ganggouren
"钢转自：结构设计-公众号"
第三章 钢结构的连接
3.7 普通螺栓的受力性能和连接计算
螺栓有三种受力情况，分别为：
3.7.1 普通螺栓抗剪连接
（1） 普通螺栓的受力性能
对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移δ和作用力N的关系曲线，该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段，即：
1）摩擦传力的弹性阶段(0~1段)
直线段—连接处于弹性状态；
该阶段较短—摩擦力较小。
2）滑移阶段(1~2段)
克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。
3）栓杆传力的弹性阶段(2~3段)
该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-δ关系以曲线状态上升。
4）弹塑性阶段(3~4段)
达到‘3’后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。
‘4’点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。
（2） 普通螺栓的破坏形式
1）螺栓杆被剪坏
栓杆较细而板件较厚时发生；
2）孔壁的挤压破坏
栓杆较粗而板件较薄时发生；
3）板件被拉断
截面削弱过多时发生；
1）、2）、3）这三种破坏形式予以计算解决。
4）板件端部被剪坏(拉豁)
端距过小时发生；端距不应小于2d0
5）栓杆弯曲破坏
螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d；
4）、5）这两种破坏通过构造来解决。
（3） 普通螺栓的抗剪计算
1）抗剪螺栓的单栓承载力设计值
由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定：
剪切面数目nv
2）普通螺栓群抗剪连接计算
（a）普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算
试验证明，栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大，中间小。
当l1≤15d0（d0为孔径）时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N有各螺栓均担。
所以，连接所需螺栓数为：
当l1>15d0（d0为孔径）时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布，各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏，然后依次破坏。
由试验可得连接的抗剪强度折减系数η与l1/d0的关系曲线。
普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。
拼接板的危险截面为2-2截面：
A、螺栓采用并列排列时：
主板的危险截面为1-1截面：
拼接板的危险截面为2-2截面：
B、螺栓采用错列排列时：
主板的危险截面为1–1和1’–1’截面：
拼接板的危险截面为2–2和2’–2’截面：
（b） 普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算
F作用下每个螺栓受力：
T作用下连接按弹性设计，其假定为：
A、连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；
B、T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系，方向与ri垂直。
显然，T作用下‘1’号螺栓所受剪力最大（r1最大）。
由力的平衡条件得：
由假定‘(2)’得：
由式3-39得：
将式3–40代入式3–38得：
将N1T沿坐标轴分解得：
由此可得螺栓1的强度验算公式为：
另外，当螺栓布置比较狭长(如y1≥3×1)时,可进行如下简化计算：
令：xi=0，则N1Ty=0
3.7.2 普通螺栓的抗拉连接
（1）普通螺栓抗拉连接的工作性能
抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。
（2）普通螺栓的抗拉计算
1）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值
公式的两点说明：
（a）螺栓的有效截面面积
因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：
（b）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响
A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。
B、 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。
2）普通螺栓群的轴拉设计
一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：
3）普通螺栓群在弯炬作用下
M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为：
（a）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；
（b）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各
螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。
显然‘1’号螺栓在M作用下所受拉力最大
由式3–52得：
将式3–54代入式3–53得：
4）普通螺栓群在偏心拉力作用下
3.7.3 普通螺栓拉、剪联合作用
（1）普通螺栓在拉力和剪力的共同作用下，可能出现两种破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔壁的承压破坏；
（2）由试验可知，兼受剪力和拉力的螺杆，其承载力无量纲关系曲线近似为一“四分之一圆”。
（3）计算时，假定剪力由螺栓群均匀承担，拉力由受力情况确定。
规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：
为了防止孔壁的承压破坏，应满足：
另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托承担全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。
查看往期课程，可点击如下链接：
第一章 钢结构概述
第二章 钢结构的材料
第三章 钢结构的连接
转载请注明：来源“钢转自：结构设计-公众号”微信公众号；
“钢转自：结构设计-公众号”公众号，致力于推广钢结构行业新理论、新技术、新工艺、新材料及大量工程实例，介绍钢结构知识和行业资讯，搭建一个钢结构行业交流的平台。
了解更多信息，欢迎关注“钢转自：结构设计-公众号”公众号！
