钢结构螺栓连接

发布于：2024-03-19 23:47:19 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

一.基本介绍

1.螺栓的标号：

性能等级4.6级的螺栓：螺栓材质公称抗拉强度达400MPa级；螺栓材质的屈强比值为0.6；螺栓材质的公称屈服强度达400×0.6=240MPa级。

性能等级10.9级高强度螺栓：螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级；螺栓材质的屈强比值为0.9；栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa级。

2.螺栓的选用

①普通螺栓

除组合构件缀条外，每个节点或拼接接头一侧，永久螺栓不宜少于2个。直接承受动荷载的普通螺栓应采用双螺帽，并采用措施以防止螺帽松动【钢标11.5.3】，可以采用点焊固定(不过承受动力荷载一般都采用高强螺栓)。一般普通螺栓选择C级，AB级为精加工螺栓，钻孔比较小，强度也比较高，但造价与高强螺栓差不多，一般用于机械结构专业，土木钢结构很少使用。B级普通螺栓的孔径d₀较螺栓公称直径d大0.2mm～0.5mm，C级普通螺栓的孔径d₀较螺栓公称直径d大1.0mm～1.5mm

②高强螺栓

高强螺栓才用于钢结构受力中，尤其是抗剪。高强螺栓在安装工艺上有大六角头螺栓和扭剪型，两种都行，扭剪型施工比较方便，质量容易控制，把梅花头槽口扭断就相当于预应力施加完成。大六角头螺栓有初、终拧，对工人要求比较高。拧两种螺栓都是为了施加预拉应力，板被拧紧，螺杆受拉，两种螺栓的施加预应力方法不同，目的相同。

实际上只有一种高强度螺栓，是设计方法、传力途径上区分为摩擦型连接和承压型连接，即承载力极限状态的选取（承压型承载力比摩擦型大50%左右）。摩擦型，依靠被连接板件间摩擦力传力，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力。

由于传力方式的不同，对于螺栓的孔径要求也不一样，摩擦型孔径比螺栓公称直径大1.5-2mm，承压型大1-1.5mm，摩擦型的就是希望通过摩擦、滑动变形来传力，孔大一点防止螺栓被孔壁挤压，对于承压型本来就是挤压传力，孔要开小一点，防止结构都发生位移了，螺栓还没传力。

3.螺栓的布置

布置方式是并列和错列，并列紧凑整齐节点板小，截面削弱大，错列反之亦反，错列的螺栓斜中距也要满足3d₀，【钢标11.5.2】规定了螺栓孔距、边距和端距的最小和最大距离，最小距离主要是为了防止应力集中、钢板被螺栓冲剪撕裂、施工空间；最大间距的限制是防止连接板件不紧密，有空隙容易被潮气侵入引起锈蚀。

二.普通螺栓

1.抗剪工作性能

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。

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，N-δ关系以曲线状态上升。“3”为屈服荷载。

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.抗剪破坏形式

①栓杆被剪坏：栓杆被直径较小而板件较厚

②较薄的连接板被挤压破坏：栓杆直径较大而板件较薄时

③板件被拉(压)断：截面削弱过多时

④板件端部被剪坏：端矩a过小时，【钢标11.5.2】端距最小距离构造保证

⑤栓杆弯曲破坏：螺栓杆过长时，构造保证措施，栓杆长度不应大于5d(规范没提)。【钢标11.4.4-4】规定了铆钉的长度。

3.单个普通螺栓承载力计算

①剪力

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【钢标11.4.1】，螺栓抗剪和孔壁承压取较小值，因为是承载力所以取小值，此处的孔壁承压，公式中的f_c^b用的就是板的强度，但也相当于螺栓承压。螺栓强度指标查【钢标表4.4.6】

②拉力

抗拉承载力【钢标11.4.1-2】，d_e取螺纹处的有效直径，螺纹处直径最小，有效直径面积可查【钢连3-36P48】

构件连接处受拉时，当连接刚度不够，变形使得边缘抵住形成撬力Q，故连接处宜增加加劲肋【钢标11.5.6-3】

③拉+剪(V+N、V+N+(T+M))

【钢标11.4.1-3】验算复合应力，此处的拉力和剪力可包含弯矩和扭矩的分力。

4.普通螺栓群的承载力计算

①轴心受剪(V)

试验证明，螺栓群受剪时，沿受力方向各螺栓的受力并不均匀，而是两端大，中间小，这与侧面角焊缝一样，故当连接长度过长要对承载力折减(同样适用于高强螺栓和铆钉)【钢标11.4.5】，当L₁＞15d₀(L₁为中心距，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，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。

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/N^b_min

②偏心受剪(V+T)

偏心受剪下，螺栓受剪和受扭，剪力下各螺栓平均受力，扭矩下有以下假定：

(1)连接板件绝对刚性, 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r_i成正比，方向则与它和形心的连线垂直。板件绝对刚性才能保证r_i不变。

离螺栓群形心最远的受力最大的螺栓“1”，所受合力为：N_1x和N_1y为扭矩下剪力分力

③轴心受拉(N)

螺栓平均受力，n=N/N_t^b

④偏心受拉(N+M)

弯矩会使螺栓受拉，故螺栓受拉要叠加弯矩拉力，一般取最下排螺栓中心轴为旋转中心。

⑤其他：纯弯、纯扭、弯剪等，上述公式都包含了，进行增减项即可。

三.摩擦型高强螺栓

1.抗剪工作性能

与普通螺栓相比，就是0-1段的摩擦段比较大，对于摩擦型，取1点作为极限承载力(摩擦力被克服，板件出现相对滑移)；对于承压型，取4点作为极限承载力。施加的预拉力是相同的，抗拉承载力相同，而承压型的抗剪承载力高很多(1.5倍)。

2.预应力

一个高强螺栓的预拉力设计值，一个固定的东西【钢标表11.4.2-2】，详细计算见【钢标条文说明11.4.2】

【预拉力的理解】

预拉力使得螺栓杆受拉力，再外部拉力下，是不是更快发生破坏？例如预拉力0.8f，外拉力0.2f就破坏了。实际上是一个力转换，高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力P，板层之间则有压力C，而P与C维持平衡，相当于拧螺栓使得板被挤压，板想回到原来的状态，要“崩开”，但被螺栓约束住，对螺栓有个向外的拉力，故P=C，保持平衡。

当受外拉力为N_t时，板件有被拉开趋势，想“崩开”的欲望小了，板件恢复了变形，即板件间的压力C减小为C_f，栓杆拉力P增加为P_f，根据平衡关系有: P_f=C_f+N_t，最终相当于外拉力与板间压力相互转换，而螺杆拉力增加不多。

试验证明，当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加10%左右。当栓杆的外加拉力大于P时，卸载后螺栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当N_t不大于0.8P时，则无松弛现象，可认为螺杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接触，故【钢标11.4.2-2】规定了高强螺栓的抗拉承载力N^b_t=0.8P