第三章钢结构的连接

第三章钢结构的连接,第一节钢结构的连接方法和特点,第二节焊缝连接形式和焊缝质量检验,第三节对接焊缝的构造要求和计算,第四节角焊缝的构造和计算,第五节焊接残余应力和焊接变形,第六节普通螺栓连接设计,第七节高强度螺栓连接设计,第一节钢结构的连接方法和特点,钢结构构件由型钢、钢板等通过连接构成，各构件通过安装连接构成整个结构。连接应安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便以及节约钢材。,常用连接方法分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接等,(a)焊缝连接(b)铆钉连接(c)螺栓连接,一、焊缝连接,焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。优点：1.构造简单，任何形式的构件都可直接相连；2.用料经济，不削弱截面；3.制作加工方便，可自动化操作，质量好；4.连接的密闭性好，结构刚度大。,缺点：1.在焊缝附近的热影响区内，钢材组织发生改变，导致局部材质变脆；2.焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；3.焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体；4.低温冷脆问题突出。,二.螺栓连接螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接1.普通螺栓连接分为A、B、C三级。A级与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级；A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级。5.6级其抗拉强度不小于500N/mm2，屈强比为0.6。A、B级螺栓由毛坯在车床上经过切削加工精制而成；C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。,普通螺栓连接装卸便利，设备简单。但螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大。,2.高强度螺栓连接由45号钢、40B钢和20MnTiB钢加工制作，经热处理后，等级分别称为8.8级和10.9级的高强度螺栓抗拉强度应分别不低于800N/mm2和1000N/mm2，屈强比分别为0.8和0.9。,高强度螺栓有大六角头型和扭剪型两种，安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。使接触面间产生摩擦力，传递外力，这种连接称为高强度螺栓摩擦型连接。高强度螺栓也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连接称为高强度螺栓承压型连接。,三.铆钉连接铆钉连接有热铆和冷铆两种，以前在钢结构的连接中应用较多，但由于铆钉连接构造复杂、生产效率低，现已很少采用。,优点：施工方便，对构件削弱小，可拆换，承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好；但摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高。,优点：传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好；但费钢，费工，连接构造复杂、生产效率低。,对于冷弯薄壁型钢构件，常用射钉或自攻螺钉连接。其优点是连接灵活，安装方便，构件无须预先处理，适用于轻钢、薄板结构；缺点是不能承受较大集中力。,第二节焊缝连接形式和焊缝质量检验,一、常用的焊接方法,1.手工电弧焊,手工电弧焊是最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧。,a）电路；b）施焊过程；1电焊机；2导线；3焊件；4电弧；5药皮；6起保护作用的气体；7熔渣；8焊缝金属；9主体金属；10焊丝；11熔池,埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的电弧焊方法。焊丝送进和焊接方向的移动有专门机构控制的称为埋弧自动电弧焊；焊丝送进有专门机构控制，焊接方向移动靠工人操作的称为埋弧半自动电弧焊。,2.埋弧焊（自动或半自动）,埋弧自动电弧焊1焊丝转盘；2转动焊丝的电动机；3焊剂漏斗；4电源；5熔化的焊剂；6焊缝金属；7焊件；8焊剂；9移动方向,3.气体保护焊,气体保护焊采用裸焊丝用从焊枪中喷出的气体保护施焊过程中的电弧、熔池和高温焊缝金属。利用二氧化碳作为保护气体，称为二氧化碳保护焊。,4.电阻焊电阻焊利用电流通过焊件接触点表面电阻所产生的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3.5mm的构件。,二.焊接连接形式及焊缝形式1.焊缝连接形式焊缝连接形式可分为对接、搭接、T型连接和角部连接。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。,a)对接接头；(b)搭接接头；（c）T形接头；(d)角接接头。,对接焊缝：正对接焊缝、斜对接焊缝。,角焊缝：正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝。,四.焊缝的施焊位置施焊时焊缝在焊件之间的相对空间位置、焊缝连接可分为平焊、横焊、立焊和仰焊等。,四.焊缝缺陷及焊缝质量检验1.焊缝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。,2.焊缝质量检验焊缝缺陷处引起应力集中，对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。焊缝质量检验一般可用外观检查及无损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。,无损检验目前广泛采用超声波检验，使用灵活经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；最明确可靠的检验方法是x射线或y射线透照或拍片，x射线应用较广。,检验标准,二级,肉眼外观检查超声波用于有较大拉应力的较重要连接不得存在裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷,一级,肉眼外观检查超声波X或射线用于抗动力、疲劳荷载的重要连接不得存在未满焊、咬边、根部收缩、裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷,用于一般连接所有焊缝均应作外观检验，不允许有可见裂纹等缺陷。其它缺陷如咬边、表面气孔、夹渣等按规范要求；,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。,3.焊缝质量等级的规定,GB50017规范规定，焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境、应力状态等情况确定其质量等级。,（1）需进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T型对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。（2）不计算疲劳的构件，要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。,第三节对接焊缝的构造要求和计算,一、对接焊缝的构造要求,对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝。当焊件厚度很小（手工焊6mm，埋弧焊10mm）时，可用直边缝。一般厚度焊件采用单边V形或V形焊缝，较厚的焊件（t20mm），采用U形、K形和X形坡口。,（a）改变宽度；（b）改变厚度,对接焊缝拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，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，以使截面过渡平缓，减小应力集中。,在焊缝的起灭弧处，会出现弧坑等缺陷，焊接时设置引弧板和引出板。对受静力荷载的结构允许不设置引弧板，焊缝计算长度等于实际长度减2t。,二、对接焊缝的计算,1.受轴心力作用的对接焊缝在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力N的对接焊缝，其强度应按下式计算：,式中：lw焊缝计算长度，钢板宽度b，未采用引弧板施焊时取(b2t)mm；t在对接接头中为被连接两钢板的较小厚度在T形或角接接头中为对接焊缝所在面钢板的厚度ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,加引弧板时，,对接焊缝抗剪强度设计值,当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。轴心受拉斜焊缝，可按下列公式计算：,N,N,N,Ncos,Nsin,2.受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝(1).矩形截面对接接头受弯和剪联合作用，焊缝截面矩形，最大值应满足下列强度条件。钢板拼接对接直焊缝承受弯矩设计值M、剪力V，正应力和剪应力最大值发生在不同部位，分别计算：,（2）.工字形截面验算最大正应力和剪应力还需验算同时承受较大正应力和剪应力处的折算应力：,3.受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝正应力应按承受轴心力作用下和弯矩作用下产生的正应力进行叠加，还需验算剪应力和折算应力。,第四节角焊缝的构造和计算,一、角焊缝的构造1.角焊缝的形式和应力分布特点角焊缝是最常用的焊缝。按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝,按与作用力关系分正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝,侧面角焊缝主要承受剪应力。塑性较好，弹性模量低，强度也较低。由于传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态，焊缝越长，应力分布越不均匀，但在进入塑性工作阶段时产生应力重分布，可使不均匀现象趋缓。,正面角焊缝连接传力线有较剧烈弯折，应力复杂，截面中均存在正应力和剪应力。由于传力时力线弯折，并且焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端，故焊根处存在着很严重的应力集中。,焊脚尺寸有效高度,2.角焊缝的构造要求（1）.最大焊脚尺寸规范规定：除了直接焊接钢管结构的焊脚尺寸hf不宜大于支管壁厚的2倍之外，hf不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。在板件边缘的角焊缝，当板件厚度t6mm时，hft-（1-2）mm。,（2）.最小焊脚尺寸规范规定：角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于，t为较厚焊件厚度。自动焊熔深大，最小焊脚尺寸可减少1mm；对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，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同。,若内力沿侧面角烽缝全长分布，则计算长度不受此限。,（3）.侧面角焊缝的最大计算长度lw侧面角焊缝的计算长度不宜大于lw60hf，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。,焊缝太短会使施焊时起弧灭弧可能引起的弧坑缺陷相距太近，再加上其它焊缝缺陷或尺寸不足将影响承裁力过多。,（4）.角焊缝的最小计算长度侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度均不得小于8hf和40mm，其实际焊接长度应较前述数值还要大2hf。,（5）.搭接连接的构造要求当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时，宜使每条侧面角焊缝计算长度lw其间距b，且间距b16tmin(tmin12mm时)或190mm(tmin12mm时)。,在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm，以免焊缝受偏心弯矩影响太大而破坏。,二、直角角焊缝的计算,1、直角角焊缝的基本计算公式角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度与计算长度的乘积，而有效厚度he=0.7hf。,试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面作为有效计算截面。,我国采用折算应力公式，引入抗力分项系数后，得角焊缝的计算式：,承受Ny和Nx作用,各应力综合作用下，和共同作用处的计算公式为：,式中f正面角焊缝的强度增大系数，,对正面角焊缝，得：,对侧面角焊缝，得：,对于直接承受动力荷载结构中的焊缝，取,为什么要考虑f,2.受轴心力作用时角焊缝连接的计算（1）用盖板的对接连接,三面围焊缝,只有侧面角焊缝,（2）.受斜向轴心力的角焊缝,对N力进行分解Nx=NsinNy=Ncos则：,代入,得,斜焊缝强度增大系数,（3）受轴心力作用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采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也采用L形围焊。,三面围焊可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，求出正面角焊缝所分担的轴心力N3。当腹杆为双角钢组成的T形截面，肢宽为b,由平衡条件可得：,两面侧焊上式中：N3=0,考虑到每条焊缝两端的起灭弧缺陷，实际焊缝长度应为计算长度加2hf,杆件受力小，采用L形围焊N2=0,L形围焊,3.受轴力、弯矩、剪力时角焊缝计算(1)双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N作用,A点处方向相同，直接叠加剪力Ny在A点处产生平行于焊缝长度方向应力：,焊缝承受剪力V和弯矩M=Ve弯矩M焊缝全截面承受，产生三角形分布的水平弯曲应力f1剪力通常假定仅由腹板焊缝承受，剪应力均匀分布。,(2)工字梁与钢柱翼缘角焊缝连接,应验算A、B点处的焊缝应力(Iw为焊缝截面惯性矩),A点：,B点：,A,B,A,h1,h2,B,4.受扭矩与剪力共同作用的角焊缝连接计算三面围焊承受偏心力F偏心力产生轴心力F和扭矩T=Fe。,焊缝受弯受扭如何判断,A,A,r,O,焊缝承受扭矩时的基本假定:（1）被连接构件绝对刚性,焊缝变形按弹性考虑（2）被连接构件绕焊缝形心O相互旋转，焊缝任一点变形和应力方向均垂直于该点与O的连线，大小与r成正比。,J=Ix+Iy,分解为x方向和y方向的分力,h,b,x,x,rx,ry,nfT,r,c,0.7hf,焊缝强度需要满足：,剪力V作用A点引起的应力：,焊缝表示方法,第五节焊接残余应力和焊接变形,一、焊接残余应力的分类和产生的成因,（1）纵向焊接应力,1.分类纵向焊接应力、横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力,（2）横向焊接应力,（3）厚度方向的焊接应力,2.产生原因,（1）焊缝出现不均匀温度场：焊缝附近温度最高，可高达1600度以上，在焊缝区以外，温度则急剧下降。,（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平面)而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。,（3）由于钢材在600以上时呈塑性状态(热塑性状态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失时不能恢复。,二.焊接应力对结构性能的影响1.对结构静力强度的影响,焊接应力自相平衡，受拉区应力面积At，受压区应力面积Ac，即At=Ac=btfy。截面达到屈服点fy时所承受的外力,焊接应力不影响结构的静力强度,2.对结构刚度的影响焊接应力降低结构的刚度。残余应力的拉杆的抗拉刚度为（B-b）tE，而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为BtE,3.对低温冷脆的影响厚板焊接处以及在交叉焊缝部位，产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力，阻碍该区域钢材塑性变形的发展，从而增加钢材在低温下的脆断倾向。,4.对疲劳强度的影响在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.,三.焊接残余变形1.焊接不均匀的加热焊接区产生热塑性压缩变形，冷却时焊接区要在纵向和横向收缩，构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转。2.焊接残余变形纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等。,四、减少焊接残余应力和焊接残余变形的措施1.合理的焊缝设计（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式。,（2）尽可能能减少不必要的焊缝。,（3）合理地安排焊缝的位置。,（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。,（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。,2.合理的工艺措施（1）采用合理的焊接顺序和方向。,（2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。,（3）锤击或辗压焊缝。,（4）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。,第六节普通螺栓连接设计,一、螺栓的排列和其他构造要求1.螺栓的排列螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求：（1）受力要求（2）构造要求（3）施工要求,（1）受力要求：端距与栓距过大过小都不好，受压时栓距过大板件易发生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉时端距或栓距过小板件易剪切破坏。,（2）构造要求：栓距过大则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而发生锈蚀。（3）施工要求：保证一定空间转动扳手。,螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。,2.螺栓的其他构造要求（1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。（2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。（3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。（4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板）,二、普通螺栓连接的工作性能和计算按受力情况可分为三类：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力作用。,普通螺栓受剪连接(1).受剪螺栓的工作性能四个阶段：a.摩擦传力的弹性阶段(0-1)b.滑移阶段(1-2)c.栓杆传力弹性阶段(2-3)d.弹塑性阶段(3-4),a.当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓杆剪切破坏。,破坏形式,b.当螺栓直径较粗而被连接钢材较薄时，孔壁可能在螺栓杆局部承压或挤压下产生较大挤压应力和塑性变形，最终导致螺栓孔拉长，称为挤压破坏。,d.当螺栓孔距板端距离较小时，导致板端沿最大剪应力方向剪断。称为冲剪破坏。,c.当构件开孔较多使截面削弱较大时，可能发生构件沿净截面的强度破坏。,e.当螺栓杆过长时，螺杆受弯破坏。,通常情况下，采用构造措施避免端板被剪坏。构造措施如下：螺栓孔端距满足l12d0，以免板端被剪坏；栓杆长度不大于5d。对抗剪普通螺栓连接一般应计算a.螺栓杆抗剪强度b.孔壁承压强度c.验算构件的净截面强度,一个抗剪普通螺栓的承载力设计值Nvbmin应按抗剪承载力设计值Nvb和承压承载力设计值Ncb较小值采用，即：,受剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,计算假定：栓杆受剪计算时，螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布；孔壁承压计算时，挤压力沿栓杆直径平面均匀分布。,（2）.单个普通螺栓的受剪计算,（3）.普通螺栓群受剪连接计算普通螺栓群轴心受剪普通螺栓群轴心受剪与侧焊缝的受力相似，螺栓受力是不均匀的，两端受力大，中间受力小。a.当连接长度时,b.当l115d0时（d0为螺栓孔径），螺栓承裁力设计值应按下式系数折减。,普通螺栓群偏心受剪螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用线至螺栓群中心线的距离为e。,承受扭矩T，每个螺栓承受扭矩引起的剪力。假定：a.被连接件为绝对刚性;b.螺栓受力均在弹性阶段。,c.扭矩使每个螺栓i产生绕螺栓群形心o点旋转的切线方向(即垂直于该螺栓到o点连线的方向)的变形以及相应的剪力Ni，其大小与连线距离ri成正比。,扭矩平衡条件:,设计时要求最大受力螺栓的剪力不超过一个螺栓的承载力设计值：,竖向剪力Fy假定由全部(n个)螺栓均匀分担，每个螺栓承受的剪力为:,扭矩产生的剪力：,2.普通螺栓的受拉连接（1）.普通螺栓受拉的工作性能由于翼缘板的弯曲，使螺栓受到撬力的附加作用，杆力增加到：Nt=N+Q，式中Q称为撬力，与翼缘板厚度、螺杆直径、螺栓位置等因素有关，准确求值非常困难。,（2）.单个普通螺栓的受拉承载力单个螺栓的受拉承载力的设计值为：式中Ae为螺栓有效截面积；de为螺纹处的有效直径。,式中，Ntb为单个螺栓抗拉承载力设计值。,所需螺栓数目n的计算公式为：,（3）.普通螺栓群受拉由于垂直于连接板的肋板刚度很大，螺栓平均受拉。,（4）.螺栓群承受弯矩作用基本假定：a.被连接件为绝对刚性;b.螺栓受力均在弹性阶段。按弹性设计法，在弯矩作用下，离中和轴越远的螺栓所受拉力越大；压力则由部分受压的端板承受，设中和轴至端板受压边缘的距离为c。,在弹性分析中假定：Ni的大小呈线性变化，实际计算时可近似并偏安全地取中和轴位于最下排螺栓o处，即认为连接变形为绕o处水平轴转动，螺栓拉力与o点算起的纵坐标y成正比。,则：螺栓i的拉力为：设计时要求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。,列平衡方程,(5).拉力和弯矩共同作用的普通螺栓群计算a.小偏心受拉b.大偏心受拉,A.螺栓承受拉力作用，端板与柱有脱开（分离）趋势B.轴心力N由各螺栓均匀承受C.M引起以螺栓群形心O为中和轴的三角形分布，上部螺栓受拉，下部螺栓受压D.叠加后全部螺栓均受拉,小偏心受拉,可得时的偏心距令为螺栓有效截面组成的核心距，则当时为小偏心受拉。,大偏心受拉近似取中和轴位于最下排螺栓O处,3.普通螺栓受剪力和拉力的联合作用两种可能破坏形式：螺栓杆受剪受拉破坏和孔壁承压破坏,规范规定,第七节高强度螺栓连接设计,一、高强度螺栓连接的工作性能,1.高强度螺栓预拉力的建立高强度螺栓按施工方式将高强度螺栓分为大六角头型和扭剪型两种。,（1）大六角头螺栓的预拉力：力矩法转角法（2）扭剪型高强度螺栓,式中：Ae有效面积；fu抗拉强度。A.螺栓同时受到拉应力和剪应力作用。考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响系数，取1.2；B.施工时预拉力松驰，