钢结构设计原理-螺栓连接计算.ppt

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1、3 钢结构的连接设计,3.9普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓的规格,扭剪型高强度螺栓具有强度高、安装简便和质量易于保证、可以单面拧紧、对操作人员没有特殊要求等优点。扭剪型高强度螺栓螺纹端部有一个承受拧紧反力矩的十二交体（“梅花头”）和一个能在规定力矩下剪断的断颈槽。安装时用特制的电动扳手，有两个套头，一个套在螺母六角体上，另一个套在螺栓的十二角体上。拧紧时，对螺母施加顺时针力矩M1，对螺栓十二角体施加大小相等的逆时针力矩M2，使螺栓断颈部分承受扭剪，其初拧力矩为拧紧力矩的50，复拧力矩等于初拧力矩，终拧至断颈剪断为止，安装结束后，相应的安装力矩即为拧紧力矩。,3 钢结构的连接设计,3 钢结构的

2、连接设计,A级B级区别：仅尺寸不同，A级d24，L 150mm；B级d24，L150mm,I 类孔：孔壁粗糙度小，对应A、B级螺栓II类孔：孔壁粗糙度大，对应C级螺栓,普通螺栓的规格,3 钢结构的连接设计,钢结构用高强度大六角头螺栓：High Strength Bolts with Large Hexagon Head for Steel Structures,钢结构设计规范条：,螺栓的排列和构造要求 螺栓在构件上的排列时应考虑受力要求、构造要求、施工要求。1受力要求：对于受拉构件，螺栓的栓距和线距不应过小，否则对钢板截面削弱太多，构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏。对于受压构件，沿作用力方

3、向螺栓间距不应过大，否则被连接的板件间容易发生凸曲现象。因此，从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距。a）端距限制防止孔端钢板剪断 b）螺孔中距限制下限：防止孔间板发生净截面破坏 上限：防止板翘曲 2构造要求：若栓距和线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀，所以，构造上要规定螺栓的最大容许间距。3施工要求：为便于拧紧螺栓，留适当间距（不同的工具有不同要求）。施工上要规定螺栓的最小容许间距。,3 钢结构的连接设计,螺栓的排列和构造要求,3 钢结构的连接设计,3 钢结构的连接设计,钢板上螺栓排列,角钢上螺栓排列,并列螺栓,错列螺栓,螺栓容许间距,螺栓的排列和构造要求,3 钢结

4、构的连接设计,根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距见下表。,注:1.d0 为螺栓孔径，t 为外层薄板件厚度。2.钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢)相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。,螺栓的最大和最小容许间距,3 钢结构的连接设计,剪力螺栓 受力垂直螺杆，螺杆承剪、孔壁承压。连接件有错动趋势拉力螺栓 受力平行螺杆，螺杆承拉。连接件有脱开趋势。,依据受力方式,剪力螺栓,拉力螺栓,3.10普通螺栓连接的受力性能 普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为抗剪螺栓连接和抗拉螺栓连接。还可能既受剪有受拉，称为拉剪共同作用。,3 钢结构的连接设计,当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端

5、大，中间小；当外力继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。,剪力螺栓可能发生的破坏形式有：（1）螺栓剪断（2）钢板孔壁挤压破坏（3）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断（4）钢板因螺孔端距剪坏（5）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生受弯破坏,3 钢结构的连接设计,3.10.1 普通受剪螺栓的传力机理,防止螺栓破坏措施(1)(2)(3)通过计算解决(4)(5)通过构造解决,3 钢结构的连接设计,（1）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）,（2）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）,3.10.1 普通受剪螺栓的传力机理,螺栓安装拧紧后，在工作荷载的作用下，被夹紧的板件相对滑动，在

6、相反的方向螺杆靠紧孔壁，导致螺杆受剪切作用，孔壁受压力作用，直至螺杆剪断或孔壁受压破坏。,螺栓剪断,3 钢结构的连接设计,钢板孔壁挤压破坏,3 钢结构的连接设计,3 钢结构的连接设计,（1）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）,（2）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）,（3）钢板拉断（板开孔，截面削弱）,（4）钢板剪坏（螺栓端距过小）,（5）螺栓弯曲破坏（板过厚，螺栓细长）,3.10.1 普通受剪螺栓的破坏模式,钢板由于螺孔削弱而净截面拉断,3 钢结构的连接设计,钢板因螺孔端距而剪坏,3 钢结构的连接设计,螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生受弯破坏,3 钢结构的连接设计,3 钢结构的连接设计,一个剪

7、力螺栓的设计承载力,剪力螺栓的设计承载力,3 钢结构的连接设计,螺栓连接的强度设计值,3 钢结构的连接设计,3.10.2 受拉螺栓的破坏模式,螺杆净截面达到设计承载力而被拉坏控制 螺纹滑牙破坏构造控制,3 钢结构的连接设计,螺栓拉力：Pf=N/2+V 刚度越小，V 越大,3.10.2 受拉螺栓的破坏模式拉力螺栓撬力的概念,思考：撬力产生的原因？对螺栓拉力的影响？减少撬力的措施？,N,剪力螺栓,拉力螺栓,拉力螺栓,3 钢结构的连接设计,在受拉的连接接头中，普通螺栓所受拉力的大小与连接板件的刚度有关。假如连接板件的刚度很大，连接板件无变形，所以一个螺栓所受拉力为：Pf=N/2实际被连板件的刚度常较

8、小，受拉后和拉力垂直的角钢水平肢发生较大的变形，因而在角钢水平肢的端部因杠杆作用而产生反力V。由于杠杆作用的存在，使抗拉螺栓的负担加重了，所以一个螺栓所受拉力为：Pf=N/2+V为了简化计算，规范中把普通螺栓的抗拉设计强度定得比较低，以考虑螺栓负担加重这一不利影响。而且，设计中应设加劲肋等构造措施来提高角钢的刚度。,3 钢结构的连接设计,产生撬力的原因 角钢抗弯刚度不足，存在较大变形对螺栓受力影响 使螺栓拉力增大减小撬力的措施 增强角钢抗弯刚度，加大厚度或增设加劲肋,螺栓拉力：Pf=N/2+V 刚度越小，V 越大,3.10.2 受拉螺栓的破坏模式拉力螺栓撬力的概念,3 钢结构的连接设计,一个螺

9、栓的抗拉承载力设计值,螺栓有效直径,螺栓抗拉设计强度,3.10.3 一个拉力螺栓的设计承载力,3.10.4 剪力螺栓群计算：典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作用下的计算：（1）当螺栓连接处于弹性阶段时，螺栓群中各螺栓受力并不相等，两端大而中间小(图3-15a)；当螺栓群连接长度l1不太大时，随着外力增加连接超过弹性变形而进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀(图3-15b)。（2）当构件沿受力方向的连接长度l1过大时，端部的螺栓会因受力过大而首先发生破坏，随后依次向内逐排破坏（即所谓解钮扣现象）。（3）当外力通过螺栓群中心时，可认为所有的螺栓受力相同。,3 钢结构的连接设计,3 钢结构

10、的连接设计,当 l115d时，采用承载力折减系数考虑螺栓群受力不均,剪力螺栓群的不均匀受力,典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,引入折减系数后,就可以按螺栓群中所有的螺栓受力相同来计算了：,计算螺栓群在轴心力作用下的螺栓群所需螺栓数目：,此时应验算板的净截面强度,式中：f 连接板材料设计强度；An 节点板净截面积。,3 钢结构的连接设计,典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,对于An说明如下：,当螺栓并列布置时：,当螺栓错列布置时：构件有可能沿II或IIII截面破坏。,取II、IIII净截面的较小者来验算钢板净截面强度。,3 钢结构的连接设计,典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作

11、用下的计算：,3 钢结构的连接设计,螺栓总数 n,（1）螺栓抗剪计算,求 n 时，取整数,b,I 截面AnI,螺栓并列布置,螺栓错列布置,a,II 截面AnII,典型节点（1）剪力螺栓群在轴力作用下的计算：,轴力 N,3 钢结构的连接设计,受扭矩 T,螺栓受力分析假定（1）板件为刚体，螺栓为弹性体（2）各螺栓绕螺栓群形心旋转（3）产生的剪力与形心距离正比,(b)代入(a)得：,验算剪力最大的螺栓：,典型节点（2）受螺栓群分布平面内扭矩的剪切作用,3 钢结构的连接设计,剪力V轴力N扭矩 T,扭矩T,螺栓所受的最大合剪力,典型节点（3）受螺栓群分布平面内N、V、T剪切作用,3 钢结构的连接设计,螺

12、栓的最大拉力,验算,12345,2列,5排,螺栓群绕最低排螺栓轴线旋转,典型节点（4）螺栓群受弯矩M的作用,构件A,构件B,3 钢结构的连接设计,先假定：螺栓群绕形心线转动,（1）当，螺栓都受拉，原假定正确，验算：要求,（2）当，最低排螺栓受压，则螺栓群绕最低排螺栓中心转动 重新计算螺栓的最大拉力,验算：要求,654321,典型节点（5）螺栓群受弯矩M和轴拉力N的作用,3 钢结构的连接设计,(1)采用支托承剪C级螺栓承拉弯,剪力V 支托焊缝承受 进行焊缝验算弯矩M、轴拉力N 螺栓承受 进行螺栓验算 方法同前,典型节点（6）螺栓群受弯矩M、剪力V和轴拉力N的作用,3 钢结构的连接设计,3.11高

13、强度螺栓连接,复习普通螺栓的分类：,3 钢结构的连接设计,3 钢结构的连接设计,按材质分类,按受力状况分类,高强度螺栓的分类,3 钢结构的连接设计,高强度螺栓的传力机理,控制外力不超过摩擦力，无滑移。,摩擦型螺栓设计准则:,承压型螺栓设计准则:,外力可超过摩擦力，经滑移后由螺杆承剪承压。,3 钢结构的连接设计,控制外力不超过摩擦力，无滑移。,外力可超过摩擦力，经滑移后由螺杆承剪承压。,高强度螺栓的传力机理,3 钢结构的连接设计,摩擦系数,1、高强螺栓的预拉力:高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，以达到传递外力的目的。,摩擦型连接高强

14、度螺栓承载力计算,3 钢结构的连接设计,一个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值,摩擦型连接高强度螺栓承载力计算,p,p,p,p,3 钢结构的连接设计,规范给出的高强螺栓预拉力设计值为：,摩擦型连接高强度螺栓承载力计算,3 钢结构的连接设计,高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数,摩擦型连接高强度螺栓承载力计算,3 钢结构的连接设计,系数含义：考虑螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9；钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9；在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2。,摩擦型连接高强度螺

15、栓承载力计算,对于高强度螺栓承压型连接承载力设计值，极限承载力由螺栓杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法与普通螺栓相同。,3 钢结构的连接设计,摩擦型连接高强度螺栓承载力计算,2、摩擦型连接高强度螺栓抗拉承载力,抗拉承载力设计值：高强度螺栓连接由于螺栓中的预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强度螺栓受到外拉力作用时，首先要抵消这种挤压力。分析表明，当高强度螺栓达到规范规定的承载力0.8P时，螺栓杆的拉力仅增大7%左右，可以认为基本不变。,3 钢结构的连接设计,摩擦型连接高强度螺栓承载力计算,承压型连接高强度螺栓的承载力设计值：受剪：螺杆抗剪 孔壁承压 受

16、拉：螺杆抗拉（1）计算方法与普通精制螺栓相同，但材料强度参数不同；（2）典型连接节点的验算方法也与普通精制螺栓相同，不再赘述。,3、承压型连接高强度螺栓的承载力设计值,（1）每个高强螺栓受力为：,所需螺栓数目为：,3 钢结构的连接设计,典型节点（1）摩擦型连接高强度螺栓群受“剪力”作用时,3 钢结构的连接设计,（2）净截面验算,典型节点（1）摩擦型连接高强度螺栓群受“剪力”作用时,（开孔对构件截面削弱相对较小）,3 钢结构的连接设计,受剪力V、轴力N、扭矩 T,扭矩T,螺栓所受的最大合剪力,12345,678910,1,典型节点（2）摩擦型连接高强度螺栓群受剪力V、轴力N、扭矩T作用,3 钢结

17、构的连接设计,承受弯矩 M,连接保持不松动，所有螺栓均处于受拉状态螺栓群绕形心线旋转！,验算最上一排受拉螺栓,典型节点（3）摩擦型连接高强度螺栓群受弯矩M作用,3 钢结构的连接设计,典型节点（4）摩擦型连接高强度螺栓群受拉力、弯矩作用时的计算,对于高强度螺栓通常认为螺栓群绕螺栓群形心轴旋转，即中性轴位于形心轴。螺栓中受到的最大拉力计算如下：,3 钢结构的连接设计,一个摩擦型高强度螺栓同时受剪、受拉时承载力计算,摩擦型连接高强度螺栓受剪、拉作用的承载力验算,3 钢结构的连接设计,钢结构设计规范（GB50017-2003）相关公式:,3 钢结构的连接设计,无论有否拉力N，总是绕螺栓群形心线旋转！,123456,剪力V,弯矩M拉力N,典型节点（5）摩擦型连接高强度螺栓群受弯矩M、剪力V、拉力N作用,