普通螺栓连接在复杂受力下的强度分析

普通螺栓连接在复杂受力下的强度分析

王建宇  

武汉市中心工程检测有限公司 湖北 武汉 430000

摘要：螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接，螺栓连接方法是钢材结构主要使用的连接方法之一。为了保证钢材连接的稳定性，对于螺栓在不同情况下的受力情况需要计算调查清楚，[1]不同的设计和不同的安装布置方法都会影响到最终螺栓组的载荷能力。本文以普通螺栓为研究点，分析研究普通螺栓在复杂情况下的不同受力情况，来判定普通螺栓的强度。

关键词：普通螺栓；螺栓组链接；螺栓受力分析

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．检查螺栓组结合面的工作能力。

5．确定螺栓需要的预紧力是否恰当

首先测量螺栓公称直径，确定所需数值。再选择螺栓类型，测量长度，确定精度，并选择与之相对应的螺母和垫圈，确定好一切零件所需求的结构和尺寸备用。其次，根据底板厚度，全面考虑制定将螺栓固定在立柱上的方法，准备好防松装置。

二．螺栓组链接的结构设计

想要使螺栓与接合面之间应力均匀，在设计螺栓组的链接结构时就应当注意连接结合面的几何形状和螺栓的具体布置方式。在整个设计过程中应当综合考虑以下5个方面，便于加工和装配。

1）连接结合面的几何形状以轴对称的简单几何图形为佳，在设计时，通常采用圆形、环形等。螺栓组有对称中心，连接结合面如果采用轴对称图形，则会出现形心，两心重合会使得接合面受力较为均匀，稳定性高。而且对称图形便于加工制造，也降低了安装布置的难度。

2）布置螺栓组时要考虑到每个螺栓的受力，要使其应力合理。当链接铰孔螺栓时，要注意与工作载荷平行的螺栓排数，数目不得超过八个，以免载荷分布不均。螺栓的位置可以根据螺栓承载力的要求不同进行移动，当螺栓连接承受弯矩或扭矩时，螺栓应适当远离连接接合面中心，向边缘移动，扩大受力面积，减小螺栓的应力。

当需要承受的载荷较大时，应当考虑用不同的剪切件来分担载荷，如用销、键、套筒等分担横向载荷。灵活使用剪切件能够减小螺栓的预紧力，便于控制螺栓尺寸。

3）布置螺栓时要注意螺栓间间距和螺栓与边缘距离的合理性。布置螺栓时，应根据扳手所需活动空间的大小确定螺栓轴之间以及螺栓轴与车身壁之间的最小距离。

4）当螺栓分布在同一圆周上时，其数量应该取用偶数，如4、6和8。同时，这一螺栓组所使用的螺栓应当在材料、直径和长度上完全相同，以便于在圆周上钻孔时进行索引和画线，方便操作。

5）注意螺栓的承载力，避免附加弯曲载荷。螺栓的承载力是固定的，想要避免弯曲载荷的附加承受，需要保证载荷在结构上不会偏心。而在工艺上，还需要确保被连接件、螺母和螺栓头部等组件的支承面的平整度，螺栓轴线要保证垂直于支承面。当铸、锻件的表面粗糙不满足安装条件时，应当使用凸台或沉头座辅助安装。当支承面不能保证水平时，应当采用角度合适的斜面垫圈使组件稳定。

三．螺栓组链接的受力分析

常见螺栓组链接受力有：

1)受横向载荷的螺栓组联接

2)受转矩的螺栓组联接

3)受轴向载荷的螺栓组联接

4)受倾覆力矩的螺栓组联接

螺栓组受力分析的主要根据是螺栓组链接的结构和载荷，为了计算出螺栓组中受力最大的螺栓及其受力大小，从而得出螺栓连接的强度，现假设所有计算中的螺栓材料、直径、长度和预紧力完全相同；螺栓组对称中心和连接结合面的形心完全重合；螺栓组受载后的连接结合面仍然平整。针对以上四种螺栓受载的典型情况，利用简化方法进行计算分析和讨论，并得出以下结果。

1)横向载荷下的螺栓组连接

观察横向载荷下的螺栓组链接的后视图。该螺栓组链接由四个螺栓组成，横向荷载作用线垂直于螺栓轴，并穿过螺栓组的对称中心。当普通螺栓用于螺栓杆和孔壁之间的连接时，结合面之间通过摩擦产生对于横向荷载打的抵抗力；当铰孔与螺栓连接时，应当剪切和挤压螺栓杆以抵抗横向荷载。虽然两种螺栓的传力方式不同，但可以近似地认为，在总横向载荷f∑的作用下，每个螺栓承受的工作载荷是相等的。

2)受转矩的螺栓组联接

螺栓组中，在联接接合面内的转矩t发挥作用。底板在转拒t的作用下，会绕着螺栓组对称中心o还有与接合面相垂直的轴线发生转动。防止底板转动的方法有两个：普通螺栓连接和铰制孔用螺栓联接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。

普通螺栓依靠链接之后拧紧的与接合面产生的摩擦力来抵抗转矩t。假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为qp，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等，再假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。根据公式可以计算每个螺栓所需要的预紧力。从公式计算中获得预载QP，还需要根据公式检查螺栓的强度之后，才能正式投入使用。

采用铰制孔用螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，各螺栓所受r的横向工作剪力和各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的连线相垂直。为了求得各螺栓的工作剪力的大小，计算时假定底板为刚体，受载后接合面仍保持为平面。则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大。如果各螺栓的剪切刚度相同，则螺栓的剪切变形量越大时，其所受的工作剪力也越大。用分别表示第1个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中心的距离，则能够得到作用在底板上的需要平衡的力矩。

通过联解式，可求得受力最大的螺栓的工作剪力。凸缘联轴器，是承受转矩的螺栓组联接的典型部件。根据不同螺栓的受力分析情况和螺栓连接的类型需要代入不同的公式进行计算并获得最接近真实情况的结果。

四．螺栓强度计算

1．仅承受预紧力的紧螺栓联接

拉伸强度条件为：

QN式中：p—螺栓所受预紧力。

2. 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接

①拉伸强度条件为：

QN式中：—螺栓总拉力。螺栓总拉力的计算：Q=Qp+[Cb/(Cb+Cm)]·F 式中：Cb/(Cb+Cm)称为螺栓的相对刚度，一般设计时，可按下表推荐的数据选取。螺栓的相对刚度Cb/(Cb+Cm)  被联接钢板间所用垫片类别Cb/(Cb+Cm)  金属垫片（或无垫片）0．2～0.3  皮革垫片0．7  铜皮石棉垫片0．8  橡胶垫片0．9  ②疲劳强度计算

对于受轴向变载荷的重要联接，应对螺栓的疲劳强度作精确校核，计算其最大应力计算安全系数：——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限，MPa ，值见-1tc——试件的材料特性，即循环应力中平均应力的折算系数，对于碳素钢，=0.1—0.2，对于合金钢，=0.2—0.3；—KkK—拉压疲劳强度综合影响系数，如忽略加工方法的影响，则=/，此处为有效应力集中系数，为尺寸σ数；S ——安全系数。

3．承受工作剪力的紧螺栓联接

螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为式中：

F ——螺栓所受的工作剪力，N；d——螺栓剪切面的直径（可取为螺栓孔的直径），mm；0LdL——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，mm，设计时应使1.25；minmin0[σ]p——螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa ；[τ] ——螺栓材料的许用切应力，MPa 。有效应力集中系数。

总结：设计结构不同，螺栓的材料、直径、长度不同都会影响到螺栓组的最终承受能力。当一切客观因素相同时，在计算过程当中，不同的载荷受力情况下，对于螺栓组的受力分析所用公式也有所不同。具体情况还是应当要具体分析，得出的客观结论才能更好地确保螺栓组的承受能力和使用寿命。

参考文献：

[1]苏德利,刘文顺,孙久艳. 普通螺栓连接在复杂受力下的强度分析[J]. 河南城建学院学报,2011,20(04):16-18.