钢结构的螺栓连接

1钢结构的螺栓连接螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两大类。（1）普通螺栓连接普通螺栓分为A、B、C三级。A级与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。A、B级精制螺栓表面光滑，尺寸准确，对成孔质量要求高，制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用。A、B级精制螺栓的区别仅是螺栓杆长度不同。C级螺栓一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。（2）高强度螺栓连接高强度螺栓连接有摩擦型连接和承压型连接两种类型。摩擦型连接：只依靠被连接板件间强大的摩擦力传力，以摩擦力被克服作为连接承载力的极限状态。为了提高摩擦力，对被连接件的接触面应进行处理。承压型连接：允许接触面发生相对滑移，以栓杆被剪坏或被承压破坏作为连接承载力的极限状态。高强度螺栓性能等级包括8.8级和10.9两种。摩擦型连接的螺栓孔径比螺栓公称直径d大1.5-2.0mm，承压型连接的螺栓孔径比螺栓公称直径d大1.0-1.5mm。承压型连接的承载力比摩擦型连接高，可节约螺栓。但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结构中。一、螺栓连接排列的构造要求图1钢板的螺栓（铆钉）排列根据受力、构造和施工要求，规范规定了连接板件上螺栓和铆钉的最大和最小容许距离，除应满足此最大最小距离外，尚应充分考虑拧紧螺栓时的净空要求。2二、普通螺栓连接的工作性能和计算1．普通螺栓的抗剪连接（1）抗剪连接的工作性能图2螺栓抗剪连接的破环形式螺栓抗剪连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有四种形式：①当栓杆直径较小时，栓杆可能先被剪断；②当栓杆直径较大时，板件较薄时，板件可能先被挤坏，由于栓杆和板件的挤压是相对的，故也可把这种破坏叫做螺栓承压破坏；③板件截面可能因螺栓孔削弱截面太多而被拉断；④端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏。第③种破坏形式属于构件的强度计算；第④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①、②种破破形式。（2）单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是均匀分布的，则单个抗剪螺栓的抗剪承载力设计值为bvvbvfdnN42（1）式中vn——受剪面数目，单剪vn＝1，双剪vn＝2，四剪vn=4；d——螺栓杆直径（螺栓的公称直径）；bvf——螺栓抗剪强度设计值。假定螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上，而且假定该承压面上的应力为均匀分布，则单个抗剪螺栓的承压承载力设计值式为bcbctfdN（2）式中t——在同一受力方向的承压构件的较小总厚度；3bcf——螺栓承压强度设计值。图3螺栓承压的计算承压面积一个螺栓抗剪承载力设计值取bvN与bcN的较小值bNmin。2．普通螺栓群抗剪连接计算(1)普通螺栓群轴心受剪螺栓群的抗剪连接承受轴心力时，螺栓群在长度方向各螺栓受力不均匀，两端大中间小。为防止端部螺栓提前破坏，当l1＞l5d0时，螺栓的抗剪和承压承载力设计值应乘以折减系数η予以降低：011501.1dl(3)l160d0时，η=0.7。图4连接螺栓的内力分布螺栓群的抗剪连接承受轴心力时，可认为轴心力N由每个螺栓平均分担，螺栓数n为n=bNNmin（4）(2)普通螺栓群偏心受剪图5所示为螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用线至螺栓群中心线的距离为e，故螺栓群同时受到轴心力F和扭矩T＝F·e的共同作用。在轴心力作用下可认为每个螺栓平均受力，则4N1F=nF图5螺栓群的偏心受剪螺栓群在扭矩T＝Fe作用下，每个螺栓均受剪。连接的计算基于下列假设：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。设O为螺栓群栓杆截面的形心，螺栓1距形心O最远，其所受剪力N1T最大：TN1=21irTr=221iiyxTr（5）将TN1分解为水平分力TxN1和垂直分力TyN1TxN1=TN111ry=21irTy=221iiyxTy（6）TyN1=TN111rx=21irTx=221iiyxTx（7）由此可得螺栓群偏心受剪时，受力最大的螺栓l所受合力为21121FTyTxNNN=22212221nFyxTxyxTyiiii≤bNmin（8）当螺栓群布置在一个狭长带，y1＞3x1时，可取xi=0以简化计算，则上式为2221nFyTyi≤bNmin（9）3．普通螺栓的抗拉连接（1）单个普通螺栓的抗拉承载力抗拉螺栓连接在外力作用下，螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断。单个抗拉螺栓的承载5力设计值为：btN=42edbtf（9）式中de——螺栓的有效直径；btf——螺栓抗拉强度设计值。为了考虑撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值btf取螺栓钢材抗拉强度设计值f的0.8倍（即btf＝0.8f）。（2）普通螺栓群轴心受拉图6所示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：n=btNN（10）式中btN——一个螺栓的抗拉承载力设计值。（3）普通螺栓群在弯矩作用下受拉图7普通螺栓群承受弯矩图7所示为螺栓群在弯矩作用下的抗拉连接（剪力V通过承托板传递）。当计算其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。因此，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。N1/y1=N2/y2=···=Ni/yi=···=Nn/ynM=N1y1+N2y2+···+Niyi+···+Nnyn=（N1/y1）21y+（N2/y2）22y+···+（Ni/yi）2iy+···+（Nn/yn）2ny图6螺栓群承受轴心拉力6故得螺栓i的拉力为：Ni=Myi／2iy（11）设计时要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超一个螺栓的抗拉承载力设计值：N1=My1/2iy≤btN（12）（4）普通螺拴群偏心受拉由图8a可知，螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M＝N·e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。图8螺栓群偏心受拉1）小偏心受拉小偏心情况（图8b），所有螺栓均承受拉力作用，端板与柱翼缘有分离趋势，故在计算时轴心拉力N由各螺栓均匀承受；而弯矩M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（图8b），使上部螺栓受拉，下部螺栓受压；叠加后则全部螺栓均为受拉（图84b）。这样可得最大和最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下（各y均自O点算起）：btNyNeynNN211max//（13）0//211minyNeynNN（14）式（13）表示最大受力螺栓的拉力不超过一个螺栓的承载力设计值；式（14）则表示全部螺栓受拉，不存在受压区。由此式可得Nmin≥0时的偏心距e≤2iy/（ny1）。令ρ=eenAW=2iy/（ny1）为螺栓有效截面组成的核心距，即e≤ρ时为小偏心受拉。2）大偏心受拉7当偏心距e较大时，即e＞ρ=2iy/（ny1）时，则端板底部将出现受压区（图8c）。近似并偏安全取中和轴位于最下排螺栓O′处，按相似步骤写对O′处水平轴的弯矩平衡方程，可得（e′和各y′自O′点算起，最上排螺栓1的拉力最大）：N1//1y=N2//2y=···=Ni//iy=···=Nn//nyM=N1/1y+N2/2y+···+Ni/iy+···+Nn/ny=（N1//1y）21/y+（N2//2y）22/y+···+（Ni//iy）2/iy+···+（Nn//ny）2/nyN1=Ne′y1′/2iybtN（15）4．普通螺栓受剪力和拉力的共同作用图9螺栓群受剪力和拉力共同作用图9所示连接，螺栓群承受剪力和偏心力N（即轴心拉力N和弯矩M=N·e）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：一是螺杆受剪兼受拉破坏；二是孔壁承压破坏。螺杆计算式为12btt2bvvNNNN（16）式中vN——一个螺栓承受的剪力设计值。一般假定剪力V由每个螺栓平均承担，即vN=V/n。n为螺栓个数。tN——受拉力最大螺栓的拉设计值。由偏心拉力引起的螺栓最大拉力Nt仍按上述方法计算。8bvN、bvN——一个螺栓的抗剪和抗拉承载力设计值。孔壁承压的计算式为vN≤bcN（17）式中bcN——一个螺栓孔壁承压承载力设计值。三、高强度螺栓连接的工作性能和计算1．高强度螺栓连接的工作性能高强度螺栓连接按其受力特征分为摩擦型连接和承压型连接两种类型。摩擦型连接是依靠被连接件之间的摩擦力传递内力，并以荷载设计值引起的剪力不超过摩擦力作为设计准则。螺栓的预拉力P、摩擦面间的抗滑移系数和钢材种类等都直接影响到高强度螺栓连接的承载力。（1）预拉力的确定高强度螺栓的预拉力设计值P由式（18）计算，并取5kN的整数倍值。P=2.19.09.09.0Aefu（18）式中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；式（18）中的系数考虑了以下几个因素：①拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由力矩引起的扭转剪应力作用。试验表明，可取系数1.2考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响。②施工时为了弥补高强度螺栓预拉力的松弛损失，一般超张拉5％~10％，为此考虑一个超张拉系数0.9；③考虑螺栓材质的不均匀性，引进一折减系数0.9；④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）高强度螺栓摩擦面抗滑移系数高强度螺栓摩擦面抗滑移系数的大小与连接处构件接触面的处理方法和构件的钢号有关。试验表明，此系数值随被连接构件接触面间的压紧力减小而降低。2．高强度螺栓抗剪连接的工作性能（1）高强度螺栓摩擦型连接一个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：9bvN=0.9nfμP（19）式中0.9——抗力分顶系数rR的倒数；nf——传力摩擦面数目：单剪时，nf＝1；双剪时，nf＝2；P——一个高强度螺栓的设计预拉力；μ——摩擦面抗滑移系数。（2）高强度螺栓承压型连接承压型连接受剪时，计算方法与普通螺栓连接相同，仍可用式（1）和式（2）计算单个螺栓的抗剪承载力设计值，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。3．高强度螺栓抗拉连接的工作性能计算表明，当加于螺杆上的外拉力Nt为预拉力P的80％时，螺杆内的拉力增加很少，因此可认为此时螺杆的预拉力基本不变。因此，为使板件间保留一定的压紧力，规范规定，在杆轴方向受拉力的高强度螺栓摩擦型连接中，一个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：btN=0.8P（20）4．高强度螺栓同时承受剪力和外拉力连接的工作性能（1）高强度螺栓摩擦型连接一个摩擦型连接高强度螺栓同时承受剪力和外拉力作用时的承载力计算式为：1bttbvvNNNN(21)（2）高强度螺栓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，即22bttbvvNNNN≤1(22)对于兼受剪力和杆轴方向拉力的高强度螺栓承压型连接，除按式（22）计算螺栓的强度外，尚应按下式计算孔壁承压：Nv≤bcN/1.2=2.11bcftd（23）式中bcN—只承受剪力时孔壁承压承载力设计值；bcf—高强度螺栓承压型连接在无外拉力状态的bcf值。105．高强度螺栓群的抗剪计算（1）轴心力作用时高强度螺栓群抗剪连接所需螺栓数目由下式确定n≥bNNmin（24）对摩擦型连接，bvN=0.9nfμP对承压型连接，bNmin分别按式（1）与式（2）计算的较小值。当剪切面在螺纹处时式（1）中应将d改为de。（2）扭矩或扭矩、剪力共同作用时高强度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用时的抗剪计算方法与普通螺栓群相同，但应采用高强度