1、钢结构常用的连接方法钢结构常用的连接方法（4）了解焊接应力、焊接变形的形成原因，了了解焊接应力、焊接变形的形成原因，了解减少焊接应力、焊接变形的措施；解减少焊接应力、焊接变形的措施；（5）了解普通螺栓连接的工作性能、破坏形态，了解普通螺栓连接的工作性能、破坏形态，掌握普通螺栓连接的计算方法；掌握普通螺栓连接的计算方法；（6）了解高强螺栓连接的工作性能，掌握高强了解高强螺栓连接的工作性能，掌握高强螺栓连接的计算方法。螺栓连接的计算方法。本本 章章 内内 容容17.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法17.2 焊接的基本知识焊接的基本知识17.3 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算17.4
2、角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算17.5 焊接残余应力与焊接变形焊接残余应力与焊接变形17.6 普通螺栓连接的构造与计算普通螺栓连接的构造与计算17.7 高强度螺栓连接的构造与计算高强度螺栓连接的构造与计算17.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法钢结构的连接方法有焊接、铆钉连接和螺栓连接三种（图17.1）。图17.1钢结构连接方法(a)焊接；(b)铆接；(c)栓接 铆钉连接是将一端带有预制钉头的铆钉，插入被连接件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机将另一端压成封闭钉头而成。焊接是钢结构最主要的连接方式，优点是任何形状的结构都可以用焊缝连接，构造简单，省工省料，而且能实现自动化操作，生产效率高。螺栓
3、连接分普通螺栓连接和高强螺栓连接。普通螺栓是用A3F(Q235AF）钢制造的，按加工精度分为A、B、C三级。高强螺栓系用高强钢材制成，可对栓杆施加很大的紧固预拉力，使板叠压得很紧，利用板间的摩擦阻力传递剪力，这就是摩擦型高强螺栓连接。17.2 焊接的基本知识焊接的基本知识焊接方法有电弧焊、接触焊、汽焊等。电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊三种。目前，钢结构中常用的是手工电弧焊。（1）手工电弧焊与焊条如图17.2所示，电焊机即是一个降压变压器，其两个电极一极连焊钳（焊条），一极连焊件。常用的焊条牌号有E43型、E50型和E55型等。17.2.1 焊接方法焊接方法（2）自动焊自动焊设备（自动电焊
4、机）工艺原理如图17.3所示。图17.2手工电弧焊 图17.3自动埋弧电弧焊 焊缝连接按构件的相对位置可分为平接、搭接、顶接、角接等形式。焊缝按构造可分为对接焊缝和角焊缝两种，如图17.4所示。对接焊缝省料、传力均匀、强度高，但边缘须作坡口，尺寸要求严且制造费工。焊缝按施焊位置又可分为平焊、立焊、横焊、仰焊，平焊施焊最方便，质量易于保证；仰焊施焊条件最差，质量不易保证，设计时应尽量避免（图17.5）。17.2.2 焊缝与焊缝连接形式焊缝与焊缝连接形式图17.4焊缝连接形式 图17.5焊缝的施焊位置（平、立、横、仰）在钢结构施工图中的焊缝，应遵照焊缝符号表示法（GB 32488）和建筑结构制图标
5、准（GB/T50105）的规定予以标注（见表17.1）。焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。图形符号表示焊缝截面的基本形式。引出线由横线、斜线及箭头组成，而横线由两条平行的实线与虚线组成，可在实线侧或虚线侧标注符号，斜线和箭头则将整个焊缝符号指向图形的有关焊缝处。17.2.3 焊缝符号与标注方法焊缝符号与标注方法当焊缝分布不规则时，在标注焊缝符号的同时，宜在焊缝处加粗线（表示可见焊缝）或栅线（表示不可见焊缝），工地安装焊缝加号（图17.6）。表表17.1焊缝符号焊缝符号 图17.6焊缝标注图形(a)可见焊缝；(b)不可见焊缝；(c）工地安装焊缝 焊接质量将直接影响焊缝的强度，对
6、焊缝的质量应按其受力性质和所处的部位进行分级检验。质量检验分为三级，其中三级质量检验只对全部焊缝作外观检查，即只检查焊缝外观缺陷（气孔、咬边）和几何尺寸是否符合三级标准的要求；二级的检验项目规定除对全部焊缝按二级标准检查外观外，还须按要求用超声波抽查焊缝长度的50%；一级的检验项目则规定除对全部焊缝按一级标准检查外观外，尚需按要求用超声波检查，并用X射线抽查焊缝长度2%，且部分拍片。17.2.4 焊缝质量级别焊缝质量级别对接焊缝的质量分一、二、三级，其中一、二级质量的强度与母材相同，三级质量的抗拉强度设计值则降低了15%。角焊缝均为三级质量，其强度设计值不论拉、压、剪均取统一值。17.3 对接
7、焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算（1）选择正确的坡口与间隙保证焊透如图17.7所示，根据焊接条件和钢板的厚度可选择图中的各种坡口形式，图中的坡口形式（由钢板厚度决定）、间隙c和角度可参见国家有关标准。（2）设置引弧板 焊缝的起弧灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，引起应力集中并易产生裂纹。可设引弧板于两端，其材料和坡口形式同于焊件，在焊接完毕后切除（图17.8）。17.3.1 对接焊缝的构造对接焊缝的构造（3）清渣补焊U形和V形焊缝主要为正面焊，其根部往往没有焊透而存在缺陷。所以一面焊完后，应反过来清渣补焊，以保证焊缝质量。（4）不同厚度与宽度钢板的连接在钢板拼接处，当焊件宽度不同或厚度在一侧相差
8、超过4mm时，应分别在宽度或厚度方向从一侧或双侧做成坡度不大于1 2.5的斜角（如图17.9）所示，形成平缓过渡，减少应力集中。（5）采用不焊透的对接焊缝时应在设计图中注明坡口的形式与尺寸，其有效厚度he不得小于1.5t,t为坡口所在焊件的较大厚度。图17.7对接焊缝的坡口形式 图17.8引弧板 图17.9钢板变截面平接(a)变宽度；(b)变厚度（1）轴心力作用时的计算如图17.10所示的受拉对接焊缝，当采用一、二级质量时，焊缝截面的抗拉、抗压和抗剪的强度设计值同于母材，只要连接板能承受拉力N，则焊缝不必计算；当采用三级质量时，抗拉、抗剪强度设计值不变，唯抗拉强度设计值降低15%，可采用斜焊缝
9、。对于斜焊缝只须验算正应力，即 17.3.2 对接焊缝的计算对接焊缝的计算wcwNfl t当tan1.5（即5619）时，则斜焊缝不必验算。2sinsinwtwNNfl tbt（2）弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝如图17.11所示对接焊缝，应验算边缘纤维的最大正应力、中和轴处的最大剪应力和腹板与翼缘连接处的折算应力。maxmax221131.1wtwwwvw wweqtMfWVSfI tf【例17.1】验算如图17.10所示的钢板对接焊缝，钢板截面500mm10mm，轴向拉力N=1000kN，钢材为Q235AF，焊条E43型，焊缝为三级质量，施工中未采用引弧板。【解】（1）验算钢板的承载能力A
10、f=1075kNN=1000kN（2）验算直缝=208.3N/mm2ftw=185N/mm2直缝不能满足。（3）改为斜缝，令tan=1.5=144.2N/mm2ftw=185N/mm2【例17.2】如图17.12所示，验算工字形牛腿与柱的对接焊缝，N=270kN(设计值)，偏心距e=300mm，钢材为Q235，E43型焊条，手工焊焊缝质量三级，无引弧板。【解】（1）焊缝受力M=Ne=270300=8100kNcmV=N=270kN(2)截面几何特征Iw=13544.6cm4Ww=677.2cm3Sw=397.5cm3S1=253.5cm3 (3)强度验算max=119.6N/mm2ftw=18
11、5N/mm2max=99N/mm2fvw=185N/mm21=113.6N/mm21=63.2N/mm2eq=157.8N/mm21.1ftw=203.5N/mm2 图17.10轴心力作用时的对接焊缝 图17.11弯矩和剪力共同作用时对接焊缝 图17.10轴心力作用时的对接焊缝 图17.12例17.2附图 17.4 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算在搭接或顶接板件的边缘，所焊截面为三角形的焊缝叫做角焊缝。角焊缝按外力作用方向可分为平行于力作用方向的侧面角焊缝、垂直于力作用方向的正面角焊缝以及与力作用方向斜交的斜向角焊缝（图17.13）。角焊缝两边夹角为直角的称为直角角焊缝（图17.14），
12、夹角为锐角或钝角的称为斜角角焊缝（图17.15）。17.4.1 角焊缝的构造角焊缝的构造直角角焊缝（简称角焊缝）截面分普通式、平坡式和凹式三种，一般多采用普通式。角焊缝的构造要求：（1）角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于1.5t，t为较厚钢板的厚度。（2）角焊缝的焊脚尺寸hf不能过大，否则易发生损伤构件的过烧现象和咬边现象，且易产生较大的焊接残余应力和焊接变形。（3）角焊缝的两焊脚尺寸一般为相等。（4）侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。（5）侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf或40hf；当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。（6）在次要构件或次要焊接连接时，可采用断
13、续角焊缝。（7）当板件端部仅有两侧角焊缝连接时，每条侧焊缝长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离；同时两侧面角焊缝之间的距离不宜大于16t或190mm，t为较薄焊件的厚度。（8）当角焊缝的端部在构件转角处作长度为2hf的绕角焊时，转角处须连续施焊，以避免在应力集中较大处因起、灭弧而出现缺陷。（9）在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm。图17.13侧面、正面与斜向角焊缝 图17.14直角角焊缝截面形式(a)普通型；(b)平坡式；(c)凹式 图17.15斜角角焊缝截面 角焊缝的应力状态是比较复杂的，应力分布是不均匀的，破坏始自应力集中最严重的根角A处，如图17.16。在
14、设计计算中，均假定破坏截面为45喉部截面，即图17.16中的AD截面，称为计算截面，he为有效厚度。正面焊缝的破坏强度较侧面焊缝高，约为侧面焊缝的1.351.55倍。17.4.2 角焊缝的计算角焊缝的计算17.4.2.1 角焊缝的受力特点角焊缝的受力特点图17.16轴力N作用下的角焊缝 17.4.2.2 角焊缝在通过焊缝形心的拉力、压角焊缝在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下的强度计算力或剪力作用下的强度计算(1)正面角焊缝或作用力垂直于焊缝长度方向时(2)侧面角焊缝或作用力平行于焊缝长度方向时(3)当作用力与焊缝长度方向斜交时，应分别计算焊缝在两个方向的f和f，然后按下式计算：wifte
15、wNfh lwite wNfh l(4)周围角焊缝如图17.13，有正面、侧面、斜向各种角焊缝组成的周围角焊缝，假设破坏时各部分角焊缝都达到各自的极限强度，则：22()fwftff()wtfe wNfh l图17.13侧面、正面与斜向角焊缝 17.4.2.3 在各种力综合作用下角焊缝强度的在各种力综合作用下角焊缝强度的计算计算如图17.17所示，角焊缝受M、N、V的综合作用，N引起垂直于焊缝长度方向的应力fN；V引起沿焊缝长度方向的应力fV；M引起垂直于焊缝长度方向，按三角形分布的应力fM；即：222 0.762 0.72 0.7Nfwff wMfwff wVfwff wNNAh lNMWh
16、lVVAh l式(17.10)(17.12)分别给出了一般表达式和图示矩形焊缝计算截面的计算式 最大应力在焊缝的上端，其验算公式为 22()()fVwftffNMfff图17.17综合作用下的角焊缝 17.4.2.4 角钢与节点板连接焊缝计算角钢与节点板连接焊缝计算在普通钢屋架中，双角钢截面轴力腹杆与节点板的连接一般多采用两面侧焊；受有动力荷载时，可采用三面围焊；受力较小时，可采用L形围焊，围焊的转角处必须连续施焊。（1）两面侧焊图17.18(a)为两面侧焊，双角钢截面的轴线位置可由角钢表查出e1值得到，则焊缝的形心应在截面轴线上。设肢背焊缝承受力N1、肢尖焊缝承受力N2，由平衡条件N1+N2
17、=NN1e1=N2e2 解之可得 2111212212eNNK NeeeNNK Nee求得N1和N2后，设出合理的肢背、肢尖的焊脚尺寸hf1和hf2，即可计算出肢背、肢尖所需的焊缝长度lw1和lw2。（2）三面围焊图17.18(b)为三面围焊，要点也是使焊缝的形心位于角钢截面的轴线上。先设出端缝的焊脚尺寸hf3，则端缝承担的力N3可以求出：N3=20.7hf3lw3fffw而lw3=b(肢宽)，对N2处取矩M=0，则有Ne2-N1(e1+e2)-N3（e1+e2）/2=0可以解出N1=Ne2/(e1+e2)-N3/2=K1N-N3/2N2=K2N-N3/2（3）L形围焊利用式（17.17），令
18、N2=0，则有N3=2K2NN1=N-2K2N【例17.3】将例17.1改为双盖板角焊缝平接（图17.19）。钢板截面500mm10mm,N=1000kN（设计值），钢材为Q235AF，焊条E43型。【解】（1）采用2块460mm6mm的矩形盖板，三面围焊连接，盖板面积：A=2460.6=55.2cm250cm2按构造要求设hf=5mm，则连接一侧的一条侧焊缝的长度可求。lw1=176mm 取为180mm盖板长度l=2180+10=370mm。（2）为避免矩形盖板四角处焊缝的应力集中，改为（b）图的菱形盖板，不考虑端缝的f，则接头一侧单面需要的焊缝总长度为lw=893mm图（b）中布置的焊缝长
19、度lw=906893mm【例17.4】由2140908(长肢相连)双角钢与节点板（厚12mm）相连，轴心力设计值N=600kN，手工焊E43型焊条，采用Q235AF钢，设计连接。【解】（1）采用两面侧焊设hf1(肢背处)=8mm1.512=5.2mm1.28=9.6mm hf2(肢尖处)=6mm8-(12)=67mm肢背lw1=218mm 取为240mm肢尖lw2=156mm取为170mm（2）采用三面围焊设焊脚尺寸hf1=hf2=hf3=6mmN3=229.6kN肢背Lw1=205mm取为220mm肢尖Lw2=70.8mm 取为90mm本杆件内力较大，不宜采用L形围焊。【例17.5】钢柱与牛
20、腿的连接和受力如图17.20所示，采用Q235AF钢，手工焊，E43型焊条，设计该角焊缝连接。【解】（1）受力分析剪力V=150kN(由垂直缝承受）弯矩M=15020=3000kNcm最大应力点为垂直缝最下边缘处。（2）焊缝有效截面的几何特性设hf均为10mm hfmax=1.210=12mm hfmin=6.7mm水平缝面积Af1w=24.5cm2 垂直缝面积Af2w=20.71(30-1)=40.6cm2全部有效面积Afw=Af1w+Af2w=24.5+40.6=65.1cm2求焊缝形心位置（近似将两条水平缝看作等长等宽的焊缝，对水平缝轴线取面积矩）YAfw=Af2w(29/2+1)Y=(
21、40.615)/65.1=9.5cm截面惯性矩Ifw=6518cm4截面最小抵抗矩Wfw=318cm3(3)焊缝强度验算fw=94.3N/mm2fw=36.9N/mm285.7N/mm2fwf=160N/mm2焊脚尺寸hf还可以小些（略）。图17.18角钢的节点板连接焊缝（a）两面侧焊；(b)三面围焊；(c)L形围焊 图17.18角钢的节点板连接焊缝（a）两面侧焊；(b)三面围焊；(c)L形围焊 图17.19 例17.3附图(a)矩形盖板；(b)菱形盖板 18(a)为两面侧焊，双角钢截面的轴线位置可由角钢表查出e1值得到，则焊缝的形心应在截面轴线上。高强度螺栓由高强度钢材制成，拧紧螺母可使栓杆
22、产生很高的预拉力将叠合钢板压得很紧，剪力则由板叠间的摩擦力来传递，而不像普通螺栓那样，由栓杆受剪和孔壁承压来传递剪力，这就是摩擦型高强螺栓的工作原理。Ncb=30.【解】（1）焊缝受力设肢背焊缝承受力N1、肢尖焊缝承受力N2，由平衡条件当Nmin=F/n-Fey1/(my i2)0时，螺栓群的转动轴在螺栓群的中心位置O处，见图17.2cm250cm2焊缝连接按构件的相对位置可分为平接、搭接、顶接、角接等形式。（1）手工电弧焊与焊条螺栓有不同的性能等级，如“4.受剪摩擦型高强度螺栓是以摩擦力被克服而产生相对滑移为极限状态的，一个螺栓的抗剪承载力设计值为9）所示，形成平缓过渡，减少应力集中。图17
23、.20 例17.5附图 17.5 焊接残余应力与焊接变形焊接残余应力与焊接变形高度不均匀的温度场造成构件内部收缩与膨胀的不均匀性，致使构件产生变形，这种变形叫焊接变形（如图17.21所示）。而焊缝和焊缝附近钢材不能自由地变形，因受到周围钢材的约束而产生焊接残余应力。为了减少和限制焊接残余应力和焊接变形，可以采取以下措施：（1）在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝。焊缝布置应尽可能对称于构件重心。（2）采用合理的焊接顺序例如钢板对接，当焊缝较长时可采用分段退焊（图17.22(a)）；厚度较大时可采用分层焊（图17.22(b)）；钢板分块拼接合理安排施焊顺序（图17.22
24、(c)），工字形顶接采用对角跳焊（图17.22(d)）。（3）施焊前使构件有一个和焊接变形相反的预变形如图17.23(a)中将翼缘预弯，在（b）图中将平接的接缝处预弯，使与焊接变形相抵消，但此法不能去除焊接应力。（4）对于小尺寸的焊件可焊前预热或焊后进行退火处理。退火是将构件加热至600后，使其缓慢冷却，可消除焊接应力。也可以在焊后锤击，以减小焊接应力和焊接变形。（5）机械校正法和局部加热法矫正焊接变形，如弯曲变形可用机械顶压冷矫正，也可以在凸面局部加热，利用热后的冷缩进行热矫正。图17.21 焊接变形(a)纵向收缩和横向收缩；(b)弯曲变形；(c)角变形；(d)波浪变形；(e)扭曲变形 图1
25、7.22 合理的焊接顺序 图17.23 减小焊接变形的措施 17.6 普通螺栓连接的构造与计算普通螺栓连接的构造与计算（1）关于螺栓的基本知识螺栓有不同的性能等级，如“4.6级”、“8.8级”、“10.9级”等，是由螺栓材料而区分的。小数点前的数字表示螺栓材料的最低抗拉强度fu,4即为400N/mm2；小数点及后面的数字（0.6、0.8等）则表示材料的屈强比，普通螺栓用Q235AF钢制成，属于4.6级。A、B级螺栓配类孔（见表16.9注）适用于受剪连接；C级螺栓配类孔（冲孔或不用钻模钻孔）适用于受拉连接。17.6.1 普通螺栓连接的构造普通螺栓连接的构造螺栓的代号用字母M与公称直径的毫米数表示
26、，如M16、M18等，常用的螺栓是M16，M20和M24。螺栓长度的选用，在考虑连接件叠合厚度的同时，还应考虑两头垫圈、螺母的厚度并外露23扣丝扣。（2）螺栓与螺孔图例钢结构施工图表示螺栓及螺孔的图例见表17.2。（3）螺栓连接的构造要求每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性的螺栓（或铆钉）数不宜少于两个。对组合构件的缀条，其端部连接可采用一个螺栓（铆钉）。螺栓的排列分并列、错列两种。螺栓排列时，其中距、边距和端距应满足下列要求：受力要求 构造要求 施工要求 根据上述三个方面的要求，规范制定了螺栓的最大、最小允许间距，见表17.3。螺栓排列时，宜按最小允许间距选用，且取5mm的整数倍。型钢
27、（工字钢、槽钢、角钢）上的螺栓排列，除满足表17.3的要求，尚需考虑线距（为使螺栓的垫圈和螺母位于平整部位）、最大孔径d0max(避免截面过分削弱)的要求，参见图17.24和表17.4表17.6。表表17.2 螺栓及螺孔图例螺栓及螺孔图例 表表17.3 螺栓或铆钉的最大、最小容许距离螺栓或铆钉的最大、最小容许距离 图17.24 螺栓的排列 表表17.4角钢上螺栓或铆钉线距表（角钢上螺栓或铆钉线距表（mm）表表17.5 工字钢和槽钢腹板上的螺栓线距表（工字钢和槽钢腹板上的螺栓线距表（mm）表表17.6 工字钢和槽钢翼缘上的螺栓线距表工字钢和槽钢翼缘上的螺栓线距表(mm)普通螺栓连接按受力性质分为
28、抗剪螺栓连接、受拉螺栓连接和拉剪螺栓连接。抗剪螺栓连接靠栓杆受剪和孔壁承压传力，受拉螺栓连接沿栓杆轴线方向受拉，拉剪螺栓连接则两者兼而有之。17.6.2 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算17.6.2.1 抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接（1）受力特点与破坏形式在图17.25中，N为钢板所受拉力，为钢板间的相对位移。N-曲线分为三个阶段：第一阶段为上升直线段第二阶段为水平段 第三阶段为弹塑性工作阶段 抗剪螺栓连接（包括铆接和承压型高强螺栓连接）可能有五种破坏形式，如图17.26所示：当螺栓杆较细、板件较厚时，螺栓杆被剪断（图17.26(a)）；当螺栓杆较粗、板件较薄时，孔壁挤压破坏（图17.26(b
29、)）；当螺孔对板削弱过多时，板件被拉断（图17.26(c)）；当端距太小时，板端可能因冲剪而破坏（图17.26(d)）；当栓杆细长时，栓杆可能因弯曲而破坏（图17.26(e)）。（2）计算方法一个螺栓的受剪承载力计算值按下式计算一个螺栓的承压承载力设计值按下式计算 24bbVVVdNnfbbccNdt f如前所述，当外力N通过螺栓群中心时，可以认为每个螺栓均匀受力，则抗剪螺栓连接中，接头一侧所需螺栓数为：n=N/Nminb由于螺栓孔削弱了构件的截面，还须按下式验算开孔截面的净截面强度=N/An在构件的节点处或拼接接头一侧，当螺栓沿受力方向的连接长度l1(图17.27)过大时，各螺栓的受力将很不
30、均匀，两端螺栓受力较大常先破坏，后依次破坏 规范规定（包括高强度螺栓），当l115d0时，螺栓的承载力设计值Nminb应乘以下列折减系数予以降低：当l115d0时，=1.1-l1/(150d0)；当l160d0时，=0.7。【例17.7】设计两角钢拼接，采用C级螺栓，角钢型号755，轴心拉力设计值N=119kN，采用Q235钢。【解】（1）确定接头一侧螺栓数与排列采用M20螺栓，d0=21.5mm，符合表17.4规定。拼接角钢采用756。单钉抗剪和承压承载力设计值为Nvb=40.8kNNcb=30.5kN连接一侧所需螺栓数目n=4.29取为5个为安排紧凑，采用图17.28的错列布置(符合表17
31、.3和表17.4)。（2）验算角钢净截面强度将角钢展开如图,755，A=7.412cm2-截面An=6.337cm2-截面An=5.547cm2=214.5N/mm2f=215N/mm2 图17.25 单个双剪螺栓连接的N曲线 图17.26 受剪螺栓连接的破坏形式(a)螺杆剪断；(b)孔壁挤压坏；(c)钢板拉断；(d)端部钢板剪断；(e)栓杆受弯破坏 图17.27 螺栓沿受力方向的连接长度 图17.28 例17.7附图 17.6.2.2 受拉螺栓连接受拉螺栓连接（1）单个受拉螺栓的抗拉承载力设计值图17.29所示为螺栓连接的T形接头，在外力N的作用下，栓杆将沿杆轴方向受拉。单个受拉螺栓抗拉承载
32、力设计值 当螺钉群受轴心力作用时，所需螺栓数 24bbbtettdNA ffbtNnN(2)计算方法 在设计时一般先选定螺栓直径、数目及排列构造，然后再进行验算。如图17.30所示牛腿与柱的连接中，外力F的偏心作用使螺栓群受剪力V和弯矩M。设受力最大排螺柱个数为m，则受力最大螺栓（单个）所受的拉力 maxmaxtiMyNy同时作用有弯矩M和轴心拉力N时，N由各螺栓平均承担，螺栓群中螺栓所受最大拉力Nmax和最小拉力Nmin应符合下列条件：当Nmin=F/n-Fey1/(my i2)0时，螺栓群的转动轴在螺栓群的中心位置O处，见图17.31(a)所示，此时Nmax=F/n+Fey1/(myi2)
33、NtbmaxmaxMbttiMyNNmy当Nmin=F/n-Fey1/(my i 2)0时，如图17.31（b）所示，端板底部将出现受压区，螺栓群转动轴位置下移，可偏于安全地取转动轴在弯矩指向一侧最外排螺栓O处，此时 max12betiF yNNmy图17.29 受拉螺栓连接 图17.30 弯矩与轴力作用下的拉力连接 图17.31 受拉螺栓连接受偏心力作用 17.6.2.3 拉剪螺栓连接拉剪螺栓连接粗制螺栓多用于受拉连接，若有剪力常设支托承受。对于次要连接。若不设支托，螺栓将兼受拉剪，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：22()()1VtbbVtbcNNNNNvN【例
34、17.8】工字形牛腿与柱用Q235C级螺栓连接,F=258kN（设计值），支托只在安装时起作用，设计普通螺栓连接。【解】（1）构造设计初选M20螺栓10个排列如图17.32，符合构造要求，因支托仅在安装时起作用，所以螺栓兼受拉剪。（2）求单钉抗剪、承压、抗拉承载力设计值Nvb=40.84kNNcb=122kNNtb=41.65kN(3)求受力最大螺栓所受的拉力与剪力Nv=25.8kNNt=32.25kN(4)验算Nt=25.8kNNcb=122kN(满足)22()()0.9991VtbbVtNNNN图17.32 例17.8附图 17.7 高强度螺栓连接的构造与计算高强度螺栓连接的构造与计算高强
35、度螺栓由高强度钢材制成，拧紧螺母可使栓杆产生很高的预拉力将叠合钢板压得很紧，剪力则由板叠间的摩擦力来传递，而不像普通螺栓那样，由栓杆受剪和孔壁承压来传递剪力，这就是摩擦型高强螺栓的工作原理。高强度螺栓所用材料的性能等级按热处理（淬火、回火）后的强度分8.8级和10.9级两种，其性能等级和采用的钢号可见表16.8。17.7.1 高强度螺栓的基本知识高强度螺栓的基本知识17.7.1.1 高强度螺栓的受力特点与材料高强度螺栓的受力特点与材料17.7.1.2 高强度螺栓的预拉力和紧固方法高强度螺栓的预拉力和紧固方法预拉力值为螺栓材料的屈服强度fy和螺栓有效面积Ae的乘积考虑一定的降低系数而确定。按上述
36、计算的P值，取5kN的整倍数应用，如表17.8所列。高强度螺栓按形状不同，有大六角头和扭剪型两种类型，如图17.33所示。0.9 0.9 0.91.2uef AP（1）扭矩法拧紧螺母时的扭矩M和螺栓所要达到的预拉力P之间成正比关系，终拧扭矩T可用下列公式确定：T=kd(P+P)（2）转角法分初拧和终拧两步。初拧用短扳手拧紧螺母，此时约使螺栓达到20%30%的预拉力，使板叠间紧密接触，做出标记，然后用长扳手将螺母从标记位置再拧一定的角度到终拧位置，终拧的角度根据角度和预拉力成正比，并考虑板叠厚度和直径d的影响而定。（3）扭断螺栓尾部对于扭剪型高强螺栓，先用普通扳手拧紧螺母，是为初拧，再用特制电动
37、扳手的两个套筒中的大套筒套住螺母，小套筒套住螺栓尾部梅花卡头，一个套筒正转，一个套筒反转，由于螺栓尾部槽口深度是按终拧扭矩和预拉力之间的关系而确定的，所以梅花卡头被拧断之时，拧紧扭矩即达到终拧扭矩，而螺栓则达到预拉力。接触面的粗糙程度和处理方法是影响值的主要因素，规范规定了四种方法，见表17.9。表表17.8 一个高强度螺栓的预拉力一个高强度螺栓的预拉力P(kN)螺栓的性能等级 螺栓公称直径（mm）M16M20M22M24M27M308.8级 80212515017523028010.9级 100155190225290355图17.33 大六角头与扭剪型高强螺栓 表表17.9 摩擦面的抗滑移
38、系数摩擦面的抗滑移系数 在连接处构件接触面的处理方法 构件的钢号 Q235钢Q345钢、Q390钢Q420钢喷砂（丸）0.450.500.50喷砂（丸）后涂无机富锌漆 0.350.400.40喷砂（丸）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（1）受剪高强度螺栓连接的计算受剪摩擦型高强度螺栓是以摩擦力被克服而产生相对滑移为极限状态的，一个螺栓的抗剪承载力设计值为Nvb=0.9nfP一个高强螺栓抗剪承载力设计值求出后，即可求出连接一侧所需的高强螺栓数目n：nN/Nvb17.7.2 摩擦型高强度螺栓的计算摩擦型高强度螺栓的计算高强螺栓连接的
39、净截面强度验算不同于普通螺栓，在图17.34中，连接一侧螺栓数为n，验算截面-处的螺栓数为n1，对普通螺栓而言，净截面An要承受全部N力；而高强度螺栓则不然，每个螺栓所承受剪力的50%已由孔前摩擦面传走（孔前传力系数为0.5），故净截面受力为N=N-0.5N n1/n=N(1-0.5n1/n)净截面验算为 虽然AAn，但所承力NN，故构件破坏也可能由毛截面控制，所以尚应进行毛截面验算=N/Af 1(1 0.5)nnnNNnfAA【例17.9】截面为32012的板件，钢材为Q235，N=600kN(设计值)，设计连接。普通C级螺栓，栓径M20，孔径d=21.5mm；高强螺栓受剪连接,10.9级M
40、22，钢丝刷除锈，外径d=23.5。【解】（1）普通螺栓连接单钉承载力设计值Nvb=81.7kNNcb=d73.2kN连接一侧所需螺栓数为 n=8.2个取为9个构造排列如图17.35(a)。净截面强度验算=195.7N/mm2f=215N/mm2（2）高强螺栓连接一个高强螺栓抗剪承载力设计值Nvb=0.9nfP=102.6kN连接一侧所需螺栓数n=N/Nvb=5.84个取为6个按构造排列如图17.35(b)。(2)受拉高强螺栓的计算 单个高强螺栓受拉承载力设计值当高强螺栓在沿杆轴方向承受外拉力时，板叠间的摩擦阻力将降低。规范偏于安全地规定单个高强螺栓的抗拉承载力设计值为Ntb=0.8P 拉力计
41、算螺栓群受沿杆轴方向的轴心拉力作用时，N力平均分配各个螺栓。螺栓群受有弯矩M所引起的拉力时，其受拉最大螺栓的拉力计算同于普通螺栓，可按式（17.26）计算，中和轴应取螺栓群的形心轴。当轴力N与弯矩M共同作用时，可按式(17.27)和式(17.28)计算受拉最大螺栓，式中Ntb=0.8P。（3）拉剪高强度螺栓的计算当一个摩擦型的高强度螺栓受有轴向拉力Nt时，则构件接触面之间的压紧力就不再是P而降为P-Nt，法向压力的降低使摩擦面间抗滑移系数也随之降低，计算时保持不变，而将Nt增大到1.25倍作为补偿，则一个拉剪高强度螺栓在承受拉力Nt的同时，抗剪承载力的设计值为：Nvb=0.9nf(P-1.25
42、Nt)当Nt=0.8P时，压紧力为零。对于拉剪连接的高强度螺栓群，可用下式验算最不利受力螺栓：NtNtb=0.8PNvNvb=0.9nf(P-1.25Nt)可以考虑全部螺栓抗剪承载力设计值的总和不小于连接承受的剪力V，即 110.9(1.25)nnbviftiiiVNnPN【例17.10】如图17.36所示工字形截面柱翼缘与牛腿用高强度螺栓摩擦型连接。连接件钢材为Q235，螺栓为8.8级，M20，接触面采用喷砂处理，试验算该螺栓连接是否满足要求（图中内力均为设计值）。【解】（1）受拉区各螺栓所受的外拉力由表17.8查得：P=125kN,由表17.9查得:=0.45。Nt1=57.3kN0.8P
43、=0.8110=88kNNt2=45.4kNNt3=33.5kNNt4=21.6kNNt5=9.6kNNt6=-2.3kN同理可得Nt7、Nt8均小于0（受压区），故Nt6、Nt7、Nt8均按Nti=0计算。（2）验算连接承载力端板沿受力方向的连接长度l1=70cm15d0=152.2=33cm，故螺栓的承载力设计值应按下列折减系数进行折减：=0.891()1334.570.1450ntiinbv tiiNkNNkNVkN（满足）图17.34 高强螺栓净面积验算 图17.35 例17.9附图 图17.36 例17.10图（单位:mm）规范规定，承压型高强度螺栓应按下列规定计算：（1）承压型高强度螺栓的预拉力P和连接处构件接触面的处理方式应与摩擦型高强螺栓相同。承压型高强度螺栓仅用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的连接。（2）在抗剪连接中，每个承压型高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同，但当剪切面在螺纹处时，其受剪承载力应按螺纹处的有效面积进行计算。17.7.3 承压型高强度螺栓连接承压型高强度螺栓连接
