螺栓连接是现代钢结构施工中的基础连接方式，因为它能够使梁、柱、支撑、连接板以及其他构件安全传递作用力，同时便于加工制造和现场安装。然而，仅根据螺栓直径进行选择，并不能保证连接能够承受设计荷载。螺栓材料、荷载方向、剪切面数量、螺纹位置、钢板几何形状、孔洞布置以及周围连接构件都会影响实际承载能力。

螺栓承载力设计用于评估结构螺栓能否安全承受剪力、拉力或两者的组合。设计人员还必须检查周围钢板、螺栓孔、边距、连接几何形状以及荷载分布，因为螺栓本身只是完整荷载传递路径中的一个组成部分。

本文介绍结构螺栓在不同荷载条件下如何进行承载力评估，为什么组合荷载需要进行相互作用验算，以及哪些详图设计、制造和安装因素可能控制连接的最终承载能力。

什么是螺栓承载力设计？

螺栓承载力是指结构螺栓在特定荷载条件下能够提供的抗力。根据连接形式不同，螺栓可能主要承受剪力、轴向拉力，或者同时承受剪力和拉力。

可用承载力取决于多个因素，包括：

• 螺栓直径
• 螺栓等级和材料强度
• 临界截面处是否为螺纹段
• 剪切面数量
• 连接几何形状
• 孔洞类型和尺寸
• 适用情况下的螺栓预拉力
• 钢板厚度和材料强度
• 适用的结构设计规范

因此，合理的设计需要将每个螺栓所承受的作用力，与螺栓自身以及周围连接构件所能提供的抗力进行比较。

螺栓承载力与连接承载力

螺栓强度不应与整个连接的承载能力混为一谈。高强度螺栓可能具有较高的抗剪或抗拉能力，但与其连接的钢板可能首先发生承压破坏、撕裂、净截面断裂、块体剪切破坏或局部屈服。

整个连接的承载能力由其中最薄弱的控制性失效模式决定。因此，螺栓计算必须与钢板设计、构件强度、焊缝、加劲肋以及整体荷载传递路径协调考虑。

作用于结构螺栓的主要荷载类型

剪切荷载

当作用力主要垂直于螺栓轴线时，就会产生剪切。相连钢板试图相对滑动，使螺栓通过一个或多个剪切面抵抗横向作用力。

典型例子包括梁拼接连接、腹板连接板、搭接连接、支撑连接以及其他承受剪切荷载的钢结构连接。

当仅有一个临界剪切面穿过螺栓时，螺栓承受单剪；当两个剪切面穿过螺栓时，则为双剪。有效剪切面的数量会直接影响可用承载力。

拉力荷载

当作用力大致平行于螺栓轴线并试图将连接构件拉开时，螺栓会受到拉力。这种情况常见于端板连接、翼缘连接、抗弯连接、柱脚底板以及其他会产生分离作用力的结构节点。

螺栓必须通过其有效受拉面积抵抗轴向拉力。根据连接几何形状不同，由于连接板变形，还可能在螺栓中产生额外拉力。

剪力与拉力组合

许多实际结构连接并不会仅承受纯剪力或纯拉力。由于偏心、弯曲、框架作用或连接几何形状，螺栓可能同时承受横向剪力和轴向拉力。

在这种情况下，通常不能认为螺栓的全部抗剪承载力和全部抗拉承载力可以分别独立使用，而必须评估两种作用之间的相互影响。

螺栓抗剪承载力

螺栓如何抵抗剪力

在承压型连接中，当相连钢板压靠在螺栓上时，剪力通过螺栓杆传递。螺栓抵抗横向变形，而螺栓孔周围的钢板则抵抗承压作用。

因此，设计必须同时考虑螺栓的抗剪能力以及连接材料的承压能力。

单剪与双剪

在单剪连接中，一个剪切面穿过螺栓。典型的搭接连接就是一个简单例子。在双剪连接中，螺栓穿过三层连接材料并形成两个剪切面。

由于多个剪切面共同参与抵抗荷载，当周围构件也具有足够承载能力时，双剪连接可以提供更高的螺栓总抗剪能力。

剪切面内的螺纹

螺栓螺纹部分的位置会影响其抗剪承载力。当螺纹位于临界剪切面内时，有效抗剪面积可能小于剪切面通过完整螺栓杆时的面积。

因此，螺栓长度、夹持长度以及连接详图设计都是结构设计的重要组成部分，而不仅仅是加工制造方面的选择。

影响螺栓抗剪承载力的因素

主要因素包括：

• 螺栓直径
• 螺栓材料强度
• 剪切面数量
• 螺纹位置
• 连接构造形式
• 孔洞几何形状
• 适用的抗力系数或安全系数

可靠的螺栓承载力设计需要将这些条件与相连钢板的承载能力一起进行检查。

螺栓抗拉承载力

结构螺栓如何抵抗拉力

当螺栓承受拉力时，轴向力沿螺栓长度方向产生，并试图将其拉长。螺纹部分的有效受拉面积通常小于螺栓杆毛截面面积，因此是承载力计算中的重要因素。

结构设计必须确保，在应用相应设计系数后，实际拉力需求不超过螺栓允许的抗拉承载力。

螺栓受拉失效

可能的受拉失效机制包括：

• 螺栓屈服
• 拉伸断裂
• 螺纹剥离
• 螺栓过度伸长
• 螺纹区域局部损伤

正确选择螺栓等级并按照要求安装，是实现结构计算中假定承载能力的必要条件。

撬力作用

撬力作用可能使螺栓中的拉力高于简单平衡计算得到的直接拉力。当柔性端板、翼缘或连接板发生弯曲，并在螺栓附近产生附加反力时，就会出现这种作用。

这种现象在端板连接和翼缘连接中尤其重要。如果忽略撬力作用，螺栓的实际受力需求可能明显高于计算得到的直接拉力。

影响螺栓抗拉承载力的因素

• 螺栓直径
• 螺栓等级
• 有效拉应力面积
• 螺纹状态
• 螺栓预拉力
• 钢板刚度
• 连接几何形状
• 撬力效应

螺栓中的剪力与拉力组合

为什么组合荷载需要进行相互作用验算

同时承受剪力和拉力的螺栓，会分别使用其一部分可用强度抵抗两种作用。随着剪力需求增大，可用于抵抗拉力的有效能力会降低，反之亦然。

因此，结构设计规范通常采用相互作用关系或利用率验算，以判断组合受力状态是否仍然满足要求。

剪力与拉力之间的相互作用

螺栓可能承受多种荷载组合：

• 低剪力和高拉力
• 高剪力和低拉力
• 中等剪力和中等拉力
• 同时承受较高剪力和拉力，接近相互作用极限

允许的关系取决于适用的设计规范和螺栓类型。设计人员不应认为分别通过抗剪和抗拉验算，就自动意味着组合受力状态是安全的。

典型的剪拉组合受力连接

组合荷载常见于：

• 抗弯端板连接
• 支撑连接
• 偏心托架
• 柱拼接连接
• 柱脚底板锚栓组件
• 设备支承结构

螺栓孔周围的承压承载力

即使螺栓本身具有足够的抗剪承载力，如果周围钢板无法承受承压作用，该连接仍可能不满足要求。当螺栓压靠在孔壁一侧时，钢板内部会产生集中应力。

钢板承压破坏

过大的承压应力可能导致局部压溃、永久变形或螺栓孔被拉长。钢板承压承载力取决于材料强度、钢板厚度、螺栓直径、边距、间距以及孔洞几何形状。

边缘撕裂

当螺栓距离钢板边缘过近时，螺栓孔与自由边之间的材料可能发生撕裂。仅提高螺栓强度并不能防止这种失效。

因此，必须提供足够的边距，使螺栓作用力能够通过足够长度的材料传递至钢板。

螺栓间距

螺栓布置过密可能导致应力区域重叠，并降低连接钢板的有效性。合理间距对于加工、安装、紧固和检查同样十分重要。

螺栓组承载力

 

多个螺栓之间的荷载分配

许多连接采用多个螺栓组成的螺栓组，而不是单个紧固件。在简单中心受力且连接刚度足够的情况下，可以理想化地认为总作用力在各个螺栓之间分配。

然而，当连接发生变形、荷载存在偏心或某些螺栓距离转动中心更远时，实际作用力分配可能发生变化。

偏心受力螺栓组

当作用力不通过螺栓组形心时，会同时产生直接剪力和弯矩。该弯矩会引起附加作用力，而附加力的大小取决于每个螺栓的位置。

距离螺栓组形心较远的螺栓可能承受比靠近中心的螺栓更大的作用力。因此，简单地将总荷载除以螺栓数量可能会低估实际需求。

螺栓组几何形状

重要的几何参数包括：

• 螺栓数量
• 螺栓行数和列数
• 螺栓间距
• 横向螺栓间距
• 边距
• 螺栓组形心
• 作用力方向和偏心距

高强度螺栓与预拉力

承压型螺栓连接

在承压型连接中，作用力最终通过螺栓与相连钢板之间的接触传递。根据孔洞几何形状和安装条件，在完全形成承压作用之前可能出现少量相对位移。

摩擦型连接

摩擦型连接的设计目标是使荷载最初通过相连接触面之间的摩擦传递。螺栓预拉力将钢板夹紧，使摩擦力能够抵抗相对滑移。

此类连接的承载能力不仅取决于螺栓强度，还取决于接触面状态、预拉力水平、孔洞类型以及摩擦面的数量。

什么时候预拉力变得重要？

当需要控制连接滑移、振动、疲劳或反复荷载反向时，预拉力尤其重要。典型应用包括：

• 桥梁连接
• 起重机支承结构
• 对振动敏感的设备框架
• 疲劳敏感连接
• 承受重复或反向荷载的连接

常见螺栓失效模式

螺栓剪切破坏

当横向作用力超过可用抗剪承载力，并使螺栓沿一个或多个剪切面断裂时，就会发生螺栓剪切破坏。

螺栓拉伸断裂

当轴向拉力超过螺栓可用抗拉强度时，会发生拉伸断裂，通常发生在有效螺纹截面处。

剪拉组合破坏

即使单独的剪力和拉力数值看似满足要求，组合利用率仍可能超过允许的相互作用极限。

承压破坏

螺栓与钢板之间过大的压力可能使孔洞变形，或压溃周围材料。

边缘撕裂

边距不足可能导致螺栓孔与自由边之间的钢板材料被撕裂。

螺纹失效

不正确的螺栓与螺母组合、螺纹损坏、啮合长度不足或荷载过大，都可能导致螺纹剥离或局部螺纹破坏。

连接板失效

钢板可能在螺栓失效之前发生净截面断裂、块体剪切、局部屈服、承压破坏或撕裂。这说明仅根据螺栓本身的抗力无法确定整个连接的承载能力。

螺栓承载力设计的重要考虑因素

螺栓等级

更高强度等级的螺栓通常具有更高的名义承载力，但更高强度的螺栓并不会自动形成更强的连接。钢板强度、厚度、孔洞几何形状以及支承构件承载能力仍可能控制设计。

螺栓直径

增加螺栓直径通常可以提高螺栓的抗剪和抗拉能力。然而，更大直径的螺栓需要更大的孔洞，这会减少连接钢板的净截面面积，并可能影响螺栓间距和边距要求。

钢板厚度

薄钢板可能在高强度螺栓充分发挥其承载能力之前，就先发生承压变形、撕裂或局部屈服。

孔洞类型

根据结构和安装要求，钢结构螺栓连接可以采用标准孔、扩大孔或长圆孔。孔洞几何形状可能影响承压性能、抗滑移性能、可用净截面面积以及安装公差。

边距与间距

合理的螺栓间距和边距不仅能够提供足够的材料用于传递作用力，也有利于实际加工、安装和检查。

连接几何形状

偏心、螺栓布置、荷载方向、构件刚度以及连接形式都会影响作用力在各个螺栓和周围钢板之间的分配。

静载、循环荷载与疲劳荷载下的螺栓承载力

静载

静力连接主要根据恒定或缓慢变化荷载下的强度进行评估。控制性验算通常包括螺栓抗剪、螺栓抗拉、承压、钢板失效以及连接稳定性。

重复与循环荷载

起重机结构、机械设备支撑、抗震系统以及其他结构可能承受重复或反向作用力。这些情况可能影响螺栓预拉力、滑移行为以及应力分布。

疲劳考虑

即使连接的最大作用力低于其静力强度，也可能发生疲劳。重复的应力幅可能在多次加载循环中引发裂纹，或逐渐损伤连接构件。

因此，在疲劳敏感应用中，预拉力、抗滑移性能、连接刚度、孔洞几何形状以及应力集中都会成为重要考虑因素。

螺栓承载力设计流程

步骤 1 — 确定作用力

确定作用于连接上的所有相关剪力、拉力、弯矩、偏心以及组合荷载。

步骤 2 — 初步选择螺栓尺寸和等级

根据预期结构需求和连接类型，初步选择螺栓直径、等级和布置形式。

步骤 3 — 验算螺栓抗剪承载力

综合考虑材料强度、剪切面数量、螺纹位置以及连接形式，评估螺栓抗剪能力。

步骤 4 — 验算螺栓抗拉承载力

评估螺栓直接拉力，并在适用情况下考虑撬力等附加作用。

步骤 5 — 验算剪力与拉力组合

当两个作用力分量同时作用于同一螺栓时，应进行所要求的相互作用验算。

步骤 6 — 验算钢板与孔洞承载力

评估承压、边缘撕裂、净截面断裂、块体剪切以及其他钢板失效模式。

步骤 7 — 验算螺栓组性能

确认所假定的作用力分配方式适用于中心受力或偏心受力情况。

步骤 8 — 验证详图设计与施工可行性

检查螺栓间距、边距、安装净空、扳手操作空间、安装公差、紧固要求以及检查空间。

制造与安装考虑因素

孔洞加工

螺栓孔可以采用钻孔、冲孔、CNC加工或其他经批准的制造方式完成。准确的孔洞尺寸和位置对于实现合理装配以及满足设计假定的连接几何形状十分重要。

螺栓安装

安装团队应在完成连接之前核实螺栓等级、直径、螺母、垫圈、安装方向、孔洞对中情况以及紧固要求。

预拉紧

当设计要求螺栓预拉紧时，应采用经批准的安装程序，以达到所需夹紧力。安装方法、校准、螺栓状态和检查应符合项目控制要求。

检查

检查内容可能包括：

• 核实螺栓标识和等级
• 确认螺栓直径和数量
• 检查螺母和垫圈
• 检查损坏或污染的螺纹
• 核实紧固或预拉紧状态
• 检查螺栓孔对中情况
• 确认安装所需操作空间

XTD Steel Structure 将连接详图设计与受控加工制造及尺寸检查相结合，以帮助确保螺栓连接构件能够按照预期的结构配置进行装配。

常见螺栓设计错误

以下常见错误可能降低螺栓连接的可靠性：

• 检查螺栓抗剪而忽略钢板承压
• 忽略撬力作用产生的螺栓拉力
• 当组合相互作用控制设计时，仍分别独立检查剪力和拉力
• 假定偏心螺栓组中作用力均匀分配
• 忽略剪切面内螺纹的位置
• 边距不足
• 螺栓间距过小
• 指定错误的螺栓等级
• 使用扩大孔或长圆孔却未评估其结构影响
• 忽略疲劳或循环荷载
• 安装操作空间不足
• 认为提高螺栓强度会自动提高整个连接的承载能力

螺栓承载力设计的结构应用

钢结构建筑

螺栓连接广泛应用于钢结构中的各类部位，包括梁柱节点、柱拼接、支撑系统、屋面框架以及次要结构连接。

根据结构作用力在框架中的传递方式，不同连接中的螺栓可能主要承受剪力、拉力或组合荷载。

工业建筑与工厂

工业设施在起重机支承框架、设备平台、生产厂房、夹层结构、维修结构以及机械设备支撑中广泛使用结构螺栓。这些应用可能涉及振动、偏心荷载或重复作用力，因此需要比基本静力螺栓验算更全面的设计。

钢结构仓库

门式刚架仓库在主体刚架、屋面支撑、墙面支撑、檩条系统、拼接节点和次结构中使用螺栓连接。高效的详图设计可以减少现场焊接并加快结构安装。

桥梁与基础设施

桥梁结构在拼接、桁架节点、交叉支撑、横隔构件以及其他高荷载连接中使用高强度螺栓。由于交通荷载反复作用，疲劳和抗滑移性能可能尤其重要。

塔架与设备结构

通信塔、输电塔、管廊、工业平台以及机械设备支承框架经常采用螺栓连接，因为这些结构可以分段制造并在现场高效装配。

常见问题

什么因素决定螺栓承载力？

螺栓承载力取决于螺栓直径、材料等级、荷载方向、剪切面数量、螺纹位置、连接几何形状、孔洞类型以及适用的结构设计规范。相连钢板和周围构件也必须进行检查。

螺栓抗剪承载力与抗拉承载力有什么区别？

抗剪承载力用于抵抗主要垂直于螺栓轴线的作用力，而抗拉承载力用于抵抗沿螺栓轴线作用并试图将相连构件拉开的作用力。

螺栓可以同时承受剪力和拉力吗？

可以。结构螺栓可以同时承受剪力和拉力，但组合受力状态必须满足适用设计规范中的相互作用要求。

更大的螺栓一定能形成更强的连接吗？

不一定。更大的螺栓可以提供更高的名义螺栓承载力，但钢板仍可能由承压、净截面断裂、块体剪切、边缘撕裂或其他连接失效模式控制。

承压型螺栓连接与摩擦型连接有什么区别？

在承压型连接中，相对滑移发生后，荷载主要通过螺栓与钢板之间的接触传递。在摩擦型连接中，预拉紧螺栓产生夹紧力，使相连接触面之间的摩擦力抵抗滑移。

结论

螺栓承载力设计不仅仅是检查结构螺栓的名义强度。可靠的连接还必须考虑抗剪承载力、抗拉承载力、组合荷载、承压、螺栓组性能、钢板失效模式、预拉力、连接几何形状以及安装要求。

控制性承载能力可能来自螺栓、钢板、螺栓孔或连接中的其他部位。将螺栓连接视为完整的荷载传递系统，有助于工程师避免局部失效，并确保作用力能够安全地通过结构传递。

因此，协调的工程设计、精确的加工制造、受控的现场安装以及正确的质量检查，是确保钢结构整个使用寿命期间螺栓连接可靠性能的关键。