3钢结构的连接3 1钢结构的连接方法 3 1 3螺栓连接螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种 大六角头螺栓扭剪型 用于普通螺栓和高强螺栓 用于高强度螺栓 1 3 钢结构连接3 钢结构连接方法3 1 1焊接连接 上节回顾 1 2 1 3 1 4 1 5 3钢结构的连接3 1钢结构的连接方法 3 1 3螺栓连接螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种 大六角头螺栓扭剪型 用于普通螺栓和高强螺栓 用于高强度螺栓 6 7 8 9 3 1钢结构的连接方法3 1 3螺栓连接3 1 3 1普通螺栓分类 A级与B级 精制螺栓 为8 8级 其抗拉强度不小于800N mm2 屈强比为0 8 螺栓孔要求 尺寸准确 螺杆直径与螺栓孔径相同 类孔 用钻模钻成 对成孔质量要求高 制作和安装复杂 价格高 很少在钢结构中采用 C级 粗制螺栓 4 6级或4 8级 螺栓孔要求 孔径比螺栓杆的直径大1 5 3mm 类孔 螺栓表面粗糙 在零件上一次冲孔 由于螺栓杆与螺栓孔之间有较大的间隙 受剪力作用时 将会产生较大的剪切滑移 连接的变形大 但传递拉力时 变形不大 故一般用于栓杆受拉的连接中 次要的抗剪连接或安装时的临时固定 10 3 1钢结构的连接方法3 1 3螺栓连接3 1 3 2高强度螺栓分类 高强度螺栓 用45号钢 40B钢和20MnTiB钢加工而成 经热处理后 螺栓抗拉强度应分别不低于800N mm2和1000N mm2 即前者的性能等级为8 8级 后者的性能等级为10 9级 分为两种 摩擦型连接 只靠摩擦阻力传力 并以剪力不超过接触面摩擦力作为设计准则 孔径比螺栓公称直径d大1 5 2 0mm 剪切变形小 可用于承受动力荷载的结构 承压型连接 允许接触面滑移 以连接达到材料破坏的极限承载力作为设准则 孔径比螺栓公称直径d大1 0 1 5mm承载力高于摩擦型 但剪切变形大 故不得用于承受动力荷载的结构中 11 3钢结构的连接3 6螺栓连接的构造3 6 1螺栓的排列 螺栓在构件上的排列应简单 统一 整齐而紧凑 通常分为并列和错列两种形式 图3 50 12 3钢结构的连接3 6螺栓连接的构造3 6 1螺栓的排列 13 3钢结构的连接3 6螺栓连接的构造3 6 1螺栓的排列 螺栓在构件上的排列应考虑以下要求 1 受力要求规范规定端距不应小于2d0 2 构造要求螺栓的中距及边距不宜过大 保证紧密贴合 防止潮气侵入缝隙使钢材锈蚀 见下表 3 安装要求 要保证扳手工作有一定空间 规定最小中距为3d0 14 3钢结构的连接3 6螺栓连接的构造3 6 1螺栓的排列 规范规定的钢板上螺栓的容许距离见表3 5 p62 在角钢 普通工字钢 槽钢截面上排列螺栓的线距应满足表3 6 表3 7 表3 8的要求 15 1 16 17 18 3 6 2螺栓连接的使用基本要求 1 每一杆件在节点上以及拼接接头的一端 永久性螺栓数不宜少于两个 但根据实践经验 对于组合构件的辍条 其端部连接可采用一个螺栓 2 对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽弹簧垫圈 将螺帽和螺杆焊死等方法防止螺栓松动 3 当型钢构件的拼接采用高强度螺栓连接时 由于型钢的抗弯刚度较大 不能保证摩擦面紧密贴合 故不能用型钢作为拼接件 而应采用钢板 4 在高强度螺栓连接范围内 应选择恰当的构件接触面的处理方法 19 3 6 2螺栓连接的构造要求 5 C级螺栓 只宜用于沿螺栓轴线方向受拉的连接 但在承受静力荷载结构的次要连接 可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中 也可用与受剪 但在重要的连接中 例如 制动梁或吊车梁上翼缘与柱的连接 由于传递制动梁的水平支承反力 同时受到反复动力荷载作用 不得采用C级螺栓 柱间支撑与柱的连接 以及在柱间支撑处吊车梁下翼缘的连接 承受着反复的水平制动力和卡轨力 应优先采用高强度螺栓 20 施工图中螺栓及其孔眼图例 螺栓及其孔眼图例见表3 3 21 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 普通螺栓连接按受力情况可分为三类 螺栓只承受剪力 螺栓只承受拉力 螺栓承受拉力和剪力的共同作用 下面将分别论述这三类连接的工作性能和计算方法 22 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 抗剪连接是最常见的螺栓连接 如果以上图所示的螺栓连接试件作抗剪试验 则可得出试件上a b两点之间的相对位移与作用力N的关系曲线 下图 由此关系曲线可见 试件由零载一直加载至连接破坏的全过程 经历了以下四个阶段 23 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 1 摩擦传力的线性阶段在施加荷载之初 荷载较小 连接中的剪力也较小 荷载靠构件间接触面的摩擦力传递 螺栓杆与孔壁之间的间隙保持不变 连接工作处于线性阶段 在N 图上呈现出0 1斜直线段 但由于板件间摩擦力的大小取决于拧紧螺帽时在螺杆中的初始拉力 一般说来 普通螺栓的初拉力很小 故此阶段很短 可略去不计 24 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 2 滑移阶段当荷载增大 连接中的剪力达到构件间摩擦力的最大值 板件间突然产生相对滑移 其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙 直至螺栓杆与孔壁接触 也就是N 图上曲线为1 2水平线段 25 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 3 栓杆直接传力的弹性阶段如荷载再增加 连接所承受的外力就主要是靠螺栓与孔壁接触传递 螺栓杆除主要受剪力外 还有弯矩和轴向拉力 而孔壁则受到挤压 由于接头材料的弹性性质 也由于螺栓杆的伸长受到螺帽的约束 增大了板件间的压紧力 使板件间的摩擦力也随之增大 所以N 曲线呈上升状态 达到 3 点时 表明螺栓或连接板达到弹性极限 此阶段结束 26 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 4 弹塑性阶段荷载继续增加 在此阶段即使给荷载很小的增量 连接的剪切变形也迅速加大 直到连接的最后破坏 N 图上曲线的最高点 4 所对应的荷载即为普通螺栓连接的极限荷载 27 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 抗剪螺栓连接达到极限承载力时 可能的破坏形式有 当栓杆直径较小 板件较厚时 栓杆可能先被剪断 28 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 当栓杆直径较大 板件较薄时 板件可能先被挤坏 由于栓杆和板件的挤压是相对的 故也可把这种破坏叫做螺栓承压破坏 29 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉断 端距太小 端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏 30 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 螺栓过长时 栓杆弯曲变形过大 31 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 1抗剪连接的工作性能 第 种破坏形式属于构件的强度计算 第 种破坏形式由螺栓端距 2d0来保证 第 种破坏形式通过限制夹紧长度在 4 6 d内来保证 因此 抗剪螺栓连接的计算只考虑第 种破坏形式 32 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接 33 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接 34 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接 单个螺栓受剪时的承载力 Nbmin min Nvb Ncb 35 下讲内容 受剪普通螺栓 群计算 36 1 普通螺栓群轴心受剪 37 38 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 3普通螺栓群抗剪连接计算 39 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 3普通螺栓群抗剪连接计算 40 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 60 92 2hrs 3 7 1普通螺栓的抗剪连接3 7 1 3普通螺栓群抗剪连接计算 41 3 7 1 3普通螺栓群抗剪连接计算 42 43 44 45 46 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 2普通螺栓的抗拉连接 47 48 49 2 螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响螺栓受拉时 通常不可能使拉力正好作用在螺栓轴线上 而是通过与螺杆垂直的板件传递 如图3 60所示的T形连接 如果连接件的刚度较小 受力后与螺栓垂直的连接件总会有变形 因而形成杠杆作用 螺栓有被撬开的趋势 使螺杆中的拉力增加并产生弯曲现象 50 2 螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响考虑杠杆作用时 螺杆的轴心力为式中Q 由于杠杆作用对螺栓产生的撬力 撬力的大小与连接件的刚度有关 连接件的刚度越小 撬力越大 同时撬力也与螺栓直径和螺栓所在位置等因素有关 51 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 2普通螺栓的抗拉连接3 7 2 1单个普通螺栓的抗拉承载力 由于确定撬力比较复杂 我国现行钢结构设计规范为了简化 规定普通螺栓抗拉强度设计值取为螺栓钢材抗拉强度设计值f的0 8倍 即 0 8f 以考虑撬力的影响 此外 在构造上也可采取一些措施加强连接件的刚度 如设置加劲肋 图3 61 可以减小甚至消除撬力的影响 52 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 2普通螺栓的抗拉连接3 7 2 2普通螺栓群轴心受拉 图3 62所示螺栓群在轴心力作用下的抗拉连接 通常假定每个螺栓平均受力 则连接所需螺栓数为 3 45 式中 一个螺栓的抗拉承载力设计值 按式 3 43 计算 53 3 7 2 3普通螺栓群弯矩受拉 柱侧牛腿连接 剪力V通过承托板传递 弯矩M由螺栓群和连接件间的受压区传递 54 3 7 2 3普通螺栓群弯矩受拉 在弯矩作用下 离中和轴越远的螺栓所受拉力越大 而压应力则由弯矩指向一侧的部分端板承受 设中和轴至端板受压边缘的距离为c 这种连接的受力有如下特点 受拉螺栓截面只是孤立的几个螺栓点 而端板受压区则是宽度较大的实体矩形截面 类似钢筋混凝土梁 55 3 7 2普通螺栓的抗拉连接3 7 2 3普通螺栓群弯矩受拉 计算图c中截面的形心位置 所求得的端板受压区高度c总是很小 中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位置 因此 实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓o处 即认为连接变形为绕o处水平轴转动 螺栓拉力与o点算起的纵坐标y成正比 对o处水平轴列弯矩平衡方程时 偏安全地忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩而只考虑受拉螺栓部分 则得 各y均自点o算起 56 57 3 7 2普通螺栓的抗拉连接3 7 2 4普通螺栓群偏心受拉 螺拴群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M N e的联合作用 按弹性设计法 根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况 58 3 7 2 4普通螺栓群偏心受拉 1 小偏心受拉 对于小偏心情况 图3 65 b 所有螺栓均承受拉力作用 端板与柱翼缘有分离趋势 故在计算时轴心拉力N由各螺栓均匀承受 而弯矩M则引起以螺栓群形心处水平轴为中和轴的三角形应力分布 使上部螺栓受拉 下部螺栓受压 叠加后则全部螺栓均为受拉 这样可得最大和最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下 59 3 7 2普通螺栓的抗拉连接3 7 2 4普通螺栓群偏心受拉 1 小偏心受拉 1 60 2 大偏心受拉当偏心距e较大肘 即时 则端板底部将出现受压区 图3 65 c 1 61 1 62 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 7 3普通螺栓受剪力和拉力的联合作用 图3 67所示连接 螺栓群承受剪力V和偏心拉力N 即轴心拉力N和弯矩M N e 的联合作用 承受剪力和拉力联合作用的普通螺栓应考虑两种可能的破坏形式 一是螺杆受剪兼拉破坏 二是孔壁承压破坏 63 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 90 106