【鋼結(jié)構(gòu)課程】3.8 高強(qiáng)螺栓的受力性能和連接計(jì)算

第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接

3.8 高強(qiáng)螺栓的受力性能和連接計(jì)算

3.8.1 高強(qiáng)度螺栓連接的特點(diǎn)

按受力特征的不同高強(qiáng)度螺栓分為兩類：

     摩擦型高強(qiáng)度螺栓—通過(guò)板件間摩擦力傳遞內(nèi)力，破壞準(zhǔn)則為克服摩擦力；

      承壓型高強(qiáng)度螺栓—受力特征與普通螺栓類似。

（1）高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的施加

  １）通過(guò)擰緊螺帽施加預(yù)拉力，螺帽的緊固方法 有如下幾種：

 A、轉(zhuǎn)角法  

   施工方法：

初擰—用普通扳手?jǐn)Q至不動(dòng)，使板件貼緊密；

終擰—初擰基礎(chǔ)上用長(zhǎng)扳手或電動(dòng)扳手再擰過(guò)一定的角度，一般為120度~180度完成終擰。

特點(diǎn)：預(yù)拉力的建立簡(jiǎn)單、有效，但要防止欠擰、漏擰和超擰；

B、扭矩法

   施工方法：

   初擰—用力矩扳手?jǐn)Q至終擰力矩的30%~50%，使板件貼緊密；

   終擰—初擰基礎(chǔ)上，按100%設(shè)計(jì)終擰力矩?cái)Q緊。

特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易實(shí)施，但得到的預(yù)拉力誤差較大。

C、扭斷螺栓桿尾部法（扭剪型高強(qiáng)度螺栓）

施工方法：

   初擰—擰至終擰力矩的60%~80%；

   終擰—初擰基礎(chǔ)上，以扭斷螺栓桿尾部為準(zhǔn)。

特點(diǎn)：施工簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低易實(shí)施、質(zhì)量易保證等

２）高強(qiáng)度螺栓的施工要求

      由于高強(qiáng)度螺栓的承載力很大程度上取決于螺栓桿的預(yù)拉力，因此施工要求較嚴(yán)格：

ａ）終擰力矩偏差不應(yīng)大于±10%；

ｂ）如發(fā)現(xiàn)欠、漏和超擰螺栓應(yīng)更換；

ｃ）擰固順序先主后次，且當(dāng)天安裝，當(dāng)天終擰完。

 ３）高強(qiáng)度螺栓的施擰順序

高強(qiáng)度螺栓在初擰、復(fù)擰和終擰時(shí)，連接處的螺栓應(yīng)按一定順序施擰，確定施擰順序的原則為由螺栓群中央順序向外擰緊，和從接頭剛度大的部位向約束小的方向擰緊。幾種常見接頭螺栓施擰順序應(yīng)符合下列規(guī)定：

a）一般接頭應(yīng)從接頭中心順序向兩端進(jìn)行(圖a)；

b）箱形接頭應(yīng)按A、C、B、D的順序進(jìn)行(圖b)；

c）工字梁接頭栓群應(yīng)按①～⑥順序進(jìn)行(圖c)；

如工字型梁為：上翼緣→下翼緣→腹板。

d）工字形柱對(duì)接螺栓緊固順序?yàn)橄纫砭壓蟾拱澹?/p>

兩個(gè)或多個(gè)接頭栓群的擰緊順序應(yīng)先主要構(gòu)件接頭，后次要構(gòu)件接頭。

（2）高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的確定

高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力是根據(jù)螺栓桿的有效抗拉強(qiáng)度確定的，并考慮了以下修正系數(shù)：

考慮材料的不均勻性的折減系數(shù)0.9；

為防止施工時(shí)超張拉導(dǎo)致螺桿破壞的折減系數(shù)0.9；

考慮擰緊螺帽時(shí)，螺栓桿上產(chǎn)生的剪力對(duì)抗拉強(qiáng)度的降低除以系數(shù)1.2。

附加安全系數(shù)0.9。

  因此，預(yù)拉力：

Ae—螺紋處有效截面積；

fu—螺栓熱處理后的最抵抗拉強(qiáng)度；8.8級(jí)，取fu =830N/mm2，10.9級(jí)，取fu =1040N/mm2

（3）高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)μ

摩擦型高強(qiáng)度螺栓是通過(guò)板件間摩擦力傳遞內(nèi)力的，而摩擦力的大小取決于板件間的擠壓力（P）和板件間的抗滑移系數(shù)μ ；

板件間的抗滑移系數(shù)與接觸面的處理方法和構(gòu)件鋼號(hào)有關(guān)，其大小隨板件間的擠壓力的減小而減小；    

規(guī)范給出了不同鋼材在不同接觸面的處理方法下的抗滑移系數(shù)μ,如下表

3.8.2 高強(qiáng)度螺栓連接的受力性能和計(jì)算

高強(qiáng)螺栓有三種受力情況，分別為：

（1）受剪高強(qiáng)螺栓連接的受力性能和計(jì)算

 受力過(guò)程與普通螺栓相似，分為四個(gè)階段：摩擦傳力的彈性階段、滑移階段、栓桿傳力的彈性階段、彈塑性階段。

1）摩擦傳力的彈性階段(0~1段)

    直線段—連接處于彈性狀態(tài)；

    該階段較短—摩擦力較小。

2）滑移階段(1~2段)

      克服摩擦力后，板件間突然發(fā)生水平滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的距離，表現(xiàn)在曲線上為水平段。

3）栓桿傳力的彈性階段(2~3段)

      該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力。栓桿受剪力、拉力、彎矩作用，孔壁受擠壓。由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導(dǎo)致的板件間摩擦力的增大，N-δ關(guān)系以曲線狀態(tài)上升。     

4）彈塑性階段(3~4段)

      達(dá)到‘3’后，即使給荷載以很小的增量，連接的剪切變形迅速增大，直到連接破壞。

     ‘4’點(diǎn)（曲線的最高點(diǎn)）即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。

    但比較兩條N—δ曲線可知，由于高強(qiáng)度螺栓因連接件間存在很大的摩擦力，故其第一個(gè)階段遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通螺栓。

抗剪連接單栓承載力：

a）對(duì)于高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，其破壞準(zhǔn)則為板件發(fā)生相對(duì)滑移，因此其極限狀態(tài)為1點(diǎn)而不是4點(diǎn)，所以1點(diǎn)的承載力即為一個(gè)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力：

式中：0.9—抗力分項(xiàng)系數(shù)γR的倒

           數(shù)(γR=1.111);

      nf—傳力摩擦面數(shù)目;

      μ--摩擦面抗滑移系數(shù);

      P—預(yù)拉力設(shè)計(jì)值.

b）對(duì)于高強(qiáng)度螺栓承壓型抗剪連接，允許接觸面發(fā)生相對(duì)滑移，破壞準(zhǔn)則為連接達(dá)到其極限狀態(tài)4點(diǎn)，所以高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的單栓抗剪承載力計(jì)算方法與普通螺栓相同。

抗剪承載力：

承壓承載力：

單栓抗剪承載力：

（2）螺栓群在軸心力作用下的計(jì)算

1）軸心力作用

假定各螺栓受力均勻，故所需螺栓數(shù)：

對(duì)于摩擦型連接：

對(duì)于承壓型連接：

高強(qiáng)度螺栓群軸心力作用下,為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進(jìn)行板件的凈截面驗(yàn)算。

a）高強(qiáng)度螺栓摩擦型軸心力作用板件受力計(jì)算

主板的危險(xiǎn)截面為1-1截面。考慮孔前傳力50%得：

1-1截面的內(nèi)力為：

拼接板的危險(xiǎn)截面為2-2截面。

考慮孔前傳力50%得：

2-2截面的內(nèi)力為：

b）高強(qiáng)度螺栓承壓型軸心力作用板件受力計(jì)算

高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的凈截面驗(yàn)算與普通螺栓的凈截面驗(yàn)算完全相同。

2）偏心力作用下，高強(qiáng)螺栓連接受力的分析方法與普通螺栓一樣，故可以采用普通螺栓的計(jì)算公式，但右邊承載力計(jì)算方法不同。

（2）受拉高強(qiáng)螺栓連接的受力性能和計(jì)算   

 1）受力性能及單個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值

當(dāng)外拉力為零，即N=0時(shí)：P=C；

當(dāng)外拉力為Nt時(shí)：板件有被拉開趨勢(shì)，板件間的壓力C減小為Cf，栓桿拉力P增加為Pf，

當(dāng)栓桿的外加拉力大于P時(shí)，卸載后螺栓桿的預(yù)拉力將減小，即發(fā)生松弛現(xiàn)象。但當(dāng)Nt不大于0.8P時(shí)，則無(wú)松弛現(xiàn)象，這時(shí)Pf=1.07P，可認(rèn)為螺桿的預(yù)拉力不變，且連接板件間有一定的擠壓力保持緊密接觸，所以現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定：

a）摩擦型高強(qiáng)度螺栓的單栓抗拉承載力為：

b）承壓型高強(qiáng)度螺栓的單栓抗拉承載力，因其破壞準(zhǔn)則為螺栓桿被拉斷，故計(jì)算方法與普通螺栓相同，即：

式中：Ae--螺栓桿的有效截面面積；

           de--螺栓桿的有效直徑；

           ftb—高強(qiáng)度螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

上式的計(jì)算結(jié)果與0.8P相差不多。

2）高強(qiáng)度螺栓群的抗拉計(jì)算

a）軸心力作用下，高強(qiáng)度螺栓群的抗拉計(jì)算

      假定各螺栓均勻受力，故所需螺栓數(shù)：

b）彎矩作用下，高強(qiáng)度螺栓群的抗拉計(jì)算

由于高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力一般總小于其預(yù)拉力P，故在彎矩作用下，連接板件接觸面始終處于緊密接觸狀態(tài)，彈性性能較好，可認(rèn)為是一個(gè)整體,所以假定連接的中和軸與螺栓群形心軸重合，最外側(cè)螺栓受力最大。

由力學(xué)可得：

（3）同時(shí)承受拉力和剪力的高強(qiáng)度螺栓連接的計(jì)算

1）高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接

      盡管當(dāng)Nt≤P時(shí)，栓桿的預(yù)拉力變化不大，但由于μ隨Nt的增大而減小，且隨Nt的增大板件間的擠壓力減小，故連接的抗剪能力下降。規(guī)范規(guī)定在V和N共同作用下應(yīng)滿足下式：

2）高強(qiáng)度螺栓承壓型連接

對(duì)于高強(qiáng)度螺栓承壓型連接在剪力和拉力共同作用下計(jì)算方法與普通螺栓相同。

為了防止孔壁的承壓破壞，應(yīng)滿足：

系數(shù)1.2是考慮由于外拉力的存在導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓的承壓承載力降低的修正系數(shù)。

3.8.3  高強(qiáng)度螺栓連接的構(gòu)造

（1）高強(qiáng)度螺栓孔徑應(yīng)按表下表匹配，承壓型連接螺栓孔徑不應(yīng)大于螺栓公稱直徑2mm。

注意：不得在同一個(gè)連接摩擦面的蓋板和芯板同時(shí)采用擴(kuò)大孔型(大圓孔、槽孔)。

（2）高強(qiáng)度螺栓孔距和邊距的容許間距應(yīng)按下表的規(guī)定采用。

    注：1 ）d0為高強(qiáng)度螺栓連接板的孔徑，對(duì)槽孔為短向尺寸；t為外層較薄板件的厚度；

　　　2） 鋼板邊緣與剛性構(gòu)件(如角鋼、槽鋼等)相連的高強(qiáng)度螺栓的最大間距，可按中間排的數(shù)值采用。

（3）設(shè)計(jì)布置螺栓時(shí)，應(yīng)考慮工地專用施工工具的可操作空間要求。常用扳手可操作空間尺寸宜符合下表的要求。