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1、本讲主要内容,一、螺栓的种类和排列,二、抗剪普通螺栓连接的工作性能,四、抗剪单栓钉承载力设计值的计算,三、抗剪普通螺栓连接的破坏形式,五、普通螺栓群抗剪连接计算,一、螺栓的种类,1.普通螺栓,C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级；4表示fu400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)1.53mm。,A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。,按其加工精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,4
2、6 螺栓连接的构造,2.高强度螺栓,由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理,45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓,高强度螺栓分类：根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。,孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大。,二、螺栓的排列,1.并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大；,2.错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小；,2.螺栓排列应考虑的因素,（1）受力要求（规定了最大最小值）A.端距2d0(为孔径),防
3、止钢板被剪断。（顺力方向）,C.受压时，栓距不宜太大，防止板件间发生张口或鼓曲现象。（顺力方向）,B.受拉时,线距不宜太小,防止截面削弱过多,钢板发生强度破坏。（垂直力方向）,(2)施工要求（规定最小值）要保证有一定空间，便于用扳手拧紧螺帽。根据扳手尺寸和工人的施工经验。,根据上述三方面的要求，规范规定了螺栓排列的最大、最小容许距离。（见P61表4-2）,(3)构造要求（规定了最大值）螺栓的栓距、中距及边距不宜过大，否则钢板间不能紧密贴合，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。,螺栓排列的最大、最小容许距离,47 普通螺栓连接计算,一、螺栓连接的受力形式,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,
4、二、普通螺栓抗剪连接,（一）工作性能和破坏形式 1.工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,即：,(1)摩擦传力的弹性阶段(01段)直线段连接处于弹性状态；该阶段较短摩擦力较小。,(2)滑移阶段(12段)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距离，表现在曲线上为水平段。,(3)栓杆传力的弹塑性阶段(23段)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。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，N-关系以曲线状态上升。,(4)塑性阶段(
5、34段)达到3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。4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。,剪力作用下螺栓群受力状态,2.螺栓受力特点：各螺栓受力两端大，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。,说明：,1.抗剪普通螺栓的极限状态：以弹塑性阶段的末尾阶段作为计算的极限状态。在此阶段靠螺栓杆抗剪和孔壁承压共同传力。,2.破坏形式,（1）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断 截面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。,（4）板件端部被剪坏(拉豁)端
6、矩过小时；端矩不应小于2dO,（5）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d,（二）单个普通螺栓的抗剪设计承载力计算应使单个螺栓承受的荷载单个螺栓的设计承载力。,1.栓杆本身的抗剪承载力设计值,（1）计算假定：剪应力在螺栓杆截面上均匀分布。,（2）计算公式：,nv受剪面数；Chapter03inside_03_07_03.htm d螺杆直径；,螺栓杆剪切破坏,fvb 螺栓的抗剪强度设计值。,V,2.孔壁承压承载力设计值,（1）计算假定：承压面在直径面上且应力均匀分布。,（2）计算公式：,同一方向承压构件较小总厚度；,螺栓抗剪、抗压强度设计值。,孔壁承压破坏,由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取
7、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:,一个抗剪普通螺栓的承载力设计值：,单栓抗剪设计承载力：,单栓承压设计承载力：,思考：左边情况与上面两种情况有何不同？注意不能直接用公式计算，为什么？,剪切面数目nv和t的取值,三、普通螺栓群抗剪连接计算,1、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算,计算思路：将螺栓群受力在单个栓钉上进行分配，求得一个栓钉所受的外剪力N1,求一个栓钉所具有的抗力即,校核：N1,试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计
8、时假定N由各螺栓均担，即,求一个栓钉所受的外剪力N1,即连接所需螺栓数为：,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：,当 时，,当 时，,以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。,校核：N1,设计：求连接所需螺栓数为,板件的净截面验算,普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。,2.计算假定：被连接件为绝对刚性，螺栓为弹性体；在扭矩作用下各螺栓均绕栓群中心O旋转，各螺栓所受剪力
9、方向与该螺栓和中心O的连线垂直，大小则与该连接线的距离r 成正比。,T,1.计算每个螺栓承受扭矩引起的剪力,2.扭矩作用下螺栓群的抗剪计算,（k为常数）,将上式代回（a），得用k表达的T式：,由假设得到，,（a）,（b）,（c）,扭矩平衡条件:,1,3,螺栓“1”离形心最远是危险螺栓,联合（c）和（b）得最大剪力N1T,将N1T分解为水平和竖直分力：,1,2,3,如果y13x1，则可假定xi=0，由此得 N1Ty=0，,xi第i个螺栓中心的x坐标,yi第i个螺栓中心的y坐标,=,+,3.偏心剪力作用下螺栓群的抗剪计算,1.力向栓群形心简化,剪力V=F、扭矩T=Fe,2.求单栓受力,扭矩T作用,
10、1,2,剪力F作用,判断危险栓：,3,危险栓1合力,求单栓受力,1或3号,4.验算；,3.求单栓承载力设计值,思考题：若轴力、剪力和扭矩同时作用在连接上，如何验算连接强度？剪力栓钉例题.ppt,1,2,本讲小结,一、了解栓钉连接的构造,二、掌握抗剪普通螺栓的工作性能,三、掌握抗剪普通螺栓的破坏形式及保证措施,四、掌握抗剪单栓钉承载力设计值的计算,五、掌握普通螺栓群抗剪连接的计算原理,本讲主要内容,一、普通螺栓群抗拉连接的工作性能及破坏形式,二、普通螺栓群抗拉连接的计算,1.普通螺栓抗拉连接的工作性能,抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其
11、破坏形式。,2.单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,式中：Ae-螺栓的有效截面面积；de-螺栓的有效直径；ftb-螺栓的抗拉强度设计值。,四、普通螺栓的抗拉连接,公式的两点说明：,（1）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径de而不是净直径dn，现行国家标准取：,(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力影响,螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。,螺栓实际所受拉力,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,B.规范中采取的措施：试验证明影响撬力的因素较多
12、，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，将螺栓的抗拉强度设计值取=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。,C.设计中采取的措施：采取一些构造措施,如适当加厚钢板或设置加劲肋，加强连接件的刚度,以减小螺栓中的附加力。,3.普通螺栓群的轴拉设计,（1）设计螺栓数：一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：,（2）验算连接的强度：,（3）轴心受拉的几种情况,a图中构件拉力N垂直于端板并通过螺栓群形心。,b图中构件拉力N通过螺栓形心但与端板成角，其竖向分力由承托板传递，而水平分力使螺栓群受拉。,4.弯矩作用下螺栓群的抗拉计算,受力分析并分析转动轴位置：螺栓群承受弯矩时，各个螺
13、栓均为受拉。,求螺栓上的最大拉力,计算假定：假定螺栓群的转动轴在弯矩指向一侧最外排螺栓处，每个螺栓所受拉力与它到转动轴的距离成正比。,弯矩平衡条件：,最顶排螺栓（1号）所受的拉力最大，由计算假定得,将它们代入平衡条件得,验算,受力分析：轴心拉力NF，弯矩MFe,假定转动轴位置：计算时先假定螺栓群的转动轴在栓群中心位置O处，按小偏心计算出弯矩指向一侧最外排螺栓的拉力：,五、偏心拉力作用下螺栓群的抗拉计算,情况一：,当Nmin0时,说明全部螺栓受拉,按小偏心计算结果有效，说明转动轴位置正确。,求螺栓群中所受最大拉力Ntmax 并验算,当Nmin0时,说明端板底部出现受压区，重新取转动轴位置。取转动
14、轴在弯矩指向一侧最外排螺栓O处。,情况二：,求螺栓群中所受最大拉力Ntmax 并验算,N,复习上讲内容,一、拉力栓群单栓所受最大拉力的计算,1.轴心拉力作用下栓所受最大拉力计算,2.单独弯矩作用下栓所受最大拉力计算（大偏心）,3.偏心拉力作用下栓所受最大拉力计算（判断大小偏心）,二、拉力栓群单栓抗拉承载力设计值的计算,三、拉力栓群连接强度的计算,式中：,e偏心拉力N到最下排螺栓形心O间的距离；,yi第i排螺栓形心到最下排螺栓形心O间的距离；,注意与小偏心时e和yi的区别。拉力栓钉例题3.ppt,（五）普通螺栓拉、剪联合作用,因此：,2、由试验可知，兼受剪力和拉力 的螺杆，其承载力无量纲关系 曲
15、线近似为一“四分之一圆”。,1、普通螺栓在拉力和剪力的共同 作用下，可能出现两种破坏形 式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔 壁的承压破坏；,3、计算时，假定剪力由螺栓群均 匀承担，拉力由受力情况确定。,为了防止孔壁的承压破坏，应满足：,规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：,另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托承担全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。拉力栓钉例题.ppt,承托与柱翼缘的连接角焊缝按下式计算：,式中：考虑剪力对角焊缝偏心影响的增大系数，一般取=1.251.35；其余符号同前。,本讲小结,一、掌握抗拉普通螺栓群的计算,二、掌握剪-拉普通螺栓群的计算
16、,本讲主要内容,一、高强度螺栓的工作性能和单栓承载力,二、高强度螺栓群的抗剪计算,四、高强度螺栓群的剪拉计算,三、高强度螺栓群的抗拉计算,48 高强度螺栓连接计算,一、高强度螺栓的工作性能及单栓承载力 按受力特征的不同高强度螺栓分为两类：摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为克服摩擦力；承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。1、高强度螺栓预拉力的建立方法 通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法：,A、转角法 施工方法：初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；,终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120o180o完成终拧。,特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧
17、、漏拧 和超拧；,大六角头螺栓,B、扭矩法 施工方法：,初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使 板件贴紧密；终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,C、扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）,施工方法：初拧拧至终拧力矩的60%80%；终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等,2、高强度螺栓预拉力的确定,高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数：考虑材料的不均匀性的折减系数0.9；为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9；考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度
18、的降低除以系数1.2。附加安全系数0.9。因此，预拉力：,Ae螺纹处有效截面积；fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu=830N/mm2，10.9级，取fu=1040N/mm2,计算出的P值按5kN的倍数取整就形成下面规范规定的表格。,3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数,摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数；板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小；,规范给出了不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数,如下表,摩擦面抗滑移系数值,4、高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承
19、载力,(1)抗剪连接工作性能 受力过程与普通螺栓相似，分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。但比较两条N曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段远远大于普通螺栓。,A、对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为1点而不是4点，所以1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：,（2）抗剪连接单栓承载力,式中：0.9抗力分项系数R的倒 数(R=1.111);nf传力摩擦面数目;-摩擦面抗滑移系数;P预拉力设计值.,B、对于高强度螺栓承压型抗剪连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限
20、状态4点，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。,N,O,高强度螺栓,普通螺栓,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,5、高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力,当外拉力为零，即N=0时：P=C；当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的压力C减小为Cf，栓杆拉力P增加为Pf，由力的平衡条件得：,由变形协调条件得到：,将平衡条件：P=C，,螺栓杆的伸长量,构件恢复的压缩量,则,代入得：,取,则,传力方式：通过减少被连接板之间的正压力传力。,讨论：,当,0.8P时，,0.273P,1.073P,当构件刚刚被拉开即,0,1.1P,1.1P时，,试验表明，当外拉力
21、大于螺栓的预拉力P时，螺栓杆将会松驰。当外拉力小于0.9P时，就不会产生松驰现象。同时又要保证连接板件挤压得很紧，钢结构规范规定，加在一个螺栓上的外拉力不得大于0.8P。,（4）摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为：,Nt0.5P时，橇力Q=0；Nt0.5P后，橇力Q出现，增加速度先慢后快。橇力Q的存在导致连接的极限承载力由Nu降至Nu。所以，如设计时不考虑橇力的影响,应使Nt0.5P或增加连接板件的刚度（如设加劲肋）。,上式未考虑橇力的影响，当考虑橇力影响时，螺栓杆的拉力Pf与Nt的关系曲线如图,（5）承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：
22、,式中：Ae-螺栓杆的有效截面面积；de-螺栓杆的有效直径；ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值。上式的计算结果与0.8P相差不多。,（1）高强度螺栓摩擦型连接 尽管当NtP时，栓杆的预拉力变化不大，但由于随Nt的增大而减小，且随Nt的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定在V和N共同作用下应满足下式：,6、高强度螺栓连接在拉力和剪力共同作用下的工作性能和单栓承载力,（2）高强度螺栓承压型连接,对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同。,为了防止孔壁的承压破坏，应满足：,系数1.2是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。,二、高强
23、度螺栓群的抗剪计算,1、轴心力作用 假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,对于摩擦型连接：,对于承压型连接：,高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算.,A、高强度螺栓摩擦型连接,主板的危险截面为1-1截面。,考虑孔前传力50%得：,1-1截面的内力为：,尚需要验算毛截面强度：,拼接板的危险截面为2-2截面。,考虑孔前传力50%得：,2-2截面的内力为：,B、高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面验算完全相同。,2、扭矩或扭矩、剪力共同作用下,计算方法与普通螺栓相同，即：,剪力F作用下每个螺栓受力：,扭矩T作用下：,由此可得螺栓1的强度验算公式为:,摩擦型
24、连接:,承压型连接:,三、高强度螺栓群的抗拉计算,1、轴心力作用 假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓数：,2、弯矩作用下,由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力P，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认为是一个整体,所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。,由力学可得：,因此，设计时只要满足下式即可：,3、偏心拉力作用下,偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于0.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可采用以下方法（叠加法）计算:,四、高强度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的连接计算,单个螺栓所受的剪力：,单
25、个螺栓所受的拉力：,、对于高强度螺栓承压型连接应满足：,、对于高强度螺栓摩擦型连接应满足：,所以：,五、高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用下的 连接计算,1、采用高强度螺栓摩擦型连接时 1号螺栓在N、M作用下所受拉力如前所述应满足：,对于高强度螺栓摩擦型连接，在拉力和剪力共同作用下，单栓抗剪承载力如前所述为：,单个螺栓所受的剪力：,上式中:,2、采用高强度螺栓承压型连接时,单个螺栓所受的剪力：,单个螺栓所受的最大拉力：,螺栓的强度计算公式：,螺栓计算总结：,计算思路；,1.判断栓钉群类型（拉力栓群、剪力栓群、剪拉栓群）,2.计算单栓所受荷载,普栓高强度螺栓,剪力栓群,拉力栓群,剪拉栓群,轴
26、心受剪,偏心受剪,轴心受拉,偏心受拉（单独弯矩作用）,3.计算单栓承载力设计值,普栓,剪力栓群,拉力栓群,剪拉栓群,摩擦型高强度螺栓,剪力栓群,拉力栓群,剪拉栓群,承压型高强度螺栓,剪力栓群,拉力栓群,剪拉栓群,4.2和3比较,单个螺栓承载力设计值汇总表（一）,单个螺栓承载力设计值汇总表（二）,单个螺栓承载力设计值汇总表（三）,T y1,T x1,剪力栓群单栓受力：,轴心受剪,偏心受剪,0,小偏心,大偏心,0,拉力栓群单栓受力：判断大小偏心（N，M）,注意：摩擦型高强度螺栓与普通螺栓的区别,思考题：1.简要说明常用的焊接方法和各自的优缺点。2.请说明角焊缝有效截面的确定方法和原因。3.请说明角
27、焊缝焊脚尺寸的确定方法？4.如何区分脚焊缝是受弯还是受扭，请推导围焊缝受扭时的检算公式。5.简述焊接残余应力的类型和产生焊接残余应力的原因？6.焊接残余应力对结构工作性能有何影响？7.试绘出焊接工字型和箱型截面的残余应力分布状况？,8.简述减小焊接残余应力和焊接残余变形的主要措施。9.摩擦型和承压型高强螺栓的传力机理有何不同？10.说明螺栓性能等级的含义。11.简述螺栓的常见布置形式和考虑的因素。12.简述螺栓连接的破坏形式和避免破坏发生所采取的措施。13.如何确定单栓承载力？基本假定是什么？14.如何确定连接摩擦面数？,15.高强螺栓预拉力是如何确定的？16.推导栓群受轴力、剪力和弯矩时的计算公式。17.简述影响摩擦型高强度螺栓承载力的主要因素？,
