２０１５年第３期 重工与起重技术 ＮＯ．３ ２Ｏ１５ 总第４７期 ＨＥＡＶＹ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ＆Ｈ０ＩＳ ｎＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＳｅｒｉａＩ Ｎｏ．４７ 高强度螺栓连接设计计算 大连华锐重工集团股份有限公司设计研究院 段春燕贾锋 摘 要：主要分析介绍了钢结构用高强度螺栓的连接原理、 连接均无差异。 影响因素及摩擦型连接与承压型连接的计算方法。 关键词：高强度螺栓；摩擦型连接；承压型连接；摩擦面；承 ３ 影响因素及处理方法 载力 对高强度螺栓连接产生不利影响的因素很 １ 前言 多，除荷载的类型、结构受力特点及连接部位等主 观因素外，客观因素主要有：被连接件接触面的间 高强度螺栓连接具有受力性能好、施工简单、 隙、粗糙度以及表面清洁程度。 装配方便、耐疲劳可拆换以及在动载作用下不易 ３．１间隙的影响 松动等优点，广泛应用于大跨度结构、厂房结构、 如果接触面的间隙较大，将导致被连接件实 桥梁及高层建筑框架等相关的结构构件的连接， 际接触面积减小。因此被连接件接触面的间隙应 并逐步取代了铆接连接和部分焊接，成为钢结构 按照顶紧面要求处理，即接触面应有７０％的面紧 工程现场安装的主要连接方式。 贴。 ２连接形式和受力特点 ３．２粗糙度的影响 控制摩擦面的粗糙度是摩擦面处理的关键。 采用高强度螺栓连接，螺栓受拉力时，螺栓的 摩擦面的粗糙度直接影响其抗滑移系数，要想让 预拉力增加不多，外拉力主要靠板件问夹紧力的 节点的承载力达到最大，选择摩擦面的粗糙度就 减少来承受，板件间始终保持夹紧状态。受剪力 显得至关重要。实践表明，摩擦面的粗糙度在５０～ 时，按照设计和受力要求的不同，螺栓可分为摩擦 ７５ｔｘｍ之间最为理想。 型和承压型两种。 ３＿３表面清洁程度的影响 摩擦型高强度螺栓连接：通过连接的板层间 被连接件的摩擦面之间如果存在水分、油污、 的抗滑移力来传递剪力，按板层间出现滑动作为 灰尘或浮锈等杂物，都会降低节点的承载力．水分 其承载能力的极限状态。这种连接适用于重要结 和油污的存在相当于摩擦面间加了润滑剂，摩擦 构和承受动力荷载的结构，或用于可能出现反向 面间存在灰尘和浮锈，明显地能降低节点的承载 内力的构件的连接，其孔径通常比螺栓公称直径 力。因此，高强度螺栓连接件在安装时必须保持摩 大１．５—２．０ｍｍ。 擦面的干燥和清洁，不允许冒雨安装。浮锈的清除 承压型高强度螺栓连接：以连接板层间出现 要使用钢丝刷，清除浮锈即可。 ｒ 滑动作为正常使用（即在荷载标准值作用下）的极 ３．４摩擦面的处理 限状态，而以连接的破坏（螺栓或板件的破坏）作为 被连接件的摩擦面处理方式共有喷砂后生赤 其承载能力的极限状态。这种连接的计算方法与 锈、喷丸后摩擦面涂无机富锌漆、砂轮打磨、使用 构造要求与普通螺栓相同，可用于允许产生少量 钢丝刷及酸洗五种方式，通过对比，第二种方法效 滑移的静载结构或间接承受动力荷载的构件。当 果最好，但成本偏高，第一种方法效果不错，比较 某一方向产生较大滑移时，可采用长圆孔。采用圆 经济实惠。 孔时，其孔径通常比螺栓公称直径大１．０一１．５ｍｍ。 两种连接形式比较：由于承压型螺栓孔的孔 ４分析计算 径比摩擦型的小０．５ｍｍ，连接的整体性和刚度也 ４．１摩擦型连接的计算 比摩擦型的差，且变形较大，强度储备相对较低。 摩擦型连接中，每个高强度螺栓的受剪承载 因此，在重要结构以及承受动荷载的结构中不允 力设计值应按下式计算： 许采用承压型螺栓，而在材料、预拉力、接触面的 ｂ 处理以及施工要求等方面，承压型连接和摩擦型 Ｎｖ＝ｋｌｋ２￣ｉｘＰ 重工与起重技术 ＨＥＡＶＹ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ＆ＨＯＩＳＴＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ 式中： 。一系数，对冷弯薄壁型钢结构（板厚ｔ≤ ６ｍｍ）取０．８，其他情况取０．９； 在螺栓杆轴方向受拉的连接中，每个高强度 螺栓的受拉承载力设计值应按下式计算： ＝Ｏ．８Ｐ （２） 厂孔型系数，标准孔取１．０，大圆孔取０．８５， 荷载与槽孔长方向垂直时取０．７，荷载与 槽孔长方向平行时取０．６； ｎ广传力摩擦面数目； 一式中： ｂ一早ｌ／ｒ局强度嫘任明赏弪水或刀设计值， ｋＮ。 摩擦面的抗滑移系数，可按表ｌ、表２选取； 高强度螺栓连接同时承受剪力和螺栓杆轴方 尸Ｌ一每个高强度螺栓的预拉力，ｋＮ，可按表３ 向的外拉力时，其承载力应按下式计算： 选取； — ＋— ≤ ＋ ≤１１ —单个高强度螺栓的受剪承载力设计值，ｋＮ。 Ｎ Ｎｔ 表１ 钢材摩擦面的抗滑移系数 构件的钢号 连接处构件接触面的处理方法 Ｑ２３５ Ｑ３４５及其以上 喷砂（丸） ｏ．４５ Ｏ．５５ 喷砂（丸）后生赤锈 ｏ．４５ ０．５５ 喷砂（酸洗）后涂无机富锌漆 ０．３５ ０．４０ 钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面 ０．３０ ０．３５ 表２ 涂层摩擦面的抗滑移系数 涂层类型 钢材表面处理要求 涂层厚度 抗滑移系数 无机富锌漆 ｏ．４０爿ｃ 锌加底漆（ＺＩＮＧＡ） ｓａ ２ ６０—８０ ０．４５ 防滑防锈硅酸锌漆 ８０～１２０ ０．４５ 聚氨酯富锌底漆或醇酸铁红底漆 Ｓａ ２及以上 ６０～８０ Ｏ．１５ 注：１．当设计要求使用其他涂层（热喷铝、镀锌等）时，其钢材表面处理要求、涂层厚度以极抗滑移系 数均应经试验确定； ２． 当连接板材为Ｑ２３５钢时，对于无机富锌漆涂层抗滑移系数 值取０．３５； ３．防滑防锈硅酸锌漆、锌加底漆（ＺＩＮＧＡ）不应采用手工涂刷的施工方法。 表３ 单个高强度螺栓的预拉力Ｐ（ｋＮ） 螺栓的性能等级 螺栓规格 Ｍｌ６ Ｍｌ８ Ｍ２０ Ｍ２２ Ｍ２４ Ｍ２７ Ｍ３０ Ｍ３３ Ｍ３６ Ｍ３９ ８．８ｓ ７０ ８６ ｌ１Ｏ １３５ １５８ ２Ｏ５ ２５０ ３１０ ３６６ ４３７ １０．９ｓ ９９ ｌ２０ １５５ ｌ９０ ２２３ ２９ｏ ３４５ ４３７ ５１５ ６１５ １２．９ｓ ｌ１９ １４５ １８５ ２２９ ２６７ ３４７ ４２４ ５２５ ６ｔ８ ７３８ 式中： 强度应按下列公式计算： 慧 害 一某个高强度螺栓所承受的拉力，嚣 ｋ Ｎ 。 ＝ Ａ ｎ 轴心受力构件在摩擦型高强度螺栓连接处的 一２一 （３） （４） （５） 重工与起重技术 ＨＥＡＶＹ ＩＮＤＵｓＴＲＩＡＬ＆Ｈ０ＩＳＴＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ 式中： ４．２承压型连接的计算 承压型高强度螺栓连接接触面应清除油污及 Ａ一计算截面处构件毛截面面积，ｍｍ ； Ａ 计算截面处构件净截面面积，ｍｍ ； Ⅳ＿一轴心拉力或轴心压力，ｋＮ； Ⅳ 一折算轴力，ｋＮ，Ｎ ＝ｆ ｌ一０．５ ）Ⅳ； ｎ一在节点或者拼接处，构件一端连接的高强 度螺栓数； ｎ 一计算截面（最外列螺栓处）上高强度螺栓 数。 在构件节点或拼接接头的一端，当螺栓沿受 力方向连接长度ｚ ＞１５ 时，螺栓承载力设计值应 ／ ｆ ＼ 浮锈等，保持接触面清洁或按设计要求进行涂装。 设计和施工时不应要求连接部位的摩擦面抗滑移 系数值。 承压型连接的强度设计值按表４选取。 承压型连接的构造、选材、表面除锈处理以及 施加预拉力等要求与摩擦型连接相同。 承压型连接承受螺栓杆轴方向的拉力时，每 个高强度螺栓的受拉承载力设计值应按下式进行 计笪． ． ， 』Ｖｔ；Ａ ＬＯ 乘以折减系数ｌ １．１一 Ｊ，当／￣＞６０ｄｏ时，折减系 式中： 数为０．７，ｄｏ为相应的标瘫孔孔径。 表４ 螺栓的性能等级、构件钢材的牌号和连接类型 高强度 ８．８ｓ Ａ 一高强度螺栓螺纹处的有效面积，ｍｍ２，按 表５选取。 抗拉强度 ４ｏ０ 承压型高强度螺栓连接的强度设计值（Ｎ／ｍｍ２） 抗剪强度 ２５０ 承压强度，ｃ 螺栓连接副 承压型连接 １０．９ｓ Ｑ２３５ ５ｏ０ ３１０ ４７０ 连接处构件 Ｑ３４５ Ｑ３９ｏ Ｑ４２ｏ ５９０ ６１５ ６５５ 表５ 螺栓在螺纹处的有效截面面积Ａ （ｍｍ ） 螺栓规格ｌ Ｍ１６ Ｍ１８ Ｍ２０ Ｍ２２ ｌ Ｍ２４ Ｉ Ｍ２７ Ｍ３Ｏ Ｍ３３ Ｍ３６ Ｍ３９ ＿Ａ。 ｝１５７ １９２ ２４５ ３０３ ｌｌ ３５３ ＩＩ ４５９ ５６１ ６９４ ８１７ ９７６ 在受剪承压型连接中，每个高强度螺栓的受 剪承载力应按下列公式计算，并取受剪和承压承 载力设计值中的较小者。 受剪承载力设计值： ２． ∑ｔ一不同受力方向中一个受力方向承压构件 总厚度的较小值，ｍｍｏ 同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型连接 的高强度螺栓，应分别符合下列公式要求： Ⅳｖｂ＝ｎｖ ： （７） （８） 承压承载力设计值： －－丽≤ ／１．２ ≤・ （１０） ａｘ￣ 式中： ｎ。一螺栓受剪面数目； 螺栓公称直径，ｍｍ，式（７）中，当剪切面在 螺纹处时，应按螺纹处的有效截面面积Ａ 计算受剪承载力设计值； 轴心受力构件在承压型高强度螺栓连接处的 强度与摩擦型相同。 在构件节点或拼接接头的一端，当螺栓沿受 力方向连接长度１１＞１５ｄｏ时，螺栓承载力设计值同 摩擦型连接一样乘以折减系数。 一 ３ 一 重工与起重技术 ＨＥＡＶＹ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ＆Ｈ０ＩＳｒ兀ＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ 抗剪承压型连接正常使用极限状态下的设计 汁算按照４．１节有关规定进行。 ４．３连接其他要求 表７的规定选取； （５）设计布置螺栓时，应考虑工地专用施工工 具的可操作空间要求。常用扳手可操作空间尺寸 应符合表８的要求。 ４．３．２螺栓组连接结构设计原则 ４．３．１高强度螺栓连接构规定 （１）高强度螺栓孔应与表６匹配，承压型连接 螺栓孔径不应大于螺栓公称直径２ｍｍ； ２）不得在同一个连接摩擦面的盖板和芯板 同时采用扩大孑Ｌ型（大圆孔、槽孔）； （３）当盖板按大圆孔、槽孔制孔时，应增大垫 （１）连接的结合面通常设计成轴对称的简单 几何形状； 圈厚度或采用孔径与标准垫圈相同的连续型垫 板。垫圈或连续垫板厚度应符合下列规定： （２）螺栓的布置应使各螺栓受力合理，即应使 普通螺栓受拉力，铰制孑Ｌ螺栓受剪力；各螺栓受力 应尽可能小且均匀； （３）螺栓排列应有合理的间距和边距； ①Ｍ２４及以下规格的高强度螺栓连接副，垫 圈或连续垫板厚度不宜小于８ｒａｍ； ②Ｍ２４以上规格的高强度螺栓连接副，垫圈 或连续垫板厚度不宜小于１０ｍｍ； ③冷弯薄壁型钢结构的垫圈或连续垫板厚度 不宜小于连接板（芯板）厚度。 （４）高强度螺栓孔距和边距的容许间距应按 表６ 螺栓公称直径 标准圆孔 孔 型 （４）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成４、 ６、８等偶数； （５）同一螺栓组中的螺栓，其直径、长度材料 等应用相同的标准和规格； （６）避免螺栓承受附加的弯曲载荷； （７）合理选择螺栓组的放松装置。 高强度螺栓连接的孔径匹配（ｍｍ） Ｍ１６ Ｍ１８ Ｍ２０ Ｍ２２ Ｍ２４ Ｍ２７ Ｍ３０ Ｍ３３ Ｍ３６ Ｍ３９ １７．５ ２０ ２０ １７．５ 直径 直径 长 度 短向． ２２ ２４ ２２ ２４ ２８ ２４ ２６ ３０ ２６ ３０ ３５ ３０ ３３ ３８ ３３ ３６ ４２ ３６ ３９ ４５ ３９ ４２ ４８ ４２ 大圆孔 槽孔 ２２ ２０ 长向 ３０ ３４ ３７ ３９ ４４ ５０ ５６ ６０ ６６ ７２ 表７ 名称 高强度螺栓孔距和边距的容许极限尺寸（ｍｍ） 位置和方向 外排（垂直内力方向或沿内力方向） 最大容许间距（两者较小值） 最小容许间距 ８ｄｏ或１２ ｔ ｌ６ 或２４ ｔ １２ｄ０或１８ ｔ 中心 间距 中间排 垂直内力方向 受压构件 沿内力方向 ３ｄｏ 受拉构件 沿对角线方向 中心至 构件边缘 垂直于 沿内力方向 剪切边或手工气割边 １６ｄ０或２４ ｔ ４ｄｏ或８ ｔ ２ｄｏ １．５ｄｏ 的距离 内力方向 轧制边自动气割边或锯割边 、注：１．ｄ０为高强度螺栓的孔径，ｔ为外层较薄板件的厚度； ２．钢板边缘与刚性构件（如角钢、槽钢）相连的高强度螺栓的最大间距，可按中间排的数值选用。 一ｄ一 重工与起重技术 ＨＥＡＶＹ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ＆Ｈ０ＩＳＴＩＮＧ ＭＡＣＨｌＮＥＲＹ 表８ 施工扳手可操作空间尺寸 参考尺寸（ｒａｍ） 扳手种类 示意图 ａ ｂ 手动定扭矩扳手 １．５ｄ０且不小于４５ １４０＋Ｃ ———一 扭剪型电动扳手 ６５ ５３０＋Ｇ ———．１ａ Ｄ 电动扳手 大六角 Ｍ２４及以下 ５０ ４５０＋Ｃ 翻 Ｍ２４以上 ６０ ５ｏｏ＋Ｃ ／／／／／／ ／／／／／／／， ５ 结论 参考文献 综上所述，在大型钢结构连接设计中，由于加 ［１】ＧＢ ５００１７—２００３钢结构设计规范 工设备与运输安装条件的，钢结构需设计成 ［２］ＧＢ ５０１３５—２００６高耸结构设计规范 分体结构，为了保证其在截断重新连接后，受力状 ｆ３３】 ＧＢＴ３６３２—２００８钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副 况不变，通常采用高强度螺栓连接或现场焊接。通 ［４］ＪＧＪ ８２—２０１ １钢结构高强度螺栓连接技术规程 过对高强度螺栓连接原理、影响因素及处理方法 【５】Ｑ／ＤＺＱ １６１—２０１０钢结构用高强度螺栓连接通用技术要求 的分析，阐述了钢结构用摩擦型与承压型高强度 【６】ＶＤＩ ２２３０高强度螺栓连接系统计算 螺栓连接的快速计算方法，对分体式钢结构连接 ［７］王三民．机械设计计算手册．北京：化学工业出版社，２００８，１２ 【８】ＧＢ／Ｔ３８１１－２００８起重机设 汁规范．中国标准出版社，２００８，１０ 有一定的指导作用。 （上接第７页） ｌ ｉ ｊ ｋ Ｉ ５ 结论 ｔｏｘ＇ｙ＝１ ０ ０ ｌ Ｉ（ ＋Ｒ ）ｃｏｓ０（Ｒ ＋ ）ｓｉｎ０ ０ Ｉ 通过对卡罗塞尔卷取机转盘转速的分析计 算，得到其卷取速度等于卷筒转动的线速度与卡 ＝一０９ｐ（Ｒｐ＋尺。）ｓｉｎＯｉ＋ｔｏｐ（Ｒ ＋尺ｔ）ｏｏｓ￣ 罗塞尔卷取机转盘转动线速度的叠加。卡罗塞尔 由（１）式得＂。： 卷取机转盘转动的时候，有两种控制方案。一种是 １３Ｄ＝ × ＝－ｗ，Ｒ，ｓｉｎ０／＋ｗ￣ｚｏｓＯｊ－ｏＪｐ 。十尺ｔ） 控制卷筒的卷曲速度不变，根据带钢的轧制速度 ｓｉｎ０ｉ＋ｔｏｐ ｐ＋尺ｔ ｃｏｓ０ｊ＝［－ｔｏｔＲｔｓｉｎ０－－ｍｐ ｐ＋尺ｔ）ｓｉｎ０］ｉ＋ 控制转盘的速度。另一种是控制转盘的角速度不 ［ｏＪ，Ｒｔｃｏｓ ＋ 。根ｔ）ｃｏｓ０￣ 变，应用卷筒转速的调节功能使之符合轧制速度 整理得： 要求。两者比较后一种控制技术比较好，卡罗塞尔 １３Ｄ＝ｏＪｔＲｔ＋ ｐ 。根ｔ） （２） 卷取机转盘转速的设计定量分析，对进一步研究 即得到转盘角速度： 卡罗塞尔卷取机的结构参数、转盘控制系统、以及 优化连轧机组参数有一定的参考意义。 ＾ｌ——．ｙｏ－ｙｏ，＋Ｒ Ｒ，一 （３） 。通过计算分析，从设计角度对卡罗塞尔卷取 参考文献 机的核心技术转盘转速有一个定性认识；由式（３） 【１】赵家竣，魏立群．冷轧带钢生产问答．冶金工业出版社 可以看出转盘转动中转盘角速度与卷筒角速度、 ［２】南京工学院，西安交通大学主编．理论力学．人民教育出 带钢轧制速度及各旋转体回转半径的物理关系。 版社，１９７８ — ５ 一
