第5章钢结构的紧固件连接

栓孔直径
＝螺杆的公称直径 +1.0～1.5mm
特点
剪切变形小，弹性性能好， 连接紧凑，但剪切变形大，不 特别适用于承受动力荷载 得用于承受动力荷载的结构 的结构
第5章 钢结构紧固件连接 主要连接方法及优缺点
连接方法 焊 接 优 点 缺 点
对几何形体适应性强，构 造简单，省材省工，易于 自动化，工效高 。
第5章 钢结构紧固件连接
§5.2螺栓的排列
螺栓规格
分类 强度等级 加工方式 加工精度 受力特点 经济性能 精制螺栓 A级和B级 5.6级和8.8级 车床上经过切削而成 螺杆与栓孔直径之差为 0.25～0.5mm 抗剪差、抗拉好 价格高 构件精度很高的结构（机械 结构）；在钢结构中很少采 用 粗制螺栓 C级 4.6级和4.8级 单个零件上一次冲成 螺杆与栓孔直径之差为 1.5～3mm 抗剪抗拉均好 价格经济 沿螺栓杆轴受拉的连接；次 要的抗剪连接；安装的临时 固定
第5章 钢结构紧固件连接
5.4 普通螺栓连接连接的计算
一、单个普通螺栓的受剪计算
Nv Nv
单剪面 nv =1 双剪面 nv =2
四剪面 nv =4
第5章 钢结构紧固件连接
剪力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:
受剪承载力设计值： 承压承载力设计值：

铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆 钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中， 再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达 到紧固。
优点 缺点
传力可靠，塑性、韧性好， 动力性能好 费工费料、劳动强度高。
目前承重钢结构连接中已很少应用。
第5章 钢结构紧固件连接 栓（焊）钉连接的特点
• 栓钉将钢板与混凝土板连接起来 • 栓钉承受剪力
Nt N Q
降低20％来考虑撬力的影响，
取ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗 拉强度设值）。
图5.6 受拉螺栓的撬力
第5章 钢结构紧固件连接
c) 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。
加劲肋
图5.7 翼缘加强的措施
3d0
线距
第5章 钢结构紧固件连接
第5章 钢结构紧固件连接
2.螺栓的其它构造要求
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； 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：
F N
F
A 剪力螺栓
受力垂直螺杆，承
B 拉力螺栓
受力平行螺杆，承拉
C 剪力和拉力共 同作用
剪、承压。 连接件有错动趋势
连接件有脱开趋势
第5章 钢结构紧固件连接
1. 受剪连接的工作性能
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δ与作用力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
第5章 钢结构紧固件连接
1.5d0
1.5d0
边距
3d0
边距
边距
1.5d0 (1.2d0)
1.5d0
2d0 端距
2d0 端距
2d0 3d0 3d0 2d0
端距 中距 端距
根据规范规定（表5.1）的螺栓最大、最小容许间距，排列螺栓时 宜按最小容许间距取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小 连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。
第5章 钢结构紧固件连接
(1)受力要求 a）端距限制——防止孔端钢板剪断，≥2d0 ；
b）螺孔中心距限制
下限：防止孔间板破裂≥3d0 上限：防止板间张口和鼓曲。
端距Hale Waihona Puke Baidu小
中心距太大
（2）构造要求
螺栓的中距及边距过大，则构件接触面不够紧密，
潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。
（3）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。
d+b<a+c+e ,Σt=b+ d
第5章 钢结构紧固件连接
2.单个普通螺栓受拉承载力
假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均 匀分布，则一个拉力螺栓的承载力 设计值：
N tb Ae f t b
b
d e2
4
f tb
（5.3） 对于铆钉，将de换以d0
Nt ——单个螺栓抗拉承载力；Ae ——螺栓螺纹处的有效面积； de ——螺栓有效直径 (附表1.4 ) ； b b ft ——螺栓的抗拉强度设计值。 ft ＝0.8f
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。
N/2 N/2
N a b
N
(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。 ‘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。
A级和B级 5.6级和8.8级 车床上经过切削而成
螺杆与栓孔直径之差为 0.25～0.5mm
抗剪性能
经济性能
好
价格高 构件精度很高的结构（机械 结构）；在钢结构中很少采 用
较差
价格经济 沿螺栓杆轴受拉的连接；次 要的抗剪连接；安装的临时 固定
用途
第5章 钢结构紧固件连接 2. 高强度螺栓连接 高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的 合称。 由45号、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成。 45号－8.8级；40B和20MnTiB－10.9级
用途
注：A、B两级的区别只是尺寸不同。 A级用于d≤24mm, l≤150mm的 螺栓，B级用于d>24mm, l>150mm 螺栓。
第5章 钢结构紧固件连接
螺栓符号
常用螺栓直径为d=16，20，24mm，用M表示，如M16。 螺栓孔为d0=d+1.5～3mm M12、 M16大1.5mm， M18、 M20 、 M22 、M24大2mm， M27、 M30大3mm
N
l1
N/2 N/2
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 由各螺栓平均分担。
弹性阶段 塑性阶段
螺栓的内力分布
平均值
连接一侧所需螺栓数为：
N n b N min
(5.4)
第5章 钢结构紧固件连接 轴心受力构件采用螺栓连接时按最危险的净截面计算。
O 3
4
2 1
δ
第5章 钢结构紧固件连接
2.受剪螺栓的破坏形式
a) 螺杆被剪断； b) 连接件孔壁挤压破坏；c) 钢板拉断； d) 钢板冲剪破坏；e) 螺杆弯曲破坏 。
a)
B
b)
A
B A
c)
A 截面削弱过多时 a)、b)、c)通过计算解决
栓杆较细而板件较厚时 d)
35º 35º
栓杆较粗而板件较薄时 e)
η
（a）大六角头螺栓
（a）大六角头螺栓
（b）扭剪型螺栓
（b）扭剪型螺栓
第5章 钢结构紧固件连接 高强度螺栓摩擦型连接和高强度承压型连接比较
高强度螺栓摩擦型连接 高强度螺栓承压型连接 允许接触面滑移，依靠螺栓杆 和螺孔之间的承压来传力
传力机理
利用预拉力把被连接的部 件夹紧，使部件的接触面 间产生很大的摩擦力，外 力通过摩擦力来传递 ＝螺杆的公称直径 +1.5～2.0mm
d)、e) 通过构造解决 A
A 端矩过小时；端矩≥2d0
板过厚螺栓杆过长；栓杆长度＜5d
第5章 钢结构紧固件连接
3.普通螺栓受拉的工作性能
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。 b) 试验证明影响撬力的因素 较多，其大小难以确定，规 范将螺栓的抗拉强度设计值
当连接长度l1>15d0(d0为孔径)时，各个螺栓内力难以均匀，端部 螺栓受力最大首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪 强度折减系数与l1/d0的关系曲线。 因此《规范》采用承载力折减系数考虑螺栓群受力不均。
当 15d0 l1 60d0时： l1 1.1 150d0 (5.5)
第5章 钢结构紧固件连接
一、钢板板叠上排列螺栓的要求
螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理 又便于安装。排列的方式有并列排列和错列排列两种。
图5.4 螺栓的排列方式
并列比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件 截面的削弱较大；错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓空排列不 如并列紧凑，连接板尺寸较大。
焊接残余应力大且不易控制， 焊接变形大。对材质要求高， 质量检验工作量大。
铆
接
传力可靠，韧性和塑性好， 质量易于检查，抗动力荷 载好。 装卸便利，设备简单
费钢、费工 。 目前很少采用
螺栓精度低时不宜受剪，螺 栓精度高时加工和安装难度 较大 。
普通螺栓 连接 高强螺栓 连接
加工方便，对结构削弱少， 摩擦面处理，安装工艺略为 能承受动力荷载，耐疲劳， 复杂，造价略高 塑性、韧性好 。


验算：
Nv N
b min
第5章 钢结构紧固件连接 受剪承载力设计值： N b n v v
剪面数目
d 2
4
f vb
螺栓抗剪设计强度 承压设计强度
承压承载力设计值：
螺栓直径
Ncb d t f cb
承压构件一侧总 厚度的较小值
t1
t1 t2
t2
t3
t1< t2 ,Σt= t1
t2< t1+ t2 ,Σt= t2
本科教学
钢结构--原理与设计
第5章 钢结构的紧固件连接
第5章 钢结构紧固件连接
§5.1 概述
螺栓： 普通螺栓：精制螺栓(A、B级) 粗制螺栓(C级)
紧固件连接
铆钉：
高强度螺栓：承压型、摩擦型 钉连接： (射钉、自攻螺钉、焊钉)
第5章 钢结构紧固件连接
螺栓连接
第5章 钢结构紧固件连接
铆钉连接及特点
第5章 钢结构紧固件连接 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 3P 24
( P 螺距)
dn de dm d
第5章 钢结构紧固件连接
二、在轴心力作用下螺栓群的抗剪连接计算
试验证明,栓群在轴力作用下各个 螺栓的内力沿螺栓群长度方向不 均匀，两端大,中间小。
螺栓并列布置按最危险的正 交截面（Ⅰ－Ⅰ）计算：
1
t1 b
t
N
An1 b n1 d0 t
螺栓错列布置可能沿正交截面 （Ｉ－Ｉ）破坏，也可能沿齿 状截面（Ⅱ－ Ⅱ）破坏，取截 面的较小面积计算：
b1
N
1 1
Ⅱ
t1
t
N
2 An 2c4 n2 1 c12 c2 n2 d0 t
c4
c1
b
N
c3 c2
1Ⅱ
第5章 钢结构紧固件连接 当有螺栓孔削弱，除上述构件被拉断外，还有一种使构件
破坏的可能性，如图所示：这类破坏方式被称为块状拉剪 破坏（block shear failure）。这类破坏在过去并不注意， 现在在设计规范中已经明确要求计算。（《钢结构设计规 范》7.5.1）
第5章 钢结构紧固件连接
① 承受静载或间接动载的次要连接； 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。 沿杆轴方向受拉螺栓连接的端板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺 栓抗拉承载力的不利影响。
第5章 钢结构紧固件连接
5.3普通螺栓连接的工作性能
螺栓连接的受力形式分为：只受剪力，只受拉力。有时 受剪力和拉力的共同作用。
N nv
b v
d 2
4
f
b v
对于铆钉， （5.1） 将d换以d0
N d t f
b c
b c
（5.2）
假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布 ； d 假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于 栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布
单个剪力螺栓的设计承载力： Nb
b b min N , N min c v
第5章 钢结构紧固件连接
射钉、自攻螺钉的特点
• 用于薄壁构件（压型钢板屋面板、墙板与梁、柱）的连接 • 可采用射枪、铆枪等专用工具安装
射 钉 枪
第5章 钢结构紧固件连接 1. 普通螺栓连接
精制螺栓 代号 强度等级 加工方式
加工精度
粗制螺栓 C级 4.6级和4.8级 单个零件上一次冲成
螺杆与栓孔直径之差为 1.5～3mm
N
N
N/2
N
a b
(1) 摩擦传力的弹性阶段(0~1段)
直线段—连接处于弹性状态； 该阶段较短—摩擦力较小。
N/2
N
4 3
(2) 滑移阶段(1~2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间隙，表 现在曲线上为水平段。
1 O
2
δ
第5章 钢结构紧固件连接
(3) 栓杆传力的弹性阶段(2~3段)