《螺栓校核》课件

螺栓校核技术与工程应用螺栓连接作为现代工程中最重要的连接方式之一，其可靠性直接关系到结构安全和设备运行稳定性本课程将系统介绍螺栓校核的基础理论、计算方法与工程应用，涵盖机械设计与土木工程领域的核心技术要点通过理论学习与实际案例分析相结合的方式，帮助工程技术人员掌握螺栓连接设计的科学方法，提高工程质量和安全水平课程内容既注重理论基础的系统性，又突出实际应用的实用性课程内容大纲1理论基础模块2计算方法模块螺栓连接基本概念、相关设计详细计算步骤、典型工程案规范、校核方法原理例、专业软件应用技巧3工程实践模块常见问题分析、技术发展趋势、实际工程应用指导螺栓连接技术概述应用广泛性复杂受力特性螺栓连接是机械设备和建筑结构中采用最为广泛的联接形式之一，螺栓连接需要承受拉力、剪切力、预紧力以及各种复合作用力不具有装拆方便、连接可靠、成本经济等显著优点在现代工程中几同工况下的受力机制差异较大，需要针对性的分析和校核方法乎无处不在螺纹及螺栓基本参数螺纹类型系统关键尺寸参数强度等级标准公制螺纹（M系列）和英制螺纹螺距决定了螺纹的密度，牙型角影响螺

8.8级、

10.9级、

12.9级等是常用的螺栓（UNC、UNF等）是最常用的螺纹类纹的强度，名义直径是螺栓规格的主要强度等级标识第一个数字乘以100表型公制螺纹以毫米为单位，英制螺纹标识这些参数直接影响螺栓的承载能示抗拉强度，第二个数字乘以10表示屈以英寸为单位，两者在牙型角度和螺距力和连接性能强比百分数计算方面存在差异螺栓校核的根本目的强度安全保障防止多种失效优化设计参数确认螺栓连接设计能够预防螺栓断裂、连接滑通过系统校核为螺栓选满足实际工程的强度要移、螺栓松动等各种潜型、预紧力控制、防护求和安全系数标准，避在的失效模式，确保连措施等设计决策提供科免因承载能力不足导致接的长期可靠性和稳定学依据，实现安全性与的结构失效性经济性的平衡螺栓校核适用范围建筑钢结构桥梁工程高层建筑、大跨度结构的主要连接节点桥梁主体结构和附属设施的螺栓连接设备基础机械设备大型设备与基础结构的锚固连接系统重型机械、精密设备的关键连接部位相关设计规范体系基础设计手册《机械设计手册》提供了螺栓连接的基本理论和计算方法，是工程设计的重要参考资料钢结构设计标准GB50017《钢结构设计规范》规定了建筑钢结构中螺栓连接的设计要求和验算方法高强螺栓规范专门针对高强度螺栓连接的验算要求，包括摩擦型和承压型连接的具体计算方法螺栓受力状态分类受拉状态轴向拉力作用受剪状态横向剪切力作用受弯状态弯矩作用产生复合受力多种力的组合螺栓校核完整流程工况分析阶段明确螺栓类型、使用环境和具体设计工况条件，为后续计算提供准确的基础数据和边界条件受力计算阶段梳理螺栓的受力模式，计算各种载荷组合下的内力，选择合适的材料和强度等级进行匹配分析校核验算阶段实施详细的力学计算，将计算结果与规范限值进行对比，输出校核结果和相应的优化建议螺栓强度理论基础材料力学原理基于弹性理论的强度分析破坏判据断裂、滑移、屈服极限状态强度指标抗拉强度与屈服强度定义螺栓极限承载力计算抗拉承载力基于净截面面积和材料强度的计算公式抗剪承载力考虑剪切面数量和剪切强度的计算方法拉剪协同受剪受拉同时作用的综合校核原理预紧力的重要作用载荷分配预紧力改变螺栓与被连接件之间的载荷分配比例，影响整体受力性能提供摩擦力预紧力在接触面产生正压力，形成摩擦阻力防止构件间的相对滑移防松效果适当的预紧力能够有效防止螺栓在动载荷作用下发生松动现象螺栓危险截面识别75%

0.75螺纹削弱率有效面积系数螺纹处相对于光杆的面积削弱程度螺纹根部有效承载面积与名义面积比值°30应力集中角螺纹根部应力集中的典型角度范围抗拉强度校核原理破坏模式发生位置计算方法螺纹剪切螺纹根部Ft=σt×As杆身拉断光杆截面Ft=σt×A0螺母破坏螺母螺纹考虑螺纹圈数抗剪强度校核方法单剪连接双剪连接螺栓穿过两个构件，形成一个螺栓穿过三个构件，形成两个剪切面剪切面积为螺栓截面剪切面总剪切面积为单剪的积，承载能力相对较低，适用两倍，承载能力显著提高，适于受力较小的连接用于重要受力连接受弯和复合受力校核在特殊工况下，螺栓可能同时承受弯矩、拉力和剪力的复合作用此时需要采用相互作用公式进行校核，确保各种应力的组合效应不超过材料的承载极限复合受力校核通常采用椭圆相互作用公式或线性叠加方法螺栓抗滑移校核（摩擦型）受力机制分析摩擦型连接依靠预紧力产生的摩擦阻力传递剪力，螺栓本身不直接受剪接触面的摩擦系数是关键参数，需要根据表面处理方式确定摩擦系数选取钢材接触面摩擦系数一般在

0.3-

0.5之间，喷砂处理表面可达

0.45-

0.5，普通钢材表面约为

0.3-

0.35系数选取需考虑表面状态和环境条件校核公式应用抗滑移承载力计算公式为Nv=nfμΣP，其中nf为摩擦面数，μ为摩擦系数，P为单个螺栓预紧力计算结果需满足安全系数要求螺栓承压型连接校核适用场景介绍校核计算方法承压型连接允许螺栓与孔壁直接接触传力，适用于永久性连接和受需要分别校核螺栓的抗剪承载力和板件的承压承载力螺栓抗剪按力较大的场合相比摩擦型连接，承载能力更高但变形较大净截面计算，板件承压按接触面积和材料强度计算常用于钢结构主梁连接、设备基础锚栓等重要受力部位，具有承载校核公式包括螺栓抗剪Nv=Av×fvb，板件承压Nc=Σd×t×能力强、构造简单的优点fcb，其中各参数需按规范取值载荷分析与计算假设载荷类型识别传递路径分析恒载包括结构自重和固定设备载荷从作用点通过构件传递到重量，活载包括人员、设备运螺栓连接，需要明确传力路径行载荷，风载和地震载荷属于和分配原则多螺栓连接时要水平作用力，需要按照不同组考虑载荷在各螺栓间的分布规合系数进行计算律简化计算原则工程计算中常采用刚性分配、弹性分配等简化方法需要根据连接刚度、构件尺寸等因素选择合适的计算模型常用计算参数标准螺栓实际受力状态图解剪力传递机制拉力作用路径剪力通过螺栓杆身与孔壁的接触传拉力主要通过螺纹传递给螺母，再递，接触应力分布不均匀，最大应传递到被连接构件螺纹牙的受力力出现在接触边缘孔径配合精度不均匀，前几圈螺纹承受的载荷较直接影响应力分布和承载性能大，设计时需要考虑这种不均匀性装配状态影响螺栓的装配质量直接影响受力性能垫圈的使用、预紧力的控制、螺纹的润滑等因素都会改变螺栓的实际受力状态和失效模式螺纹副载荷分布特征非均匀分布特性螺纹副中载荷分布呈现明显的非均匀性，第一圈螺纹承受约35%的总载荷，前三圈螺纹承受约75%的载荷应力集中现象第一圈螺纹根部是最容易发生破坏的位置，应力集中系数可达

2.0-

3.0，这是螺栓设计和校核的重点关注区域有效螺纹长度增加螺纹啮合长度并不能成比例提高承载能力，一般有效螺纹长度达到螺栓直径的

1.5倍后，增加效果就很有限了现场检测与验证方法扭矩检测法通过测量螺栓拧紧扭矩来控制预紧力，方法简单但精度受摩擦系数影响较大适用于一般工程项目张力直接测量使用张力传感器或液压拉伸器直接测量螺栓轴力，精度高但成本较高适用于重要工程和高精度要求场合实物试验验证通过拉伸试验、剪切试验验证螺栓的实际承载能力，为设计参数提供可靠依据是最终验证设计正确性的有效手段高强度螺栓校核要点材料性能优异抗拉强度达到1000MPa以上装配精度要求预紧力控制精度±10%以内质量标准严格GB/T1228-1229等专门标准专用工具施工扭剪型螺栓需专用工具普通螺栓校核注意事项防松动设计普通螺栓容易在动载荷作用下松动，需要采用有效的防松措施安全系数控制由于制造精度和材料均匀性相对较差，需要采用较高的安全系数定期检查维护需要定期检查预紧力状态，及时发现和处理松动问题校核实例单螺栓受拉计算150kN M20设计拉力螺栓规格单个螺栓承受的轴向拉力公制20毫米螺栓

8.8245mm²强度等级有效面积

8.8级高强度螺栓螺纹处有效承载面积计算步骤首先确定M20螺栓的有效面积As=245mm²，

8.8级螺栓的抗拉强度为800MPa螺栓抗拉承载力Nt=800×245=196kN，大于设计拉力50kN，满足强度要求安全系数为196/50=

3.92，符合设计要求校核实例螺栓受剪计算2基础数据确定双剪连接，M16螺栓，

10.9级，设计剪力V=80kN螺栓截面积A=201mm²，剪切强度取

0.6倍抗拉强度，即600MPa承载力计算双剪面抗剪承载力Nv=2×201×600/1000=

241.2kN单个螺栓可承受的设计剪力为

241.2kN，远大于作用剪力80kN安全性验证安全系数为

241.2/80=

3.01，满足规范要求的

2.5倍安全系数连接设计合理，螺栓规格选择适当校核实例预紧力型高强螺栓3摩擦系数取值喷砂处理钢材表面摩擦系数μ=

0.45，连接板厚度14mm，双面摩擦，摩擦面数节点设计参数nf=2钢梁与钢柱连接，采用M22高强螺栓，

10.9级，设计预紧力P=190kN，摩擦面喷砂处理抗滑移验算单螺栓抗滑移承载力Nv=nf×μ×P=2×

0.45×190=171kN，设计剪力V=120kN，满足Nv≥

1.1V的要求校核实例复合受力节点4受力状态分析节点同时承受拉力N=60kN和剪力V=45kN，采用M20螺栓，

8.8级需要按照拉剪相关公式进行校核验算单独承载力计算抗拉承载力Nt=800×245=196kN，抗剪承载力Nv=480×314=151kN两项承载力均满足单独作用下的要求相关公式校核采用椭圆相关公式N/Nt²+V/Nv²≤

1.0计算得60/196²+45/151²=

0.093+

0.089=

0.

1821.0，满足要求校核实例疲劳工况下的螺栓5疲劳载荷特征疲劳强度验算起重机吊点连接螺栓，承受循环载荷作用最大载荷根据S-N曲线确定2×10⁶次循环下的疲劳强度限值为200MPa螺Fmax=100kN，最小载荷Fmin=20kN，载荷循环次数N=2×10⁶栓应力幅值σa=Fa/As=40000/245=163MPa次考虑平均应力修正后的等效应力σeq=180MPa200MPa，满足载荷幅值Fa=Fmax-Fmin/2=40kN，平均载荷疲劳强度要求建议增加预紧力以提高疲劳性能Fm=Fmax+Fmin/2=60kN，应力比R=Fmin/Fmax=

0.2常用工程软件校核流程三维建模阶段载荷与约束定义在Tekla Structures或定义各种载荷工况和边界条SolidWorks中建立精确的三件，设置螺栓的预紧力、接触维模型，包括螺栓、连接板、关系和摩擦参数确保载荷传被连接构件的详细几何信息和递路径的正确性材料属性设置批量校核计算运行自动校核模块，软件会按照内置的规范标准进行批量计算，生成详细的校核报告和应力分布图软件输出报告解读应力分布图利用率统计表安全系数分析彩色云图显示螺栓和连接区域的应力分布状表格形式显示每个螺栓的承载力利用率，包图表展示各螺栓的安全系数分布情况，帮助态，红色区域表示高应力区，需要重点关括拉力、剪力、预紧力等各项指标利用率识别薄弱环节软件还会提供优化建议，如注最大应力位置通常在螺纹根部或接触边超过90%需要优化设计增大螺栓规格或调整布置缘自动化检测技术前沿智能扭矩系统集成了数字化控制和数据记录功能，能够实时监控预紧力施加过程张力传感装置可以长期监测螺栓预紧力变化，及时发现松动趋势超声波检测技术能够无损检测螺栓内部应力状态，为维护决策提供科学依据多螺栓组连接校核方法节点设计优化策略螺栓排列优化连接刚度匹配合理的螺栓排列能够改善受力分通过调整连接板厚度、螺栓规格和布，减少应力集中应避免螺栓过预紧力大小，实现连接刚度与构件于密集或过于稀疏，保持适当的边刚度的合理匹配，避免局部过载或距和间距，确保载荷传递的均匀刚度突变性构造细节改进采用垫板、加劲肋等构造措施分散载荷，减少局部压力合理设计倒角和过渡圆角，降低应力集中系数典型失效模式分析拉断失效剪断失效滑移失效松动失效螺栓在过大拉力作用下螺栓杆身在剪切力作用摩擦型连接中接触面发螺栓在动载荷作用下逐从螺纹根部断裂，是最下断裂，多发生在单剪生滑移，导致连接失渐松动，预紧力下降导常见的失效模式通常连接或螺栓材质较差的效主要原因是预紧力致连接失效需要采用由设计载荷估计不足或情况下改用双剪连接不足或摩擦系数估计过有效的防松措施予以预材料强度不够引起能有效提高抗剪能力高防防松措施与校核配合机械防松结构防松弹簧垫圈、锯齿垫圈增加摩擦阻力双螺母、开口销防止相对转动摩擦防松化学防松增大预紧力提高摩擦阻力矩螺纹胶、防松涂料增加粘结力高温环境下的螺栓校核材料强度退化高温条件下螺栓材料的抗拉强度和屈服强度显著下降当温度超过300℃时，普通碳钢强度可下降20-30%需要根据实际工作温度选择耐热钢材或特殊合金热膨胀效应分析不同材料的热膨胀系数差异会导致热应力产生螺栓与被连接件的膨胀不协调可能造成预紧力变化，需要在设计中考虑热膨胀补偿措施高温校核方法高温下的强度校核需要采用修正系数，通常为常温强度的

0.7-

0.8倍同时要考虑蠕变效应对长期强度的影响，确保连接的长期可靠性腐蚀与老化条件校核腐蚀等级评估根据环境条件确定腐蚀等级，海洋环境属于C5级腐蚀性，工业大气为C4级不同等级对应不同的截面削弱系数和使用年限防护措施设计采用热镀锌、不锈钢材质或防腐涂层等措施防护层厚度需要根据预期使用年限和腐蚀速率计算确定，确保达到设计使用年限老化系数修正考虑材料老化和截面损失，引入时间相关的强度折减系数一般按照使用年限的平方根关系进行修正，确保结构全寿命期内的安全性弹性与塑性极限界限弹性变形阶段应力与应变呈线性关系，卸载后能完全恢复原状屈服点状态材料开始产生塑性变形，应力达到屈服强度限值失稳破坏临界应力超过抗拉强度，材料发生断裂失效国际与国内规范对比对比项目中国GB美国ASTM欧洲EN安全系数

2.0-

2.

52.5-

3.

01.8-

2.2预紧力系数

0.

70.

750.7摩擦系数

0.

450.

350.5疲劳设计简化方法详细分析分级评估典型工程应用场景桥梁钢结构大跨度桥梁的主桁架连接采用高强度螺栓群，承受巨大的拉力和剪力连接设计需要考虑疲劳荷载、温度变化和风振效应的影响工业厂房重型工业厂房的梁柱连接和设备基础锚栓系统，需要承受生产设备产生的动载荷和振动螺栓规格通常较大，预紧力控制要求严格设备基础大型机械设备与混凝土基础的锚固连接，承受设备运行时产生的各种载荷需要考虑混凝土徐变、温度应力和设备振动的长期影响规范条文常见误区限制条件误解公式误用案例错误理解规范中的适用范围和混淆不同类型螺栓的计算公限制条件，将特定工况下的公式，如将普通螺栓公式用于高式盲目应用到其他场合需要强螺栓计算各种连接类型有仔细阅读规范说明和适用条其特定的计算方法和参数取件值规范理解方法建议结合条文说明和工程实例学习规范，关注规范的修订动态遇到疑问时应查阅权威解释或咨询专家意见螺栓校核与经济性分析15%材料成本占比螺栓成本在总连接成本中的比例

2.3成本效益比高强螺栓相对普通螺栓的成本比值30%施工效率提升标准化设计带来的施工效率改善年5投资回收期采用优质螺栓减少维护的经济效益经济性分析需要综合考虑初始投资、施工成本、维护费用和使用寿命等因素虽然高强螺栓单价较高，但其承载能力强、可靠性好，能够减少螺栓数量和维护工作量，从全寿命周期角度具有更好的经济性特殊结构接头校核异形节点设计空间曲面、斜接节点等复杂几何形状的连接，需要三维受力分析和专门的计算方异种材料连接法，通常采用有限元分析钢材与铝合金、钢材与复合材料的连接需要考虑材料性能差异和电化学腐蚀问题，采用绝缘垫片或特殊涂层新型连接方式预应力螺栓、可拆卸胶接连接等创新技术，需要建立相应的设计理论和校核方法，推动规范标准的更新发展新材料螺栓发展趋势高性能钢材如超级双相不锈钢具有优异的耐腐蚀性和强度钛合金螺栓重量轻、强度高，适用于航空航天领域碳纤维复合材料螺栓具有良好的疲劳性能形状记忆合金螺栓能够实现自适应预紧力调节这些新材料的应用推动了螺栓技术的发展和相关标准的制定螺栓校核答疑精选常见技术问题实用计算提醒问为什么高强螺栓不能重复使用？抗拉公式Nt=As×ft，其中As为有效面积，ft为抗拉强度设计值答高强螺栓在拧紧过程中螺纹已接近屈服状态，重复使用可能导致预紧力不足或断裂抗剪公式Nv=nv×Ab×fv，其中nv为剪切面数，Ab为螺栓截面积问如何确定螺栓的最小边距？相关公式Nt/Ntb²+Nv/Nvb²≤

1.0，用于拉剪复合受力校答一般不小于

1.5倍螺栓直径，具体需根据板件厚度和材料强度核确定课后练习与作业安排基础计算题工程应用题案例分析题给定M24螺栓，

8.8级，承受拉力某钢结构节点采用4个M20高强螺栓连分析某工程螺栓松动事故案例，从设120kN，计算安全系数要求写出详细接，承受剪力200kN，弯矩计、施工、使用等角度找出问题原因，计算步骤，包括有效面积查表、强度取150kN·m要求进行完整的受力分析和提出改进措施和预防方法值和安全系数判断校核计算。