第六章 第三節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的連接（二）

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三、螺栓連接的構(gòu)造和計算

1 ．螺栓的排列

（ 1 ）排列要求

1 ）制造要求：螺栓在連接中的排列要考慮便于制造，例如螺栓應(yīng)排列成行，如圖 6 - 22 所示，以便利用多頭鉆床鉆孔。

構(gòu)件上排列成行的螺栓孔中，合連線叫做螺栓線或螺栓規(guī)線。沿螺栓線相鄰螺栓孔的中心距離稱為螺栓距，相鄰兩條螺栓線的間距稱為線距或規(guī)距，連接中最末一個螺栓孔中心沿連接的受力方向至構(gòu)件端部的距離叫做端距，螺栓孔中心在垂直于受力方向至構(gòu)件邊緣的距離叫做邊距，分別用 p 、 g 、 a 和。表示如圖 6 -22 所示。

2 ）施工要求：相鄰螺栓孔的中心應(yīng)保證為擰緊螺栓置放扳手所需的最小間距。

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3 ）受力要求：端距過小時，構(gòu)件端部鋼材易剪壞（見圖 6 -23d ），因而要規(guī)定一個最小端距。螺栓線上的螺栓距過小，則受力后兩螺栓孔間的鋼材也易剪壞；而螺栓間距過大，當(dāng)構(gòu)件為受壓時，兩螺栓中心間的板件易局部屈曲。因此，需規(guī)定最小螺栓間距和最大螺栓間距。

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4 ）構(gòu)造要求：線距和螺栓距過大時，連接中板件間接觸不密實(shí)，潮氣易侵入而使鋼材銹蝕；端距過大，端部板材易翹起等等。因此，需規(guī)定最大螺栓間距和最大螺栓端距。

（ 2 ）規(guī)范規(guī)定

規(guī)范綜合考慮上述要求，根據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗，規(guī)定了排列螺栓時的最大和最小容許距離要求，例如：螺栓的最小中心距（ P 和 g ）=3d0，最小端距 a = 2d0 和最小邊距（高強(qiáng)度螺栓） c = 1 . 5d0 ，這里 d0 是螺栓的孔徑。具體規(guī)定見規(guī)范第 8 , 3 , 4 條，設(shè)計時必須遵照采用。

熱軋型鋼上排列螺栓的要求可參閱有關(guān)設(shè)計手冊和鋼結(jié)構(gòu)教科書。

（ 3 ）螺栓和螺栓孔的表示方法螺栓和螺栓孔的表示方法見表 6 -3（摘自 《 建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn) 》 GB / T 50105 -2001 ）。

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（重要，至少記住前三個）

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2 ．普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的工作性能

（ 1 ）抗剪螺栓連接中的六種破壞形式

普通螺栓連接螺帽的擰緊程度為一般，沿螺栓桿產(chǎn)生的軸向拉力不大，因而在抗剪連接中雖然連接板件接觸面有一定的摩擦力，但其值甚小，摩擦力會迅速被克服而主要依靠孔壁承壓和螺桿受剪傳遞荷載；高強(qiáng)度螺栓承壓型連接以摩擦力被克服、使螺桿受剪和孔壁承壓破壞為承載力極限狀態(tài)。因此在計算中都不考慮摩擦力的存在。

圖 6 -23 和圖 6 -24 給出了抗剪螺栓連接六種可能的破壞形式。

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1 ）螺栓桿被剪斷（螺栓直徑較小而板件較厚時，圖 6 -23a 和 b ）。通過計算螺栓的抗剪破壞強(qiáng)度來保證螺栓桿不被剪斷，計算時假設(shè)沿螺栓截面的剪應(yīng)力均勻分布。

2 ）鋼板孔壁承壓破壞（螺栓直徑較大而板件較薄時，圖 6 -23c）。通過計算螺栓（實(shí)際是鋼板）的承壓強(qiáng)度來保證孔壁不會因承壓而破壞，計算時假設(shè)螺栓桿和孔壁之間的承壓應(yīng)力沿螺栓桿直徑投影面為均勻分布如圖 6 -25 所示。

3 ）構(gòu)件被拉斷或壓壞（螺栓孔對構(gòu)件截面的削弱過大時，圖 6 -23d ）。通過計算構(gòu)件和連接板件的凈截面強(qiáng)度來保證鋼板不被拉斷或壓壞，計算時假設(shè)沿鋼板凈截面的應(yīng)力均勻分布，不考慮應(yīng)力集中的影響。

4 ）板件塊狀拉、剪撕裂。當(dāng)構(gòu)件上有螺栓孔時，除了因截面被削弱過多而可能將構(gòu)件拉斷或壓壞外，還有一種使構(gòu)件破壞的可能性如圖 6 -24 所示。以圖 6 -24 （ a ）為例，角鋼上有斜線的一塊鋼材 0123 有可能整塊被拉剪而破壞，此時角鋼沿。0-1 線的縱向凈截面受剪，而沿 1 -2 面上則受拉，因此稱這種破壞方式為塊狀拉剪破壞。圖 6 -24 （ b ）表示槽鋼或工字鋼腹板的塊狀拉剪破壞，情況相同。此種破壞情況常發(fā)生在角鋼、被切角后的槽鋼或工字鋼腹板當(dāng)板件厚度較薄時。

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5 ）鋼板受剪撕裂（螺栓端距或螺栓孔間距過小時，圖 6 一 23e）。通過采取構(gòu)造措施來防止鋼板受剪撕裂，即取端距 a≥2d0 和栓距 p≥3d0。

6 ）螺栓彎曲變形（板疊連接厚度∑t過大）。一般限制∑t≤ 5d 就可避免螺栓的彎曲。

綜上所述，在普通螺栓和承壓型的高強(qiáng)度螺栓抗剪連接中需進(jìn)行計算的是 4 項，通常是前 3 項，但對第 4 種可能的破壞形式也應(yīng)引起足夠重視，必要時應(yīng)按規(guī)范公式進(jìn)行驗算（規(guī)范第 7 , 5 . 1 條）。

（ 2 ）抗拉螺栓連接中的撬力

抗拉螺栓連接必須通過 T 形連接件（或由雙角鋼組成的 T 形連接件）傳力，如圖 6 -26 （ a ）所示。由于連接件的相對柔性，受力后連接件的翼緣板將發(fā)生彎曲變形，如圖 6 -26 （ b ） 所示，使螺栓桿承受軸心拉力 N ，同時連接件翼緣板趾部與橫梁下翼緣間產(chǎn)生壓力 Q 。由杠桿作用產(chǎn)生的此壓力 Q 稱為撬力。由圖 6 -26 （ b）可見螺栓所受軸心拉力不是 N -F 而為N=F + Q ，即螺栓拉力大于所受荷載值。影響撬力大小的因素較多，如連接件翼緣的剛性和螺栓的規(guī)線距離 g 的大小等，要準(zhǔn)確計算撬力 Q 的大小，極為復(fù)雜。規(guī)范為了簡化，用降低普通螺栓軸心受拉時的強(qiáng)度設(shè)計值來考慮撬力的不利影響，即取用同樣鋼號鋼材軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值的 0 . 8 倍。如 Q235 鋼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值 f=215N / m 時，而用同樣鋼材制成的普通螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為fbt=0.8×215 = 172N / mm2 （規(guī)范中取為 170N / mm2）。這樣，以后計算中就可以不再考慮 Q 值的存在。同時，為了減小撬力的影響，設(shè)計中宜采取適當(dāng)構(gòu)造措施提高連接板件的抗彎剛度，例如采用較厚的連接件翼緣板或在同一縱行的兩個螺栓間設(shè)置連接件的橫向加勁肋等，如圖 6 -26 （ a ）中的虛線所示。

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對直接承受動力荷載的普通螺栓受拉連接應(yīng)采用雙螺帽或其他能防止螺帽松動的有效措施。

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3 ．普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的計算

螺栓連接的計算通常按下列“四步曲”進(jìn)行：

（ l ）計算單個螺栓的承載力設(shè)計值；

（ 2 ）按螺栓最大內(nèi)力確定所需螺栓數(shù)量；

（ 3 ）按構(gòu)造要求排列需要的螺栓，這里需注意，每一構(gòu)件在結(jié)點(diǎn)上以及拼接接頭的一端，永久性的螺栓數(shù)不宜少于兩個；

（ 4 ）進(jìn)行構(gòu)件的凈截面強(qiáng)度和塊狀拉剪破壞驗算（必要時）。在受力較復(fù)雜的螺栓連接中，也可先假定需要的螺栓數(shù)進(jìn)行排列后驗算受力最大的螺栓是否小于其承載力設(shè)計值；相差過大時，重新假定螺栓數(shù)進(jìn)行排列和驗算。螺栓內(nèi)力分析、構(gòu)件凈截面強(qiáng)度和塊狀拉剪破壞的驗算均可利用材料力學(xué)公式進(jìn)行，不再贅述。因此，對抗剪螺栓連接和抗拉螺栓連接只需介紹單個螺栓承載力設(shè)計值的計算方法。

（l）抗剪螺栓連接中的螺栓承載力設(shè)計值 Nb

取受剪承載力設(shè)計值和孔壁承壓承載力設(shè)計值中的較小者。

一個螺栓的受剪承載力設(shè)計值為：

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式中 nv ― 受剪面數(shù)目，圖 6 -23 （ a ）所示為單剪，取 nv =1 ，圖6 =23 （ b ）所示為雙剪，取 nv= 2 ;

fvb― 螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計值（見規(guī)范表 3 . 4 . 1 -4 ） ，其值與螺栓的類別有關(guān)；

d― 螺栓桿直徑，對高強(qiáng)度螺栓承壓型連接，當(dāng)剪切面處于螺紋處時應(yīng)取螺紋處的有效直徑進(jìn)行計算，但對普通螺栓，不論剪切面是否處在螺紋處，一律取螺桿的直徑進(jìn)行計算。

一個螺栓的孔壁承壓承載力設(shè)計值為：

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式中 ∑t ― 在同一受力方向承壓的構(gòu)件較小總厚度；

fcb― 螺栓的．孔壁承壓強(qiáng)度設(shè)計值（見規(guī)范表 3 . 4 . 1 一 4 ） ，其值與連接件的鋼材牌號及螺栓的類別有關(guān)。

抗剪螺栓連接中一個螺栓的承載力設(shè)計值為：

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式中，ηb是螺栓承載力設(shè)計值的折減系數(shù)，用于考慮當(dāng)螺栓沿受力方向的連接長度過大時，螺栓受力不均勻（圖 6 -27 ）的不利影響。折減系數(shù)ηb按下列公式計算：

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式中 l1― 從連接一端的第一個螺栓到最末一個螺栓的中心距離；

    d0― 螺栓孔直徑。

（ 2 ）抗拉螺栓連接中的螺栓承載力設(shè)計值Ntb

一個螺栓的抗拉承載力設(shè)計值應(yīng)按下式計算：

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式中 de ― 螺栓在螺紋處的有效直徑；

ftb― 螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值（見規(guī)范表 3 . 4 . 1 -4 ） ，其值與螺栓的性能等級有關(guān)。

（ 3 ）同時承受剪拉的螺栓連接計算

規(guī)范規(guī)定：同時承受剪力和桿軸方向拉力時，普通螺栓和承壓型連接的高強(qiáng)度螺栓的承載能力必須滿足下述公式：

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式中 Nv、Nt ― 某個螺栓所受剪力和拉力的設(shè)計值；

Nvb、Ntb ― 一個螺栓單獨(dú)受剪和受拉時的承載力設(shè)計值，見前式（ 6 -7 ）和式（ 6 -11 ）。

因為螺栓受到剪力作用，除按式（ 6 -12 ）驗算螺栓的受力情況外，還應(yīng)驗算其孔壁承壓強(qiáng)度，即

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式（ 6 一 14 ）中的Ncb=d∑tfcb，由于在高強(qiáng)度螺栓連接中孔壁承壓部分鋼材三向受壓，其承壓強(qiáng)度設(shè)計值fcb較普通螺栓連接中有所提高。在同時承受剪力和沿螺栓桿軸方向的拉力時，三向受壓中垂直板面方向的壓力明顯減小，此時承壓型連接的高強(qiáng)度螺栓的fcb應(yīng)適當(dāng)降低。式（ 6 一 14 ）中之除以 1 . 2 就是考慮及此。

    4．高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的計算

計算步驟與前面普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓承壓型連接計算中所述“四步曲”相同，但第一步和第四步中的計算方法不同，即計算單個螺栓承載力設(shè)計值的計算方法和構(gòu)件凈截面強(qiáng)度的驗算方法兩者不同，還有螺栓受彎時的內(nèi)力分析也不盡相同，其余兩者完全相同。因此，下面除介紹單個螺栓承載力設(shè)計值的計算方法外還將涉及軸心受力時構(gòu)件凈截面強(qiáng)度的驗算和彎矩作用下螺栓內(nèi)力的分析。首先介紹與高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接承載能力密切相關(guān)的螺栓中的預(yù)拉力和摩擦面的抗滑移系數(shù)。

（ 1 ）高強(qiáng)度螺栓中的預(yù)拉力和摩擦面的抗滑移系數(shù)

高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接主要是依靠擰緊螺帽使螺桿中產(chǎn)生較高的預(yù)拉力，從而使連接處的板疊間產(chǎn)生較高的預(yù)壓力，而后依靠板件間的摩擦力傳遞荷載，并以摩擦力將要被克服時作為連接的承載能力極限狀態(tài)。因此，螺栓中的預(yù)拉力值P和連接處板件間接觸面的摩擦系數(shù)產(chǎn)（規(guī)范中稱為抗滑移系數(shù)）是決定高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接承載能力的兩大關(guān)鍵因素。

螺栓中的預(yù)拉力是通過專用工具擰緊螺帽產(chǎn)生的。規(guī)范中規(guī)定了每個高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力值P，其大小取決于螺栓的性能等級和螺栓的直徑如表 6 -4 所列。表中所示一個螺栓的設(shè)計預(yù)拉力值 P 同時適用于摩擦型連接和承壓型連接。

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抗滑移系數(shù)μ的大小主要取決于摩擦面的平整度、清潔度和粗糙度。為了增加摩擦面的清潔度和粗糙度，需對連接處構(gòu)件的接觸面進(jìn)行處理。為了避免板件接觸面的不平整，高強(qiáng)度螺栓摩擦連接不應(yīng)采用沖成孔。μ值的大小除與摩擦面的狀況有關(guān)外，還與鋼材的牌號有關(guān)。規(guī)范規(guī)定的連接處構(gòu)件接觸面的處理方法和摩擦面的抗滑移系數(shù)μ值見表 6 -5 所列。

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（ 2 ）高強(qiáng)度螺栓群的摩擦型抗剪連接計算

1 ）每個高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值Nvb

在抗剪連接中，每個高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計值應(yīng)按下式計算：

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式中 nf ― 傳力摩擦面數(shù)目；

μ、P ― 摩擦面的抗滑移系數(shù)（表 6 -5 ）和每個高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力（表 6 -4 ）。

當(dāng)螺栓沿受力方向的連接長度 11 > 15d0 時，式（ 6-15 ）確定的螺栓承載力設(shè)計值應(yīng)乘于折減系數(shù)ηb。

式（ 6 一 15 ）右邊的系數(shù) 0 . 9 為抗力分項系數(shù)γR的倒數(shù)，即取γR=1.111 。

2 ）軸心力作用下連接處的強(qiáng)度驗算

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式中 n ― 在結(jié)點(diǎn)或連接處構(gòu)件一端所用的高強(qiáng)度螺栓數(shù)目；

N1 ― 所計算截面上（即最外列螺栓處）高強(qiáng)度螺栓的數(shù)目；

An ― 構(gòu)件的凈截面面積；

A ― 構(gòu)件的毛截面面積。

截面強(qiáng)度驗算包括構(gòu)件和連接件。另外，式（ 6 -17 ）中， 0 .5 為孔前傳力系數(shù)。

3 ）偏心力作用下高強(qiáng)度螺栓群的摩擦型抗剪連接計算

螺栓受力分析與普通螺栓群在偏心力作用下的抗剪連接彈性分析法相同（即按材料力學(xué)方法分析），單個螺栓的抗剪承載力設(shè)計值按式（ 6 -15 ）計算。

在進(jìn)行構(gòu)件凈截面強(qiáng)度驗算時，按理也存在孔前傳力現(xiàn)象，但由于計算較在軸心力作用下時復(fù)雜，一般就不予考慮，結(jié)果偏于可靠一邊。

（ 3 ）高強(qiáng)度螺栓群的抗拉連接計算

l ）每個高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計值 Ntb

為了避免發(fā)生螺栓的松弛并使連接板件間始終保持壓緊，規(guī)范中規(guī)定：摩擦型連接中每個高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計值為：

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（重要）

可見：在沿螺栓桿軸方向受拉的連接中，摩擦型連接中每個高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計值與承壓型連接中每個高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計值的計算是不相同的，參見前述式（ 6 -11 ）。

2 ）高強(qiáng)度螺栓內(nèi)沿桿軸方向的拉力

分析表明，不管是否承受外拉力 Nt的作用，高強(qiáng)度螺栓內(nèi)沿桿軸方向的拉力基本保持不變?yōu)?P ，而不是P＋Nt。

3 ）彎矩 M 作用下螺栓拉力分析

由于高強(qiáng)度螺栓連接中，梁端板與柱翼緣板間有預(yù)壓力，在彎矩作用下，若受力最大螺栓的拉力 Nmax≤0 . 8P，端板與柱翼緣板間仍將保持緊密接觸，因此可假定螺栓群承受彎矩作用時的中和軸位于螺栓群的形心處，如圖 6 -28 所示（圖中剪力 V 全部由托板承擔(dān)）。此時，受力最大的螺栓拉力及強(qiáng)度條件為：

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式中， dl 一 2y1，上述兩式等價。當(dāng)螺栓數(shù)目較多時，以用式（ 6 -19b ）方便。

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（ 4 ）高強(qiáng)度螺栓群的剪拉連接計算

規(guī)范規(guī)定：當(dāng)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接同時承受摩擦面間的剪力和螺栓桿軸方向的外拉力時，其承載力應(yīng)按式（ 6 -20 ）計算：

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這里應(yīng)注意，在高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接中，螺栓的抗剪承載力設(shè)計值 Nvb 、抗拉承載力設(shè)計值 Ntb和同時抗剪和抗拉應(yīng)滿足的相關(guān)公式是與普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的公式完全不相同的。

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feizi

謝謝分享了!  

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osilie

好啊，，不錯、、、、  

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不錯!  

小池

謝謝哦  

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小冰冰

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