普通螺栓与高强螺栓的构造及计算受力分析Word格式文档下载.docx

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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

=nv

（15—3-29）

承压

=d

（15-3-30）

取二者中的小者为一个螺栓的承载力，以

表示。

式中nv——一个螺栓的受剪面数目；

d--螺栓杆的直径；

——螺栓杆抗剪强度设计值；

——在同一受力方向承压构件的较小总厚度；

——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

=

=Ae

（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；

——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：

≤η

（15-3-32）

式中

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=1

15d0≤l1≤60d0时

η=1.1-

l1>

60d0时η=0.7

l1——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=

（15-3-33）

由于螺栓孔削弱了构件截面，应验算净截面强度

σ=

≤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—n1d0t

4．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=

≤

（15—3—36）：

式中Yi——各螺栓到A点距离；

Y1--Yi中的最大值；

—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。

（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：

=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：

=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：

（15—3—39

式中n——螺栓数

——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=

（15—3—40）

构件净截面所受力N’为

N’=N（1-0.5

）

（15—3—41）

Σ=

（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：

N1=

（15—3—43）

式中：

-----------螺栓群中心至最外一列螺栓距离

-----------------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=30d0

15d0<

l=30d0<

60d0,故:

=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。

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的横向水平支撑（上弦平面不一定水平而常是斜平面），是一个水平放置（或接近水平放置）的桁架。

桁架两端的支座是柱（或柱间支撑）或是桁架端部的竖向支撑。

这个支撑桁架的高度即为屋架的间距，通常是6m。

在屋架上弦平面内具有很大的抗弯刚度，在山墙传来的沿房屋纵向风荷载或悬挂吊车纵向制动力作用下，可以保证屋盖结构不产生过大的变形。

在工业厂房中常有起重量大而工作繁忙的桥式吊车或其他振动设备。

对屋盖结构的空间刚度和稳定性提出了更高的要求。

有时需要设置屋架下弦横向水平支撑和纵向水平支撑。

3．为受压弦杆提供侧向支承点

屋架上弦平面支撑可作为上弦杆（压杆）的侧向支承点，从而减少其出平面（垂直屋架平面方向）的计算长度。

如果没有屋架上弦平面支撑，则上弦出平面的计算长度等于上弦的全部长度，这样的压杆的稳定性是很差的，也是很不经济的。

采用屋架上弦平面横向支撑后，横向支撑桁架的节点就是屋架上弦压杆的侧向支承点，计算长度减少很多。

没有直接设置横向支撑桁架的屋架弦杆可由系杆与支撑桁架的节点连接，同样也能起到压杆（屋架弦杆）的侧向支承点的作用。

所以系杆也是支撑系统的组成部分，不能只重视支撑桁架的设计而忽视系杆的重要性。

4．承受和传递纵向水平力（风荷载、悬挂吊车纵向制动力、地震荷载等）

房屋两端的山墙挡风面面积较大，所承受的风压力或风吸力有一部分将传递到屋面平面（也可传递给屋架下弦平面）。

这部分的风荷载必须由屋架上弦平面横向支撑（有时同时设置屋架下弦平面横向支撑）承受。

所以，这种支撑一般都设在房屋两端，就近承受风荷载并把它传递给柱（或柱间支撑）。

5．保证结构在安装和架设过程中的稳定性

屋架是平面结构，安装时必须很快把两个屋架互相连接成简单的各具有一定稳定性的空间体，以便施工。

最先安装的是屋架与屋架间的竖向支撑。

（三）屋盖支撑布置

1．上弦横向水平支撑

在钢屋盖中，无论是有檩条的屋盖或采用大型钢筋混凝土屋面板的无檩屋盖，都应设置上弦横向水平支撑。

当屋架上有天窗架时，天窗架上弦也应设置横向水平支撑。

在天窗架范围内屋架上弦横向水平支撑应连续设置（连通），并应把禾窗架上弦横向水平支撑通过竖向支撑与屋架上弦横向水平支撑相连接。

上弦横向水平支撑通常设置在房屋两端（当有横向伸缩缝时设在温度区段两端）的第—或第二个开间内，以便就近承受山墙传来的风荷载等。

当设置在第二个开间内时，必须用刚性系杆（既能受拉也能受压，按压杆设计）将端屋架与横向水平支撑桁架的节点连接，保证端屋架上弦杆的稳定和把端屋架受到的风荷载传递到横向水平支撑桁架的节点上。

当无端屋架时，则应用刚性系杆与山墙的抗风柱连牢，作为抗风柱的支承点，并把这支承点所受的力传递给横向水平支撑桁架的节点。

上弦横向水平支撑的间距不宜超过60m。

当房屋纵向长度较大时，应在房屋长度中间再增加设置横向水平支撑。

大型钢筋混凝土屋面板本身虽有较大的刚度，但它与钢屋架的连接仅靠角部的预埋件与屋架上弦节点焊牢，施工中焊点质量不易保证，常易漏焊，且预埋件与混凝土的锚固质量也不易保证。

所以，大型钢筋混凝土屋面板不宜代替钢屋架的支撑。

特别是在有吊车或动力设备的工业厂房中，更不宜考虑大型钢筋混凝土屋面板起支撑或系杆作用。

在无振动影响的一般房屋中，也有把大型钢筋混凝土屋面板起部分系杆作用的。

2下弦横向水平支撑

下弦横向水平支撑与上弦横向水平支撑共同设置时，再加竖向支撑则使相邻两榀屋架组成六面盒式空间稳定体，对整个房屋结构的空间工作性能大有好处。

在一般房屋中有时不设置下弦横向水平支撑，相邻两榀屋架组成五面盒式空间稳定体，也能满足要求。

只有在有悬挂吊车的屋盖，有桥式吊车或有振动设备的工业房屋或跨度较大（l≥18m）的一般房屋中，必需设置下弦横向水平支撑。

3．下弦纵向水平支撑

在有桥式吊车的单层工业厂房中，除上、下弦横向水平支撑外，还设置下弦纵向水平支撑。

当有托架时，在托架处必须布置下弦纵向水平支撑。

4．竖向支撑

在梯形屋架两端必须设置竖向支撑，它是屋架上弦横向水平支撑的支承结构，它将承受上弦横向水平支撑桁架传来的水平力并将其传递给柱顶（或柱间支撑）。

它和上弦横向水平支撑同样重要，是必不可少的受力支撑。

此外，在屋架跨度中间，根据屋架跨度的大小，设置一道或二道竖向支撑，它将在上述六面（五面）盒式空间稳定体中起横隔作用。

在施工过程中，它还起安装定位时的架设支撑作用。

梯形屋架当跨度L≤30m，三角形屋架当跨度L≤24m时，仅在屋架跨度中央设置一道竖向支撑。

当屋架跨度大于上述数值时，应在跨度三分点附近或天窗架侧柱处设置二道竖向支撑。

竖向支撑本身是一个平行弦桁架，根据其高跨比不同，腹杆可布置成单斜杆式或交叉斜杆式。

当屋架上有天窗时，天窗也应设置竖向支撑，作为天窗架上弦横向水平支撑的支承结构。

把天窗架上弦横向水平支撑承受的水平力传递到屋架上弦横向水平支撑的节点上。

沿房屋的纵向，竖向支撑应与上下弦横向水平支撑设置在同一开间内。

有时为了施工架设方便起见，也可每隔几个开间另外增设一些竖向支撑。

5．系杆

在一幢房屋的屋盖结构中，以一个空间稳定体作为核心，其他屋架的上下弦节点都可以用系杆与空间稳定体的有关节点连接，即可作为其他各屋架的侧向支承点而保证各屋架的空间稳定性。

但这些系杆可能受拉，也可能受压，应按压杆设计，常称为刚性系杆。

要求较大的截面尺寸和回转半径，用料很不经济。

通常是在房屋的两端（第一或第二个开间）各设置一个空间稳定体。

中间的其他屋架分别用系杆与两端空间稳定体的有关节点连接。

同样也可以作为中间的其他屋架的侧向支承点，而且这种系杆只需承受拉力，当它承受压力时可退出工作而由另一侧的系杆受拉即可，这种系杆按拉杆设计，可以充分发挥钢材的强度，常称为柔性系杆。

虽然多设了一个空间稳定体而多用了交叉支撑的钢材，但能把大量；

刚性系杆改为柔性系杆，还是能够节约钢材的。

柔性系杆把许多中间屋架与空间稳定体连接起来，如中间屋架的数量太多，柔性系杆的总长度太大，其效果则越差，故两个空间稳定体的间距不宜大于60m。

（四）支撑的计算和构造

屋架的上、下弦横向水平支撑都是利用屋架的弦杆（上弦和下弦）兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般都采用十字交叉的体系。

这种平行弦杆交叉斜腹杆体系的支撑桁架的刚度大，用料省。

其中的斜腹杆常采用单角钢做成，因交叉设置，受力时一根虽拉则另一根受压，常假定受压的这根单角钢因弯扭屈曲而退出工作。

只有受拉的一根单角钢斜杆参加桁架受力工作。

这样桁架在受力时属于静定结构，受力明确，计算简单。

当荷载反向作用时（如风荷载反向作用），斜腹杆受力变更，仍是一根参加受力工作，另一根变扭屈曲而退出工作。

对于屋架跨度较小而无振动设备的房屋，支撑桁架的交叉斜腹杆也可用圆钢做成。

用圆钢代替角钢更为经济。

但采用圆钢时必须有拉紧装置（花篮螺栓），且其直径d≥16mm。

直腹杆和刚性系杆按压杆计算，采用双角钢组成十字形或T形截面。

一般认为屋盖支撑受力较小，支撑截面尺寸大多是由杆件的容许长细比和构造要求而定。

按拉杆设计斜腹杆和柔性系杆等的容许长细比为400，按压杆设计的直腹杆和刚性系杆等的容许长细比为200。

当屋架跨度较大，房屋较高、基本风压较大时，支撑系统除应满足容许长细比的要求以外，还应根据外荷载作用，通过力学计算（图15-4-9）求得杆件内力后，由计算确定杆件截面尺寸。

支撑与屋架连接构造要简单、安装要方便，一般采用粗制螺栓，直径20mm（M20），杆件每端至少有两个螺栓。

三、普通钢屋架

（一）屋架的形式和主要尺寸

1．屋架的外形及腹杆布置

屋架的外形可为三角形、梯形和矩形等，在确定屋架外形时应考虑房屋用途、建筑造型和屋面材料的排水要求。

从受力角度出发，屋架外形应尽量与弯矩图相近，以使弦杆受力均匀，腹杆受力较小。

腹杆的布置应使杆件受力合理，节点构造易于处理，尽量使长杆受拉，短杆受压，腹杆数量少而总长度短，弦杆不产生局部弯矩，腹杆与弦杆的交角宜在350—550之间，最好在450左右。

上述种种要求彼此之间往往矛盾，不能同时满足，应根据具体情况解决主要矛盾，全面考虑，合理设计。

（1）三角形屋架

三角形屋架（图15-4-11）用于屋面坡度较大的屋盖结构中。

当屋面材料为机平瓦或石棉瓦时，要求屋架的高跨比为1／4--1／6。

这种屋架与柱子多做成铰接，因此房屋的横向刚度较小。

屋架弦杆的内力变化较大，弦杆内力在支座处最大，在跨中最小，故弦杆截面不能充分发挥作用。

一般宜用于中、小跨度的轻屋面结构。

荷载和跨度较大时，采用三角形屋架就不够经济。

（2）梯形屋架

梯形屋架（图15-4-12）的外形比较接近于弯矩图，受力情况较三角形屋架好，腹杆较短，一般用于屋面坡度较小的屋盖中。

梯形屋架与柱的连接，可做成刚接，也可做成铰接。

这种屋架已成为工业厂房屋盖结构的基本形式。

梯形屋架一般都用于无檩屋盖，屋面材料大多用大型屋面板，应使上弦节间长度与大型屋面板尺寸相配合，使大型屋面板的主肋正好搁支在屋架上弦节点上。

上弦不产生局部弯矩；

如节间长度过大，可采用再分式腹杆形式。

（3）矩形（平行弦）屋架

矩形（平行弦）屋架（图15-4-13）的上、下弦平行，腹杆长度一致，杆件类型少，能符合标准化、工业化制造的要求。

这种屋架一般用于托架或支撑体系。

2．屋架的主要尺寸

（1）屋架的跨度

屋架的跨度（即柱子的横向间距）应首先满足房屋的工艺和使用要求，同时考虑结构布置的合理性，使屋架与柱子的总造价为最小。

无檩屋盖中钢屋架的跨度应与大型屋面板的宽度配合，有12m、15m、18m、21m、24m、27m、30m、33m、36m等几种。

有檩屋盖结构中的三角形屋架跨度比较灵活，不受3m模数的限制，而可以任意决定。

钢屋架的计算跨度决定于支座的间距及支座的构造。

在一般的工业厂房中屋架的计算跨度取支柱轴线之间的距离减去0．3m。

（2）屋架的高度

屋架的高度应根据经济、刚度、建筑等要求以及屋面坡度，运输条件等因素来确定。

当屋面材料要求屋架具有较大的排水坡度时应采用三角形屋架，三角形屋架的高度为h=（1／4--1／6）l。

梯形屋架的屋面坡度较平坦，屋架跨中高度应满足刚度要求，当上弦坡度为1／8--1／12时，跨中高度一般为（1／6—1／10）l。

跨度大（或屋面荷载小）时取小值跨度小（或屋面荷载大）时取大值。

梯形屋架的端部高度：

当屋架与柱铰接时为1.6~2.2m，刚接时为1．8--2．4m。

端弯矩大时取大值，端弯矩小时取小值。

屋架上弦节间的划分，主要根据屋面材料而定，尽可能使屋面荷载直接作用在屋架节点上，使上弦不产生局部弯矩。

对采用大型屋面板的无檩屋盖，上弦节间长度应等于屋面板的宽度，一般为1．5m或3m。

当采用有檩屋盖时，则根据檩条的间距而定。

一般为0．8--0．3m。

屋架的跨度和高度确定之后，各杆件的轴线长度可根据几何关系求得。

（二）屋架杆件内力计算

1．计算屋架杆件内力时常采用的基本假定：

（1）屋架的节点为铰接；

（2）屋架所有杆件的轴线都在同一平面内，且相交于节点的中心；

（3）荷载都作用在节点上，且都在屋架平面内。

上述假定是理想的情况，实际上由于节点的焊缝连接具有一定的刚度，杆件不能自由转动，因此节点不完全是铰接，故在屋架杆件中有一定的次应力。

根据分析，对于角钢组成的T形截面，次应力对屋架的承载能力影响很小。

设计时可以不予考虑。

但对