5紧固件连接钢结构.

钢结构——原理与设计第5章钢结构的紧固件连接第5章钢结构的螺栓连接主要内容：螺栓的种类和螺栓孔类别螺栓的排列普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的工作性能普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算高强度螺栓摩擦型连接的计算重点：普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算高强度螺栓摩擦型连接的计算销钉连接紧固件连接包括螺栓、铆钉、销钉等连接，目前后二者已不在新建钢结构上使用。铆钉连接螺栓连接一、螺栓的种类（P101）1.普通螺栓产品等级：A、B级（精制）、C级（粗制）；栓孔：A、B级采用Ⅰ类孔，C级采用Ⅱ类孔；建筑钢结构中主要采用C级，性能等级：4.6级和4.8级；4.6级表示抗拉强度不小于400N/mm2，屈强比0.6，屈服点不小于240N/mm2制作材料：C级螺栓可采用Q235钢。2.高强度螺栓性能等级：10.9级和8.8级；栓孔：Ⅱ类孔，钻成孔(不能冲成孔)；制作材料：高强度钢。二、螺栓孔的类别（P102）1.Ⅰ类孔在装配好的构件上按设计孔径钻成；在单个构件上分别用钻模按设计孔径钻成；在单个的构件上先钻成或冲成较小孔径，装配好后再扩钻至设计孔径；2.Ⅱ类孔在单个的构件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径类别加工精度抗剪性能成本使用范围精制(A、B)级高，栓径与孔径之差为0.3～0.5mm，I类孔高高1）构件精度很高的结构，机械结构；2）连接点仅用一个螺栓或有模具套钻的多个螺栓连接的可调节杆件（柔性杆）粗制(C级)较低，栓径与孔径之差为1.0～1.5mm，Ⅱ类孔较低低1）抗拉连接；2）静力荷载下抗剪连接；3）加防松措施后受风振作用抗剪；4）可拆卸连接；5）安装螺栓；6）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用普通螺栓特点其中A级公称孔径d≤24mm，螺杆公称长度l≤150mm与10d中的较小值。其余为B级三、螺栓连接的种类（P103）1.普通螺栓（图5.1,5.9）抗剪螺栓连接依靠螺杆受剪和孔壁承压来承受荷载抗拉螺栓连接依靠沿螺杆轴向受拉来承受荷载同时承受剪拉的螺栓连接孔壁承压螺杆受剪螺帽NNN2N2N(a)(b)螺栓抗剪连接（a）单剪搭接连接（b）双剪对接连接螺栓抗拉连接2.高强度螺栓（P103）摩擦型连接（图5.2）•在受到如图5.2所示荷载时，是依靠连接板件间的摩擦力来承受荷载；•高强度螺栓摩擦型连接以板件间的摩擦力刚要被克服作为承载能力极限状态；•连接中的螺栓孔壁不承压，螺杆不受剪。为了便于安装，采用Ⅱ类孔；孔径比杆径大1.5-2mm•变形小，连接紧密，耐疲劳，易安装，可拆换，在动力荷载作用下不易松动；•在重要连接中已广泛应用。摩擦力螺栓中预拉力板叠中预压力N2N2N图5.2高强度螺栓摩擦型连接承压型连接•对螺栓材质、预拉力大小和施工安装等的要求与摩擦型的完全相同；•以摩擦力被克服、节点板件发生相对滑移后孔壁承压和螺栓受剪破坏作为承载能力极限状态；•承载能力高于高强度螺栓摩擦型连接，可节省连接材料；•在摩擦力被克服后将产生一定的滑移变形，因而其应用受到限制；•采用Ⅱ类孔，孔径比杆径大1.0-1.5mm•目前应用还不多，设计规范规定它只能用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构中。2.高强度螺栓5.2螺栓的排列5.2.1螺栓排列方式钢板和角钢上的螺栓排列并列错列螺栓距p端距a边距c螺栓距、螺栓线距、端距、边距的最大和最小允许距离（P105表5.1）边距c5.2螺栓排列（P104、105）一、钢板板叠上排列螺栓的要求螺栓线距g二、热轧型钢上排列螺栓的要求（P106-107）b＜125mm仅可设单排孔g、最大开孔直径与b相关p≥3d0，a≥3d0gbbba3×p=3pa3×p=3pg1g2g1g2ab≥125mm可双排交错排孔g1、g2和最大开孔直径与b相关p≥3d0，a≥2d0b≥140mm可双排并列排孔g1、g2和最大开孔直径与b相关p≥3d0，a≥2d0emincmincmineminhmaxhmax工字钢或槽钢的翼缘和腹板上的最大开孔直径以及图中emin、cmin和hmax均与它们的型号相关。5.3普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的工作性能（P107）按受力性能分为：抗剪螺栓和抗拉螺栓。在计算中不考虑摩擦力的存在抗剪螺栓靠孔壁承压、螺杆抗剪传力，抗拉螺栓靠螺栓受拉传力，有时普通螺栓同时受剪、受拉。NNN抗剪螺栓抗拉螺栓抗剪螺栓受力状态：弹性时两端大而中间小，进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。螺栓受剪力状态（a）受剪螺栓；（b）弹性阶段受力状态；（b）塑性阶段受力状态一、抗剪螺栓连接螺栓破坏形式(P108)1.螺栓剪断2.钢板孔壁承压破坏3.钢板因螺孔端距太小而剪坏4.钢板由于螺孔消弱净截面导致板件拉坏1螺栓杆剪断2孔壁承压破坏3端部受剪撕裂4钢板拉坏一、抗剪螺栓连接螺栓破坏形式(P108)5.螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏6.块状拉剪破坏（P108，图5.8）5螺栓弯曲变形(∑t≤5d以避免)NN6块状拉剪破坏在普通螺栓和承压型高强度螺栓抗剪连接中需进行计算的主要三项（P107）1.保证螺杆不剪断2.保证孔壁不因承压而破坏3.要求构件具有足够的净截面积，不使板件拉断。二、抗拉螺栓连接1.破坏形式：螺栓杆拉断2.撬力的影响（P109图5.9）抗拉螺栓连接总是通过T形连接件传力，螺栓杆沿其轴线承受拉力。连接不当时，由杠杆作用使翼缘端部将产生撬力Q，导致螺栓实际拉力N(=F+Q)大于所受荷载F。为了减少撬力影响，可以通过设置加劲肋等方式增加连接件的刚度。计算中并不具体计算撬力，而是通过螺栓轴心受拉强度折减，即取设计值的0.8倍来予以考虑,即ftb=0.8f。5.4普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算（P109）主要内容一、单个螺栓的承载力设计值计算(P109-110)二、轴心力作用下螺栓群的抗剪连接计算(P111)三、偏心力作用下螺栓群的抗剪连接计算（P116）（需验算是否满足强度条件式P117，5.8）四、轴心力作用下螺栓群的抗拉连接计算（P121）五、弯矩作用下螺栓群的抗拉连接计算（P122-123）六、剪力与弯矩同时作用下螺栓群的连接计算（P125）（需验算是否满足强度条件式P125，5.21）七、偏心拉力作用下普通螺栓群的计算（P128）5.4普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算（P109）螺栓连接的计算通常按下列步骤：（1）计算单个螺栓的承载力设计值。（2）按受力情况确定所需螺栓数量（3）按构造要求排列需要的螺栓.（4）验算净截面强度、验算复杂应力是否满足强度条件式。在受力较复杂的螺栓连接中，也可先假定需要的螺栓数进行排列后验算受力最大的螺栓是否小于其承载力设计值；相差过大时，重新假定螺栓数进行排列和复算。单个螺栓的承载力设计值的方法，适用于普通螺栓连接和高强度螺栓的承压型连接。一、单个螺栓的承载力设计值计算(P109-110)(1).抗剪螺栓承载力设计值(P109)单个螺栓的承载力设计值的方法，适用于普通螺栓连接和高强度螺栓的承压型连接。•螺杆抗剪承载力设计值：2bbvvv4dNnf•孔壁承压承载力设计值：抗剪螺栓连接bbccNdtfnv为受剪面数目v1nv2nv?nΣt为在同一受力方向承压的构件较小总厚度一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值。bbvc,ff(P524表1.3)1）普通螺栓受剪面处有可能遇有螺纹，也可能无螺纹我国设计规范中规定：对高强度螺栓承压型连接，当剪切面处于螺纹处时应按螺纹处的有效截面积进行计算；但对普通螺栓，不论剪切面是否处在螺纹处，一律以螺杆杆身的截面积进行计算。2）螺栓的承压面积事实上为半个圆柱面面积按假定承压应力均布在通过螺栓直径的截面dt上来计算。因为承压设计值是按假定截面积=dt计算的。问题讨论（P110）tddd3）复杂情况下的∑t，nv取值问题（P111）t1N/2N/2N/3N/3ddet1t1t2t2N/31222bbbvvv433344NNNndddfff较复杂的螺栓连接时，剪切面数nv究竟是几个，Σt取多大，应通过分析确定，不能硬套公式。如图：板1与板2间剪切面需传递荷载N/3，板2与板3间剪切面只传递荷载N/6。因而从螺杆受剪强度来计算所需螺栓数目n1时，宜按最大受剪面的荷载由下式得出（1个剪切面）：如简单取剪切面数nv＝4，则得：21222bbbvvvv444NNNnndddfnff板1板2板3(2).抗拉螺栓承载力设计值(P111)2bbett4dNfde为螺栓在螺纹处的有效直径，较螺杆直径为小但大于螺纹根部直径，其大小与螺距有关，按螺栓的国家标准确定（P525，表1.4）。螺栓直径d（mm）螺距p（mm）螺栓有效直径de（mm）螺栓有效面积Ae（mm2）161820222422.52.52.5314.123615.654517.654519.654521.1854156.7192.5244.8303.4352.5btf(P524表1.3)二、轴心力作用下螺栓群的抗剪连接计算(P111)1.初定螺栓数和排列螺栓：(P111，112)当外力作用线通过螺栓群的形心，其抗剪连接计算中常假定各螺栓平均受力，则所需螺栓的个数n：排列螺栓时应注意：要使所连接构件的截面削弱为最少，要使连接长度为最短，以节省钢材。b/nNNn取整数，不宜少于2个Nb取Ncb和Nvb中较小者｛端距a≥2d0，螺栓距p≥2d0，边距c≥1.5d0，块状拉剪撕裂NNappppa10aggcclb=外力设计值/螺栓承载力设计值拼接接缝处，一般应留空隙10mm2.验算连接板件的净截面强度和块状拉剪强度(P113例)净截面面积An和受力除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截面的破坏。n/NAf3.当l115d0时，应将Nb承载力设计值乘以折减系数h(P114)NN平均值l1101.10.7150ldh则需螺栓数：bNnNh此时,即便连接进入了弹塑性阶段，各螺杆所受内力仍不易均匀，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。折减系数不适用于高强度螺栓摩擦型连接。4．螺栓数目因连接的工作情况较差而需增加：按计算增加10％的情况：(P115-116)na.借助填板或其他中间板件与另一构件连接；按计算增加50％的情况：(P116)（a）中所需6个螺栓，但连接长度太长。（b）中缩短连接长度，保留4个，其余2个螺栓则利用短角钢与节点板相连，此时可以在短角钢的外伸肢安放2个，连接肢上安放2×1.5＝3个；也可以对换布置。n1.1n1.1n1.1n1.1n填板b.搭接接头；c.用拼接板的单面连接。拼接板节点板角钢l1l1NN短角钢节点板（a）（b）螺栓抗剪承载力设计值：2bbvv2884dNfkN孔壁承压承载力设计值：bbcc97.6NdtfkNbbvcmin,88bNNNkN需要螺栓个数：/6.08bnNN取n=8=3d0=1.5d0=2d0解：P1121-1截面钢板净截面积：210(3)(200321.5)162488nAbdtmm净截面平均拉应力：21/535000/2488215/nNANmmf由于拼接板与钢板的截面积相同，故不必再验算58NN38N可钢板受力拼接板受力N38N58N1(4526521.5)8(352.50.521.5)8vNff14652535NkNkN不会发生块状拉剪破坏22215/125/vfNmmfNmm查P523表1.11163000163NNkN代入得P112解：(1)沿1-2-3-4线破坏时，穿过2个孔210(2)(240223.5)193nAbdtttmm(2)沿1-2-5-3-4线破坏时，穿过3个孔2222(402803540323.5)t184.1nAtmm184.1t193t，故断裂线为1-2-5-3-4，钢板最小净截面面积为184.1tP113解：(1)