中美规范下高强螺栓群受力计算方法分析及比较
摘要：本文总结分析了国内外对外伸端板连接中螺栓受力分布及简化计算的研究成果，并通过比较提出了新的计算模型，以期提高节点设计的经济性
1研究背景
随着当代建筑业的发展和对异形大跨度空间结构日益增长的需求，在钢结构，节点连接处设计方面，准确地了解连接处的真实性能，计算出结构各部件的实际受力情况及位移反应，掌握各部件弹性、弹塑性和塑性变形的全过程，继而在考虑连接处实际性能的基础上简化结构、减少计算，对进一步提高钢结构设计计算的安全性和经济性起着至关重要的作用。
其中，螺栓端板连接这种典型的半刚性连接方式以其构造简单、易于设计、便于加工、安装简便的特点迅速应用到梁-柱及梁-梁等的节点连接，现已成为轻钢结构中应用最为广泛的一种半刚性连接形式。
在外伸端板连接中，高强螺栓群受力的分布状态将直接影响节点抗弯承载力的计算，因此正确反映螺栓群拉力的分布状态是进行高强螺栓端板连接型节点设计及验算的首要任务。本文列举了中国和美国相关规范以及研究文献中所采用的弯矩作用下高强度螺栓端板连接中螺栓的受力分布形式。
2.我国端板连接中高强螺栓的计算方法
高强螺栓端板连接型节点主要承受梁端传来的弯矩和剪力，且弯矩起主导作用，在计算其螺栓的承载力时，应根据节点的受力状况分别考虑。一般可分为以下三种情况：只承受弯矩作用、承受弯矩及剪力共同作用以及承受弯矩、剪力和拉力共同作用。弯矩主要由各排螺栓中产生的拉力来抵抗，剪力主要由接触面间的摩擦力及螺栓杆与孔壁的压力（承压型连接）来抵抗。下面就现行各国规范及相关研究文献中关于端板连接中螺栓承载力的计算方法进行总结研究。[1~2]
1、高强螺栓受弯矩作用计算
（1）我国规范[3]中规定的单个摩擦型高强螺栓抗拉承载力设计值为：
（式-1）
高强螺栓外拉力总是小于预拉力P，当连接承受弯矩而使螺栓沿杆轴方向受力时，可认为被连接构件的接触面一直保持紧密贴合，我国规范对受弯矩作用的
§3.7 高强螺栓连接的计算 一．预拉力的建立 1．转角法：通过工艺试验，确定满足预拉力要求所需角度，在实际工程中采用固定转角，不精确； 2．扭矩法：通过工艺试验，确定满足预拉力要求所需扭矩，制做特殊扳手，如机械的，光电的等等； 3．扭矩螺栓：一种特制螺栓，用特殊扳手，拧断为止——预拉力建立完成。 扭剪型高强度螺栓螺母螺栓垫圈沟槽梅花头 e u 1.2 0.90.90.9A f P ??= 0.9——考虑材料不均匀程度的系数； 0.9——超张拉5%～10%； 0.9——以螺栓的抗拉强度为准，为安全起见引入的附加安全系数； 1.2——拧紧螺栓时产生剪力降低栓杆的承拉能力； u f ——最低抗拉强度。 目前采用的螺栓只有8.8级和10.9级。 二．摩擦型高强螺栓的计算 1．摩擦型高强螺栓的抗剪计算 一个螺栓的抗剪承载能力： P P N μμv v b v 0.9n n 1.111 1==
对受力最不利螺栓，要求： v N ≤b v N 2．摩擦型高强螺栓的抗拉计算 （1）摩擦型高强螺栓的受力分析 a) t Δe Δδ/2 连接受力之前，根据平衡条件得：P C = 连接受拉之后，螺栓伸长t ?，被连接板压缩量恢复e ?，此时，螺栓内拉力从P 增加为f P ，而被连接板间的压力从C 减小为f C ，假定外加拉力为ot N ，根据平衡条件得： f ot f C N P += 根据变形协调条件 e t ?=? 设螺栓和被连接板的弹性模量皆为E ，面积分别为b A 和μA ，则： δδσE A P P E b f t t -==? δδE A C C E σμf c c -==? δδσE A P P E b f t t -==? δδσE A C C E μf c c -= =? b c f f A A P P C C =--
螺栓组受力分析与计算 一．螺栓组联接的设计 设计步骤： 1．螺栓组结构设计 2．螺栓受力分析 3．确定螺栓直径 4．校核螺栓组联接接合面的工作能力 5．校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1. 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置
3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t0 注：表中d为螺纹公称直径。 4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。
螺栓预紧力对照表 (2011-09-16 11:44:07) 转载▼ 标签： 杂谈 8.8级螺栓 螺纹规格预紧力 (KN) 有润滑表面扭矩 (KNm）无润滑表面扭矩（KNm）精加工表 面 一般加工表 面 表面氧化表 面 镀锌表 面 干燥粗加工表 面 精加工表 面 一般加工表 面 表面氧化表 面 镀锌表 面 干燥粗加工表 面 M20 101.5 0.3 0.4 0.6 0.5 / 0.3 0.6 0.7 0.6 0.8 M22 126.0 0.4 0.5 0.8 0.7 / 0.5 0.8 0.9 0.9 1.1 M24 146.4 0.5 0.7 1.0 0.9 / 0.6 1.0 1.2 1.1 1.4
M27 190.9 0.7 1.0 1.4 1.3 / 0.9 1.4 1.7 1.6 2.0 M30 233.0 1.0 1.4 2.0 1.8 / 1.2 1.9 2.3 2.2 2.7 M33 288.3 1.3 1.9 2.7 2.4 / 1.6 2.6 3.2 2.9 3.7 M36 339.5 1.7 2.4 3.4 3.1 / 2.1 3.3 4.1 3.8 4.8 M39 405.6 2.2 3.1 4.4 4.0 / 2.7 4.3 5.3 4.9 6.3 M42 465.9 2.7 3.8 5.5 4.9 / 3.3 5.3 6.6 6.0 7.7 M45 543.3 3.4 4.8 6.8 6.2 / 4.1 6.7 8.2 7.5 9.6 M48 612.8 4.1 5.8 8.2 7.4 / 4.9 8.0 9.9 9.1 11.5 M52 730.9 5.3 7.4 10.6 9.6 / 6.4 10.4 12.8 11.7 14.9 M56 844.5 6.6 9.3 13.2 11.9 / 7.9 12.9 15.9 14.6 18.5 M60 982.6 8.3 11.6 16.5 14.9 / 9.9 16.1 19.8 18.2 23.1 M64 1112.8 10.0 14.0 19.9 17.9 / 12.0 19.4 23.9 21.9 27.9 M68 1270.9 12.1 16.9 24.2 21.8 / 14.5 23.6 29.0 26.6 33.9 M72 1438.9 14.5 20.3 29.0 26.1 / 17.4 28.3 34.8 31.9 40.6 M76 1617.8 17.2 24.1 34.4 31.0 / 20.7 33.6 41.3 37.9 48.2 M80 1807.1 20.2 28.3 40.5 36.4 / 24.3 39.5 48.6 44.5 56.7 M85 2058.0 24.5 34.3 49.0 44.1 / 29.4 47.8 58.8 53.9 68.6 M90 2325.4 29.3 41.0 58.6 52.7 / 35.2 57.1 70.3 64.5 82.0 9.8级螺栓
螺栓组受力分析与计算 螺栓组联接的设计 设计步骤： 1. 螺栓组结构设计 2. 螺栓受力分析 3. 确定螺栓直径 4. 校核螺栓组联接接合面的工作能力 5. 校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 "1.螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形, 三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接 合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 塾〉不令 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置
3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的 最小距离，应根 据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标 准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接， 螺栓的间距to 不得大于下表所推荐的数值 扳手空间尺寸 螺栓间距t o 注：表中d 为螺纹公称直径。 4） 分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成 4, 6, 8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画 线。同一螺栓 组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 5） 避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保 证被联接件，螺 母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗 糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图 1）。当支承面为倾斜表面时，应采用 斜面垫圈（下图2）等。 1 ? 6*-4 4* 10 10* 1? 14-20 3W
第6章 螺纹联接 讨论 重点内容：受力分析、强度计算 。 难点：受翻转力矩的螺栓组联接。 附加内容：螺纹的分类和参数 1．螺纹的分类 2. 螺纹参数 （1） 螺纹大径d （2）螺纹小径d 1 （3）螺纹中径d 2 （4）螺距p （5）线数n （6）导程S （7）螺纹升角ψ （8）牙型角α 6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度 6.1.1螺纹联接的主要类型 松联接 根据装配时是否拧紧分 图6.1 紧联接 螺栓联接 螺钉联接 按紧固件不同分 双头螺柱联接 紧定螺钉联接 受拉螺栓联接 按螺栓受力状况分 受剪螺栓联接 6.1.2螺纹紧固件的性能等级和材料 性能等级：十个等级 B σ=点前数字 ×100 ； S σ=10×点前数字×点后数字。 材料：按性能等级来选。 例如：螺栓的精度等级6.8级 6.2 螺纹联接的拧紧与防松 ???外螺纹内螺纹? ??左旋螺纹 右旋螺纹 ?? ?多线螺纹单线螺纹?? ? ??锯齿形螺纹梯形螺纹三角螺纹?? ?传动螺纹 联接螺纹?? ?圆锥螺纹圆柱螺纹
6.2.1螺纹联接的拧紧 拧紧的目的: 拧紧力矩: 21T T T += 431T T T += T 1螺纹力矩: ()V t d F d F T ρψ+?=? =tan 2 22'21 T 2螺母支承面摩擦力矩：r F T ?=' 2μ 2 213 3 131d D d D r --?= 将6410~M M 的相关参数（2d ，ψ ，1D ，0d ） 代入且取 15.0arctan =V ρ得：d F d F k T T T t ' '212.0≈=+= 标准扳手的长度 L=15d d F Fd FL T '2.015===∴ （图 6.2……） F F 75' = 要求拧紧的螺栓联接应严格控制其拧紧力矩，且不宜用小于1612~M M 的螺栓。 测力矩扳手或定力矩扳手 控制拧紧力矩的方法： 用液压拉力或加热使螺栓伸长到所需的变形量 6.2.2 螺纹联接的防松 为何要防松？ 自锁条件：ψ 第三章连接返回 §3-6 高强度螺栓连接的构造和计算 高强度螺栓连接的工作性能和构造要求 一、高强度螺栓连接的工作性能 1、高强度螺栓的抗剪性能 由图中可以看出，由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连板叠中有很大的预压力，当连接受剪时，主要依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到1点。通过1点后，连接产生了滑解，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。如果连接的承载力只用到1点，即为高强度螺栓摩擦型连接；如果连接的承载力用到4点，即为高强度螺栓承压型连接。 2、高强度螺栓的抗拉性能 高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力P，板层之间则有压力C，而P与C维持平衡（图）。当对螺栓施加外拉力N t，则栓杆在板层之间的压力未完全消失前被拉长，此时螺杆中拉力增量为ΔP，同时把压紧的板件拉松，使压力C减少ΔC（图）。 计算表明，当加于螺杆上的外拉力N t为预拉力P的80%时，螺杆内的拉力增加很少，因此可认为此时螺杆的预拉力基本不变。同时由实验得知，当外加拉力大于螺杆的预拉力时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。 但当外加拉力小于螺杆预拉力的80%时，即无松弛现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍能保持一定的压紧力，可以假定整个板面始终处于紧密接触状态。但上述取值没有考虑杠杆作用而引起的撬力影响。实际上这种杠杆作用存在于所有螺栓的抗拉连接中。研究表明，当外拉力N t≤时，不出现撬力，如图所示，撬力Q大约在N t达到时开始出现，起初增加缓慢，以后逐渐加快，到临近破坏时因螺栓开始屈服而又有所下降。 由于撬力Q的存在，外拉力的极限值由N u下降到N'u。因此，如果在设计中不计算撬力Q，应使N≤；或者增大T形连接件翼缘板的刚度。分析表明，当翼缘板的厚度t1不小于2倍螺栓直径时，螺栓中可完全不产生撬力。实际上很难满足这一条件，可采用图所示的加劲肋代替。 在直接承受动力荷载的结构中，由于高强度螺栓连接受拉时的疲劳强度较低，每个高强度螺栓的外拉力不宜超过。 当需考虑撬力影响时，外拉力还得降低。 二、高强度螺栓连接的构造要求 螺栓组受力分析与计算 螺栓组受力分析与计算 一.螺栓组联接的设计 设计步骤： 1.螺栓组结构设计 2.螺栓受力分析 3.确定螺栓直径 4.校核螺栓组联接接合面的工作能力 5.校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 H1.螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形, 三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方 向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 | 塾〉不令 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置 3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距to不得大于下表所推 荐的数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t o 注：表中d为螺纹公称直径。 4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4, 6, 8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。 高强螺栓预紧力的计算方法 基本介绍 所谓螺栓预紧力，就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。对于一个不确定的螺栓而言，一个螺栓可使用的最大预紧力与螺栓材料品种、螺栓材料热处理、螺栓直径大小等都有关系。 假设螺栓在压力容器密封端盖上起到密封预紧的作用，并且这个端盖上有均布同规格的若干只螺栓，那么，这若干只螺栓所能承受的最小预紧力之和必须大于密封容器中工质最高压力所产生的反作用力，否则压力容器端盖与器体之间的密封就无法保障。 在工程领域中，测定螺栓预紧力通常有一些技术方法。对于精度要求高的螺栓预紧力的测量，往往采取螺栓弹性变形量大小来测量并计算出预紧力大小。对于中等要求的螺栓预紧力的测量，通常选用力矩扳手（力矩扳手的种类目前较多，在此不作具体介绍），按照规定的力矩大小拧紧螺母即可。对于一般要求的螺栓预紧力测量，用的最多的方法就是根据手力拧紧螺母，便从此时开始，按规定要求用扳手拧转螺母若干个角（一个角为60度）来估测预紧力是否已经达到。 预紧的目的 预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。 高强螺栓预紧力的计算方法 Mt=K×P0×d×10－3 N.m K:拧紧力系数 d：螺纹公称直径 P0：预紧力 P0=σ0×As As也可由下面表查出 As=π×ds2/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径 ds=（d2+d3）/2 d3= d1－H/6 H：螺纹牙的公称工作高度 σ0 =（0.5～0.7）σs σs――――螺栓材料的屈服极限N/mm2 （与强度等级相关，材质决定） K值查表：(K值计算公式略) 摩擦表面状况 K值 有润滑无润滑 高强度螺栓预紧力和拧紧力矩比较分析 在钢结构连接中经常使用高强度螺栓。高强度螺栓连接对于防止松动有良好的可靠性，尤其用于连接动载荷的构件。在高强度螺栓连接中，预紧力和拧紧力矩是一个很重要的参数。下面就高强度螺栓的预紧力及拧紧力矩进行探讨，以期得到合理的结果，在今后的设计中应用。 1 预紧力大小的确定 高强度螺栓预紧力的大小跟螺栓的材料及其横截面面积有关。所用材料需要经过调质处理以提高其机械性能，满足使用要求。国内高强度螺栓的材料一般为45钢、40B钢及40Cr钢。45钢用作级的螺栓，40B钢及40Cr 钢用作级的螺栓。 预紧力大小由下式计算： P=σ b F i （1-1） 式中σ b —高强度螺栓材料经热处理后的抗拉强度限， F i —螺栓的计算面积（按内螺纹直径计算），按下表取。 高强度螺栓的螺纹内径d 1和计算面积F i 螺栓公称直径M16 M18 M20 M22 M24 螺纹的内径(mm) 计算面积(mm2)149 182 235 292 2 拧紧力矩的计算 拧紧力矩是为了使螺栓产生预紧力，其大小由预紧力确定。 拧紧力矩由下式计算： M =（kg·m）（2-1） 式中 P —高强度螺栓需要的预紧力（t ）； d —高强度螺栓的公称直径（mm ）。 3 下面就国内外高强度螺栓，根据它们的材料的机械性能计算其预紧力和拧紧力矩，并进行比较和分析，从中找到适合我们应用的预紧力和拧紧力矩。 （1） 根据《机械设计手册》（机械工业出版社） 材料： 45钢，级；40B 钢，级 抗拉强度限：45钢，850kN/mm 2；40B 钢，1550kN/mm 2。 计算结果如下表所示。 预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N·m) （2） 根据《起重机设计手册》（辽宁人民出版社） 材料：45钢，级；40B 钢，级 抗拉强度限：45钢，850kN/mm 2；40B 钢，1550kN/mm 2。 计算结果如下： 预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N·m) 螺栓组受力分析与计算 一．螺栓组联接得设计 设计步骤： 1．螺栓组结构设计 2．螺栓受力分析 3．确定螺栓直径 4．校核螺栓组联接接合面得工作能力 5．校核螺栓所需得预紧力就是否合适 确定螺栓得公称直径后，螺栓得类型，长度，精度以及相应得螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板得厚度，螺栓在立柱上得固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1、螺栓组联接得结构设计 螺栓组联接结构设计得主要目得，在于合理地确定联接接合面得几何形状与螺栓得布置形式，力求各螺栓与联接接合面间受力均匀，便于加工与装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面得问题： 1）联接接合面得几何形状通常都设计成轴对称得简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组得对称中心与联接接合面得形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓得布置应使各螺栓得受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷得方向上成排地布置八个以上得螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓得位置适当靠近联接接合面得边缘，以减小螺栓得受力（下图）。如果同时承受轴向载荷与较大得横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓得预紧力及其结构尺寸。 接合面受弯矩或转矩时螺栓得布置 3）螺栓排列应有合理得间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线与机体壁间得最小距离，应根据扳手所需活动空间得大小来决定。扳手空间得尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高得重要联接，螺栓得间距t0不得大于下表所推荐得数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t0 注：表中d为螺纹公称直径。 4）分布在同一圆周上得螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时得分度与画线。同一螺栓组中螺栓得材料，直径与长度均应相同。 5）避免螺栓承受附加得弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母与螺栓头部得支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等得粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。 螺纹连接受力分析 一、 螺纹强度校核 把螺母的一圈螺纹沿大径展开，螺杆的一圈螺纹沿小径展开，视为悬臂梁，如图。 相关参数： 轴向力F ，旋合螺纹圈数z （因为旋合的各圈螺纹牙受力不均，因而z 不宜大于10）； 螺纹牙底宽度b ，螺纹工作高度h ，每圈螺纹牙的平均受力为F z ，作用在中径上。 螺母——内螺纹，大径、中径、小径分别为D 、2D 、1D 。 螺杆——外螺纹，大径、中径、小径分别为d 、2d 、1d 。 1. 挤压强度 螺母一圈挤压面面积为2D h π，螺杆一圈挤压面积为2d h π。 螺母挤压强度2[]p p F F z A D h πσ= =≤σ 螺杆挤压强度2[]p p F F z A d h σσπ= =≤ p σ为挤压应力， []p σ 为许用挤压应力。 2. 剪切强度 螺母剪切面面积为Db π，螺杆剪切面面积1d b π。 螺母，剪切强度[]F F z A Db ττπ= =≤ 螺母的一圈沿大径展开 螺杆的一圈沿小径展开 螺杆，剪切强度1[]F F z A d b ττπ= =≤ []0.6[]τσ=，[]s n σσ= 为材料许用拉应力，s σ为材料屈服应力。 安全系数，一般取3～5。 3. 弯曲强度 危险截面螺纹牙根部，A -A 。 螺母，弯曲强度23[]b b M Fh W Db z σσπ= =≤ 螺杆，弯曲强度213[]b b M Fh W d b z σσπ= =≤ 其中，L ：弯曲力臂，螺母22D D L -= ，螺杆2 2 d d L -= M ：弯矩，螺母22D D F M F L z -=?= ?，螺杆2 2 d d F M F L z -=?=? W ：抗弯模量，螺母2 6 Db W π= ，螺杆2 16 d b W π= []b σ：螺纹牙的许用弯曲应力，对钢材，[]1~1.2[]b σσ= 4. 自锁性能 自锁条件v ψψ≤， 其中，螺旋升角22 arctan arctan S np d d ψππ==，螺距、导程、线数之间关系：S =np ； 当量摩擦角arctan arctan cos v v f f ψβ ==， 当量摩擦系数cos v f f β= f 为螺旋副的滑动摩擦系数，无量纲，定期润滑条件下，可取0.13～0.17； β为牙侧角，为牙型角α的一半，2βα= 5. 螺杆强度 1、 实心 1螺栓的预紧力可按下式计算： P0—预紧力 P0＝σ0×As As＝π×ds^2/4 ds—螺纹部分危险剖面的计算直径 2ds＝（d2＋d3）/2 d3= d1－H/6 H—螺纹牙的公称工作高度 σ0 ＝（0.5～0.7）σs σs—螺栓材料的屈服极限kgf/mm^2 （与强度等级相关，材质决定） 2 也可查表： 螺栓性能等级的含义 2007年11月23日星期五 14:29 钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。螺栓性能等级标号有两部分数字组成，分别表示螺栓材料的公称抗拉强度值和屈强比值。例如，性能等级4.6级的螺栓，其含义是： 1、螺栓材质公称抗拉强度达400MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.6； 3、螺栓材质的公称屈服强度达400×0.6=240MPa级性能等级10.9级高强度螺栓，其材料经过热处理后，能达到： 1、螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.9； 3、螺栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa级 螺栓性能等级的含义是国际通用的标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选用性能等级即可。 强度等级所谓8.8级和10.9级 是指螺栓的抗剪切应力等级为8.8GPa和10.9Gpa 8.8 公称抗拉强度800N/MM2 公称屈服强度640N/MM2 一般的螺栓是用"X.Y"表示强度的， X*100=此螺栓的抗拉强度， X*100*（Y/10）=此螺栓的屈服强度 （因为按标识规定：屈服强度/抗拉强度=Y/10） 螺栓拧紧力矩计算书 一．相关计算参数： 螺栓规格 d mm 螺距 P mm 螺纹原始三角形高度H mm 外螺纹中径 d2 mm 外螺纹小径 d1 mm 计算直径 d3 mm 螺栓公称应力截面积As mm2 螺栓材料屈服强度s σ MPa 计算拧紧力矩 T Nm 二．计算内容： 根据要求，所需计算DN300及以上接管法兰所配螺栓拧紧力矩，故统计相关法兰如下： N1 N2 N4 N6 一效结晶器 DN1200 DN900 DN1200 DN600 二效结晶器 DN1200 DN1200 DN1200 DN600 三效结晶器 DN1200 DN1600 DN1200 DN600 APU 效结晶器 DN800 DN1400 DN800 DN600 根据管法兰相关标准，DN600所配螺栓为M33 DN800、DN900、DN1200所配螺栓为M39 DN1400、DN1600所配螺栓为M45 三．计算过程： 螺栓规格 d d=33 螺距 P P=3.5 螺纹原始三角形高度H 031.35.3866.0866.0=?=?=P H 外螺纹小径 d1 21.29031.3852338521=??-=??-=H d d 外螺纹中径 d2 73.30031.383 2338322=??-=??-=H d d 计算直径 d3 7.28031.36 1 21.296113=?-=?-=H d d 螺栓公称应力截面积As 14.69327.2873.30414.3242 232=?? ? ??+?=??? ??+?∏=d d A s 螺栓材料屈服强度s σ 114 计算拧紧力矩 T 91.31210003314.69311412.012.0=÷???=???=d A T S S σ 通常取计算值的0.8倍左右作为实际应用的拧紧力矩值 螺栓组受力分析与计算 1．螺栓组联接的设计 设计步骤： 1．螺栓组结构设计 2．螺栓受力分析 3．确定螺栓直径 4．校核螺栓组联接接合面的工作能力 5．校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1. 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置 3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性 要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t0 注：表中d为螺纹公称直径。 4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。 图1 凸台与沉头座的应用 图2 斜面垫圈的应 用 第39卷第1期建筑结构2009年1月 高强度螺栓连接的设计计算 蔡益燕 (中国建筑标准设计研究院,北京100044) 1高强度螺栓连接的应用 高强度螺栓连接分为摩擦型和承压型。《钢结构 (G设计规范》B50017—2003)(简称钢规)指出“目前制 造厂生产供应的高强度螺栓并无用于摩擦型和承压型连接之分”“,因高强度螺栓承压型连接的剪切变形比摩擦型的大,所以只适用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构”。因为承压型连接的承载力取决于钉杆剪断或同一受力方向的钢板被压坏,其承载力较之摩擦型要高出很多。最近有人提出,摩擦面滑移量不大,因螺栓孔隙仅为115～2mm,而且不可能都偏向一侧,可以用承压型连接的承载力代替摩擦型连接的,对结构构件定位影响不大,可以节省很多螺栓,这算一项技术创新。下面谈谈对于这个问题的认识。 在抗震设计中,一律采用摩擦型;第二阶,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。如果在设计内力下就按承压型连接设计,虽然螺栓用量省了,但是设计荷载下承载力已用尽。如果来地震,螺栓连接注定要破坏,房屋将不再成为整体,势必倒塌。虽然大部分地区的设防烈度很低,但地震的发生目前仍无法准确预报,低烈度区发生较高烈度地震的概率虽然不多,但不能排除。而且钢结构的尺寸是以mm计的,现代技术设备要求精度极高,超高层建筑的安装精度要求也很高,结构按弹性设计允许摩擦面滑移,简直不可思议,只有摩擦型连接才能准确地控制结构尺寸。总体说来,笔者对上述建议很难认同。2高强度螺栓连接设计的新进展 钢规的715节“连接节点板的计算”中,提出了支撑和次梁端部高强度螺栓连接处板件受拉引起的剪切破坏形式(图1),类似破坏形式也常见于节点板连接,是对传统连接计算只考虑螺栓杆抗剪和钉孔处板件承压破坏的重要补充。 1994年美国加州北岭地震和1995年日本兵库县南部地震,是两次地震烈度很高的强震,引起大量钢框架梁柱连接的破坏,受到国际钢结构界的广泛关注。 一、螺栓的分类 普通螺栓一般为 4.4级、 4.8级、 5.6级和 8.8级。高强螺栓一般为 8.8级和 10.9级，其中 10.9级居多。 二、高强度螺栓的概念 根据高强度螺栓的性能等级分为： 8.8级和 10.9级。其中 8.8级仅有大六角型高强度螺栓，在标示方法上，性能等级小数点前的数字代表材料公称抗拉强度σb的1%，小数点后的数字代表材料的屈服强度σs与公称抗拉强度之比的10倍。M20螺栓 8.8性能等级公称抗拉强度σb=800MPa，最小抗拉强度σb=830MPa。 公称屈服强度σs=640，最小屈服强度σs=660。 （另外一种解释： 小数点前数字表示热处理后的抗拉强度；小数点后的数字表示屈强比即屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值之比。 8.8级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于800MPa，屈强比为 0.8； 10.9级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于1000MPa，屈强比为 0.9。） 抗拉强度也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值，当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。 三、计算方法 钢材受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。 F=σs*A， 其中F为拉力（许用载荷），σs为材料抗拉强度，A为有效面积，有效面积为螺栓有效长度上直径最小处的横截面积。 M20的有效直径为Φ17，M20的有效横截面积为227mm^2。 8.8级M20最小抗拉强度σb=830MPa F=830*227=188410N= 188.41KN 所以M20螺栓 8.8性能等级最小抗拉力为 188.41KN。 产品: ABAQUS/Standard ABAQUS/CAE 概览 装配载荷： ?能用来模拟结构中的紧固载荷 ?施加在用户定义的预紧截面上 ?施加在与预紧截面相关的预紧节点上 ?需要预紧载荷的指定或紧固调整 装配载荷的概念 下图是一个简单的例子来解释装配载荷的概念。 图1 装配载荷示例 容器A是由螺栓预紧力压在盖子上来密封的，中间有一垫子，如图1所示。在standard中，预紧的模拟是通过在螺栓内添加一个“切割面”或预紧截面，并使其承受一拉伸载荷实现的。通过修改预紧截面一侧的单元， standard可以自动调整预紧截面上螺栓的长度，以获得想要的预紧力值。后续的分析步中可以防止螺栓长度的进一步改变，以使相对于装配件内的其他载荷，螺栓是作为标准的变形组件存在。 创建装配载荷 ABAQUS/Standard允许通过实体单元、杆单元或梁单元定义紧固件件的装配载荷。分析步中定义装配载荷不会随着单元类型的不同而显著不同。 1、使用实体单元创建预紧 在实体单元中，预紧截面是在螺栓内、将螺栓切割成两部分的一个面(见图2)。对于有几个不同片段组成的紧固件，预紧截面可以是一组面。 图2 使用连续单元定义的预紧截面 基于单元的面包括单元和表面信息。必须将该面转化成预紧截面以便预紧载荷能施加在该截面内的控制节点上。 输入文件：使用下列选项来创建基于实体单元的预紧截面： *SURFACE，TYPE=ELEMENT，NAME=面的名称 *PRE-TENSION SECTION，SURFACE=面的名称，NODE=节点编号 ABAQUS/CAE：load模块：Create load：在Category选择Mechanical，及Bolt load。 1)对齐控制节点到预紧截面 装配载荷通过预紧截面上的预紧节点传递。预紧节点不属于模型中的任何单元。它只有一个自由度(自由度1)，该自由度表示切割面法向两侧的相对位移，见图3。该节点的坐标或位置并不重要。 螺栓预紧力 ！ 螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。 . .目的 预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。 计算方法 预紧力矩Mt=K×P0×d×0.001 N.m K:拧紧力系数d：螺纹公称直径 P0：预紧力 P0=σ0×As As也可由下面表查出 As=π×ds×ds/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径 ds=（d2+d3）/2 d3= d1-H/6 H：螺纹牙的公称工作高度 σ0 =（0.5～0.7）σs σs――――螺栓材料的屈服极限N/mm2 （与强度等级相关，材质决定） K值查表：(K值计算公式略) σs查表： As查表： 法兰连接中螺栓预紧力及垫片密封性的研究对压力管道法兰连接中螺栓的受力、预紧力的计算方法进行了分析,研究了垫片的密封性能,包括基本密封特性、压力-回弹特性、垫片的厚度和宽度效应。得出了法兰连接时,连接点的泄漏与螺栓预紧力、密封面状态、使用工况、垫片等有关的结论。 螺栓预紧力检测 采用电阻应变计测量应力的方法，目前主要有测力螺栓和环形垫圈两种形式的测量方式，测力螺栓是直接替换现有螺栓，直接将螺栓预紧力测量出来的传感器，能准确的测量螺栓的预紧力的大小,可以精确到公斤。尤其更适合大型压力容器气密试验前的螺栓的预紧力的检测。 接触 Hypermesh Step 1: Launch the ANSYS Contact Manager 1. Click the Contact Manager... button on the Utility Menu. The Ansys Contact Manager dialog is displayed at the top-left corner of the screen. At this point, you may want to adjust the size of the HyperMesh window. Step2: Create a new 3D contact 1. Click New.. to create a new contact. The Create New Contact Pair dialog is displayed. 2. Under Creation method choose Flexible. 3. Under Contact type choose 3D. 4. Under Create from choose Surface to surface. Step 3: Select the target body component 1. Click Pick Target… to choose the target body component. The HyperMesh target selection panel is shown. 2. Click the yellow comps button. 3. Select the component named anzhuangban 4. Click select and click proceed. The faces of the selected target body are extracted and displayed as shown below. Step 4: Select the target surface elements 1. In the Target Elements Selection dialog, click the yellow Elements button twice. Target Elements is selected. 一．螺栓组联接的设计 设计步骤： 1．螺栓组结构设计 2．螺栓受力分析 3．确定螺栓直径 4．校核螺栓组联接接合面的工作能力 5．校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1. 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置 3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t0 注：表中d为螺纹公称直径。 4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。摩擦型高强螺栓的计算方式
螺栓组受力分析与计算..
高强螺栓预紧力的计算方法
高强度螺栓预紧力和拧紧力矩比较分析
螺栓组受力分析与计算
螺纹连接受力分析
螺栓预紧力的计算
螺栓拧紧力矩计算
螺栓组受力分析与计算..
高强度螺栓连接的设计计算.
一个8.8级M20螺栓的最大承受拉力计算方法
预紧力螺栓Pre-tension_abaqus_by_gy
螺栓预紧力计算
接触和螺栓预紧力简易说明
螺栓组受力分析与计算
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