摩擦型高强螺栓的计算方式

第三章连接返回§3-6高强度螺栓连接的构造和计算3.6.1高强度螺栓连接的工作性能和构造要求一、高强度螺栓连接的工作性能1、高强度螺栓的抗剪性能由图3.5.2中可以看出，由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连板叠中有很大的预压力，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，连接产生了滑解，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。如果连接的承载力只用到1点，即为高强度螺栓摩擦型连接；如果连接的承载力用到4点，即为高强度螺栓承压型连接。2、高强度螺栓的抗拉性能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（图3.6.1a）。当对螺栓施加外拉力Nt，则栓杆在板层之间的压力未完全消失前被拉长，此时螺杆中拉力增量为ΔP，同时把压紧的板件拉松，使压力C减少ΔC（图3.6.1b）。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。同时由实验得知，当外加拉力大于螺杆的预拉力时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。但当外加拉力小于螺杆预拉力的80%时，即无松弛现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍能保持一定的压紧力，可以假定整个板面始终处于紧密接触状态。但上述取值没有考虑杠杆作用而引起的撬力影响。实际上这种杠杆作用存在于所有螺栓的抗拉连接中。研究表明，当外拉力Nt≤0.5P时，不出现撬力，如图3.6.2所示，撬力Q大约在Nt达到0.5P时开始出现，起初增加缓慢，以后逐渐加快，到临近破坏时因螺栓开始屈服而又有所下降。由于撬力Q的存在，外拉力的极限值由Nu下降到N'u。因此，如果在设计中不计算撬力Q，应使N≤0.5P；或者增大T形连接件翼缘板的刚度。分析表明，当翼缘板的厚度t1不小于2倍螺栓直径时，螺栓中可完全不产生撬力。实际上很难满足这一条件，可采用图3.5.7所示的加劲肋代替。在直接承受动力荷载的结构中，由于高强度螺栓连接受拉时的疲劳强度较低，每个高强度螺栓的外拉力不宜超过0.5P。当需考虑撬力影响时，外拉力还得降低。二、高强度螺栓连接的构造要求1、高强度螺栓预拉力的建立方法为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要。针对不同类型的高强度螺栓，其预拉力的建立方法不尽相同。（1）大六角头螺栓的预拉力控制方法有：①力矩法一般采用指针式扭力（测力）扳手或预置式扭力（定力）扳手。目前用得多的是电动扭矩扳手。力矩法是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，应使施工时控制的预拉力为设计预拉力的1.1倍。当采用电动扭矩搬手时，所需要的施工扭矩Tf为：为了克服板件和垫圈等的变形，基本消除板件之间的间隙，使拧紧力矩系数有较好的线性度，从而提高施工控制预拉力值的准确度，在安装大六角头高强度螺栓时，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。对于大型节点在初拧之后，还应按初拧力矩进行复拧，然后再行终拧。力矩法的优点是较简单、易实施、费用少，但由于连接件和被连接件的表面和拧紧速度的差异，测得的预拉力值误差大且分散，一般误差为±25%。②转角法先用普通扳手进行初拧，使被连接板件相互紧密贴合，再以初拧位置为起点，按终拧角度，用长扳手或风动扳手旋转螺母，拧至该角度值时，螺栓的拉力即达到施工控制预拉力。（2）扭剪型高强度螺栓是我国60年代开始研制，80年代制订出标准的新型连接件之一。它具有强度高、安装简单和质量易于保证、可以单面拧紧、对操作人员没有特殊要求等优点。扭剪型高强度螺栓如图3.1.9(b)所示，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。扭剪型高强度螺栓连接副的安装需用特制的电动扳手，该扳手有两个套头，一个套在螺母六角体上；另一个套在螺栓的十二角体上。拧紧时，对螺母施加顺时针力矩，对螺栓十二角体施加大小相等的逆时针力矩，使螺栓断颈部分承受扭剪，其初拧力矩为拧紧力矩的50%，复拧力矩等于初拧力矩，终拧至断颈剪断为止，安装结束，相应的安装力矩即为拧紧力矩。安装后一般不拆卸。2、预拉力值的确定高强度螺栓的预拉力设计值P由下式计算得到：式（3.6.2）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螺纹力矩引起的扭转剪应力作用。折算应力为：根据试验分析，系数在职1.15~1.25之间，取平均值为1.2。式（3.6.2）中分母的1.2既为考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响系数。②为了弥补施工时高强度螺栓预拉力的松驰损失，在确定施工控制预拉力时，考虑了预拉力设计值的1/0.9的超张拉，故式（3.6.2）右端分子应考虑超张拉系数0.9。③考虑螺栓材质的不定性系数0.9；再考虑用fu而不是用fy作为标准值的系数0.9。各种规格高强度螺栓预拉力的取值见表3.6.1和3.6.2。3、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，此系数值有随连接构件接触面间的压紧力减小而降低的现象，故与物理学中的摩擦系数有区别。我国规范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对干净轧制表面不作处理等，各种处理方法相应的μ值详见表3.6.3和3.6.4。由于冷弯薄壁型钢构件板壁较薄，其抗滑移系数均较普通钢结构的有所降低。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，μ值与钢种有关。试验证明，摩擦面涂红丹后μ＜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μ值，故应采取有效措施保证连接处表面的干燥。4、其他构造要求高强度螺栓连接除需满足与普通螺栓连接相同之排列布置要求外，尚须注意以下二点：（1）当型钢构件拼接采用高强度螺栓连接时，其拼接件宜采用钢板。以使被连接部分能紧密贴合，保证预拉力的建立。（2）在高强度螺栓连接范围内，构件接触面的处理方法应在施工图中说明。3.6.2高强度螺栓摩擦型连接计算1、受剪连接承载力摩擦型连接的承载力取决于构件接触面的摩擦力，而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。因此，一个摩型连接高强度螺栓的受剪承载力设计值为：试验证明，低温对摩擦型高强度螺栓抗剪承载力无明显影响，但当温度t=100℃~150℃时，螺栓的预拉力将产生温度损失，故应将摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值降低10%；当t＞150℃时，应采取隔热措施，以使连接温度在150℃或100℃以下。2、受拉连接承载力如前所述，为提高强度螺栓连接在承受拉力作用时，能使被连接扳间保持一定的压紧力，规范规定在杆轴方向承受拉力的高强度螺栓摩型连接中，单个高强度螺栓受拉承载力设计值为：3、同时承受剪力和拉力连接的承载力如前所述，当螺栓所受外拉力时，虽然螺杆中的预拉力P基本不变，但板层间压力将减少到P-Nt。试验研究表明，这时接触面的抗滑移系数值也有所降低，而且值随Nt的增大而减小，试验结果表明，外加剪力Nv和拉力Nt与高强螺栓的受拉、受剪承载力设计值之间具有线性相关关系，故规范规定，当高强度螺栓摩擦型连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时，其承载力应按下式计算：3.6.3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同，仍可用式（3.5.1）和式（3.5.2）计算单个螺栓的抗剪承载力设计值，只是应采用承压型连接高强度螺栓的强度设计值。当剪切面在螺纹处时，承压型连接高强度螺栓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，故计算抗剪强度设计值时用公称直径。2、受拉连接承载力的计算公式与普通螺栓相同，只是抗拉强度设计值不同。3、同时承受剪力和拉力连接的承载力同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型连接高强度螺栓的计算方法与普通螺栓相同，即：由于在剪应力单独作用下，高强度螺栓对板层间产生强大压紧力。当板层间的摩擦力被克服，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，我国现行钢结构设计规范规定，只要有外拉力存在，就将承压强度除以1.2予以降低，而未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。因为所有高强度螺栓的外拉力一般均不大于0.8P。此时，可以为整个板层间始终处于紧密接触状态，采用统一除以1.2的做法来降低承压强度，一般能保证安全。3.6.4高强度螺栓群的计算一、高强度螺栓群受剪1、轴心受剪此时，高强度螺栓连接所需螺栓数目应由下式确定：2、高强度螺栓群的非轴心受剪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，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。二、高强度螺栓群受拉1、轴心受拉高强度螺栓群连接所需螺栓数目：2、高强度螺栓群受弯矩作用高强度螺栓（摩擦型和承压型）的外拉力总是小于预拉力P，在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；因此，可认为中和轴在螺栓群的形心轴上（图3.6.3），最外排螺栓受力最大。最大拉力及其验算式为：3、高强度螺栓群偏心受拉由于高强度螺栓偏心受拉时，螺拉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，故摩擦型连接高强度螺栓和承压型连接高强度螺栓均可按普通螺栓小偏心受拉计算，即：三、高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用1、摩擦型连接的计算图3.6.4所示为摩擦型连接高强度螺栓承受拉力、弯矩和剪力共同作用时的情况。由于螺栓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。已知摩擦型连接高强度螺栓承受剪力和拉力联合作用时，螺栓的承载力设计值应符合相关方程：即公式（3.6.11）和（3.6.6）是等价的。式中的Nv是同时作用剪力和拉力时，单个螺栓所能承受的最大剪力设计值。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：则剪力V的验算应满足下式：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。此外，螺栓最大拉力应满足：2、承压型连接的计算对承压型连接高强度螺栓，应按公式（3.6.7）和（3.6.8）验算拉剪的共同作用。即：返回