第六章第三节钢结构的连接（二）

gaocen · 发表于 2013-2-19 22:26:56

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-20 16:27 编辑

三、螺栓连接的构造和计算

1 ．螺栓的排列

（ 1 ）排列要求

1 ）制造要求：螺栓在连接中的排列要考虑便于制造，例如螺栓应排列成行，如图 6 - 22 所示，以便利用多头钻床钻孔。

构件上排列成行的螺栓孔中，合连线叫做螺栓线或螺栓规线。沿螺栓线相邻螺栓孔的中心距离称为螺栓距，相邻两条螺栓线的间距称为线距或规距，连接中最末一个螺栓孔中心沿连接的受力方向至构件端部的距离叫做端距，螺栓孔中心在垂直于受力方向至构件边缘的距离叫做边距，分别用 p 、 g 、 a 和。表示如图 6 -22 所示。

2 ）施工要求：相邻螺栓孔的中心应保证为拧紧螺栓置放扳手所需的最小间距。

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3 ）受力要求：端距过小时，构件端部钢材易剪坏（见图 6 -23d ），因而要规定一个最小端距。螺栓线上的螺栓距过小，则受力后两螺栓孔间的钢材也易剪坏；而螺栓间距过大，当构件为受压时，两螺栓中心间的板件易局部屈曲。因此，需规定最小螺栓间距和最大螺栓间距。

4 ）构造要求：线距和螺栓距过大时，连接中板件间接触不密实，潮气易侵入而使钢材锈蚀；端距过大，端部板材易翘起等等。因此，需规定最大螺栓间距和最大螺栓端距。

（ 2 ）规范规定

规范综合考虑上述要求，根据理论和实践经验，规定了排列螺栓时的最大和最小容许距离要求，例如：螺栓的最小中心距（ P 和 g ）=3d0，最小端距 a = 2d0 和最小边距（高强度螺栓） c = 1 . 5d0 ，这里 d0 是螺栓的孔径。具体规定见规范第 8 , 3 , 4 条，设计时必须遵照采用。

热轧型钢上排列螺栓的要求可参阅有关设计手册和钢结构教科书。

（ 3 ）螺栓和螺栓孔的表示方法螺栓和螺栓孔的表示方法见表 6 -3（摘自《建筑结构制图标准》 GB / T 50105 -2001 ）。

（重要，至少记住前三个）

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2 ．普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的工作性能

（ 1 ）抗剪螺栓连接中的六种破坏形式

普通螺栓连接螺帽的拧紧程度为一般，沿螺栓杆产生的轴向拉力不大，因而在抗剪连接中虽然连接板件接触面有一定的摩擦力，但其值甚小，摩擦力会迅速被克服而主要依靠孔壁承压和螺杆受剪传递荷载；高强度螺栓承压型连接以摩擦力被克服、使螺杆受剪和孔壁承压破坏为承载力极限状态。因此在计算中都不考虑摩擦力的存在。

图 6 -23 和图 6 -24 给出了抗剪螺栓连接六种可能的破坏形式。

1 ）螺栓杆被剪断（螺栓直径较小而板件较厚时，图 6 -23a 和 b ）。通过计算螺栓的抗剪破坏强度来保证螺栓杆不被剪断，计算时假设沿螺栓截面的剪应力均匀分布。

2 ）钢板孔壁承压破坏（螺栓直径较大而板件较薄时，图 6 -23c）。通过计算螺栓（实际是钢板）的承压强度来保证孔壁不会因承压而破坏，计算时假设螺栓杆和孔壁之间的承压应力沿螺栓杆直径投影面为均匀分布如图 6 -25 所示。

3 ）构件被拉断或压坏（螺栓孔对构件截面的削弱过大时，图 6 -23d ）。通过计算构件和连接板件的净截面强度来保证钢板不被拉断或压坏，计算时假设沿钢板净截面的应力均匀分布，不考虑应力集中的影响。

4 ）板件块状拉、剪撕裂。当构件上有螺栓孔时，除了因截面被削弱过多而可能将构件拉断或压坏外，还有一种使构件破坏的可能性如图 6 -24 所示。以图 6 -24 （ a ）为例，角钢上有斜线的一块钢材 0123 有可能整块被拉剪而破坏，此时角钢沿。0-1 线的纵向净截面受剪，而沿 1 -2 面上则受拉，因此称这种破坏方式为块状拉剪破坏。图 6 -24 （ b ）表示槽钢或工字钢腹板的块状拉剪破坏，情况相同。此种破坏情况常发生在角钢、被切角后的槽钢或工字钢腹板当板件厚度较薄时。

5 ）钢板受剪撕裂（螺栓端距或螺栓孔间距过小时，图 6 一 23e）。通过采取构造措施来防止钢板受剪撕裂，即取端距 a≥2d0 和栓距 p≥3d0。

6 ）螺栓弯曲变形（板叠连接厚度∑t过大）。一般限制∑t≤ 5d 就可避免螺栓的弯曲。

综上所述，在普通螺栓和承压型的高强度螺栓抗剪连接中需进行计算的是 4 项，通常是前 3 项，但对第 4 种可能的破坏形式也应引起足够重视，必要时应按规范公式进行验算（规范第 7 , 5 . 1 条）。

（ 2 ）抗拉螺栓连接中的撬力

抗拉螺栓连接必须通过 T 形连接件（或由双角钢组成的 T 形连接件）传力，如图 6 -26 （ a ）所示。由于连接件的相对柔性，受力后连接件的翼缘板将发生弯曲变形，如图 6 -26 （ b ）所示，使螺栓杆承受轴心拉力 N ，同时连接件翼缘板趾部与横梁下翼缘间产生压力 Q 。由杠杆作用产生的此压力 Q 称为撬力。由图 6 -26 （ b）可见螺栓所受轴心拉力不是 N -F 而为N=F + Q ，即螺栓拉力大于所受荷载值。影响撬力大小的因素较多，如连接件翼缘的刚性和螺栓的规线距离 g 的大小等，要准确计算撬力 Q 的大小，极为复杂。规范为了简化，用降低普通螺栓轴心受拉时的强度设计值来考虑撬力的不利影响，即取用同样钢号钢材轴心抗拉强度设计值的 0 . 8 倍。如 Q235 钢的抗拉强度设计值 f=215N / m 时，而用同样钢材制成的普通螺栓抗拉强度设计值为fbt=0.8×215 = 172N / mm2 （规范中取为 170N / mm2）。这样，以后计算中就可以不再考虑 Q 值的存在。同时，为了减小撬力的影响，设计中宜采取适当构造措施提高连接板件的抗弯刚度，例如采用较厚的连接件翼缘板或在同一纵行的两个螺栓间设置连接件的横向加劲肋等，如图 6 -26 （ a ）中的虚线所示。

对直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其他能防止螺帽松动的有效措施。

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gaocen · 发表于 2013-2-19 22:41:12

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-20 16:37 编辑

3 ．普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算

螺栓连接的计算通常按下列“四步曲”进行：

（ l ）计算单个螺栓的承载力设计值；

（ 2 ）按螺栓最大内力确定所需螺栓数量；

（ 3 ）按构造要求排列需要的螺栓，这里需注意，每一构件在结点上以及拼接接头的一端，永久性的螺栓数不宜少于两个；

（ 4 ）进行构件的净截面强度和块状拉剪破坏验算（必要时）。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验算。螺栓内力分析、构件净截面强度和块状拉剪破坏的验算均可利用材料力学公式进行，不再赘述。因此，对抗剪螺栓连接和抗拉螺栓连接只需介绍单个螺栓承载力设计值的计算方法。

（l）抗剪螺栓连接中的螺栓承载力设计值 Nb

取受剪承载力设计值和孔壁承压承载力设计值中的较小者。

一个螺栓的受剪承载力设计值为：

式中 nv ― 受剪面数目，图 6 -23 （ a ）所示为单剪，取 nv =1 ，图6 =23 （ b ）所示为双剪，取 nv= 2 ;

fvb― 螺栓抗剪强度设计值（见规范表 3 . 4 . 1 -4 ），其值与螺栓的类别有关；

d― 螺栓杆直径，对高强度螺栓承压型连接，当剪切面处于螺纹处时应取螺纹处的有效直径进行计算，但对普通螺栓，不论剪切面是否处在螺纹处，一律取螺杆的直径进行计算。

一个螺栓的孔壁承压承载力设计值为：

式中 ∑t ― 在同一受力方向承压的构件较小总厚度；

fcb― 螺栓的．孔壁承压强度设计值（见规范表 3 . 4 . 1 一 4 ），其值与连接件的钢材牌号及螺栓的类别有关。

抗剪螺栓连接中一个螺栓的承载力设计值为：

式中，ηb是螺栓承载力设计值的折减系数，用于考虑当螺栓沿受力方向的连接长度过大时，螺栓受力不均匀（图 6 -27 ）的不利影响。折减系数ηb按下列公式计算：

式中 l1― 从连接一端的第一个螺栓到最末一个螺栓的中心距离；

d0― 螺栓孔直径。

（ 2 ）抗拉螺栓连接中的螺栓承载力设计值Ntb

一个螺栓的抗拉承载力设计值应按下式计算：

式中 de ― 螺栓在螺纹处的有效直径；

ftb― 螺栓的抗拉强度设计值（见规范表 3 . 4 . 1 -4 ），其值与螺栓的性能等级有关。

（ 3 ）同时承受剪拉的螺栓连接计算

规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力时，普通螺栓和承压型连接的高强度螺栓的承载能力必须满足下述公式：

式中 Nv、Nt ― 某个螺栓所受剪力和拉力的设计值；

Nvb、Ntb ― 一个螺栓单独受剪和受拉时的承载力设计值，见前式（ 6 -7 ）和式（ 6 -11 ）。

因为螺栓受到剪力作用，除按式（ 6 -12 ）验算螺栓的受力情况外，还应验算其孔壁承压强度，即

式（ 6 一 14 ）中的Ncb=d∑tfcb，由于在高强度螺栓连接中孔壁承压部分钢材三向受压，其承压强度设计值fcb较普通螺栓连接中有所提高。在同时承受剪力和沿螺栓杆轴方向的拉力时，三向受压中垂直板面方向的压力明显减小，此时承压型连接的高强度螺栓的fcb应适当降低。式（ 6 一 14 ）中之除以 1 . 2 就是考虑及此。

4．高强度螺栓摩擦型连接的计算

计算步骤与前面普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接计算中所述“四步曲”相同，但第一步和第四步中的计算方法不同，即计算单个螺栓承载力设计值的计算方法和构件净截面强度的验算方法两者不同，还有螺栓受弯时的内力分析也不尽相同，其余两者完全相同。因此，下面除介绍单个螺栓承载力设计值的计算方法外还将涉及轴心受力时构件净截面强度的验算和弯矩作用下螺栓内力的分析。首先介绍与高强度螺栓摩擦型连接承载能力密切相关的螺栓中的预拉力和摩擦面的抗滑移系数。

（ 1 ）高强度螺栓中的预拉力和摩擦面的抗滑移系数

高强度螺栓摩擦型连接主要是依靠拧紧螺帽使螺杆中产生较高的预拉力，从而使连接处的板叠间产生较高的预压力，而后依靠板件间的摩擦力传递荷载，并以摩擦力将要被克服时作为连接的承载能力极限状态。因此，螺栓中的预拉力值P和连接处板件间接触面的摩擦系数产（规范中称为抗滑移系数）是决定高强度螺栓摩擦型连接承载能力的两大关键因素。

螺栓中的预拉力是通过专用工具拧紧螺帽产生的。规范中规定了每个高强度螺栓的设计预拉力值P，其大小取决于螺栓的性能等级和螺栓的直径如表 6 -4 所列。表中所示一个螺栓的设计预拉力值 P 同时适用于摩擦型连接和承压型连接。

抗滑移系数μ的大小主要取决于摩擦面的平整度、清洁度和粗糙度。为了增加摩擦面的清洁度和粗糙度，需对连接处构件的接触面进行处理。为了避免板件接触面的不平整，高强度螺栓摩擦连接不应采用冲成孔。μ值的大小除与摩擦面的状况有关外，还与钢材的牌号有关。规范规定的连接处构件接触面的处理方法和摩擦面的抗滑移系数μ值见表 6 -5 所列。