螺栓连接设计

螺栓连接设计
螺栓连接设计
一、普通螺栓连接
在一些受静力载荷或间接动力截荷不大的构件上，可以使用普通螺栓连接。

这种螺栓用普通低碳钢制作，如Q235和Q345钢螺栓。

而与之相配的螺孔比螺栓直径大1～2mm，一般是大2mm。

由于强度低，施加拧紧力矩小，接触面压力和连接面磨擦力小，在垂直于螺栓方向力作用下，连接面易产生滑动，这时应考虑使用铰制孔螺栓，通过孔与螺栓的配合，螺栓受剪力传递作用力，但这种连接造价高，安装不容易，只在不得以时使用。

普通螺栓连接只在不重要的构件中使用，螺栓的许用承载能力抗拉许用承载能力 F ＝
拉
4
拉]
抗剪许用承载能力 F＝
剪
4
抗压许用承载能力 F压＝压] d――螺栓有效直径d0――孔径
拉]――螺栓材料许用拉伸应力拉]＝压]――板材的许用承压应力压]＝～
――只要板材孔壁不挤坏，螺栓就不会因承压而破坏。

用于铰制孔时。

螺栓的许用剪切应力，一般取式中的—为该材料的基本许用应力
基本许用应力等于材料的屈服应力除以安全系数n而得即：
各国安全系数n如表
安全系数n
是包含了无法预计到的超载，计算方法不精确，材料的不可估缺陷，载荷计算的误差
等原因。

以上为材料，因屈服限接近破断限，强度储备较少，规范规定其材料的强
度极限应力不能取，而应为
极＝
2
，这时＝极/n
在受剪力时，为防止板边端被螺栓剪出，因此，应有足够的边距a――见图
a≥(1.2～1.6)d0
剪力为主时，应取大值，当使用标准孔径时，可以参照下表选用孔径d0(mm) 12 14 16
a(mm) 18 22 25
18 20 22 24 26 28 30
也可按下式计算
28 31 35 38 42 45 48
压]，各符号以上已有说明。

二、高强度螺栓连接
我公司最常用有二种型式：磨擦型高强度螺栓连接和法兰式高强度螺栓连接。

1. 磨擦型高强度螺栓连接设计
这种连接是借助螺栓的张力使连接件之间产生巨大的压紧力，依靠彼此间的磨擦力传
递载荷。

为了获得巨大的压紧力，所以高强度螺栓材料必须选用优质碳素钢，常用有45号钢、40B、20MntiB。

经热处理，其抗拉强度前者超过800N/mm2，屈强比＝0.8(称之为8.8级)。

后者超过1000N/mm2屈强比＝0.9(称之为10.9级)。

与之相配的螺母、
垫圈均采用45号钢热处理。

螺栓孔必须为钻孔，孔径可按比螺栓公称直径大10%，对剪压型孔径应小些，比螺栓直径大7%左右，以免使连接滑动过大。

孔边距a可以参照上表。

孔中心距b建议不小于2d，最好是3d，也不得小于还要注意不能小于高强度螺栓拔
手的空间。

N――由一个紧固件传递到关键连接零件的力关键连接件的最小抗拉强度关键连接件的厚度d――螺栓直径
磨擦型构件连接计算和设计：已知构件的截面。

即：翼板宽B，腹板高H，腹板厚度腹，翼板厚翼以及材料。

2
3
2Nd
，
设计该构件的高强度连接接头。

(1) 接头的间隙C值，一般为3～4mm，以二断面不相对碰撞为宜。

(2) 翼板连接板
的宽度B1和厚度的设计。

B1小于箱型断面二腹板的角焊缝边缘的距离，设角焊缝为
C1，建议B1=B’-2C1-10(mm)，必须大于翼，可以从下面关系式求出：
(1.05～翼＝二块连接板时～翼/2B1
(3) 腹板连接板B2和厚度的设定
B2=H-2C1-10 (mm)
必须大于腹，可以从下面的关系式求出 (1.05～腹二
块连接板时)
腹
2B2
(4) 根据翼和腹初步确定高强度螺栓直径d
公司有规定，受力螺栓不得使用小于M16，若母材是Q235钢，建议用8.8级高强度螺栓；若母材是Q345钢，建议用10.9级高强度螺栓。

(5) 高强度螺栓数量n的决定，(连接板半边的高强度螺栓数量n)
设一个高强度螺栓连接(二块连接板时)所能传递的摩擦力为Fi，按照连接接头与母材，等强度可得：
翼或腹翼或腹
最后完整n(可以布置)应放大10～20%，设计时根据构件重要
程度，将其数量放大。

Fi的求解：
设高强度螺栓预紧力为FN，连接板与母材之间的摩控系数为f，摩擦面(如图，二块连接板)为2，则
FN的确定――根据高强度螺栓的级别和直径d定，一般预紧力控制在材料屈服限的0.6～0.7倍
FN=(0.6～螺栓有效面积螺栓材料的屈服限
8.8级，＝640～660Mpa 10.9级＝900～940MPa 各直径螺栓的有效截面AS
M16 M18 M20 M22 M24 M27 M30 M36
AS=157mm2 AS=192mm2 AS=245mm2 AS=303mm2 AS=353mm2 AS=459mm2 AS=561mm2
AS=817mm2
8.8级和10.9级各螺栓预紧力FN和预紧力矩MK值如下表
K――拧紧力矩系数
K系数是与螺母接触面表面状况以及螺栓本身有关的系数，在使用高强度螺栓(用拧紧力矩法时，应了解该螺栓的K值，若无，应对同批螺栓抽样试验获取)，一般K值取
0.12～0.17之间，若螺母端面与垫圈间有润滑时可取小值。

连接板与母材之间的摩擦系数f，与连接面的处理状况有关，可以按下表选用
摩擦系数f值
一边螺栓的排除2～3，若布置后，总nFi不与结构连接板等强度时，可以考虑加大螺栓直径，重新调整。

(6) 关于重复使用
10.9级和镀锌的8.8级高强度螺栓不得重复使用，而其他8.8级螺栓经负责工程师批准后可以重复使用。

注：在施预紧过程中，因其他螺栓被预紧而使相邻的螺柱松动，重复拧紧不应认为是重复使用。

(7) 为什么高强度螺栓连接要使用硬垫圈，不能采用弹性垫圈。

由上面图可见
在拧紧螺栓产生预拉力FN作用下，则螺栓被拉长，设螺柱的刚度C螺，同时在FN作用下，连接板受压被压缩-，设板的刚度系数为C板，则：FN＝C螺＝C板
由于通常板之间的受压面积比螺栓的面积大4～9倍
C螺C板
＝
＝
因此，高强度螺栓连接在受到螺栓方向拉力F时，高强度螺
栓拉力会增大，同时连接板间的压力会减小。

螺栓在原来预紧力下的拉伸基础上再伸长，而连接板原来的压缩量回复
这时，螺栓和板中的力将重新分配，由图
螺栓中的拉力增至F’N＝FN＋螺栓增加力板中的压力减少至F’P＝-FN＋连接板间压力减小值
而＝螺而
'
'
'
＝(0.1～＝(0.9～0.8)F
可见，高强度螺栓连接中，如果垫圈不硬，刚度C板低，则在
外力F作用下，螺栓受到的增加力会很大。

因此，C板越大越有利，若被连接件的刚度是螺栓刚度的9倍时，当加的F力与螺栓原先预拉力FN相当时，则螺栓的内拉力只是增加了FN的1/10,只有在C板＝C
螺
'
时，F＝FN时，螺栓才会受到1.5FN力
(8) 高强度螺栓连接接头设计除了上述的连接件表面处理要求，螺栓的扭矩系数，螺栓的拧紧力矩(即螺栓预紧力)外，还应有如下要求
a. 接头二边的结构应留有300～500mm左右长度范围(这个范围要大于连接板连接区域)内面板与腹板焊缝不要焊，待高强度螺栓连接后，才对面板与腹板焊缝施焊，才能保证连接板与构件接触得更好。

b. 4个角处的缝隙要填补，可以用金构胶填补，防雨水进入。

2. 法兰高强度螺栓连接 (1) 高度螺栓直径的设计
设翼板范围布置n翼个螺栓，若选用8.8级，在已知B和面时，可以初定高强螺栓直径d
根据等强度设计：翼＝面板
面板翼
(mm2) 由AS查出d
AS――螺栓的断面积，―螺栓的屈服强度，板――板材的屈服强度，N/mm2 B――面板宽度，翼――面板的厚度
同样也可解腹板范围的螺栓数量和需要的螺栓直径，从面板连接和腹板连接解出螺栓直径中，取较大的直径。

(2) 根据螺栓直径d，按板和空间要求和焊脚的高度，决定a，以及螺孔到边缘的尺寸。

(3) 求解法兰板的厚度，初步可按以下办法决定
板面
a2
板
若连接板与母材同材料，则
面aB1
由本式得出的法兰板厚度往往是较厚的，因为它是按等强度计算而得，实际杆件的断
面根据结构定，比较大，而实际受力小。

因此，初步计算得的法兰板厚度可根据实际适当减小些，若以受拉力为主的构件，
取大值。

为了减小值，要尽量减小a，只要扳手空间通得过，尽量取小的
a值。

孔的中心距和边距可参照上述规定选用。

(4) 这种连接型式，如果同时受到较大剪力时，应设计抗剪块(二块法兰板之间用抗
剪块传递剪力)，使剪力不是通过二块板的摩擦力传递，因为这种连接面之间，摩擦面之
间的摩擦系数小，又由于受到轴向力，会使二个法兰间的压力减小，从而破坏摩擦传递作
用的可靠性。

(5) 这种连接在受到轴向拉力时，高强度螺栓张力是如何增加呢？
设螺栓事先预紧力为FN，螺栓总数量为n。

在受轴向力F，板拉应力为，则连接接头受到总拉力
F＝
在F力作用下，C板―连接法兰的刚度，一般为螺栓的4～9倍。

连接板间的压缩量
回复＝F/C板+C螺=F/(4～9)C螺+C螺＝F/(5～10)C螺
也就是说高度强螺栓又被拉长了＝
由此可见，螺栓拉力的增加不是F，而是(0.1~0.2)F，法兰间的压力减小值为(0.8～0.9)F，视C板的小大，C板也大，高强度螺栓连
接法兰，在受到轴向拉力时，螺栓额外增加力越小，所以要求法兰板要有一定的厚度，而且法兰面接触要很好，这样在螺栓预紧时，压缩变形量很小，也就是连接板的刚性很大。