安全忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩,4、弯矩和拉力共同作用的普通螺栓群计算 螺栓群承受轴心拉力N和弯矩MNe的共同作用。按弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。,小偏心受拉：所有螺
10、栓均承受拉力作用，轴心力由各螺栓均匀承受；弯矩则引起以螺栓群形心O处水平轴为中和轴的三角形应力分布，使上部螺栓受拉，下部螺栓受压；叠加后全部螺栓均为受拉。可得最大和最小受力螺栓的拉力，各y均自O点算起：,Nmin0时的偏心距,(2)大偏心受拉 时，端板底部将出现受压区。偏安全取中和轴位于最下排螺栓O处，e和各y自O点算起，最上排螺栓1的拉力最大：,3.8.3普通螺栓连接受剪力和拉力的共同作用 承受剪力和拉力共同作用的普通螺栓应考虑两种可能的破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏；二是孔壁承压破坏。 根据试验，兼受剪力和拉力的螺杆，无量纲化后的相关关系近似为一圆曲线，螺杆计算式为,孔壁承压的计算式为,3.
11、9高强度螺栓连接的工作性能和计算,3.9.1高强度螺栓连接的工作性能 高强度螺栓连接和普通螺栓连接的区别：普通螺栓连接受剪时依靠栓杆承压和抗剪传递剪力，预拉力很小，可略去不计， 高强螺栓除材料强度高外，施加很大的预拉力，板件间存在很大的摩擦力。预拉力、抗滑移系数和钢材种类等都直接影响高强度螺栓连接的承载力。 高强度螺栓连接按分为摩擦型连接和承压型连接。 摩擦型连接依靠被连接件之间的摩擦阻力传递剪力，以剪力等于摩擦力作为承载能力的极限状态。,1.高强度螺栓的预拉力 （1）预拉力的控制方法 大六角头型和扭剪型两种，都是通过拧紧螺帽使螺杆受到拉伸产生预拉力，使被连接板件间产生压紧力。 大六角头螺栓的
12、预拉力控制方法： 力矩法 采用可直接显示钮矩的特定扭矩扳手。目前多采用电动钮矩扳手。通过控制拧紧力矩来实现控制预拉力。拧紧力矩可由试验确定，施工时控制的预拉力为设计预拉力的1.1倍。,为了克服板件和垫圈等变形，基本消除板件间的间隙，使拧紧力矩系数有较好的线性度，提高施工控制预拉力值的准确度，应先按拧紧力矩的50进行初拧，然后按100拧紧力矩进行终拧。大型节点在初拧后，还应按初拧力矩进行复拧，然后再行终拧。 优点：较简单、易实施、费用少，但由于连接件和被连接件的表面质量和拧紧速度的差异，测得的预拉力值误差大且分散，一般误差为25。 转角法 先普通扳手进行初拧，被连接板件相互紧密贴合，再以初拧位置
13、为起点，按终拧角度，用长扳手或风动扳手旋转螺母。 扭剪型高强度螺栓具有强度高、安装简便和质量易于保证、可以单面拧紧、对操作人员没有特殊要求等优点。与普通大六角型高强度螺栓不同。螺栓头为盘头，螺纹段端部有一个承受拧紧反力矩的十二角体和一个能在规定力矩下剪断的断颈槽。,（2）预拉力的确定 预拉力设计值P（取5kN的整数倍）,Ae螺栓螺纹处的有效面积；fu螺栓经热处理后的最低抗拉强度8.8级fu 830MPa；10.9级fu 1040MPa。 系数考虑了以下几个因素： 拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由扭矩引起的剪应力作用。试验表明可取系数1.2考虑扭矩对螺杆的不利影响。 施工时为了弥补
14、高强度螺栓预拉力的松弛损失，一般超张拉510，为此考虑一个超张拉系数0.9。 考虑螺栓材质的不均匀性，引进一折减系数0.9； 由于以螺栓的抗拉强度为准，为安全再引入一个附加安全系数0.9。,2. 抗滑移系数 抗滑移系数的大小与构件接触面的处理方法和构件的钢号有关。此系数值随被连接构件接触面间的压紧力减小而降低，故与物理学中的摩擦系数有区别。 推荐采用的接触面处理方法有：喷砂、喷砂后涂无机富锌漆、喷砂后生赤锈和钢丝刷消除浮锈或未经处理的干净轧制表面等，各种处理方法相应的值详见表3.9。 钢材表面经喷砂除锈后，表面看来光滑平整，实际上金属表面尚存在着微观的凹凸不平，高强度螺栓连接在很高的压紧力作用
15、下，被连接构件表面相互啮合，钢材强度和硬度愈高，要使这种啮合的面产生滑移的力就愈大，因此，值与钢种有关。 试验证明，摩擦面涂红丹后0.15，即使经处理后仍然很低，故严禁在摩擦面上涂刷红丹。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。,3.9.2 一个高强度螺栓的抗剪承载力 1.摩擦型连接 高强度螺栓拧紧时，螺杆中产生很大的预拉力，被连接板件间则产生很大的预压力。连接受力后接触面上的摩擦力，能在相当大的荷载下阻止板件间的相对滑移，因而弹性工作阶段较长。当外力超过了板间摩擦力后，板件间即产生相对滑动。摩擦型连接是以板件间出现滑动为抗剪承载力极限状态。 摩擦型
16、连接的承载力取决于构件接触面的摩擦力，此摩擦力的大小与螺栓所受预拉力和摩擦面的抗滑移系数以及连接的传力摩擦面数有关。一个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：,2.承压型连接 承压型连接受剪时，允许接触面滑动并以连接达到破坏的极限状态作为设计准则，接触面的摩擦力只起延缓滑动的作用。连接达到极限承载力时，螺杆伸长，预拉力几乎全部消失，故高强度螺栓承压型连接的计算方法与普通螺栓连接相同 只是应采用高强度螺栓的强度设计值。当剪切面在螺纹处时，高强度螺栓承压型连接的抗剪承载力应按螺纹处的有效截面计算。但对于普通螺栓，其抗剪强度设计值是根据连接的试验数据统计而定的，试验时不分剪切面是否在螺纹处，故计
17、算抗剪强度设计值时用公称直径。,3.9.3一个高强度螺栓的抗拉承载力,1.摩擦型连接 未受拉力前，螺杆中有预拉力P，板层间有压力C，P与C平衡，PC。螺栓受拉力Nt，栓杆被拉长，栓杆伸长t，此时螺杆中拉力由P增加到Pf，由于栓杆拉长，使板件相应地有一个压缩恢复量c，板件中的承压力就由原来的C降为Cf,作用于螺栓的外拉力不超过P时，螺杆内的拉力增加很少，可认为此时螺杆的预拉力基本不变。同时螺栓的超张拉试验表明，当外拉力过大时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。但当外拉力小于螺杆预拉力的80时，即无松弛现象发生。因此，抗拉承载力设计值取为： 上式没有考虑连接变形产生撬力的影响，可采用增设
18、加劲肋的办法增大连接的刚度。 2.承压型连接 同普通螺栓。,3.9.4高强度螺栓同时承受剪力和拉力的计算,1.摩擦型连接 当Nt0.8P时，虽然螺杆中的预拉力P基本不变，但板层间压力将减小到PNt，试验研究表明，接触面的抗滑移系数也有所降低，且值随Nt的增大而减小。将Nt乘以1.125的系数来考虑值降低的不利影响，故一个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时,2.承压型连接 同时承受剪力和杆轴方向拉力的高强度螺栓承压型连接的计算方法与普通螺栓相同,剪应力单独作用下，高强度螺栓对板层间产生强大压紧力。当摩擦力被克服，螺杆与孔壁接触时，板件孔前区形成三向应力场，因而承压型连接高强度螺栓的承压强度比普通螺
19、栓高得多，两者相差约50。当承压型连接高强度螺栓受有杆轴拉力时，板层间的压紧力随外拉力的增加而减小，因而其承压强度设计值也随之降低。为了计算简便，将承压强度除以1.2予以降低，而末考虑承压强度设计值变化幅度随外拉力大小而变化这一因素。,3.9.5 高强度螺栓群的连接计算,1. 高强度螺栓群的抗剪计算 （1）轴心力作用时 （2）扭矩或扭矩、剪力共同作用时 方法与普通螺栓群相同，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。 2. 高强度螺栓群的抗拉计算 （1）轴心力作用时 （2）弯矩作用时 高强度螺栓连接受弯矩而使螺栓沿栓杆方向受力时，被连接构件的接触面一直保持紧密贴合，可认为中和轴在螺栓群的形心轴上
20、，最外排螺栓受力最大。,(3)偏心拉力作用时 螺栓的最大拉力不得超过0.8P，能够保证板层之间始终保持紧密贴合，端板不会拉开，故摩擦型连接和承压型连接均可按普通螺栓小偏心受拉计算,(4)拉力、弯矩和剪力共同作用时 连接板层间的压紧力和接触面的抗滑移系数，随外拉力的增加而减小。摩擦型连接高强度螺栓承受剪力和拉力共同作用时,每行螺栓所受拉力Nt各不相同，故应按下式计算摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力 Vn0(0.9 nfP)+0.9nf(P-1.25Nt1)+ (P-1.25Nt2)+ n0受压区(包括中和轴处)的高强度螺栓数； Nt1、Nt2受拉区高强度螺栓所承受的拉力。 也可将上式写成下列形式： V0.9nf(nP-1.25Nti) n连接的螺栓总数；Nti螺栓承受拉力的总和。 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。 此外，螺栓最大拉力应满足： Nti0.8P 对承压型连接高强度螺栓，应按表3.10中的相应公式计算螺栓杆的抗拉抗剪强度。,