钢结构连接计算

连接Connections 焊缝连接 螺栓连接 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 1钢结构的连接 连接的方式焊缝连接 铆钉连接和螺栓连接 连接的原则安全可靠 传力明确 构造简单 制造方便和节约钢材 图1 1连接的方式 螺栓连接 铆钉连接 焊接连接 焊缝连接 螺栓连接 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 优点 构造简单 用料经济 连接的密闭性好 结构刚度大 缺点 焊接高温作用 材质变脆 残余应力残余变形 优点 连接对材质的影响不大 连接质量稳定 连接的强度较高 缺点 截面削弱 浪费材料 连接 Chapter7Connections 连接 Chapter7Connections 1 焊缝形式 分为对接焊缝和角焊缝 对接焊缝按受力与焊缝方向分 1 正对接焊缝 a 作用力方向与焊缝方向正交 2 斜对接焊缝 b 作用力方向与焊缝方向斜交 角焊缝按受力与焊缝方向分 1 正面角焊缝 c 作用力方向与焊缝长度方向垂直 2 侧面角焊缝 c 作用力方向与焊缝长度方向平行 3 斜焊缝 c 作用力方向与焊缝方向斜交 2焊缝连接形式及焊缝形式 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 1 对接焊缝 2 角焊缝 图2 6焊缝分类 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 平焊 立焊 横焊和仰焊 焊缝按施工位置分为 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 3 焊缝缺陷及焊缝质量检验 1 焊缝缺陷焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷 常见的缺陷有裂纹 焊瘤 烧穿 弧坑 气孔 夹渣 咬边 未熔合 未焊透等 以及焊缝尺寸不符合要求 焊缝成形不良等 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 焊缝质量检验 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 超声波检验 X射线或r射线透照或拍片 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205 2001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 一级 二级焊缝则除外观检查外 还要求一定数量的超声波探伤检验 超声波探伤不能对缺陷作出判断时 应采用射线探伤检验 并应符合国家相应质量标准的要求 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 3 焊缝代号 表2 1焊缝代号 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 3对接焊缝的构造和计算 3 1对接焊缝的构造 1为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 在焊缝的起灭弧处 常会出现弧坑等缺陷 故焊接时可设置引弧板和引出板 焊后将它们割除 对接焊缝的起弧和落弧点 常因不能熔透而出现焊口 形成类裂纹和应力集中 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 3 在对接焊缝的拼接处 当焊件的宽度不同或厚度相差4mm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 以使截面过渡和缓 减小应力集中 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 4 对接焊缝的强度 1 受压 受剪的对接焊缝与母材强度相等 2 三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多 故其抗拉强度为母材强度的85 3 一 二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 3 2对接焊缝的计算 1 轴心受力的对接焊缝 图3 5直对接焊缝连接 3 1 lw 焊缝计算长度 t 连接件的较小厚度 对T形接头为腹板的厚度 ftw fcw 对接焊缝的抗拉 抗压强度设计值 1 对lw的取值 考虑到起落弧缺陷的影响 无引弧板时 焊缝计算长度取实际长度减去2t 有引弧板时 取实际长度 2 在一般加引弧板施焊的情况下 所有受压 受剪的对接焊缝以及受拉的一 二级焊缝 均与母材等强 不用计算 3 直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况 a 没有引弧板时需要计算 b 受拉情况下的三级焊缝 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 焊缝内应力分布同母材 焊缝截面是矩形 正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形 其最大值应分别满足下列强度条件 3 5 3 4 图3 7a弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝 M 焊缝承受的弯矩 Ww 焊缝截面模量 V 焊缝承受的剪力 Iw 焊缝计算截面惯性矩 Sw 计算剪应力处以上 或以下 焊缝计算截面对中和轴的面积矩 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 对于工字形或T形截面除应分别验算最大正应力与最大剪应力外 还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力 3 6 式中 1 1 为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力 1 1为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系数 图3 7b弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝 工字形截面梁在弯曲时 弯曲正应力主要由上 下翼缘承担 剪应力主要由腹板承担 这使得截面上各处的材料能达到充分的利用 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 3 受轴力 弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力 剪力作用下产生剪应力 其计算公式为 3 4 3 5 同样对于工字形 箱形截面 还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力 其公式为 3 6 式中 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少 焊缝强度要否折减外 对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 例3 1 计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度 F 550kN 设计值 偏心距e 300mm 钢材为Q235B 焊条E43型 手工焊 焊缝为三级标准 上 下翼缘加引弧板和引出板施焊 例3 1图 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections a 最大正应力 解 截面几何特征值和内力 b 最大剪应力 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections c 1 点的折算应力 1 角焊缝的形式和强度 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 4角焊缝的构造和计算 4 1角焊缝的构造 角焊缝按截面形式 两焊脚边的夹角 可分为直角角焊缝和斜角角焊缝 1 直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面 a 对承受动力荷载的结构中 正面角焊缝的截面通常采用 b 的形式 侧面角焊缝的截面则做成凹面式 c 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 斜角角焊缝两焊边的夹角a 90 或a 90 的焊缝 通常用于钢漏斗和钢管结构中 hf 焊脚尺寸 焊脚边的夹角 he 有效厚度 破坏面上焊缝厚度 并有 he hfcos 2 对于 135o或 60o斜角角焊缝 除钢管结构外 不宜用作受力焊缝 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 正面角焊缝 焊缝垂直于受力方向 受力后应力状态较复杂 焊缝截面各面都有正应力和剪应力 应力集中严重 焊缝根部形成高峰应力 易于开裂 破坏强度要高一些 但塑性差 弹性模量大 1 侧面角焊缝 焊缝长度方向与受力方向平行 应力分布简单 主要承受剪应力 强度低 弹性模量低 但塑性较好 弹性阶段分布并不均匀 剪应力两端大 中间小 角焊缝的工作性能 图4 3角焊缝的应力分布 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 构造要求 角焊缝构造包括三个方面 焊脚尺寸 焊缝长度和减小焊缝应力集中的措施 角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸 hf 1 焊脚尺寸 为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝由于冷却速度快而产生淬硬组织 导致母材开裂 hf min应满足以下要求 a 最小焊脚尺寸 hf min 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 自动焊 温度高而均匀 手工焊角焊缝 t 较厚焊件的厚度 焊件厚度t 4mm时 取hfmin t T形连接单面角焊缝 冷却快 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections b 最大焊脚尺寸 hfmax 对板件 厚度t 边缘的角焊缝 贴边焊 当t 6mm时 hfmax t 当t 6mm时 hfmax t 1 2 mm 为了避免焊缝局部过热 烧穿较薄的焊件 减小焊接残余应力和残余变形 hf max应满足以下要求 直接焊接钢管结构的尺寸不宜大于支管壁厚的2倍 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 角焊缝计算长度 角焊缝计算长度 lw 取值lwmin lw lwmax 焊脚尺寸的取值hfmin hf hfmax 最小计算长度 lwmin 为了使焊缝能有一定的承载能力 根据使用经验 侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于 lwmin 8hf和40mm 考虑到焊缝两端的缺陷 其实际长度应较前述数值还要大2hf lwmax 60hf若实际长度超过以上数值 则超过部分不纳入计算长度中 若内力沿侧焊缝全长分布时 计算长度不受此限制 b 侧焊缝最大计算长度 lwmax 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 焊角尺寸 hf 1 焊缝的破坏面 4 2直角焊缝的基本计算公式 试验表明 直角角焊缝的破坏常沿有效厚度方向发生 图4 9直角角焊缝截面 有效厚度 he 0 7hf 焊缝厚度 有效厚度 熔深 凸度 有效截面 有效厚度 计算长度 计算时假定有效截面上应力均匀分布 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 正面角焊缝力N与焊缝长度方向垂直 侧面角焊缝力N与焊缝长度方向平行 4 7 4 8 以上各式中 he 0 7hf lw 角焊缝计算长度 考虑起灭弧缺陷时 每条焊缝取其实际长度减去2hf 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 4 3角焊缝的计算 1 轴心力 拉力 压力和剪力 作用时角焊缝的计算 当焊件受轴心力 且轴心力通过连接焊缝群的中心 焊缝的应力可认为是均匀分布的 1 用盖板的对接连接 A 仅采用侧面角焊缝连接 Slw 连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections B 采用三面围焊连接 先计算正面角焊缝承担的内力 Slw 连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和 再计算侧面角焊缝的强度 Slw 连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 承受轴心力的角钢端部连接 在钢桁架中 角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊 或三面围焊 特殊情况也允许采用L形围焊 如图所示 腹杆受轴心力作用 为了避免焊缝偏心受力 焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合 图4 13桁架腹杆节点板的连接 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections a 仅用侧面焊缝连接 解上式得肢背和肢尖的受力为 4 14 4 15 由平衡条件得 肢背 肢尖 K1 角钢肢背焊缝的内力分配系数K2 角钢肢尖焊缝的内力分配系数 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 表4 1角钢角焊缝内力分配系数K 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections b 角钢用三面围焊时 可减小角钢的搭接长度 可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3 并算出它所能承受的内力N3 4 11 4 12 通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为 4 13 角钢角焊缝围焊的计算 N N1 N2 e b N3 lw2 lw1 在N1 N2作用下 侧焊缝的长度用公式 4 16 4 17 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 1 受弯矩M 剪力V 轴力N联合作用时角焊缝的计算 由轴心拉力Nx产生的应力 由弯矩M产生的最大应力 2 复杂受力时角焊缝连接计算 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections A点产生的剪应力 A点控制应力最大为控制设计点 A点产生的正应力由两部分组成 轴心拉力Nx和弯矩M产生的正应力 直接叠加得 代入角焊缝实用计算公式 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 5螺栓连接 1 普通螺栓连接 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 高强度螺栓连接 高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母的合称 由45号 40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成 45号 8 8级 40B和20MnTiB 10 9级 a 大六角头螺栓 b 扭剪型螺栓 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 6 1螺栓的排列和构造要求 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 排列的方式有并列排列和错列排列两种 图6 1螺栓的排列方式 1 螺栓的排列 并列比较简单整齐 所用连接板尺寸小 但由于螺栓孔的存在 对构件截面的削弱较大 错列可以减小螺栓孔对截面的削弱 但螺栓空排列不如并列紧凑 连接板尺寸较大 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 1 受力要求 因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距 中心距太大 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 构造要求若栓距及线距过大 则构件接触面不够紧密 潮气易侵入缝隙而发生锈蚀 3 施工要求要保证有一定的空间 以便转动扳手 拧紧螺母 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 6 2普通螺栓的受剪连接 螺栓连接的受力形式分为 只受剪力 只受拉力 有时受剪力和拉力的共同作用 A只受剪力 B只受拉力 C剪力和拉力共同作用 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 图6 2受剪螺栓的破坏情况 a 螺杆被剪断 b 连接件半孔壁挤压破坏 c 钢板拉 压 断 d 钢板剪坏 e 螺杆弯曲破坏 受剪螺栓的破坏形式 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 单栓抗剪承载力 抗剪承载力设计值 承压承载力设计值 2 单个普通螺栓的受剪计算 抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况 故单栓抗剪承载力由以下两式决定 6 1 6 2 假定挤压力沿栓杆直径平面 实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分 均匀分布 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 抗剪承载力设计值 承压承载力设计值 6 1 6 2 图6 3剪力螺栓的剪面数和承压厚度 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 连接接头一侧承压构件总厚度的较小值 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 试验证明 栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀 两端大 中间小 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 内力重新分布 各个螺栓内力趋于相同 故设计时假定N由各螺栓平均分担 3 普通螺栓群抗剪连接计算 1 普通螺栓群轴心受剪计算 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 即使内力重新分布 各个螺栓内力也难以均匀 端部螺栓首先破坏 然后依次破坏 由试验可得连接的抗剪强度折减系数 与l1 d0的关系曲线 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 普通螺栓群偏心受剪 F作用下每个螺栓受力 基本假设 连接件绝对刚性 螺栓弹性 T作用下连接板件绕栓群形心转动 各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离ri成正比 方向与它和形心的连线垂直 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 剪力计算公式 设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 r2 r3 rn 各螺栓承受的分力分别为N1T N2T N3T NnT 根据平衡条件得 a 显然 T作用下 1 号螺栓所受剪力最大 r1最大 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections c 将 c 式代入 a 得用N1T表达的T式 由假设 得到 b 螺栓1离形心最远是危险螺栓 最大剪力N1T 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 将N1T它分解为水平和竖直分力 3 5 7 6 8 得受力最大螺栓所承受的合力为 6 9 6 10 6 7 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 1 单个普通螺栓受拉承载力 6 11 Ntb 单个螺栓抗拉承载力 Ae 螺栓螺纹处的有效面积 de 螺栓有效直径 附表9 2 P455 ftb 螺栓的抗拉强度设计值 ftb 0 8f 假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布 则一个拉力螺栓的承载力设计值 6 3普通螺栓的受拉连接 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 1 栓群轴心受拉 当外力通过螺栓群形心时 一般假定每个螺栓均匀受力 因此连接所需的螺栓数目为 6 13 6 11 3 普通螺栓群受拉 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 2 栓群承受弯矩作用 M作用下螺栓连接按弹性设计 其假定为 连接板件绝对刚性 螺栓为弹性 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处 各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 显然 1 号螺栓在M作用下所受拉力最大 由力学及假定可得 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter3Connections 将式 c 代入式 b 得 由式 a 得 因此 设计时只要满足下式即可 螺栓i的拉力 即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter3Connections 6 4剪 拉螺栓群的计算 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式 一是螺栓杆受剪受拉破坏 二是孔壁承压破坏 图6 12剪 拉联合作用的螺栓 图6 13剪力和拉力的相关曲线 试验研究结果表明 兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力 所得的相关关系近似为圆曲线 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 规范规定 同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓 应分别符合下列公式的要求 验算剪 拉联合作用 6 17 6 18 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 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 连接 Chapter7Connections 例6验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度 普通螺栓4 6级 M22 孔径23 5mm 计算模型可为 a图 或 b图 a图弯曲转动中心在螺栓群的形心处称小偏心 b图弯曲转动中心在端板上1号螺栓处 称大偏心 钢结构设计原理DesignP