普通螺栓与高强螺栓的构造及计算受力分析

1三、螺栓连接的构造和计算(一)螺栓的种类在钢结构中应用的螺栓有普通螺栓和高强度螺栓两大类。普通螺栓又分A级、B级(精制螺栓)和C级(粗制螺栓)两种。高强度螺栓按连接方式分为摩擦型连接和承压型连接两种。此外，还有用于钢屋架和钢筋混凝土柱或钢筋混凝土基础处的锚固螺栓(简称锚栓)。A、B级螺栓采用5.6级和8.8级钢材，C级螺栓采用4.6级和4.8级钢材。高强度螺栓采用8.8级和10.9级钢材。10.9级中10表示钢材抗拉极限强度为fu=1000N／mm2，0.9表示钢材屈服强度fy=0.9fu，其他型号以此类推。锚栓采用Q235或Q345钢材。A级、B级螺栓(精制螺栓)由毛坯经轧制而成，螺栓杆表面光滑，尺寸较准确，螺孔需用钻模钻成，或在单个零件上先冲成较小的孔，然后在装配好的构件上再扩钻至设计孔径(称I类孔)。螺杆的直径与孔径间的空隙甚小，只容许0.3mm左右，安装时需轻轻击人孔，既可受剪又可受拉。但A级、B级螺栓(精制螺栓)制造和安装都较费工，价格昂贵，在钢结构中只用于重要的安装节点处，或承受动力荷载的既受剪又受拉的螺栓连接中。C级螺栓(粗制螺栓)用圆钢辊压而成，表面较粗糙，尺寸不很精确，其螺孔制作是一次冲成或不用钻模钻成(称Ⅱ类孔)，孔径比螺杆直径大1--2mm，故在剪力作用下剪切变形很大，并有可能个别螺栓先与孔壁接触，承受超额内力而先遭破坏。由于c级螺栓(粗制螺栓)制造简单，价格便宜，安装方便，常用于各种钢结构工程中，特别适宜于承受沿螺杆轴线方向受拉的连接、可拆卸的连接和临时固定构件用安装连接中。如在连接中有较大的剪力作用时，考虑到这种螺栓的缺点而改用支托等构造措施以承受剪力，让它只受拉力以发扬它的优点。C级螺栓亦可用于承受静力荷载或间接动力荷载的次要连接中作为受剪连接。对直接承受动力荷载的螺栓连接应使用双螺帽或其他能防止螺栓松动的有效措施。(二)普通螺栓的计算和构造1．普通螺栓连接的工作性能和破坏情况普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为受拉螺栓、受剪螺栓和受拉兼受剪螺栓三种。当外力垂直于螺杆时，该螺栓为剪力螺栓。当外力平行于螺杆时，该螺栓为拉力螺栓。(1)受剪螺栓的工作性能精制螺栓受剪力作用后，螺杆与孔壁接触产生挤压力，同时螺杆本身承受剪切力。粗制螺栓则因孔径大，开始受力时螺杆与孔壁并不接触，待外力超过构件间的摩擦力(很小)而产生滑移后，螺杆才与孔壁接触。螺栓连接受力后的工作性能与钢材(或焊缝)相似，经过弹性工作阶段，屈服阶段，强化阶段而后进人破坏阶段。精制螺栓(或高强度螺栓)的这几个阶段比较明显，粗制螺栓的这几个阶段则不明显。受剪螺栓连接破坏时可能出现五种破坏形式：1)螺杆剪断；2)孔壁挤压(或称承压)破坏；3)钢板被拉断；4)钢板端部或孔与孔间的钢板被剪坏；5)螺栓杆弯曲破坏。这五种破坏形式，无论哪一种先出现，整个连接就破坏了。所以设计时应控制不出现任何一种破坏形式。通常对前面三种可能出现的破坏情况，通过计算来防止，而后两种情况则用构造限制加以保证。对孔与孔间或孔与板端的钢板剪坏，是用限制孔与孔间或孔与板端的最小距离防止。对于螺栓杆弯曲损坏则用限制桥叠厚度不超过l≤5d(d为螺栓直径)来防止。所以，螺栓连接的计算固然重要，构造要求和螺栓排列也同样重要。都是防止螺栓连2接出现各种破坏的不可缺少的组成部分。(2)受拉螺栓的工作性能在受拉螺栓连接中，螺栓承受沿螺杆长度方向的拉力，螺栓受力的薄弱处是螺纹部分，破坏产生在螺纹部分，一方面是因该处截面面积最小，且常处于偏心受力状态；另一方面是该处因截面存在尖锐的缺口(螺纹)而产生高度应力集中。计算时应考虑这些不利因素。另外，在受拉螺栓连接中，螺栓所受拉力的大小不但取决于外荷载的大小，还与连接本身的各零件(板件或角钢)有关。在构造上加厚板件或角钢肢的厚度以提高其刚度，可减小杠杆力Q，如采用加劲肋来更有效地提高板件或角钢的刚度常可使受拉连接中不出现杠杆力Q。在一般的受拉螺栓连接中是没有计人杠杆力Q的，故在构造上应予重视或采用加劲肋措施。(3)受剪兼受拉的螺栓的工作性能这种螺栓兼有受剪和受拉两种螺栓的受力情况，工作性能比较复杂，通常分别考虑螺栓受剪和受拉性能后，用相关公式考虑受剪和受拉同时作用的综合效果(见设计规范)。2．单个螺栓的承载力计算每个螺栓受力后能保证正常工作而不会出现破坏所能承受的最大外力称为这个螺栓的承一载力。当一个螺栓受力后可能出现几种破坏形式时，应求得相应于几种破坏形式的承载力，其中的最小者即为这个螺栓的承载力。(1)每个受剪螺栓的承载力受剪bvN=nvbvfd42(15—3-29)承压bcN=dbctf(15-3-30)取二者中的小者为一个螺栓的承载力，以bNmin表示。式中nv——一个螺栓的受剪面数目；d--螺栓杆的直径；bvf——螺栓杆抗剪强度设计值；t——在同一受力方向承压构件的较小总厚度；bcf——螺栓连接的孔壁承压强度设计值。(2)每个受拉螺栓的承载力btN=btefd42=Aebtf(15-3-31)式中de--螺栓螺纹处的有效直径；Ae--螺栓螺纹处的有效面积；btf——螺栓的抗拉强度设计值。3．剪力螺栓群在轴力N作用下计算在轴力N作用下按下式计算：3nN≤ηbNmin(15-3-32)式中bNmin一一只螺栓抗剪或承压设计承载能力的较小值。η——剪力螺栓承载力折减系数，当l1≤15d0时，η=115d0≤l1≤60d0时η=1.1-01150dll160d0时η=0.7l1——螺栓沿轴向受力方向的连接长度d0——螺栓的孔径式(15-3-32)也可以改写为求需要的螺栓数，即n=bNNmin(15-3-33)由于螺栓孔削弱了构件截面，应验算净截面强度σ=nAN≤f式中N----------轴向力；An——净截面面积；f--钢材设计强度。当螺栓并列时An=A—n1d0t4．拉力螺栓群在弯矩M作用下计算在弯矩作用下构件绕底排螺栓转动，螺栓最大受力为：N1=21iyMy≤btN(15—3—36)：式中Yi——各螺栓到A点距离；Y1--Yi中的最大值；btN—一个受拉螺栓的承载力，按式(15-3-31)计算。5．螺栓排列的构造要求螺栓在构件上的排列(普通螺栓，高强度螺栓，铆钉的排列均相同)常采用并列和错列两种形式。螺栓排列时应考虑下列要求。(1)受力要求为防止螺栓孔到板端的钢板不被剪坏，应规定端距的最小值为2d0(d0为螺栓孔径)。为了防止螺栓孔与孔间的钢板不被剪坏，应规定孔与孔中心距离的最小值为3d0。又如受拉构件孔与孔间距离太小将引起较严重的应力集中。而受压构件螺栓间距如果太大则易使板件受压后产生凸曲(屈曲)。(2)紧密性要求螺栓间距不宜太大，否则因构件接触不紧密或留有孔隙，使潮气侵人而引起锈蚀。4(3)施工要求要保证有一定的空间，便于转动螺栓扳手。根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小距离。在角钢、槽钢和工字钢等型钢上布置螺栓和选用螺栓直径时，还应注意到要受型钢尺寸的限制。(三)高强度螺栓的计算高强度螺栓有摩擦型连接和承压型连接两种，在外力作用下，螺栓承受剪力(称剪力螺栓)和拉力(称拉力螺栓)。高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构。1．高强度螺栓摩擦型连接受力特点(1)通过拧紧螺帽对螺栓施加预应力P(2)对于剪力螺栓，靠接触面的摩擦力来传递外力，而不靠螺杆的抗剪和孔壁的承压来传力。3)高强度螺栓在外力作用下对螺杆产生拉力时，螺栓的预拉力P改变很小2．单个摩擦型高强螺栓的承载力计算(1)螺栓受剪时为：bvN=0.9nfμP(15—3—37)式中nf——传力摩擦面数；μ——摩擦面的抗滑移系数，查钢结构设计规范(GB50017—2003)表7．2．2．P——一个高强度螺栓的预拉力，查规范表7．2．2．2(2)螺栓受拉时为：btN=0.8P(15—3—38)3．剪力螺栓群在轴力作用下计算轴力N通过螺栓群形心，每个螺栓受力为：nN≤bvN(15—3—39式中n——螺栓数bvN——一个高强螺栓的抗剪承载力，按式(15-3-37)计算。式(15-3-39)也可写成所需螺栓数n为：n=bvNN(15—3—40)构件净截面所受力N’为N’=N(1-0.5nn1)(15—3—41)Σ=nAN'≤f(15—3—42)4.拉力螺栓群在弯矩作用下计算高强螺栓群在弯矩作用下，受力时绕形心转动，在弯矩作用下，按下式计算：5N1=2''1iyMy(15—3—43)式中：'1y-----------螺栓群中心至最外一列螺栓距离'iy-----------------第i列螺栓至螺栓群中心距离例：某杆件与节点板采用22个M24的螺栓连接,沿受力方向分两排按最小间距(3d0)排列,螺栓的承载力折减系数是()。A.0.75B.0.80C.0.85D.0.90解：每排为11个,连接长度:l=10×3do=30d015d0l=30d060d0,故:0001150301.11501.1dddl=0.9所以应选D项。第四节钢屋盖一、屋盖结构的组成和布置钢屋盖结构由屋面材料、檩条、屋架、托架和天窗架、屋面支撑等构件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种。当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用瓦楞铁皮、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为有檩屋盖。无檩屋盖施工快，屋面刚度大，但大型屋面板自重大；有檩屋盖屋面材料自重轻，用料省，但屋面刚度差。两种屋盖体系各有优缺点，具体设计时应根据建筑物使用要求。结构特性、材料供应情况和施工条件等综合考虑而定。屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则根据建筑物工艺要求和经济合理等各方面因素而定。无檩屋盖因受大型屋面板尺寸的限制(大型屋面板的尺寸一般为1.5m×6m)，故屋架跨度一般取3m的倍数，常用的有15m、18m、21m……36m等，屋架间距为6m；当柱距超过屋面板长度时，就必须在柱间设置托架，以支承中间屋架(下图)。有檩屋盖的屋架间距和跨度比较灵活，不受屋面材料的限制。为了采光和通风等要求，屋盖上常需设置天窗。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗等三种；一般采用纵向天窗，纵向天窗形式如图15-4-3所示。横向天窗和井式天窗可不另设天窗架，只需将部分屋面材料和屋面构件仍设置在上弦，就形成了天窗。这两种天窗的构造和施工都比较复杂，但用钢量较省。abc框架中间屋架托架系杆6二、钢屋盖的支撑系统几乎所有各种工程结构都呈空间受力状态，都是空间结构。但在结构设计时，为了便于计算和使结构构件受力简单化，常把有些实际结构假定是许多独立工作(在某种荷载作用下)的平面结构。再用必要的支撑系统把这些独立工作的平面结构组成一个整体(空间结构)。使它具有必要的空间工作性能、刚度和整体稳定性。(一)屋盖支撑的类型屋盖支撑根据支撑布置位置不同分为：1．屋架上弦横向水平支撑2．屋架下弦横向水平支撑3．屋架下弦纵向水平支撑4．垂直(竖向)支撑5．系杆系杆一般设置在不设置横向水平支撑开间，分为刚性系杆(能承受压力)和柔性系杆(只能承受拉力)(二)屋盖支撑的作用1．保证屋盖结构的几何稳定性由屋架、檩条等互相垂直的平面构件铰接连接而成的屋盖结构是几何可变体系。在某种荷载作用下或在安装时，各屋架有可能向一侧倾倒，故必须布置支撑使屋与屋架连接成几何不变的空间体系，才能保证整个屋盖在各种荷载作用下都能很好地作。首先用支撑将相邻两个屋架组成空间稳定体(几何不变体)，然后用檩条、系杆或大型钢筋混凝土屋面板将其余各屋架与此空间稳定体连接起来，形成几何不变的、空间稳定的屋盖结构。空间稳定体通常是由相邻两个屋架和它们之间的上弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑以及屋架端部和跨中竖直平面内的竖直支撑组成的六面盒式体系。有时，也可采用简单的做法，不设置屋架下弦横向平面支撑，这就成了一个五面的盒式体系。这种五面盒式体系也还是空间稳定体，在一般房屋中采用这种型式的也不少。2．保证屋盖的空间刚度和整体性通常采用的沿屋架上弦平面布置