《钢结构设计原理》3-2 钢结构的连接-螺栓连接.ppt
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1、钢结构设计原理,3.7螺栓和铆钉连接的排列和构造要求,3.7.1 螺栓和铆钉的排列 分为并列和错列两种形式。并列比较简单整齐,布置紧凑,连接板尺寸小,螺栓孔对构件截面削弱较大。错列可以减小对截面的削弱,但螺栓排列松散,连接板尺寸较大。,螺栓和铆钉在构件上的排列应考虑以下要求: 受力要求 垂直于受力方向: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,钢板截面削弱过多,降低其承载能力。在顺力作用方向:端距应按被连接件材料的抗挤压及抗剪切等强度条件确定,以使钢板在端部不致被螺栓冲剪破坏,端距不应小于2d0;中距不宜过大,否则被连接板件间容易发生鼓曲现象。 构造要求 中距及边距
2、不宜过大,否则连接板件间不能紧密贴合,潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。 施工要求 保证一定空间,便于打锚和采用扳手拧紧螺帽。根据扳手尺寸和工人的施工经验、规定最小中距为3d0。 根据以上要求规范规定了螺栓和铆钉的容许距离。,3.8.1 普通螺栓的抗剪连接 1. 抗剪连接的工作性能 抗剪连接是最常见的螺栓连接。抗剪试验可得试件上a、b两点间的相对位移与作用力N的关系曲线。试件由零载一直加载至连接破坏的全过程,经历三个阶段。,3.8 普通螺栓连接的工作性能和计算,(1)弹性阶段 O1斜直线段:加荷之初,连接中剪力较小,荷载靠板件间接触面的摩擦力传递,螺栓杆与孔壁间的间隙保持不变,处于弹性阶段,板件间摩擦力
3、大小取决于拧紧螺帽时螺杆中的初始拉力,普通螺栓的初应力很小。此阶段很短,可略去不计。 (2)相对滑移阶段 12水平线段:荷载增大,剪力达到摩擦力最大值,板件间产生相对滑移,其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙,直至螺栓杆与孔壁接触。,(3)弹塑性阶段 荷载继续增加,连接所承受的外力主要靠螺栓与孔壁接触传递。螺栓杆除主要受剪力外,还承受弯矩和轴向拉力,孔壁受到挤压。螺杆的伸长受到螺帽的约束,增大了板件间的压紧力,使板件间的摩擦力随之增大,所以曲线呈上升状态。达到“3”点时,螺栓或连接板达到弹性极限。 荷载继续增加,此阶段即使给荷载很小的增量,连接的剪切变形也迅速加大,直到连接的最后破坏。曲线的最
4、高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓连接的极限荷载。,螺栓抗剪连接达到极限承载力时,可能的破坏形式: 栓杆直径较小时,栓杆可能先被剪断; 栓杆直径较大、板件较薄时,板件可能先被挤坏,栓杆和板件的挤压是相对的,也把这种破坏叫做螺栓承压破坏; 板件截面可能因螺栓孔消弱截面太多而被拉断; 端距太小,端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏。,第种破坏形式属于构件的强度计算;第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、种破破形式。,2. 一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均匀分布,一个抗剪螺栓的抗剪承载
5、力设计值为 nv受剪面数目,单剪nv=1,双剪nv=2,四剪nv =4;d螺栓杆直径(螺栓的公称直径); 螺栓抗剪强度设计值。,螺栓的实际承压应力分布情况难以确定,简化计算,假定螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上,且假定该承压面上的应力为均匀分布,则一个抗剪螺栓的承压承载力设计值式为 在同一受力方向的承压构件的较小总厚度; 螺栓承压强度设计值。,3.轴心剪力作用的普通螺栓群计算 试验表明,螺栓群承受轴心剪力时,螺栓群在长度方向各螺栓受力不均匀,两端大,中间小。当沿受力方向的连接长度l115d0时,连接工作进入弹塑性阶段后,内力发生重分布,螺栓群中各螺栓受力逐渐均匀,故可认为轴心力N由每个螺栓平均
6、分担,螺栓数n,一个螺栓抗剪承载力设计值与承压承载力设计值的 较小值,当l1l5d0时,连接工作进入弹塑性阶段后,各螺杆所受内力不易均匀,端部螺栓首先达到极限强度而破坏,随后由外向里依次破坏。为防止端部螺栓提前破坏,因此,当l1l5d0 时,螺栓的抗剪和承压承载力设计值应乘以折减系数予以降低: l160d0时,=0.7。 则所需抗剪螺栓数为 构件截面验算,板件 1-1截面 N 2-2截面 3-3截面 1-1截面受力最大 拼接板 3-3截面受力最大 错列螺栓排列,需验算正交截面和折线截面的强度,4扭矩作用的普通螺栓群计算 首先布置螺栓,然后计算受力最大螺栓所承受的剪力,再和 进行比较。 螺栓群在
7、扭矩作用下,每个螺栓均受剪,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。,5.扭矩、剪力和轴心力共同作用的普通螺栓群计算 先布置螺栓,再进行验算。,3.8.2 普通螺栓的抗拉连接 1. 一个普通螺拴的抗拉承载力 受拉连接中,螺栓所受的拉力和垂直连接件的刚度有关。螺栓受拉时,通常不可能使拉力正作用在螺栓轴线上,通过与螺杆垂直的板件传递。如连接件的刚度较小,受力后连接件会变形,形成杠杆作用,螺栓有被撬开的趋势,使螺杆中的拉力增加并产生弯曲现象。考虑杠杆作用时,螺杆的轴心力为:
8、Nt=N+Q Q由于杠杆作用对螺栓产生的撬力。 抗拉螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断,一个抗拉螺栓的承载力设计值为:,撬力大小与连接件的刚度有关,连接件的刚度越小,撬力越大,同时撬力也与螺栓直径和螺栓所在位置等因素有关。确定撬力比较复杂,为了简化,规定普通螺栓抗拉强度设计值取为螺栓钢材抗拉强度设计值的0.8倍,以考虑撬力的影响。 此外,在构造上也可采取一些措施加强连接件的刚度,如设置加劲肋,可以减小甚至消除撬力的影响。,2、 轴心拉力作用的普通螺栓群计算 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:,3.弯矩作用的普通螺栓群计算 剪力V通过承托板传递。离中和轴越
9、远螺栓受拉力越大,压应力由弯矩指向一侧的部分端板承受,设中和轴至端板受压边缘的距离为c。受拉螺栓截面是孤立的几个螺栓点;端板受压区则是宽度较大的实体矩形截面。计算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。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。偏安全忽略力臂很小的端板受压区部分的力矩,4、弯矩和拉力共同作用的普通螺栓群计算 螺栓群承受轴心拉力N和弯矩MNe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。,小偏心受拉:所有螺
10、栓均承受拉力作用,轴心力由各螺栓均匀承受;弯矩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,使上部螺栓受拉,下部螺栓受压;叠加后全部螺栓均为受拉。可得最大和最小受力螺栓的拉力,各y均自O点算起:,Nmin0时的偏心距,(2)大偏心受拉 时,端板底部将出现受压区。偏安全取中和轴位于最下排螺栓O处,e和各y自O点算起,最上排螺栓1的拉力最大:,3.8.3普通螺栓连接受剪力和拉力的共同作用 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:螺杆受剪兼受拉破坏;二是孔壁承压破坏。 根据试验,兼受剪力和拉力的螺杆,无量纲化后的相关关系近似为一圆曲线,螺杆计算式为,孔壁承压的计算式为,3.
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