第章建筑结构下钢结构的连接ppt课件.ppt

第5章钢结构的连接 主要内容 5 1钢结构的连接方法5 2焊接方法和焊缝连接形式5 3对接焊缝的构造与计算5 4角焊缝的构造与计算5 5焊接残余应力和残余变形5 6普通螺栓连接的构造与计算5 7高强螺栓连接的计算 连接要求足够的强度 刚度和延性 连接方法焊接 铆接 螺栓连接 5 1钢结构的连接方法 图5 1 优点省工 省材 任何形状的构件均可直接连接 密封性好 刚度大 缺点材质劣化 残余应力 残余变形 一裂即坏 低温冷脆 5 1 1焊缝连接 焊缝连接与螺栓连接 铆钉连接比较 5 1 2铆钉连接 优点塑性和韧性较好 传力可靠 质量易于检查 适用于直接承受动载结构的连接 缺点构造复杂 费钢费工 螺栓连接 普通螺栓和高强度螺栓1 普通螺栓A B级 性能等级为5 6级和8 8级 C级 性能等级为4 6级和4 8级 2 高强度螺栓摩擦型连接 承压型连接 5 1 3螺栓连接 电弧焊 气体保护焊和电阻焊等 分 手工电弧焊和埋弧焊 5 2焊接方法和焊缝连接形式 5 2 1钢结构常用焊接方法 手工电弧 1 电弧焊 图5 2手工电弧焊 a 电路 b 施焊过程 手工电弧焊焊条与焊件金属强度相适应 Q235钢用E43系列 Q345用E50系列 Q390 Q420用E55系列 手工电弧焊 EXX的XX表示焊条的最低抗拉强度 焊丝和焊剂要保证熔敷金属的抗拉强度不低于相应手工焊条数值 埋弧焊 图5 3埋弧自动电弧焊 2 气体保护焊3 电阻焊 5 2 2焊缝连接形式及焊缝形式1 焊缝连接形式 按被连接构件间的相对位置 平接 搭接 T形连接 角接 图5 4焊缝连接的形式 2 焊缝形式按所受力的方向分 对接正焊缝和对接斜焊缝 角焊缝 正面角焊缝和侧面角焊缝 图5 5 按施焊位置 平焊 横焊 立焊及仰焊 焊缝沿长度分布情况 连续角焊缝和断续角焊缝 图5 6连续角焊缝和断续角焊缝 图5 7焊缝施焊位置 5 2 3焊缝缺陷及焊缝质量检验1 焊缝缺陷 裂纹 焊瘤 烧穿 弧坑 气孔 夹渣 咬边 未焊透等 三级焊缝 外观检查 外观尺寸和缺陷 二级焊缝 在外观检查的基础上再做无损检验 用超声波检验每条焊缝的20 长度 且不小于200mm 一级焊缝 在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部长度 以便揭示焊缝内部缺陷 对承受动力荷载的重要构件焊缝 增加伽马射线探伤 2 焊缝质量检验 强度折减 高空安装焊缝 强度设计值乘以0 9 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205 分为三级 焊缝应根据结构的重要性 荷载特性 焊缝形式 工作环境以及应力状态等情况分别选用不同的质量等级 3 焊缝质量等级的规定 作用表明焊缝形式 尺寸和辅助要求 表示方法 GB324 88 由指引线 图形符号 辅助符号和焊缝尺寸等部分组成 引出线由横线和带箭头的斜线组成 图形符号表示焊缝的基本形式 如用 表示角焊缝 辅助符号表示焊缝的辅助要求 如用 表示现场安装焊缝等 5 2 4焊缝代号 焊缝代号 当焊缝分布比较复杂或用上述标注不能表达清楚时 在标注焊缝代号的同时 可在图形上加粗线或栅线表示 图5 9栅线表示 a 正面焊缝 b 背面焊缝 c 安装焊缝 分为 I形缝 带钝边单边V形缝 带钝边V形缝 也叫Y形缝 带钝边U形缝 K形缝和X形缝等 5 3对接焊缝的构造与计算 5 3 1对接焊缝的构造 坡口形式 斜坡口为了和焊缝根部共同形成一个焊条能运转的施焊空间 图5 10对接焊缝的坡口形式 a I形缝 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 不同宽度和厚度的钢板拼接 动载时不大于1 4 计算时取较薄焊件厚度 不采用引弧板时 计算每条焊缝长度时取实际长度减2t t为焊件的较小厚度 5 3 2对接焊缝的计算计算原则 计算焊件的方法 一 二级标准检验焊缝质量 焊缝和构件等强不需计算 仅计算三级焊缝 1 轴心受力对接焊缝的计算 规范规定当斜缝和作用力间夹角 符合tan 1 5 56 时 斜焊缝的强度不低于焊件强度 不需再计算焊缝强度 图18 13轴心力作用下对接焊缝连接 a 直焊缝 b 斜焊缝 5 1 式中N 轴心拉力或压力的设计值 lw 焊缝的计算长度 当采用引弧板施焊时 取焊缝实际长度 当未采用引弧板施焊时 每条焊缝取实际长度减去2t t 在对接连接中为连接件的较小厚度 在T形连接中为腹板厚度 对接焊缝的抗拉 抗压强度设计值 查附表2 4 P215 或 2 受弯和受剪共同作用时对接焊缝的计算 5 2 5 3 焊缝截面的截面模量 焊缝截面在计算剪应力处以上或以下部分截面对中和轴的面积矩 焊缝截面对中和轴的惯性矩 式中 对接焊缝的抗剪强度设计值 查附表2 4 轴力 弯矩和剪力共同作用时 对接焊缝的最大正应力为轴力和弯矩引起的应力之和 剪力和折算应力和上面相同 I字形 箱形 T形等构件 5 4 1 1 3 轴心力 弯矩和剪力共同作用时对接焊缝的计算 验算点处焊缝截面的正应力和剪应力 式中 1 1 考虑到最大折算应力只在局部出现 而将强度设计值适当提高的系数 例5 1计算工字型截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝 如图5 15所示 牛腿承受竖向力设计值F 320kN 偏心距e 300mm 钢材为Q235 焊条E43系列 手工焊 施焊时无引弧板 焊缝质量标准为三级 图5 15例5 1图 解 焊缝有效截面的几何特性因施焊时无引弧板 故每条焊缝的计算长度为焊缝实际长度减去两倍板件的厚度 焊缝强度计算焊缝承受由力F向焊缝截面上简化后产生的弯矩M Fe和剪力V F 最大正应力 最大剪应力 上翼缘和腹板交接处1点的正应力 剪应力 由于1点同时受有较大的正应力和剪应力 故应按式 5 4 验算折算应力 焊缝强度满足要求 5 4角焊缝的构造与计算5 4 1角焊缝的形式和构造 截面形状 1 角焊缝的形式角焊缝按两焊脚边的夹角分 直角角焊缝和斜角角焊缝 图5 16直角角焊缝截面 a 普通型 b 平坦型 c 凹面型 a b c 图5 17斜角角焊缝截面 图5 18角焊缝的受力形式1 侧面角焊缝 2 正面角焊缝 3 斜向角焊缝 等边角焊缝的最小截面和两边焊角成 2角 直角角焊缝为45 称为有效截面或计算截面 不计余高和溶深 直角角焊缝的有效厚度 he 0 7hf hf应与焊件的厚度相适应 对手工焊 hf应不小于 t为较厚焊件的厚度 mm 对自动焊 可减小1mm T形连接的单面角焊缝 应增加1mm 当焊件厚度等于或小于4mm时 最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同 2 角焊缝的构造要求 1 最小焊脚尺寸 hf应不大于较薄焊件厚度的1 2倍 2 最大焊脚尺寸 对于板件边缘的焊缝 当t 6mm时 hf t 当t 6mm时 hf t 1 2 mm 角焊缝最大hf 焊缝长度lw也不应太短 其计算长度不宜小于8hf和40mm 4 角焊缝的最小计算长度 当两焊件厚度相差较大且用等焊脚尺寸不能满足最大 最小焊脚尺寸的要求时 可采用不等焊脚尺寸 最小实际长度应为8hf 2hf 10hf 3 不等焊脚尺寸 5 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝长度lw也不应太长 不宜大于60hf 超出部分不计 若内力沿侧面角焊缝全长分布 则不受此限 侧面角焊缝的应力分布 6 角焊缝的其他构造要求 图5 20由槽焊和塞焊防止板件拱曲 a 焊缝长度及两侧焊缝间距 b 槽焊d 1 5t s 1 5 2 5 t且 200mm t 开槽板厚度 L1 开槽长度由设计控制 c 塞焊d 2 5t s 200mm s1 4d 图5 22杆件与节点板的焊缝连接 a 两面侧焊 b 三面围焊 c L形围焊 图5 21搭接连接 5 4 2角焊缝的计算 简化方法假定角焊缝的破坏截面均在最小截面 其面积为角焊缝的有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积 此截面称为角焊缝的有效截面 又假定截面上的应力沿焊缝计算长度均匀分布 同时不论是正面焊缝还是侧面焊缝 均按破坏时计算截面上的平均应力来确定其强度 并采用统一的强度设计值进行计算 1 受轴心力作用时的角焊缝计算 1 侧面角焊缝的计算 矩形拼接板侧面角焊缝连接 式中N 轴心拉力或压力的设计值 he 角焊缝的有效厚度 lw 连接一侧所有角焊缝的计算长度之和 角焊缝的强度设计值 2 正面角焊缝的计算 矩形拼接板正面焊缝连接 式中 正面角焊缝的强度设计值增大系数 对承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构取 1 22 对直接承受动力荷载的结构取 1 0 先计算计算正面角焊缝l1受力N1 剩余的N N1由侧面角焊缝l2承担 3 三面围焊缝的计算 三面围焊缝直接承受动力荷载作用 矩形拼接板三面围焊缝连接 4 承受斜向轴心力的角焊缝计算 将除以后按下式作矢量叠加计算 即 斜向角焊缝的强度设计值增大系数 其值介于1 1 22之间 取 1 22 代入上式并简化 可得 5 角钢角焊缝计算 当用侧面角焊缝连接时 图a 肢背 肢尖 式中K1 K2 角钢肢背 肢尖焊缝内力分配系数 三面围焊时 图b 正面角焊缝承担的力为 侧面角焊缝承担的力为 肢背 肢尖 L形焊缝 图c 正面角焊缝承担的力为 N3 2k2N 侧面角焊缝承担的力为 N1 N N3 焊缝的计算长度 对双角钢截面 角钢肢背焊缝 角钢肢尖焊缝 L形围焊 正面角焊缝的焊脚尺寸 采用的每条焊缝实际长度应取其计算长度加2hf 例5 2试设计如图5 26所示一双拼接盖板的对接连接 已知钢板宽B 310mm 厚度t1 16mm 拼接盖板厚度t2 10mm 该连接承受轴心力设计值N 1000kN 静力荷载 钢材为Q235 手工焊 焊条为E43型 解 设计拼接盖板的对接连接有两种方法 一种方法是假定焊脚尺寸求焊缝长度 再由焊缝长度确定盖板的尺寸 另一种方法是先假定焊脚尺寸和拼接盖板的尺寸 然后验算焊缝的承载力 如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时 则应调整焊脚尺寸 再行验算 直到满足承载力的要求为止 图5 26例5 2图 首先确定角焊缝的焊脚尺寸 由于此处的焊缝在板件边缘施焊 且拼接盖板厚度t2 10mm 6mm t2 t1 则 取hf 8mm 查附表2 4得角焊缝强度设计值 确定连接方式 拼接盖板的宽度b就是两条侧面角焊缝之间的距离 应根据强度条件和构造要求确定 根据强度条件 在钢材种类相同的情况下 拼接盖板的截面积A 应等于或大于被连接钢板的截面积 选定拼接盖板宽度b 270mm 则A 270 2 10 5400mm2 A 310 16 4960mm2满足强度要求 根据构造要求 应满足b160mm 为防止因仅用侧面角焊缝引起板件拱曲过大 应采用三面围焊 已知正面角焊缝的长度lw1 b 270mm 则正面角焊缝所能承受的内力为 连接一侧侧面角焊缝的总长度为 连接一侧共有4条侧面角焊缝 则一条侧面角焊缝的长度为 拼接盖板的总长度为 取260mm 例5 3如图5 27所示角钢与节点板的连接角焊缝 已知轴心力设计值N 510kN 静力荷载 角钢为2L100 80 8 长肢相连 连接板厚度t 10mm 钢材Q235 手工焊 焊条E43系列 试确定所需焊脚尺寸和焊缝长度 图5 27例5 3图 解采用三面围焊 设角钢肢背 肢尖及端部焊脚尺寸相同 取 hf 6mm 角钢肢尖 角钢肢背 正面角焊缝能能承受的内力为 肢背和肢尖焊缝分担的内力分别为 肢背和肢尖焊缝所需要的实际长度为 取195mm 取80mm 2 T形接头的角焊缝计算 图5 28弯矩作用时角焊缝应力 角焊缝有效面积的抵抗矩 式中 1 弯矩作用下T形接头的角焊缝计算 2 弯矩 剪力和轴心力共同作用 将F力分解并向角焊缝有效截面的形心简化M Ve V N A点垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成 由弯矩M产生的应力 由轴心拉力N产生的应力 式中 角焊缝有效截面面积 A点平行于焊缝长度方向的应力由剪力V产生 即 将垂直于焊缝长度方向的应力和相加 代入式 5 8 A点焊缝应满足 当仅有弯矩和剪力共同作用 即上式中 0时 可得 例5 4如图5 30所示牛腿与柱连接的角焊缝 荷载设计值F 335kN 静力荷载 偏心距e 200mm hf 8mm 钢材Q235 焊条E43系列 手工焊 试验算该焊缝的强度 图5 30例5 4图 解 计算焊缝的内力M Fe 335 103 200 67 106N mmV F 335 103N 计算焊缝有效截面的几何特性转角处有绕角焊 故焊缝计算长度不考虑起灭弧影响 计算焊缝的强度 焊缝强度满足要求 3 扭矩 剪力和轴心力作用时搭接连接的角焊缝计算 假定 扭矩T单独作用 r 距形心最远点到形心的距离 T 扭矩设计值 式中rx ry r在x轴和y轴方向的投影长度 剪力V 应力垂直于焊缝长度方向 轴心力N 应力平行于焊缝长度方向 A点焊缝应满足 例5 5如图5 32所示厚度为12mm的支托板和柱搭接连接 采用三面围焊的角焊缝 荷载设计值F 150kN 静力荷载 至柱翼缘边距离为220mm 钢材Q235 焊条E43系列 试验算该焊缝的强度 图5 32例5 5图 解 确定焊脚尺寸 计算焊缝有效截面的几何特征 计算A点焊缝强度 T 150 22 15 0 35 3 46 5083 5kN cm 焊缝强度满足要求 5 5焊接残余应力和残余变形 5 5 1焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响 1 焊接残余应力的影响 1 对结构静力强度的影响 无影响 2 对结构刚度的影响 刚度降低 3 对压杆稳定的影响 残余压应力 4 对疲劳强度的影响 高额残余拉应力 5 对低温冷脆的影响 三向应力 2 焊接残余变形的影响 图5 33焊接变形的基本形式 a 横向缩短和纵向缩短 b 角变形 c 弯曲变形 d 扭曲变形 a b c d 5 5 2减少和限制焊接残余应力和残余变形的措施 焊缝尺寸要适当 采用较小的焊脚尺寸焊接位置要应尽量对称于截面中性轴焊缝不宜过分集中 图b 应尽量避免三向焊缝交叉 图c 考虑钢板分层问题 图d 焊条易达到 图f 避免仰焊 1 设计方面的措施 a c b e d f 2 工艺上的措施 1 采取合理的施焊次序 2 施焊前加相反的预变形 图a b 3 采用小电流 4 焊前预热 焊后回火 图c 5 6 1普通螺栓连接的构造 5 6普通螺栓连接的构造与计算 1 螺栓的形式和规格普通螺栓的形式为大六角头型 其代号用字母M与公称直径的毫米表示 工程中常用M16 M20和M24等 排列方式 并列或错列 2 螺栓的排列 受力要求 钢板端部不剪断 端距不应小于2d0 受拉时 栓距和线距不应过小 受压时 沿作用力方向的栓距不宜过大 构造要求 栓距和线距不宜过大 施工要求 有一定的施工空间 排列要求 规范规定钢板上螺栓的最大和最小容许距离 角钢 普通工字钢 槽钢截面上排列螺栓的线距 普通螺栓连接按受力情况分为三类 螺栓只承受剪力 螺栓只承受拉力 螺栓承受拉力和剪力的共同作用 受剪螺栓连接是靠栓杆受剪和孔壁承压传力 受拉螺栓连接则是靠沿杆轴方向受拉传力 拉剪螺栓连接则是同时兼有上述两种传力方式 5 6 2普通螺栓连接的计算 1 抗剪螺栓连接 1 破坏形式 螺栓杆剪断 孔壁挤压坏 板被拉断 板端被剪断 螺栓杆弯曲 螺栓杆剪断 孔壁挤坏 钢板被拉断 板端被剪断 螺栓杆弯曲 2 单个普通螺栓的抗剪承载力 抗剪承载力设计值 式中 螺栓受剪面数 单剪 1 双剪 2 四剪 4等 d 螺栓杆直径 螺栓的抗剪强度设计值 按附表2 4采用 a 单剪 b 双剪 c 四剪 承压承载力设计值 一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值 式中 在同一受力方向承压的构件较小总厚度 对于四剪面取 t1 t3 t5 或 t2 t4 的较小值 螺栓的承压强度设计值 按表2 4采用 a 单剪 b 双剪 c 四剪 受力状态 弹性时两端大而中间小 进入塑性阶段后 因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀 3 螺栓群的抗剪承载力计算按规定 每一杆件在节点上以及拼接接头的一端 永久螺栓数 两个 连接中的螺栓一般都是以螺栓群的形式出现 为防止 解纽扣 破坏 当连接长度l1较大时 应将螺栓的承载力乘以折减系数 当l1 15d0时 1 0当15d0 l1 60d0时 1 1 l1 150d0当l1 60d0时 0 7 螺栓数目 板件净截面强度 净截面面积和受力 并列 图a N1 N N2 N n1 n N N3 N n1 n2 n N对被连接板 截面1 1 An t b n1d0 对拼接板 截面3 3 An 2t1 b n3d0 螺栓群受轴心力作用时的抗剪计算 错列 图b 除考虑1 1截面破坏外 还要考虑2 2截面的破坏 净截面面积为 例5 6试计算两角钢用C级普通螺栓的拼接 已知角钢型号为L100 6 所承受轴心拉力设计值为N 195kN 拼接角钢的型号与构件相同 钢材为Q235钢 螺栓选用M20 孔径d0 21 5mm 图5 43例5 6图 解 计算螺栓数单个螺栓的抗剪承载力设计值 单个螺栓的承压承载力设计值 连接一侧所需螺栓数 取5个 连接构造如图5 43 a 所示 构件净截面强度验算角钢的毛截面面积为A 11 93cm2 将角钢按中线展开 如图5 43 b 所示 直线截面1 1净截面面积为 折线截面2 2净截面面积为 1 被连接构件是绝对刚性的 而螺栓则是弹性的 螺栓群受偏心力作用时的抗剪计算 2 各螺栓绕螺栓群形心o旋转 其受力大小与其至螺栓群形心o的距离r成正比 力的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直 基本假定 在扭矩T作用下 每个螺栓i所受的剪力的方向垂直于该螺栓与O的连线 而其大小则与此连线的距离成正比 螺栓1距离O最远 故其所受的剪力最大 其值可按下式计算 即 螺栓1 式中 螺栓群全部螺栓的横坐标和纵坐标的平方和 为计算方便 将分解为沿x轴和y轴的两个分量 即 剪力V通过螺栓群的形心 故每个螺栓受力相等 螺栓1所受剪力为 由此可得螺栓群偏心受剪时 受力最大的螺栓1所受合力为 例5 7试验算一C级普通螺栓连接的强度 图5 45 柱翼缘厚度为10mm 连接板厚度8mm 荷载设计值F 125kN 偏心距e 300mm 钢材为Q235钢 螺栓选用M22 图5 45例5 7图 解 单个抗剪螺栓的承载力设计值 螺栓强度验算 扭矩作用下 最外螺栓承受剪力最大 为 剪力作用时 每个螺栓承受剪力为 受力最大螺栓承受的合力为 2 抗拉螺栓连接 破坏形式 螺栓杆拉断 1 单个抗拉螺栓的承载力设计值 式中 螺栓螺纹处的有效截面面积和有效直径 螺栓的抗拉强度设计值 2 螺栓群的抗拉螺栓计算 螺栓群受弯矩作用时的抗拉计算 假定 中和轴在最下排螺栓处 螺栓群受轴心力作用时的抗拉计算 式中m 螺栓排列的纵向列数 y1 yi 最外排螺栓和第i排螺栓到中和轴的距离 6 螺栓群同时承受剪力和拉力的计算 1 无支托或支托仅起安装作用螺栓群受力为M Ve和剪力V 则 螺栓不发生拉剪破坏 板不发生承压破坏 1 式中 单个螺栓所承受的剪力和拉力 单个螺栓的抗剪 抗拉和承压承载力设计值 螺栓群只承受弯矩M Ve作用 则 支托和柱翼缘的角焊缝验算 为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响 取1 25 1 35 2 支托承受剪力 例5 8如图5 48所示的梁柱节点 采用C级螺栓连接 螺栓直径为20mm 钢材为Q235钢 手工焊 焊条为E43型 承受的静力荷载设计值为V 260kN M 35kN m 梁端支承板下设有支托 试设计此连接 图5 48例5 8图 解 假定支托仅起安装作用 单个抗剪螺栓的承载力设计值 初选10个螺栓 螺栓排列及弯矩作用下螺栓受力分布如图5 48 b c 所示 连接验算 作用于单个螺栓的剪力 作用于单个螺栓的最大拉力 剪力和拉力共同作用下 假定支托为永久性的支托承受剪力 螺栓只承受拉力 故螺栓数可减少一些 初选8个螺栓 其排列及螺栓受力分布如图5 48 d e 所示 螺栓验算作用于单个螺栓的最大拉力 支托和柱翼缘的连接焊缝计算采用侧面角焊缝 取焊脚尺寸hf为10mm 故该梁柱连接安全 5 7 1高强度螺栓的预拉力 5 7高强度螺栓连接的计算 施加方法 扭矩法 转角法初拧终拧 扭剪法扭断螺栓尾部梅花头 图5 49扭剪型高强度螺栓连接副的安装过程 5 7 2高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数对于承压型连接 只要求清除油污及浮锈 对于摩擦型连接 要求见下表 5 7 3高强度螺栓摩擦型连接计算 1 高强度螺栓摩擦型抗剪连接计算 1 单个高强度螺栓的抗剪承载力设计值 式中0 9 抗力分项系数 R的倒数 即1 R 1 1 111 0 9 nf 单个螺栓的传力摩擦面数 摩擦面的抗滑移系数 按表5 9采用 P 单个高强度螺栓的预拉力 按表5 8采用 2 高强度螺栓群的抗剪连接计算 螺栓数 构件净截面强度 对于承压型连接 验算与普通螺栓相同 对于摩擦型连接 要考虑孔前传力的影响 占螺栓传力的50 轴心力作用时 截面1 1 n1 计算截面上的螺栓数 n 连接一侧的螺栓总数 螺栓群受扭矩T 剪力V和轴心力N共同作用的高强度螺栓连接的抗剪计算与普通螺栓相同 只是用高强度螺栓的承载力设计值 扭矩作用时 及扭矩 剪力和轴心力共同时 例5 8设计高强度螺栓摩