1、本科教学本科教学第5章 钢结构的紧固件连接钢结构-原理与设计中南大学中南大学 土木工程学院土木工程学院 欧阳震宇欧阳震宇第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇5.1 5.1 螺栓连接概述螺栓连接概述2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇精制螺栓精制螺栓粗制螺栓粗制螺栓代号代号A A级和级和B B级级C C级级强度等级强度等级5.65.6级和级和8.88.8级级4.64.6级和级和4.84.8级级加工方式加工方式车床上经过切削而成车床上经过切削而成单个零件上一次冲成单个零件上一次冲成加工精度加工精
2、度螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为0.250.250.5mm0.5mm螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为1.51.53mm3mm抗剪性能抗剪性能好好较差较差经济性能经济性能价格高价格高价格经济价格经济用途用途构件精度很高的结构（机械构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采结构）；在钢结构中很少采用用沿螺栓杆轴受拉的连接；次沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时要的抗剪连接；安装的临时固定固定1. 1. 普通螺栓连接普通螺栓连接2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇2. 2. 高强度螺栓连接高强度螺栓连接高
3、强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的合称。合称。由由4545号、号、40B40B和和20MnTiB20MnTiB钢经过热处理加工而成。钢经过热处理加工而成。 4545号号8.88.8级；级；40B40B和和20MnTiB20MnTiB10.910.9级级（a）大六角头螺栓）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓）扭剪型螺栓2022-6-9 （a）大六角头螺栓）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓）扭剪型螺栓第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较高强度螺栓摩擦型连
4、接高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接高强度螺栓承压型连接传力机理传力机理利用预拉力把被连接的部利用预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力，外间产生很大的摩擦力，外力通过摩擦力来传递力通过摩擦力来传递允许接触面滑移，依靠螺栓杆允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺孔之间的承压来传力和螺孔之间的承压来传力栓孔直径栓孔直径螺杆的公称直径螺杆的公称直径+1.5+1.52.0mm2.0mm螺杆的公称直径螺杆的公称直径+1.0+1.01.5mm1.5mm特点特点剪切变形小，弹性性能好，剪切变形小，弹性性能好，特别适用于承受动力荷载特别适用于承受动力荷载的结构的结构连
5、接紧凑，但剪切变形大，不连接紧凑，但剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构得用于承受动力荷载的结构2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇铆钉连接及特点铆钉连接及特点 铆钉连接铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆是用一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达到紧固。到紧固。缺点缺点费工费料、劳动强度高。费工费料、劳动强度高。目前承重钢结构连接中已很少应用。目前承重钢结构连接中已很少应用。优点优点
6、传力可靠，塑性、韧性好，传力可靠，塑性、韧性好，动力性能好动力性能好2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇连接方法连接方法优优 点点缺缺 点点焊焊 接接对几何形体适应性强，构对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于造简单，省材省工，易于自动化，工效高自动化，工效高 。焊接残余应力大且不易控制，焊接残余应力大且不易控制，焊接变形大。对材质要求高，焊接变形大。对材质要求高，质量检验工作量大。质量检验工作量大。 铆铆 接接传力可靠，韧性和塑性好，传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷质量易于检查，抗动力荷载好。载好。 费钢、费工费
7、钢、费工 。目前很少采用目前很少采用普通螺栓普通螺栓连接连接装卸便利，设备简单装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度栓精度高时加工和安装难度较大较大 。高强螺栓高强螺栓连接连接 加工方便，对结构削弱少，加工方便，对结构削弱少，能承受动力荷载，耐疲劳，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好塑性、韧性好 。摩擦面处理，安装工艺略为摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高复杂，造价略高 主要连接方法及优缺点主要连接方法及优缺点2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇螺栓规格螺栓规格精制螺栓精制螺栓
8、粗制螺栓粗制螺栓分类分类A A级和级和B B级级C C级级强度等级强度等级5.65.6级和级和8.88.8级级4.64.6级和级和4.84.8级级加工方式加工方式车床上经过切削而成车床上经过切削而成单个零件上一次冲成单个零件上一次冲成加工精度加工精度螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为0.250.250.5mm0.5mm螺杆与栓孔直径之差为螺杆与栓孔直径之差为1.51.53mm3mm受力特点受力特点抗剪差、抗拉好抗剪差、抗拉好抗剪抗拉均好抗剪抗拉均好经济性能经济性能价格高价格高价格经济价格经济用途用途构件精度很高的结构（机械构件精度很高的结构（机械设备用设备用）；）；在钢结构中很少在钢结构
9、中很少采用采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时要的抗剪连接；安装的临时固定固定5.2 5.2 普通螺栓连接的构造普通螺栓连接的构造注：注：A、B两级的区别只是尺寸不同。两级的区别只是尺寸不同。 A级用于级用于d24mm, l150mm的的螺栓，螺栓，B级用于级用于d24mm, l150mm 螺栓。螺栓。 2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇常用螺栓直径：常用螺栓直径：d=16，20，24mm，用，用M表示，如表示，如M16。螺栓符号螺栓符号螺栓孔为螺栓孔为d0=d+1.53mm2022-6-9M
10、12、 M16大大1.5mm； M18、 M20 、 M22 、M24大大2mm； M27、 M30大大3mm第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇5.2.1 螺栓的排列和构造要求螺栓的排列和构造要求 螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。又便于安装。排列的方式有并列排列和错列排列两种排列的方式有并列排列和错列排列两种。图图5.2.1 螺栓的排列方式螺栓的排列方式1.1.螺栓的排列螺栓的排列并列方式并列方式 比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对比较简单整齐，
11、所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大；构件截面的削弱较大；错列方式错列方式 可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓空排列不如并列紧凑，可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓空排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。连接板尺寸较大。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇(1)(1)受力要求受力要求 下限：下限：防止孔间板破裂防止孔间板破裂3d0上限：上限：防止板间张口和鼓曲防止板间张口和鼓曲。b）螺孔中心距限制）螺孔中心距限制a）端距限制）端距限制防止孔端钢板剪断防止孔端钢板剪断，2d0 ；中心距太大中心距太大2d端距过小端距过小
12、（2 2）构造要求）构造要求 螺栓的中距及边距过大，则构件接触面不够紧密，螺栓的中距及边距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。（3 3）施工要求）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇端距端距边距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距端距端距端距端距中距中距边距边距线距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0边距边距规范规定规范规定：u螺栓的最大、最小
13、容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且螺栓的最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取宜取5mm5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸；的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸；u最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼
14、接接头一端不宜少于两个永久螺栓；个永久螺栓；2.2.螺栓的其它构造要求螺栓的其它构造要求 直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；松动； C C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接： 承受静载或间接动载的次要连接；承受静载或间接动载的次要连接； 承受静载的可拆卸结构连接；承受静载的可拆卸结构连接； 临时固定构件的安装连接。临时固定构件的安装连接。 沿杆轴方向受拉螺栓连接的端板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺沿杆轴方向受拉螺栓连接的端
15、板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。栓抗拉承载力的不利影响。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇5.3 普通螺栓连接（根据受力形式）普通螺栓连接（根据受力形式） 螺栓连接的受力形式分为：螺栓连接的受力形式分为：A：只受剪力；只受剪力；B：只受拉只受拉力；力；C: 同时受剪力和拉力作用。同时受剪力和拉力作用。 FFA A 剪力螺栓剪力螺栓NB B 拉力螺栓拉力螺栓C C 剪力和拉力共剪力和拉力共同作用同作用受力垂直螺杆，承剪受力垂直螺杆，承剪连接件有错动趋势连接件有错动趋势受力平行螺杆，承拉受力平行螺杆，承拉连接件
16、有脱开趋势连接件有脱开趋势2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇NO1234NNabNN/2N/2对图示螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验, ,即可得到板即可得到板件上件上a a、b b两点相对位移两点相对位移与作用力与作用力N N的关的关系曲线系曲线, ,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段力的四个阶段1. 1. 受剪连接的工作性能受剪连接的工作性能 (1) 摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(01段段) 直线段直线段连接处于弹性状态；连接处于弹性状态； 该阶段较短该阶段较短摩擦力较小。摩擦力
17、较小。(2) 滑移阶段滑移阶段(12段段) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表现在曲线上为水平段。现在曲线上为水平段。 2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇NO1234abNN/2N/2(3) 栓杆传力的弹性阶段栓杆传力的弹性阶段(23段段) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的
18、由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态关系以曲线状态上升。上升。 (4) 弹塑性阶段弹塑性阶段(34段段) 达到达到3 3后，即使给荷载以很小的增量，后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。4 4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力连接的极限承载力Nu。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇a) 螺杆被剪断；螺杆被剪断； b) 连接件孔壁挤压破坏；连接件孔壁挤压破坏；c
19、) 钢板拉断；钢板拉断；d) 钢板冲剪破坏；钢板冲剪破坏；e) 螺杆弯曲破坏螺杆弯曲破坏 。 2.2.受剪螺栓的破坏形式受剪螺栓的破坏形式a)AB栓杆较细而板件较厚时栓杆较细而板件较厚时b)BA栓杆较粗而板件较薄时栓杆较粗而板件较薄时c)A截面削弱过多截面削弱过多d)3535a1A端矩过小时；端矩端矩过小时；端矩2d0e)A板过厚螺栓杆过长；栓杆长度板过厚螺栓杆过长；栓杆长度5da)、b)、c)通过计算解决通过计算解决d)、e) 通过构造解决通过构造解决2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇单个剪力螺栓的设计承载力：单个剪力螺栓的设计承
20、载力：受剪承载力设计值：受剪承载力设计值：承压承载力设计值：承压承载力设计值：d3.3.单个普通螺栓的受剪计算单个普通螺栓的受剪计算 剪力螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单剪力螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定栓抗剪承载力由以下两式决定: :bv2vbv4fdnN（3.5.1）bcbcf tdN（3.5.2）bvbcbmin,minNNNp 假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布 ；p 假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布栓杆直径平
21、面的孔壁部分）均匀分布验算：验算：bvminNN2022-6-9nv-剪面数目剪面数目d-螺栓直径螺栓直径第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇受剪承载力设计值：受剪承载力设计值：bv2vbv4fdnN承压承载力设计值：承压承载力设计值：bcbcf tdNt1 t2 ,t= t1t1t2t1t2t3t2 t1+ t2 ,t= t2d+b15d0(d0为孔径为孔径)时，各个螺栓内力难以均匀，端部时，各个螺栓内力难以均匀，端部螺栓受力最大首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的螺栓受力最大首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪抗剪强度折减系数强度折减
22、系数 与与l1/d0的关系曲线。的关系曲线。0101015601.1(3.5.4*)150dldld当时：7 .06001 时时：当当dl则连接所需栓数：则连接所需栓数：bminNNn(3.5.5)因此因此规范规范采用承载力折减系数采用承载力折减系数 考虑螺栓群受力不均。考虑螺栓群受力不均。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F（2 2）普通螺栓群偏心受剪）普通螺栓群偏心受剪F作用下每个螺栓受力：作用下每个螺栓受力：)6 . 5 . 3(1nFNF基本假设基本假设 连接件绝对刚性连接件
23、绝对刚性, , 螺栓弹性；螺栓弹性； T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离的距离ri成正比，方向与它和形心的连线垂直。成正比，方向与它和形心的连线垂直。V=FT=Fe2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇1T 12T 2T T TTiinnN rN rN rN rT（a）TxyN1TN1TxN1Tyr11显然，显然，T作用下作用下1号螺栓所受剪力最大（号螺栓所受剪力最大（r1最大）。最大）。根据平衡条件得：根据平衡条件得：1T1nnT1T133T1T12
24、2T,NrrNNrrNNrrN（c） 将将（c）式代入式代入（a），），得用得用N1T表达的表达的T式：式： TrrNrrrrrNnii12i11T223222111T由各螺栓剪力与由各螺栓剪力与r成正比：成正比：nnT3322T11TrNrTNrNrN（b）由各剪力都用由各剪力都用N1表示：表示：2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇221211iiiTyxTrrTrN螺栓螺栓1离形心最远是危险螺栓离形心最远是危险螺栓, ,最大剪力最大剪力N1T:将将N1T它分解为水平和竖直分力：它分解为水平和竖直分力： 221111T1Tyiiyx
25、TxrxNN（3.5.8）xi第第i个螺栓中心的个螺栓中心的x坐标，坐标，yi第第i个螺栓中心的个螺栓中心的y坐标坐标y1TNoxx11TxN1TyN1r1y11FN 221111T1TxiiyxTyryNN( 3.5.7)验算剪力最大螺栓验算剪力最大螺栓: :bmin21F1Ty21Tx1NNNNN（3.5.9）此时计算此时计算F作用下的螺栓内力时，不需考虑长接头的折减系数作用下的螺栓内力时，不需考虑长接头的折减系数)6 . 5 . 3(1nFNF2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇y1TNoxx11TxN1TyN1r1y11FN如
26、果如果y13x1，则可假定，则可假定xi=0 。 由此得由此得N1Ty=0，11Tx2iTyNy则计算式为：则计算式为：bmin22211NnFyTyNi（3.5.10）如果如果x13y1，则可假定，则可假定yi=0 。由此得。由此得N1Tx=0，11Ty2iTxNx则计算式为：则计算式为：2b11min2iTxFNNxn（3.5.10）2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇5.3.2 普通螺栓的受拉连接普通螺栓的受拉连接1.1.普通螺栓受拉的工作性能普通螺栓受拉的工作性能b) 试验证明影响撬力的因素试验证明影响撬力的因素较多，其大小难
27、以确定，规较多，其大小难以确定，规范将螺栓的抗拉强度设计值范将螺栓的抗拉强度设计值降低降低2020来考虑撬力的影响，来考虑撬力的影响，取取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗螺栓钢材的抗拉强度设值拉强度设值）。a) 螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q Q）并产生弯曲现象。连接件刚）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。度越小撬力越大。 图图3.5.
28、6 受拉螺栓的撬力受拉螺栓的撬力 QNNt2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇c) 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。加劲肋加劲肋图图5.5.7 翼缘加强的措施翼缘加强的措施 2.2.单个普通螺栓受拉承载力单个普通螺栓受拉承载力bt2ebtebt4fdfAN（5.5.11）Ntb单个螺栓抗拉承载力；单个螺栓抗拉承载力；Ae 螺栓螺纹处的有效面积；螺栓螺纹处的有
29、效面积；de 螺栓有效直径；附表螺栓有效直径；附表9.2 (P455) ftb 螺栓的抗拉强度设计值。螺栓的抗拉强度设计值。 ftb 0.8f假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，则一个拉力螺栓的承载力匀分布，则一个拉力螺栓的承载力设计值：设计值：2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇dedndmd133()(5.5.12)24eddPP螺距螺栓的有效截面面积螺栓的有效截面面积 因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径径de而不是净直径而不是净直径dn，
30、现行国家标准取：，现行国家标准取：2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇NNbtt1b111n110AbndtNNtt1bc2c3c4c11122n42122021;Acnccn dt螺栓并列布置按最危险的正螺栓并列布置按最危险的正交截面（交截面（）计算：）计算：螺栓错列布置可能沿正交截面螺栓错列布置可能沿正交截面（）破坏，也可能沿齿（）破坏，也可能沿齿状截面（状截面（ ）破坏，取截）破坏，取截面的较小面积计算：面的较小面积计算：2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇（1 1）栓
31、群轴心受拉）栓群轴心受拉 当外力通过螺栓群形心时，当外力通过螺栓群形心时，一般假定每个螺栓均匀受一般假定每个螺栓均匀受力，力，因此连接所需的螺栓数目为：因此连接所需的螺栓数目为：btNNn （ 3.5.13）bt2ebtebt4fdfAN（3.5.11）3. 3. 普通螺栓群受拉普通螺栓群受拉N2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇M刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1 2 3 4受压区受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴中和轴(2(2）栓群承受弯矩作用）栓群承受弯矩作用M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为：作用下螺栓连接按弹性设计
32、，其假定为： 连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比中和轴的距离成正比。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇M刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)M1 2 3 4受压区受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴中和轴显然显然1号螺栓在号螺栓在M作用下所受拉力最大作用下所受拉力最大)(2211byNyNyNMnn由力学及假定可得：由力学及假定可得：)(332211ayNyNyNyNnn2
33、022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇将式将式(c)代入式代入式(b)得得: :)(1131132112cyyNNyyNNyyNNnn；)(12112222111dyyNyyyyNMniin由式由式(a)得得: :)(12eyyMNniiii因此，设计时只要满足下式即可：因此，设计时只要满足下式即可：b11t2(5.5.14)iMyNNmy螺栓螺栓i 的拉力的拉力: : 即受力最大的最外排螺即受力最大的最外排螺栓栓1 1的拉力不超过一个螺栓的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值的抗拉承载力设计值M1 2 3 42022-6-9m螺栓的总列
34、数螺栓的总列数yi第第 i 个螺栓至中和轴的距离个螺栓至中和轴的距离其中：其中：第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇图图3.5.10 螺栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉刨平顶紧刨平顶紧承托承托(板板)NeV V(3(3）栓群偏心受拉）栓群偏心受拉小偏心受拉小偏心受拉当当M/N较小时，所较小时，所有螺栓均承受拉力有螺栓均承受拉力作用，我们假定作用，我们假定构件构件B绕螺栓群绕螺栓群的形心的形心O转动。转动。螺栓群的最大和最小螺栓受力为：螺栓群的最大和最小螺栓受力为：b1maxt2iMyNNNmnmy（5.5.15a）1min2i0MyNNmnmy（5.5.1
35、5b）当当 Nmin0 ，e 则表示所有螺栓受则表示所有螺栓受拉，螺栓群绕形心拉，螺栓群绕形心轴旋转。轴旋转。21imyny 螺栓有效截面组成的核心矩螺栓有效截面组成的核心矩2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇大偏心受拉大偏心受拉当当Nmin ，构件构件B绕绕A点（底排螺栓）点（底排螺栓）旋转趋势，偏于安全考虑，我们旋转趋势，偏于安全考虑，我们假定中和轴位于最下排螺栓假定中和轴位于最下排螺栓O处，处，受拉力最大的螺栓要求满足：受拉力最大的螺栓要求满足：1b11t22()2iihN ec yNe yNNmymy （5.5.16）O202
36、2-6-9b11t2iNeyNNNmnmy8080年代设计方法，考虑年代设计方法，考虑N N和和M M共同作用：共同作用：显然显然：12()2ihNc yNmymn 故现行设计方故现行设计方法更为简单安全法更为简单安全第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇5.3.3 剪拉螺栓群的计算剪拉螺栓群的计算 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用试验研究结
37、果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：符合下列公式的要求： 验算剪验算剪- -拉联合作用：拉联合作用：12btt2bvvNNNN（5.5.17）bvcVNNn（5.5.18）验算孔壁承压：验算孔壁承压：Nvb单个螺栓抗剪承载力设计值；单个螺栓抗剪承载力设计值；Ncb单个螺栓承压承载力设计值
38、单个螺栓承压承载力设计值Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值；单个螺栓抗拉承载力设计值；Nv 、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。 2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇例例5.7 5.7 验算如图所示，普通螺栓连接。验算如图所示，普通螺栓连接。N=349.5kNN=349.5kN， M=17.475kN.mM=17.475kN.m。M22M22，B B级，钢级，钢材材Q235Q235。1. 单个螺栓抗拉承载力单个螺栓抗拉承载力2bbbttt303.4 2163.7kN4eedNfA f【解】2btN
39、/mm210f支托支托505075757575 50 60 10NM2. 强度验算强度验算先假设小偏心，以众栓形心计先假设小偏心，以众栓形心计maxmax2miniMyNNmnmy)75150(2215010475.1710105 .3492263小偏心满足0kN65.11,kN7 .63kN25.58btN2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇例例5.85.8 验算如图所示，普通螺栓连接。验算如图所示，普通螺栓连接。V=233V=233kN， N=349.5kNN=349.5kN， M=17.475kNmM=17.475kNm。M22
40、M22，B B级，钢材级，钢材Q235Q235。1. 单个螺栓抗拉承载力单个螺栓抗拉承载力2bbbttt303.4 2163.7kN4eedNfA f【解】2bc2btN/mm405,N/mm210ffbbcc22 20 305134.2kNNdtf2. 强度验算强度验算支托支托505075757575 60 10NMV5022bbvvv221305115.94kN44dNnf 23323.3kN10VVNmn2022-6-9bc134.2kNN第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇支托支托505075757575 60 10NMV5022 bttbV
41、VNNNNmax,先假设小偏心，以众栓形心计先假设小偏心，以众栓形心计max,max2,minttiMyNNmnmy)75150(2215010475.1710105 .3492263小偏心, 0kN65.11kN25.58227 .6325.5894.1153 .22192. 02022-6-9所以满足要求第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇查查P524附表附表1.3，ftb=170N/mm2第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇例例5.10 验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。验算如图所示端板和
42、柱翼缘间普通螺栓的连接强度。普通螺栓普通螺栓4.6级，级，M22，孔径，孔径24mm。NMoN1N=245kNa)N=245kNo柱翼缘柱翼缘节点板节点板端板端板N1b) 计算模型可为（计算模型可为（a图）或（图）或（b图）。图）。 a图弯曲转动中心在螺栓群的形图弯曲转动中心在螺栓群的形心处称小偏心；心处称小偏心； b图弯曲转动中心在端板上图弯曲转动中心在端板上1号螺栓处，称大偏心。号螺栓处，称大偏心。 2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇计算计算 1.内力计算内力计算N=245kN，e=13cm，M=Ne=24513=3185kN-
43、cm2. 单个螺栓的抗拉承载力：单个螺栓的抗拉承载力：bb3tet303 170 1051.51kNNA f查查P524附表附表1.3，ftb=170N/mm2查查P525附表附表1.4，Ae=303mm2 （M22螺栓有效截面面积）螺栓有效截面面积） 3. 计算危险螺栓拉力计算危险螺栓拉力设每排螺栓有两列，设每排螺栓有两列，m=2一共一共6排螺栓，螺栓总数排螺栓，螺栓总数12，n=12 判断大小偏心（先计算螺栓群有效截面核心距）：判断大小偏心（先计算螺栓群有效截面核心距）：2222122 20 +2 12 +2 4=9.33cm13cm12 20imyeny2022-6-9第第5 5章章 钢
44、结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇故可判断：故可判断：此连接属大偏心受拉此连接属大偏心受拉。11max2bt22222245 33 4045.9kN51.51kN2403224168iNe yNmyN N=245kNo柱翼缘柱翼缘节点板节点板端板端板N1b)故满足设计要求故满足设计要求2022-6-9构件应绕顶排螺栓转动！构件应绕顶排螺栓转动！第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇例例5.11 验算如图所示普通螺栓连接强度。螺栓验算如图所示普通螺栓连接强度。螺栓M20，孔径，孔径21.5mm，材料为，材料为Q235。 步骤步
45、骤1 计算螺栓上的力计算螺栓上的力 N=1003/5=60kN V=1004/5=80kN 分析螺栓受力状态分析螺栓受力状态 荷载荷载P通过螺栓截面形心通过螺栓截面形心O，分解，分解后得剪力后得剪力V和拉力和拉力N，螺栓处于既，螺栓处于既受拉又受剪的状态。受拉又受剪的状态。P=100kN543o计算计算Nv=V/n=80/4=20kNNt=N/n=60/4=15kN2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇 步骤步骤3 用相关公式验算强度用相关公式验算强度172. 06 .41159 .3120222btt2bvvNNNN 步骤步骤2 计算
46、螺栓抗拉、抗剪承载力设计值计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值V=80N=60Nv=20kN Ncb =2020305 10-3=122kN满足设计要求满足设计要求 Ntb=Aeftb=244.8170 10-3=41.6kN Nvb=nv( d2/4) fvb =13.14202/413010-3=31.9kN2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇5.4 5.4 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5.4.1 高强度螺栓的工作性能和构造要求高强度螺栓的工作性能和构造要求强度等级强度等级采用钢材采用钢材8.8级级45号钢、号钢
47、、40B钢钢10.9级级20MnTiB钢、钢、35VB钢钢按材料分类按材料分类按受力特征分类按受力特征分类受力特征受力特征承载力极限状态承载力极限状态安装孔径安装孔径应用特点应用特点摩擦型摩擦型外力达到板件摩擦力外力达到板件摩擦力d0=d+1.52 剪切变形小，耐疲剪切变形小，耐疲劳，动载下不易松动劳，动载下不易松动承压型承压型外力超过摩擦力外力超过摩擦力栓杆受剪栓杆受剪板件承压板件承压d0=d+1.01.5承载力比摩擦型大，承载力比摩擦型大，剪切变形大，一般不剪切变形大，一般不用于直接动载情况用于直接动载情况2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学
48、院 欧阳震宇1.1.高强度螺栓连接工作性能高强度螺栓连接工作性能1) 1) 抗剪连接工作性能抗剪连接工作性能由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连接件中有很大的预压力，当连接受剪时，主要连接件中有很大的预压力，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依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到可达到1 1点。通过点。通过1 1点后，连接产生了滑移，当栓点后，连接产生了滑移，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。高强度高强度螺栓螺栓NO12341234普通螺栓普通螺栓abNN
49、/2N/2对于对于高强度螺栓摩擦型高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为件发生相对滑移，因此其极限状态为1 1点，所以点，所以1 1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力。抗剪承载力。对于对于高强度螺栓承压型高强度螺栓承压型连接，允许接触面发生相连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态4 4点，点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。算方法与普通螺栓相同。2022-6-9
50、第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件连接中南大学 土木工程学院 欧阳震宇2 2）高强度螺栓的抗拉工作性能）高强度螺栓的抗拉工作性能图图3.6.1 高强度螺栓受拉高强度螺栓受拉P+ PC Ca)b)高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力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，板层之间则有压力间则有压力C，而，而P与与C维持平衡维持平衡C = P (状态状态a)。 加荷载拉力加荷载拉力Nt后，螺栓拉力从后，螺栓拉力从P增加了增加了 P，板件挤压力则由，板件挤压力则由C减减小了小了 C (状态状态b)。2022-6-9第第5 5章章 钢结构紧固件连接钢结构紧固件
