钢结构设计课件第三章钢结构连接.pdf

第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 第五节第五节第五节第五节 焊接应力与变形焊接应力与变形焊接应力与变形焊接应力与变形 一、焊接应力的产生 焊接焊接不均匀加热和冷却过程，自平衡应力不均匀加热和冷却过程，自平衡应力 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 1、纵向焊接应力1、纵向焊接应力 焊接高温焊缝周围产生塑性压缩，冷却时收缩受到限制， 焊缝附近区受拉，焊缝区以外受压， 焊接高温焊缝周围产生塑性压缩，冷却时收缩受到限制， 焊缝附近区受拉，焊缝区以外受压， 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 2、横向焊接应力2、横向焊接应力 纵向收缩产生反向变形纵向收缩产生反向变形中间受拉，两端受压 先焊接限制后焊接变形 中间受拉，两端受压 先焊接限制后焊接变形中间受压，两端受拉 应力叠加 中间受压，两端受拉 应力叠加 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 3、z向焊接应力3、z向焊接应力 表面先冷却限制内部收缩，内部受拉，表面受压表面先冷却限制内部收缩，内部受拉，表面受压 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 二、焊接应力的影响 1、结构静力强度1、结构静力强度 自平衡应力，内外应力叠加，有焊接应力处先屈服，内力 重分布，最终全截面屈服， 自平衡应力，内外应力叠加，有焊接应力处先屈服，内力 重分布，最终全截面屈服， 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 2、结构刚度2、结构刚度 先屈服区刚度为零，应变增加，变形增大先屈服区刚度为零，应变增加，变形增大 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 三、焊接变形 不均匀收缩产生不均匀收缩产生 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 四、控制焊接应力和变形 (1)焊缝均匀对称焊缝均匀对称 (2)避免焊缝尺寸过大避免焊缝尺寸过大 (3)避免焊缝集中避免焊缝集中 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (4)采用合理的焊接次序：跳焊、间断焊采用合理的焊接次序：跳焊、间断焊 (5)焊后校直焊后校直 (6)焊前预热、焊后热处理焊前预热、焊后热处理 (7)钢板不易过薄钢板不易过薄t4mm 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 第六节第六节第六节第六节 普通螺栓连接普通螺栓连接普通螺栓连接普通螺栓连接 一、普通螺栓一、普通螺栓 1、螺栓类型、螺栓类型 (1)a级、级、b级和级和c级三种级三种 (2)a级和级和b级为精制螺栓， 螺杆、螺孔加工精度高， 制作安装复杂，螺栓等级 为 级为精制螺栓， 螺杆、螺孔加工精度高， 制作安装复杂，螺栓等级 为8.8级。很少用，已被高 强度螺栓代替。 级。很少用，已被高 强度螺栓代替。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (4)小数点前为材料抗拉强度，小数点后为屈强比，刻在螺 杆头上。例 小数点前为材料抗拉强度，小数点后为屈强比，刻在螺 杆头上。例4.8级表示抗拉强度级表示抗拉强度400n/mm2，屈服强度，屈服强度 320n/mm2。 (5)常用螺栓直径为常用螺栓直径为d=16，20，24mm，用，用m表示，如表示，如m16 (3)c级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大 1.52mm，制作安装方便，螺栓等级为，制作安装方便，螺栓等级为4.6级和级和4.8级。级。 c 级螺栓变形大，多用于围护结构或次要结构连接。级螺栓变形大，多用于围护结构或次要结构连接。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 2、螺栓符号、螺栓符号 (1)普通螺栓，安装螺栓，高强度螺栓普通螺栓，安装螺栓，高强度螺栓 (2)孔径孔径do=d+1.52，用表示，如孔径，用表示，如孔径22 (3)设计说明：螺栓类型，等级，直径，孔径设计说明：螺栓类型，等级，直径，孔径 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 3、螺栓排布、螺栓排布 (1)并列和错列：规则、统一、紧凑并列和错列：规则、统一、紧凑 (2)排布参数：端距，边距，间距排布参数：端距，边距，间距 (3)排布尺寸要求：考虑安装，受力和使用排布尺寸要求：考虑安装，受力和使用 (4)至少要有两个受力螺栓至少要有两个受力螺栓 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 4、最大、最小尺寸要求、最大、最小尺寸要求 (1)保证安装要求：用扳手拧紧螺帽保证安装要求：用扳手拧紧螺帽最小间距，节省连 接板 最小间距，节省连 接板最大间距和边最大间距和边(端端)距距 (2)保证受力要求：不过多削弱截面，最小间距和边保证受力要求：不过多削弱截面，最小间距和边(端端)距距 (3)保证使用要求：避免锈蚀和变形保证使用要求：避免锈蚀和变形最大间距和边最大间距和边(端端)距距 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 5、螺栓连接受力、螺栓连接受力 (1)连接可传递弯矩、剪力和轴力，单个螺栓只能受拉或受剪连接可传递弯矩、剪力和轴力，单个螺栓只能受拉或受剪 (2)受剪螺栓受剪螺栓作用力与螺杆垂直，受拉螺栓作用力与螺杆垂直，受拉螺栓作用力与螺杆平 行 作用力与螺杆平 行 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 二、普通螺栓受剪性能二、普通螺栓受剪性能 1、单个螺栓受剪破坏试验、单个螺栓受剪破坏试验 摩擦传力，滑移，螺杆传力，弹塑性破坏摩擦传力，滑移，螺杆传力，弹塑性破坏 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (1)螺栓直径小，连接板厚，螺杆剪切破坏螺栓直径小，连接板厚，螺杆剪切破坏 (2)螺栓直径大，连接板薄，孔壁积压破坏螺栓直径大，连接板薄，孔壁积压破坏 (3)螺栓孔径大，连接板削弱多，连接板受拉破坏螺栓孔径大，连接板削弱多，连接板受拉破坏 (4)连接板端距小，冲切破坏连接板端距小，冲切破坏 (5)连接板厚，螺杆长，螺杆弯曲破坏连接板厚，螺杆长，螺杆弯曲破坏 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 2、单个螺栓抗剪承载力、单个螺栓抗剪承载力 (1)单剪、双剪单剪、双剪 (2)螺杆剪切破坏：假设剪应力均匀分布，计算平均剪应力螺杆剪切破坏：假设剪应力均匀分布，计算平均剪应力 b v 2 b 4 /f d nan = 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (3)螺杆抗剪承载力螺杆抗剪承载力 b v 2 b v 4 f d n =单剪单剪 b v 2 b v 4 2f d n = 双剪双剪 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 b v f螺栓抗剪强度螺栓抗剪强度 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (4)孔壁挤压破坏：假设压应力沿直径均匀分布，计算平均压 应力 孔壁挤压破坏：假设压应力沿直径均匀分布，计算平均压 应力 b c b /ftdn= (5)孔壁挤压承载力孔壁挤压承载力 =tdfn b c b c t 同一方向承压板 较小总厚度 同一方向承压板 较小总厚度 b c f 板件承压强度板件承压强度 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 3、螺栓群拼接、螺栓群拼接 (1)螺栓群受拉，单个螺栓受剪螺栓群受拉，单个螺栓受剪 (2)螺栓非均匀受剪，连接较长时端部先破坏螺栓非均匀受剪，连接较长时端部先破坏 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (3)假设假设l115do时，剪力均匀分布，螺栓群抗剪承载力时，剪力均匀分布，螺栓群抗剪承载力 (4)假设假设l115do时，剪力非均匀分布，螺栓群抗剪承载力下降时，剪力非均匀分布，螺栓群抗剪承载力下降 ),min( b v b c b nnnn= ),min( b v b c b nnnn= 7 . 0 150 1 . 1 o 1 = d l 为折减系数 要求 为折减系数 要求nnb 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (1)开孔处开孔处受拉受拉破坏面破坏面(i，ii，iii) tdnbtdnaa)( o 1 o 1 n = 4、净截面抗拉强度计算、净截面抗拉强度计算 (2)净截面积计算 螺栓并列排布：直线面积 净截面积计算 螺栓并列排布：直线面积 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 tdneanea) 1(2 o2 22 21 n += 螺栓错列排布：锯齿净面积 计算净截面强度 螺栓错列排布：锯齿净面积 计算净截面强度 f a n = n n 受压不用计算，为什么受压不用计算，为什么？ 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 5、螺栓群牛腿、螺栓群牛腿 (1)螺栓群受扭螺栓群受扭(扭矩扭矩t=pe)、受剪、受剪(剪力剪力n=p)，单个螺栓受剪，单个螺栓受剪 (2)假设扭矩使连接板绕螺栓群形心假设扭矩使连接板绕螺栓群形心o转动，扭矩产生的剪力转动，扭矩产生的剪力nti 与螺栓至形心距与螺栓至形心距ri成正比成正比 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (2)扭矩平衡扭矩平衡 j j t i i t ii t r n r n rnt i = = = i r tr n 2 i j j t 扭矩产生螺栓剪力 分量 扭矩产生螺栓剪力 分量 j j j t yj t j j j t x j t , r xn n r yn n= 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (3)p在螺栓群中均匀分配在螺栓群中均匀分配 n p n = j p 单个螺栓剪力合成单个螺栓剪力合成 ()(),min( b v b c 2 yj t p j 2 x j t v nnnnnn+= 计算受剪力最大的螺栓计算受剪力最大的螺栓 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 算例：算例： 设计螺栓盖板拼接，设计拉力设计螺栓盖板拼接，设计拉力n=350kn，钢材，钢材 q345b(或或16mn)，拼接板宽，拼接板宽b=360mm，厚，厚t1=8mm，采用，采用 m20c级螺栓，孔径级螺栓，孔径22。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 解：解： 螺栓抗剪强度螺栓抗剪强度 2 b v n/mm130=f 板件承压强度板件承压强度 (1)双盖板的厚度双盖板的厚度t2拼接板的厚度拼接板的厚度t1/2 2 b c n/mm420=f 2 n/mm315=f板件抗拉强度 取 板件抗拉强度 取t2=6mm kn7 .81130 4 20 2 4 2 2 b v 2 b v = f d n 双剪双剪 (2)单个螺栓抗剪承载力单个螺栓抗剪承载力 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (3)孔壁承压孔壁承压 =kn2 .67842020 b c b c tdfn (4)所需螺栓数所需螺栓数n=350/67.3 =5.2个个 (5)6个螺栓个螺栓3排布置，间距排布置，间距100，端距，端距60，边距，边距80 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (6)连接长度验算连接长度验算l1=15do=1522 =330100 (7)拼接净截面积拼接净截面积an=(360 - 322 )8 =2352mm2 净截面拉应力净截面拉应力 n=350000/2352=149n/mm2= v b c b c kn1222030520ntdfn 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 第七节第七节第七节第七节 高强度螺栓连接高强度螺栓连接高强度螺栓连接高强度螺栓连接 一、高强度螺栓一、高强度螺栓 1、螺栓类型、螺栓类型 (1)高强度钢材制成。高强度钢材制成。 (2)按材料强度分成按材料强度分成8.8级和级和10.9级级 (3)按传剪力方式分成摩擦型和承压型按传剪力方式分成摩擦型和承压型 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (4)按施工方式分成大六角头和扭剪型按施工方式分成大六角头和扭剪型 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 2、受力机理、受力机理 (1)高强度螺栓可以传递剪力和拉力高强度螺栓可以传递剪力和拉力 (2)高强度螺栓通过施加预拉力使连接板之间产生预压力， 接触面上有摩擦力，依靠摩擦力传递剪力 高强度螺栓通过施加预拉力使连接板之间产生预压力， 接触面上有摩擦力，依靠摩擦力传递剪力 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (3)摩擦型连接摩擦型连接在在承载能力极限状态承载能力极限状态最大剪力不能超过板 件间摩擦力。 最大剪力不能超过板 件间摩擦力。 (4)承压型连接承压型连接在在承载能力极限状态承载能力极限状态允许滑动，允许滑动，但最大剪 力不能超过螺栓的抗剪承载力和孔壁的承压强度。 但最大剪 力不能超过螺栓的抗剪承载力和孔壁的承压强度。 (5)高强度螺栓承载力高，变形小，传力可靠，多用于主承 重受力构件连接。 高强度螺栓承载力高，变形小，传力可靠，多用于主承 重受力构件连接。 (6)高强度螺栓的排布要求与普通螺栓相同，螺孔直径比螺 杆直径大 高强度螺栓的排布要求与普通螺栓相同，螺孔直径比螺 杆直径大1.52mm，也用，也用m表示。表示。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 3、紧固方法与预拉力、紧固方法与预拉力p (1)高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺帽实现的。扭矩法，转 角法和扭剪法，分成初拧和终拧两步完成，保证拉力均匀。 高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺帽实现的。扭矩法，转 角法和扭剪法，分成初拧和终拧两步完成，保证拉力均匀。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (2)扭矩法扭矩法专用扭矩板手，标定预拉力和扭矩之间的关系， 通过施加一定扭矩达到预拉力，大六角螺栓。 专用扭矩板手，标定预拉力和扭矩之间的关系， 通过施加一定扭矩达到预拉力，大六角螺栓。 (3)转角法转角法手动扳手初拧后，再转动一定角度达到预拉力， 不准确性较大，每天标定扳手，大六角螺栓。 手动扳手初拧后，再转动一定角度达到预拉力， 不准确性较大，每天标定扳手，大六角螺栓。 (4)扭剪法扭剪法扭剪型螺栓，特制电动扳手，以扭断梅花头为标 志，准确可靠，易检查，成本高。 扭剪型螺栓，特制电动扳手，以扭断梅花头为标 志，准确可靠，易检查，成本高。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (5)螺栓预拉力越大，摩擦力越高，连接传力性能越好，但要 避免在拧紧阶段发生破坏，还要保留螺栓具有一定的抗拉承 载力。我国预拉力定为 螺栓预拉力越大，摩擦力越高，连接传力性能越好，但要 避免在拧紧阶段发生破坏，还要保留螺栓具有一定的抗拉承 载力。我国预拉力定为p=0.675fyae 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 4、抗滑移系数、抗滑移系数 (1)连接板接触面之间摩擦力的大小与摩擦系数有关，称为抗 滑移系数，与表面处理方式有关。 连接板接触面之间摩擦力的大小与摩擦系数有关，称为抗 滑移系数，与表面处理方式有关。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 二、高强度螺栓抗剪计算二、高强度螺栓抗剪计算 1、单个螺栓抗剪承载力、单个螺栓抗剪承载力 单个螺栓周围接触面上的摩擦力为单个螺栓周围接触面上的摩擦力为 p，考虑安全系数，考虑安全系数1.11， 单个螺栓抗剪承载力取 ， 单个螺栓抗剪承载力取 pnn f b v 9 . 0=nf为摩擦面数，单剪为摩擦面数，单剪nf=1 ，双剪，双剪nf=2 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 2、摩擦型螺栓抗剪计算、摩擦型螺栓抗剪计算 (1)单个螺栓传递的最大剪力单个螺栓传递的最大剪力nv，要求，要求 b vv nn (2)螺栓群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪，要求螺栓数螺栓群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪，要求螺栓数 b v /nnn 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (3)净截面计算 每个螺栓均匀传力，孔前传力系数 净截面计算 每个螺栓均匀传力，孔前传力系数0.5 f a nnn a n = n 1 n 1 n )/5 . 01 ( )/5 . 01 ( 11 nnnn= 净截面拉应力 净截面拉力 净截面拉应力 净截面拉力 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 3、承压型螺栓抗剪计算、承压型螺栓抗剪计算 (1)单个螺栓承载力计算方法与普通螺栓相同单个螺栓承载力计算方法与普通螺栓相同 b v 2 b v 4 f d nn = n为受剪面，单剪为受剪面，单剪n=1 ，双剪，双剪n=2 b v f高强度螺栓抗剪强度高强度螺栓抗剪强度 但要控制螺栓最大剪力，避免在正常使用状态下发生滑 动 但要控制螺栓最大剪力，避免在正常使用状态下发生滑 动 pnnn fvvk 9 . 03 . 1/ 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 (2)螺栓群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪，要求螺栓数螺栓群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪，要求螺栓数 ),min(/ b c b v nnnn (3)净截面计算也可偏安全取与普通螺栓相同净截面计算也可偏安全取与普通螺栓相同 =tdfn b c b c b c f高强度螺栓连接时板件承压强度高强度螺栓连接时板件承压强度 实际上摩擦力仍然传递部分剪力，承压型螺栓承载力 高，破坏时变形大 实际上摩擦力仍然传递部分剪力，承压型螺栓承载力 高，破坏时变形大 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 三、高强度螺栓抗拉计算三、高强度螺栓抗拉计算 1、单个螺栓抗拉承载力、单个螺栓抗拉承载力 由于螺栓预拉力由于螺栓预拉力p的存在，接触面产生初始压力的存在，接触面产生初始压力c = p，连 接板沿厚度方向压缩。外拉力 ，连 接板沿厚度方向压缩。外拉力nt使接触面压力减为使接触面压力减为c- c， 螺栓拉力增加至 ， 螺栓拉力增加至p+ p ，既要保证螺栓不被拉断，既要保证 接触面压力不减为零。 ，既要保证螺栓不被拉断，既要保证 接触面压力不减为零。 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 根据平衡条件：根据平衡条件： c - c + nt= p + p 或： 或： p= nt- c，外拉力，外拉力nt并非全部传给螺栓并非全部传给螺栓 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 h ea c p 假设螺栓面积为假设螺栓面积为ab，受压接触面积为，受压接触面积为ap 外拉力外拉力nt使连接板厚度回弹量为使连接板厚度回弹量为 h ea p b 外拉力外拉力nt使螺栓伸长量为 变形协调 使螺栓伸长量为 变形协调 b p a p a c = 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 代入前式得代入前式得 p a a c= b p 由试验和分析知由试验和分析知ap(10 20)ab， 近似取， 近似取ap10 ab b p t 1 a a n p + = tt 91. 009. 0nc,np= 外拉力外拉力nt只有很小部分直接传给螺栓只有很小部分直接传给螺栓 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 假设控制剩余接触面压力假设控制剩余接触面压力c- c不低于初始值的不低于初始值的1/4，即 设计取高强度度螺栓的抗拉承载力为 ，即 设计取高强度度螺栓的抗拉承载力为 pnp25. 091. 0 t pn82. 0 t pn8 . 0 b t = 应控制外拉力应控制外拉力nt 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 三、高强度螺栓同时受拉受剪三、高强度螺栓同时受拉受剪 1、摩擦型螺栓承载力计算、摩擦型螺栓承载力计算 用线性相关方程近似表示破坏模式用线性相关方程近似表示破坏模式 1 b v v b t t =+ n n n n nt nv b t n b v n 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 设计要求设计要求1 b v v b t t + n n n n 1 0.98 . 0 f vt + pn n p n 或或 )25. 1(0.9 t f v npnn 即即 第三章第三章第三章第三章 钢结构连接钢结构连接钢结构连接钢结构连接 2、对于承压型螺栓、对于承压型螺栓 用椭圆方程表示破坏模式用椭圆方程表示破坏模式1 2 b v v 2 b t t = + n n n n nt nv b t n b v n 设计要求 同时 即 设计要求 同时 即 1 2 b v v 2 b t t + n n n n 1 25. 08 . 0 2 b v 2 v 2 t + fdn n p n =tdfnn b t c b c v 第三章第三章第三章第三章 钢