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钢结构的螺栓连接
钢结构的螺栓连接
螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两大类。
(1)普通螺栓连接
普通螺栓分为A、C三级。
A级与B级为精制螺栓,C级为粗制螺栓。
A、B级精制螺栓表面光滑,尺寸准确,对成孔质量要求高,制作和安装复杂,价格校
高,已很少在钢结构中采用。
A、B级精制螺栓的区别仅是螺栓杆长度不同。
C级螺栓一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中,以及次要结构的抗剪连接或安装时的临
时固泄0
(2)高强度螺栓连接
高强度螺栓连接有摩擦型连接和承压型连接两种类型。
摩擦型连接:
只依靠被连接板件间强大的摩擦力传力,以摩擦力被克服作为连接承载
力的极限状态。
为了提高摩擦力,对被连接件的接触而应进行处理。
承压型连接:
允许接触面发生相对滑移,以栓杆被剪坏或被承压破坏作为连接承载力
的极限状态。
高强度螺栓性能等级包括&8级和10.9两种。
摩擦型连接的螺栓孔径比螺栓公称宜径d大L5-2.Omm,承压型连接的螺栓孔径比螺
栓公称直径d大1.0-1.Snmio
承压型连接的承载力比摩擦型连接高,可节约螺栓。
但剪切变形大,故不得用于承受动
力荷载的结构中。
一、螺栓连接排列的构造要求
4
总一
学一
图1钢板的螺栓(钾钉)排列
根据受力、构造和施工要求,规范规定了连接板件上螺栓和锣卩钉的最大和最小容许距离•除应满足此最大最小距离外,尚应充分考虑拧紧螺栓时的净空要求。
2.普通螺栓连接的工作性能和计算
b普通螺栓的抗剪连接
(1)抗剪连接的工作性能
W)
图2螺栓抗剪连接的破环形式
螺栓抗剪连接达到极限承载力时,可能的破坏形式有四种形式:
1当栓杆直径较小时,栓杆可能先被剪断:
2当栓杆宜径较大时,板件较薄时,板件可能先被挤坏,由于栓杆和板件的挤压是相对的,故也可把这种破坏叫做螺栓承压破坏:
3板件截而可能因螺栓孔削弱截而太多而被拉断:
4端距太小•端距范用内的板件有可能被栓杆冲剪破坏。
第③种破坏形式属于构件的强度计算:
第④种破坏形式由螺栓端距&来保证。
因此,抗剪螺栓连接的计算只考虑第①.②种破破形式。
(2)单个普通螺栓的抗剪承载力
普通螺栓连接的抗剪承载力,应考虑螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况。
假定螺栓受剪而上的剪应力是均匀分布的,则单个抗剪螺栓的抗剪承载力设讣值为
(1)
式中心受剪而数目,单剪心=1.双剪%=2,四剪叫・=4:
d一一螺栓杆直径(螺栓的公称直径):
f:
一一螺栓抗剪强度设计值。
假;螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上,而且假企该承压面上的应力为均匀分布•则单个抗剪螺栓的承乐承载力设汁值式为
式中工f——在同一受力方向的承压构件的较小总厚度:
//一一螺栓承压强度设汁值。
图s螺栓承压的计算承压面积
一个螺栓抗剪承载力设计值取N:
与N:
的较小值N幕。
2.普通螺栓群抗剪连接计算
(1)普通螺栓群轴心受剪
螺栓群的抗剪连接承受轴心力时,螺栓群在长度方向各螺栓受力不均匀,两端大中间小。
"予以降低:
为防止端部螺栓提前破坏,当厶>15么时,螺栓的抗剪和承压承载力设il•值应乘以折减系数
帀=门_150心
厶>60也时,"=0・7。
图4连接《栓的内力分布
螺栓群的抗剪连接承受轴心力时,町认为轴心力再由每个螺栓平均分担,螺栓数C为
(4)
N
CT~
N•
*mm
(2)普通螺栓群偏心受剪
图5所示为螺栓群承受偏心剪力的情形,剪力尸的作用线至螺栓群中心线的距离为C故螺栓群同时受到轴心力尸和扭矩T=F・e的共同作用。
在轴心力作用下可认为每个螺栓平均受力.则
图5螺栓群的偏心受剪
螺栓群在扭矩*斤作用下,毎个螺栓均受剪。
连接的讣算基于下列假设:
①被连接板件为绝对刚性时,螺栓为弹性的:
②被连接板件绕螺栓群形心旋转,各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离r,成正比,其方向勺连线该螺栓至形心垂直。
设0为螺栓群栓杆截而的形心,螺栓1距形心0最远,其所受剪力阴最大:
(5)
将N:
分解为水平分力Nj和垂直分力nJ
(7)
由此可得螺栓群偏心受剪时,受力最大的螺栓1所受合力为
/\
7
■
f",F]
llx+m丿
十
沁(8)
当螺栓群布置在一个狭长带,y:
>3A.时,可取*=0以简化计算,则上式为
(9)
Ty\
3.普通螺栓的抗拉连接
(1)单个普通螺栓的抗拉承载力
抗拉螺栓连接在外力作用下,螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断。
单个抗拉螺栓的承载
力设计值为:
式中d一一螺栓的有效直径:
f:
一一螺栓抗拉强度设计值。
为了考虑撬力的影响,规范规定普通螺栓抗拉强度设计值乞"取螺栓钢材抗拉强度设
计值/的0.8倍(即7;“=0・8/)°
(3)普通螺栓群在弯矩作用下受拉
普通螺栓群承受弯矩
图7所示为螺栓群在弯矩作用下的抗拉连接(剪力V通过承托板传递)°当计算其形心位置作为中和轴时,所求得的端板受压区高度C总是很小,中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位宜。
因此,实际il•算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓0处,R卩认为连接变形为绕0处水平轴转动,螺栓拉力与0点算起的纵坐标y成正比。
』:
/必=N=/y:
=•••=Ni/y:
=•••=Nn/ya
•疟人说+用*+•••+Niyi+•••+Nays
故得螺栓2的拉力为:
(11)
设计时要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超一个螺栓的抗拉承载力设讣值:
(12)
X=My-/工y:
WN;
⑷普通螺拴群偏心受拉
由图8a可知,螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力"和弯矩・m・-e的共同作
用。
按弹性设计法,根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。
1)小偏心受拉
小偏心情况(图8b),所有螺栓均承受拉力作用,端板与柱翼缘有分离趋势,故在计
算时轴心拉力"由各螺栓均匀承受:
而弯矩M则引起以螺栓群形心0处水平轴为中和轴的三
角形应力分布(图8b),使上部螺栓受拉,下部螺栓受压:
叠加后则全部螺栓均为受拉(图
84b)O这样可得最大和最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下(各y均自0点算
起):
式(13)表示最大受力螺栓的拉力不超过一个螺栓的承载力设计值:
式(14)则表示全
部螺栓受拉,不存在受压区。
由此式可得尼亠0时的偏心距(砒,)°令"
WC
一「=》>:
/(砂J为螺栓有效截面组成的核心距,即eWQ时为小偏心受拉。
nA^J
2)大偏心受拉
当偏心距e较大时,即e>P=工y:
/(at,)时,则端板底部将出现受压区(图8c)「
近似并偏安全取中和轴位于最下排螺栓C处,按柑似步骤写对0’处水平轴的弯矩平衡方程•可得(J和各”自点算起,最上排螺栓1的拉力最大):
M/y[=y2-•••=用/#=•••=NJ
•炉A:
y[+•£『;+•••+A;y;+••
的兄〉
(馬/W〉>v+<.WyOy?
+•
(15)
4.普通螺栓受剪力和拉力的共同作用
-j-——
I
I
…-二丘
flI
4
图9螺栓群受剪力和拉力共同作用
图9所示连接,螺栓群承受剪力和偏心力』•(即轴心拉力”和弯矩e)的共同作用。
承受剪力和拉力共同作用的普通螺栓应考虑两种可能的破坏形式:
一是螺杆受剪兼受拉破坏:
二是孔壁承圧破坏。
螺杆计算式为
法讣算。
个螺栓的抗剪和抗拉承载力设计值。
孔壁承压的计算式为
(17)
■
+
1皿丿
&丿
•个螺栓孔壁承压承载力设汁值。
3.高强度螺栓连接的工作性能和计算
b离强度螺栓连接的工作性能
高强度螺栓连接按其受力特征分为摩擦型连接和承压型连接两种类型。
摩擦型连接是
依靠被连接件之间的摩擦力传递内力,并以荷载设计值引起的剪力不超过摩擦力作为设计
准则0螺栓的预拉力只摩擦而间的抗滑移系数和钢材种类等都直接影响到髙强度螺栓连
(1)预拉力的确定
高强度螺栓的预拉力设计值尸由式(18)计算,并取5kN的整数倍值。
式中耳一一螺栓螺纹处的有效而积:
A一一螺栓经热处理后的最低抗拉强度:
式(18)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力矩引起的扭转剪应力作用。
试验表明,可取系数1.2考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响。
2施工时为了弥补髙强度螺栓预拉力的松弛损失,一般超张拉5%'10%,为此考虑一
个超张拉系数a9;
3考虑螺栓材质的不均匀性,引进一折减系数a9;
4由于以螺栓的抗拉强度为准,为安全再引入一个附加安全系数0.9。
(2)高强度螺栓摩擦而抗滑移系数
高强度螺栓摩擦而抗滑移系数的大小与连接处构件接触而的处理方法和构件的钢号有关。
试验表明,此系数值随被连接构件接触面间的压紧力减小而降低。
2.高强度螺栓抗剪连接的工作性能
(1)高强度螺栓墜擦型连接
一个摩擦型连接髙强度螺栓的抗剪承载力设汁值为:
(19)
式中0.9——抗力分顶系数n的倒数:
处一一传力摩擦而数目:
单剪时,n,=l;双剪时,处=2:
F个高强度螺栓的设讣预拉力;
“一一摩擦而抗滑務系数。
(2)高强度螺栓承压型连接
承斥型连接受剪时,il•算方法与普通螺栓连接相同,仍可用式
(1)和式
(2)计算单个螺栓的抗剪承载力设计值,只是应采用高强度螺栓的强度设计值。
当剪切面在螺纹处时,高强度螺栓承压型连接的抗剪承载力应按螺纹处的有效截面il算。
3-高强度螺栓抗拉连接的工作性能
汁算表明,当加于螺杆上的外拉力・\;为预拉力尸的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。
因此,为使板件间保留一;^的压紧力,规范规定,在杆轴方向受拉力的高强度螺栓摩擦型连接中,一个高强度螺栓抗拉承载力设il•值取为:
(20)
4.高强度螺栓同时承受剪力和外拉力连接的工作性能
(1)高强度螺栓摩擦型连接
一个摩擦型连接高强度螺栓同时承受剪力和外拉力作用时的承载力il•算式为:
(2)高强度螺栓承压型连接
同时承受剪力和杆轴方向拉力的高强度螺栓承压型连接的计算方法与普通螺栓相同,即
/、2
对于兼受剪力和杆轴方向拉力的高强度螺栓承压型连接,除按式(22)计算螺栓的强度
外,尚应按下式计算孔壁承压:
式中“:
一只承受剪力时孔壁承压承载力设讣值:
於一高强度螺栓承压型连接在无外拉力状态的值。
5.高强度螺栓群的抗剪计算
(1)轴心力作用时
髙强度螺栓群抗剪连接所需螺栓数目由下式确定
(24)
mm
对摩擦型连接,nN%HP
对承圧型连接,N:
油分别按式
(1)与式
(2)i|•算的较小值。
当剪切面在螺纹处时式
(1)中应将d改为丛。
(2)扭矩或扭矩、剪力共同作用时
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讣值进行讣算。
6.高强度螺栓群的抗拉计算
(1)轴心力作用时
高强度螺栓群连接所需螺栓数目
(25)
式中—在杆轴方向受拉力时,一个高强度螺栓(摩擦型连接或承压型连接)的承载力
设计值。
(2)高强度螺栓群因弯矩受拉
认为中和轴在螺栓群的形心轴上(图10),最外排螺栓受力最大。
高强度螺栓群因弯
矩受拉时,最大拉力及其验算式为:
式中尸,一螺栓群形心轴至螺栓的最大距离;
工y:
—形心轴上、下各螺栓至形心轴距离的平方和。
图10承受弯矩的离强度*栓连接
(3)高强度螺栓群偏心受拉
高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接均可按普通螺栓小偏心受拉计算,EP:
(27)
(4)奇强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用
图
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