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3.8 高強螺栓的受力性能和連接計算

來源:http://www.degu-web.net 日期:2019-11-28 發布人:wanzhong1

第三章 鋼結構的連接

3.8 高強螺栓的受力性能和連接計算

3.8.1 高強度螺栓連接的特點

按受力特征的不同高強度螺栓分為兩類:

     摩擦型高強度螺栓—通過板件間摩擦力傳遞內力,破壞準則為克服摩擦力;

      承壓型高強度螺栓—受力特征與普通螺栓類似。

(1)高強度螺栓預拉力的施加

  1)通過擰緊螺帽施加預拉力,螺帽的緊固方法 有如下幾種:

 A、轉角法  

   施工方法:

初擰—用普通扳手擰至不動,使板件貼緊密;

終擰—初擰基礎上用長扳手或電動扳手再擰過一定的角度,一般為120度~180度完成終擰。

特點:預拉力的建立簡單、有效,但要防止欠擰、漏擰和超擰;

B、扭矩法

   施工方法:

   初擰—用力矩扳手擰至終擰力矩的30%~50%,使板件貼緊密;

   終擰—初擰基礎上,按100%設計終擰力矩擰緊。

特點:簡單、易實施,但得到的預拉力誤差較大。

C、扭斷螺栓桿尾部法(扭剪型高強度螺栓)

施工方法:

   初擰—擰至終擰力矩的60%~80%;

   終擰—初擰基礎上,以扭斷螺栓桿尾部為準。

特點:施工簡單、技術要求低易實施、質量易保證等

2)高強度螺栓的施工要求

      由于高強度螺栓的承載力很大程度上取決于螺栓桿的預拉力,因此施工要求較嚴格:

a)終擰力矩偏差不應大于±10%;

b)如發現欠、漏和超擰螺栓應更換;

c)擰固順序先主后次,且當天安裝,當天終擰完。

 3)高強度螺栓的施擰順序

高強度螺栓在初擰、復擰和終擰時,連接處的螺栓應按一定順序施擰,確定施擰順序的原則為由螺栓群順序向外擰緊,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符合下列規定:

a)一般接頭應從接頭順序向兩端進行(圖a);

b)箱形接頭應按A、C、B、D的順序進行(圖b);

c)工字梁接頭栓群應按①~⑥順序進行(圖c);

如工字型梁為:上翼緣→下翼緣→腹板。

d)工字形柱對接螺栓緊固順序為先翼緣后腹板;

兩個或多個接頭栓群的擰緊順序應先主要構件接頭,后次要構件接頭。

(2)高強度螺栓預拉力的確定

高強度螺栓預拉力是根據螺栓桿的有效抗拉強度確定的,并考慮了以下修正系數:

考慮材料的不均勻性的折減系數0.9;

為防止施工時超張拉導致螺桿破壞的折減系數0.9;

考慮擰緊螺帽時,螺栓桿上產生的剪力對抗拉強度的降低除以系數1.2。

附加安全系數0.9。

  因此,預拉力:


Ae—螺紋處有效截面積;


fu—螺栓熱處理后的更抵抗拉強度;8.8級,取fu =830N/mm210.9級,取fu =1040N/mm2

(3)高強度螺栓摩擦面抗滑移系數μ

摩擦型高強度螺栓是通過板件間摩擦力傳遞內力的,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μ ;

板件間的抗滑移系數與接觸面的處理方法和構件鋼號有關,其大小隨板件間的擠壓力的減小而減小;    

規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μ,如下表

 

3.8.2 高強度螺栓連接的受力性能和計算

高強螺栓有三種受力情況,分別為:

(1)受剪高強螺栓連接的受力性能和計算

 受力過程與普通螺栓相似,分為四個階段: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)

    直線段—連接處于彈性狀態;

    該階段較短—摩擦力較小。

2滑移階段(1~2段)

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

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致的板件間摩擦力的增大,N-δ關系以曲線狀態上升。     

4彈塑性階段(3~4段)

      達到‘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(曲線的點)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,由于高強度螺栓因連接件間存在很大的摩擦力,故其個階段遠遠大于普通螺栓。

抗剪連接單栓承載力:

a)對于高強度螺栓摩擦型連接,其破壞準則為板件發生相對滑移,因此其極限狀態為1點而不是4點,所以1點的承載力即為一個高強度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力:


式中:0.9—抗力分項系數γR的倒

           數(γR=1.111);

      nf—傳力摩擦面數目;

      μ--摩擦面抗滑移系數;

      P—預拉力設計值.

b)對于高強度螺栓承壓型抗剪連接,允許接觸面發生相對滑移,破壞準則為連接達到其極限狀態4點,所以高強度螺栓承壓型連接的單栓抗剪承載力計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算

1)軸心力作用

假定各螺栓受力均勻,故所需螺栓數:


對于摩擦型連接:


對于承壓型連接:


高強度螺栓群軸心力作用下,為了防止板件被拉斷尚應進行板件的凈截面驗算。

a)高強度螺栓摩擦型軸心力作用板件受力計算

主板的危險截面為1-1截面。考慮孔前傳力50%得:

1-1截面的內力為:


拼接板的危險截面為2-2截面。


考慮孔前傳力50%得:

2-2截面的內力為:


b)高強度螺栓承壓型軸心力作用板件受力計算

高強度螺栓承壓型連接的凈截面驗算與普通螺栓的凈截面驗算完全相同。

2)偏心力作用下,高強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算公式,但右邊承載力計算方法不同。

(2)受拉高強螺栓連接的受力性能和計算   

 1)受力性能及單個高強度螺栓的抗拉承載力設計值


當外拉力為零,即N=0時:P=C;

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

當栓桿的外加拉力大于P時,卸載后螺栓桿的預拉力將減小,即發生松弛現象。但當Nt不大于0.8P時,則無松弛現象,這時Pf=1.07P,可認為螺桿的預拉力不變,且連接板件間有一定的擠壓力保持緊密接觸,所以現行規范規定:

a)摩擦型高強度螺栓的單栓抗拉承載力為:


b)承壓型高強度螺栓的單栓抗拉承載力,因其破壞準則為螺栓桿被拉斷,故計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—高強度螺栓的抗拉強度設計值。

上式的計算結果與0.8P相差不多。

2)高強度螺栓群的抗拉計算


a)軸心力作用下,高強度螺栓群的抗拉計算

      假定各螺栓均勻受力,故所需螺栓數:


b)彎矩作用下高強度螺栓群的抗拉計算


由于高強度螺栓的抗拉承載力一般總小于其預拉力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,彈性性能較好,可認為是一個整體,所以假定連接的中和軸與螺栓群形心軸重合,更外側螺栓受力。


由力學可得:


(3)同時承受拉力和剪力的高強度螺栓連接的計算

1)高強度螺栓摩擦型連接

      盡管當Nt≤P時,栓桿的預拉力變化不大,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。規范規定在V和N共同作用下應滿足下式:


2)高強度螺栓承壓型連接

對于高強度螺栓承壓型連接在剪力和拉力共同作用下計算方法與普通螺栓相同。


為了防止孔壁的承壓破壞,應滿足:


系數1.2是考慮由于外拉力的存在導致高強度螺栓的承壓承載力降低的修正系數。

 

3.8.3  高強度螺栓連接的構造

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


注意:不得在同一個連接摩擦面的蓋板和芯板同時采用擴大孔型(大圓孔、槽孔)。

(2)高強度螺栓孔距和邊距的容許間距應按下表的規定采用。


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

   2) 鋼板邊緣與剛性構件(如角鋼、槽鋼等)相連的高強度螺栓的間距,可按中間排的數值采用。

(3)設計布置螺栓時,應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。

 

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