钢结构第3章-1

精品课件,1,第三章钢结构的连接,本章学习的基本要求,了解钢结构连接种类和各种连接的优缺点；了解常用的焊条及焊条的选用；了解焊接连接的形式；掌握角焊缝连接的形式、构造要求和计算；掌握对接焊缝连接的构造和计算；了解焊接残余应力和焊接变形的产生原因及对构件工作性能的影响；了解普通螺栓的规格、受力性能及破坏形式，掌握普通螺栓的计算；掌握高强度螺栓连接的性能和计算。,重点：掌握焊接连接的构造和计算；掌握普通螺栓连接及高强度螺栓连接的性能和计算。,第三章钢结构的连接,3.1钢结构的连接方法和特点,连接的重要性体现在以下几个方面：(1)连接的受力比构件复杂；(2)连接的破坏直接导致钢结构的破坏；(3)连接的补强比构件困难。(4)在钢结构中所占比例比较大。,3.1.1连接的作用,钢结构是由钢构件经连接而成的结构。连接直接关系钢结构的安全和经济。连接是钢结构学习和设计的主要内容之一。,传力好，强度够，省钢材，便施工。,对连接的要求：,3.1.2主要连接方法,焊缝连接,螺栓连接,铆钉连接,1、焊接焊条与局部焊件熔化、冷却，凝结成焊缝。是现代钢结构最主要的连接方法。,优点：构造简单，直接连接，不削弱截面，省钢材，施工方便，密封性好，刚度大，可自动化操作。缺点：焊接残余应力大且不易控制，焊接变形大。降低被焊钢材的塑性韧性、焊缝热影响区易出现微裂纹等缺陷，容易发生脆断和疲劳破坏。,焊接分工厂焊接和工地焊接：工厂车间焊接易于控制质量；工地现场焊接受施工条件、季节影响大，质量不易保证。,2、螺栓连接普通螺栓连接、高强螺栓连接。,（1）、普通螺栓连接分C级螺栓（粗制螺栓）连接和A级或B级螺栓（精制螺栓）连接两类。材料性能等级4.6级、4.8级和8.8级；4.6级：“4”指fu=400MPa，“.6”指fy和fu的比值。,（2）普通螺栓连接的特点：粗制(C级)普通螺栓:用圆钢锻压而成，精度较低，螺栓外径与栓孔内径公差较大。精制螺栓用圆钢锻压后需经车床加工，表面光滑，尺寸精确，制作安装复杂，造价较高，一般工业与民用建筑中应用较少。粗制优点：成本低，拆装方便粗制缺点：承载力低，连接变形大，不宜做永久性结构连接。,螺杆剪力,（3）普通螺栓连接的传力特点,对于螺栓杆的挤压力,高强度螺栓连接(两种连接类型)摩擦型连接：靠板间摩擦力传力。工作原理：栓身预拉力板间预压力板间摩擦力优点：改善被连接件的受力条件连接变形比铆钉小耐疲劳性能强,通过拧紧螺栓实现,承压型连接：工作原理：构造及施工与摩擦型相同与摩擦型的区别：允许被连接件之间发生滑动。滑动后，与普通螺栓一样，依靠栓杆抗剪和承压径传递剪力。,摩擦型高强度螺栓：,高强螺栓连接材料用8.8级和10.9级钢材制造。fu=800MPa，fy=640MPafu=1000MPa，fy=900MPa,承压型高强度螺栓：,对于螺栓杆的挤压力,3、铆钉连接铆接连接：是将半成品铆钉烧成红热状后填入钉孔，再用压铆机或铆钉枪实施铆合。由于铆合过程中钉身被压粗，钉身和钉孔之间的空隙被大部分填实，因此结构变形比普通螺栓连接小。现在已基本淘汰。,(1)优点：塑性好，稳妥可靠；(2)缺点：工艺复杂，造价高，施工劳动强度大。,3.2.1焊接方法,3.2焊接连接的方法和焊接形式,主要为电弧焊，少量采用电渣焊、电阻焊等；1、电弧焊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。包括手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊和二氧化碳保护焊等。,(1)手工电弧焊包括：带药皮焊条、焊枪等。施焊时，高温电弧熔融焊缝附近金属，焊药形成焊渣和保护气体。特点：灵活方便，设备简单。高空作业困难，焊后需清渣，质量离散性大。,(2)自动或半自动埋弧焊包括：焊丝和焊剂，专门机械。特点：熔深大、质量均匀、效率高，用于车间构件成型，需专用设备。,手工电弧焊采用焊条标准为碳钢焊条（GB/T5117）或低合金钢焊条（GB/T5118)。用于Q235钢的焊条型号E43XX，用于焊接Q345钢的焊条为E50XX，用于焊接Q390和Q420的焊条型号为E55XX.这里字母E表示焊条，其后2位数表示焊条钢丝的抗拉强度最小值（kgf/mm2），再后面的2位数表示药皮类型、适用焊位、电流等。,半自动埋弧焊,自动或半自动焊的焊丝与焊剂也应与焊件的主体金属相适应。对于主体金属为Q235钢，可采用H08、H08A等焊丝，配合高锰型焊剂，也可用H08MnA焊丝配低锰型或无锰型焊剂。主体金属为低合金钢可采用H10Mn或H10MnSi焊丝配适当的焊剂。焊丝的国家标准为熔化焊用钢丝（GB/T14957)，埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂（GB/T5293）低合金钢埋弧焊用焊剂（GB/T12470)等。,(3)气体保护焊包括：焊丝、焊枪、CO2或惰性保护气体等设备。特点：灵活方便，焊渣少，质量稳定，需专用设备和纯度气体。,另外，气体保护焊电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，很适合焊特厚钢板。,气体保护焊用焊丝应符合气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝（GB/T8110），采用CO2则应符合焊接用二氧化碳（HG/T2537）。,2、电阻焊,用于焊接一些小的焊缝。,用于焊接箱形截面构件的内隔板。,3、熔嘴电渣焊,精品课件,15,角接（图3-5g、h）,T型连接（图3-5e、f）,搭接（图3-5b）,对接（图3-5a、c）,图3-5连接的型式,3.2.2焊缝连接形式及焊缝形式,1、焊缝连接形式按焊件的相对位置,2、焊缝的型式,（2）角焊缝不打坡口,（1）对接焊缝打坡口的：为了焊透,用料经济，传力平稳，动力性能好较厚的板需开剖口，费工,施工简便传力不均，应力集中严重，搭接时费料,3.2.3焊接缺陷及焊缝质量检验,1、焊缝缺陷焊缝位置及焊接热影响区钢材表面和内部的缺陷；2、焊接工艺焊接材料烘干、防潮，清理焊面，焊件定位，焊前焊后热处理，焊接环境温湿度、防风蔽雨，施焊过程温度控制；3、焊缝质量检验焊接表面质量，无损探伤检验（见后）；,钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001)焊缝质量检查标准分三级：三级：外观检查，即焊缝实际尺寸是否符合设计要求；有无看得见的裂纹、咬边等缺陷。二级：外观基础上加无损检验。超声波检验焊缝20%的长度。一级：超声波检验每条焊缝的全长，以揭示焊缝内部缺陷。注意：设计图纸中必须标明焊缝的质量级别。一级和二级焊缝必须经无损检查合格；承受动载的重要构件焊缝：射线探伤。,4质量检验(1)外观检查尺寸偏差、表面缺陷；(2)无损检查射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤；,5、焊接方位,施焊位置,a),焊条,平焊,d),仰焊,b),立焊,c),横焊,船形焊,平焊质量易保证，车间构件成形常采用船形焊；横焊和立焊不易施焊操作，质量不易保证；仰焊难操作，应避免；,3.2.4焊缝代号、螺栓及螺栓孔图例,钢结构的焊缝代号需按照国家标准建筑结构制图标准（GB/T50105-2001)的详细规定（这本标准依据国家另一册标准焊缝符号表示法(GB/T324-88)（现行2008）。但在建筑结构制图标准中对于有些符号表示作了简化，所以看一些书中应注意这些差别。,1、对接焊缝,焊缝符号包括：基本符号、辅助符号、引出线焊缝尺寸组成,。,。,hf,hf,hf,2、角焊缝,其它符号,间断焊缝,连续焊缝,不重要或受力小的构件，可采用间断焊缝连接,3、螺栓及螺栓孔,永久螺栓,高强度螺栓,安装螺栓,第三章钢结构的连接,3.3角焊缝的构造与计算（教材3.4）,3.3.1角焊缝的形式和强度,1、角焊缝特征（1）应用搭接、T形接、角接、加劲肋、铰接节点，施工简单；,（2）角焊缝截面型式,角焊缝,直角焊缝,斜角焊缝,直角角焊缝,钝角,锐角,按两焊脚边的夹角分,侧面角焊缝:作用力与焊缝平行，受剪应力为主；正面角焊缝:作用力与焊缝垂直，应力复杂；斜向角焊缝:作用力与焊缝斜交，应力复杂;周围角焊缝:增加焊缝长度，开口或闭口周围全焊。,N,(3)按受力方向分为,精品课件,27,精品课件,28,精品课件,29,精品课件,30,精品课件,31,（4）角焊缝截面型式,d),e),f),g),a),c),b),常用于动力荷载正面角焊缝,常用于动力荷载侧面角焊缝,角焊缝的重要几何参数：焊脚（缝）高度hf，焊缝有效高度he,(5)角焊缝的应力状态,侧面角焊缝的应力状态,正面角焊缝的应力状态,(6)焊缝的强度设计值,教材P256附表1.2焊缝的强度设计值,焊缝尺寸焊脚尺寸hf焊缝直边尺寸，设计标注尺寸有效厚度he焊缝破坏面尺寸焊缝计算长度lw有效受力长度，起灭弧处减hf，一般lw=l-2hf,3.3.2角焊缝的构造要求,弧坑,弧坑,(1)最小焊脚尺寸hf过小时，焊接容易断裂;最小尺寸：,t较厚焊件的板厚（单位：mm）,特殊情况：自动焊（温度高而均匀）：T形连接单面角焊缝（冷却快）：焊件厚度t4mm时：hfmin=t,(2)限制最大焊脚尺寸(hfmax)为什么要限制？焊脚尺寸太大，焊接变形大，易脆裂，残余应力大，对于较薄的焊件容易焊穿。规范规定：一般情况：hfmax1.2tt较薄焊件的板厚（单位：mm）。,t,hf,t,其它情况：当角焊缝位于焊件板边缘（贴边焊）时,板件（厚度t）边缘角焊缝最大焊脚尺寸应符合下列要求：当t6mm时，hfmaxt；当t6mm时，hfmaxt-(12)mm。设计时应满足：hfminhfhfmax,（3）限制侧焊缝最大计算长度（lwmax）,焊缝太长，剪应力分布越不均匀，焊缝两端产生严重应力集中，导致端部过早破坏，对动荷载尤为不利。规范规定：lwmax60hf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。,（4）角焊缝的最小计算长度（lwmin）,为什么要限制？焊缝长度过小：局部受热严重，同时由于起弧落弧距离太小，角焊缝的传力不直接，应力集中较严重。规范规定：lwmin8hf和40mm侧焊缝，端焊缝均适用。,（5）最小搭接长度ld5tmin和25mm,（6）最小两侧边焊缝长度b16t和190mm,（7）减小角焊缝应力集中的措施,图3-27绕角焊缝,直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝宜采用平坡型焊缝；侧焊缝可用直角焊缝或凹焊缝。当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf，避开起落弧发生在应力集中的转角处。,3.3.3直角角焊缝强度计算的基本公式,角焊缝强度验算，针对有效截面cddc进行。因为cddc面积最小；所以以该面作为计算控制面，he=0.7hf,（1）有效截面上的应力状态最一般情况，有效截面上有三个应力、。正应力，与焊缝长度方向（x）面外垂直剪应应，与焊缝长度方向（x）面内平行剪应力，与焊缝长度方向（x）面内垂直,国际标准化组织ISO根据多国实验结果给出角焊缝的极限强度公式,这里fuw为焊缝金属的抗拉强度。欧洲钢结构协会ECCS对上式修改后给出：,世界各国在上面公式的基础上进行了修订。（2）焊缝强度破坏的基本公式我国规定角焊缝的设计值ffw是根据抗剪条件确定，取抗拉强度fuw为抗剪强度的倍。,我们定义焊缝有效平面内，与焊缝方向相同的应力为剪应力f，则显然有f=,承受的轴向力N与焊缝长度方向平行。焊缝有效截面上=0，=0只有平行与力N的剪应力,（3）受轴心力作用的角焊缝设计验算基本公式力与焊缝平行-侧焊缝,为焊缝有效面积之和，每条焊缝计算长度lw取实际长度减2hf。,验算时,承受的轴向力N与焊缝长度方向垂直。在焊缝有效截面上，=0（a)只有和，,=fsin45=,这里,正面角焊缝（端焊缝）,代入基本公式,或,称为正面角焊缝强度增大系数；受动力荷载时为1,一般情况（同时有f和f）,=,Ny,Nx,=f,或,即,有了上述的公式可以解决当力N与焊缝有倾角为时的情况,Ny,N,Nx,代入基本公式,令,则,称f为斜向角焊缝强度增大系数,3.3.3小结：各种受力状态下直角角焊缝连接的计算,1、轴力作用下（力通过焊缝的形心）,(1)侧面角焊缝：,(2)正面角焊缝：,(3)斜向面角焊缝：,(4)一般公式：,注意：lw=计算中要扣除弧坑,2、用盖板顶接连接的焊缝计算,N,N,l,lw1,b,B,三面围焊缝，hf相同,hf,（1）正面角焊缝所能承担的力,则，侧面角焊缝需承担N-N,（2）所以对于侧面角焊缝的计算为,应注意这里的焊缝长度lw。,N,3、承受轴力的角钢连接焊缝计算,e2,e1,N1,N2,角钢桁架结构杆件与节点板连接，双角钢连接设计选择焊缝布置(双边、三边、L形)连接验算已知焊缝布置和尺寸，验算承载力,两侧边焊,三边围焊,L形围焊,（1）两侧边焊,k1角钢肢背焊缝轴力分配系数k2角钢肢尖焊缝轴力分配系数,N1、N2与总轴力N之间关系N分配至N1、N2,角钢背焊缝传力大(e1e2)近似计算：等边角钢k1=0.7，k2=0.3不等边角钢长肢焊k1=0.65，k2=0.35不等边角钢短肢焊k1=0.75，k2=0.25,k1=0.7,k2=0.3,k1=0.65,k2=0.35,k1=0.75,k2=0.25,（2）三边围焊,有了内力N1和N2就可进行焊缝计算，如计算所需的焊缝长度,角钢背焊缝传力N1=(Ne2-N3b/2)/b=k1N-N3/2角钢尖焊缝传力N2=(Ne1-N3b/2)/b=k2N-N3/2,（3）L形围焊,直接由三边围焊计算公式令N2=0,由此可进行正面角焊缝和侧边角焊缝的计算。,例3.1（教材为3.3）设计盖板连接p52,本题为设计题，已知钢板的尺寸（Bt1=27028），盖板的厚度t2=16，设计轴力N=1400kN，材料Q235B，手工电弧焊，焊条为E43型。,分析：,未知：盖板宽度和长度，焊缝形式，焊缝大小（高度、长度）。,主要思路：(1)首先确定盖板的宽度（盖板的厚度由盖板的强度应不低于杆件的强度(等强原则)确定）。（盖板的长度由焊缝大小确定）,盖板的厚度由盖板的强度应不低于杆件的强度,盖板的强度为=bt2f杆件的强度=Bt1f,所以,但应不大于b=270mm,所以可取b=240mm,焊缝的形式有三种：首先考虑采用两侧边焊,（2）采用两侧边焊,由于杆件和盖板的厚度已知，先按构造确定焊缝的高度，然后计算焊缝长度。,按构造：最小焊缝高度hfmin1.5,最大焊缝高度hfmaxt-12mm,=16-12mm=1415mm,取hf=10mm,计算所需焊缝长度,所以,这样可以定出盖板的长度L=2lw+10=2333+10=676mm取680mm。即-24016680,对于焊缝的构造检验,焊缝最大最小计算长度,按规范：焊缝最大计算长度60hf=600mm,按规范：焊缝最小计算长度8hf=80mm和40mm,实际焊缝长度为333mm满足,侧面焊缝间距,按规范：侧面焊缝间距应不大于16t=1616=256mm,实际两侧面焊缝距为240mm满足,（2）采用三面围焊正面角焊缝的长度是已知的，将外力减去正面角焊缝的承载能力则其余的力由侧面角焊缝承担。正面角焊缝的长度为b=240mm。,正面角焊缝的承载能力为,则连接板一侧所需焊缝的总长度为,一侧的焊缝数为4条，所以所需焊缝长度为,可取180mm,这样，盖板的长度为L=2lw+10=2180+10=370mm即盖板的大小为：-24016370,（3）菱形盖板,分析,取左半焊件和其上焊缝为分离体，因对称，轴心力N被分解到焊缝各部分的N1、N2、N3。N1侧焊缝上，平行于焊缝轴线的力。N2斜焊缝上，与焊缝轴线夹角为的力。=arctg(100/150)=33.7N3端焊缝上，垂直于焊缝轴线的力。,假定起落弧分别在侧焊缝的两部分上，焊缝长度各为：110-10=100mm。,验算,ffw=160N/mm2验算公式对侧焊缝：N1ffwhelw1对端焊缝：N21.22ffwhelw2对斜焊缝：N3fffwhelw3N1、N2、N3合成N，有：N=(N1+2N2+2N3)2所有焊缝的有效厚度相等，he=0.7hf，应当满足下面的要求N2ffwhe(1.22lw2+2lw1+2flw3),数值计算,计算lw1=4(110-10)=4100mmlw2=240mmlw3=4180mm,判断结果：满足,分析,目标：确定焊缝承载能力和焊缝长度lw2思路：端焊缝长度为b，角钢肢背焊缝长度（lw1）已知，可以根据角钢肢背焊缝的承载能力确定最大承载能力。再确定角钢肢尖焊缝所需的长度。,例3.2（教材3.4）受静载双角钢2L125X10与厚度8mm连接板连接，采用三面围焊，材料Q235B，手工焊，焊条E43型，焊缝高度8mm。已知几何尺寸如图，求连接的承载能力及肢尖焊缝的长度。,首先计算正面角焊缝的承载能力,再计算肢背焊缝的承载能力。,根据平衡关系可以得到最大能够承受的轴力,所以,进一步计算肢尖的焊缝长度，由,所以,取90mm,2、同时承受弯矩、轴力和剪力作用的角焊缝连接计算,形心,he=0.7hf,lw,有效截面,P的应力fP,N的应力fN,M的应力fM,由P产生的剪力与焊缝轴线平行，在有效截面上产生均匀分布剪应力fP，由N产生的应力与焊缝垂直fN，由M产生的应力与焊缝垂直fM。,根据叠加原理，焊缝应力为上述三种应力叠加。验算最大应力点。,在M作用下，有效截面上产生垂直于焊缝方向且按三角形分布，因此最大点的应力为1fM。,We角焊缝有效截面绕x轴的抵抗矩。,在1点处，有垂直于焊缝长度方向的最大应力，且,受直接动荷载作用时,当受静荷载与间接动荷载作用,在“0”点（截面形心轴上）有最大弯曲剪应力，但在角焊缝计算中按均匀分布剪应力考虑，所以此点的换算应力比“1”点小，所以就不计算了。,在牛腿与柱相连中，梁常为工字形截面。这使得焊缝如图所示,宽度he,M,V,M,V,A,B,B点,A点,AM,BM,BM,AM,V,计算，对于B点：,对于A点：,h2,h,则,M,V,M,V,B点,A点,AM,BM,BM,V,但对于A点，不再考虑弯曲正应力，即：,对于A点：,则,*教材上提到另一种方法：翼缘焊缝只承受正应力，腹板只承受剪应力,这时对于B点，一样,例3.3同上面分析，两种方法均给予介绍，具体略,例3.4圆管受力如图，已知：N=280kN，V=212kN，M=16kNm,V,N,M,验算焊缝,分析：,最大应力点为A点，焊缝为两个相互垂直的正应力。,A,B,这时的应力计算相当于如图所示的受力状态，这时与建立基本公式的应力状态不一样，可常取正面角焊缝增大系数取为1，即,当同时有与焊缝平行的应力f时,本例无与焊缝平行的应力，所以由计算应力点B，,V,N,M,B,A,水平方向应力：,所以计算应力：,满足,（2）三面围焊角焊缝受偏心剪力作用图示一牛腿用三面围焊于柱子上，作用在牛腿上的竖向力N距焊缝截面形心的偏距为e。,3、承受扭矩或扭矩与剪力联合作用的角焊缝连接计算,（1）环形焊缝受扭矩作用计算,T,T,