钢结构普通螺栓连接设计

N N
②较薄的连接板被挤压破坏
破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时
由于拴杆和扳件的挤压是相 对的，故也常把这种破坏叫
N
N
做螺栓承压破坏。
③板件被拉（压）断
N
破坏条件：截面削弱过多时 N
④板件端部被剪坏
破坏条件：端矩a过小时
N
构造保证措施：端矩不应
N
小于2d0
⑤栓杆弯曲破坏
破坏条件：螺栓杆过长时
N/2 N
N/2
N/2
平均值
图3.7.2 试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受 力并不均匀，而是两端大,中间小。
当l1≤15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，
内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N
由各螺栓平均分担。
即连接所需螺栓数为：
n

N Nb
V m in
当l1>15d0(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
1 2 34
1
435
1-螺栓；2-垫圈；3-螺母；4-螺丝;5-槽口
大六角头螺栓
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。
传力途径：
摩擦型——依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力 被克服作为设计准则。
承压型——依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被 剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极 限承载力）。
（4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密 ，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。
四、普通螺栓的抗剪连接计算
1、抗剪连接工作性能
N/2
a N/2
N b
N
2 1
4 3
高强度螺栓
4
3
普通螺栓
工作性能
12
δ
0
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和作用力N的关系曲线，由此曲线可看出 ，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。
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，因此螺栓 受拉。
3.普通螺栓群偏心受拉（轴心力和弯矩共同作用）计算:
螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M ＝Ne的联合作用。技弹性设计法，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。
V Nma
e
N M
旋转中心
y1 yy22 y1

N n

My1 yi2
• 式中 n——连接中螺栓总个数；
• y1——“1”号即顶排螺栓到旋转轴的距离； • yn——“n”号即底排螺栓到旋转轴的距离； • yi——“i”号螺栓到旋转轴的距离； • 当由上式算得的Nmin≥0时，说明所有螺栓均受拉，构件绕栓
钉群形心轴旋转，此时应验算满足条件： Nmax Ntb
边距
边距 中距 边距
边距
端距 中距
并列
端距
错列
并列——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，但螺栓孔排 列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。
螺栓排列的要求 （1）受力要求
在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距 及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响， 且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。
潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的最大容 许间距
（3）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因
此规范规定了螺栓的最小容许间距。
1.5d0 1.5d0
3d
0 中距 0
边距 边距
3d
1.5d0
(1.2d0)
1.5d0
2d0
端距
2d0
端距
并列
2d0 3d0 3d0 2d0
端距 中距 端距
并列
螺栓或铆钉的最大、最小容许距离
名称
中心 间距
位置和方向
最大容许距离
（取两者中的小值）
外排（垂直内力方向或顺内力方向）
8d0或12t
中
垂直内力方向
16d0或24t
间
压力
12d0或18t
排
顺内力方向
拉力
16d0或24t
沿对角线方向
最小容许 距离
3d0
中心 至构 件边 缘距
离
顺内力方向
剪切边或手工气割边
N
T ix
N
T iy


N
T i
N
T i
yi rxii
ri



Tyi xTi2 xi
yi2
xi2 yi2
受力最大螺栓“1”所受的合力为:
N1
N1Tx
2
N1F N1Ty
2

Nb V m in
如果y1≥3x1，则可假定xi=0 ，
由此得N1Ty=0， 则计算式为：
“1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。 计算公式推导如下：
设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 、r2 、r3 …，rn， 各螺栓承受的分力分别为N1T、 N2T、N3T …， NnT，根据 平衡条件得：
•
T

N1T r1

N
T 2
r2

N
T n
rn
• 栓钉受力大小与其到形心的距离成正比，则：
式中 ∑t—同一受力方向的承压构件的较小总厚度； 对双剪：取t1与t2+t3中较小者 对单剪：取t1与t2中较小者
fcb —承压强度设计值，见附录1中的附表1.3。
一个普通螺栓的抗剪承载力设计值：
Nb min

min
Nvb，Ncb
4.普通螺栓群的抗剪承载力计算
(1)普通螺栓群轴心受剪
l1
N
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η与l1/d0的关系曲线， 我国规范规定：
当 当
15d0 l1 时6，0d0
l1 6时0d，0


0.7

1.1 l1 150d0
以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。
因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：
垂直内 力方向 轧制边自动精密气割或
高强度螺栓
锯割边
其他螺栓或铆钉
4d0或8t
2d0 1.5d0 1.2d0
注：(1)d0 为螺栓孔或铆钉孔直径，t为外层较薄板件的厚度； (2)钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢等)相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。
三、 螺栓连接的构造要求
螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据 不同情况尚应满足下列构造要求：
N1Tx
Ty1 yi2
N1

Ty1 yi2
2

F 2 n

Nb m in
五、普通螺栓的抗拉连接计算
• 1.单个普通螺栓的抗拉承载力
• 受拉螺栓的撬力
连接刚度对受拉螺栓的影响
普通螺栓抗拉强度设计值只取为螺栓钢材抗拉强度设
计值的0.8倍.
单个抗拉螺栓的承载力设计值为:
NnM Kyn
M

N1M
y1

N
M 2
y2


N
M i
yi


N
M n
yn
• M Ky12 Ky22 Kyi2 Kyn21
• M K yi2
，K
Baidu Nhomakorabea
M yi2
• 底排与顶排螺栓受力分别为最小和最大：
•
N m in

N n

Myn yi2
N
，
max
孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直 径大1.5-2.0mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺 栓公称直径大1.0-1.5mm。
一、普通螺栓连接构造
1.最少螺栓数要求 每一杆件在节点上以及拼接接头一 端，螺栓数目不宜少于2个。
2.螺栓排列 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。 排列的方式通常分为并列和错列两种形式。
（1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一 端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。
（2）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。
（3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连 接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可 拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。
较差
用途
构件精度很高的结构（机 械结构）；在钢结构中很 少采用
沿螺栓杆轴受拉的连接；次 要的抗剪连接；安装的临时 固定
性能等级的含义：
如5.6级 5表示fu≥500N/mm2, 0.6表示fy/fu=0.6 2、高强度螺栓连接
由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处
理
45号－8.8级； 40B和20MnTiB－10.9级
N
b t

Ae
f
b t

d
2 e
4
f
b t
式中 de、Ae——螺栓的有效直径和有效截面面积， 要考虑螺纹的 影响，见附录8中的附表8.1；
ftb —螺栓抗拉强度设计值。
2.普通螺栓群轴心受拉计算
当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受
力，因此，连接所需的螺栓数为：
式中：
N
n

N
b t
N
Ntb为一个螺栓的抗拉承载力设计值
Nx2
N
N3 O e
刨平顶紧 承托（板）
c Nmin>
小偏心受拉0
V由承托承担
N1
N2
N
y1’y2y’ 3’
N3 O’
e’
中和轴
受压区
大偏心受拉
剪力V直接通过承托板传递，螺栓受轴心力和弯矩作用
N1M

N
M 2

NiM

N
M n
K
y1
y2
yi
yn
N1M Ky1
N
M 2

Ky2
N1T

N
T 2

N nT
r1
r2
rn
T

( N1T r1
)r12
( N2T r2
)r22





(
N
T n
rn
)rn2

( NiT ri
) ri2
•
故得螺栓i因力矩T而产生的剪力为：N
T i

Tri ri2

Tri xi2 yi2
• 在扭矩T作用下的剪力在x、y轴方向的分量：
平行于受力方向： 端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以
便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于 2d0；
受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发 生鼓曲现象。
因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距
（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，
n

N
NVb min
(2)普通螺栓群偏心受剪
e F
=
F
F作用
y1 y2
+
x1 1
N1Tx
r1 N1Ty N1T
O T
Nt 2
扭矩T作用
F作用下每个螺栓平均受力，则
N1F

F n

栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设 计法计算的基本假设如下：
① 连接件绝对刚性, 螺栓弹性； ② 连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与 该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线垂 直。
构造保证措施：栓杆长度不应大于5d N/2
前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证 。第③种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算 只考虑①和②两种形式破坏。
3.单个普通螺栓的抗剪承载力计算
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（即螺栓承压）两种情况。
（1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个螺栓的 受剪承载力设计值为：
N
b v

nv
d 2
4
f
b v
d
式中： nv ——受剪面数目，单剪=1；双剪=2。 d ——螺栓杆公称直径；
fvb ——螺栓的抗剪强度设计值，见附录1中的附表1.3
t1 t2
t2
N
N/2 N
N
单剪：nv 1
N/2
t3
t1
双剪：nv 2
单个螺栓的承压承载力设计值为：
Ncb d t fcb
—连接中所有螺栓到旋转轴(底排螺栓连线轴)的距离平方和
由此可见，对于普通螺栓连接，在轴心力和弯矩共同作用下的 计算，应需判断是小偏心、还是大偏心，然后按有关公式验算危险 螺栓受力是否安全:
①摩擦传力的弹性阶段(0-1段) 直线段—连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间
摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。
②滑移阶段(1-2段) 水平段—摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最
大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。
③栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段) 曲线上升段——该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆
第五节 普通螺栓连接设计
复习
1、普通螺栓
类型 性能等级
精制螺栓 A级和B级 5.6级和8.8级
普通螺栓
粗制螺栓 C级
4.6级和4.8级
加工方式
车床上经过切削而成
单个零件上一次冲成
加工精度 抗剪性能
Ⅰ类孔：栓孔直径与栓杆 直径之差为0.25～0.5mm
好
Ⅱ类孔：栓孔直径与栓杆直 径之差为1.5～3mm
受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料 的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，Nδ关系以曲线状态上升。
④弹塑性阶段(3-4段) 荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后
破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓 抗剪连接的极限荷载。
2、抗剪连接的破坏形式 ①栓杆被剪坏 破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时
• 以上是当弯矩M较小时，小偏心情况的计算公式
计算就会出现Nmin<0的情况，表示该连接的下部螺栓受压，而 这是不可能的 .这时应按构件绕底排螺栓连线轴z’一z’转动，即按
大偏心计算。
Nmax

Ne' yi'2
y1'

Ntb
e’—轴心力N到底排螺栓连线轴的距离； —顶排螺栓到底排螺栓连线轴的距离，