螺栓受剪切力状态下的分析和计算

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螺栓连接件都成组使用,其设计一般是先确定结合面形状、螺栓分布形式、连接结构形式及螺栓数目,然后按其所受外载荷(力、力矩)分析螺栓组的各螺栓受力,由此找出受力最大的螺栓,求其受力大小和方向,再针对该螺栓受的力进行强度计算,由强度计算确定直径。

对于连接点受力,主要分为轴向力和横向力,轴向力就是力的方向和螺栓的轴线一致,而横向力就是力的方向和螺栓的轴线垂直。连接点往往受到的是复合力,轴向力有使被连接件发生分离的趋势,或者会使被连接件的夹紧力变小,从而使抵抗横向力的能力变弱。所以在分析过程中,先用零件的夹紧力减去轴向载荷的影响,再来判断是否会在横向力下发生滑移。

今天,螺丝君来介绍普通螺栓连接点的受力分析,针对以受横向力为主的工况,讲解螺栓受剪切力状态下的失效模式,工作状态,单个普通螺栓的抗剪承载力计算, 受剪螺栓组连接的计算,为设计受横向力的螺栓组连接做好设计的计算基础。

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普通螺栓连接点的受力分析

1.1 受横向力的螺栓连接—外力与螺栓轴线垂直

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1.2 受拉(压)力的螺栓连接——外力与螺栓轴线平行

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1.3 同时受横向力和拉力的螺栓连接

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受横向力的普通螺栓的五种失效模式

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a. 栓杆被剪坏-栓杆直径较小而板件较厚时可能发生的失效。

b. 孔壁被挤压破坏-栓杆直径较大而板件较薄时可能发生的失效。由于栓杆和扳件的挤压是相对的,故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。

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c. 板件被拉断-截面削弱过多时可能发生的失效。

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d. 板件端部被剪坏-端距a过小时可能发生的失效。构造保证措施:端距a不应小于2d0

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e. 栓杆弯曲破坏-螺栓杆过长时可能发生的失效。构造保证措施:栓杆长度不应大于5d。

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前三种失效形式通过计算解决,后两种则通过构造要求保证。c种失效属于构件强度破坏,因此,抗剪螺栓连接的计算只考虑a和b两种形式失效。
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单个螺栓受横向力时的工作状态

3.1 螺栓工作分以下三阶段如下图:

a. 弹性工作阶段(0-1) :传递的横向力小于板间的摩擦阻力,连接板间相对位置保持不变。

b. 相对滑移阶段(1-2):传递的横向力大于摩擦力,连接板间相对滑移,最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。

c. 弹塑性工作阶段(2后):螺杆与孔壁接触、挤压,剪切变形迅速加大,直到连接最后破坏。

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3.2 单个普通螺栓的抗剪承载力计算

由失效形式知道抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压(即螺栓承压)两种情况。

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(1)假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布,一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为:

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式中:

n— 受剪面数目,单剪nv =1;双剪n=2;

d  — 螺栓杆公称直径;

fv— 螺栓的抗剪强度设计值。

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(2)螺杆受剪的同时,孔壁与螺杆柱面发生挤压,挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗,板件相对较薄,薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时,假定挤压力沿栓杆直径平面(实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分)均匀分布,则单栓承压设计承载力:

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式中:

fc— 螺栓承压强度设计值;

∑t — 连接接头一侧承压构件总厚度a+b+c和d+e的较小值。

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一个抗剪普通螺栓的承载力设计值:

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受横向力的螺栓组连接的计算

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受剪螺栓连接受横向力作用的计算,计算的目标是确定螺栓数目n和排列方式。

4.1 连接所需螺栓数目(假设每个螺栓的受力相同)

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a.  l≤ 15d0情况:

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式中:

n — 所需螺栓数;

N — 横向力;

Nbmin — Nv和 Nc中之较小值。

b.  l1>15d0情况:

此时,螺栓剪力分布明显不均,距外力N最近的一排螺栓受力最大,会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保证其安全,将单个螺栓承载力乘降低系数。

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4.2  构件净截面强度验算公式

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N —连接件或构件验算截面上的横力设计值;

An —连接件或构件在验算截面上的净截面面积;

f —钢材的抗拉(或抗压)强度设计值。

a. 螺栓并列排列:

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连接构件的不利截面为I-I:

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盖板的不利截面为II-II:

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b. 螺栓错列排列:

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除对1-1截面(绿线)验算外,还应对2-2截面(粉红)进行比较验算。

2-2粉红线总长:

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扣除螺孔直径后:

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n— 粉红线截面上的螺孔数

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