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钢结构基本原理 1 3钢结构的连接 本章内容 1 钢结构的连接方法 2 焊接方法和焊接连接形式 3 角焊缝的构造与计算 4 对接焊缝的构造与计算 5 螺栓连接的构造 6 普通螺栓连接的工作性能和计算 7 高强度螺栓连接的工作性能和计算 本章重点 角焊缝的构造与计算 普通螺栓连接的计算 高强度螺栓连接的计算 本章难点 如何运用相关公式进行各种连接计算 2 2 铆接 1 焊接 对接焊缝 角焊缝 焊缝连接 铆钉连接 螺栓连接 3 1钢结构的连接方法 3 1 1钢结构连接种类 图3 1钢结构的连接方法 a b 焊缝连接 c 铆钉连接 a b c 3 3 螺栓连接 普通螺栓 高强螺栓 靠螺栓杆承压和受剪传递荷载 图3 2螺栓连接 4 优点 1 构造简单 制造省工 2 不削弱截面 经济 3 连接刚度大 密闭性能好 4 易采用自动化作业 生产效率高 缺点 1 焊缝附近有热影响区 该处材质变脆 2 产生焊接残余应力和残余应变 3 裂缝易扩展 低温下易脆断 1 焊缝连接 3 1 2连接特点 5 优点 安装拆卸方便 缺点 构造复杂 削弱截面 不经济 2 螺栓连接 1 普通螺栓连接由235钢制成 根据加工精度分A B C三级 A B级精制螺栓 类孔 孔径比杆径大0 3 0 5mm 抗剪性能好 制造安装费工 少用 C级粗制螺栓 类孔 孔径比杆径大1 5 2 0mm 抗剪性能差 但传递拉力性能好 性能等级为4 6级或4 8级 6 1 性能等级高强钢材制成 优质碳素钢 35号 45号合金钢 20MnTiB 40B 35VB性能等级 8 8级 10 9级 小数点前8 10 螺栓材料经热加工后的最低抗拉强度为800 1000N mm2 小数点后0 8 0 9 屈强比 2 高强螺栓连接 7 摩擦型 只靠摩擦阻力传力 以剪力达到接触面的摩擦力作为承载力极限状态 设计准则 2 按抗剪性能分 承压型 以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承载力极限状态 设计准则 摩擦型螺栓连接 变形小 弹性性能好 耐疲劳 施工较简单 适用于承受动力荷载的结构 承压型螺栓连接 承载力高于摩擦型连接 连接紧凑 剪切变形大 不能用于承受动力荷载的结构 8 3 2焊接方法和焊缝连接形式 3 2 1钢结构常用焊接方法 1 手工电弧焊打火引弧 电弧周围的金属液化 溶池 焊条熔化 滴入溶池 与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝 电弧焊 手工电弧焊 自动或半自动埋弧焊 气体保护焊 优点 方便 特别在高空和野外作业 缺点 质量波动大 要求焊工等级高 劳动强度大 效率低 9 焊条 焊条应与焊件钢材相适应 等强度要求 Q235 E43 焊条 Q345 E50 焊条 Q390 Q420 E55 焊条 E 焊条 型号由四部分组成E 前两位数 焊缝金属最小抗拉强度 43kg mm2 后两位数 焊接位置 电流及药皮类型 不同钢种的钢材相焊接时 宜采用与低强度钢材相适应的焊条 手工电弧焊 10 2 自动 半自动 埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧的一种方法 优点 质量好 效率高 缺点 需要专用设备 3 气体保护焊利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为保护介质的一种方法 优点 质量好 缺点 对环境要求高 11 被连接钢材的相互位置 对接连接 搭接连接 T型连接 角部连接 焊缝连接形式 3 2 2焊缝连接形式及焊缝形式 1 焊缝连接形式 图3 3T形连接 图3 4搭接连接 12 焊缝连接形式 图3 5焊缝连接的形式 a 对接连接 b 用拼接盖板的对接连接 c 搭接连接 d e T形连接 f g 角部连接 13 1 按焊缝的截面形式分 对接焊缝 角焊缝 2 焊缝形式 图3 6焊缝形式 a 正对接连接 b 斜对接焊缝 c 角焊缝 14 按受力方向划分 15 2 焊缝沿长度方向的布置 注意 L不宜过长在受压构件中L 15t在受拉构件中L 30t t为较薄焊件的厚度 图3 7连接角焊缝和断续角焊缝 16 3 焊缝的施焊方位 平焊 俯焊 横焊立焊仰焊 图3 8焊缝施焊位置 a 平焊 b 横焊 c 立焊 d 仰焊 17 3 2 3焊缝缺陷及焊缝质量检验 1 焊缝缺陷 焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷 图3 9焊缝缺陷 a 裂纹 b 焊瘤 c 烧穿 d 弧坑 e 气孔 f 夹渣 g 咬边 h 未熔合 i 未焊缝 18 2 焊缝质量检验 三级 只进行外观检查 即检查外观缺陷和几何尺寸 二级 除外观检查 超声波抽检一级 同二级 3 焊缝质量等级的选用 1 需要进行疲劳计算的构件 凡是对接焊缝均应焊透 其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或T形对接与角接组合焊缝受拉时应为一级 受压时应为二级 作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级 19 2 不需要进行疲劳计算的构件 凡要求与母材等强的对接焊缝应焊透 母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级 受压时宜为二级 3 重级工作制和起重量Q 500kN的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间 以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头均要求焊透 质量等级不应低于二级 4 不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝 以及搭接连接采用的角焊缝 一般仅要求外观质量检查 具体规定如下 三级检验 承受动力荷载且需要验算疲劳和Q 500kN的中级吊车梁 二级 20 3 2 4焊缝代号 螺栓及其孔眼图例 焊缝符号表示法 规定 焊缝符号一般由基本符号与指引线组成 必要时还可加上补充符号和焊缝尺寸 基本符号 表示焊缝的横截面形状 如用 表示角焊缝 用 V 表示V形坡口听对接焊缝 补充符号 补充说明焊缝的某些特征 如用 表示现场安装焊缝 用 表示焊件三面带有焊缝 指引线 一般由横线和带箭头的斜线组成 箭头指向图形相应焊缝处 横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等 21 表3 1焊缝符号 22 表3 1焊缝符号 续表 23 当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时 在标注焊缝符号的同时 可在图形上加栅线表示 图3 10用栅线表示焊缝 a 正面焊缝 b 背面焊缝 c 安装焊缝 表3 2螺栓及其孔眼图例 24 3 3角焊缝的构造和计算 按截面形式划分 3 3 1角焊缝的形式与强度 图3 11直角角焊缝截面 角焊缝 直角角焊缝 斜角角焊缝 角焊缝一般用直角角焊缝 夹角或的斜角角焊缝 不宜用作受力焊缝 钢管结构除外 图3 12斜角角焊缝截面 25 侧面角焊缝强度低 塑性好 应力沿长度方向分布不均匀 呈两端大而中间小的状态 1 侧面角焊缝 平行于力的作用方向 N 按角焊缝与作用力的关系分 侧面角焊缝 正面角焊缝 斜焊缝 图3 13侧面角焊缝受力示意图 图3 14侧焊缝的应力 26 正面角焊缝受力复杂 截面中的各面均存在正应力和剪应力 强度高 塑性差 2 正面角焊缝 垂直于力的作用方向 3 斜焊缝 受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间 图3 15正面角焊缝应力状态 27 1 最大焊脚尺寸 为避免焊缝区基本金属 过热 减少焊件的残余应力和残余变形 3 3 2角焊缝构造要求 图3 16最大焊脚尺寸 28 焊脚尺寸过小 会在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织 对自动焊 对T型连接的单面角焊缝 当焊件厚度 设计 2 最小焊脚尺寸要求 29 3 不等焊脚尺寸的构造要求 当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合要求时 可采用不等焊脚尺寸 4 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝沿长度受力不均匀 两端大中间小 所以一般均规定其最大计算长度 60hf静力荷载 40hf动力荷载 注 若内力沿角焊缝全长分布 则计算长度不受此限 注意 焊脚尺寸和焊缝计算长度取mm的整数 小数点以后都进为1 图3 17不等焊脚尺寸的构造要求 30 设计 防止局部加热严重 焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近 及其他缺陷 使得焊缝不可靠 在搭接连接中 搭接长度L 5tmin 且 25mm 为了减少收缩应力以及因偏心在钢板与连接件中产生的次应力 5 角焊缝的最小计算长度 6 搭接连接的构造要求 图3 18搭接连接 31 围焊的转角处必须连续施焊 非围焊 可在构件转角处作长度2hf的绕角焊 为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲大 当板件端部仅有两侧面角焊缝时 lw b b为两侧焊缝距离 同时 或 图3 19焊缝长度及两侧焊缝间距 32 焊缝实际长度取为5mm的倍数 如192mm取为195mm 196mm取为200mm 角焊缝的计算长度lw和实际长度l的关系 4 绕角焊 侧面角焊缝lw l 绕角焊的2hf不在内 图3 20角焊缝长度的计算 33 1 侧面角焊缝的破坏大多在45o截面 受力特点 3 3 3直角角焊缝强度计算的基本公式 图3 21侧焊缝破坏形式 a 实际剪坏面 b 计算剪坏面 图3 22角焊缝截面 h 焊缝厚度 hf 焊缝厚度 he 焊缝有效厚度 焊喉部位 h1 熔深 h2 凸度 d 焊趾 e 焊跟 34 3 正面角焊缝破坏强度高 刚度大 塑性差 2 正面角焊缝应力状态复杂 可能沿45o截面破坏 也可能沿溶合边破坏 图3 23焊脚尺寸及有效焊脚厚度 35 计算步骤 1 求出同一平面焊缝群的形心 2 将荷载向形心简化 找出最不利位置 3 分别求出各荷载分量在最不利位置产生的应力 4 区分正面角焊缝受力和侧面角焊缝受力 视荷载种类 静荷或动荷 代入角焊缝的基本计算公式进行计算 5 验算是否满足构造要求 36 作用力平行于焊缝方向 N N 1 侧面角焊缝 图3 24侧面角焊缝的应力分布示意图 37 当承受动力荷载时 N N 正面角焊缝强度增大系数 1 22 2 正面角焊缝 作用力垂直于焊缝方向 图3 25正面角焊缝的应力分布示意图 38 N Ny Ncos Nx Nsin 3 斜向角焊缝 图3 26斜向轴心力作用 39 两面侧焊 由构造确定hf 1 用盖板的对接连接承受轴心力时 1 承受轴心力作用时角焊缝连接计算 盖板长度 由 得 3 3 4各种受力状态下直角角焊缝连接计算 图3 27受轴心力的盖板连接 只有侧面角焊缝 40 由构造确定hf 由 得 三面围焊 a 端面角焊缝承担N b 侧面角焊缝承担N1 图3 28受轴心力的盖板连接 三面围焊 41 盖板长度 N N N N 由 N1 得 c 焊缝长度计算 图3 28受轴心力的盖板连接 三面围焊 42 解 查附表1 2 例3 1 试设计用拼接盖板的对接连接 图3 29 已知钢板宽B 270mm 厚度t1 28mm 拼接盖板厚度t2 16mm 该连接承受静态轴心力N 1400kN 设计值 钢材为Q235B 手工焊 焊条为E43型 图3 29例3 1图 a 两面侧焊时 43 1 两面侧焊 盖板长度 一条焊缝的实际长度 取680mm 焊缝总长度 图3 29例3 1图 b 两面侧焊 44 选定拼接盖板宽度b 240mm 则 A 240 2 16 7680mm2 A 270 28 7560mm2 满足强度要求 根据构造要求可知 b 240mm lw 313mm且b 16t 16 16 256mm 满足要求 故选定拼接盖板尺寸为 680mm 240mm 16mm 45 2 三面围焊 端面角焊缝承担N 侧面角焊缝承担N1 N1 N N 焊缝长度计算 图3 29例3 1图 c 三面围焊时 46 一条焊缝长度 盖板长度 盖板尺寸为 取为180mm 图3 29例3 1图 d 三面围焊 47 a 三面围焊 N1 N3 N2 N N1 N2 N3 3 3 4各种受力状态下直角角焊缝连接计算 1 承受轴心力作用时角焊缝连接计算 2 承受轴心力的角钢角焊缝计算 肢背 肢尖焊缝承担的力N1 N2 端面焊缝承担的力N3 N lw1 lw2 图3 30三面围焊 a b 48 N1 N3 N2 由 得端面焊缝承担的力N3 图3 30三面围焊 图3 30三面围焊 a b c lw1 lw2 N 49 令 肢背 肢尖内力分配系数 近似取2 3 1 3 N1 N3 N2 b 由 lw2 lw1 图3 30三面围焊 a N 50 肢尖 肢背所需焊缝长度l1 l2 图3 30三面围焊 c 51 b 两面侧焊 图3 31两面侧焊 52 表3 3角钢角焊缝内力分配系数 53 例3 2 试确定图3 35所示承受静态轴心力作用的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度 已知角钢为2 125 10 与厚度为8mm的节点板连接 其肢背搭接长度为300mm 焊脚尺寸均为hf 8mm 钢材为Q235B 手工焊 焊条为E43型 图3 32例3 2图 54 2 肢背焊缝承担的力N1 1 端部焊缝承担的力N3 解 55 3 焊缝连接承担的力N 5 肢尖焊缝长度 4 肢尖焊缝承担的力N2 56 2 承受弯矩 轴心力或剪力联合作用的 已知 M V N问题 验算焊缝强度或设计 1 应力计算 3 3角焊缝的构造和计算 3 3 4各种受力状态下直角角焊缝连接计算 图3 33承受偏心斜拉力的角焊缝 角焊缝连接计算 57 Nx N Ny M 图3 34承受偏心斜拉力时的等价形式 c a b d e 58 b M作用下 a Nx作用下 焊缝是正面角焊缝 Nx M 图3 34 c 图3 34 d 59 2 强度条件 c Ny作用下 焊缝是侧面角焊缝 Ny 图3 34 e 60 3 承受扭矩与剪力联合作用时的角焊缝连接计算 假定 1 构件是完全刚性的 角焊缝处于弹性状态 2 角焊缝群上任意一点的应力方向垂直于该点与形心的连线 且应力大小与连线长度r成正比 图3 35受剪力和扭矩作用的角焊缝 61 图3 35受剪力和扭矩作用的角焊缝 62 图3 35受剪力和扭矩作用的角焊缝 63 图3 35受剪力和扭矩作用的角焊缝 64 典型问题 工字型牛腿焊缝的计算 第一种方法假设 剪力由腹板焊缝承担 弯矩由全部焊缝承担 a 翼缘焊缝最外纤维处的应力满足 M 焊缝承担的弯矩 Iw 全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩 翼缘焊缝仅承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力 图3 36工字形梁 或牛腿 的角焊缝连接 65 腹板焊缝即承受垂直于焊缝长度方向的应力又承受平行腹板焊缝长度方向的剪应力 b 腹板焊缝 腹板焊缝A点的强度 he2 腹板焊缝焊脚有效尺寸 he2 0 7hf2 h2 腹板焊缝实际长度 图3 37工字形梁的角焊缝连接 66 第二种方法假设腹板焊缝只承受剪力 翼缘焊缝承担全部弯矩 此时弯矩M可以化为一对水平力H M h 则翼缘焊缝的强度计算公式为 腹板焊缝的强度计算公式为 67 截面特性计算 截面积 上 下翼缘及腹板截面积之和 中和轴 形心 位置 按全截面对某轴的面积矩等于各块板分别对该轴的面积矩之和求得 惯性矩 各板块自身惯性矩再加上各板块面积乘以板块中心至中和轴距离的平方 图3 38截面特性计算 68 各点抵抗矩 惯性矩除以该点至中和轴的距离 各点面积矩 该点以上 或以下 的截面积对中和轴的面积矩 如按b点以下面积矩计算 中和轴以上部分取负值 以下部分取正值 图3 38截面特性计算 69 图3 39例3 3图 例3 3 试验算图3 42所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度 钢材为Q235B 焊条为E43型 手工焊 静态荷载设计值N 365kN 偏心距e 350mm 焊脚尺寸hf1 8mm hf2 6mm 图3 42 b 为焊缝有效截面的示意图 70 a 计算翼缘焊缝 解 V N 365kN M Ne 365 0 35 127 8kN m 1 考虑腹板焊缝参加传递弯矩的计算方法 全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为 翼缘焊缝的最大应力 71 b 计算腹板焊缝 弯矩M引起的最大应力 剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力 则腹板焊缝的强度 A点为设计控制点 为 72 2 不考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法 翼缘焊缝所承受的水平力 h值近似取为翼缘中线间距离 翼缘焊缝的强度 腹板焊缝的强度 73 坡口型式 厚度很小 手工焊6mm 埋弧焊10mm时直边缝 一般厚度 单边V形或V形坡口 厚度较大 20mm U形 K形或X形坡口 3 4对接焊缝的构造与计算 3 4 1对接焊缝的构造 1 坡口形式 图3 40对接焊缝的坡口形式 a 直边缝 b 单边V形坡口 c V形坡口 d U形坡口 e K形坡口 f X形坡口 74 拼接处 当焊件的宽度或厚度相差4mm以上时 从一侧或两侧做坡度不大于1 2 5 承受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构不大于1 4 的斜角 平缓过渡 静力荷载作用时允许不设 当不设引弧板时 每条焊缝计算长度等于实际长度减2t t为较薄焊件厚度 起落弧处 宜加引弧板 引出板 2 截面的改变 3 引弧板 图3 41钢板拼接 图3 42用引弧板和引出板焊接 a 改变宽度 b 改变厚度 75 焊缝强度与钢材强度比较 质量检验为一 二级时 焊缝强度与钢材强度相等 质量检验为三级时 抗压强度 抗剪强度与钢材强度相等 抗拉强度等于0 85 的母材强度 受拉连接 三级检验时 进行焊缝强度验算 对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同 焊缝可视为构件的组成部分 焊缝中应力分布基本同构件 3 4 2对接焊缝的计算 1 焊透的对接焊缝的计算 76 1 轴心受力对接焊缝 时 强度可不进行验算 N 轴心拉力或压力 lw 焊缝的计算长度 未采用引弧板 实际长度减2t t 对接连接中 连接件较小厚度 T形连接中 腹板厚度 注 当 图3 43对接焊缝受轴心力 77 2 承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 图3 44对接焊缝受弯矩和剪力联合作用 a 钢板对接接头 b 工字形截面梁的对接接头 78 Ww 焊缝截面模量 Sw 焊缝截面面积矩 Iw 焊缝截面惯性矩 焊缝抗剪强度设计值 t lw M V a 矩形截面截面正应力 截面剪应力 图3 45对接焊缝矩形截面 79 在腹板与翼缘交接处 验算折算应力 t1 Sw1 翼缘对中和轴的面积矩 b b 工字形截面最大正应力 最大剪应力 h0为腹板高度 图3 46工字形截面 80 例3 4 计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度 图3 50 F 550kN 设计值 偏心距e 300mm 钢材为Q235B 焊条为E43型 手工焊 焊缝为三级检验标准 上 下翼缘加引弧板和引出板施焊 图3 47例3 4图 81 a 最大正应力 解 截面几何特征值和内力 82 c 1 点的折算应力 b 最大剪应力 83 3 5焊接应力和焊接变形 3 5 1焊接应力的分类和产生的原因 1 纵向焊接应力 沿焊缝长度方向 图3 48施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力 a b 施焊时焊缝及附近的温度场 c 钢板上纵向焊接应力 84 2 横向焊接应力 垂直于焊缝长度方向 3 厚度方向的焊接应力 图3 49焊缝的横向焊接应力 图3 50厚板中的焊接残余应力 85 3 5 2焊接应力对结构性能的影响 1 对结构静力强度的影响 没有影响2 对结构刚度的影响 会降低结构的刚度3 对低温工作的影响 会增加钢材在低温下的脆断倾向4 对疲劳强度的影响 有明显的不利影响 86 3 5 3焊接变形 焊接变形是焊接构件经局部加热冷却后产生的不可回复变形 包括纵向收缩 横收缩 角变形 弯曲变形或扭曲变形等 通常是几种变形的组合 3 5 4减小焊接应力和焊接变形的措施 1 设计上的措施 1 焊接位置的安排要合理 2 焊缝尺寸要适当 3 焊缝的数量宜少 且不宜过分集中 4 应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉 5 尽量避免在母材厚度方向的收缩应力 87 图3 51减小焊接应力和焊接变形影响的设计措施 a c e g i 推荐 b d f h j 不推荐 88 2 工艺上的措施 1 采用合理的施焊次序 2 采用反变形 3 对于小尺寸焊件 焊前预热 或焊后回火加热600 左右 然后缓慢冷却 可以部分消除焊接应力和焊接变形 也可采用刚性固定法将构件加以固定来限制焊接变形 但增加了焊接残余应力 图3 52合理的施焊次序 a 分段退焊 b 沿厚度分层焊 c 对角跳焊 d 钢板分块拼接 图3 53焊接前反变形 89 规格 形式为大六角头型 其代号用字母M与公称直径表示 常用M16 M20 M24 螺栓的排列 并列 错列 螺栓的排列要满足以下三个方面的要求 1 受力要求 端距过小 端部撕裂 受压 顺内力方向 中距过大 鼓曲 2 构造要求 螺栓间距不能太大 避免压不紧潮气进入导致腐蚀 3 施工要求 螺栓间距不能太近 满足净空要求 便于安装 3 6螺栓连接的构造 3 6 1螺栓的排列 90 规范 制定出螺栓排列最大 最小容许距离 书中表3 4 在型钢上排列的螺栓还应符合各自线距和最大孔径的要求 书中表3 5 3 7 图3 54钢板的螺栓 铆钉 排列 a 并列 b 错列 91 图3 55型钢的螺栓 铆钉 排列 92 1 每一杆件在节点上以及拼接接头的一端 永久性螺栓数不宜少于两个 2 直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施 3 由于C级螺栓与孔壁有较大间隙 只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接 承受静力荷载结构的次要连接 可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中 也可用C级螺栓受剪 4 当采用高强螺栓连接时 拼接件不能采用型钢 只能采用钢板 型钢抗弯刚度大 不能保证摩擦面紧密结合 5 沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板 应适当增强其刚度 以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响 3 6 2螺栓连接的构造要求 93 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 图3 56普通螺栓连接 94 抗剪连接 板件之间有相互错动的趋势抗拉连接 板件之间有相互脱开的趋势 图3 57抗剪连接与抗拉连接 95 普通螺栓按加工精度可分为 1 粗制螺栓 C级 优点 安装简单 便于拆装 缺点 螺杆与钢板孔壁不够紧密 传递剪力时 连接变形较大 宜用于承受拉力的连接中 或用于次要结构和可拆卸结构的受剪连接及安装时的临时固定 2 精制螺栓 A B级 优点 受力性能好 缺点 安装费时费工 且费用较高 目前建筑结构中已较少使用 96 3 7 1普通螺栓的抗剪连接 受剪螺栓连接 1 抗剪连接的工作性能 N 图3 58单个螺栓抗剪试验结果 高强度螺栓 普通螺栓 97 从加载至破坏经历以下四个阶段 1 弹性阶段 01段 加载初 荷载小 连接中剪力小 荷载靠构件间接触面的摩擦力传递 栓杆与孔壁之间的间隙保持不变 2 滑移阶段 12段 剪力达到摩擦力最大值 板件间产生相对滑移 直至栓杆与孔壁接触 3 栓杆直接传力的弹性阶段外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递 曲线上升 3点 螺栓或连接板达到弹性极限 4 弹塑性阶段在此阶段即使荷载增量很小 连接的剪切变形迅速加大 直至连接破坏 4点 极限荷载 98 受剪螺栓的破坏形式 1 栓杆被剪断2 钢板被挤压破坏 螺栓承压破坏 3 钢板被拉断4 钢板被剪坏 图3 59抗剪螺栓连接的破坏形式 99 针对以上破坏形式 应采取以下措施 1 通过计算保证螺栓抗剪2 通过计算保证螺栓抗挤压3 通过计算保证板件有足够的拉压强度4 螺栓端距 2d0 避免钢板被拉豁 100 抗剪承载力设计值 nv 受剪面数目 单剪nv 1 0 双剪nv 2 0 四剪nv 4 0 d 螺栓杆直径 N N 2 单个普通螺栓抗剪连接的承载力 N 2 N N 2 图3 60抗剪螺栓连接 101 单个螺栓承载力设计值 承压承载力设计值 t 同一受力方向承压板较小总厚度 N 2 N 2 N 图3 61螺栓承压 102 单个螺栓所受的力N1 时 对承载力进行修正 所需螺栓数n 3 普通螺栓群抗剪连接 普通螺栓群轴心受剪 图3 62长接头螺栓的内力分布 103 普通螺栓群轴心受剪的计算流程 104 例3 5 设计两块钢板用普通螺栓的盖板拼接 图3 60 已知轴心拉力的设计值N 325kN 钢材为Q235A 螺栓直径d 20mm 粗制螺栓 图3 63例3 5图 105 受剪承载力设计值 承压承载力设计值 一侧所需螺栓数n 取8个 解 106 假定 板件绝对刚性 螺栓弹性 扭矩作用下螺栓受力与螺栓到旋转中心距离成正比 V F 剪力 T Fe 扭矩 满足 普通螺栓群偏心受剪 图3 64螺栓群偏心受剪 107 a 计算T作用下单个螺栓受力 N1 图3 64螺栓群偏心受剪 c 108 图3 64螺栓群偏心受剪 c 图3 61 c 螺栓1所承受的力为 109 图3 64螺栓群偏心受剪 c 受力最大的螺栓1所承受的力为 其分力为 110 c 螺栓群偏心受剪 b 剪力V作用下 图3 64螺栓群偏心受剪 b 图3 64螺栓群偏心受剪 d 螺栓群偏心受剪时 受力最大的螺栓1所受的合力为 111 图3 64螺栓群偏心受剪 e 图3 64螺栓群偏心受剪 b 1 当x 3y时 yi 0 2 当y 3x时 xi 0 112 普通螺栓群偏心受剪的计算流程 113 例3 6 设计图3 62所示的普通螺栓拼接 柱翼缘厚度为10mm 连接板厚度为8mm 钢材为Q235B 荷载设计值为F 150kN 偏心距为e 250mm 粗制螺栓M22 图3 65例3 6图 解 将力向形心简化 114 扭矩作用下1号螺栓受力 剪力作用下1号螺栓受力 115 1号螺栓受力 承载力验算 116 工作性能 连接角钢刚度大时 连接角钢刚度小时 设计时不计算撬力 降低螺栓的强度 3 7 2普通螺栓的抗拉连接 图3 66受拉螺栓的撬力 图3 67T形连接中螺栓受拉 取 a b 117 de 螺栓的有效直径 螺栓抗拉强度设计值 有效直径 净直径 平均直径 最大直径 Ae 螺栓的有效面积 1 单个普通螺栓的抗拉连接 图3 68螺栓杆直径 118 n 螺栓数目 2 普通螺栓群轴心受拉 a b 图3 69螺栓群承受轴心拉力 119 假设 螺栓受力与到旋转中心距离成正比 3 普通螺栓群弯矩受拉 a b c d 图3 70普通螺栓弯矩受拉 120 图3 70普通螺栓弯矩受拉 e 121 例3 7 牛腿用C级普通螺栓以及承托与柱连接 如图3 68 承受竖向荷载 设计值 F 200kN 偏心距为e 200mm 试设计其螺栓连接 已知构件和螺栓均用Q235钢材 螺栓为M20 孔径21 5mm 图3 71例3 7图 122 承托传递全部剪力V 弯矩由螺栓连接传递 查表 M20 Ae 245mm2 单个螺栓最大拉力 解 单个螺栓的抗拉承载力设计值 满足要求 123 大小偏心判别 4 普通螺栓群偏心受拉 根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉 图3 72螺栓群偏心受拉 124 小偏心受拉 大偏心受拉 125 例3 8 设图3 70为一刚接屋架支座节点 竖向力由承托承受 螺栓为C级 只承受偏心拉力 设N 250kN e 100mm 螺栓布置如图3 70 a 所示 图3 73例3 8 例3 9图 126 螺栓有效截面的核心距 即偏心力作用在核心距以内 属小偏心受拉 图3 70 c 解 需要的有效面积 采用M20螺栓 127 例3 9 同例3 8题 但取e 200mm 由于e 200mm 117mm 应按大偏心受拉计算螺栓的最大拉力 假设螺栓直径为M22 Ae 303mm2 并假定中和轴在上面第一排螺栓处 则以下螺栓均为受拉螺栓 图3 70 d 需要的螺栓有效面积 解 128 承压承载力 3 7 3普通螺栓受剪力和拉力的联合作用 图3 74螺栓群受剪力和拉力联合作用 129 例3 10 设图3 72为短横梁与柱翼缘的连接 剪力V 250kN e 120mm 螺栓为C级 梁端竖板下有承托 钢材为Q235B 手工焊 焊条E43型 试按考虑承托传递全部剪力V以及不承受剪力V两种情况设计此连接 图3 75例3 109图 130 1 承托传递全部剪力V 螺栓群受弯矩作用 设螺栓为M20 Ae 245mm2 n 8 1 单个螺栓抗拉承载力 2 单个螺栓最大拉力 3 承托焊缝验算hf 10mm 解 131 2 一个螺栓受力 1 一个螺栓承载力 2 不考虑承托传递剪力V 3 剪力和拉力联合作用下 132 摩擦型 只靠摩擦阻力传力 以剪力达到接触面的摩擦力作为承载力极限状态 设计准则 0 1 承压型 以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏为承载力极限状态 设计准则 0 4 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 图3 76单个螺栓抗剪试验结果 高强度螺栓 普通螺栓 3 8 1高强度螺栓连接的工作性能 N 133 高强螺栓 分大六角头型和扭剪型两种 P 1 高强度螺栓的预拉力 图3 77高强度螺栓 a 大六角头型 b 扭剪型 134 扭矩法使用一种能直接显示所施加扭矩大小的定扭扳手 上紧螺栓分初拧和终拧两个阶段 初拧扭矩不得小于终拧扭矩的30 终拧扭矩由试验测定 转角法初拧后 用电动或风动扳手拧螺母1 3 2 3圈 终拧角度与板叠厚度和螺栓直径等有关 可测定 扭断螺栓尾部法适用扭剪型高强度螺栓 用特制电动扳手的两个套筒分别套住螺母和螺栓尾部 正 反转 由于螺栓尾部槽口深度是按终拧扭矩和预拉力之间的关系确定 故所得预拉力值能得到保证 1 预拉力的控制方法 135 Ae 有效截面面积 fu 螺栓材料经热处理后的抗拉强度 0 9 0 9 0 9 材料不均匀性 弥补预拉力损失的超张拉 采用fu作标准值等 1 2 拧紧螺栓时产生的扭矩将降低栓杆的承载力 2 预拉力的确定 表3 4一个高强度螺栓的设计预拉力值 kN 136 摩擦面的粗糙程度有关 即与构件接触面的处理方法和钢号有关 抗滑移系数值有随被连接构件接触面的压紧力减小而降低的现象 表3 5摩擦面的抗滑移系数值 2 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 137 1 高强度螺栓摩擦型连接 单个螺栓承载力 式中0 9 抗力分项系数的倒数 nf 传力摩擦面数目 单剪nf 1 双剪nf 2 P 一个高强度螺栓的设计预拉力 按表3 4采用 P