铁塔设计 - 钢结构基本连接方式.ppt

第五节第五节 钢结构基本连接方式钢结构基本连接方式 5.1 5.1 钢结构连接的主要类型见下表。钢结构连接的主要类型见下表。 连接方式优点缺点 焊接 对几何形体适应性强，构造简单 ，省材省工，易于自动化，工效高 对材质要求高，焊接程序 严格，质量检验 工作量大 铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量 易于检查 ，抗动力荷载好 费工 普通螺栓 连 接 装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪， 螺栓精度高时加工和安装 难度较大 高强螺栓 连 接 加工方便，对结 构削弱少，能承 受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧 性好 摩擦面处理，安装工艺略 为复杂，造价略高 射钉、自攻 螺钉连 接 灵活，安装方便，构件无需预先 处理，适用于轻钢 、薄板结构 不能受较大集中力 5.2 5.2 焊接焊接 （1 1）焊接方法分类）焊接方法分类 焊接方法焊条焊剂操作方式适应范围质量状况 电 弧 焊 手工 焊 短焊条 （350400mm ） 附于焊条 之药皮 全手动工位复杂，形 状复杂之焊缝 ；短焊缝 低于自动焊 自动 焊 连续焊丝粉状焊剂全自动长而简单的焊 缝 质量均匀， 塑性、韧性 好，抗腐蚀 性好 半自 动焊 连续焊丝CO2气体保 护 人工操作 进行 任意焊缝同自动焊 电阻焊无无通电、加 压、机械 薄板点焊一般用作构 造焊缝 气焊短、光焊条无（乙炔 还原） 手工薄板、小型、 不同材质结构 一般用作构 造焊缝 （2 2）焊缝连接形式）焊缝连接形式 ）按相对位置分：平接、搭接、顶接（角焊缝、K型对接焊缝） ）按构造分 对接焊缝（直缝、斜缝）（分等级 ） 角焊缝（侧缝、端缝）、（连续焊缝、断续焊缝）（不分等级） 按受力转换 ）按施焊位置分：俯焊、立焊、横焊、仰焊 （3 3）对接焊缝的形式）对接焊缝的形式 序号名称简图适应板厚范 围 优缺点图示 1直边缝 t 6mm 无需坡口，不 宜焊透 2V形缝 6 t 40mm 便于加工坡口 ，焊后易变 形 3K形缝 6 t40mm 熔敷金属量小 ，焊后内应力 、变形小，可 翻转时用 4X形缝 12 t 60mm 同上 （4 4）对接焊缝的优缺点）对接焊缝的优缺点 ）优点：用料经济，传力平顺，无明显应力集中，利于 承受动力荷载 ）缺点：需要坡口加工；焊件长度须精确（无调整余地）。 （5 5）对接焊缝的构造处理方式）对接焊缝的构造处理方式 ）利用引弧板保证焊缝起点、终点的质量，以免应力集中；不用引弧 板时焊缝长度减去10mm，引弧板要割除； ）不同厚度钢板对接焊时，在板的一面或两面刨成坡度不大于1：4的 斜面； ）不同宽度钢板对接焊时，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：4的 斜边。 （6 6）对接焊缝计算（总原则是将对接焊缝作为较薄被连接板计算）对接焊缝计算（总原则是将对接焊缝作为较薄被连接板计算） 对接焊缝轴向受力计算： lw l 有引弧板时 l10 无引弧板时 式中：lw为焊缝长度；t为较薄焊件厚。 （7 7）角焊缝的形状和构造要求）角焊缝的形状和构造要求 部位项目构造要求备注 焊脚 尺寸 hf 上限t1为较薄焊件厚 下限t为较厚焊件厚，对 自动焊可减1mm； 对单面T型焊应加 1mm 焊缝 长度 lw 上限内力沿侧缝全长均 匀分布者不限 下限 双侧 焊缝 长度 lw 距离 l0 t为较薄焊件厚 端部转角转角处焊缝须连续 施焊 对肢背：hf 1.2t1； 对板边 t1 6，hf t1 t16，hf t11 hf1.5 ；当t 4时，hft 40hf（受动力荷载）；60hf（其他情况 ） 8hf或40mm lw l0 l0 16t（t 12mm时）；l0 200（t 12mm时） 两面侧缝时，转角处加焊一段长度2hf或用三面围焊 （8 8）角焊缝实用计算公式）角焊缝实用计算公式 其中：端缝强度增大系数 端缝应力 ： 侧缝应力: ） ）计算原则 焊缝形心与构件形心基本一致； 求单独外力作用下焊缝应力，并区分端缝受力f和侧缝受力f； 确定若干危险点，将危险点上同种应力叠加，再检验。 ）在轴力作用下，在焊缝有效截面上产生均匀应力； 其中 ： 为由轴力N在端（侧）缝中产生的应力； 为焊缝有效截面面积 。 ）平面焊缝群受剪 根据被连接件的刚度（相对于受力方向）判断哪一部分受剪力作用； 在受剪焊缝上 ， 为受剪焊缝有效面积 5.3 5.3 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 （1 1）普通螺栓连接的分类）普通螺栓连接的分类 类 别 强度等级加工精度抗剪 性能 成本适用范围 A、 B级 8.8高高高 构件精度很高的结构，机 械结构； 连接点仅用一 个螺栓或有模具套钻的多个 螺栓连接的可调节 杆件 C级 4.6， 4.8， 5.6， 8.8（抗拉 ） 较低 （隙缝1 1.5mm） 较低低 抗拉连接； 静力荷载下 抗剪连接；加放松措施后 受风振作用抗剪；可拆卸 连接；安装螺栓；与抗 剪支托配合抗拉剪联合作用 注：注：A A级用于级用于M24M24以下，以下，B B级用于级用于M24M24以上。以上。 （2 2）螺栓的排列和构造要求）螺栓的排列和构造要求 ）受力要求：端距限制防止孔端钢板剪断，2d0。 螺孔中距限制下限：防止孔间板破裂， 3d0 。 ）构造要求：防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀，限制螺孔中距 最 大值。 非受力方向端距 ）施工要求：为便于拧紧螺栓，留适当间距（不同的工具有不同要求） 。 1.5d0（切割边 ） 1.2d0（轧制边 ） （3 3）螺栓的传力机理）螺栓的传力机理 螺栓连接受力较小时：构件A 构件B 螺栓连接受力较大时：构件A 螺栓抗剪 构件B 摩擦传力 A孔壁承压B孔壁承压 （4 4）螺栓破坏的形式）螺栓破坏的形式 螺杆剪切破坏； 钢板孔壁挤压破坏； 钢板由于螺孔削弱而净截面拉断； 钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏； 钢板因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏。 （5 5）普通螺栓连接受力计算）普通螺栓连接受力计算 ）一个剪力螺栓的承载力 抗剪切强度： 孔壁承压强度： 注：上式中nv为剪面数；d为螺杆直径；t为同向板厚之和，取 小值。 受剪面须在螺杆处，不得在螺纹处。 ）一个拉力螺栓的承载力 式中：de为螺栓有效直径 。 ）剪力螺栓群受力通过形心时 所需螺栓数（抗剪 ） 其中 ： l1为螺栓沿受力方向的连接长度 ； 为单个螺栓抗剪承载力和承压 承载力中较小值 净截面强度验算 ： （ 为连接板材料设计强度） 5.4 5.4 高强度螺栓连接的构造和计算高强度螺栓连接的构造和计算 1 1）高强度螺栓的传力机理）高强度螺栓的传力机理 单个螺栓应力应变曲线 2 2）预拉力）预拉力 其中：第一个0.9因扭剪降低抗拉而乘的折减系数； 第二个0.9因超张拉而引起的预应力损失； 1.2材料抗力变异。 3 3）抗剪承载力）抗剪承载力 其中：0.9 抗力分项系数之倒数； nf 摩擦面数； 抗滑移系数。 0.90.9n n f f P P 第六节第六节 构架式塔的节点设计构架式塔的节点设计 6.1 6.1 角钢连接角钢连接 6.1.1 6.1.1 角钢连接计算框图角钢连接计算框图 根据角钢肢宽选螺栓直径根据角钢肢宽选螺栓直径 螺栓数量螺栓数量n n最大内力最大内力NmaxNmax/ /单个螺栓抗剪力单个螺栓抗剪力QQ，并取整并取整 验算角钢厚度是否满足最小厚度要验算角钢厚度是否满足最小厚度要 求（净截面验算、局部承压验算）求（净截面验算、局部承压验算） 选择节点板厚选择节点板厚t t 2 2 （局部承压验算局部承压验算 ） 输出所有节点参数输出所有节点参数 放样画节点图，并验算节点板净截面强度放样画节点图，并验算节点板净截面强度 6.1.2 6.1.2 角钢柱的拼接角钢柱的拼接 1 1）标准图）标准图 2 2）角钢柱采用错列拼装，）角钢柱采用错列拼装，4.64.6级、级、4.84.8级普通螺栓连接节点参数如下表：级普通螺栓连接节点参数如下表： 项目 公式，单位M16M20M24M30 单独螺栓设 计抗剪承载力 Q 适应角钢肢 宽B 螺栓中距b 螺栓端距a 角钢最小 厚度 螺栓中心至 角钢肢背距 离e 26.1（35.4 ） 40.8（55.4 ） 58.8（79.8 ） 91.9（124.7） mm7590100125 140160 180200 53 657795 35435163 mm6（8）8（10 ） 10（12 ） 12（15 ） 注：注：）双剪连接则表中承载力提高一倍；）双剪连接则表中承载力提高一倍； ）每端螺栓数不应少于）每端螺栓数不应少于6 6个。个。 连接轴心受力，连接轴心受力，d d为螺栓直径，括号内为为螺栓直径，括号内为5.65.6级螺栓，级螺栓，d d 0 0 为螺孔直径为螺孔直径 6.1.3 6.1.3 角钢与节点板的单剪连接角钢与节点板的单剪连接 1 1）标准图）标准图 ： 2 2）角钢横杆、斜杆、横隔端部单剪连接节点参数）角钢横杆、斜杆、横隔端部单剪连接节点参数 连接偏心受力，承载力作折减，其它说明同拼装连接偏心受力，承载力作折减，其它说明同拼装 项目 公式，单位M12M16M20M24M30 单独螺栓 设计 抗剪 承载力Q 适应角钢 肢宽B 螺栓中 距b 螺栓端 距a 角钢最 小厚度t1 螺栓中心 至角钢肢 背距离e 节点板厚 度t2 12.5 （17.0） 22.2 （30.1） 34.9 （47.4） 50 （67.9） 78.1 （106.0 ） mm 4556638090110 125140 160200 4153657795 2735435163 mm 5（6 ） 6（8 ） 8（10 ） 10（12 ） 12（14 ） mm 6（8 ） 8（10 ） 10（12 ） 12（14 ） 14（16 ） 6.2 6.2 钢管的连接钢管的连接 6.2.1 6.2.1 钢管连接形式的选择钢管连接形式的选择 所连杆 件截面 形式 节点及连接形式和 编号 受力要求 压 拉 剪 弯 扭 静 力 间接 动力 动力 和疲 劳 静 力 间接 动力 动 力和 疲 劳 钢 管 圆 管 （1）对焊 （2）相贯线焊 （3）普通法兰 （4）端面磨平顶紧法兰 （5）插板双剪 （8）螺栓球节点 （9）空心焊接球节点 受力大 （1）（4 ） 、（9） 受力小 （5） （8） （1 ） （2 ） （3 ） （5 ） （8 ） （9 ） （1 ） （2 ） （3 ） （8 ） （9 ） （1 ） （2 ） （3 ） （9 ） （1 ） （2 ） （3 ） （5 ） （9 ） 同拉 （1 ） （2 ） （3 ） （9 ） 矩 形 管 （1）对焊 （2）相贯线焊 （3）法兰 （4）断面磨平顶紧法兰 （6）双剪拼接焊 （7）双剪高强螺栓拼接 （1）（2） （3）（4） （6）（7） （1 ） （2 ） （3 ） （6 ） （7 ） （1 ） （2 ） （3 ） （7 ） （1 ） （2 ） （3 ） （7 ） （1 ） （2 ） （3 ） （6 ） （7 ） 同拉 （1 ） （2 ） （3 ） （6 ） （7 ） 6.2.2 6.2.2 钢管相贯线焊接钢管相贯线焊接 相贯线焊缝的分区及坡口形式： ）对于t6mm钢管，周边角焊缝hf 1.2t ）对于t8mm钢管，一般采用三分区方法。 注：趾部用角焊缝注：趾部用角焊缝 ）对于t 8mm钢管，受力很大者（如桁架的支座腹杆，或直接承受动力荷载 的杆件）用四分法 注：趾部坡口焊熔透注：趾部坡口焊熔透 A区详图D区详图 B区详图 详图 A区 B区 C区 D区 使用范围 180o150o 150o75o 75o37.5o 37.5o20o 坡口角度 45o 37.5o 60o /2，最大37.5o /2 C区详图 Tl（ 见下表 ） 1.50 1.70 2.00 180o 70o 70o 40o 40o 20o 6.2.3 6.2.3 钢管法兰连接钢管法兰连接 A A）构造：构造： 法兰连接的优点：便于连接，刚度 大，承载力大 法兰连接的缺点：用钢量大，易发 生焊接变形 （1 1）拉压兼用型：）拉压兼用型： （2 2）主要受压型）主要受压型 注：注： L L 88时，时，“ “C”C”、”D”D”用双面角焊缝，用双面角焊缝，h h f f 0.80.8 L L （取整）；取整）； L L 88时时， “ “C”C”、”D”D”用用坡口焊熔坡口焊熔 透；焊缝透；焊缝“ “B”B”双面坡口熔透。双面坡口熔透。 B B）法兰的计算法兰的计算 （1）按抗拉选择螺栓直径d和个数n。（同时顾及 受压的均 衡性） 公式： Nn 其中 为螺栓的受拉承载力设计值。 （2）选择螺栓中心圆直径r2。 螺栓离管壁距离要超过最大操作距离加焊脚尺寸。 螺栓环向中距要大于最小操作距离加加劲板厚L 。 （3）选择螺栓中心到法兰板边的距离。 使r1r21.2(d+1.5mm) 使加劲板端焊缝能满足承压要求。（与环焊缝共同 受力） （4）焊缝计算： 压力（或绝对值大于压力的拉力）由法兰上下两条环形焊缝和 加劲板的端焊缝共同承担，按有效截面分担。 公式： 若用坡口熔透焊，则可将 换为 （对接焊缝抗压强度） 将加劲板所承担的压力按比例取出，作用在加劲板端焊缝的 中心，按弯、剪复合验算加劲板竖焊缝。 公式：端缝： 侧缝： 注：lf焊缝实际长度10mm 为角焊缝强度 （5） 法兰盘厚度计算： 按最大平均压应力作用在三边支承的近似矩形平板上 （一边由管壁，二边由加劲板支撑），查钢结构设计手 册计算得到板中最大弯矩Mmax（单位板宽） 。 求板厚： （6） 若是水平梁受弯。则以钢管受压外边缘为转动中心，螺 栓拉力与其离转动中心的距离成正比，选择螺栓。 公式： 然后按拉力最大区域或压力最大区域求法兰板厚（同5） ， 若有剪力则用相关公式复算在拉、剪复合作用下螺栓承载 力。 （7） 若是受压型法兰无拉力，则用端面承压传递压力，但 螺栓抗剪之合力须满足下式： （8） 在设计工作中，为了减少计算工作量，对于空间管桁 架中受拉、压轴向力的钢管的法兰连接，可以按表3求 得法兰的各种设计参数。表中所列为一个8.8级螺栓所 对应的抗拉(压)承载力。使用时可将杆件实际受拉(压 力除以表中适当)螺栓的Nt或Na值，求得螺栓数量，再 用钢管直径加上表中e值求螺栓中心圆，求出螺栓间距 看其满足与否。若llmin，则直接取用表中参数即可 ， 若llmin1.2以上，则重新计算f 。 螺栓管壁厚t（mm ） 最小间距lmin（mm ） e（mm）k（mm） f（mm） L（mm） H1（mm）抗拉承载力Nt（KN）抗拉承载力Na（KN） M16 6，8 4622222061005673 5622222061005684 10，12 5226262081005694 52262620810056109 M20 8，10 58272722812088144 68272724812088160 12，14 58313122812088153 68313124812088169 16，18 653535241012088229 803535281012088248 M24 10，12，14 643434228140124169 783434268140124190 16，18，20 7040402610140124273 8040403210140124318 22，24 7644443012140124369 10244443612140124441 M30 14，16 8041413010160200302 9541413410160200336 18，20 8045453010160200327 10045453410160200374 22，24 8349493212160200431 11049494012160200508 M36 20，22 8849493210180288371 11049493810180288424 22，24 9453533212180288422 10053534010180288493 法兰设计参数表法兰设计参数表 6.2.4 6.2.4 钢管结构的双剪连接钢管结构的双剪连接 1 1）钢管双剪连接的构造）钢管双剪连接的构造 在钢管结构中相对次要的杆件连接时，可采用双剪连接的形 式，见下图。 注：焊缝厚度等于较薄焊件厚注：焊缝厚度等于较薄焊件厚 双剪连接标准图 2 2）钢管双剪连接的计算框图）钢管双剪连接的计算框图 次次钢管受拉（压钢管受拉（压 ） 夹板角焊缝抗剪夹板角焊缝抗剪 节点夹板净截面受拉（压节点夹板净截面受拉（压 ） 孔壁承压孔壁承压 螺栓抗剪螺栓抗剪 节点中板净截面受拉（压节点中板净截面受拉（压 ） 节点板与主钢管焊缝验算节点板与主钢管焊缝验算 螺栓布置2M122M162M202M242M304M164M204M244M30 所连支管最小管 径min（mm） 7395114140180121152219245 抗剪承载力设计 值（KN） 58.56104.55163.36234.34329.4209.1326.73468.48658.8 “U”