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第二章钢结构连接设计与计算 第一节钢结构的连接方法第二节焊接连接的设计与计算第三节螺栓连接的设计与计算 钢结构的连接方法主要有焊接连接 螺栓连接和铆钉连接三种 一 焊接连接 一 焊接连接的概念及特点焊接连接是通过电弧产生热量 使焊条和焊件局部熔化 经冷却凝结成焊缝 从而将焊件连接成一体 焊接连接具有如下特点 1 优点 任何形式的构件一般都可直接相连 不会削弱构件截面 且用料经济 构造简单 加工方便 连接刚度大 密封性能好 可采用全自动或半自动作业 提高生产效率 第一节钢结构的连接方法 下一页 返回 第一节钢结构的连接方法 2 缺点 焊缝附近的钢材 在高温作用下形成热影响区 使其金相组织和力学性都发生变化 导致材质局部变脆 焊接过程中钢材由于受到不均匀的加温和冷却 使结构产生焊接残余应力和残余变形 也使钢材的承载力 刚度和使用性能受到影响 二 焊接连接的方法焊接连接有气焊 接触焊和电弧焊等方法 在电弧焊中又分为手工焊 自动焊和半自动焊三种 目前 钢结构中较常用的焊接方法是手工电弧焊 下一页 上一页 返回 第一节钢结构的连接方法 二 螺栓连接 一 螺检连接的分类与特点螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种 螺栓连接具有如下特点 1 优点 螺栓连接施工工艺简单 安装方便 适用于工地安装连接 能更好地保证工程进度和质量 2 缺点 螺栓连接因开孔对构件截面会产生一定的削弱 且被连接的构件需要相互搭接或另加拼接板 角钢等连接件 因而相对耗材较多 构造较繁 下一页 上一页 返回 第一节钢结构的连接方法 二 螺检连接的方法1 普通螺栓连接普通螺栓连接一般有粗制螺栓和精制螺栓两种 粗制螺栓由圆钢热压而成 表面粗糙 螺杆与孔之间有空隙 受剪能力较差 一般用于安装连接中 精制螺栓在车床上加工而成 螺杆直径基本与孔径相同 抗剪能力较好 但制造过程比较费工 成本较高 一般很少采用 下一页 上一页 返回 第一节钢结构的连接方法 2 高强度螺栓连接高强度螺栓连接是一种新的钢结构连接形式 它具有施工简单 受力性能好 可拆换 耐疲劳以及在动力荷载作用下不致松动等优点 是很有发展前途的连接方法 三 铆钉连接铆钉是由顶锻性能好的铆钉钢制成 进行铆钉连接时 先在被连接的构件上制成比钉径大1 0 1 5mm的孔 然后将一端有半圆钉头的铆钉加热 直到铆钉呈樱桃红色时将其塞人孔内 再用铆钉枪或铆钉机进行铆合 使铆钉填满钉孔 并打成另一铆钉头 铆钉在铆合后冷却收缩 对被连接的板束产生夹紧力 这有利于传力 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 一 焊缝连接的形式和表示方法 一 焊缝的形式焊缝的形式见表2 1 二 焊缝的表示方法各种焊接接头的表示方法 坡口形状 坡口尺寸 以及工厂焊接与现场焊接的焊缝区别都是通过焊缝符号在图纸上表示出来的 在钢结构施工详图中 焊缝符号表示方法应按 建筑结构制图标准 GB T50150 2001及 焊缝符号表示法 GB T324 1988 的规定执行 下一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 二 对接焊缝的构造与计算 一 对接焊缝的构造在对接焊缝的拼接处 当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mnm以上时 应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1 2 5的斜角 图2 1 当厚度不同时 焊缝坡口形式应根据较薄焊件厚度相关要求取用 对于较厚的焊件 t 20mm t为钢板厚度 应采用V形缝 U形缝 K形缝 X形缝 其中V形缝和U形缝为单面施焊 但在焊缝根部还需补焊 对于没有条件补焊时事先在根部加垫板 图2 2 当焊件可随意翻转施焊时 使用K形缝和X形缝较好 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 在钢板厚度或宽度有变化的焊接中 为了使构件传力均匀 应在板的一侧或两侧做成坡度不大于1 4的斜角 形成平缓的过渡 图2 3 钢板拼接采用对接焊缝时 纵横两个方向的对接焊缝 可采用十字形交叉或T形交叉 当为T形时 交叉点的间距不得小于200mm 如图2 4所示 二 对接焊缝的计算对接焊缝中的应力分布情况与焊件原来的情况基本相同 根据焊缝受力情况分述焊缝的计算公式 1 轴心力作用下对接焊缝的计算在对接接头和T形接头中 垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝或对接与角接组合焊缝 其强度应按下式计算 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 当对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝无法采用引弧板或引出板施焊时 每条焊缝在长度计算时应各减去2t 2 弯距和剪力共同作用下对接焊缝的计算在对接接头和T形接头中承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝 其正应力和剪应力应分别进行计算 弯矩作用下焊缝产生正应力 剪力作用下焊缝产生剪应力 其应力分布见图2 6 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 三 角焊缝的构造与计算 一 角焊缝的构造角焊缝主要用于两个不在同一平面的焊件连接 通常有三种主要截面形式 即普通式焊缝 平坡式焊缝和凹面式焊缝 1 一般规定钢结构角焊缝的构造应符合下列规定 1 在直接承受动力荷载的结构中 角焊缝表面应做成直线型或凹型 焊脚尺寸的比例 对正面角焊缝宜为1 l 5 长边顺内力方向 对侧面角焊缝可为1 1 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 2 在次要构件或次要焊缝连接中 可采用断续角焊缝 断续角焊缝焊段的长度不得小于10hf或50mm 其净距不应大于15t 对受压构件 或30t 对受拉构件 t为较薄焊件的厚度 3 当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时 每条侧面角焊缝长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离 同时两侧面焊缝之间的距离不宜大于16t 当t 12mm 或190mm 当t 12mm t为较薄焊件的厚度 4 当角焊缝的端部在构件转角处做长度为2hf的绕角焊时 转角处必须连续施焊 5 在搭接连接中 搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍 并不得小于25mm 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 2 尺寸要求 1 角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于l 5 t为较厚焊件厚度 2 角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1 2倍 钢管结构除外 但板件 厚度为t 边缘的角焊缝最大焊脚尺寸尚应符合下列要求 当t 6mm时 hf t 当t 6mm时 hf t 1 2 mm圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸也不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1 3 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 3 角焊缝的两焊脚尺寸一般相等 当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合最大 最小 焊脚尺寸要求时 可采用不等焊脚尺寸 与较薄焊件接触的焊脚边应符合最小焊脚尺寸要求 与较厚焊件接触的焊脚边应符合最大焊脚尺寸的要求 4 侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm 5 侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf 当大于上述数值时 其超过部分在计算中不予考虑 若内力沿侧面角焊缝全长分布时 其计算长度不受此限 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 3 单面角焊缝的构造要求为减少腹板因焊接产生变形并提高工效 当T形接头的腹板厚度不大于8mm且不要求全熔透时 可采用单面角焊缝 图2 8 单面角焊缝应符合下列规定 1 单面角焊缝适用于仅承受剪力的焊缝 2 单面角焊缝仅可用于承受静态荷载和间接动态荷载的 非露天和不接触强腐蚀性介质的结构构件 3 焊脚尺寸 焊喉及最小根部熔深应符合表2 2的要求 4 经工艺评定合格的焊接参数 方法不得变更 5 柱与底板的连接 柱与牛腿的连接 梁端板的连接 起重机梁及支承局部悬挂荷载的吊架等 除非设计有专门规定 不得采用单面角焊缝 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 二 角焊缝的计算 1 在通过焊缝形心的拉力 压力或剪力作用下 正面角焊缝 作用力垂直于焊缝长度方向 侧面角焊缝 作用力平行于焊缝长度方向 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 2 在各种力综合作用下四 焊接应力与焊接变形焊接是一种局部加热的工艺过程 焊接过程中以及焊接后 被焊构件内将不可避免地产生焊接应力和焊接变形 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 一 焊接应力在钢结构焊接时 产生的应力主要有以下三种 1 热应力 或称温度应力 这是在不均匀加热和冷却过程中产生的 它与加热的温度及其不均匀程度 材料的热物理性能 以及构件本身的刚度有关 2 组织应力 或称相变应力 这是在金属相变时由于体积的变化而引起的应力 例如奥氏体分解为珠光体或转变为马氏体时都会引起体积的膨胀 这种膨胀受周围材料的约束 结果产生了应力 3 外约束应力 这是由于结构自身的约束条件所造成的应力 包括结构形式 焊缝的布置 施焊顺序 构件的自重 冷却过程中其他受热部位的收缩 以及夹持部件的松紧程度 都会使焊接接头承受不同的应力 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 二 焊接变形1 焊接变形的分类 1 横向收缩 垂直于焊缝方向的收缩 如图2 10 a 所示 2 角变形 横向变形 厚度方向的非均匀热分布造成的紧靠焊缝线的变形 如图2 10 b 所示 3 回转变形 由于热膨胀而引起的板件在平面内的角变形 如图2 10 c 所示 4 压曲变形 焊后构件在长度方向上的失稳 如图2 10 d 所示 5 纵向收缩 沿焊缝方向的收缩 如图2 10 e 所示 6 纵向弯曲变形 焊后构件在穿过焊缝线并与板件垂直的平面内的变形 如图2 10 f 所示 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 7 扭曲变形 焊后构件产生的扭曲 如图2 10 g 所示 8 波浪变形 当板件变薄时 在板件整体平面上造成的压曲变形 如图2 10 h 所示 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 2 焊接变形的控制 1 宜按下列要求采用合理的焊接顺序控制变形 1 对于对接接头 T形接头和十字接头坡口焊接 在工件放置条件允许或易于翻身的情况下 宜采用双面坡口对称顺序焊接 对于有对称截面的构件 宜采用对称于构件中和轴的顺序焊接 2 对双面非对称坡口焊接 宜采用先焊深坡口侧部分焊缝 后焊浅坡口侧 最后焊完深坡口侧焊缝的顺序 3 对长焊缝宜采用分段退焊法或与多人对称焊接法同时运用 4 宜采用跳焊法 避免工件局部加热集中 下一页 上一页 返回 第二节焊接连接的设计与计算 2 在节点形式 焊缝布置 焊接顺序确定的情况下 宜采用熔化极气体保护电弧焊或药芯焊丝自保护电弧焊等能量密度相对较高的焊接方法 并采用较小的热输入 3 宜采用反变形法控制角变形 4 对一般构件可用定位焊固定 同时限制变形 对大型 厚板构件宜用刚性固定法增加结构焊接时的刚性 5 对于大型结构宜采取分部组装焊接 分别矫正变形后再进行总装焊接或连接的施工方法 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 一 螺栓连接的设计螺栓连接可分为两大类型 即普通螺栓连接和高强度螺栓连接 其设计内容和要求如下 螺栓连接强度设计值应按附表2 3采用 每个高强度螺栓的预拉力 应符合现行国家标准 钢结构设计规范 GB50017 2003 的规定 二 普通螺栓连接的计算 一 螺检承载能力设计值 1 普通螺栓受剪连接中 单个螺栓承载力设计值按下式取值 下一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 2 普通螺栓杆轴受拉连接中 单个螺栓承载力设计值按下式计算 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 二 螺检连接计算公式1 承受轴心力的抗剪连接承受轴心力的抗剪连接如图2 11所示 需要螺栓数的要求如下 2 11 式中Nmin一个螺栓受剪承载力设计值 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 2 承受偏心力的抗剪连接承受偏心力的抗剪连接如图2 12所示 布置螺栓后 对受力最大的螺栓进行验算 其值应符合下列条件 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 当ymax 3xmax时 可取 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 3 承受轴心力的抗拉连接承受轴心力的抗拉连接如图2 13所示 所需螺栓的数目应符合下式的要求 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 4 承受偏心力的抗拉连接承受偏心力的抗拉连接如图2 14所示 布置螺栓后 对受力最大的螺栓进行验算 其值应符合下列条件 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 5 同时承受拉力和剪力的螺栓连接普通螺栓同时承受拉力和剪力时 单个螺栓承载力应分别符合下列公式要求 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 三 高强度螺栓连接的计算 一 抗剪承载力设计值 1 在抗剪连接中 单个摩擦型高强度螺栓的承载力设计值应按下式计算 在螺栓杆轴方向受拉的连接中 每个高强度螺栓的承载力设计值取Ntb 0 8P 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 2 抗剪连接中 单个承压型高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同 当剪切面在螺纹处时 其受剪承载力设计值应按螺纹处的有效面积计算 承压型高强度螺栓的预拉力P的计算及取值与摩擦型高强度螺栓相同 在杆轴方向受拉的连接中 单个承压型高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 3 高强度螺栓抗拉连接的受力特点是依靠预拉力使连接件被压紧传力 当连接在沿螺栓杆轴方向再承受外力时 只要螺栓承担的外拉力设计值Nt不超过其预拉力P 螺栓杆内原预拉力基本不变 但当Nt P 螺栓可能达到钢材的屈服强度 卸荷后连接产生松弛现象 预拉力降低 因此规范偏安全地规定一个高强度螺栓抗拉承载力设计值为 Ntb 0 8P 二 高强度螺检连接计算公式 1 当摩擦型高强度螺栓连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时 其承载力应按下式计算 下一页 上一页 返回 第三节螺栓连接的设计与计算 式中NvNt分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力 NvbNtb分别为一个高强度螺栓的受剪 受拉承载力设计值 2 同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺