螺栓连接件设计及受力分析：轴向力与横向力的影响

螺栓紧固件是成组使用的，其设计一般先确定配合面形状、螺栓分布、连接结构和螺栓数量，然后根据螺栓组内各螺栓所受的外载荷（力、扭矩）分析其受力情况，找出受力最大的螺栓，计算其大小和方向，再对螺栓受力进行强度计算，根据强度计算结果确定螺栓直径。

连接点所受力主要分为轴向力和横向力，轴向力是与螺栓轴线一致的力方向，横向力是垂直于螺栓轴线的力方向。连接点经常受到复合力的作用，轴向力有使连接件分离的趋势，或者使连接件的夹紧力减小，从而削弱抵抗横向力的能力。因此，在分析过程中，先用零件的夹紧力减去轴向载荷的影响，再判断在横向力作用下是否会发生滑移。

今天给大家介绍普通螺栓连接点受力分析，针对以侧向力为主的工况，讲解螺栓在剪力作用下的失效模式、工作状态、单个普通螺栓的抗剪承载力计算、剪力螺栓组连接计算，为受侧向力作用的螺栓组连接设计提供良好的计算依据。

01 常见螺栓连接点受力分析

1.1 螺栓连接受横向力—外力垂直于螺栓轴线

1.2 受拉（受压）螺栓连接-外力与螺栓轴线平行

1.3 承受横向力和拉力的螺栓连接

02 普通螺栓在侧向力作用下的五种失效模式

a. 螺栓剪切 - 当螺栓直径较小且板材较厚时可能发生故障。

b.孔壁受挤压破坏——当螺栓杆直径较大、板较薄时，可能发生破坏。由于螺栓杆与扳手的挤压是相对的，因此这种破坏常称为螺栓压力破坏。

c. 板材被拉开 - 当横截面被过度削弱时可能发生故障。

d.板端部发生剪切破坏——端部距离a太小时可能发生破坏。结构保证措施：端部距离a不应小于2d0。

e.螺栓杆弯曲失效——螺栓杆过长时可能产生的失效。结构保证措施：螺栓杆长度不宜大于5d。

前三种失效模式可通过计算解决，后两种失效模式由施工要求保证。失效类型c属于构件强度失效，因此剪切螺栓连接计算仅考虑失效类型a和b。

03 单个螺栓在侧向力作用下的工作状态

3.1 螺栓工作分为三个阶段如下图所示：

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

b.相对滑移阶段（1-2）：传递的侧向力大于摩擦力，连接板间发生相对滑移，最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙。

c.弹塑性工作阶段（2之后）：螺钉接触并挤压孔壁，剪切变形迅速增加，直至连接最终破坏。

3.2 单个普通螺栓抗剪承载力计算

从破坏模式我们知道，剪切螺栓的承载力取决于两个条件：螺栓杆的剪切和孔壁上的压力（也就是螺栓上的压力）。

（1）假定螺栓剪切面上的剪应力均匀分布，则剪切螺栓的抗剪承载力设计值为：

在哪里：

nv — 剪切面数量，单剪切 nv = 1；双剪切 nv = 2；

d——螺栓杆公称直径；

fvb——螺栓剪切强度设计值。

（2）螺钉受剪时，孔壁及螺钉圆柱面受到挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺钉较粗、板材较薄时，薄板的孔壁可能受到挤压而损坏。计算压力时，假定挤压力沿螺栓直径平面（实际上是螺栓直径平面对应的孔壁部分）均匀分布，则单个螺栓压力设计承载力为：

在哪里：

fcb ——螺栓抗压强度设计值；

∑t —— 连接接头一侧承压构件厚度总和a+b+c、d+e中较小值。

常用剪力螺栓的承载力设计值为：

04 横向力作用下的螺栓组连接计算

计算受侧向力作用的剪切螺栓连接。计算的目的是确定螺栓的数量 n 及其布置。

4.1 连接所需螺栓数量（假设每个螺栓受力相同）

a.l1≤15d0：

在哪里：

n——所需螺栓数量；

N——横向力；

Nbmin — N​​vb 和 Ncb 中较小的值。

b. l1＞15d0：

此时螺栓的剪力分布明显不均匀，距离外力N最近的一排螺栓受力最大，将最先发生破坏，然后逐排向内破坏，为保证其安全，在单个螺栓的承载力上要乘以一个折减系数。

4.2 构件净截面强度计算公式

N ——连接件或部件检验段横向力的设计值；

An——检定段上的连接件或部件的净截面积；

f ——钢材的抗拉（或抗压）强度设计值。

a.螺栓平行排列：

连接件的不利截面为II：

封面不利部分为II-II：

b.螺栓交错布置：

除了检查1-1部分（绿线）外，还应对2-2部分（粉色）进行比较检查。

2-2 粉线总长度：

扣除螺丝孔径后：

n2 — 粉色线段螺丝孔数量