钢结构原理：钢结构的连接.ppt

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本章内容：1连接方法2焊接方法和焊缝形式3对接焊缝的构造和计算4角焊缝的构造和计算5焊接应力和焊接变形6螺栓连接的构造要求7螺栓的工作性能及承载力8螺栓连接的设计、验算 1连接方法钢结构的构件制作和整体安装都离不开零部件和构件之间的连接（connection）。钢结构主要的连接方法是焊接连接和螺栓连接，有时也使用铆钉连接。焊接连接螺栓连接铆钉连接 （1)焊接连接在被连接金属件之间的缝隙区域，通过高温使被连接金属与填充金属熔融结合，冷却后形成牢固连接的工艺过程称为焊接连接（weldedconnection），填充金属带称为焊缝。焊接连接不削弱构件截面，接头紧凑，可以采用自动化操作，是现代钢结构最主要的连接方法。但是，由于焊缝附近高温作用而形成的热影响区，使钢材的金相组织和力学性能发生变化，材质变脆，一旦局部发生裂纹很容易扩展，尤其在低温下易发生脆断；另外，焊接过程中会产生焊接应力和焊接变形，对结构的工作性能往往有不利影响。3 连接方法（2）螺栓连接螺栓连接需要在被连接间上钻孔，装上螺杆、拧紧螺帽进行连接。 螺栓（bolt）分为普通螺栓和高强度螺栓两类。普通螺栓：分为A、B、C三级。A、B级螺栓称为精制螺栓，成本较高，其性能等级为8.8级（表示抗拉强度不小于800N/mm2，屈服点与抗拉强度之比为0.8)；C级螺栓为粗制螺栓，成本低，其性能等级为4.6级或4.8级。高强螺栓：高强度螺栓用优质碳素钢或低合金钢制作，并经过热处理，材料性能等级达到8.8级以上。高强度螺栓按工作性能不同，又分为摩擦型连接和承压型连接。5 （3）铆钉连接铆钉（rivet）连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合，常用加热铆合，也可在常温下铆合。铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受动力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受动力荷载的结构。但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很少采用。连接方法 2焊接方法和焊缝形式2.1钢结构的焊接方法常用：电弧焊（手工电弧焊、自动(或半自动)埋弧焊），气体保护焊及电阻焊。手工电弧焊手工电弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-E43；Q345-E50；Q390-E55 自动埋弧焊埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA;Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn8 气体保护焊：气体保护焊简称气电焊，是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触，因而电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。电阻焊：电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊接常用这种接触点焊(如图)。电阻焊适用于板叠厚度不超过12mm的焊接。电阻焊焊接方法 2.2焊缝形式及焊接连接形式焊缝形式主要有两种：对接焊缝和角焊缝焊缝形式角焊缝对接焊缝 按施焊时焊工所持焊条与焊件间的相对位置关系，焊缝还分为：焊缝施焊位置平焊横焊立焊仰焊焊缝形式 12 连接形式平接搭接T形连接角接 除上述主要形式外，有时还采用焊钉和槽焊。即在板件上加工出圆孔或槽孔，在孔内进行部分或全部焊接。焊钉和槽焊用于搭接连接可以传递剪力，或用于防止搭接部分的鼓曲，或用于组装件的连接。 2.3焊缝缺陷和焊缝质量检验(1)焊缝缺陷焊缝的常见缺陷：裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷（defect）。按裂纹产生的时间，可分为热裂纹和冷裂纹。 （2）焊缝质量检验与焊缝强度焊缝检验就是检验焊缝及焊接热影响区域的有无各种缺陷，并作出相应的处理，评价焊接质量、性能是否达到设计要求，确保焊缝安全可靠。达到不同质量检验等级的焊缝，焊缝的强度设计值也不同（见附表1.3）。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对各种情况下的焊缝质量等级要求作了相关规定，设计时按《规范》要求选用。 2.4焊缝代号焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明焊缝形式、尺寸和辅助要求。常用焊缝代号和标注方法如下：形式角焊缝对接焊缝塞焊缝三面围焊单面焊缝双面焊缝安装焊缝相同焊缝标注方法表1焊缝代号及标注方法 当焊缝分布比较复杂或用上述注标方法不能表达清楚时，可在标注焊缝代号的同时，在图上加栅线表示焊缝。焊缝代号 3对接焊缝的构造和计算1对接焊缝的构造对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊缝。常用的坡口形式有直边形、单边V形、V形、U形、K形和X形(如下图)。做坡口是为了便于施焊，保证焊接质量，应根据焊件的厚度选用不同的坡口形式。坡口形状参数有：斜坡角度α、钝边厚度p和间隙宽度c。 当焊件厚度t≤6mm(手工焊)或t≤10mm(埋弧焊)时，可采用直边形焊缝；对于一般厚度（t＝8～20mm），可采用单边V或V形焊缝，斜坡口和间隙c形成一个焊条能够施焊的空间，使焊缝易于焊透；对于厚度t＞20mm，应采用施焊空间更大的U形、K形或X形焊缝。当间隙c过大时，为防止熔化金属溢出，可采用垫板，施焊成型后，垫板可除去，也可保留。对接焊缝的构造 对接焊缝加引弧板对接焊缝的构造对接焊缝的两端，常因不能熔透而出现凹形的焊口，焊口处常产生裂纹和应力集中。所以，对接焊缝施焊时应采用引弧板消除此影响；在一些特殊情况下无法采用引弧板时（如T形接头的对接焊缝），每条焊缝的计算长度（有效长度）＝焊缝长度－2t(t为较薄焊件的厚度)。 在对接焊缝的拼接处，当两块焊件的宽度或厚度相差4mm以上时，应分别把较宽或较厚一侧的板件做成不大于1：2.5的斜边与窄或薄的焊件焊接，使截面缓和过渡以减小应力集中。对接焊缝的构造 2对接焊缝的强度计算焊缝的强度计算，就是计算焊缝在各种受力情况下，是否满足强度条件，保证连接的可靠性。（1）对接焊缝受轴心力作用对接焊缝与轴力垂直时，焊缝截面的应力均匀分布，强度计算公式为：式中N—轴心拉力或压力；lw—焊缝的计算长度。未使用引弧板时，lw＝l－2t，采用引弧板时lw＝l; l—焊缝的几何长度；t—被连接件的较小厚度，在T形连接中为腹板厚度;ftw、fcw—对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（查附表1.3）。对于焊缝质量等级为一、二级的对接焊缝，其强度与钢材强度相等。因此，如果连接中使用了引弧板，则钢材强度满足焊缝强度就满足，可不验算。而焊缝质量为三级的焊缝，其强度低于钢材强度，必须按公式（1）计算。对接焊缝的强度计算 如果直焊缝的强度不满足，可使用斜对接焊缝（如图），使焊缝的长度增加，应力减小。若取焊缝与与作用力之间的夹角θ≤56.3o（tanθ≤1.5），斜焊缝的强度不会低于钢材，可以不验算。25 （2）对接焊缝受弯矩、剪力共同作用图示用对接焊缝连接的工字形截面梁，焊缝受弯矩和剪力共同作用。截面上正应力、剪应力分布如图示，在上、下翼缘边有最大正应力，在腹板中部有最大剪应力，且都属于单向应力状态，可分别验算这两点的抗弯强度和抗剪强度： 另外，在翼缘与腹板相交处，同时受较大正应力和剪应力，且属于双向应力状态，该点的应力按折算应力计算。考虑到折算应力只是在局部出现，焊缝的强度设计值可提高10％，故得计算公式如下：M、V共同作用式中Iw——焊缝计算截面的惯性矩；Sw——计算剪应力处以外的焊缝计算截面对中和轴的面积矩；Ww——焊缝计算截面的抵抗矩；tw——腹板厚度；fvw——对接焊缝的抗剪强度设计值。式中σ1——腹板与翼缘交接处由弯矩引起的正应力；τ1——腹板与翼缘交接处的剪应力； （3）对接焊缝受轴心力、弯矩和剪力共同作用将轴心力作用产生的正应力与弯矩产生的正应力叠加。此时，最大正应力在翼缘边，单向受力；其余部分均受正应力和剪应力作用，属双向应力状态，其中翼缘与腹板相交处正应力和剪应力都较大。需对上述两点进行强度验算，计算公式如下：例1 4角焊缝的构造和计算4.1角焊缝的截面形式和受力性能角焊缝截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝两类：其中直角角焊缝的直角边边长hf称为焊脚尺寸；he称为焊缝的有效厚度，是计算角焊缝破坏面面积的参数之一。直角角焊缝及截面形式 斜角角焊缝及截面形式角焊缝的构造 角焊缝按受力情况还分为正面角焊缝和侧面角焊缝。焊缝长度方向垂直于力作用方向的角焊缝称为正面角焊缝(也称端焊缝)；平行于力作用方向的角焊缝称为侧面角焊缝（简称侧焊缝）。31 侧面角焊缝在外力作用下主要承受剪应力，塑性较好，强度较低。在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大而中间小，破坏的起点常在焊缝两端，破坏面约为450斜面，如图所示。破坏过程(演示)受力性能 正面角焊缝的应力状态比侧面角焊缝复杂，截面上受正应力及剪应力作用，如图所示。正面角焊缝的强度比侧面角焊缝高，但塑性较差，焊缝根角处应力集中突出，常在此处首先出现裂纹而破坏。在直接承受动态荷载的结构中，正面角焊缝的截面常用平坦式，侧面角焊缝的截面常用凹面式。受力性能 4.2角焊缝的构造要求为了避免因焊脚尺寸过大或过小而引起“烧穿”、“变脆”等缺陷，以及焊缝长度太长或太短而出现焊缝受力不均匀等现象，对角焊缝的焊脚尺寸、焊缝长度还有限制。在计算角焊缝连接时，除满足焊缝的强度条件外，还必须满足以下构造要求：1）最小焊脚尺寸手工焊：埋弧自动焊：T型连接的单面角焊缝：式中tmax—较厚焊件的厚度。当焊件厚度小于或等于4mm时，最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。 构造要求2）最大焊脚尺寸式中t—较薄焊件的厚度。当两块钢板厚度相差悬殊大，用等腰直角角焊缝无法满足最大、最小焊脚尺寸要求时,可用不等焊脚尺寸，按满足右图要求采用（其中t1>t2）。 当角焊缝贴着焊件板边缘施焊时，为避免产生“咬边”现象，角焊缝的最大焊脚尺寸应符合图示要求：圆孔或槽孔内角焊缝的最大焊脚尺寸为圆孔直径或槽孔短径的1／3。3）最小计算长度此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。构造要求 计算长度：4）最大计算长度对侧面角焊缝承受静力荷载或间接承受动力荷载时,直接承受动力荷载时,在满足受力和构造要求的前提下,从减小焊接热影响的角度来说,应尽可能采用焊脚尺寸小而长度较长的焊缝。小结设计时，焊缝需满足：焊脚尺寸：构造要求 5）其他构造要求当板件的端部仅有两侧角焊缝连接时，为避免应力传递的过分曲折而使构件中应力过分不均，应使每条侧面角焊缝长度不小于两侧面角焊缝之间的距离b。构造要求38 同时，为了避免因焊缝横向收缩，引起板件拱曲，应使侧面角焊缝之间的距离b不宜大于16t(当t＞12mm)或190mm(当t≤12mm)，t为较薄焊件厚度。若不能满足上述规定时，应加正面角焊缝或焊钉。当角焊缝的端部在构件转角处时，为避免起、灭弧缺陷发生在应力集中较大的转角处，宜连续地绕过转角加焊2hf。在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不小于25mm，以减小焊缝收缩应力和偏心产生的转动对连接的影响构造要求 对次要构件且焊缝受力很小时，可采用间断角焊缝连接。间断角焊缝长度l必须大于10hf，且不小于50mm；间断角焊缝的间距e不宜太长，以免因间断过大，使连接不紧密。对受压构件：间距e≤15t对受拉构件：间距e≤30tt——较薄焊件的厚度。构造要求 4.3直角角焊缝计算的基本公式分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理:①假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45o；②不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he，he＝0.7hf。有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积。角焊缝计算简图 因此有角焊缝的强度条件：式中σ⊥——垂直于焊缝有效截面的正应力；τ⊥——有效截面上垂直焊缝长度方向的剪应力；τ∥——有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力；ffw——角焊缝的强度设计值，由角焊缝的抗剪试验和可靠度分析确定（附表1.3）。相当于焊缝单向抗拉强度设计值。因为：将σ⊥、τ⊥、τ∥代人(7)式整理得：写为：基本公式 由式（8）还可导出正面角焊缝和侧面角焊缝的计算公式：1）当Ny=0,τf=0，只有轴心力Nx作用，焊缝为正面角焊缝，其计算公式为：2）当Nx=0,σf＝0，只有轴心力Ny作用，焊缝为侧面角焊缝，其计算公式为：式中：βf——称为正面角焊缝的强度增大系数。对承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的正面角焊缝，即正面角焊缝的强度是侧面角焊缝强度的1.22倍；对直接承受动力荷载结构中的正面角焊缝，考虑其刚度大，韧性差，将其强度降低使用，取βf=1.0。基本公式 lw——角焊缝的计算长度。考虑起、落弧的影响，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2hf。公式（8～10）即为角焊缝计算的基本公式。基本公式在分析过程中虽作了简化处理，但计算结果与试验结果相符，满足角焊缝设计计算要求。4.4各种受力状态下直角角焊缝连接计算(1)轴心力作用下的角焊缝连接计算①盖板连接可采用两侧侧面角焊缝连接，正面角焊缝连接和三面围焊连接。 只有侧焊缝连接时，按式(10)计算；只有正面角焊缝连接时，按式（9）计算；采用三面围焊时，先用式（7）计算正面角焊缝所承担的轴心力N’，其余轴心力（N-N’）由侧焊缝承担，即：连接计算先计算：再验算：∑lw表示连接一侧角焊缝计算长度的总和。②角钢与节点板连接图示钢桁架，弦杆和腹杆采用双角钢组成的T形截面，腹杆通过节点板与弦杆连接。 角钢与节点板的连接采用两面侧焊时：由平衡条件:解得：式中k1、k2——焊缝内力分配系数；角钢类型与组合方式不同，内力分配系数不同，按表2采用。连接计算 角钢类型连接形式肢背k1肢尖k2等肢角钢0.70.3不等肢角钢（短肢相并）0.750.25不等肢角钢（长肢相并）0.650.35表2焊缝内力分配系数连接计算 采用三面围焊的角焊缝时，先按构造要求设定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，并求出正面角焊缝所承担的力N3为：再根据平衡条件（∑M=0）可得：连接计算48 采用L形围焊时，令(13)式中的N2＝0，得:连接计算 和对接焊缝情况类似，考虑施焊时起、灭弧在焊缝端部产生的缺陷，取焊缝长度＝计算长度＋2hf。采用两边侧面角焊缝连接并在角钢端部连续地绕角加焊2hf时，加焊的2hf可抵消起灭弧的影响，取焊缝长度＝计算长度对于三面围焊，要求在角钢端部转角处连续施焊，故每条侧焊缝只有一端受起、灭弧的影响，取侧面角焊缝的长度＝计算长度＋hf。例2例3连接计算 (2)弯矩、剪力及轴力共同作用的角焊缝连接计算连接计算 根据剪力V、轴力N和弯距M的作用方向,确定角焊缝有效截面上的危险点为A,按式(8)验算，即：设计时，一般已知角焊缝的实际长度，这时可按构造要求选焊脚尺寸hf，再按式（16）验算危险点的强度。如不满足，可调整hf(如果hf＞hf.max时，需调整焊缝长度)，直到计算结果满足强度条件为止。例4连接计算 (3)扭矩、剪力及轴力共同作用下的角焊缝计算在扭矩作用下，焊缝上及点剪应力最大，设点产生的剪应力，为便于分析，将其分解为垂直于焊缝长度的应力和平行于焊缝长度的应力，其中：连接计算 式中：I0——焊缝计算截面的极惯性矩。设在N、V作用下焊缝的应力均匀分布,则N、V作用产生的应力表示为：根据扭矩T、剪力V和轴力N作用方向，可确定角焊缝上A点的应力最大，且为平面应力状态，由式(8)得强度计算公式为：按上述方法计算时，仅A点的应力达到强度设计值，显然偏于保守。例5连接计算 4.5未焊透的对接焊缝在钢结构设计中，当板件较厚，而板件间连接受力又很小，若采用3节所述的对接焊缝（焊透），焊缝强度不能充分发挥。此时可采用不焊透的对接焊缝。连接计算 在设计图纸上必须注明坡口型式（分V型和U型）及尺寸。由图可知，未焊透的对接焊缝实际上可视为坡口内焊接的角焊缝，故计算方法与直角角焊缝相同，用(8)～(10)式计算,偏安全地取βf=1.0，其he与坡口类型和坡口角度有关。V型坡口：当α≥600时,he＝s。当α<600时,he＝0.75s(主要是考虑到根部不易焊满而降低)。U型坡口he＝s。s——坡口根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离；α——V型坡口角度。另外，不焊透的对接焊缝的有效厚度he不得小于，t是坡口所在焊件的较大厚度(mm)。当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时，应验算焊缝在熔合线上的抗剪强度，抗剪强度设计值取角焊缝的强度设计值乘以0.9。连接计算 5焊接应力和焊接变形5.1焊接应力的成因和分类钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀和收缩不均匀。导致在主体金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。焊接应力的成因可用右图所示的高温加热模型说明。 由于焊接温度在空间任意方向传递，故产生的焊接应力也属于三维应力状态，分为纵向焊接应力（与焊缝长度方向平行）、横向焊接应力（与焊缝长度方向垂直）及沿焊缝厚度方向的焊接应力。（1）纵向焊接应力焊接应力 （2）横向焊接应力产生的原因有两个方面：其一是焊缝的纵向收缩使两块钢板有相向弯曲的趋势，但焊缝已将其连成整体，因而在焊缝中部产生横向拉应力，两端则产生压应力。其二是因为施焊时，先焊的焊缝逐步冷却结硬，具有一定的强度，并阻止后续焊缝的横向膨胀，使后续焊缝产生横向的热塑压缩。焊接应力 （3）厚度方向的焊接应力厚度方向的焊接应力是厚钢板的对接焊缝连接中，施焊时需多层施焊，受到加热和冷却不均匀而产生的。焊缝成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。当钢材厚度t≤20mm时，厚度方向焊接应力较小，可忽略不计；但t≥50mm时，厚度方向焊接应力可达50N／mm2。由上可见，如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。焊接应力 5.2焊接变形在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有纵、横向收缩，角变形，弯曲变形，扭曲变形和波浪形等。实际的焊接变形常常是几种变形的组合。角变形 5.3焊接应力和焊接变形对结构工作的影响（1）焊接应力对结构性能的影响1)对静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。2)对构件刚度的影响：焊接应力将降低构件的刚度3)对构件稳定性的影响：焊接应力将降低构件的稳定承载力。4)对疲劳强度的影响：焊接应力对直接承受动力荷载的焊接结构不利。5)对低温冷脆的影响：焊接应力导致结构产生低温脆断。 （2）焊接变形的影响会导致构件的安装困难，有可能改变构件的受力方式。例如轴心压杆，若焊接时产生了弯曲变形，就变成了压弯构件，其强度和稳定承载力将受影响。63 5.4焊缝的合理构造及减小焊接应力、变形的措施（1）焊缝的合理构造1)焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度应符合构造要求，宜采用细长焊缝，不用粗短焊缝。施焊时不得随意加大焊缝的焊脚尺寸。2)设计时要考虑焊缝是否有施焊空间，并尽量避免仰焊。3)焊缝布置尽可能对称，以减少焊接变形,图(a)。4)不宜采用带锐角的板料做肋板，板料的锐角应切掉，图(b)，以免焊接时锐角处板材被烧损，影响材质。5)焊缝不宜过分集中，避免产生过大的焊接应力甚至产生裂纹，图(c)。6)当拉力垂直于受力板面时，要考虑钢板的分层破坏，图(d)。7)尽量避免焊缝相交，可将次要焊缝中断，保证主焊缝连续，图(e)。 （2）减小焊接应力、变形的措施 6螺栓连接的构造要求6.1螺栓连接形式螺栓连接的基本形式有盖板对接、T形连接和搭接，如图49所示。 6.2螺栓直径与螺栓孔孔径要求I类孔：加工精度达到H12，孔壁表面粗糙度不大于12.5mm，制作费工，成本高；螺杆直径比螺栓孔直径小0.3mm。II类孔：孔壁表面粗糙度不大于25mm,允许加工偏差较大，但成本低。螺杆直径比螺栓孔径小1.0～1.5mm。摩擦型连接的孔径比螺栓公称直径d大1.5～2.0mm；承压型连接的孔径比螺栓公称直径d大1.0～1.5mm。构造要求68 6.3螺栓孔的排列螺栓的排列形式应简单、整齐、紧凑，排列方法有并列和错列两种。构造要求 螺孔在构件上的排列应考虑以下要求：1）受力要求：受力方向的端矩太小，构件端部被剪断；受拉构件中距太小，拉断；对受压构件沿外力方向的中距过大，构件易发生张口或鼓曲现象；2）构造要求：边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀；3）施工要求：留有足够的空间便于板手转动。构造要求板端冲剪破坏（演示） 根据以上要求，规范规定了螺孔的允许距离：表5螺栓孔和铆钉孔的最大、最小容许距离（mm）；表6角钢上螺栓或铆钉线距表（mm）表7工字钢和槽钢腹板上的螺栓线距表（mm）表8工字钢和槽钢翼缘上的螺栓线距表（mm）构造要求 7螺栓的工作性能及承载力螺栓连接中，螺栓的受力形式有三种情况：①螺栓只受剪力作用；②螺栓只受拉力作用；③螺栓受剪力、拉力共同作用。拉剪剪拉 7.1受剪螺栓的工作性能及承载力(1)受剪螺栓的工作性能考察一个螺栓从受剪到剪断，受剪面上的平均剪应力和连接的变形间的关系曲线如图54所示，可划分为以下四个阶段：1）摩擦传力的弹性阶段；2）滑移阶段；3）螺杆受剪面传力的弹性阶段；4）弹塑性阶段。 （2）普通螺栓和承压型连接高强度螺栓的抗剪承载力普通螺栓或承压型高强度螺栓受剪时，当螺杆较细，板件较厚，螺杆可能被剪坏（演示）；为计算方便，假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：式中：nv——受剪面数目，单剪＝1；双剪＝2。d——螺栓杆公称直径；——螺栓的抗剪强度设计值。 螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗，板件相对较薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，假定承压面为半圆柱面的投影面，即螺栓的直径面d×t，且压应力均匀分布。 按上述简化方法，得一个剪力螺栓的抗压承载力设计值为：式中——在同一受力方向的承压构件的较小总厚度；——螺栓的承压强度设计值，取决于构件材料。一般情况下，一个螺栓的抗剪承载力和抗压承载力不同，那一种承载力较小，螺栓就发生那一种破坏。因此，一个受剪螺栓的承载力应取上两式中的较小值。即：min[,]76 （3）摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力与普通螺栓和承压型连接高强度螺栓不同，摩擦型连接高强度螺栓抗剪不是通过螺栓杆受剪，而是通过紧固螺帽在螺栓杆内产生很大的预拉力使被连接件压紧获得摩擦力，由摩擦力抵抗剪力。因此，要确定摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力（摩擦力），必须先确定高强度螺栓的预拉力。综合考虑各种影响因素后，高强度螺栓预拉力值由下式计算：P＝0.9×0.9×0.9×fu×Ae／1.2式中fu——螺栓经热处理后的屈服强度；Ae——螺纹处的有效面积，按附表1.6取用。常用高强度螺栓的预拉力值列于表6，应用中可直接查表。77 设被连接板间接触表面的抗滑移系数为m，传力的摩擦面数目为nf。则一个摩擦型连接高强度螺拴的受剪承载力标准值＝nfmp；除以抗力分项系数1.111，得一个摩擦型连接高强度螺拴的受剪承载力设计值：抗滑移系数m按表7采用。小结：螺栓的抗剪承载力承压型连接：min[,]摩擦型连接：78 7.2受拉螺栓的承载力(1)普通螺栓和承压型连接高强度螺栓受拉承载力螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，受拉螺栓的破坏形式为螺栓杆被拉断。因此，一个普通螺栓或承压型连接高强度螺栓的抗拉承载力设计值为：式中de——螺栓在螺纹处的有效直径。螺栓的有效直径或有效面积可查附表1.6；——螺栓的抗拉强度设计值。79 采用双角钢构成的T形连接来传递拉力时，通常角钢的刚度不大，受拉后，垂直于拉力作用方向的角钢肢会发生较大的变形，并起杠杆作用，在该肢外侧端部产生撬力Q（演示）。因此，螺栓实际所受拉力＝N+Q，由于确定Q值比较复杂，在计算中不计Q力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即取；并采取构造措施加强角钢的刚度。80 2）摩擦型连接高强度螺栓受拉承载力由于高强度螺栓的预拉力作用，被连接构件间在外力作用前已经有较大的挤压力。当连接受拉时，构件间有松开的趋势，挤压力逐步变小。经分析，当构件刚好被拉开时Pf＝1.1P为了避免外拉力大于预拉力而使板件松开，《规范》规定：每个高强度螺栓的抗拉承载力设计值：＝0.8P81 7.3同时承受剪力和拉力作用的螺栓承载力螺栓同时承受剪力和拉力作用。试验结果表明，螺栓在力与拉力共同作用时，承载力符合圆曲线相关关系，计算式为:同时要求普通螺栓：承压型连接高强度螺栓：摩擦型连接高强度螺栓：Nt≤0.8P82 其中使用摩擦型连接高强度螺栓时拉力作用使钢板间的压力减小，钢板间的摩擦力就减小，故拉力的作用降低了螺栓的抗剪能力。另外，根据试验结果，板件接触面上的抗滑移系数还因板件间压力的减小而降低。83 8螺栓连接的设计、验算设计螺栓连接的基本步骤是：1)根据连接要求选择螺栓类型和排列方式；2)初选螺栓的公称直径，按构造要求布置螺栓孔；3)根据连接承受的荷载，计算螺栓群中各螺栓的受力情况；4)确定所需的螺栓数或验算螺栓的承载力。若受力构件的截面有削弱，还需对构件截面进行强度验算。由于螺栓连接的形式不同，螺栓的类型不同，所受的荷载形式不同，螺栓的受力情况也不同。因此，设计时需对各种情况作具体分析。84 8.1螺栓群均匀受剪如图所示双盖板螺栓连接，螺栓群在轴力作用下受剪。试验证明，沿连接的长度方向分布的各螺栓，其所受剪力并不均匀，两端大，中间小。当l1≤15d0时，考虑连接进入弹塑性阶段后，内力发生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐渐接近，可认为轴力N由每个螺栓平均分担。85 ≥当l1≤15d0时：≥连接所需的螺栓数目n为：h——抗剪承载力折减系数，根据情况取值。确定了螺栓数目，螺栓设计即完成。但对于图示连接形式，螺栓孔削弱了受拉钢板的截面面积，因此还需对板件进行强度验算，强度计算公式为：板件强度验算时要注意所采用的螺栓类型、板件的破坏面86 位置、破坏面的内力和净截面面积。a、普通螺栓和承压型连接高强度螺栓1-1截面：An＝t（b－n1d0）2-2截面：An＝87 b、摩擦型连接高强度螺栓采用摩擦型连接高强度螺栓时，由于摩擦型连接是靠接触面上的摩擦阻力传递剪力，有部分摩擦力在孔前传递，因而构件净截面上的内力与普通螺栓连接有所不同。故摩擦型连接构件净截面的强度计算公式为：例688 8.2螺栓群受轴力作用均匀受拉如图所示，轴力作用在螺栓群形心，可认为螺栓群均匀受拉，无论采用那种螺栓，每个螺栓的拉力为：可确定螺栓数或验算螺栓的抗拉承载力。89 8.3螺栓群受弯矩M作用图示T型连接，在弯矩M作用下，被连接件有顺弯矩M作用方向旋转的趋势，螺栓受拉。根据采用的螺栓类型和弯矩大小不同，转动中心位置不同，各个螺栓所受拉力大小也不同，需分类计算。90 1)采用普通螺栓普通螺栓的预拉力很小，在图示弯矩作用下，连接板件的上部会拉开一定的缝隙。因此，可偏安全地认为被连接构件是绕底排螺栓轴线转动（演示）并设各螺栓所受拉力的大小与转动中心O‘的距离成正比。根据平衡条件得：根据几何关系得:由上两式得:91 当螺栓群布置在一个狭长带上时，即y1＞3x1或x1＞3y1时,上式中可假设xi＝0或yi＝0来简化计算。2)采用高强度螺栓根据高强螺栓受拉的限制条件,拉力≤0.8P。所以，在弯矩M作用下，被连接构件的接触面一直保持紧密贴合，可认为被连接构件是绕螺栓群形心轴O转动(演示)。螺栓的轴向拉力计算公式与普通螺栓相同，只是转动中心不同（注意yi的取值）。92 8.4螺栓群受扭作用如图所示搭接连接，在扭矩T作用下，连接板件有绕螺栓群形心旋转的趋势，使螺栓受剪。各螺栓所受的剪力方向与螺栓群形心的连线垂直，剪力大小与距离r成正比（演示）。93 设螺栓1、2、3…n至螺栓群中心o点的距离为r1、r2、r3…rn；各螺栓承受的剪力分别为、、…根据平衡条件及几何条件得：…+＝T…＝／()整理得：确定了螺栓所受的最大剪力，即可验算连接是否可靠，其强度条件是：不大于螺栓的抗剪承载力94 8.5螺栓群受剪、拉、弯共同作用图示T型连接，螺栓群受轴心剪力V，轴向力N和弯矩M共同作用。解决几种外荷载同时作用的简便方法是采用叠加原理：单独作用效应叠加由于轴向拉力N和弯矩M作用都使螺栓受轴向拉力，可先对N、M作用进行一次叠加，然后再与剪力叠加95 拉、弯组合①当弯矩M较小时。设被连接件绕螺栓群的形心线上的O点转动，可得连接中螺栓所受拉力最大和最小的计算式为：——各螺栓到形心转动轴线的距离。若说明所有螺栓均受拉，被连接构件是绕螺栓群形心轴线转动，与假设相符，可由第一式求出。96 若只有N、M组合作用，则要求满足强度条件：②当弯矩M较大时。可能出现。此时，说明连接下部受压，认为被连接构件是绕底排螺栓转动。对底排螺栓轴线取矩，得顶排螺栓受力为：式中y1——yi中的最大值；yi——各螺栓到底排螺栓轴线的距离。97 2)剪、拉组合因为螺栓群均匀受剪，将和代入剪－拉组合的相关公式和附加条件验算即可。附加条件是：普通螺栓：承压型连接高强度螺栓：摩擦型连接高强度螺栓：≤98 上式表示螺栓群所受剪力需小于各螺栓的抗剪承载力之和。式中——各个螺栓所受的拉力。有弯矩作用时，各螺栓的将不同，需按下式逐个计算：当Nti<0时，取Nti＝0例题7例题899 8.6螺栓群受剪、拉、扭共同作用图示钢板搭接在工字型柱的翼缘上用螺栓连接，螺栓群的形心是O点，由于斜向力未通过形心，第一步将斜向力分解为竖向力F和横向轴力N；再将F向形心O点简化，得通过形心的剪力V＝F，和扭矩T＝Fe(e是力F作用点到螺栓群形心上的距离)。螺栓群受V、N、T共同作用。V、N、T作用均使螺栓群受剪，但剪力方向不同。仍按叠加原理，可对V、N、T单独计算，然后叠加。100 剪力V作用：拉力N作用：扭矩T作用：为便于组合，将分解为水平及竖直方向分力：螺栓群在剪力V、轴力N、扭矩T共同作用下的搭接连接中，螺栓1所受的合剪力也最大，其强度条件为：N1不大于螺栓的抗剪承载力101 例题10例题11102