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浅析高强度螺栓连接的计算及优缺点

摘要:高强度螺栓连接计算方法及优缺点比较,本文在理解钢结构设计规范

的基础上对承压型高强度螺栓连接在剪力、轴向拉力同作用下的各种计算方法进

行讨论及其特点进行比较。

关键词:高强度螺栓;连接;应力

0引言

高强度螺栓是指用高强度钢制造的,或者需要施以较大预紧力的螺栓。高强

度螺栓多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接。这种螺栓的断裂多为脆性

断裂。应用于超高压设备上的高强度螺栓,为了保证容器的密封,需要施以较大

的预应力。

高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧,足以

产生很大的摩擦力,从而提高连接的整体性和刚度,当受剪力时,按照设计和受

力要求的不同,可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种,两者的

本质区别是极限状态不同,虽然是

同一种螺栓,但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。在

抗剪设计时,高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所

提供的可能最大摩擦力作为极限状态,也即是保证连接在整个使用期间内外剪力

不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形(螺杆和孔壁之间始终保持原有

的空隙量),被连接板件按弹性整体受力。在抗剪设计时,高强螺栓承压型连接

中允许外剪力超过最大摩擦力,这时被连接板件之间发生相对滑移变形,直到螺

栓杆与孔壁接触,此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩

擦力共同传力,最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。总之,

摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓,只不过是设计是否考虑

滑移。摩擦型高强螺栓绝对不能滑动,螺栓不承受剪力,一旦滑移,设计就认为

达到破坏状态,在技术上比较成熟;承压型高强螺栓可以滑动,螺栓也承受剪力,

最终破坏相当于普通螺栓破坏。

在抗震设计中,主要承重结构的高强度螺栓连接一律采用摩擦型。连接设计

分为两个阶段:第一阶段按设计内力进行弹性设计,要求摩擦面不滑移;第二阶

段进行极限承载力计算,此时考虑摩擦面已滑移,摩擦型连接成为承压型连接,

要求连接的极限承载力大于构件的塑性承载力,其最终目标是保证房屋大震不倒。

因此对高强度连接螺栓的计算及优缺点比较,有助于对各种计算方法更加深入的

认识,加深对机械设计的理解,更有利于高强度螺栓在日常生活和生产中的广泛

应用。

1高强度螺栓分类

高强螺栓是高强螺栓和配套螺母、垫圈的合称,强度等级10.9h和8.8级。

特点:预拉力很大,依直径等级不同,可达80~355kN。

1.1摩擦型

摩擦型:连接件间的剪力完全靠摩擦力传递。以剪力等于摩擦力为设计极限

状态。连接件间不允许相互滑动,变形小,承载力小。工艺保证措施:喷砂,使

μ=0.3~0.55。

1.2承压型

承压型:连接件间允许相互滑动。传力开始时在标准荷载作用下动连接件间

无滑动,剪力由摩擦力和螺杆抗剪共同传递。但当荷载很大时,连接件间有较大

塑性变形。接近破坏时,连接件间有相对滑动,摩擦只起推迟滑移作用。剪力由

螺杆传递,其特点与普通螺栓相同。特点:与普通螺栓相同的极限状态—螺栓剪

坏,孔壁挤压坏,构件被拉断。变形大,不适于受动荷载的连接。抗拉时与普通

螺栓相同,但变形小,可减少锈蚀,改善疲劳性能。

2高强螺栓的预拉力的建立

2.1确定预拉力P数值

使螺栓中的拉应力接近于所用材料的屈服点(f),考虑材料不均匀系数

0.2

0.9、超张拉系数0.9和剪应力(拧螺母时产生)引起的承载力降低系数1.2,预

拉力计算式为:,式中fu:高强螺栓经热处理后的最低抗拉强度;

α:屈强比(假定屈服点与最低抗拉强度比值);Ae:螺栓有效面积;P:高强

螺栓设计预拉力。结果按5kN的模数取整得表1。摩擦型承压型均适用。

表1结果统计

螺栓公称直径(mm)

螺栓

的性能等

M1MMMM

级M30

62022

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