高强度螺栓连接的构造和计算.docx
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高强度螺栓连接的构造和计算
高强度螺栓连接的构造和计算
一、高强度螺栓连接的工作性能
1、高强度螺栓的抗剪性能
2、高强度螺栓的抗拉性能
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:
式中
Pf—施工预拉力,为设计预拉力1/0.9倍;
k—扭矩系数平均值,由供货厂方给定,施工前复验;
d—高强度螺栓直径。
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。
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:
P=0.9×0.9×0.9
式中
Ae—螺栓的有效截面面积;
fu—螺栓材料经热处理后的最低抗拉强度。
对于8.8级螺栓,fu=830N/mm2;10.9级螺栓,fu=1040N/mm2。
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:
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。
螺栓公称直径(mm
螺栓的性能等级
M16M20M22M24M27M30
8.8级80125155180230285
10.9级100155190225290355
螺栓公称直径(mm
螺栓的性能等级
M12M14M16
8.8级456080
10.9级5575100
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。
构件的钢号
在连处构件接触面的处理方法
Q235Q345、Q230Q420喷砂0.450.500.50
喷砂后涂无机富锌漆0.350.400.40
喷砂后生赤锈0.450.500.50
钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面0.300.350.40
构件的钢号
连处构件接触面的处理方法
Q235Q345喷砂(丸0.400.45
热轧钢材轧制表面清除浮锈0.300.35
冷轧钢材轧制表面清除浮锈0.25--
注:
除锈方向应与受力方向相垂直
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,ì值与钢种有关。
试验证明,摩擦面涂红丹后ì<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ì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。
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:
式中
0.9—抗力分项系数ãR的倒数,即取ãR=1/0.9=1.111;
nf—传力摩擦面数目:
单剪时,;nf=2。
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:
Nv
Nvb+Nt
式中
Nv、Nt—某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力设计值;
Nvb、Ntb—1个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。
1、受剪连接承载力
2、受拉连接承载力
1、受剪连接承载力
2、受拉连接承载力
承压型连接高强度螺栓沿杆轴方向受拉时,规范给出了相应强度级别的螺栓抗拉强度设计值ftb≈0.48fub,抗拉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:
(Nv
Nvb
2+(
Nt
Ntb
式中
Nv、Nt—某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力设计值;
Nvb、Ntb、Ncb—1个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。
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。
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、高强度螺栓群受弯矩作用
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