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第七章钢结构的连接和节点构造本章要点 了解三类连接 焊缝连接 铆钉连接和螺栓连接 各自的优缺点及适用范围 了解常见的焊接方法和焊接形式 能够正确识别与标注焊缝符号 掌握对接焊缝和角焊缝的构造要求和计算方法 并能熟练地进行设计与计算 掌握焊接残余应力和残余变形对构件工作性能的具体影响 了解减少焊接残余应力和残余变形的措施 掌握普通螺栓和高强度螺栓 摩擦型和承压型 的工作性能 破坏形式和计算方法 以及对螺栓排列的构造要求 能够根据被连接件的受力情况选用恰当的连接形式 并进行合理设计 第一节钢结构的连接方法 二 焊接连接及焊接结构的特性1 焊接连接的优缺点焊接连接与铆钉 螺栓连接比较 有以下优点 1 不需打孔 省工省时 2 任何形状的构件可直接连接 连接构造方便 3 气密性 水密性好 结构刚度较大 整体性较好 缺点 1 焊接附近有热影响区 材质变脆 2 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏 残余变形使结构形状 尺寸发生变化 3 焊接裂缝一经发生 便容易扩展 2 常见的焊接缺陷 裂纹 气孔 未焊透 夹渣 咬边 烧穿 凹坑 塌陷 未焊满 3 焊接质量检查 焊缝质量检验方法 外观检查 超声波探伤检验 x射线检验 焊缝质量分级 一级焊缝需经外观检查 超声波探伤 x射线检验都合格 二级焊缝需外观检查 超声波探伤合格 三级焊缝需外观检查合格 三 焊缝连接型式和焊缝型式1 焊缝连接型式按两焊件的相对位置分 平接 搭接 T 顶 接和角接 2 焊缝型式1 对接焊缝按受力与焊缝方向分 a 直缝 作用力方向与焊缝方向正交b 斜缝 作用力方向与焊缝方向斜交2 角焊缝按受力与焊缝方向分 a 端缝 作用力方向与焊缝长度方向垂直b 侧缝 作用力方向与焊缝长度方向平行3 按焊缝连续性 a 连续焊缝 受力较好b 断续焊缝 易发生应力集中4 按施工位置 俯焊 立焊 横焊 仰焊 其中以俯焊施工位置最好 所以焊缝质量也最好 仰焊最差 四 焊缝的表示方法 代号 表7 1 表7 2 第三节对接焊缝的构造和计算一 对接焊缝的构造1 对接连接的形式为了保证焊接质量 根据被连接板的厚度 坡口型式可分为I型 垂直坡口 V型 单面V型 U型 单面U型 X型 K型 如图中 a h 所示 2 对接焊缝的优缺点优点 用料经济 传力均匀 无明显的应力集中 利于承受动力荷载 缺点 需剖口 焊件长度要精确 3 对接焊缝的构造处理 1 起落弧处易有焊接缺陷 所以用引弧板 但采用引弧板施工复杂 除承受动力荷载外 一般不用 计算时将焊缝长度两端各减去tmm t为较小板件厚度 2 变厚度板对接 在板的一面或两面切成坡度不大于1 2 5的斜面 避免应力集中 4 对接焊缝的强度有引弧板的对接焊缝在抗压和一 二级抗拉时与母材等强 三级抗拉焊缝的抗拉强度为母材的85 二 对接焊缝的计算对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同 计算时 焊缝中最大应力 或折算应力 不能超过焊缝的强度设计值 轴心受力的对接焊缝斜向受力的对接焊缝钢梁的对接焊缝牛腿与翼缘的对接焊缝1 轴心受力的对接焊缝lw 焊缝计算长度 无引弧板时 焊缝长度取实长减去10mm 有引弧板时 取实长 2 斜向受力的对接焊缝主要用于焊缝强度设计值低于构件强度设计值的连接中 当tgq 1 5即q 56 3 时 可不验算焊缝强度 3 钢梁的对接焊缝焊缝内应力分布同母材 最大正应力 最大正应力 折算应力 其中s1 t1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力 4 牛腿与翼缘的对接焊缝牛腿和柱的对接焊缝 剪力全部由腹板承受并均匀分布 弯矩 拉力由全截面承担 与梁计算相同 截面形式和截面上各种应力分布如图 图中1 2 3 4点均需强度验算 点1 点2 点3 点4 式中 A w 有效抗剪面积 三 部分焊透的对接焊缝应用 当板件较厚 而板件间连接受力较小时 可以采用部分焊透的对接焊缝 当垂直于焊缝长度方向受力时 部分焊透处的应力集中会带来不利影响 对于直接承受动力荷载的连接不宜采用 但当平行于焊缝长度方向受力时 其影响较小可以采用 计算 按角焊缝的计算公式计算 取 f 1 0 仅在垂直于焊缝长度方向的压力作用下 可取 f 1 22 第四节角焊缝的构造和计算一 角焊缝的构造1 截面形式 1 直角角焊缝 a 普通焊缝 b 平坡焊缝 c 深熔焊缝一般采用 a 但 a 应力集中较严重 在承受动力荷载时采用 b c 2 斜角角焊缝 d 斜锐角焊缝 e 斜钝角焊缝 f 斜凹面角焊缝主要用于钢管连接中 2 直角角焊缝应力分布端缝 焊缝垂直于受力方向 其特点为受力后应力状态较复杂 应力集中严重 焊缝根部形成高峰应力 易于开裂 端缝破坏强度要高一些 但塑性差 端焊缝的强度是侧焊缝强度的1 35 1 55倍 侧缝 焊缝长度方向与受力方向平行 其特点为应力分布简单些 但分布并不均匀 剪应力两端大 中间小 侧焊缝以45 咽喉截面 破坏居多 侧缝强度低 但塑性较好 3 构造要求 1 角焊缝的尺寸限制 2 其它构造要求 在直接承受动力荷载的结构中 角焊缝表面应做成直线形或凹形 焊脚尺寸的比例 对正面角焊缝宜为1 1 5 长边顺内力方向 对侧面角焊缝可为1 1 在次要构件或次要焊接连接中 可采用断续角焊缝 断续角焊缝之间的净距 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 4 有效厚度 二 角焊缝的计算1 角焊缝的承载力计算公式假定 所有角焊缝只承受剪应力 只区分侧焊缝和端焊缝 焊缝计算截面为450喉部截面 计算高度为0 7hf 在静力条件下 考虑端焊缝强度提高22 动力荷载下 不考虑其强度的提高 Nx作用下 Ny作用下 Nz作用下 角焊缝有效截面上三个相互垂直的应力之间的强度条件公式 7 5 式中 作用于焊缝有效截面上 垂直于焊缝轴线方向的正应力和剪应力 作用于焊缝有效截面上 平行于焊缝轴线方向的剪应力 角焊缝的 抗剪 强度设计值 由几何关系有 把代入式 7 5 可得 7 6 讨论 1 当时 即只有平行于焊缝长度方向的轴心力作用 为侧面角焊缝受力情况 设计公式为 两焊件间角焊缝计算总长 每条焊缝取实际长减2hf 2 当时 即只有垂直于焊缝长度方向的轴心力作用 为正面角焊缝受力情况 设计公式为 bf 系数 对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构 bf 1 22 直接承受动力荷载bf 1 0 3 当时 即具有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力同时作用于角焊缝受力情况 设计公式为 7 9 4 当作用力不与焊缝长度方向平行或垂直时 有效截面上的应力可分解为平行和垂直于焊缝长度方向的两种应力 然后按式 7 9 计算 2 角焊缝的计算1 轴心力作用焊缝受轴心拉力 端焊缝 焊缝受轴心剪力 侧焊缝 焊缝受轴心拉力和轴心剪力共同作用 角钢杆件与节点板焊接连接a 角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算 b 角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算端部正面角焊缝能传递的内力为 c 角钢用 L 型焊缝与节点板连接的焊缝计算由N2 0得 2 弯矩作用3 弯矩 剪力 轴力共同作用下的顶接连接角焊缝 弯矩M作用下 剪力V作用下 轴力N作用下 M V和N共同作用下 焊缝上或下端点最危险处应满足 其中 如果只承受上述M N V的某一 两种荷载时 只取其相应的应力进行验算 4 焊缝受扭矩作用 5 扭矩 剪力 轴力共同作用下搭接连接角焊缝 假定 被连接件是绝对刚性的 而角焊缝是弹性的 被连接件绕形心O旋转 角焊缝群上任意一点处的应力方向垂直于该点与形心的连线 且应力的大小与连线距离r成正比 扭矩T作用下 A点 剪力V作用下 轴力N作用下 T V和N共同作用下最危险处应满足 其中 例题2 3 第五节 焊接残余应力与焊接残余变形焊接残余应力 焊接后冷却时 焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩 由此约束而产生的应力称为焊接残余应力 焊接残余变形 钢结构构件或节点在焊接过程中 局部区域受到很强的高温作用 在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接残余变形 一 焊接残余应力的形成和对钢结构的影响1 形成两块钢板上施焊时 产生不均匀的温度场 焊缝附近温度高达1600 C 其邻近区域温度较低 且冷却很快 冷却时钢材收缩 冷却慢的区域收缩受到限制 从而产生拉应力 冷却快的区域受到压应力 2 特点 自相平衡力系 3 焊接应力的分类 纵向残余应力 沿着焊缝长度方向的应力 横向残余应力 垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力 厚度方向残余应力 垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力 约束状态下产生的焊接应力 4 焊接应力的影响 对常温下承受静力荷载结构的强度的影响 没有影响 对低温冷脆的影响 由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态 阻碍了塑性变形 在低温下裂纹易发生和发展 加速构件的脆性破坏 对刚度的影响 刚度降低 降低疲劳强度 残余应力的存在 加快了疲劳裂纹的开展速度 双向或三向拉力场 因此 疲劳强度降低 降低压杆的稳定承载力 由于刚度降低 有效截面减小 过早地进入弹塑性区 弹性模量降低 所以稳定承载力降低 二 焊接残余变形的表现及其对构件工作的影响1 焊接残余变形的产生表现表现主要有 纵向收缩 横向收缩 弯曲变形 角变形 波浪变形 扭曲变形等 如图2 焊接残余变形对构件工作的影响1 构件不平整 安装困难 且产生附加应力 2 变轴心受力构件为偏心受力构件 三 保证焊接质量及减小焊接残余应力的措施1 合理的焊缝设计 1 避免焊缝集中 三向交叉焊缝 2 注意施焊方便 避免仰焊 3 合理的选择焊缝的尺寸和形式 在保证结构的承载能力的条件下 设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸 4 合理地安排焊缝的位置 焊缝尽可能对称布置 连接过渡平滑 避免应力集中现象 5 尽量防止锐角连接 6 尽可能能减少不必要的焊缝 2 合理的工艺措施 1 采用适当的焊接程序 如分段焊 分层焊 2 尽可能采用对称焊缝 使其变形相反而抵消 3 施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形 4 对于小构件焊前预热 焊后回火 然后慢慢冷却 以消除焊接应力 第六节普通螺栓连接的构造和计算 一 螺栓的排列和构造要求1 螺栓排列需满足的要求1 受力要求 在受力方向螺栓的端距过小时 钢材有剪断或撕裂的可能 端距 2d0 各排螺栓距和线距太小时 构件有沿折线或直线破坏的可能 对受压构件 当沿作用方向螺栓距过大时 被连板间易发生鼓曲和张口现象 2 构造要求 防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀 限制螺孔中矩最大值 3 施工要求 为便于拧紧螺栓 留适当间距 不同的工具有不同要求 2 螺栓的排列具体要求见课本表7 5 对型钢还需满足表格7 6 7 8的要求 二 普通螺栓的计算1 螺栓的工作性能按受力性能分类 抗剪螺栓 抗拉螺栓和拉剪螺栓 抗剪螺栓 靠孔壁承压 螺杆抗剪传力 抗拉螺栓 靠螺栓受拉 拉剪螺栓 同时靠螺栓受剪 受拉传力 2 抗剪螺栓的计算 1 单个螺栓的受剪工作性能当外力不大时 由构件间的摩擦力来传递外力 当外力增大超过极限摩擦力后 构件间相对滑移 螺杆开始接触构件的孔壁而受剪 孔壁则受压 当沿受力方向连接长度l115d0时 应对其承载力折减 当l1 15d0时 当l1 60d0时 其中 d0为螺栓孔径 2 螺栓破坏形式a 螺栓剪断 b 钢板孔壁挤压破坏 c 钢板由于螺孔削弱而净截面拉断 d 钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏 端距e3 2d0 e 螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯 剪破坏 板叠厚度 5d 其中 后两种破坏通过构造保证 前三种需计算保证 3 单个螺栓的承载力设计值单个螺栓的抗剪承载力 单个螺栓的承压承载力 4 螺栓群的计算轴心力作用时所需螺栓数目 净截面强度验算 当螺栓并列布置时 当螺栓错列布置 图 时 构件有可能沿I I或 截面破坏 截面的净截面积可近似地取为 取I I 净截面的较小者来验算钢板净截面强度 例7 9 扭矩作用时基本假定 a 被连接板是刚性的 b 螺栓是弹性的 c 在扭矩作用下 绕螺栓群中心旋转 每个螺栓受力大小与其到形心的距离成正比 方向垂直于矢径 扭矩 剪力和轴力共同作用时N作用 V作用 T作用 如果x1 3y1 则可假定y 0 反之 如果y1 3x1 则可假定x 0 T V N作用下 例7 10 2 抗拉螺栓的计算 1 受拉螺栓的工作特点杠杆效应 由于被连接件的刚度不够 在螺栓中会产生附加应力 规范中考虑杠杆效应 降低了螺栓的抗拉强度 同时要求设计中应采取构造措施提高被连接件的刚度以减少不利影响 2 螺栓破坏形式一般表现为沿螺纹截面拉断 3 单个螺栓的承载力设计值ftb 抗拉强度设计值规范中考虑杠杆效应的不利影响 取 4 螺栓群的计算螺栓受轴心拉力 受弯矩作用基本假定 在弯矩作用下 板件绕最边缘的螺栓旋转 每个螺栓受力大小与其到旋转中心的距离成正比 偏心受拉 1 小偏心受拉当偏心较小时 所有螺栓均承受拉力作用 端板与柱翼缘有分离趋势 故在计算时轴心拉力N由各螺栓均匀承受 弯矩M则引起以螺栓群形心O为中和轴的三角形内力分布 图a b 使上部螺栓受拉 下部螺栓受压 叠加后全部螺栓均受拉 可推出最大 最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下 yi均自O点算起 2 大偏心受拉当偏心距较大时 在端部底板将出现受压区 此时偏于安全取中和轴位于最下排螺栓O 处 书中不分大小偏心统一按大偏心考虑 这是偏于保守的 2 拉剪螺栓的计算1 支托仅起固定安装作用M作用下 V作用下 M V作用下 2 支托承担剪力V验算支托与柱翼缘的连接焊缝 其中 为考虑V对焊缝偏心的影响 取1 25 1 35 例7 11 第七节高强度螺栓连接的性能和计算一 高强度螺栓连接的性能1 性能等级和材料性能等级 高强度螺栓性能等级有有8 8级和10 9级 材料 8 8级采用的钢材有40B钢 45号钢和35号钢 10 9级采用的钢材有20MnTiB钢和35VB钢 级别划分的小数点前数字是螺栓热处理后的最低抗拉强度 小数点后的数字是屈强比 如8 8级钢材的最低抗拉强度为fu 800N mm2 fy fu 0 8 10 9级为fu 1000N mm2 fy fu 0 9 采用的孔洞为 类孔2 受力性能高强螺栓连接按受力特征分高强螺栓摩擦型连接 高强螺栓承压型连接和承受拉力的高强度螺栓连接 其螺栓构造 安装基本相同 摩擦型高强螺栓 靠摩擦力传递荷载 以剪力等于摩擦力为承载力极限状态 所以螺杆与螺孔之差可达1 5 2 0mm 摩擦型高强螺栓的连接较承压型高强螺栓的变形小 承载力低 耐疲劳 抗动力荷载性能好 承压型高强螺栓 连接依靠螺杆抗剪和孔壁承压来传力 以螺栓或钢板破坏为承载力极限状态 可能的破坏形式与普通受剪螺栓相同 所以螺杆与螺孔之差略小些 为1 0 1 5mm 承压型高强螺栓连接承载力高 但抗剪变形大 所以一般仅用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的连接 承受拉力的高强度螺栓 连接靠螺栓受拉力来承担外力 应保证板叠始终受挤压而不被拉开为承载力极限状态 3 高强度螺栓的预拉力预拉力施加方法 扭矩法 转角法和扭剪法 转角法 通过工艺试验 确定满足预拉力要求所需角度 在实际工程中采用固定转角 不精确 扭矩法 通过工艺试验 确定满足预拉力要求所需扭矩 制做特殊扳手 如机械扳手 光电扳手等等 扭剪法 一种特制螺栓 用特殊扳手 拧断为止 预拉力建立完成 比较准确 且施工简便 2 预拉力大小 对以上系数的说明 拧紧螺帽时栓杆除受拉外尚有剪力作用 因而对材料抗拉强度除以1 2 考虑材质的不均匀性乘以系数0 9 施工时为补偿预拉力的松弛而超张拉5 10 故乘以系数0 9 由于以极限抗拉强度为准 引进一附加安全系数0 9高强螺栓设计预拉力P值见表7 104 高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数摩擦面抗滑移系数与接触面处理方法有关 见表7 115 高强螺栓的排列 同普通螺栓排列 二 单个高强度螺栓的承载力设计值1 高强度螺栓摩擦型连接 单个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值 抗力分项系数的倒数 一般取0