螺栓连接结构与计算

3
（2）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。
端距 中距 中距 边距 边距
A 并列
B 错列
4
（3）螺栓排列的要求
1）受力要求:
垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、 截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能 太小； 顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏， 端距不能太小； 对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中 距不能太大。
螺栓连接构造与计算
装配培训教材
张明录
目录
一 二 三
普通螺栓连接构造与计算 普通螺栓抗剪连接 普通螺栓抗拉连接 高强度螺栓连接构造与计算 高强度螺栓抗剪连接 高强度螺栓抗拉连接
四 五
六
一.普通螺栓连接构造与计算
1.普通螺栓的种类和构造要求 （1）普通螺栓种类
按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。
2）承受静载的可拆卸结构连接；
3）临时固定构件的安装连接。
7
二.螺栓连接的受力形式
A 只受剪力 F
B 只受拉力
C 剪力和拉力 共同作用 F
N
N
8
三.普通螺栓抗剪连接 1.工作性能和破坏形式 (1)工作性能 N N
对图示螺栓连接做抗剪试验,即 N/2 可得到板件上a、b两点相对位移 N/2 δ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 N 个阶段,即： 1)摩擦传力的弹性阶段(0~1段)
d n de dm d
26
(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响
1）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。试验 证明影响撬力的因素较多， 其大小难以确定，规范采取 简化计算的方法，取 ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗 拉强度设计值）来考虑其影 响。
N/2 N/2
N
4 3
N
a
b
2 1 O
δ 10
4)弹塑性阶段(3~4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。 N/2 ‘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。
N/2
N Nu
3
N
a
b
4
2 1 O
δ 11
2.破坏形式
N/2
（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
A、B级---精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级; 5或8表示fu≥500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6 或0.8；Ⅰ类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)＝0.3～0.5mm。 C级---粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级； 4表示fu≥400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8； Ⅱ类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) ＝1～3mm。
1 1’
t1 t
1’--1’截面:
N f An
N
b c4 c3 c2
N
对于1 1截面：An b m d 0 t ;
1 1’
2 2 对于1’ 1’ 截面：An 2c 4 m 1 c1 c 2 m d 0 t; 式中：f 钢材强度设计值； d 0 螺栓孔直径；
最小容许距离
垂直内力方向
中 间 排 顺内 力方 向 构件受拉力
16do 或 24t
12do 或 18t 3do
构件受压力 沿对角线方向
16do 或 24t _
中 心 至 构 件 边 缘 间 距
顺内力方向 垂直 内力 方向 剪切边或手工气割边 轧制边、自动气 割边或锯割边 高强度螺栓 其他螺栓或铆钉 4do 或 8t
显然，T作用下‘1’号螺 栓所受剪力最大（r1最大）。
由力的平衡条件得：
y
1 N1Tx r1
x
N1T N1Ty
T N 1T r1 N 2T r2 N nT rn
由假定(2)得
T) (3 38
N nT N 1T N 2T N 3T r1 r2 r3 rn
由上式可得:
剪切面数目nv
N
N
单剪：nv 1
N/3
N/2
N/2
N
双剪：nv 2
N/2 N/2
N/3 N/3
四剪：nv 4
15
五.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 试验证明,栓群在轴力 作用下各个螺栓的内力沿 N 栓群长度方向不均匀，两 端大,中间小。 当l1≤15d0(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，故设计时假定N 有各螺栓均担。 所以，连接所需螺栓数为：
0.5 N f An , 2
An , 2 b1 m d 0 t 1 ; f 钢材强度设计值 ; d 0 螺栓孔直径；
b1 拼接板宽度； m 危险截面上的螺栓数； t 1 拼接板厚度。 18
(2)螺栓采用错列排列时: 主板的危险截面为1--1和
c1
平均值 长连接螺栓的内力分布
当l 1 60d 0时：
η
1.0 0.75 0.5 0.25 试验曲线 8.8级 M22 ECCS 我国规范
0.7
故，连接所需栓数：
N n b N min
( 3 36)
l1/d0
10 20 30 40 50 60 70
17
0
80
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。 t1 12
(1)螺栓采用并列排列时:
主板的危险截面为1-1截面:
N f An ,1 An ,1 b m d 0 t ;
t
N
b1
b 12
N
f 钢材强度设计值 ; d 0 螺栓孔直径；
m 危险截面上的螺栓数； b 主板宽度；t 主板厚度。
拼接板的危险截面为2-2截面:
l1
平均值 螺栓的内力分布
N/2
N/2
N n b N min
16
当l1>15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状 态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀， 端部螺栓首先破坏,然后依次破坏。由试验可得连接的 抗剪强度折减系数η与l1/d0的关系曲线。
当15 d 0 l 1 60 d 0时： l1 1 .1 150 d 0
m 危险截面上的螺栓数； b 主板宽度； t 主板厚度。
19
拼接板的危险截面为2--2和
2’--2’截面:
0.5 N f An
2 2’
t1 t
b
N
c1
b1 c3 c2 2 2’ c4
N
对于2 2截面：An b1 m d 0 t 1 ;
2 2 对于2’ 2’ 截面：An 2c 4 m 1 c1 c 2 m d 0 t1 ; 式中：f 钢材强度设计值； d 0 螺栓孔直径；
1 2 3 4
M
刨平顶紧 承托(板)
3施工要求为了便于扳手拧紧螺母螺栓中距应不小于3d名称位置和方向最大容许距离两者最小距离最小容许距离外排垂直外力方向或顺内力方向8d12t3d垂直内力方向16d构件受拉力12d18t构件受压力16d24t沿对角线方向顺内力方向4d8t2d垂直内力方向剪切边或手工气割边15d高强度螺栓其他螺栓或铆钉12d4螺栓连接的构造要求为了保证连接的可靠性每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓但组合构件的缀条除外
（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。
N
N/2
N
N
N
N
12
（4）板件端部被剪坏(拉豁) 端矩过小时；端矩不应小于2dO N N
这 两 种 破 坏 构 造 解 决
（5）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d
N/2
N
N/2
13
四.抗剪螺栓的单栓承载力设计值
由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决 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: 抗剪承载力： 承压承载力：
( 3 46)
b N 12Tx N 1F N min
2
( 3 47)
24
六.普通螺栓的抗拉连接
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
拉断为其破坏形式。
2.单个普通螺栓的抗拉承载力设计值
N Ae f t
d
N nv
b v
d
4
2
f vb
( 3 32)
N cb d t f cb
(3 33)
b b b 单栓抗剪承载力： N min min N v ，N c


(3 34)
nv—剪切面数目； d—螺栓杆直径； fvb、fcb—螺栓抗剪和承压强度设计值； ∑t—连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。 14
2 N1 Tx N 1Ty N 1 F


2
b N min
( 3 45)
另外,当螺栓布置比较狭长(如y1≥3x1)时,可进行 如下简化计算： 令:xi=0，则N1Ty=0
N 1Tx y1 T y1 n n r1 2 2 y y i i
i 1 i 1
T r1
T y1
x y
i 1 2 i i 1
n
n
( 3 43)
2 i
N1T N1Ty
T
N 1Ty
T r1
2 2 x y i i i 1 i 1 n n
T x1
2 2 x y i i i 1 i 1 n n
( 3 44)
23
由此可得螺栓1的强度验算公式为:
2）构造要求；
螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合 5 不密，潮气侵入腐蚀钢材。
3）施工要求 为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。
名称 位置和方向
外排（垂直外力方向或顺内力方向） 中 心 间 距
最大容许距离 （两者最小距离）
8do 或 12t
b t b
d e
4
f tb
3 48
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。
25
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：
13 de d 3t 24 ( t 螺距) ( 3 49)
( 3 39)
N 2T
N 1T N 1T N 1T r2；N 3T r3； N nT rn r1 r1 r1
(3
22
从而可得:
n N 1T N T r12 r22 rn2 1T ri2 r1 r1 i 1


( 3 41)
N Q Nt 2 2
( 3 50)
27
2） 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来 减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚 至消除撬力的影响。
28
3.普通螺栓群的轴拉设计 一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需 的螺栓数为：
N n b Nt
( 3 51)
N
29
4.普通螺栓群在弯炬作用下
m 危险截面上的螺栓数； b1 拼接板宽度； t 1 拼接板厚度。
20
2.普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算 e F F
1
N1F
y
1 N 1Tx
F T
r1
N1T
x
N1Ty
T
F N 1F ( 3 37) ★F作用下每个螺栓受力： n ★T作用下连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2） T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力 与其至形心距离呈线形关系，方向与ri垂直。 21
直线段—连接处于弹性状态；
1
N
a
b
4 3
2 O 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)栓杆传力的弹性阶段(2~3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-δ 关系以曲线状态上升。
2do 1.5do 1.2do
6
（4）螺栓连接的构造要求
为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼 接接头一端不宜少于两个永久螺栓，但组合构件的 缀条除外； 直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽， 或其他措施以防螺帽松动；
C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情 况可用于抗剪连接： 1）承受静载或间接动载的次要连接；

N 1T
T r1
n i 1
2 r i

T r1
2 2 x y i i i 1 i 1
n
n
( 3 42)
y
将N1T沿坐标轴分解得:
N 1Tx T r1
1 N1Tx r1
x
x y
i 1 2 i i 1
n
n
2 i
y1 r1 x1 r1