钢结构焊接、螺栓连接计算及实例

0 第一节 钢结构的连接方法 钢结构是由钢板 型钢通过必要的连接组成基本构件 如梁 柱 桁架等 再通过 一定的安装连结装配成空间整体结构 如屋盖 厂房 钢闸门 钢桥等 可见 连接的 构造和计算是钢结构设计的重要组成部分 好的连接应当符合安全可靠 节约钢材 构 造简单和施工方便等原则 钢结构的连接方法可分为焊缝连接 铆钉连接和螺栓连接三种 详见附图十三详见附图十三 一 焊缝连接一 焊缝连接 焊接是现代钢结构最主要的连接方法 其优点是不削弱构件截面 不必钻孔 构造 简单 节约钢材 加工方便 在一定条件下还可以采用自动化操作 生产效率高 此外 焊缝连接的刚度较大密封性能好 焊缝连接的缺点是焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区 热影响区由高 温降到常温冷却速度快 会使钢材脆性加大 同时由于热影响区的不均匀收缩 易使焊 件产生焊接残余应力及残余变形 甚至可能造成裂纹 导致脆性破坏 焊接结构低温冷 脆问题也比较突出 二 铆钉连接二 铆钉连接 铆接的优点是塑性和韧性较好 传力可靠 质量易于检查和保证 可用于承受动载 的重型结构 但是 由于铆接工艺复杂 用钢量多 因此 费钢又费工 现已很少采用 三 螺栓连接三 螺栓连接 螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种 普通螺栓通常用 Q235 钢制成 而高强度螺栓则用高强度钢材制成并经热处理 高强度螺栓因其连接紧密 耐疲劳 承 受动载可靠 成本也不太高 目前在一些重要的永久性结构的安装连接中 已成为代替 铆接的优良连接方法 螺栓连接的优点是安装方便 特别适用于工地安装连接 也便于拆卸 适用于需要 装拆结构和临时性连接 其缺点是需要在板件上开孔和拼装时对孔 增加制造工作量 螺栓孔还使构件截面削弱 且被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角钢等连接件 因而比焊接连接多费钢材 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一 钢结构中常用的焊接方法 焊接方法很多 钢结构中主要采用电弧焊 薄钢板 的连接有时也可以mmt3 采用电阻焊或气焊 1 1 1 电弧焊 电弧焊 电弧焊是利用焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热 将金属加热并熔化的焊接方法 其原理是采用低电压 一般为 50 70V 大电流 几十到几百安 引燃电弧 使焊件与 焊条或焊丝之间产生很大热量和强烈的弧光 利用电弧热来熔化焊件的边缘金属和焊条 丝 进行焊接 根据操作的自动化程度和焊接时用以保护熔化金属的物质种类 电弧 焊可分为手工电弧焊 自动和半自动埋弧焊及 CO2气体保护焊等 1 手工电弧焊是钢结构制造中最常用的焊接方法 设备简单 操作灵活 适用性和 可达性强 对各种施焊位置和分散或曲折短焊缝均适用 缺点是生产效率比自动 半自 动焊低 质量稍低并且变异性大 施焊时电弧光较强 详见附图十四详见附图十四 手工焊所采用的焊条 其表面都敷有一层 1 1 5mm 厚度的药皮 药皮的作用 稳定 电弧 施焊时产生气体保护熔融金属与大气隔离 以防止空气中氧氮侵入而使焊缝变脆 造成熔渣 清理焊缝时铲除 覆盖于熔成焊缝表面 使与大气隔离 并使焊缝冷却缓慢以 便混入熔融金属中的气体和有害杂质溢出表面 另外 药皮中的合金成份还可以改善焊 缝性能 焊条选用应和焊件钢材的强度和性能相适应 在手工焊时 对 Q235 钢用 E43 型焊条 E4300 E4316 Q345 钢 16Mn 钢 用 E50 型焊条 E5000 E5018 Q390 15MnV 钢和 Q420 钢均用 E55 型焊条 E5500 E5518 其中 E 表示焊条 前两位数字表示焊缝熔敷金 属或对接焊缝的抗拉强度分别为 420N mm2 490N mm2 540N mm2 折合 43kgf mm2 50kgf mm2 55kgf mm2 第 3 位数字表示适用的焊接位置 0 和 1 表示适用 于人与全位置施焊 平 横 立 仰 2 表示适用于平焊及水平角焊 4 表示适用于向下 立焊 第 3 位和第 4 位数字组合表示药皮类型和适用的电流种类 交 直流电源 第 3 位和第 4 位数字为 15 16 18 的焊条为低氢型焊条 其所得焊缝具有较好的塑性 韧性 和抗裂性 故直接承受动力荷载的重要结构以及处于低温条件下工作的结构 一般指定 采用上述型号 而非低氢型焊条 可用于其他结构 当不同强度的钢材连接时 可采用 低强度钢材相适应的焊接材料 2 焊剂层下自动或半自动埋弧焊 焊剂层下自动或半自动埋弧焊是焊接过程机械化 的一种主要方法 它所采用的是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 自动焊的引弧 焊丝送下 焊剂堆落和焊丝沿焊缝 方向的移动都是自动的 而半自动焊的焊接前进方式仍是依靠手持焊枪移动 详见附图十详见附图十 五五 埋弧焊的优点是与大气隔离保护效果好 且无金属飞溅 弧光不外露 可采用较大 电流使熔深加大 相应可减小对接焊件间隙和坡口角度 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 塑性和韧性比较好 其缺点是焊前装配要求严格 施 焊位置受限制 较适用于长直的水平俯焊缝或倾角不大的斜面焊缝 不如手工焊灵活 埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配 焊丝一般采用专用的焊接用钢丝 对 Q235 钢 可采用 H08A H08MnA H08E 等焊丝 相应的焊剂分别为 HJ431 HJ430 和 2 SJ401 对低合金高强度结构钢尚应根据坡口情况相应选用 对 Q345 钢 不开坡口的对 接焊缝 可用 H08A 焊丝 中厚板开坡口对接可用 H08MnA H10Mn2 和 H10MnSi 焊丝 焊 剂可用 HJ350 对 Q390 钢和 Q420 钢 不开坡口的对接焊缝用 H08A H08MnA 焊丝 中厚 板开坡口对接时用 H10Mn2 H10MnSi 焊剂用 HJ430 或 HJ431 而厚板深坡口对接时常用 H08MnMoA 焊丝 焊剂为 HJ350 或 HJ250 2 2 电阻焊电阻焊 电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属 再通过压 力使其焊合 冷弯薄壁型钢的焊接 常用电阻点焊 板叠总厚度一般不超过 12mm 焊点 应主要承受剪力 其抗拉 撕裂 能力较差 二 焊缝连接形式及焊缝类型二 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 详详 见附图十六见附图十六 所采用的焊缝按其构造来分 主要有对接焊缝和角焊缝两种类型 T 形连 接和角连接根据板厚 焊接方法 焊缝受力情况 可采用角焊缝或开坡口的对接焊缝 焊缝按其工作性质来分有强度焊缝和密强焊缝两种 强度焊缝只作为传递内力之用 密强焊缝除传递内力外 还须保证不使气体或液体渗漏 焊缝按施焊位置分 有俯焊 平焊 立焊 横焊和仰焊四种 详见附图十七详见附图十七 俯焊 的施焊工作方便 质量好 效率高 立焊和横焊是在立面上施焊的竖向和水平焊缝 生 产效率和焊接质量比俯焊的差一些 仰焊是仰望向上施焊 操作条件最差 焊缝质量不 易保证 因此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三 焊缝缺陷 质量检验和焊缝级别 1 1 焊缝缺陷焊缝缺陷 焊缝缺陷是指焊接过程中 产生于焊缝金属或邻近热影响区钢材表面或内部的缺陷 常见的缺陷有 焊缝尺寸偏差 咬边 如焊缝与母材交界处形成凹坑 弧坑 起 弧或落弧处焊缝所形成的凹坑 未熔合 指焊条熔融金属与母材之间局部未熔合 母材被烧穿 气孔 非金属夹渣 裂纹 以上这些缺陷 一般都会引起应力集中 削弱焊缝有效截面 降低承载能力 尤其裂纹对焊缝受力的危害最大 它会产生严重的 应力集中 并易于扩展引起断裂 按规定是不允许发生裂纹的 因此 若发现焊缝有裂 纹 应彻底铲除后补焊 2 2 焊缝质量检验和焊缝级别焊缝质量检验和焊缝级别 根据结构类型和重要性 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205 2001 将焊缝 质量检验级别为三级 级检验项目规定只对全部焊缝做外观检查 即检验焊缝实际尺 寸是否符合要求和有无看得见的裂纹 咬边和气孔等缺陷 级焊缝超声波和射线探伤 的比例均为 100 级焊缝超声波和射线探伤的比例均为 20 且均不小于 200mm 当焊 缝长度小于 200mm 时 应对整条焊缝探伤 探伤应符合 钢焊缝手工超声波探伤方法和 探伤结构分级法 GB11345 或 钢熔化焊对接接头射线照像和质量分级 GB3323 的规定 3 钢结构中一般采用 级焊缝 可满足通常的强度要求 但其对接焊缝的抗拉强度有 较大的变异性 钢结构设计规范 GB50017 送审稿规定 其设计值仅为主体钢材的 85 左右 因而对有较大拉应力的对接焊缝 以及直接承受动力荷载构件的较重要的焊缝 可部分采用 级焊缝 对动力和疲劳性能有较高要求处可采用 级焊缝 四 焊缝符号及标注方法四 焊缝符号及标注方法 在钢结构施工图上缝应采用焊缝符号表示 焊缝符号及标注方法应按 建筑结构制 图标准 GB T50105 2001 和 焊缝符号表示法 GB324 88 执行 焊缝符号由指引线和两条相互平行的基本符号组成 必要时还可加上辅助符号 补 充符号和焊缝尺寸符号 1 指引线一般由单箭头的指引和两条相互平行的基准线所组成 一条基准线为实线 另一条为虚线 均为细线 详见附图十八详见附图十八 虚线的基准线可以画在实线基准线的上侧 或下侧 基准线一般应与图纸的底边相平行 但在特殊条件下也与底边相垂直 为引线 的方便 允许箭头弯折一次 2 基本符号用以表示焊缝的形状 下表中摘录了一些常用的焊缝基本符号 基本符 号与基准线的相对位置应按下列规则表示 4 5 焊缝符号中的基本符号 辅助符号和补充符号摘录焊缝符号中的基本符号 辅助符号和补充符号摘录 如果焊缝在接头的箭头侧 基本符号应标在基准线的实线侧 如果焊缝在接头的非箭头侧 基本符号应标在基准线的虚线侧 当为双面对称焊缝时 基准线可只画实线一条 当为单面的对接焊缝如 V 形焊缝 U 形焊缝 则箭头线应指向有坡口一侧 对 接 焊 缝 名 称 I 形焊缝V 形焊缝 单边 V 形焊 缝 带钝边的 V 形焊缝 带钝边的 U 形焊缝 角 焊 缝 塞焊缝 与 槽焊缝 点 焊 缝 基 本 符 号 符 号 名 称示 意 图符 号示 例 平面符号 辅 助 符 号 凹面符号 三面围焊 缝符号 周边焊缝 符号 补 充 符 号 工地现场 焊缝符号 6 3 辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号 如对接焊缝表面余高的部分需加 工 使其与焊件表面齐平 则可在对接焊缝符号上加一短画 此短画即为辅助符号 4 当焊缝分面比较复杂时 在标准焊缝代号的同时 可在图形边的焊缝处加粗线 栅线等强调焊缝的重要性 详见附图十九详见附图十九 第三节 焊接残余应力和焊接残余变形 焊接构件在未受荷载时 由于施焊时在焊件上产生局部高温所形成的不均匀温度 场而引起的内应力和变形 称为焊接应力和焊接变形 它会直接影响到焊接结构的制造 质量 正常使用 并且是形成各种焊接裂纹的因素之一 应在设计 制造和焊接过程中 加以控制和重视 一 焊接残余应力的种类和产生的原因一 焊接残余应力的种类和产生的原因 焊接应力有暂时应力与残余应力之分 暂时应力只在焊接过程中一定的温度条件 下存在 当焊件冷却至常温时 暂时应力即行消失 焊接残余应力是指焊件冷却后残留 在焊件内的应力 从结构的使用要求来看 焊接残余应力有着重要意义 残余应力按其 方向可分为纵向 横向和沿厚度方向的应力三种 1 1 纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力 焊接过程一个不均匀加热和冷却的过程 在施焊时 焊件上产生不均匀的温度场 焊缝及附近温度最高 可达 1600 以上 其邻近区域则温度急剧下降 不均匀的温度场 将产生不均匀的膨胀 焊缝及附近高温处的钢材膨胀最大 由于受到两侧温度较低 膨 胀较小的钢材的限制 产生了热状态塑性压缩 焊缝冷压时 被塑性压缩的焊缝区趋向 于缩得比原始长度稍短 这种缩短变形受到焊缝两侧钢材的限制 使焊缝区产生纵向拉 应力 在低碳钢和低合金钢中 这种拉应力以常达到钢材的屈服强度 焊接残余应力是 荷载未作用时的内应力 因此会在焊件内部自相平衡 这就必然在距焊缝稍远区域应力 用三块剪切下料的钢板焊成的工字形截面 纵向焊接残余应力分布 详见附图二十详见附图二十 2 2 横向残余应力横向残余应力 横向残余应力产生的原因有 由于焊缝纵向收缩 两块钢板趋向于外弯成弓形的 趋势 但在实际上焊缝将两块钢板连成整体 不能分开 于是在焊缝中部将产生横向拉 应力 而在两端产生横向压应力 焊缝在施焊过程中 先后冷却的时间不同 先焊的 焊缝已经凝固 且具有一定的强度 会阻止后焊焊缝在横向的自由膨胀 使其产生横向 的塑性压缩变形 当焊缝冷却时 后焊焊缝的收缩受到已凝固焊缝的限制而产生横向拉 应力 同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力 横向收缩引起的横向应力与施焊方向 及先后次序有关 焊缝的横向残余应力是上述两种原因产生的应力的合成 详见附图二 详见附图二 十一 十一 3 3 沿焊缝厚度方向的残余应力沿焊缝厚度方向的残余应力 在厚钢板的连接中 焊缝需要多层施焊 因此 除有纵向和横向残余应力 之 yx 7 外 沿厚度方向还存在着残余应力 详见附图二十二详见附图二十二 这三种应力可能形成比较严 z 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 以上分析是焊件在无外加约束情况下的焊接残余应力 若焊件施焊时处在约束状态 如采用强大夹具或焊件本身刚度较大等 焊件将因不能自由伸缩变形而产生更大的焊边 残余应力 且随约束程度增加而增大 二 焊接残余变形二 焊接残余变形 如前所述 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 详见附图二十三详见附图二十三 三 焊接残余应力和残余变形的影响三 焊接残余应力和残余变形的影响 1 1 焊接应力对结构性能的影响焊接应力对结构性能的影响 1 静力强度 对于具有一定塑性的钢材 在静力荷载作用下 因焊接残余应力是 自相平衡力系 它不影响结构的静力强度 2 刚度 当残余应力与外加荷载的应力同号相加以后 该部分材料将提前进入屈 服阶段 局部形成塑性区而刚度降为零 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 轴心受压 受弯和压弯构件等可能在荷载引起的压应力作用下 而丧失整体稳定 即发生屈曲 这些构件中荷载引起的压应力与截面残余压应力叠加时 会使部分截面提前达到受压屈服强度而进入塑性受压状态 这部分截面丧失了继续承受 荷载的能力 降低了刚度 对保证构件稳定也不再起作用 因而将降低构件的整体稳定 性 4 疲劳强度和低温冷脆 由于残余应力可能为三向号应力状态 材料在这种应力 状态下易转向脆性 使裂纹容易产生和开展 疲劳强度也因而降低 尤其在低温动载作 用下 更易导致低温脆性断裂 2 2 焊接残余变形对结构的影响焊接残余变形对结构的影响 焊接残余应力不仅影响结构的尺寸 使装配困难 影响使用质量 而且过大的变形 将显著降低结构的承载能力 甚至使结构不能使用 因此 在设计和制造时必须采取适 当措施来减小残余应力和残余变形的影响 如果残余变形超出验收规范的规定 必须加 以矫正 使其不致影响构件的使用和承载能力 四 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法四 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法 残余应力和残余变形在焊接结构中是相互关连的 若为了减小残余变形 在施焊时 对焊件加强约束 则残余应力将随之增大 反之则相反 因此 随意加强约束并不尽合 理 正确的方法应从设计和制造 焊接工艺上采取一些有效措施 1 1 合理的焊缝设计合理的焊缝设计 1 焊缝尺寸要适当 焊脚尺寸不宜过大 在构造容许范围内 宜用细长焊缝 不 8 宜采用较粗短焊缝 2 焊缝不宜过分集中 并应尽量避免三向焊缝交叉 当不可避免时 应采取措施 加以改善 也可使主要焊缝连续通过 而使次要焊缝中断 详见附图二十四详见附图二十四 2 2 合理安排焊接及制造工艺合理安排焊接及制造工艺 1 在焊接工艺上 应选择使焊件易于收缩并可减小残余应力的焊接次序 如分段退 焊 分层焊 对角跳焊和分块拼焊等 详见附图二十五详见附图二十五 2 在制造工艺上 可采用预先反变形 对厚钢板焊前预热 在焊道两侧各 80 100mm 范围均匀加热到 100 150 及焊后退火 加热至 600 后缓冷 或锤击法 用手锤轻击 焊缝表面使其延伸 以减小焊缝中部分残余拉应力 等 3 对焊件尺寸收缩 应在下料时预加收缩余量 当焊接残余变形过大时 可采用 机械方法顶压进行冷矫正或局部加热后冷缩进行矫正 但对于低合金钢不宜使用锤击方 法进行矫正 第四节 焊接连接的构造和计算 在钢结构的焊接连接较多的采用对接焊接和角接焊接 对接焊接传力直接 平顺 没有显著的集力集中现象 角焊缝构造简单 施工方便 但静力性能特别是动力性能较 差 一 对接焊缝的计算一 对接焊缝的计算 1 在与其长度方向垂直的轴心拉力或轴心压力作用下 w c w t w ff tl N 或 式中 轴心拉力或压力 N 焊缝长度 w l 焊缝厚度 在对接接头中为连接件的较小厚度 在 T 形接头中为腹板的厚 w t 度 对接焊缝的抗拉 抗压强度设计值 w t f w c f 2 在正应力和剪应力作用时 w c w t ff 或 w v f 式中 对接焊缝的抗剪强度设计值 w v f 在同时受有较大正应力和剪应力处 尚应按下式的折算应力计算其强度 w t f1 13 22 注 1 当承受轴心力的板件用斜焊缝对接 焊缝与作用力间的夹角符合时 其强度可 5 1 tg 9 不计算 2 当对接焊缝无法采用引弧板施焊时 计算中应将每条焊缝的长度各减去 10mm 3 在对接焊缝连接中 外力在各条对接焊缝中的分配以及对接焊缝中应力的分布和大 小 与连接的形式和焊缝所在部位的则度等因素有关 计算时应予以充分考虑 下表列 出了几种常用对接焊缝连接的焊缝强度计算公式 对接焊缝连接的强度计算方式对接焊缝连接的强度计算方式 项 次 连接形式及受力情况计算内容计 算 公 式备 注 1 拉应力或 压应力 w c w t w ff tl N 或 2 正应力 剪应力 w c w t w ff tl M 或 2 6 w v w f tl V 5 1 3 正应力 剪应力 折算应力 w c w t ww ff W M A N 或 w v w w f tI VS 2 1 2 1 3 w t w w ww f tI VS I My A N 1 13 2 1 2 1 在正应力 和剪应力 都较大的 地方才需 要计算折 算应力 如图中 a 点处 4 正应力 剪应力 折算应力 w c w t w ff W M 或 w v w f ht V A V 22 3 w t w f ht V W M 1 13 2 2 如连接在 翼缘处无 横向加劲 肋加强 则计算正 应力时 1 也不应计 入翼缘水 平焊缝 即 6 2t h Ww 表中 作用于连接处的轴心力 弯矩和剪力 NMV 焊缝的计算长度 w l 焊缝的厚度 t 10 焊缝截面的面积和抵抗矩 w A w W 所求剪应力处以上的焊缝截面对中和轴的面积矩 w S 焊缝截面的惯性矩 w I a 点到中和轴的距离 1 y 计算 a 点剪应力所用的焊缝截面的面积矩 1w S 竖直焊缝的截面积 w A htA w 竖直焊缝的长度 即牛腿截面高度 h 二 角焊缝的计算二 角焊缝的计算 角焊缝分直角焊缝和斜角角焊缝两大类 1 直角角焊缝的强度应按下列情况进行计算 直角角焊缝的强度应按下列情况进行计算 1 直接承受动力荷载结构中的直角角焊缝计算 a 在通过焊缝形心的拉力 压力或剪力作用下 w f wo ff f lh N 或 式中 角焊缝的有效厚度 对直角角焊缝取 0 7hf hf 为较小焊脚尺寸 o h 角焊缝的计算长度 对每条焊缝取其实际长度减去 10mm w l 角焊缝的强度设计值 w f f b 在其它力或各种力综合作用下 w fff f 22 式中 按角焊缝的有效截面 计算 垂直于焊缝长度方向的应力 f wel h 按角焊缝的有效截面计算 沿焊缝长度方向的剪应力 t 2 承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的直角角焊缝计算 a 在与焊缝长度方向垂直的轴心力作用下 w f we f f lh N 22 1 b 在与焊缝长度方向平行的轴心力作用下 w f we f f lh N c 在其它力或各种力综合作用下 的共同作用处 ff 和 w ff f f 2 2 22 1 4 在角焊缝连接中 外力在各条角焊缝中的分配与连接的形式和角焊缝所在部位 的刚度等因素有关 计算时应予充分考虑 下表列出了几种常用角焊缝连接的直角角焊 缝强度计算公式 11 直角角焊缝连接的强度计算公式直角角焊缝连接的强度计算公式 项次连接形式及受力情况计 算 公 式备 注 1 w f wf f lh N 7 0 2 w f wfff f lhh N 21 7 0 3 w f wfwtwff f th V lh M lh N 5 0 22 22 7 027 02 6 7 02 1 4 w ff w f W M 1 W f wwf f A V W M 22 2 2 1 5 W f wwf f A Q W Qe 22 1 2 1 如连接在翼缘 无横向加劲肋 加强 则只有 竖直焊缝传力 这时 应按 3 计算 6 焊缝 1 点处 W f wpwpWf f I Qey I Qex A Q 2 1 2 1 2 1 焊缝 2 点处 W f wpwwpf f I Qex A Q I Qy 2 2 2 1 2 1 表中 角焊缝的较小焊脚尺寸 1 ff hh 2f h 连接一边的焊缝计算长度 w l 焊缝有效截面对 1 点和 2 点的抵抗矩 1w W 2w W 腹板连接焊缝 竖直焊缝 的有效截面面积 w A 焊缝有效截面面积 w A 12 焊缝有效截面对其形 O 级惯矩 其值为 wp I wywxwp III 4 角钢与钢板连接的角焊缝 项 次连 接 形 式计 算 公 式备 注 1 w ff w fh Nk l 1 1 1 7 02 w ff w fh Nk l 2 2 2 7 02 2 2 3 11 N NkN 2 3 22 N NkN w ff fhN 33 7 02 w ff w fh N l 1 1 1 7 02 w ff w fh N l 2 2 2 7 02 3 NkN 23 2 w ff w fh NN l 1 3 1 7 02 w fw t fl N h 7 02 3 3 L 型围焊一般只宜用于 内力较小的杆件 并使 31ww ll 表中 一个角钢肢背侧焊缝的焊脚尺寸和计算长度 1f h 1w l 一个角钢肢尖侧焊缝的焊脚尺寸和计算长度 2f h 2w l 一个角钢端焊缝的焊脚尺寸和计算长度 3f h 3w l 角钢肢背和肢尖的焊缝内力分配系数 按下表确定 1 k 2 k 和和 1 k 2 k 焊缝内力分配系数 项次角钢类型连接形式 肢背 1 k 肢尖 2 k 1等边角钢0 700 30 2 不等边角钢 短边相连 0 750 25 13 3 不等边角钢 长边相连 0 650 35 5 圆钢与平板 圆钢与圆钢之间的焊缝 应按下式计算抗剪强度 w f we f lh N 式中 作用在圆钢上的轴心力 N 焊缝的计算长度之和 w l 焊缝的有效厚度 对圆钢与平板的连接 对圆钢与圆钢的连 e h te hh77 0 接 应接下式计算 e h addhe 21 21 0 式中 大圆钢直径 1 d 小圆钢直径 2 d 焊缝表面至两个圆钢公切线的距离 a 第五节 普通螺栓连接的构造和计算 一 普通螺栓的种类和特性一 普通螺栓的种类和特性 钢结构采用的普通螺栓形式为大六角头型 粗牙普通螺栓 其代号用字母 M 与公称 直径 毫米 表示 工程中常用 M18 M20 M22 M24 根据螺栓的加工精度 普通螺栓又 分为 C 级螺栓 原粗制螺栓 和 A 级及 B 级螺栓 原精制和半精制螺栓 两种 C 级螺栓 4 6 级或 4 8 级钢制作 而 A 级和 B 级螺栓采用 8 8 级钢材制作 C 级螺栓加工粗糙 尺寸不 够准确 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 成本低 栓径比孔径小 1 5 2 0mm A 级和 B 级螺栓须以机床车削加工 精度较高 要求 类孔 孔径与栓径相等 只分别允许其有正和负公差 因此栓杆和螺孔间的空隙为仅为 0 3mm 左右 由此可见 A 级和 B 级螺栓与螺孔为紧配合 受剪性能较好 变形很小 但制造和 安装过于费工 价格昂贵 目前在钢结构中应用较少 C 级螺栓由于与螺栓孔的空隙较大 当传递剪力时 连接变形大 工作性能差 但传递拉力的性能仍较好 所以 C 级螺栓广 泛用于需要装拆的连接承受拉力的安装连接 不重要的连接或作安装时的临时固定等 对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其它能防止螺帽松动的有效措施 在钢结构施工图上需将螺栓及螺孔的施工要求 用图形表示清楚 以免引起混淆 详见附图二十六 详见附图二十六 详细表示方法参见 建筑结构制图标准 GB T 50105 2001 二 普通螺栓连接的构造要求二 普通螺栓连接的构造要求 1 1 螺栓的直径螺栓的直径 14 在同一结构连接中 无论是临时安装螺栓还是永久螺栓 为了便于制造 宜用一种 直径 d 螺栓直径 d 的选择根据连接构件的尺寸和受力大小而定 常用的标准螺栓直径是 M16 M18 M20 M22 M24 等规格 螺栓直径选得合适与否 将影响到螺栓数目及连接节 点的构造尺寸 2 2 螺栓的排列及间距螺栓的排列及间距 螺栓的排列应简单 统一而紧凑 满足受力要求 构造合理又便于安装 排列方式 有并列排列和错列两种 并列较简单 错列较紧凑 详见附图二十七 详见附图二十七 1 受力要求 螺栓孔 的最小端距 沿受力方向 为 2 以免板端被剪掉 螺 0 d 0 d 栓孔的最小边距 垂直于受力方向 为 1 5 切割边 或 1 2 轧成边 在型钢上 螺 0 d 0 d 栓应排列在型钢孔距规线上 中间螺孔的最小间距 栓距和线距 为 3 否则螺孔周围 0 d 应力集中的相互影响较大 且对钢板的截面削弱过多 从而降低其承载能力 2 构造要求 螺栓的间距也不宜过大 尤其是受压板件当栓距过大时 容易发生凸 曲现象 板和刚性构件 如槽钢 角钢等 连接时 栓距过大不易紧密接触 潮气易于侵 入缝隙而锈蚀 按规范规定 栓孔中心最大间距受压时为 12或 18 为外层较薄 0 d min t min t 板件的厚度 受拉时为 16d0或 24tmin 中心构件边缘最大距离为 4d0或 8tmin 3 施工要求 螺栓应有足够距离 以便于转动扳手 拧紧螺母 根据上述螺栓的最大 最小容许距离 排列螺栓时宜按最小容许距离取用 且宜取 5mm 的倍数 并按等距离布置 以缩小连接的尺寸 最大容许距离一般只在起连系作用的 构造连接中采用 三 普通螺栓连接的受力性能和强度计算三 普通螺栓连接的受力性能和强度计算 普通螺栓连接 按螺栓传力方式可分为受剪螺栓连接 受拉螺栓连接和拉剪螺栓连 接三种 受剪螺栓连接是靠栓杆受剪和孔壁承压传力 受拉螺栓连接是靠沿栓杆轴方向 受拉传力 拉剪螺栓连接则同时兼有上述两种传力方式 一一 受剪螺栓连接受剪螺栓连接 1 1 受力性能和破坏形式受力性能和破坏形式 单个螺栓受剪情况 在开始受力阶段 作用力主要靠钢板之间的摩擦力来传递 由 于普通螺栓坚固的预拉力很小 即板件之间的摩擦力也很小 当外力逐渐增长到克服摩 擦力后 板件发生相对滑移 而使栓杆和孔壁靠紧 此时栓杆受剪 而孔壁承受挤压 随着外力的不断增大 连接达到其极限承载能力而发生破坏 详见附图十二八 详见附图十二八 受剪螺栓连接在达到极限承载力时可能出现如下五种破坏形式 详见附图二十九 详见附图二十九 1 栓杆剪断 当螺栓直径较小而钢板相对较厚时 可能发生 2 孔壁挤压坏 当螺栓直径较大钢板相对薄时 可能发生 3 钢板拉断 当钢板因螺孔削弱过多时 可能发生 4 端部钢板剪断 当顺受力方向的端距过小时 可能发生 5 栓杆受弯破坏 当螺栓过于细长时 可能发生 15 上述破坏形式中的后两种在选用最小容许端矩 2和使螺栓的夹紧长度不超过 5d 的 0 d 条件下 均不会发生 前三种形式的破坏 则需通过计算来防止的 2 2 强度计算强度计算 如前所述 受剪螺栓连接按承载能力极限状态需计算栓杆受剪和孔壁承压载力 以 及钢板受拉或受压承载力计算 b t NNn 然后按实际确定的螺栓数目 n 进行布置排列 螺栓群在弯矩 M 作用下的抗拉计算 普通 C 级螺栓在弯矩作用下 上部螺栓受拉 与螺栓群拉力相平衡的压力产生于牛 腿和柱的连接面上 精确确定中和轴的位置的计算比较复杂 通常近似地假定中和轴在 最下边一排螺栓轴线上 详见附图三十 详见附图三十 并且忽略压力所产生的弯矩 因力臂很小 因 此 i M in M n MM yNmyNyNyNmM 2211 从而可得螺栓所受最大拉力 b t i M N ym yM N 2 1 1 式中 m 螺栓排列的纵列数 距中和轴 x x 最远的螺栓距离 1 y 螺栓群受偏心力作用时的受拉螺栓计算 为钢结构中常见的一种普通螺栓连接形式 如屋架下弦端部与柱的连接 螺栓受偏 心拉力 F 与图中所示的等效 和剪力 V 作用 剪力 V 由焊在柱上的支FNeNM 托承受 螺栓群只承受偏心拉力的作用 详见附图三十一 详见附图三十一 在进行螺栓计算时需根据偏心距离的大小 区分下列两种情况 小偏心情况 因偏心距 e 较小 故弯矩 M 不大 连接以承受轴心拉力 N 为主 在 此种情况下 螺栓群将全部受拉 板端不出现受压区 故在计算 M 产生的螺栓内力时 中和轴 x x 应取在螺栓群中心处 螺栓内力按三角形分布 由弯矩平衡条件得 2 1 1 2211 i M i M in M n MM y y N myNmyNyNyNmeFM 则在弯矩作用下受力最大的螺栓所受拉力为 2 1 1 i M ym yM N 式中 m 螺栓列数 第 i 只螺栓到中和轴 x x 的垂直距离 i y 在轴心拉力 N 作用下 每个螺栓均匀受力 16 n N N N 1 因此在连接中受最大拉力和最小拉力的螺栓所受拉力为 max N min N b t i N ym Ney n N N 2 1 max 0 2 1 min i ym Ney n N N 当是最不利螺栓 1 需满足的强度条件 是采用此方法必须满 b t NN max 0 min N 足的前题条件 它表示全部螺栓均受拉 若或 则表示最下一0 min N 1 2 nyyme i 排螺栓受压 实际是板端部受压 此时应按大偏心情况计算 大偏心情况 因偏心距较大 故弯矩也较大 此时 端板底部会出现受压区 中 和轴应下移 为简化计算 可近似地将中和轴假定在 弯矩指向一侧 最外排螺栓轴线 处 按小偏心情况相似方法 可由力的平衡方程重最不利螺栓 1 所受的拉力及 xx 应满足的强度条件 b t i N ym yFe N 2 1 max 式中 偏心力 F 到中和轴的距离 e xx 各螺栓到中和轴的距离 i y xx 三三 拉剪螺栓连接拉剪螺栓连接 如前所述 C 级螺栓的抗剪能力差 故对重要连接一般均应在端板下设置支托 以承 受剪力 对次要连接 若端板下不设支托 则螺栓将同时承受剪力和沿杆轴方向的拉 v N 力作用 根据试验 这种螺栓应满足下面的相关公式 t N 1 22 b t t b v v N N N N 及 b cv NN 式中 单个普通螺栓的抗剪 抗拉及承压承载能力设计值 b v N b t N b c N 是为了防止当板件较薄时 可能因承压强度不足而产生破坏 例题例题 3 83 8 详见附图三十一所示 详见附图三十一所示 钢梁用普通 C 级螺栓与柱翼缘连接 连接承受 设计值剪力 V 258kn 弯矩 梁端竖板下设支托 钢材 Q235A F 螺栓为mknM 7 38 M20 焊条 E43 系列型 手工焊 试设计此连接 解 1 假定结构为可拆卸的 且支托只在安装时起作用 则螺栓同时承受拉力和剪 力 设螺栓群绕最下一排螺栓转动 螺栓排列及弯矩作用下螺栓受力分布 剪力由 10 个 17 螺栓平均分担 M20 螺栓的有效面积为 2 2 45 2 4 cm d A e e 单个螺栓的承载力设计值为 knf d nN b vy b v 8 40 10 1 130 4 2 1 4 2 2 kntfdN b c b c 122 10 1 30522 knfAN b te b t 7 41 10 1 17045 2 作用于一只螺栓的最大拉力为 kn ym yM N i t 25 32 3224168 2 3210 7 38 2222 2 2 1 作用于一只螺栓的剪力为 kn n V Nv 8 25 10 258 因此 199 0 8 40 8 25 7 41 25 32 22 22 b v v b t t N N N N knNknN b cv 122 8 25 满足强度要求 2 假定结构为永久的 剪力 V 由支托承担 螺栓只承受弯矩 M 则 knNknN b tt 7 4125 32 支托和柱翼缘用铡焊缝连接 角焊缝厚度mmhf10 则 22 160 34 146 11817 02 1025835 1 mmNfmmN lh aV w f we f 式中为考虑剪力 V 对焊缝的偏心影响系数 取值 1 25 1 35 a 第六节第六节 高强度螺栓连接的性能和计算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一 高强度螺栓连接的构造和性能 高强度螺栓的形状 连接构造 如构造原则 连接形式 直径选择及螺栓排列要求等 和 普通螺栓基本相同 高强度螺栓的螺杆 螺母和垫圈均采用高强度钢材制成 这些制品 再经热处理以进一步提高强度 目前 我国采用 8 8 级和 10 9 级两种强度性能等级的高 强度螺栓 级别划分的小数点的前的数字 8 和 10 分别代表材料以热处理后的最低抗拉强 18 度 实际为 或 实际为 2 800mmnfU 2 830mmnfU 2 1000mmn 2 1040mmn 小数部分代表屈强比 屈服强度与最低抗拉强度的比值 如 10 9 级螺栓材 y f u f y f u f 料的抗拉强度 0 9 则 0 9 推荐采用的 u f 2 1000mmn y f u f y f u f 2 900mmn 钢号 大六角高强度螺栓 8 8 级的有 45 号和 35 号钢 10 9 级的有 20MnTiB 40B 和 35VB 钢 扭剪型高强度螺栓只有 10 9 级 推荐钢号为 20MnTiB 钢 垫圈常用 45 号或 35 号钢制造 并经过热处理 高强度螺栓应采用钻成孔 摩擦型高强度螺栓的孔径比螺栓 公称直径 d 大 1 5 2 0mm 承压型高强度螺栓的孔径比 d 大 1 0 1 5mm 高强度螺栓和普通螺栓连接受力的主要区别是 普通螺栓连接的螺母拧紧的预应力 很小 受力后全靠螺杆承压和抗剪来传递剪力 而高强度螺栓是靠拧紧螺母 对螺杆施 加强大而受控制的预拉力 此预拉力将被连接的构件夹紧 这种靠构件夹紧而使接触面 间的摩擦阻力来承受连接内力是高强度螺栓连接受力的特点 高强度螺栓连接按设计和受力要求可分为摩擦型和承压型两种 高强度螺栓摩擦型 连接在承受剪切时 以外剪力达到板件间可能发生的最大摩擦阻力为极限状态 当超过 时板件间发生相对滑移 即认为连接已失效而破坏 高强度螺栓承压型连接在受剪时 则允许摩擦力被克服并发生板件间相对滑移 然后外力可以继续增加 并以此后发生的 螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态 两种形式螺栓在受拉时没有区别 我国目前主要采用高强度螺栓摩擦型连接 其有较高的传力可靠性和连接整体性 承受动力荷载和疲劳的性能也较好 对工地现场连接尤为适宜 高强度螺栓承压型连接 的承载力比摩擦型的高 可减少螺栓用量 但这种螺栓连接剪切变形较大 若用于动载 连接中 这种剪切反复滑动可能导致螺栓松动 故 规范 规定其只允许用在承受静力 或间接动力荷载结构中允许发生一定滑移变形的连接中 二 高强度螺栓的预拉力和紧固方法二 高强度螺栓的预拉力和紧固方法 1 1 高强度螺栓的预拉力高强度螺栓的预拉力 高强度螺栓的预拉力 P 是通过拧紧螺母实现的 施工中一般采用扭矩法 转角法或 扭剪法来控制预拉力 1 扭矩法 用直接显示扭矩大小的特制扳手 根据事先测定的螺栓中予拉力和扭矩 之间的关系施加扭矩 为了防止预拉力的损失 一般应按规定的 P 值超过 5 10 施加 扭矩 2 转角法 分初拧和终拧两步 初拧是选用普通扳手使被连接构件想到紧密贴合 终拧是以初拧的帖紧位置为起点 根据按螺栓直径和板叠厚度所确定的终拧角度 用强 有力的板手旋转螺母圈 120 240 即达所需预拉力 3 2 3 1 3 扭剪法 此法适用于扭剪型高强度螺栓 扭剪型高强度螺栓的尾部连有一个截面 较小的沟槽和梅花头 用特制电动扳手的两个套筒分别套住螺母和梅花卡头 操作时 大套筒正转施加紧固扭矩 小套筒则反转施加紧固反扭矩 将螺栓紧固后 进而沿尾部 19 沟槽将梅花头拧掉 即可达到规定的预拉力值 这种螺栓施加预拉力简单 准确 曾在 宝钢工程钢结构连接中广泛使用 高强度螺栓的设计预拉力值由材料强度和螺栓有效截面确定 并考虑了 在拧紧 螺栓时 扭剪使螺栓产生的剪力将降低螺栓的承载能力 故对材料屈服强度除以系数 1 2 施工时补偿预拉力的松弛 要对螺栓超张拉 5 10 故乘以系数 0 9 材料 抗力的变异等影响 乘以系数 0 9 这样 预拉力设计值由正式计算 eyey AfAfP675 02 1 9 09 0 式中 高强度螺栓的屈服强度 y f 高强度螺栓的有效截面面积 e A 根据公式的计算结果 并取为 5kn 的倍数 即得规范规定的预拉力设计值 P 见下表 每个高强度螺栓的设计预拉力每个高强度螺栓的设计预拉力 P P 值值 kn kn 螺栓公称直径 d mm 螺栓的性能等级 M16M20M22M24M27M30 8 8 级 70110135155205250 10 9 级 100155190225290355 2 2 高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数 应用高强度螺栓时 构件的接触面通常要以特殊处理 使其洁静并粗糙 以提高其 抗滑移系数 常用的处理方法和规定应达到抗滑移系数值 其中涂无机富锌漆可提高 抗锈能力 但将降低抗滑移系数 接触面涂红丹或在潮湿 淋雨状态下拼接 将严重降 低抗滑移系数 故应严格避免 并保证连接表面干燥 摩擦面的抗滑移系数摩擦面的抗滑移系数值值 构件的钢号 连接处构件接触面的处理方法 Q235 钢Q345 钢 Q390 钢Q420 钢 喷砂 丸 0 450 500 50 喷砂 丸 后涂无机富锌漆 0 350 400 40 钢丝刷消除锈浮锈或未以处理的干 净轧制表面 0 300 350 40 喷砂 丸 后生赤锈 0 450 500 50 三 高强度螺栓连接的强度计算三 高强度螺栓连接的强度计算 与普通螺栓连接一样 高强度螺栓连接按传力方式亦可分为受剪螺栓连接 受拉螺 栓连接和拉剪螺栓连接三种 现分别按摩擦型和承压型两种类型对其计算加以叙述 一一 高强度螺栓连接的强度计算高强度螺栓连接的强度计算 20 1 1 受剪螺栓的抗剪承载力设计值受剪螺栓的抗剪承载力设计值 1 单个螺栓的抗剪承载力设计值 高强度螺栓磨擦型连接承受剪力时的设计准则是外力不得超过摩阻力 每个螺栓的 摩阻力即极限抗剪承载力为 除以螺栓材料的抗力分项系数 1 111 后 可得其抗剪Pnf 承载力设计值 PnfN b v 9 0 式中 P 高强度螺栓的预拉力设计值 传力摩擦面数 单剪时 1 双剪 2 nfnfnf 摩擦面的抗滑移系数 见表 3 3 2 受轴心力 N 作用时的抗剪连接计算 计算步骤如下 1 被连接构件接缝一侧所需螺栓数 Pnf N NNn b v 9 0 确定所需螺栓数目 n 并按构造要求布置排列 2 验算构件净截面强度 f A N n 5 01 1 n n NN 式中 所验算的构件净截面 第一列螺孔处 所受的轴力 N 所验算的构件净截面面积 第一列螺孔处 n A 所验算截面 第一列 上的螺栓数 1 n 连接接缝一侧的螺栓总数 n 0 5 系数 是考虑高强螺栓的传力特点 由于摩阻力作用 假定所验算的静截面 上每个螺栓所分担的剪力的 50 已由螺孔的前构件接触面传递到被连接的另一构件中 3 受扭矩作用 或扭矩 剪力 轴心力共同作用的抗剪连接计算 此种连接受力的计算方法与普通螺栓连接相同 只是在计算时用高强度螺栓的抗剪 承载力设计值取代即可 PnfN b v 9 0 b Nmin 例题一例题一 将例题一中钢板拼接改用 8 8 级 M22 的摩擦型高强度螺栓 连接处理接触 面用喷砂处理 试求所需螺栓数 解 预拉力 P 135kn 抗滑移系数 0 45 双剪 2 f n 每个螺栓的抗剪承载力设计值 knPnfN b v 35 10913545 0 29 09 0 拼接缝每侧采用 6 只 21 63 5 35 109 580 b v NNn 拼接缝每侧采用 6 只 钢板净截面强度验算 第一列处 mmdd2 0 kn n n NN435 6 3 5 015805 01 1 2 01 4288 243340 16mmdnbtAn 223 215 45 1014288 10435 mmNfmmnAN n 而构件毛截面强度为 223 215 62 1064288 10580 mmNfmmNAN 由上述计算可见 对于摩擦型高强度螺栓 开孔对构件截面强度的削弱影响比普通螺栓 连接为小 有时甚至没有影响 这也是节约钢材的一个途径 2 2 受拉螺栓连接计算受拉螺栓连接计算 1 单个高强度螺栓的抗拉承载力设计值 b t N 高强度螺栓连接的受力特点是依靠预拉力使被连接件压紧传力 当连接在沿螺栓杆 轴方向再承受外拉力时 以试验和计算分析 只要螺栓所受的外拉力设计值不超过其 t N 预拉力 P 时 螺栓的内拉力增加很少 但当 P 时 则螺栓可能达到材料屈服强度 t N 在卸荷后使连接产生松弛现象 预拉力降低 因此 规范偏安全地规定单个高强度螺栓 的抗拉承载力设计值为 PN b t 8 0 2 受轴心力 N 作用的抗拉高强度螺栓连接计算 受轴心力作用时的高强度螺栓连接 其受力的分析方法和普通螺栓一样 先按 n N 0 8P 确定连接所需螺栓数目 然后进行布置排列 3 螺栓群在弯矩作用下的抗拉连接计算 连接承受弯矩 M 作用 若采用摩擦型高强度螺栓 在弯矩 M 作用下 由于高强度螺 栓预拉力较大 被连接构件的接触面一直保持着紧密配合 中和轴保持在螺栓群形心轴 线 O O 最外面的螺栓所受最大拉力 其强度条件为 1t N PN y yM N b t i t 8 0 2 2 1 1 式中 螺栓至中和轴 过螺栓群形心 的垂直距离 i y 受拉力最大螺栓 1 至中和轴的距离 1 y 3 3 拉剪高强度螺栓连接的强度计算拉剪高强度螺栓连接的强度计算 1