第3章 钢结构连接2

第三章钢结构连接,第五节焊接应力与变形,一、焊接应力的产生焊接应力暂时应力：只在焊接过程中，一定的温度情况下存在，冷却至常温时，即行消失。残余应力：焊件冷缩后残留在焊件中的应力，又称收缩应力。残余应力是一种在结构体系内自相平衡的力。,第三章钢结构连接,1、纵向焊接应力焊接高温焊缝周围产生塑性压缩，冷却时收缩受到限制，焊缝附近区受拉，焊缝区以外受压，,第三章钢结构连接,2、横向焊接应力纵向收缩产生反向变形中间受拉，两端受压先焊接限制后焊接变形中间受压，两端受拉应力叠加,第三章钢结构连接,3、Z向焊接应力表面先冷却限制内部收缩，内部受拉，表面受压,第三章钢结构连接,二、焊接应力的影响1、结构静力强度自平衡应力，内外应力叠加，有焊接应力处先屈服，内力重分布，最终全截面屈服，,第三章钢结构连接,先屈服区刚度为零，应变增加，变形增大3、降低疲劳强度4、低温冷脆,2、降低结构刚度,第三章钢结构连接,三、焊接变形不均匀收缩产生,（a）纵横向收缩（b）弯曲变形（c）角变形（d）波浪变形(e)扭曲变形,第三章钢结构连接,四、控制焊接应力和变形(1)焊缝均匀对称(a,c)(2)避免焊缝尺寸过大(e)(3)避免焊缝集中(g)(4)尽量避免在母材厚度方向的收缩应力(i),第三章钢结构连接,(5)采用合理的焊接次序：分段退焊、沿厚度分层焊、对角跳焊、钢板分块拼接(6)焊后校直(7)焊前预热、焊后热处理(8)钢板不易过薄t4mm,第三章钢结构连接,第六节普通螺栓连接,一、普通螺栓1、螺栓类型(1)A级、B级和C级三种(2)A级和B级为精制螺栓，螺杆、螺孔加工精度高，制作安装复杂，螺栓等级为8.8级。很少用，已被高强度螺栓代替。,第三章钢结构连接,(4)小数点前为材料抗拉强度，小数点后为屈强比，刻在螺杆头上。例4.8级表示抗拉强度400N/mm2，屈服强度320N/mm2。(5)常用螺栓直径为d=16，20，24mm，用M表示，如M16,(3)C级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大1.52mm，制作安装方便，螺栓等级为4.6级和4.8级。C级螺栓变形大，多用于围护结构或次要结构连接。,第三章钢结构连接,2、螺栓符号(1)普通螺栓，安装螺栓，高强度螺栓(2)孔径do=d+1.52，用f表示，如孔径f22(3)设计说明：螺栓类型，等级，直径，孔径,永久螺栓安装螺栓高强度螺栓圆形螺栓孔椭圆形螺栓孔,第三章钢结构连接,3、螺栓排布(1)并列和错列：规则、统一、紧凑(2)排布参数：端距，边距，间距(3)排布尺寸要求：考虑安装，受力(4)至少要有两个受力螺栓,第三章钢结构连接,4、最大、最小尺寸要求(1)保证安装要求：用扳手拧紧螺帽最小间距，节省连接板最大间距和边(端)距(2)保证受力要求：不过多削弱截面，最小间距和边(端)距(3)保证使用要求：避免锈蚀和变形最大间距和边(端)距,中距3d0边距1.5d0（切割边）1.2d0（轧成边）,端距2d0（防止端部钢板冲剪破坏）,中距12d0或18t(受压构件)16d0或24t(受拉构件)端、边距4d0或8t,第三章钢结构连接,第三章钢结构连接,5、螺栓连接受力(1)连接可传递弯矩、剪力和轴力，单个螺栓只能受拉或受剪(2)受剪螺栓作用力与螺杆垂直，受拉螺栓作用力与螺杆平行,第三章钢结构连接,连接类型按受力情况：抗剪连接抗拉连接抗拉与抗剪组合连接,受剪螺栓作用力与螺杆垂直受拉螺栓作用力与螺杆平行,第三章钢结构连接,二、普通螺栓受剪性能1、单个螺栓受剪破坏试验摩擦传力(0-1)，滑移(1-2)，螺杆传力(2-3)，弹塑性破坏,第三章钢结构连接,(1)螺栓直径小，连接板厚，螺杆剪切破坏(2)螺栓直径大，连接板薄，孔壁挤压破坏(3)螺栓孔径大，连接板削弱多，连接板受拉破坏(4)连接板端距小，冲剪破坏（构造解决，端距2d0）(5)连接板厚，螺杆长，螺杆弯曲破坏（构造解决）,第三章钢结构连接,2、单个螺栓抗剪承载力(1)螺杆剪切破坏：假设剪应力均匀分布，计算平均剪应力,第三章钢结构连接,螺杆抗剪承载力,单剪,双剪,（3.32）,第三章钢结构连接,螺栓抗剪强度,第三章钢结构连接,(2)孔壁挤压破坏：假设压应力沿直径均匀分布，计算平均压应力,孔壁挤压承载力,同一方向承压板较小总厚度,板件承压强度,（3.33）,第三章钢结构连接,3、螺栓群拼接(1)螺栓群受拉，单个螺栓受剪(2)螺栓非均匀受剪，连接较长时端部先破坏,第三章钢结构连接,(3)假设l115do时，剪力均匀分布，螺栓群抗剪承载力,(4)假设l115do时，剪力非均匀分布，螺栓群抗剪承载力下降,h为折减系数,要求NNb,（3.35）,第三章钢结构连接,(1)开孔处破坏面(I，II，III),4、净截面抗拉强度计算,(2)净截面积计算,螺栓并列排布：直线面积,第三章钢结构连接,螺栓错列排布：锯齿净面积,计算净截面强度,第三章钢结构连接,5、螺栓群牛腿(1)螺栓群受扭(扭矩T=Pe)、受剪(剪力N=P)，单个螺栓受剪(2)假设扭矩使连接板绕螺栓群形心o转动，扭矩产生的剪力NTi与螺栓至形心距ri成正比,第三章钢结构连接,(2)扭矩平衡,扭矩产生螺栓剪力,分量,（3.38）,（3.39）,（3.40）,第三章钢结构连接,(3)剪力P在螺栓群中均匀分配,单个螺栓剪力合成,计算受剪力最大的螺栓,（3.41）,第三章钢结构连接,算例：设计螺栓盖板拼接，设计拉力N=350kN，钢材Q345B(或16Mn)，拼接板宽b=360mm，厚t1=8mm，采用M20C级螺栓，孔径f22。,第三章钢结构连接,解：螺栓抗剪强度,板件承压强度,(1)双盖板的厚度t2拼接板的厚度t1/2,板件抗拉强度,取t2=6mm,双剪,(2)单个螺栓抗剪承载力,第三章钢结构连接,(3)孔壁承压,(4)所需螺栓数n=350/67.3=5.2个,(5)6个螺栓3排布置，间距100，端距60，边距80,第三章钢结构连接,(6)连接长度验算l1=15do=1522=330100,(7)拼接净截面积An=(360-322)8=2352mm2,净截面拉应力sn=350000/2352=149N/mm2f,毛截面拉应力s=350000/(3608)=121N/mm2,第三章钢结构连接,三、普通螺栓受拉性能1、单个螺栓受拉破坏试验螺杆受拉，连接板脱开，螺纹处拉断或连接板屈服,螺栓抗拉承载力设计值：,Ae为螺纹处有效截面面积，de为螺纹内径查书337页附录8,螺栓抗拉强度设计值,（3.43）,第三章钢结构连接,Ae已列表,第三章钢结构连接,2、螺栓群受拉拉力均匀分布，螺栓个数,第三章钢结构连接,3、螺栓群受弯螺栓受拉，连接板受压，受拉区连接板脱开，螺栓面积小，拉压平衡，受压区高度小。假设转动中和轴在最下排螺栓处。,第三章钢结构连接,假设螺栓拉力三角形分布，大小与距转动中和轴距离成正比,弯矩平衡,弯矩产生螺栓拉力,计算受力最大的螺栓(最外排),（3.46）,（3.47）,第三章钢结构连接,4、同时螺栓受拉受剪螺栓螺栓所受拉力Nt和剪力Nv，试验得破坏近似相关方程,螺栓计算,孔壁挤压计算,（3.50b）,（3.51）,第三章钢结构连接,可通过加板托承受剪力，螺栓只受拉力,第三章钢结构连接,5、算例：验算牛腿螺栓连接，设计剪力V=200kN，偏心e=150mm，连接板厚t=20mm，Q235B钢材，采用10个M20C级螺栓，孔径f22，分别计算有承托和无承托两种情况。,第三章钢结构连接,解：螺栓抗剪强度,板件承压强度,(1)有承托板，螺栓群受弯矩M=Ve=2000.15=30kNm,单个螺栓抗拉承载力,螺栓抗拉强度,第三章钢结构连接,螺栓最大拉力,(2)无承托板，螺栓受拉受剪,单个螺栓抗剪承载力,螺栓平均剪力,第三章钢结构连接,螺栓计算,螺栓最大拉力,孔壁承压计算,第三章钢结构连接,第七节高强度螺栓连接,一、高强度螺栓1、螺栓类型(1)高强度钢材制成。(2)按材料强度分成8.8级和10.9级(3)按传剪力方式分成摩擦型和承压型,第三章钢结构连接,(4)按施工方式分成大六角头和扭剪型,第三章钢结构连接,2、受力机理(1)高强度螺栓可以传递剪力和拉力(2)高强度螺栓通过施加预拉力使连接板之间产生预压力，接触面上有摩擦力，依靠摩擦力传递剪力,第三章钢结构连接,高强螺栓与普通螺栓抗剪受力区别普通螺栓：靠栓杆承压和抗剪传递剪力高强螺栓：摩阻力来传力。摩擦型高强螺栓：仅由摩阻力传力。承压型高强螺栓：由摩阻力和栓杆剪切、承压共同传力。,第三章钢结构连接,(3)摩擦型连接在承载能力极限状态最大剪力不能超过板件间摩擦力。(4)承压型连接在承载能力极限状态允许滑动，但最大剪力不能超过螺栓的抗剪承载力和孔壁的承压强度。,(5)高强度螺栓承载力高，变形小，传力可靠，多用于主承重受力构件连接。(6)高强度螺栓的排布要求与普通螺栓相同，螺孔直径比螺杆直径大1.52mm，也用M表示。,第三章钢结构连接,3、紧固方法与预拉力P(1)高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺帽实现的。扭矩法，转角法和扭剪法，分成初拧和终拧两步完成，保证拉力均匀。,第三章钢结构连接,(2)扭矩法专用扭矩板手，标定预拉力和扭矩之间的关系，通过施加一定扭矩达到预拉力，大六角螺栓。(3)转角法手动扳手初拧后，再转动一定角度达到预拉力，大六角螺栓。(4)扭剪法扭剪型螺栓，特制电动扳手，以扭断梅花头为标志，准确可靠，易检查，成本高。,第三章钢结构连接,(5)螺栓预拉力越大，摩擦力越高，连接传力性能越好，但要避免在拧紧阶段发生破坏，还要保留螺栓具有一定的抗拉承载力。我国预拉力定为,（3.52）,第三章钢结构连接,4、抗滑移系数m(1)连接板接触面之间摩擦力的大小与摩擦系数有关，称为抗滑移系数，与表面处理方式有关。,第三章钢结构连接,二、高强度螺栓抗剪计算1、单个螺栓抗剪承载力单个螺栓周围接触面上的摩擦力为mP，考虑安全系数1.11，单个螺栓抗剪承载力取,nf为摩擦面数，单剪nf=1，双剪nf=2,（3.54）,第三章钢结构连接,2、摩擦型螺栓抗剪计算(1)单个螺栓传递的最大剪力Nv，要求,(2)螺栓群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪，要求螺栓数,第三章钢结构连接,(3)净截面计算,每个螺栓均匀传力，孔前传力系数0.5,净截面拉应力,净截面拉力,第三章钢结构连接,3、承压型螺栓抗剪计算(1)单个螺栓承载力计算方法与普通螺栓相同,n为受剪面，单剪n=1，双剪n=2,高强度螺栓抗剪强度,第三章钢结构连接,(2)螺栓群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪，要求螺栓数,(3)净截面计算也可偏安全取与普通螺栓相同,高强度螺栓连接时板件承压强度,实际上摩擦力仍然传递部分剪力，承压型螺栓承载力高，破坏时变形大,第三章钢结构连接,三、高强度螺栓抗拉计算1、单个螺栓抗拉承载力由于螺栓预拉力P的存在，接触面产生初始压力C=P，连接板沿厚度方向压缩。外拉力Nt使接触面压力减为C-DC，螺栓拉力增加至P+DP，既要保证螺栓不被拉断，又要保证接触面压力不减为零。,第三章钢结构连接,根据平衡条件：C-DC+Nt=P+DP或：DP=Nt-DC，外拉力Nt并非全部传给螺栓,第三章钢结构连接,假设螺栓面积为Ab，受压接触面积为Ap,外拉力Nt使连接板厚度回弹量为,外拉力Nt使螺栓伸长量为,变形协调,第三章钢结构连接,代入前式得,由试验和分析知Ap(1020)Ab，近似取Ap10Ab,外拉力Nt只有很小部分直接传给螺栓,第三章钢结构连接,假设控制剩余接触面压力C-DC不低于初始值的1/4，即,设计取高强度度螺栓的抗拉承载力为,应控制外拉力Nt,（3.55）,第三章钢结构连接,三、高强度螺栓同时受拉受剪1、摩擦型螺栓承载力计算,用线性相关方程近似表示破坏模式,第三章钢结构连接,设计要求,或,即,（3.56）,第三章钢结构连接,2、对于承压型螺栓,用椭圆方程表示破坏模式,设计要求,即,（3.57）,第三章钢结构连接,同时受拉受剪，一个方向压力减小，板件局部承压强度降低，取,高强度螺栓只受剪时，孔壁三向受压，板件局部承压强度，高。,则,（3.58）,第三章钢结构连接,四、摩擦型螺栓群受弯连接,假设剪力均匀分布，弯矩使中和轴以上连接板间压力减小，中和轴以下连接板间压力增大，但连接板间不分离。中和轴在螺栓群形心处。,第三章钢结构连接,假设螺栓拉力三角形分布，大小与距转动中和轴距离成正比,弯矩产生螺栓拉力,第三章钢结构连接,计算抗拉承载