1、第第5章章 钢结构的紧固件连接钢结构的紧固件连接 v概述 紧固件连接包括螺栓、铆钉和销钉等连接，目前主要使用的是螺栓连接。螺栓的种类 普通螺栓和高强度螺栓。普通螺栓一般为六角头螺栓，其产品等级分为A、B、C三级。对C级螺栓，钢结构设计规范选用了其中性能等级为4-6和4-8级两种。所谓螺栓的性能等级，其小数点前的数字表示螺栓抗拉强度fub的百分之一，小数点后的数字表示屈强比的10倍。C级为粗制螺栓；A、B级为精制螺栓。钢结构中使用的高强度螺栓有特定的含义，专指在安装过程中使用特制的扳手，能保证螺杆中具有规定的预拉力。常用的高强度螺栓有8-8、10-9级两种。螺栓孔的类别 I类、II类孔。精制螺栓
2、用I类孔，I类孔孔径比杆径大0.30.5MM。粗制螺栓用II类孔，II类孔孔径比杆径大1.01.5MM。高强度螺栓的孔为II类孔，但采用钻成孔，不能采用冲成孔。钢结构连接中常用的螺栓直径为16、18、20、22、24mm等。螺栓连接的种类 螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两大类。按受力情况又可分为三种：抗剪螺栓连接、抗拉螺栓连接和同时承受剪拉的螺栓连接。普通螺栓连接使用较多的是粗制螺栓（C级）连接。其抗剪连接是依靠螺杆受剪和孔壁承压来承受荷载。其抗拉连接则依靠沿螺杆轴向受拉来承受荷载。粗制螺栓抗剪连接受力后板件间发生一定大小的滑移，因此只适用于不直接承受动力荷载的次要构件连接。而精制螺栓
3、连接受力和传力情况与粗制螺栓（C级）连接相同，但螺栓加工复杂和安装要求高而较少采用。高强度螺栓连接也有两类，即高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。摩擦型高强度螺栓连接是依靠连接板件间的摩擦力来承受荷载。必须保证螺栓中有足够的预拉力和板件间的摩擦力足够。高强度螺栓摩擦型连接以板件间的摩擦力刚要被克服作为承载能力极限状态。连接中的孔壁不承压，螺杆不受剪。我国钢结构设计规范规定其孔径比螺杆直径大1.52.0MM。高强度螺栓摩擦型连接的优点是连接的变形小、连接紧密、耐疲劳、易安装、可拆换，在动力荷载作用下不易松动。高强度螺栓承压型连接对螺栓材质、预拉力大小和施工安装等的要求与摩擦型的完全相同，
4、只是它是以摩擦力被克服、节点板件发生相对滑移后孔壁承压和螺栓受剪破坏作为承载能力极限状态，因此它的承载能力高于高强度摩擦型螺栓连接，可节省连接材料。但因这种连接变形较大，其应用受到限制，目前应用的还不多，设计规范规定它只能用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构中。我国钢结构设计规范规定其孔径比螺杆直径大1.01.5MM，即与普通螺栓连接中的粗制螺栓孔相同。它的工作性能与普通螺栓的完全相同。铆钉连接 v螺栓的排列螺栓在连接中的排列要考虑便于制造、便于钻孔、便于用扳手拧紧螺栓。构件上排列成行的螺栓孔中心连线叫螺栓线或螺栓规线。沿螺栓线相邻螺栓孔的中心距离称为螺栓距，相邻两条螺栓线的间距称为线距或
5、规距，连接中最末一个螺栓孔中心沿连接的受力方向至构件端部的距离叫做端距，螺栓孔中心在垂直于受力方向至构件边缘的距离为边距。钢板板叠上排列螺栓的要求表5-1给出了我国设计规范中规定排列螺栓时的最小和最大容许距离。角钢上排列螺栓的要求角钢上排列螺栓，当角钢边长小于125MM时，一般采用单排；当边长大于125MM时，可采用双排交错排列；当边长大于140MM时，可以采用双排排列此外，考虑拧紧螺栓的扳手尺寸和考虑必要的边距，角钢上采用的最大螺栓直径亦有限制。表5-2给出了角钢常用的螺栓线距和最大螺栓直径。热轧工字钢和热轧槽钢上排列螺栓的要求 热轧工字钢和热轧槽钢的翼缘板厚度有坡度变化，翼缘板与腹板间的交
6、接处有圆弧过渡，为便于安装螺栓，翼缘板与腹板上的螺栓孔位置常有限制。见表5-3v普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的工作性能抗剪螺栓连接 普通螺栓连接主要以孔壁承压和螺杆受剪传递荷载，高强度螺栓承压型连接以摩擦力被克服、使螺杆受剪和孔壁承压破坏为承载力极限状态。抗剪螺栓连接的几种可能的破坏形式螺栓杆被剪断钢板孔壁承压破坏螺栓端距不足，端部钢板受剪撕裂沿孔中心连接板件受拉破坏，即净截面不足螺栓弯曲变形过大。在普通螺栓和承压型的高强度螺栓抗剪连接中需要进行计算的主要是三项o 保证螺栓杆不被剪断o 保证钢板孔壁不因承压而破坏o 要求构件有足够的净截面积，不使板件被拉断。抗拉螺栓连接抗拉螺栓连接中主要
7、使螺杆沿其轴线承受拉力。抗拉螺栓连接必须通过T形连接件传力。注意撬力的影响。为考虑撬力的影响，我国规范有意降低了普通螺栓轴心受拉时的强度设计值。v普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算本节内容除特别说明之处外都同时适用于普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算。单个螺栓的承载力设计值 螺栓连接的计算通常按下列步骤：o 首先计算单个螺栓的承载力设计值，o 其次按受力情况确定所需螺栓数量，o 最后按构造要求排列需要的螺栓，必要时还进行构件的净截面强度验算。o 在受力较复杂的螺栓连接中，也可先假定需要的螺栓数进行排列后验算受力最大的螺栓是否小于其承载力设计值。相差过大时，重新假定螺栓数进行排列和复
8、算。o 在抗剪螺栓连接中，螺栓承载力设计值取螺杆受剪和孔壁承压承载力设计值中的较小者。一个螺栓的受剪承载力设计值应按下式计算 bvvbvfdnN42一个螺栓的孔壁承压承载力设计值应按下式计算 bcbcftdN为在同一受力方向承压的构件较小总厚度。t说明o 普通螺栓受剪面处有可能遇有螺纹，也可能无螺纹。我国设计规范中规定的上述公式对高强度螺栓承压型连接，当剪切面位于螺纹处时，应按螺纹处截面积进行计算，但对普通螺栓，不论剪切面是否位于螺纹处，一律以螺杆杆身的截面积进行计算。因为普通螺栓连接的抗剪强度设计值是根据连接的试验数据经统计而确定的，而试验时未区分剪切面是否在螺纹处。螺栓的承压面积事实上为半
9、个圆柱面面积，但计算时假定承压应力均布在通过螺栓直径的截面上来计算。而在通过试验确定螺栓的承压强度设计值也是按上述简化假定计算的。o 前面的公式宜用于较简单的搭接连接或对接连接，当遇到叫复杂的螺栓连接时，剪切面究竟是几个，的计算，应通过分析确定。如图5-11。o 当需求一只铆钉的承载力设计值时，仍采用前面的公式，但相应的强度设计值应改用铆钉的，且将螺栓直径换成铆钉孔径。螺栓的抗拉承载力设计值应按下式计算btebtfdN42在轴心力作用下螺栓群的抗剪连接计算o 当外力作用线通过螺栓群的形心，其抗剪连接计算中常假定各螺栓平均受力。因而在求得单个螺栓的承载力设计值Nb后，即可按下式得到所需螺栓的个数
10、。bNNn 求得所需螺栓个数后，即可按前面的要求进行排列。排列是应注意使所连接构件的截面削弱为最少，使连接长度为最短，以节省钢材。n例题例题5-1o 当螺栓排列较复杂时，破坏截面不能一眼看出，净截面的计算也就比较复杂，而设计规范中对净截面的计算方法未作详细规定。例题例题5-2例题例题5-3轴心力作用下螺栓群的抗剪连接计算是假定每个螺栓均匀受力的。但试验证明，当处于弹性工作阶段，螺栓沿外力作用方向是不均匀受力的，两端的螺栓受力大，而中间的受力小，且连接长度愈大，不均匀受力的情况愈严重。当进入塑性阶段后，各螺栓受力渐趋均匀。但当受力较大时，连接两端的螺栓可能先行破坏。为防止这种现象发生，我国设计规
11、范规定：在构件的节点处或拼接接头的一端当螺栓或铆钉沿受力方向的连接长度 l1大于15d0时，应将螺栓或铆钉的承载力设计值乘以折减系数：7.01501.101dl当 时，取折减系数为0.7.0160dl*我国规范中，本条规定对高强度螺栓摩擦型连接也同样适用。而试验表明和长度无关，但规范未采用。我国钢结构设计规范规定在下列情况下，螺栓或铆钉的数目应较计算所需增加。一个构件借助填板或其它中间板件与另一构件连接的螺栓（高强度螺栓摩擦型连接除外）或铆钉，应按计算增加10%。搭接接头或用拼接板的单面连接，由于接头易弯曲，螺栓（高强度螺栓摩擦型连接除外）或铆钉，应按计算增加10%。在构件的端部连接中，当利用
12、短角钢与型钢的外伸肢相连以缩短连接长度时，在短角钢两肢中的任一肢上所用螺栓应增加50%。在偏心力作用下螺栓群的抗剪连接计算在偏心力作用下螺栓群的计算步骤与在轴心力作用下不同，一般宜先假定螺栓数目和进行排列，然后验算螺栓的强度是否满足要求。设计规范中未规定在偏心力作用下螺栓群中各螺栓受力的计算方法。偏心力作用下螺栓群的抗剪连接最常采用的计算方法是弹性分析法，这种方法偏于保守，目前也有人提出极限强度法（塑性分析方法），但计算较繁。螺栓所连的钢板为刚性，螺栓为弹性；在扭矩作用下每个螺栓受力大小与该螺栓中心至螺栓群形心的距离成正比，方向垂直于螺栓中心至螺栓群形心的连线。图5-19中的牛腿分析采用弹性分
13、析方法，一般作如下假定：nTniTiTrNrNrN11nTniTiTrNrNrNT11根据以上假定，可得 整个连接节点出的合扭矩为 inTirrrrNT22221因此，有 可得 为计算方便，也可改写为于是在偏心剪力作用下螺栓 的强度条件为2iiTirTrN22iiiiiTiTixyxTyryNN22iiiiiTiTiyyxTxrxNNbTiyNyTixNNNN22当螺栓群为一狭长形布置时，如 时，也可按下式计算 maxmax3xy2maxiTxyTyN0TyN例题例题5-4 在轴心力作用下螺栓群的抗拉连接计算主要用于T形连接,如T形连接件与大梁下翼缘的螺栓连接，当荷载N的作用线通过螺栓群的形心
14、时，可看着使每个螺栓均匀轴心受拉，此时需要的螺栓数为 btNNn 这种连接适用于C级普通螺栓连接和高强度螺栓连接，但一般采用C级螺栓。在弯矩作用下螺栓群的抗拉连接计算（只适合于普通螺栓连接！）图5.23表示了一梁与柱的连接。两端剪力通过端板与焊接于柱上的托板端部刨平顶紧传给柱身。梁端弯矩通过焊于梁端的端板用粗制螺栓与柱的翼缘板相连而传递。因此，螺栓群只承受弯矩作用。当用弹性分析时，中和轴位于端板的下部。书中给出的精确计算公式太繁，目前设计时习惯上采用简化算法，即假定中和轴位于弯矩指向处第一排螺栓轴线上，同时忽略端板受压区产生的抵抗力矩。简化后的公式为 btniiNchmchMN12maxmax
15、)(或 btniiNymMyN12maxmax这是目前设计中常用的公式！应用上式时常需事先假定螺栓数目并进行排列，当计算不能满足要求时，重新计算。按中和轴在弯矩指向的第一排螺栓处，并略去不计受压区产生的抵抗力矩，推导出所需的螺栓数目近似计算公式如下 121621nnpmNMnbt或 pmNMnbt321式中，m为螺栓群中螺栓的列数；n为每列螺栓中螺栓数目；p为螺栓矩。计算时可先用第二式求n，然后再用第一式求得修正后的n。例题例题5-6例题例题5-7在剪力与弯矩（或轴心拉力）同时作用下螺栓群的连接计算 若梁柱连接中，柱上未设置托板，或仅焊临时托板作吊装时的临时支点，则该螺栓群将同时受剪和弯曲受拉
16、。我国设计规范规定，同时承受剪力和杆轴方向拉力时，普通螺栓和承压型连接的高强度螺栓的承载能力必须满足下式 122bttbvvNNNN螺栓受到剪力作用，还应验算其孔壁承压强度，即 bcvNN（普通螺栓连接）或 2.1bcvNN（承压型连接的高强度螺栓）bcbctfdN在同时承受剪力和沿螺杆轴向的拉力时，三向受压中垂直板面方向的压力明显减小，此时，承压型连接的高强度螺栓的fcb应适当降低，故上式中除以1.2。例例5-8偏心拉力作用下普通螺栓群的计算图5.26为单层厂房横向钢框架中屋架的下弦端部节点。屋架下弦杆与端斜杆工厂焊接于节点板上，节点板又焊接于端板上，钢柱上已焊有一托板作为屋架的竖向支承，安
17、装屋架时，将屋架端节点的端板置于钢柱的托板上，然后用粗制螺栓将端板与工字形柱翼缘板相连。粗制螺栓只承受屋架端部的水平反力和其对螺栓群形心的偏心力矩所产生的拉力，屋架的竖向反力则通过端板下端的刨平顶紧传给柱子的托板。螺栓的连接要区分两种情况：o 小偏心时 由于弯矩M=Ne较小或拉力N较大，螺栓群受力后端板不可能有受压区，此时弯矩作用使端板绕螺栓群的形心转动，在轴力和弯矩共同作用下螺栓群的受力最大和最小的螺栓所受力为 2maxminmaxidmMdmnNNN当 时 0minNbtiNdmMdmnNN2maxmax当 时说明端板上将有受压区，端板将不绕螺栓群形心转动，需按大偏心计算。0minN大偏心
18、时 由于弯矩 较大或拉力 N 较小将使端板 B 绕弯矩指向一侧离板端距离为 c 的轴线 o-o 转动。设计时可以采用一些简化：（1）假定端板绕弯矩指向一边第一排螺栓转动；（2）略去不计端板受压部分提供的抵抗弯矩。NeM 根据力矩平衡条件，得 max2max2yymNyNcheNiii螺栓强度验算条件为 btiNymycheNN2maxmax2在上世纪80年代以前，某些国外及我国教科书、手册以及设计习惯上采用的验算条件却不是与前面不同。首先，它不区分大小偏心，其次它不是由 求Nmax，而是利用叠加原理把偏心拉力 平移至螺栓形心处，得轴心拉力N和弯矩 ，然后假定在轴心力N作用下螺栓群均匀受拉，在弯
19、矩作用下螺栓受力为 0MNNeM 2maxmaxiMymMyN因而N和M共同作用下，螺栓受力的强度条件为 btiNymNeymnNN2maxmax显然前面的一种计算方法求得的 较大，更偏于安全。maxN例题例题5-9 例题例题5-10特别注意：特别注意：在本节五与七两小节内容都是针对普通螺栓连接而言的，未提及高强度螺栓承压型连接。这是因为在弯矩作用下，使螺栓群受拉的公式推导中假设了中和轴取在弯矩指向的最顶端或最底端的螺栓中心线，这个假定只是在端板与柱翼缘板间（即连接板间）无无预压力时才属可行。高强度螺栓承压型连接在连接板中存在较大预压力，此时中和轴的位置应视连接板件间的预压力是否已被克服而定。
20、v高强度螺栓摩擦型连接的计算高强度螺栓摩擦型连接的计算高强度螺栓中的预拉力和摩擦面的抗滑移系数 高强度螺栓摩擦型连接主要是依靠拧紧螺帽使螺杆中产生较高的预拉力，从而使连接处的板叠间产生较高的预压力，而后依靠板件间的摩擦力传递荷载，并以摩擦力被克服时作为连接的承载能力极限状。如何保证螺栓中具有设计要求的预拉力是保证质量的首要关键。其次是必须使板件在连接部分有很好的接触和有较高的摩擦系数（抗滑移系数）。高强度螺栓的安装应按照一定程序进行，宜由螺栓群中央顺序向外拧紧，并应在当天终拧完毕。高强度螺栓的拧紧必须分初拧和终拧两步。初拧的目的是消除板叠间的初始变形。终拧是使螺栓产生设计要求的预拉力，其大小与
21、施加的扭矩成正比。初拧扭矩一般宜取终拧的50%。我国设计规范中规定的每个高强度螺栓的设计预拉力如表5-4，其中数值是由下面的公式计算的，euAfP2.19.09.09.0上式分母中的系数1.2是为考虑施加扭矩时产生的剪力的影响；分子中的第一个0.9是考虑螺栓材质的不均匀性而引入的一个折减系数，第二个0.9是考虑施工时的超张拉影响（施工时为了补偿螺杆中预拉力的松弛，一般超张拉510%)，最后一个0.9是考虑式中以钢材抗拉强度为准，引入的一个附加安全系数。表5-4中所示一个螺栓的设计预拉力值P同时适用于摩擦型连接和承压型连接。为了增加板叠摩擦面间的摩擦力，应设法提高其摩擦系数。为此应对连接处构件的
22、接触面进行处理。摩擦系数一般取决于摩擦面平整度、清洁度和粗糙度。为了增加摩擦面的清洁度和粗糙度，处理方法大致有喷砂、喷砂后生赤锈、喷砂后涂无机富锌漆、砂轮打磨、钢丝刷清除浮锈等。我国钢结构设计规范关于摩擦面抗滑移系数（即摩擦系数）的规定在表5-5中给出。在高强度螺栓的连接范围内，构件接触面的处理方法应在施工图上说明。在轴心力作用下高强度螺栓群的摩擦型抗剪连接计算在抗剪连接中，每个摩擦型连接的高强度螺栓的承载力设计值为 PnNfbv9.0 为传力摩擦面数，为摩擦面的抗滑移系数，为高强度螺栓的预拉力，见表5-4。fnPbvNNbvNNn 在求得 后，当外力设计值 通过螺栓群的形心时，即可由下式计算
23、所需螺栓数目，然后按前面的要求排列螺栓。最后，对连接构件的截面强度按下列公式进行验算，fANfANnnn15.01n是在节点或连接一端所用的螺栓数，n1为计算截面上（即最外列螺栓处）高强度螺栓的数目。与普通螺栓连接的计算对比，基本步骤基本相同，即包含4步：计算单个螺栓的承载力设计值；求所需螺栓数目；排列螺栓；验算截面强度。（1）（4）步有所不同。由于高强度螺栓摩擦型连接是依靠摩擦面上的摩擦力传递荷载的，摩擦力则分布在每个螺栓中心附近的有效摩擦面上，根据试验，摩擦面的有效直径为3d以上。计算时假定每个螺栓有效摩擦面均匀受力，则在验算板件最外列螺栓处的净截面强度时，一部分力在孔前已由有效摩擦面上的
24、摩擦力传给另一个板件，在净截面处板件中的力已减小为 nnNnnNN115.0120.5为孔前传力系数。例题例题5-11在偏心力作用下高强度螺栓群的摩擦型抗剪连接计算计算方法与前面的普通螺栓群在偏心力作用下的抗剪连接弹性分析方法相同。所不同的是单个螺栓的抗剪承载能力设计值的计算。在进行构件净截面强度验算时，由于较在轴心力作用下复杂，所以一般不考虑，结果偏于可靠一边。高强度螺栓群的抗拉连接计算思考：一个高强度螺栓沿螺栓轴线方向受拉力 ，螺栓受到的拉力是否为？tNPNt未受外力荷载时，板件间的压力为C，它等于外螺栓中的预拉力P。施加预拉力Nt后设板件间的压力减小为 ,螺杆中的预拉力增大为 。CP一个
25、螺栓的截面积为 ，一个螺栓使板件受压的有效接触面面积为 bApA板叠压力减小后的厚度伸长量为：tEACCp2高强度螺栓杆身由于内力增大后的伸长量为：tEAPPb2应有 tEAPPtEACCbp22由静力平衡条件 PC tNPC则得 bbtAPPANPP可解得 bptAANPP1如取 10bpAAPNt则 PPPP09.1101而事实上 10bpAA因此有 PP 试验证明，当外拉力 过大时，螺栓将发生松弛现象而减小螺栓中的预拉力。为了避免发生螺栓的松弛并使连接板件间始终保持压紧，我国钢结构设计规范中规定：摩擦型连接中每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值为，tNPNbt8.0注意：注意：在沿螺栓杆轴方
26、向受拉的连接中，摩擦型连接每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值与承压型连接的每个高强度螺栓抗拉承载力设计值是不相同的。例题例题5-12在弯矩作用下，若受力最大螺栓的拉力 ，端板与柱翼缘板间仍将保持紧密接触，因此可假定螺栓群承受弯矩作用时的中和轴位于螺栓群的形心处。PN8.0max同时承受摩擦面间的剪切和螺栓杆轴方向拉力的高强度螺栓摩擦型连接的计算 我国设计规范对此情况下的每个摩擦型连接高强度螺栓受剪承载能力设计值规定为，tfbvNPnN25.19.0式中 为每个高强度螺栓在其杆轴方向的外力，其值不应大于 。tNP8.0我国钢结构设计规范中，已把以上公式修改为“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”，其承载力按下式计算，1bttbvvNNNNPnNfbv9.0PNbt8.0修改后的公式与原来的公式实质上完全相同。而普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接同时受剪和受拉应满足的相关式为，122bttbvvNNNN注意：在高强度螺栓摩擦型连接中，螺栓的抗剪承载力设计值 、抗拉承载力设计值 和同时抗剪和抗拉应满足的相关公式是与普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的公式完全不相同。bvNbtN 作业：5.2；5.6；5.7；5.9
