钢结构的螺栓连接

1 钢结构的螺栓连接 螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两大类。 （1）普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。A级与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。 A、B级精制螺栓表面光滑，尺寸准确，对成孔质量要求高，制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用。A、B级精制螺栓的区别仅是螺栓杆长度不同。 C级螺栓一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。 （2） 高强度螺栓连接 高强度螺栓连接有摩擦型连接和承压型连接两种类型。 摩擦型连接：只依靠被连接板件间强大的摩擦力传力，以摩擦力被克服作为连接承载力的极限状态。为了提高摩擦力，对被连接件的接触面应进行处理。 承压型连接：允许接触面发生相对滑移，以栓杆被剪坏或被承压破坏作为连接承载力的极限状态。 高强度螺栓性能等级包括8.8级和10.9两种。 摩擦型连接的螺栓孔径比螺栓公称直径d大1.5-2.0mm，承压型连接的螺栓孔径比螺栓公称直径d大1.0-1.5mm。 承压型连接的承载力比摩擦型连接高，可节约螺栓。但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结构中。 一、螺栓连接排列的构造要求

图1 钢板的螺栓（铆钉）排列 根据受力、构造和施工要求，规范规定了连接板件上螺栓和铆钉的最大和最小容许距离，除应满足此最大最小距离外，尚应充分考虑拧紧螺栓时的净空要求。 2

二、普通螺栓连接的工作性能和计算 1．普通螺栓的抗剪连接 （1） 抗剪连接的工作性能

图2 螺栓抗剪连接的破环形式 螺栓抗剪连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有四种形式： ①当栓杆直径较小时，栓杆可能先被剪断； ②当栓杆直径较大时，板件较薄时，板件可能先被挤坏，由于栓杆和板件的挤压是相对的，故也可把这种破坏叫做螺栓承压破坏； ③板件截面可能因螺栓孔削弱截面太多而被拉断； ④端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏。 第③种破坏形式属于构件的强度计算；第④种破坏形式由螺栓端距≥2d0来保证。因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑第①、②种破破形式。 （2）单个普通螺栓的抗剪承载力 普通螺栓连接的抗剪承载力，应考虑螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况。假定螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布的，则单个抗剪螺栓的抗剪承载力设计值为

bvvbvfdnN42

（1）

式中 vn——受剪面数目，单剪vn＝1，双剪vn＝2，四剪vn=4； d——螺栓杆直径（螺栓的公称直径）； bvf

——螺栓抗剪强度设计值。

假定螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上，而且假定该承压面上的应力为均匀分布，则单个抗剪螺栓的承压承载力设计值式为 bcbctfdN （2）

式中 t——在同一受力方向的承压构件的较小总厚度； 3

bcf——螺栓承压强度设计值。

图3 螺栓承压的计算承压面积 一个螺栓抗剪承载力设计值取bvN与bcN的较小值bNmin。 2．普通螺栓群抗剪连接计算 (1) 普通螺栓群轴心受剪 螺栓群的抗剪连接承受轴心力时，螺栓群在长度方向各螺栓受力不均匀，两端大中间小。为防止端部螺栓提前破坏，当l1＞l5d0时，螺栓的抗剪和承压承载力设计值应乘以折减系数

η予以降低： 01

1501.1d

l (3)

l1>60d0时，η=0.7。

图4 连接螺栓的内力分布 螺栓群的抗剪连接承受轴心力时，可认为轴心力N由每个螺栓平均分担，螺栓数n为

n=bNNmin （4） (2) 普通螺栓群偏心受剪 图5所示为螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用线至螺栓群中心线的距离为e，故螺栓群同时受到轴心力F和扭矩T＝F·e的共同作用。 在轴心力作用下可认为每个螺栓平均受力，则 4

N1F=nF 图5 螺栓群的偏心受剪 螺栓群在扭矩T＝Fe作用下，每个螺栓均受剪。连接的计算基于下列假设： ① 被连接板件为绝对刚性时，螺栓为弹性的； ②被连接板件绕螺栓群形心旋转，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，其方向与连线该螺栓至形心垂直。 设O为螺栓群栓杆截面的形心，螺栓1距形心O最远，其所受剪力N1T最大：

TN

1=21irTr=221iiyxTr （5）

将TN1分解为水平分力TxN1和垂直分力TyN1 TxN1=TN111ry=21irTy=221iiyxTy （6）

TyN1=TN111rx=21irTx=221iiyxTx （7）

由此可得螺栓群偏心受剪时，受力最大的螺栓l所受合力为 2

1121FTyTxNNN=22212221nFyxTxyxTyiiii≤bNmin （8）

当螺栓群布置在一个狭长带， y1＞3x1时，可取xi=0以简化计算，则上式为 2221











n

FyTy

i≤bNmin （9）

3．普通螺栓的抗拉连接 （1） 单个普通螺栓的抗拉承载力 抗拉螺栓连接在外力作用下，螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断。单个抗拉螺栓的承载 5

力设计值为： btN=42edbtf （9）

式中 de——螺栓的有效直径； btf——螺栓抗拉强度设计值。

为了考虑撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值btf取螺栓钢材抗拉强度设计值f的0.8倍（即btf＝0.8f）。 （2）普通螺栓群轴心受拉 图6所示螺栓群在轴心力作用下的抗拉连接，通常假定 每个螺栓平均受力，则连接所需螺栓数为：

n=btNN （10）

式中 btN——一个螺栓的抗拉承载力设计值。 （3）普通螺栓群在弯矩作用下受拉

图7 普通螺栓群承受弯矩 图7所示为螺栓群在弯矩作用下的抗拉连接（剪力V通过承托板传递）。当计算其形心位置作为中和轴时，所求得的端板受压区高度c总是很小，中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓附近的某个位置。因此，实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓O处，即认为连接变形为绕O处水平轴转动，螺栓拉力与O点算起的纵坐标y成正比。 N1/y1= N2/y2= ··· = Ni/yi= ··· = Nn/yn M= N1y1+ N2y2+ ··· + Niyi+ ··· + Nnyn = （N1/y1）21y+ （N2/y2） 22y+ ··· + （Ni/yi） 2iy+ ··· + （Nn/yn） 2ny

图6 螺栓群承受轴心拉力 6

故得螺栓i的拉力为： Ni= Myi／2iy （11） 设计时要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超一个螺栓的抗拉承载力设计值： N1=My1/2iy≤btN （12） （4）普通螺拴群偏心受拉 由图8a可知，螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M＝N·e的共同作用。按弹性设计法，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。

图8 螺栓群偏心受拉 1）小偏心受拉 小偏心情况（图8b），所有螺栓均承受拉力作用，端板与柱翼缘有分离趋势，故在计算时轴心拉力N由各螺栓均匀承受；而弯矩M则引起以螺栓群形心O处水平轴为中和轴的三角形应力分布（图8b），使上部螺栓受拉，下部螺栓受压；叠加后则全部螺栓均为受拉（图84b）。这样可得最大和最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下（各y均自O点算起）： btNyNeynNN211max// （13）

0//211minyNeynNN （14）

式（13）表示最大受力螺栓的拉力不超过一个螺栓的承载力设计值；式（14）则表示全部螺栓受拉，不存在受压区。由此式可得Nmin≥0时的偏心距e≤2iy/（ny1）。令ρ

=eenAW=2iy/（ny1）为螺栓有效截面组成的核心距，即e≤ρ时为小偏心受拉。 2）大偏心受拉 7

当偏心距e较大时，即e＞ρ=2iy/（ny1）时，则端板底部将出现受压区（图8c）。 近似并偏安全取中和轴位于最下排螺栓O′处，按相似步骤写对O′处水平轴的弯矩平衡方程，可得（e′和各y′自O′点算起，最上排螺栓1的拉力最大）： N1//1y= N2//2y= ··· = Ni//iy= ··· = Nn//ny M= N1/1y+ N2/2y+··· + Ni/iy+ ··· + Nn/ny = （N1//1y）21/y+ （N2//2y）22/y+ ··· + （Ni//iy）2/iy+ ··· + （Nn//ny）2/ny N1=Ne′y1′/2iy btN （15） 4．普通螺栓受剪力和拉力的共同作用

图9 螺栓群受剪力和拉力共同作用 图9所示连接，螺栓群承受剪力和偏心力N（即轴心拉力N和弯矩M=N·e）的共同作用。 承受剪力和拉力共同作用的普通螺栓应考虑两种可能的破坏形式：一是螺杆受剪兼受拉破坏；二是孔壁承压破坏。 螺杆计算式为

1 2btt2bvv





NNNN

（16）

式中 vN——一个螺栓承受的剪力设计值。一般假定剪力V由每个螺栓平均承担，即 vN=V/n。n为螺栓个数。

tN——受拉力最大螺栓的拉设计值。由偏心拉力引起的螺栓最大拉力Nt仍按上述方

法计算。