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第三章钢结构的连接 第一节钢结构的连接方法 一 结构的连接方法 20世纪初开始在工程结构上较广泛应用 焊接是现代钢结构最主要的连接方法之一 优点 不削弱构件截面 构造简单 节约钢材 加工方便 可采用自动化操作 生产效率高 刚度较大 密封性能好 缺点 焊缝附近存在热影响区 由高温快速降到常温 使钢材脆性加大 存在焊接残余应力及残余变形 焊接结构低温冷脆问题也比较突出 1 焊缝连接 2 铆钉连接及特点 铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆钉 将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中 再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头 使连接达到紧固 因施工噪音巨大 目前承重钢结构连接中已很少应用 3 螺栓连接 分为 普通螺栓连接 高强度螺栓连接 主要连接方法及优缺点 第二节焊接方法 焊缝类型和质量级别 一 钢结构中常用的焊接方法1 电弧焊焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热 使焊条和焊件熔化 二者凝结成焊缝 原理 利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝 1 手工电弧焊 A 焊条的选择 焊条应与焊件钢材相适应 Q390 Q420钢选择E55型焊条 E5500 5518 Q345钢选择E50型焊条 E5000 5048 B 焊条的表示方法 E 焊条 Electrode 第1 2位数字为熔融金属的最小抗拉强度 N mm2 第3 4位数字为适用焊接位置 电流及药皮的类型 不同钢种的钢材焊接 宜采用与低强度钢材相适应的焊条 缺点 质量波动大 要求焊工等级高 劳动强度大 效率低 优点 方便 特别在高空和野外作业 小型焊接 Q235钢选择E43型焊条 E4300 E4328 C 优 缺点 2 埋弧焊 自动或半自动 属于机械化焊接 电弧埋在焊剂层下 采用盘状连续的光焊丝在散粒状焊剂下燃弧焊接 散粒状焊剂的作用与手工焊焊条的药皮相同 埋弧焊节省焊丝和电能 劳动条件好 生产效率高 焊缝质量稳定可靠 塑性和韧性也较好 但不如手工焊灵活 A 焊丝的选择应与焊件等强度 埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配 对Q235钢常用H08A等焊丝 对Q345钢和Q390和Q420钢常用H08MnA H10Mn2等焊丝 选择焊丝时 尚需同时选用相应的焊剂 焊剂有无锰型及高 中 低锰型焊剂 B 优 缺点 优点 自动化程度高 焊接速度快 劳动强度低 焊接质量好 缺点 设备投资大 施工位置受限等 3 二氧化碳气体保护焊 利用CO2气体作为保护气体 使焊缝金属不与空气接触 电弧加热集中 焊接速度快 熔化深度大 焊缝强度高 塑性好 CO2气体保护焊采用高锰高硅型焊丝 具有较强的抗锈能力 优点 焊接速度快 焊接质量好 缺点 施工条件受限制等 2 熔嘴电渣焊高层建筑钢结构中较多地采用箱形截面钢柱 在梁柱截面区的柱截面内需设置与梁翼缘等厚的加劲板 横隔板 而加劲板应与箱形截面柱的四块钢板采用坡口熔透焊 但是 当采用一般手工焊时 加劲板边缘的最后一条边的焊缝无法焊接 因此需要采用熔嘴电渣焊 熔嘴电渣焊是用细直径冷拔无缝钢管外涂药皮制成的管焊条作为熔嘴 焊丝在管内送进 二 焊缝连接形式及焊缝类型 焊缝连接形式按被连接构件间的相对位置分为对接 搭接 T形连接和角接四种 焊缝按其构造来分 可分为对接焊缝和角焊缝两种类型 焊缝按其施焊位置分为俯焊 平焊 立焊 横焊和仰焊 设计和施工时应尽量避免采用仰焊焊缝 三 焊缝缺陷 质量检验和焊缝级别 1 焊缝缺陷主要有外观缺陷 焊缝尺寸偏差 咬边 弧坑 起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑 内部缺陷 未熔合 母材被烧穿 气孔 非金属夹渣 裂纹等缺陷 均会引起应力集中削弱焊缝有效截面 降低承载能力 若发现焊缝有裂纹 应彻底铲除后补焊 2 焊缝质量检查 外观检查 检查外观缺陷和几何尺寸 内部无损检验 检验内部缺陷 内部检验主要采用超声波 有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方法 还可以采用X射线或 射线透照或拍片 钢结构工程施工及验收规范 规定 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级 二级和三级 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准 一 二级焊缝除外观检查外 尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准 3 焊缝级别 4 焊缝代号 按 建筑结构制图标准 GB T50105 2001 和 焊缝符号表示法 GB324 88 执行 第三节对接焊缝连接的构造和计算 1 对接焊缝的坡口形式 一 对接焊缝的构造 对接焊缝的焊件常做坡口 坡口形式与板厚和施工条件有关 t 焊件厚度 1 当 t 6mm 手工焊 t 10mm 埋弧焊 时可不做坡口 采用直边缝 2 t 7 20mm时 宜采用单边V形和双边V形坡口 3 t 20mm时 宜采用U形 K形 X形坡口 2 当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时 应做坡度不大于1 2 5 静载 或1 4 动载 的斜角 以平缓过度 减小应力集中 3 对接焊缝的起 灭弧点易出现缺陷 故一般用引弧板引出 焊完后将其切去 不能做引弧板时 每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1 t1 较薄焊件厚度 二 对接焊缝的强度计算1 对接直焊缝承受轴心力N或式中 焊缝的计算长度 当未采用引弧板时 每条焊缝取实际长度减去2t 当采用引弧板时 取焊缝实际长度 t 为焊缝的计算厚度 2 对接焊缝承受剪力和弯矩 对接焊缝承受弯矩M和剪力V作用 图3 10b 时 按下式验算其焊缝强度在正应力和剪应力都较大之处 还应按下式验算该点的折算应力 3 工字形截面对接焊缝承受弯矩 剪力和轴心力共同作用时 图3 10c 应按下列各式验算焊缝强度 第四节角焊缝连接的构造和计算 一 受力情况和构造要求1 角焊缝的形式和受力情况侧焊缝 长度方向与作用力方向平行的角焊缝称为侧焊缝 端焊缝 长度方向与作用力方向垂直的角焊缝称为端焊缝 角焊缝两焊脚边的夹角 一般为90 直角角焊缝 若该夹角大于或小于90 则称为斜角角焊缝 侧焊缝主要承受剪力作用 在弹性阶段 应力沿焊缝长度分布不均 但由于其塑性较好 在出现塑性变形后 将产生应力重分布 在规范规定的焊缝长度范围内 应力分布可趋于均匀 端焊缝的应力状态较复杂 其破坏强度比侧焊缝的高 约高22 左右 但塑性变形要差一些 2 角焊缝的构造要求 1 焊脚尺寸 如图3 14 称角焊缝截面直角边的尺寸hf为角焊缝的焊脚尺寸 若hf过小 热量小 易被周围金属快速吸收 从而冷却过快而产生淬硬组织 使金属变脆 容易形成裂纹 hf过大 易使焊件过烧 改变金相组织 且易烧穿较薄焊件 所以hf不能过大或过小 一般应满足 当焊缝位于板边时 应hf t 3 计算截面 2 焊缝长度lw当hf大而lw过小时 易使焊件局部受热严重 且焊缝起灭弧的弧坑相距太近 起灭弧区段占比例高 加上可能出现的其他缺陷 也使焊缝不够可靠 lw过大 侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀 焊缝两端已达破坏应力 而中部应力还较小 故侧焊缝长度应满足 8hf lw 60hf 承受静力荷载或间接受动力荷载 8hf lw 40hf 直接承受动力荷载 二 角焊缝的强度计算 角焊缝的计算方法 不同的 规范 有不同的计算方法 折算应力法 考虑焊缝有效截面的应力状态 按第四强度理论计算 GB50017 2003采用的方法 单一应力法 不考虑焊缝有效截面的实际应力状态 均按单一剪应力计算 SL74 95钢闸门规范采用 1 角焊缝计算的基本公式如图3 19所示 角焊缝有效截面上同时存在正应力和剪应力 则可按第四强度理论计算其等效应力为 2 轴向力垂直于焊缝长度方向作用时 轴向力作用的正面角焊缝 强度可提高22 3 平行于焊缝长度方向的应力 f和垂直于焊缝长度方向的应力 f共同作用时 对于比较简单的受力情况 该计算公式可简化为 1 轴向力沿焊缝长度方向作用时 轴向力作用的侧面角焊缝 4 上述公式适用条件 适用于非直接动力荷载作用 当直接动力荷载作用时 考虑正面角焊缝塑性性能较差 取它和侧面角焊缝的强度相同 把式中1 22变为1 按容许应力法计算焊接连接时 强度均取角焊缝的容许剪应力 应力根据荷载标准值求得 3 轴心力作用 轴心力通过连接角焊缝群的中心 时的角焊缝计算 取应力是均匀分布的 1 只布置侧焊缝时 拼接缝一侧有四条侧焊缝 上下盖板各两条 取焊脚尺寸hf t 1 2 mm 则每条侧焊缝的实际焊接长度为 拼接板长度为 其中 c为接缝宽度 可取10 20mm 2 三面围焊时先取hf值 求出正面角焊缝所能承担的内力N3 再由N N3 再计算每条侧面角焊缝长度 拼接板长度为 其中 c为接缝宽度 可取10 20mm 角钢与节点板的焊缝连接计算 1 当用侧面角焊缝连接钢板与角钢时应使焊缝受力合力通过角钢轴线 通过调节焊缝面积来实现 依 X 0 M 0得 肢背焊缝内力N1和肢尖焊缝内力N2求得后 再根据构造要求和强度条件计算确定肢背和肢尖的焊脚尺寸和长度 2 为使连接紧凑 可采用围焊缝先选定正面角焊缝的hf 其承载力为 则肢背和肢尖焊缝的内力为 肢背N1 k1N N3 肢尖N2 k2N N3 2然后按侧焊缝确定肢背和肢尖焊缝尺寸 3 当受力较小可采用L形焊缝由上式中的N2 0 可得 N3 2k2N N1 N N3 然后可确定各焊缝尺寸 肢背和肢尖可采用不同的焊脚尺寸hf 这样可使肢背和肢尖的焊缝长度lw接近相等 4 弯矩 剪力和轴心力共同作用时T形接头的角焊缝计算 把荷载向焊缝中心平移 确定受力最大的应力点 依应力性质组合 验算最危险点的强度 5 扭矩T作用 T平面 焊缝平面 扭矩T作用 T平面 焊缝平面 假定 1 被连接件是刚性的 焊缝是弹性的 2 被连接件绕焊缝形心O点转动 焊缝上任一点应力与该点与焊缝中心距离r的大小成正比 方向与r垂直 按 材力 理论 可得该点应力沿x y方向的分量为 式中 rx ry 分别为r在x和y方向上的分量 因此 在扭矩T作用下 距焊缝形心最远的强度验算公式为 6 扭矩 剪力和轴力共同作用下搭接连接的角焊缝计算 把荷载向焊缝中心平移 确定受力最大的应力点 依应力性质组合 验算最危险点的强度 第五节焊接残余应力和焊接残余变形 一 焊接残余应力的种类和产生的原因 1 纵向残余应力 应力方向 焊缝长度方向 构件产生纵向残余应力的三个充分必要条件 构件上存在不均匀的温度场 构件进入了热塑性状态 组成构件的各个 假想 纵向纤维不能自由纵向变形 在同时满足上述三个条件的情况下 构件将产生纵向残余应力 构件在焊接 热轧 热切割等热处理时将会同时满足上述三个充分必要条件 故将会产生纵向残余应力 纵向残余应力的分布规律 构件的纵向残余应力为自相平衡的内应力 合力为零 其分布表现为温度高的焊缝附近区域为拉应力 而远离焊缝区温度较低的区域为压应力 拉压合力为零 纵向残余应力的分布如下图所示 2 横向残余应力 横向残余应力产生的原因有 焊后焊缝纵向收缩 两块钢板趋向于弯成弓形 但由于焊缝将两块钢板连成整体 于是在焊缝中部和两端分别产生横向拉应力和横向压应力如图 3 10a b 施焊时先焊的焊缝先冷却凝固 具有一定的强度 会阻止后焊焊缝在横向的自由变形 产生横向应力 3 沿焊缝厚度方向的残余应力外边先冷却而受压 中间冷却慢而受拉 这三种应力可能形成比较严重的同号三轴应力 会大大降低结构连接的塑性 这就是焊接结构易发生脆性破坏的原因之一 二 焊接残余变形焊接过程中的局部加热和不均匀的冷却收缩 使焊件在产生残余应力的同时还将伴随产生焊接残余变形 如纵向和横向收缩 弯曲变形 角变形 波浪变形和扭曲变形等 三 焊接残余应力和残余变形的影响 1 焊接残余应力对结构性能的影响 1 强度残余应力是自平衡力系 不影响结构的强度 2 刚度残余应力与荷载应力相加以后 部分材料将提前进入屈服阶段 继续增加的外力将仅由弹性区承担 因此构件变形将加快 刚度降低 3 构件的稳定性荷载引起的压应力与截面残余压应力叠加时 会使部分截面屈服 降低抗弯刚度EI 将降低构件的整体稳定性 4 疲劳和低温冷脆残余应力为三向同号应力状态时 材料易转向脆性 使裂纹容易产生和开展 导致疲劳强度降低 易导致低温脆性断裂 2 焊接残余变形对结构的影响 影响结构的尺寸 使装配困难 影响使用质量 过大的变形将显著降低结构的承载能力 甚至使结构不能使用 四 减小焊接残余应力和残余变形的方法 1 合理设计 hf不宜过大 焊缝不宜过分集中和三向交叉 2 合理制造 合理的焊接工艺 3 矫正 第六节普通螺栓连接的构造和计算 一 普通螺栓的种类和特性1 表示 普通螺栓为粗牙大六角头型 代号用字母M与公称直径 毫米 表示 如M18 M20 M22 M24 2 按制作精度分类 分为A B C级螺栓 C级采用4 6 4 8级 小数点前的数字代表抗拉强度 单位为MPa 小数部分代表屈强比 材料制作 只要求 类孔 在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径的孔 栓径比孔径小1 5 3 0mm A B级螺栓采用5 6或8 8级材料 45号和35号钢 制作 要求 类孔 用钻模钻成或在装配好后钻成或扩钻止设计孔径 栓径比孔径小0 3 5mm 二 普通螺栓连接的构造要求 1 螺栓的直径在同一结构连接中 为便于钻孔及螺栓安装并方便计算 宜采用同一直径的螺栓 其直径大小有受力和构件尺寸综合确定 常用直径为M18 M20 M22 M24等 2 螺栓的排列和间距螺栓的排列应简单 统一而紧凑 既要满足受力要求 又要构造合理便于安装 三 普通螺栓连接受力性能和强度计算 1 分类按螺栓受力方式可分为受剪螺栓连接 受拉螺栓连接和拉剪螺栓连接 2 受剪螺栓连接 1 受力性能 靠栓杆受剪和孔壁承压传力 2 破坏形式 a 栓杆剪断 b 孔壁挤压坏 c 钢板拉断 d 端部钢板剪断 e 栓杆受弯破坏 1 螺栓剪断 板较厚 螺栓较细 2 螺孔孔壁挤压破坏 板较薄 螺栓较粗 3 钢板净截面处拉断 板开孔 截面削弱 4 钢板端部剪坏 螺栓端距过小 防止螺栓破坏措施 2 3 通过计算解决 4 5 通过构造解决 3 单个螺栓承载力计算 单个螺栓承载力计算 抗剪承载力设计值 承压承载力设计值 nv 受剪面数目 d 螺栓杆直径 fvb fcb 螺栓抗剪和承压强度设计值 t 接头一侧承压构件总厚度的较小值 4 螺栓群受轴心力N作用时的连接计算 确定所需螺栓数目nn N Nbmin 当沿受力方向的螺栓连接长度l1过大时 各螺栓的受力将很不均匀 易发生解扣破坏 需将螺栓的承载力设计值乘以折减系数给予降低 净截面强度验算 N An f选择构件或连接板内力大或净截面小的截面 5 受扭矩和剪力作用的抗剪螺栓群计算 计算假定 被连接钢板是刚性的 螺栓是弹性的 钢板绕螺栓群中心O点转动 螺栓的剪切变形与它到中心O的距离成正比 螺栓所受的剪切力或钢板所受的反作用力与r成正比 方向与r垂直 根据扭矩平衡条件和计算假定得在T作用下螺栓所受的最大剪力为其水平和竖直分力为V由螺栓平均分担 每个螺栓承受T和V共同作用时 受力最大的螺栓1应满足 2 受拉螺栓连接 1 单个受拉螺栓的承载力设计值破坏形式是在被螺纹削弱的截面处栓杆被拉断 普通螺栓 bolt 锚栓 anchorbolt 受拉螺栓附加撬力P的产生原因和处理措施示意图 2 螺栓群的受拉连接计算a 轴心力N作用时首先按下式计算所需螺栓数 然后按实际确定的螺栓数目n进行布置排列 b 螺栓群在弯矩M作用下的抗拉计算 基本假定 被连接板件绝对刚性 螺栓为弹性 各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处 如上图受拉螺栓连接 上部螺栓受拉 压力产生于牛腿 或梁端板 和柱的接触面上 精确确定中和轴的位置的计算比较复杂 通常近似地取中和轴在最下边一排螺栓轴线上 并且忽略压力区所产生的弯矩 因力臂很小 可得螺栓所受最大拉力 c 螺栓群受偏心拉力作用的连接计算 中和轴在哪里 1 小偏心情况e M N较小 所有螺栓均承受拉力作用 假定中和轴在螺栓群形心位置 2 大偏心情况当根据小偏心情况计算公式算得的当Nmin 0时 由于e M N较大 近似的将中和轴假定在 弯矩指向一侧 的最外排螺栓轴线 两种可能破坏形式 一是螺栓杆受拉剪联合作用破坏 二是孔壁承压破坏 3 拉剪螺栓连接 验算螺杆在拉 剪联合作用下的承载能力 验算孔壁承压 NVb 单个螺栓抗剪承载力设计值 Ncb 单个螺栓承压承载力设计值Ntb 单个螺栓抗拉承载力设计值 Nv Nt 单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值 第七节高强度螺栓连接的性能和计算 一 高强度螺栓连接的构造和性能1 材料螺栓采用8 8级和10 9级两种强度性能等级的材料制成 2 工作特点高强度螺栓连接是通过拧紧螺母 靠接触面间的摩擦阻力来承受荷载 普通螺栓连接的拧紧力很小 靠螺杆承压和抗剪来传递剪力 3 分类分为高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接 摩擦型连接承受剪切时 以剪力达到板件间的最大摩擦阻力为极限状态 承压型连接在受剪时 允许剪力超过摩擦力 以螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态 二 高强度螺栓的紧固方法和预拉力 1 紧固方法采用扭矩法 转角法或扭剪法 2 预拉力的大小拧至fy以获得最大承载力 但设计取值要考虑 在拧紧螺栓时 扭矩使螺栓产生的剪力对材料屈服强度的影响 根据试验结果 除以1 2 施工要超张拉来弥补拧螺栓先后造成的松弛影响 乘以0 9 材料抗力的变异影响 乘以0 9 设计预拉力P的取值如教材表3 2所示 3 摩擦面抗滑移系数 主要与构件材料和表面处理方法有关 见教材表3 3 三 高强度螺栓摩擦型连接的强度计算 一 摩擦型连接抗剪强度计算1 单个螺栓的抗剪承载力设计值 NVb 0 9nf P式中0 9 抗力分项系数rR的倒数1 1 111 2 轴心力N作用下高强度螺栓群的抗剪计算 1 被连接构件接缝一侧所需螺栓数 在确定所需螺栓数目n后 按构造要求布置排列螺栓 2 构件净截面强度验算 构件净截面内力要考虑孔前接触面的摩擦传力 N N 0 5Nn1 n 1 0 5n1 n N N An f 0 5 考虑螺栓所分担剪力的50 由螺孔前构件接触面传递到被连接的另一构件中 此外 尚应验算构件的毛截面强度 3 受扭矩T作用 或扭矩T 剪力V 轴心力N共同作用 计算方法与普通螺栓连接相同 区别在于应采用高强度螺栓的抗剪承载力设计值0 9nf P 二 摩擦型连接抗拉强度计算1 单个高强度螺栓的抗拉承载力设计值Ntb由试验知 当Nt P时 在卸荷后预拉力降低 松弛 若Nt 0 9P 则不出现松弛现象 考虑安全储备 取Ntb 0 8P 适用于摩擦型和承压型 2 轴心力