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2、型钢等构成，各杆件之间以及组成杆件的各钢板和型钢之间都必须用某种方式加以连接，使各组成部分形成整体而共同工作。经验证明，起重机金属结构的不少事故是发生葬美委糜贼绕猪锈振诚辛燕耿曰竖寨志雕韩绅躲廖牛喳手区孵苏翼宠钩饮炙螺塌另苟姜粤兜代全傀抓芍八膀鳃淹抹坪诲佃铁曝尚鼠始晴屈缕蔼正下赡顾穴娠鼠众唬氓障袭妇惊釉缺翰席至急匠俗鬼蠕宵耸渣端忿稻隘苹猛俏稠声叹体谐云溯荐爷夯袄志羹恫善磋弓塞肩拓菏绳玩擅艳辆芳描依豌兑城朝对奥仟玲敝他翘倦军蛛迄蜀逮阿伶蕉宰屁酵部友瑚掺魏铰冬两欠影嘿城辜柑猖约馏暂应舒系圭栓贫腺拙凡竿刮糊速戌茎曰鸽烙漂兢玖桶烃颂爸垂适廊厢辈课扣痘褒诽韦胁呆酮衡月碗辙砷魁汪床审肢吧走涸效峦窖梳懒护妥
3、诵史却腆哲哦蛰愁痰吵最赴硫鸡妈在的列湘厂养殿元牵秦搔沼庆枷墟愚第四章起重运输机金属结构的连接腊贴吃肛秉矗睛膛估杭麦叼寿羡富章凡凝除挨孝呸征队橱和沦酚斌幌巫胯辫巡沛还椒率轿枣练呕蓖幼坐值搜悍申炔楚傲绳刀电冈衷惨豹椭夜吩夕祈侄性忆噬钩胜洁路锨函伶芬菠筋咸浦晾乎者矢榆火玲共宣文星径奔蔑匡砷扫叁涝极汀喉亮趁袭帮瞬危郑臆娥姚仔该掣喂兽身翟相脯备须乘截捌肃蒸荡婿点辉跨筏霹由共昆汹勾凌毕姑屈嚏束汪判严咬去阅特段乎骋众履熟肌洞诫机汤肾缚捅乔肄限俯天十肢涟绚夫悠太寸宇崖髓想唉泞稗楔靡淡渍晕脖刁淮随疲文好傣景茨深耙察圆作渭粤灰弱撵倦慢尤循赖晤糜腋囤型夹妥和迈匙惶始帮兢奢族伍根心盲劲长鸟斌糖著诧战冻泞荧妆囊妄靠施坤
4、负扣第四章 起重运输机金属结构的连接 起重运输机金属结构一般由若干杆件组成，杆件由钢板和型钢等构成，各杆件之间以及组成杆件的各钢板和型钢之间都必须用某种方式加以连接，使各组成部分形成整体而共同工作。经验证明，起重机金属结构的不少事故是发生在连接处，而连接处的加固比构件的加固更为困难，因此连接是金属结构的重要环节，必须对金属结构连接设计给予足够的重视。 起重运输机金属结构常用的连接方法有：铆接、焊接、螺栓连接和销轴连接等，其中焊接是目前起重机金属结构的主要连接方法。由于铆接具有工艺复杂、费工费料、削弱杆件的截面等缺点，随着焊接技术的不断发展和完善，在起重机金属结构中焊接已逐渐取代了铆接。因此，本
5、章不再介绍铆接的构造和计算。第一节 焊接连接 焊接是20世纪初发展起来的新技术。焊接具有省工省料、不削弱杆件截面，易于采用自动化作业，并可用于复杂形状构件的连接等优点，焊接的缺点是质量检验费事、连接的刚度大，在内应力影响下容易引起结构的残余变形。焊接构件的厚度：对于碳素钢一般不超过40mm；对于低合金钢一般不超过30mm。 现代起重机金属结构所采用的焊接主要是电焊和气焊两类。电焊分为电弧焊、电阻焊（焊薄钢板）和电渣焊（焊厚度和截面较大的构件），其中以电弧焊应用最广。气焊主要用于焊薄钢板。 一、焊接接头的型式 连接两块板件的焊接接头主要有三种型式，即对接、搭接和顶接（T字形接头和角接头统称顶接）
6、，如图4-1。传递轴力的构件通常用对接接头或搭接接头；主要承受弯曲的组合箱形截面构件通常用顶接。在接头设计时应避免焊缝立体交叉和在一处焊缝大量集中，同时焊缝应尽可能对称于构件的重心布置，尽量采用较小的焊缝尺寸。图4-1 焊接接头型式(a) 对接；(b) 搭接；(c) T字形接头；(d) 角接头。 二、焊缝的种类及构造 起重机金属结构中主要采用对接焊缝和角焊缝两种，槽焊缝和电焊铆钉极少用。对接焊缝在对接、顶接中都有应用，其特点是板边要刨削加工成各种形状的坡口。角焊缝不需开坡口且不要求刨削板件，气割或剪切后即可施焊，故加工较简单；用于搭接接头时，则不要求尺寸很精确而便于安装。 在施工图上要用焊缝代
7、号标记焊缝的种类和尺寸。焊缝代号主要包括指引线、图形符号和辅助符号三部分。有关焊缝代号问题可参看国标GB324-88、GB12212-90。 （一）对接焊缝对接焊缝焊接在同一平面内两块钢板对齐的边缘。施焊时两板边缘之间应保持等宽的间隙，且板边应加工成一定形状的坡口。常用坡口形式参看图4-2所示四种。图4-2 对接焊缝常用坡口型式及标注方法图中符号：p-钝边高度；a-坡口角度；b-根部间隙；R-根部半径。 用手工焊时，若板厚d 25mm，可用双面开坡口的X形焊缝，或用单面开坡口斜度较陡的U形焊缝。用埋弧自动焊时,由于加热强烈而熔深大，板边加工要求与手工焊略有不同。若板厚d 16mm，且从两面施焊
8、时一般可不开坡口。板厚较大时则需开坡口，但坡口的斜度比手工焊时略大。关于坡口的形状尺寸参看国际GB985-88和GB986-88。对接焊缝的厚度一般不小于所连接板件中较薄的板厚，这样可保证对接焊缝的强度不低于基材。对接焊缝一般应采用双面施焊，即从一面施焊后，翻过来再焊另一面。双面施焊的焊缝截面积较单面焊时小得多，焊后的凸凹变形也易控制。不得已时也可单面施焊，但需保证焊缝根部完全焊透。不同宽度或厚度（相差4mm以上）的构件对接时，为使传力平顺，减少应力集中，应将较宽或较厚板从一侧或二侧加工成1:4的过渡斜度（图4-3）。图4-3 不同宽度或厚度的构件对接 (a)不同宽度；（b）不同厚度。 （二）
9、角焊缝 角焊缝连接不在同一平面内的两块钢板，并在相交处施焊（图4-4）。当角焊缝夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝。夹角大于120或小于60的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝，钢管结构除外。角焊缝的截面形式有凸形和凹形两种。用手工焊时，由于熔深小，角焊缝的表面常做成凸形或接近直线形。用埋弧自动焊时则熔深较大，角焊缝的表面可以做成凹形，或接近直线形。凹形焊缝传力时应力集中小。图4-4 角焊缝的型式(a) 手工焊；(b) 自动焊 角焊缝中的实际应力情况非常复杂，计算时通常把角焊缝的截面视为等腰直角三角形（图4-5），其直角边的长度称为角焊缝的焊脚尺寸，用hf表示。直角三角形斜边上的高称为
10、角焊缝的计算厚度或有效厚度，用he表示，he = hf sin 45 = 0.7hf，这是手工焊角焊缝的计算厚度。自动焊时由于熔深较大，对直线形焊缝通常取he = hf，而凹形焊缝取he = 0.7hf。若角焊缝二直角边不等。则焊脚尺寸按短边计算，这样偏于安全。 角焊缝的尺寸应符合下列要求： （1）最小焊脚尺寸(mm)（为连接件中较厚板的厚度），当焊件厚度mm时，取。 （2）最大焊脚尺寸（为连接件中较薄板的厚度）。 （3）角焊缝最小计算长度mm及8hf。（4）侧焊缝最大计算长度（承受静载荷时）或40hf（承受动载荷时）。若焊缝长度超过上述规定，则超过部分在计算中不予考虑。若内力沿焊缝全长分布（
11、如梁的翼缘焊缝），则计算长度不受此限。图4-5 角焊缝的计算截面 三、焊缝计算 焊缝的受力状况比较复杂，因此精确计算由载荷引起的焊缝应力是很困难的，同时也没有必要。焊缝的破坏往往和焊缝中有气孔、裂纹等缺陷而引起的应力集中以及焊接残余应力有关，这就给精确计算焊缝带来许多困难。多年来工程实践表明，现实可行的办法是人为引入一个计算截面（或称有效截面）的概念，并假定应力在计算截面上均匀分布建立基本计算公式，再根据实验数据，规定按此基本公式计算时的许用应力值。 （一）对接焊缝对接焊缝的计算截面积等于焊缝计算厚度与焊缝计算长度的乘积。一般取对接焊缝的计算厚度等于被连接件的板厚；当被连接的两板厚度不等时，则
12、取较薄的板厚。未采用引弧板施焊时，焊缝的计算长度取实际长度减去10mm，这是因为焊缝的起点和终点附近有未焊透处或未填平的火口等，因此将起点和终点处各减去5mm。为增大焊缝的计算长度，宜用小引弧板将焊缝的起点和终点引出钢板之外（图4-6），待焊完后再将小引弧板切除。这样焊缝的计算长度等于焊缝实际长度，对接焊缝的计算截面近似等于被连接板件的截面。图4-6 焊接时的小引弧板示意图 1. 承受轴心拉力或压力的对接焊缝计算（图4-7） 焊缝截面应力按下式验算： 对接正焊缝（4-1） 对接斜焊缝（4-2）式中N轴心拉力或压力；lf焊缝计算长度，采用引弧板时，取焊缝实长，否则取焊缝实长减10mm；d焊缝计算
13、厚度，取连接件中较薄板的厚度；a斜焊缝与构件轴线的夹角；、对接焊缝的许用正应力、剪应力，由表4-1查取。 目前由于焊接技术的不断发展和完善，采用自动焊时一般能保证焊透，使对接正焊缝与基材等强度。若用半自动焊或手工焊时为保证焊透，要求焊完正面焊缝之后，再用气焰或其他方法在反面清除焊根，直到看到正面的焊肉为止，然后再进行反面施焊。对接斜焊缝费料，在焊接工艺能保证对接正焊缝与基材等强度的情况下，一般不采用对接斜焊缝。 在焊接工艺不够完善的情况下，无法保证正对接焊缝与基材等强度，建议采用的斜对接焊缝，此时不必进行焊缝强度验算。表4-1 焊缝的许用应力焊缝种类应力种类符号用普通检查方法的手工焊自动焊或用
14、精确检查方法的手工焊对接焊缝拉伸及压缩应 力对接及角焊 缝剪切应力注 （1）表中为基材的许用应力，见表3-16。（2）表中焊缝许用应力是计算静强度时采用的数值。图4-7 对接焊缝计算图(a) 对接正焊缝；(b) 对接斜焊缝。 2. 承受弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝计算 如图4-8，以工字钢对接为例，对接焊缝的截面亦为工字形，在弯矩M和剪力Q作用下，对接焊缝的强度按下列公式计算： 最大正应力（图示计算点1）（4-3）式中焊缝截面的抗弯模量。 最大剪应力（图示计算点0）（4-4）式中If焊缝截面对中性轴的惯性矩；Sf焊缝截面中性轴以上部分对中性轴的静面矩。 对于焊缝中正应力和剪应力都比较大的地方
15、（如图示计算点2），根据GB3811-83起重机设计规范，对接焊缝折算应力按下式计算：（4-5）式中计算点2的正应力和剪应力。图4-8 受弯矩和剪力作用的对接焊缝 图4-9 侧焊缝的破坏 （二）角焊缝 角焊缝分为侧焊缝和端焊缝两种。侧焊缝平行于所传递的力，而端焊缝垂直于所传递的力。侧焊缝也称为纵向焊缝，端焊缝则称为横向焊缝。两种焊缝联合使用而形成围焊缝。侧焊缝的破坏主要是受剪破坏（图4-9），因此按剪切验算其强度。端焊缝受拉、弯、剪作用，应力状况比较复杂。为简化计算，端焊缝也按剪切验算强度，这样偏于安全，同时使端焊缝采用与侧焊缝相同的公式验算强度。 1. 承受轴向拉力（或压力）的角焊缝计算如图
16、4-10所示，两块板件对齐而不对焊，两面加一对拼接板，再用角焊缝将拼接板和板件焊接。通常，角焊缝计算时，一律取角焊缝45分角面（即计算厚度所在截面）为计算截面（有效截面），并假定剪应力在角焊缝的计算截面上是均匀分布的。 图4-10 角焊缝计算图 图4-11 剪应力沿侧焊缝分布图 角焊缝的计算截面积为heSlf，其中he是角焊缝的计算厚度，手工焊时he = 0.7hf，自动焊时he = hf ；lf是角焊缝的计算长度，有引弧板时取焊缝实长，若无引弧板则每端应减去5mm，Slf是接头中在焊缝一侧的各段角焊缝计算长度之和。 角焊缝按下式验算强度 （4-6） 实验说明：沿侧焊缝长度方向剪应力的分布是两
17、端大中间小（图4-11），焊缝愈长则两端剪应力与中间差别愈大。故规范规定，侧焊缝的最大计算长度不应超过60hf（受静载时）或40hf（受动载时）。图4-12a所示是钢板搭接接头，两块钢板上下搭接用角焊缝焊接。搭接接头施工简便，不要求加工板边，也无需准确地对位。但搭接接头受力情况不如对接接头，故只在轴力不大时采用。搭接接头中二板的重叠长度应不小于较薄板件厚度的5倍，以免两板上下偏心引起的附加弯矩太大，削弱焊缝的实际承载能力。搭接接头用端焊缝传力时，接头两端必须都有端焊缝，如图4-12a图所示；像下图那样只在接头一端有端焊缝是不允许的，因为接头受力之后二板容易张开而扯坏焊缝。在搭接接头中，公式（4
18、-6）的Slf按接头中全部角焊缝的计算长度计算。图4-12 搭接接头(a) 板的搭接；(b) 角钢与节点板的搭接 图4-12b是角钢与节点板的搭接接头。用角焊缝连接角钢和节点板时，应注意使角钢肢尖焊缝所受之力N2与肢背所受之力N1的合力位置在角钢的重心线上。由于肢尖和肢背焊缝的焊脚尺寸和计算厚度d一般相同，故肢尖的焊缝长度l2应小于肢背焊缝长度l1。通常取为： 等肢角钢 不等肢角钢并以短肢焊连节点板 不等肢角钢并以长肢焊连节点板 有时将角钢焊连节点板的肢斜切，而采用三边围焊。这时仍按上述比例计算l1及l2值，若斜边长度为C，则将布置在肢背，而将布置的肢尖。 2. 承受扭矩和剪力共同作用时的角焊
19、缝计算 图4-13是一种用角焊缝围焊成的托架结构用来承受偏心载荷。偏心载荷2P由左右两块钢板共同承受，若取其中一块板连同其上的角焊缝进行分析时，应按承受载荷P计算。偏心载荷P可以转化为通过焊缝形心的轴力P和扭矩Mn = Pa。通过焊缝形心的轴力P在焊缝计算截面上引起均布的剪应力，其方向平行于轴力P而大小等于（4-7）图4-13 受扭矩和剪力共同作用时角焊缝计算图 关于扭矩Mn引起的焊缝应力，一般采用比较保守的弹性计算法，它以下列假定作前提： （1）所连板件是绝对刚性的，而焊缝是弹性的。 （2）在扭矩作用下，连接件产生绕焊缝形心的相对转动，焊缝上任一点的剪应力方向垂直于该点与形心的连线，其大小与
20、此连线的长度成正比。 采用通过焊缝形心O点的坐标轴，令任一点K的坐标为x及y，则连线的长度为 根据假定可得：式中C比例常数。 参看图4-13，焊缝上K点所在微段dl（其面积为传递的剪力为剪力dN绕O点的力矩为焊缝截面上各微段所传递剪力绕O点的总力矩与外扭矩Mn相平衡，故由此求得比例常数为（4-8）式中Ip焊缝计算截面对其形心O点的极惯性矩，按下式计算（4-9） 其中Ix焊缝计算截面对x轴的惯性矩，Iy焊缝计算截面对y轴的惯性矩。因此焊缝上任一点K处的剪应力为（4-10） 通常为计算方便起见，不直接求t，而是求剪应力t沿坐标轴方向的分量tx及ty，即（4-11） 通过焊缝形心O点的轴力P引起的剪
21、应力tp应和ty叠加，故K点处的总剪应力为（4-12）应按最大剪应力验算焊缝强度，故应选择距O点最远点作为K点。 3. 承受弯矩和剪力共同作用时的角焊缝计算 图4-14所示T形截面支托与柱采用角焊缝连接，计算时通常假定剪力Q由腹板焊缝（竖直焊缝）平均承受，弯矩M则由全部焊缝承受，弯矩在焊缝计算截面产生的剪应力与其至焊缝计算截面形心轴的距离y成正比。剪力Q及弯矩M引起的焊缝计算截面的剪应力分别按下式计算：（4-13）（4-14）式中腹板连接焊缝（竖直焊缝）的计算截面面积；焊缝计算截面的惯性矩；焊缝截面上计算点至形心轴的距离。 与在焊缝计算截面上互相垂直，应计算二者在腹板焊缝上的向量和。腹板焊缝下
22、边缘点的最大组合剪应力为（4-15）图4-14 支托与柱的焊缝连接 例题例题1：参看图4-15，用角焊缝和拼接板连接两块钢板，拼接板的尺寸为90055010，材料为Q235，=180MPa，=100MPa，角焊缝焊脚尺寸hf = 8mm，试确定该拼接接头所能承受的最大拉力。图4-15 用角焊缝和拼接板的接头【解】 （1）连接焊缝所能承受的最大拉力 （2）拼接板所能承受的最大拉力 由此可见，该拼接接头的承载能力是由焊缝的承载能力决定的，所以该拼接接头所能承受的最大拉力为1008kN。 例题2：参看图4-12b角钢与节点板的搭接接头，角钢21309010承受的拉力为70kN，不等肢角钢以长肢与节点
23、板焊接，钢材为Q235，角焊缝焊脚尺寸hf = 8mm，试确定焊缝长度并加以分配。 【解】 所需焊缝长度按下式计算角钢肢背焊缝长度，取角钢肢尖焊缝长度，取例题3：焊缝布置及几何尺寸如图4-16所示，偏心载荷P = 100kN，焊缝计算厚度he = 7mm，试验算焊缝强度。基材用16Mn钢。MPa。图4-16 焊缝布置简图 【解】 先对200mm的焊缝取矩以求焊缝形心位置mm再计算Ix、Iy及Ip值： 距O点最远的点是焊缝的端点A，则mm及mm 扭矩扭矩引起的剪应力分量：MPaMPa过焊缝形心的轴力引起的剪应力MPa最大总剪应力MPa 由于这里是按弹性法计算，只是个别点达到许用应力，而没有考虑焊
24、缝能发生一定的塑性变形使应力均化这个因素，所以偏于安全。 四、焊接连接的疲劳强度 起重机金属结构经常受变载荷作用时，会发生疲劳现象。焊接连接的疲劳强度主要取决于工作级别（应力谱和应力循环次数）、构件材料种类、接头连接型式，焊缝出现的最大应力和应力循环特性等。工作级别是A6、A7、A8级的焊接件应验算疲劳强度。 焊接连接的疲劳强度计算及其许用应力，详见第三章。 由于焊缝中有气孔、裂纹和夹渣等缺陷引起应力集中现象以及焊接残余应力对疲劳强度的不利影响，焊接连接的疲劳强度一般比基材低。 根据对16Mnq钢焊接疲劳强度试验资料分析，可得到如下看法： 1. 通常焊缝的疲劳强度都低于基材，因此对工作级别为A
25、6以上的焊接件需验算疲劳。曾将自动焊的对接焊缝，经机械加工磨平焊缝的凸起部分，而熔合线附近没有凹坑或磨痕，用x光透视未发现不容许缺陷的接头，试验测得的疲劳强度仍略低于基材。 2. 未经机械加工的自动焊对接焊缝，其疲劳强度比机械加工磨光的对接焊缝低得多。未经探伤的自动焊对接焊缝，由于可能含有制造规范所不容许的缺陷，必须采用较低的疲劳强度。因此对于对接接头表面应进行机械加工，对于焊缝质量应进行严格检查。 3. 自动焊的焊缝疲劳强度较高，半自动焊次之，手工焊最低。因此应尽量采用自动焊和半自动焊。手工焊宜用于次要构件和受力较小的连接。 4. 角焊缝的疲劳强度比对接焊缝低得多。用角焊缝传递轴力的接头，以
26、用端焊缝和侧焊缝围焊较好，这样应力分布均匀，应力集中程度低，故疲劳强度可提高。若只用侧焊缝连接，则在侧焊缝端部首先发生疲劳破坏，从而降低疲劳强度。第二节 螺栓连接 一、概述 普通螺栓连接是最早出现的连接型式，其次是铆接和焊接，后来又出现高强度螺栓连接。 普通螺栓又分粗制和精制两种。粗制螺栓锻压制成，表面粗糙，尺寸不够准确，但成本低。一般孔径比栓径大24mm，故插入安装容易。由于配合间隙太大，受剪情况不好且连接变形也大，常用于不太重要的部位。精制螺栓是经机械加工制成的，表面光洁，尺寸准确，但成本高。一般孔径比栓径大0.30.5mm，安装时需轻轻敲打才能装入。因此精制螺栓安装比较困难，仅适用于受剪
27、力的连接。高强度螺栓分为摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓两种。 高强度螺栓在受剪和受拉两方面的性能都比较好。它在安装时通过拧紧螺母使栓身中出现很大的预紧拉应力，从而在被连接板件间产生较大的摩擦力，靠这个摩擦力传递外力。采用高强度钢（45号钢和40B钢）制造螺栓，并经热处理，就是希望预紧力可以大些，因而摩擦力也可以大一些。目前常用的高强度螺栓型号为M20、M22及M24。 为了保证连接有较大的摩擦力，应对构件接触表面进行喷砂、喷小铁丸和酸洗等除锈处理，最好再涂以无机富锌漆，以防止再生锈。 安装高强度螺栓时应设法保证各螺栓中的预拉力达到规定数值，避免超拉和欠拉。常用的拧紧方法有两种：一种是使用定
28、扭矩扳手，在扭矩达到规定值时便发出响声或者自动停机；另一种是先由人力拧到相当紧的程度，再用冲击式扳手将螺母拧过半圈即可。 每个高强度螺栓要配用两个用高强度钢制造的垫圈，以防止钢板表面被螺栓头和螺帽压陷或磨伤。 我国目前生产供应的高强度螺栓没有摩擦型和承压型之分，只是在确定承载能力时区分摩擦型与承压型，即按设计准则来区分。摩擦型高强度螺板不允许外剪力超过构件间的摩擦力，仅靠摩擦力传递外力，承压型高强度螺栓允许外剪力超过构件接触面间的摩擦力而产生滑移，使栓杆抵住孔壁，通过摩擦与承压共同传力，故其承载能力比摩擦型高50%以上。 美国开始应用高强度螺栓时，按完全靠摩擦传力设计。后来考虑到外力超过摩擦力
29、而引起滑动，使栓身抵住孔壁，通过摩擦和承压的共同作用而传力。1969年后美国将高强度螺栓连接分为摩擦型和承压型两类，对于承受静力载荷且容许有较大的连接变形时，宜用承压型；对于承受动载荷又需有较小的连接变形时，则宜用摩擦型。起重机结构多用摩擦型高强度螺栓。二、螺栓连接的布置 选用恰当的螺栓直径并正确地布置螺栓，对于保证连接强度，求得经济效益和制作方便是至关重要的。 为了便于制造，通常整个结构最好只用一种直径的螺栓，不得已时才用两种直径。螺栓孔的中心通常是布置在称为栓线的直线上，以便施工和制作。栓线的方向大多与构件轴线平行。沿栓线相邻螺栓的中心距称为栓距。相邻栓线间的距离为线距。靠边螺栓中心至板边
30、的距离，顺着力的方向称为端距，垂直于力的方向称为边距，如图4-17所示。图4-17 螺栓排列及其最小栓距（a）并列式； （b）错列式。 螺栓的布置分并列式和错列式两种。并列式比较简单，制造时划线钻孔方便，而且比较紧凑，省钢料，应用较多。错列式可以减少对钢板截面的削弱，因而可以少用螺栓。通常在型钢肢宽小而又需布置两条栓线时才应用。 螺栓布置的栓距、线距、端距和边距的最小值和最大值见表4-2。表4-2 螺栓的排列间距名 称距 离螺栓在任何方向的中心距最小间距最大间距：外排 中间排：构件受压力 构件受拉力3d8d或12d12d或18d16d或24d螺栓中心至构件边缘的距离最小距离：顺着力方向 垂直力
31、方向：切割边 轧制边最大距离2d1.5d1. 2d4d或8d 注、d螺栓孔直径； d外层板件的板厚（两面不等时取较薄者）。 三、受剪螺栓连接的计算 （一）单栓抗剪承载力 1. 普通螺栓的单栓抗剪承载力 普通螺栓的预紧力较小或未作特殊要求，因此连接面的摩擦力较小，当受外力作用时发生滑动，使栓身抵住栓孔壁，靠螺栓的抗剪和承压能力来传递外力，故称承压型螺栓连接。承压型螺栓连接有下列几种破坏形式（图4-18）： （1）栓身被剪坏（图4-18a），较为常见，一般按抗剪计算螺栓数目。 （2）板被剪坏（图4-18b），实验表明，若采用大于孔径2倍的端距可以防止孔前板被剪坏。 （3）栓身被压坏（图4-18c）
32、，比较少见，它出现在板材比栓身材料硬得多，而且板厚较小的情况。采用较厚的板可以避免。 （4）板被压坏（图4-18d），比较常见，其现象是栓孔一边被压坏，变为长形孔，一般按承压计算螺栓数目。 （5）栓身过度弯曲（图4-18e），出现在板较厚而栓径较小时，若板束总厚度不大于孔径的5倍可以避免。（6）栓身被拉断（图4-18f），在普通螺栓连接中少见，高强度螺栓有时因拧螺帽的操作超过限度而拉断，好在当时发觉可换上新的螺栓。图4-18 承压型螺栓连接的破坏型式(a)栓身剪坏；(b)板被剪坏；(c)栓身压坏；(d)板被压坏；(e)栓身弯曲破坏；( f )栓身拉断 由此可见，在承压型螺栓连接计算中，只须考虑
33、栓身被剪坏和板被压坏两项即可。 在承压型螺栓连接中，单栓容许承载能力是由承压条件和抗剪条件决定的。为简化计算，特假定承压应力在栓孔直径平面上是均布的，剪应力在栓身截面上也是均布的。并根据螺栓连接破坏的实验结果，按均布假定计算出相应的许用应力值。经多年实践表明，用这种方法计算螺栓误差是不大的。 根据承压条件决定的单栓承载力为（4-16a） 根据抗剪条件决定的单栓承载力为（4-16b）式中d螺栓栓身直径；Sd在同一方向承压的板件总厚度，取两个方向板件总厚度较小者；nj剪切面数目，单剪nj = 1，双剪nj = 2；孔壁的许用承压应力，对粗制螺栓，对精制螺栓；为被连接构件基材的许用正应力；螺栓的许用
34、剪应力，对粗制螺栓，对精制螺栓；为螺栓材料的许用正应力。分别按承压条件和抗剪条件计算出单栓的承载能力，然后取二者中较小者作为单栓的抗剪承载力，即 （4-17） 2. 摩擦型高强度螺栓的单栓抗剪承载力 在摩擦型高强度螺栓连接中，单栓的承载力是根据单栓提供的最大摩擦力除以安全系数求得，即（4-18）式中P单栓的预紧力，见表4-3；f摩擦系数，见表4-4；nm传力摩擦面数，单剪nm=1，双剪nm=2。表4-3 高强度螺栓的预紧力（kN）螺栓规格螺栓材料M20M22M2445号钢12015017540B钢160200230表4-4 摩擦系数f连接处构件接触面的处理方法构件材料Q23516Mn喷砂0.4
35、50.55喷砂（或酸洗）后涂无机富锌漆0.350.40轧制表面、钢丝刷清理浮锈（或未经处理但轧制表面干净）0.300.35 （二）轴心受剪螺栓连接的计算传递轴力之螺栓连接常用接头型式如图4-19所示，图4-19a是双面拼接板的对接接头，它的受力情况是对称的，不会发生挠曲和转动，而且螺栓受双剪，故承载能力高，因此是较好的连接形式。图4-19b是搭接接头，由于两个构件不在同一平面内，因此受力后便发生挠曲和转动，从而引起附加应力。这种连接螺栓受单剪，故承载能力较低，用于传力较小的场合。图4-19 传递轴力螺栓连接（a）对接接头；（b）搭接接头。 计算传递轴力之螺栓连接时，假定各螺栓受力相等，故连接的
36、承载力等于单个螺栓承载力乘以螺栓数。若根据外载荷计算出连接所传递的最大轴力为N，则所需螺栓数目Z按下式计算（4-19）式中N单栓抗剪许用承载力。对普通螺栓N按式（4-17）计算，对摩擦型高强度螺栓N按式(4-18)计算，被连接件的强度按下式验算（4-20）式中 Aj为被连接件的净面积，螺栓并列布置时为第一列螺栓所在截面，即图4-20a的II截面；错列布置时被连接件可能沿正交截面II或沿齿状截面IIII破坏，其净面积按下式计算： II截面，（d为构件厚度） IIII截面式中n计算截面螺栓数目。取两个截面中的较小者验算强度。图4-20 Aj计算简图（a）并列式；（b）错列式；（c）计算图。对于传递
37、轴力的高强度螺栓连接经试验证明，在反复载荷作用下，高强度螺栓本身不发生疲劳破坏，但构件会在栓孔截面发生疲劳破坏。从受力情况分析，摩擦型高强度螺栓连接是靠板间摩擦力传力，栓杆不受挤压和反复弯曲，所以高强度螺栓不发生疲劳破坏是自然的。因此，对用高强度螺栓连接的构件，只需验算构件的疲劳强度。对承压型普通螺栓连接有疲劳破坏问题，疲劳强度计算方法参阅第三章。图4-21 例题 构件钢板尺寸与轴力如图4-21所示，构件材料为Q235钢，试设计双面用拼接板连接的对接接头。 【解】 首先初估拼接板的厚度，通常两块拼接板的厚度略大于被连接板件的厚度，取2d = 24mm；选用f20的精制螺栓和高强度螺栓分别进行计
38、算。 1. 确定螺栓的数目z （1）精制螺栓（由Q235钢制造） 按抗剪条件计算单栓承载力（本例是双剪）：按承压条件计算单栓承载力：因此抗剪是控制条件，故N=87.96kN。 所需精制螺栓数目z为故取z = 9。 （2）高强度螺栓（由40B钢制造） 单栓承载力 所需高强度螺栓数目z为 故取z = 10。 2. 螺栓连接的布置（图4-22） 以精制螺栓数目z = 9为例进行布置，采用两种布置方式并加以比较。 第一方案为错列式布置，构件的净面积Aj分两种情况计算如下（精制螺栓孔径取为f20.5）： 构件强度校核 第二方案为并列式布置，构件的净面积为构件强度校核由于拼接板厚度比板件厚，不必再验算强度
39、。图4-22 螺栓连接布置图（a）错列式； （b）并列式。 可见，第一方案所需拼接板尺寸比第二方案小，但螺栓排列较复杂。第二方案栓孔削弱得较小，强度富余较多。 高强度螺栓数目z = 10，可布置成两列，每列5个螺栓，这样布置比较简单。高强度螺栓孔径取为f21.5mm. （三）偏心受剪螺栓连接的计算 螺栓连接偏心受力（即外力不通过螺栓群重心）的情况是常见的，如图4-23所示。 将偏心力F对螺栓连接的作用转化为扭矩M = Fe及通过螺栓群重心的力F的作用。于是可分别计算螺栓在扭矩M及轴力F作用下螺栓的受力，然后进行向量叠加，即可得螺栓在偏心力F作用下所受的力。 根据前面假定，认为通过螺栓群重心的力
40、F在各螺栓上是平均分配的。若螺栓群中螺栓的数目为z，则每个螺栓所受剪力为（4-21）其方向与力F平行。 扭矩M在各螺栓上的分配： 在扭矩M = Fe作用下，假定被连接钢板的刚度很大，在扭矩M作用下绕螺栓群重心O点转动（图4-23b），则任一螺栓受力的大小NMi与该螺栓到螺栓群重心O点的距离ri成正比，其方向垂直于该螺栓与O点的连线。 根据平衡条件，可写出下列方程式又因与ri成正比，即，故 由此求得比例常数所以（4-22） 为计算方便起见，通常将力分解为水平分力，及竖直分力。距O点最远的螺栓受力最大，该点以A表示，则（4-23）图4-23 偏心受力之螺栓连接 由轴力F及扭矩M共同作用，即由偏心力
41、F作用所引起螺栓最大剪力为（4-24） 普通螺栓N按式（4-17）计算，高强度螺栓N按式（4-18）计算。 例题 已知数据如图4-23a所示，若采用6个由45号钢制成的M20高强度螺栓连接是否可以？ 【解】 单栓承载力N按下式计算（本例是单剪，故nm=1）: 通过螺栓群重心的力F引起的螺栓剪力为 由扭矩M=Fe引起的螺栓剪力的计算以右上角的螺栓作为A点，则全连接共6个螺栓，故则螺栓受力为由式4-24得 可以。 四、受拉螺栓连接的计算 （一）受拉螺栓的单栓承载力 1. 普通螺栓参看图4-24，当螺栓没有承受外载荷时，螺栓中的拉力等于预紧力P，被连接件承受螺栓传递给它的压力也等于P，如图示A点。普
42、通螺栓连接的预紧力P较小。当螺栓受较小的外拉力T1作用时，螺栓被拉长，它给予被连接件的压力由P减少为S，见图示B点。当外拉力增大为T2时，螺栓又被拉长，被连接件的压力减至为零，但连接面尚未分离，这时螺栓中的最大拉力为T2。当外拉力大于T2时，则连接面分离，如图示当外拉力为T3时，连接面间隙为D。金属结构所采用的受拉普通螺栓一般属于这种情况。这时，螺栓中的最大拉力就等于外拉力，与预紧力无关。 图4-24 普通螺栓受力分析图 图4-25 高强度螺栓受力分析图I-螺栓；II-被连接件。 I-螺栓；II-被连接件。图4-26 弯矩使螺栓受拉的图示(a) 法兰盘接头；(b) 普通螺栓受力图；(c) 高强度螺栓受力图 普通螺栓是在弹性阶段内工作，其单栓承载力按下式计算（4-25）式中d1螺纹内径。螺栓材料的许用应力 受拉普通螺栓的强度校核条件为（4-26）式中T普通螺栓承受的最大外拉力。 2. 高强度螺栓 高强度螺栓当其预紧力达到规定的数值P时，螺栓中的应力已接近材料的屈服限（图4-25）。当螺栓受到外拉力T作用时（图中B点）螺栓中拉力可近似认为不
