大型钢结构中高强度螺栓连接的布局分析及设计.pdf

2 3 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 9期 2 01 2年 9月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 9 - 0 2 3 0 0 2 大型钢结构 中高强度螺栓连接的布局分析及设计 张 元 军 沈 阳职业技术 学院 ， 沈 阳 1 1 0 0 4 5 Co n n e c t i o n L a y ou t An a l y s i s a n d De s i g n s o f H i g h - St r e n g t h B o l t s i n t h e L a r g e St e e l St r u c t u r e Z HA NG Yu a n u i u n S h e n y a n g P o l y t e c h n i c C o i l e g e ， S h e n y a n g 1 1 0 0 4 5 ， C h i n a ， ， 、 ． ⋯⋯ - 1、 ． ⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯ ⋯⋯ ⋯ - - 一’ -⋯ t t ⋯ ’ ’ 【 摘要】 阐述高强度螺栓的材料性能及工作机理，分析了高强度螺栓连接的布,6 i -F 中高强度 { 螺栓连接的相关 技术参数， 确定了高强度螺栓布局的主要距离 及螺栓长度的计算公式， 使高强度螺栓 ； 连接所能产生的强度与钢板母材的 屈服极限强度相当， 即能保证高强度 螺栓连接结 构与母材的强 度匹 { 配． 又能保证螺栓连接质量和精度， 使高强度螺栓连接的结构设计更为合理， 经实际运行稳定可靠， 为 { 钢 结构 高强度螺栓连接 的 布局及 设计提供 了切 实可行的 方法 ． 关键词 高强度螺栓连接 ； 传力机理 ； 布局分析 ； 翼缘板 ； 允许距离 ； 计算长度 【 A b s t r a c t 】T h e m a t e r i a l p r o p e r t ie s a n d w o r k p r i n c ip le s h ig h - s t r e n g t h i s d e s c r i b e d ， f t e c h n i c a l{ p a r a me t e r s o f t h e h i g h - s t r e n g t h b o l t s i n t h e d e s i gn o f c o n n e c t i o n l a y o u t i s a n a l y z e d ， a n d t b e f o r mu l a of h i g h - s t r e n g t h b o l t s ’ ma i n l a y o u t d i s t a n c e a n d b o l t s ’ l e n g t h i s d e t e r m i n e d ． c a n e n s u r e t h e s t r e n g t h of t h e b o l t s t o a d a p t t o t h e y i e l d s t r e n g t h o f t h e 6 旺 e m e t a1 ． n n r ， i t c a n n o t o n l y g u a r a n t e e t h e s t r e n gth of c o n n e c t i n g s t r u c t u r e t o m a t c h w i t h t h e p a r e n t m a t e r i a ， b u t a l s o C a 4q t n a e s u ,r e t h e q u a l i t y a l l d acc u r a c y o f b o l t e d c o n n e c t i o n s ． I t i s a mo r e r e a s o na b l e de s i g n， a n d c a n wo r k s t a b l y dll r i n g t h e a c t u al o p e r a t i o n， pr o v i d i n g a p r a c t i c a l a p p r o ach f o r t h e l a y o u t a n d d e s i g n of h i 一 s t r e n gth s t e e l s c r e w s ． Ke y W or ds Co nne c t i o n o f Hi g h - St r e ng t h S c r e ws ； Pr i nc i pl e s o f Powe r Tr an s m i s s i o n； Conn e c t i o n La y ou t ； Fl a ng e Pl a t e； Al l o w Di s t a nc e； Ca l c ul a t i o n Le ng t h r 雷 0 、 l“● ●1r j、 ■ i ， i 1 “ j ⋯ ‘ ⋯ ⋯、 0 中图分类号 T H1 6 ； U 4 4 5 ． 5 8 1 文献标识码 A l引言 在大型钢结构连接设计 中， 由丁运输及加工设备 的限制 ， 钢 结构需设计成分体结构 ，解体处采用高强度螺栓连接或现场焊 接。现有资料对于高强度螺栓组的强度与结构母材强度的关系、 螺栓的行数和列数的布局、 螺栓的直径与母材厚度的关系、 母材 厚度与接头板材厚度的关系、 螺栓有效长度的确定办法等均很少 有较实际的论述 。在大型钢结构采用高强度螺栓组连接 的设计 中 ， 对高强度螺栓组连接的设计参数进行总结归纳 ， 对钢结构高 强度螺栓组连接的布局及设计非常重要 。 2螺栓的种类及传力机理 螺栓有普通螺栓和高强度螺栓两大类，主要采用高强度螺 栓进行大型钢结构连接设计。 高强度螺栓又分为摩擦型高强度螺 栓和承压型高强度螺栓。摩擦型高强度螺栓用高强度钢材 4 5 和 4 0 B钢 制造， 安装时通过旋紧螺母对螺杆施加接近于螺栓屈 服极限 的预拉力 又称预紧力 使连接件接触面之间产生强大的 压紧力， 当构件受外力时， 这个压紧力会使构件面与面之间产生 摩擦力 ， 利用这 面与面之间的摩擦力来传递或抵抗剪力 这个剪 力是 摩擦面错动时会对螺杆产生剪力 。在设计计算中， 不允许 摩擦面产生滑移， 所以此时高强度螺栓连接的构件整体稳定性和 ★来稿 日期 2 0 1 1 -1 1 -1 5 刚性非常好 比如 大跨度桥梁的连接 ， 无滑移 ， 所 以桥梁不会 F挠 塌腰 ， 抵抗疲劳能力强 ， 能够承受动力载荷 ， 所以在我国 的结构设计 中应用十分广泛 。 承压型高强度螺栓的材料 与摩擦 型 高强度螺栓相 同， 但是允许传递 的剪力超过构件接触面间的摩擦 力而产生滑移， 使螺杆抵住孔壁， 通过摩擦和承压共同传力， 承载 能力可比摩擦型提高5 0 ％以上。 我国规定承压型高强度螺栓的抗 剪强度不得超过摩擦型的 3 0 ％ 摩擦型一般使用最大摩擦力的 7 0 ％ ， 既不得超过摩擦力的 1 0 0 ％ ， 确保在正常情 况下接触面 间 不产生滑移， 如果超载， 再以杆身抵住孔壁传递剪力。 虽然这时承 载能力加大 ， 但是构件也会产生折线变形， 在构件上有移动的 部件 例如耙车、 斗轮小车、 起重机小车 则会造成行走困难。所 以， 承压型高强度螺栓用于不能承受动力载荷和正反向受力载荷 的结构 ， 故我国一般不采用 。其实我国生产的高强度螺栓是不 分摩擦型或承压型的 ， 只是设计者如何用它。美国在应用高强度 螺栓时， 只按摩擦型设计， 后来才考虑滑移后， 通过摩擦与承压共 同传力 ， 并将螺栓分为了摩擦型和承压型 。 3高强度螺栓连接的布局分析及设计 3 ． 1行数和列数的布局 短接头 连接长度 ≤1 5 d 。 d 。 为螺栓孑 L 直径 ， 称之为短 ． 张元军 大型钢结构 中高强度螺栓连接的布局分析及设计 2 3 1 接头， 根据实验， 短接头可以认为轴力 剪力 尸由每个螺栓平均 承受 。 长接头 当连接长度 L 1 5 d o ， 称之为长接头 ， 螺栓受力不均 ． 将有折减系数。例如， 螺栓， d o 2 6 ， 则 1 5 d o 1 5 x 2 6 3 9 0 mm。 每两只螺栓的最小间距为 3 3 x 2 6 7 8 ， 取 8 0 ， 当选取螺栓为 5 行时 ， 如图 1 所示 。 轴， 3 P ． 一 ■_ 轴力P -● 1螺栓为 5行连接的不意图 L 5 1 x 8 0 3 2 0 3 9 0 m m， 则靠近 巾心处的 螺栓的受力将会打折扣 ， 即小于每只螺栓的受力平均值， 若计算 时非用 6 行不可 ， 则证明螺栓直径选小了或布局有 问题 。螺栓的 受力 ， 如图2 所示 。 图 2螺栓为 6 行时受力变形图 高强度螺栓经常应用在截面呈工字型和箱型的构件上， 一 般情况下， 构件上下翼缘板 或 七下盖板 都比腹板厚一些， 这是 为了增大截面的惯性矩的缘故。翼缘板与腹板的比值一般在 ～ } 之间， 且以居多， 对于这样的构件当用做梁的时候， 弯矩 产生的最大应力值都出现在翼缘板上 ， 如图 3所示。 所以， 一般情况 下 ， 上下翼缘板 或上下盖板 螺栓的行数都大于腹板螺栓的行数 ， 翼缘板与腹板的比值有4 3 、 5 3 、 4 2 、 3 2 ， 其中以4 3 最为常用。 Ⅱ[ [ I 图 3梁的受力图 3 _ 2母材厚度与高强度螺栓连接板厚度的关系 在母材的两侧配制连接板 ，母材厚度 6 与高强度螺栓连接板 厚度 的连接结构， 如图4 所示。 一般连接板的厚度小于母材的厚 度， 当母材厚度为 时， 推荐选用的连接板厚度为 ， 如表 1 所示 I I l I I I I I I I ● I ● ● l - l ● l I I J I J I I l i i I I I I I I I I 1 图 4母材厚度 6与连接板厚度 6 。 的连接示意 图 表 1母材厚度为 占与连接板厚度为 6 ． 的关系 1 2 1 4 l 5 1 6 ～ l 7 1 8 - 2 0 1 0 l 0 l 2 1 4 1 6 3 ． 3螺栓的最大最小允许距离 高强度螺栓连接的最大允许距离和最小允许距离， 是高强度 螺栓连接布局的主要间距， 如表2 所示。表中的 为螺栓孔的公 称 直径， 占 为外层连接板件的厚度。表中的“ 顺内力方向” 指的是 受力方向。当受力方向端的边距小于2 d o 时， 钢板有被剪断的可 能。 对于受拉构件， 当各行螺栓的间距过小 时， 构件有沿折线或直 线破坏的可能 对于受压构件， 沿受力作用方向的间距过大时， 则被连接的板件中间容易发生张 口或鼓曲现象。当间距过大， 被 连接件 的接触 面就不够紧密 ， 潮气容易浸入缝隙产生锈蚀。间距 已将搬 手转 动时所需 的空隙考虑在内[6 1 ， 如表 2所示 。 表 2螺栓连接布局的主要间距 单位 mil 1 3 ． 4高强度螺栓的计算长度 高强度螺栓是粗牙螺纹， 标准螺栓螺纹直径与螺距的关系， 如表 3所示。高强度螺栓的计算长度不包括螺栓头的长度， 是两 个垫圈的厚度 h 加上螺母的厚度 m 再加上最小外露长度 ， 外 露长度至少 已经包括倒角 为 3倍的螺距 Js 或螺纹直径 d的 0 ． 3 倍 ， 高强度螺栓 的计算长度 2 0 ．3 ， 根据螺栓的 计算长度， 选择标准公称长度的螺柃 保证螺栓外露最小长度 ， 如图5所示。特别要注意的是， 螺栓的选择还要计算螺栓在螺 母内螺纹的余留长度 即在孑 L 里面 约为螺栓规格d的 0 ． 3 ～ 0 ． 5 倍 。这 比螺栓外露的长度稍长 ， 余 留长度是螺母压紧所必须 有的 。 设计者应按 比例作图 ， 并进行尺寸数值的计算 ， 避免出现 错误造成批量损失。 表 3粗牙高强度螺栓 的螺距 5 单位 r n m 堡 垒真堡 丝 丝 翌 塑 丝 螺距 5 2 2 ．5 2 ． 5 3 3 3 ．5 3 ．5 4 4 4结论 图 5高强度螺栓连接图 图 6钢结构高强度螺栓连接的布局 在选用钢结构高强度螺栓连接的没计中，～般都会认可增 图 勃 2 3 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 9期 2 0 1 2年 9月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 9 0 2 3 2 - 0 3 热机械应力施加装置的设计及初步实验和效果分析 张 娟 1 ,2 胡心平 。 。 谢 玲 山东轻工业学院 机械与汽车工程学院， 济南 2 5 0 3 5 3 z 山东省轻工装备先进制造与测控技术重点实验室， 济南 2 5 0 3 5 3 Th e De s i g n o f Pr e St r e s s Ap p l i e d De v i c e a n d Pr e l I mi n a Ex p e r i men t s a n d Re s u l t An a l y s i s Z HANG J u a n 一 ． HU Xi n p i n g ． XI E L i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g ， S h a n d o n g P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ， j i ’ n a n 2 5 0 3 5 3 ， C h i n a S h a n d o n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d Ma c h i n e Ma k i n g o f L i g h t I n d u s t ry a n d Mo n i t o r i n g T e c h n o l o g y ， j i ’ n a n 2 5 0 3 5 3 ， C h i n a 【 摘要】 大型加力装置因施力大而容易对小型试样及软质材料造成一定的损害。为了满足一些 小型试验材料受力小且可控、 成本低和使用简单方便的要求， 设计了一种热机械应力施加装置。这种装 置能够对小型试样施加应力， 而且质量轻便、 价格便宜、 制造简单 主要介绍了该加力装置的总体设计 思路 ， 弹簧、 螺栓等主要零部件的设计与选择 。然后对加力装置进行 了初步实验 ， 结果表 明试样受力大 小及其弹簧的压缩量完全满足实验设计要求。该装置 目前已经实际使用， 并取得 了良好效果。 关键词 加力装置； 弹簧 ； 机械设计 【 A b s t r a c t 】 L a r g e s iz e f o r c in g d e v i c e is e a s y to c a ra f e s o m e d a m a g e t o t h e s m a l l a n d s of t m a t e r ia ls b e c a u s e o fh e a v y l o a d i n g ． I n o r d e r t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o fl o w c o s t a n d e a s y t o u s e o fs o m e s m all and c o n t r o l l a b l e f o r c e l o adi n g s i t u a t i o n ， a t h e r m a l s t r e s s l o adi n g d e v i c e h as b e e n d e s i g n e d ． T h e d e v i c e C a l l , i m p o s e s t r e s s o n s m a l l s a m p l e s ， w h i c h are v e r y s mart ， i n e x p e n s i v e a n d s i m p l e t o m anu f a c t u r e ． T h e d e s i gni n g p r i n c i p l e ， a n d t h e s e l e c t i o n and d e s i g n i n g o f s o m e i m p o r t ant p art s s u c h s p r i n g a n d b o l t w e r e i n t r o d u c e d ． T h e n ， pr e l i mi n a r y e x pe r i me n t s we r e c arr i e d o u t wi t h t hi s l o a di n g d e v i c e ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t s amp l e s a n d t h e a m o u n t of c o m p r e s s i o n of s p r i n g c o u l d e n t i r e l y m e e t t h e r e q u i r e me n t s de s i g n e d ． At pr e s e n t ， t h e de v i c e ha s b e e n p u t i n t o u s e a n d h a s ac hi e v e d g o o d r e s u hs ． Ke y W or d s S t r e s s Loa d i ng De v i c e； S pr i ng； M e c h a ni s m De s i g n s t r e s s l o adi n g s of { ， of t h e e x p e r i men t j ， ， ■ ， “” t 、 、 m 中图分类号 T H1 6 ； V 2 6 0 ． 3 3 1 ． 4 文献标识码 A 1 引言 近年来随着“ 以铝代钢” 技术在汽车工业中的广泛应用， 对 铝合金铸件的可靠性 、 铸件的微观组织结构等要求越来越高 。 为了获得具有优异综合性能的合金， 我们必须对铝合金铸件进行 一 定的lT艺分析和处理。 然后， 通过研究可以优化生产工艺， 更好 地指导实际生产。例如， 相关人员研究了在不同挤压及拉伸力的 情况下， 铝合金组织及陛能的变化p _ 叫 。为了提高车用铝合金的使 用性能， 组拟研究铝合金试样在机械热应力作用下的性能 和组织 ★来稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 1 4 ★基金项 目 山东省优秀 中青年科学家科研奖励基金资助项 目 B S 2 0 0 9 Z Z 0 1 0 山东省高等学校科技计划项 目 N o J 0 9 L D I 1 大螺栓直径和增加螺栓数量来获得连接可靠的强度 ， 这样就造成 了不必要的浪费。高强度螺栓的布局及设计的方法 ， 较好地解决 了螺栓的连接的布局， 采用此方法完成的钢结构高强度螺栓的布 局， 如图6所示。 高强度螺栓连接处连接板与母材进行配钻， 现场 安装时采用先用锥形定位销多处定位的工艺方法， 保证螺栓连接 精度和连接质量。 使高强度螺栓连接所能产生的强度与钢板母材 的屈服极限强度相当，即高强度螺栓连接结构与母材的强度匹 配。使用此方法进行的高强度螺栓组连接结构的设计， 使高强度 螺栓连接的结构设计更为合理，在实际生产运行中稳定可靠 ， 为 钢结构高强度螺栓连接的布局提供了可行的设计方法。 参考文献 【 1 ] 王群 ， 钢结构． 高强度螺栓连接应用范 围的探讨 [ J 】 l钢结构 ， 2 0 0 7 9 7 6 7 8 ． [ 2 ] 戚豹．钢结构工程施工[ M] ． 重庆 重庆大学 出版社， 2 0 1 0 4 ． [ 3 l 编委会． 现代钢结构设计新工艺 新技术与标准规范实用手册[ M] ．北京 中国科技 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 成大先．机械设计手册． [ M] ． 北京 化工工业 出版社， 2 0 0 8 4 ． [ 5 ] 张展． 机械设计通用手册[ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 5 ． [ 6 ] 机械工程手册编委会． 机械工程手册 [ M] ．第 2版， 北京 机械工业 出版 社 ， 1 9 9 7 1 1 ． [ 7 ] 黄会荣． 结构力学与钢结构[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 1 1 9 ． 8 j 蒋晓平． 高强度螺栓如何保证钢结构施T的质量I J ] ． 江西电力， 2 0 1 0 2 3 7 - -4 0 ．