钢结构的连接和节点构造

第七章钢结构的连接和节点构造,主要内容：,7.1钢结构对连接的要求及连接方法7.2焊接连接的特性7.3对接焊缝的构造和计算7.4角焊缝的构造和计算7.5焊接残余应力和残余变形7.6普通螺栓连接的构造和计算7.7高强螺栓连接的性能和计算7.8焊接梁翼缘焊缝计算7.12柱脚设计,连接要求足够的强度、刚度和延性连接方法焊接、铆接和螺栓连接,7.1钢结构对连接的要求及连接方法,焊接，广泛采用铆接，应用较少螺栓连接普通螺栓A、B级C级高强螺栓摩擦型连接承压型连接,特点：,电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等,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,7.2焊接连接的特性,7.2.1焊接方法,EXX的XX表示焊条的最低抗拉强度。,焊条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,电渣焊气体保护焊电阻焊,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,7.2.2焊接连接的优缺点,7.2.3焊缝缺陷焊缝缺陷,裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等,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；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。,焊缝等级：钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）三级,强度折减：高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9。,7.2.4焊缝连接型式及焊缝型式连接型式,平接、搭接、T形连接、角接,焊缝型式对接焊缝和角焊缝,按施焊位置,焊缝沿长度分布情况：连续角焊缝和断续角焊缝,作用表明焊缝型式、尺寸和辅助要求表示方法(GB324-88)由基本符号、引出线、辅助符号、补充符号和焊缝尺寸等部分组成,7.2.5焊缝代号,分为：I形缝、V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、带钝边单边V形缝和双Y形缝等,7.3对接焊缝的构造和计算,7.3.1构造要求,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,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,7.3.2对接焊缝的计算计算原则,用计算焊件的方法。I、II级等强不计算，仅计算III级焊缝（1）轴心受力的对接焊缝N/(lwt)fwt或fwc,（2）受弯、受剪的对接焊缝计算M/WwfwtVS/(Iwt)fwv,（3）轴力、剪力和弯矩共同作用时，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。,7.3.3部分焊透的对接焊缝计算原则：按角焊缝计算,7.4角焊缝的构造和计算7.4.1构造和强度,截面形状、有效截面,应力分布侧面角焊缝的应力分布,正面角焊缝的应力分布,角焊缝的应力位移曲线,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；hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。,焊脚尺寸的限制,不等边角焊缝要求,对于板件边缘的焊缝，当t6mm时，hft；当t6mm时，hft(12)mm。,焊缝长度lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf和40mm，且对侧面角焊缝，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。,7.4.2角焊缝计算的基本公式,则有,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时,角焊缝计算的基本公式为:,仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时,同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时,7.4.3常用连接方式的角焊缝计算,1、受轴心力作用的拼接板连接,仅侧面角焊缝（图a）,仅正面角焊缝（图b）,三面围焊时（图c）先计算计算正面角焊缝l1受力N1，剩余的NN1由侧面角焊缝l2承担。,菱形拼接板（图d）简化计算不计正面及斜焊缝的f：,2、受轴心力作用的角钢连接,当用侧面角焊缝连接时（图a）,肢背N1=e2N/(e1+e2)=K1N,肢尖N2=e1N/(e1+e2)=K2N=NN1,三面围焊时（图b）,正面角焊缝承担的力为N3=0.7hflw3fffw,侧面角焊缝承担的力为,肢背N1=e2N/(e1+e2)N3/2=K1NN3/2,肢尖N2=e1N/(e1+e2)N3/2=K2NN3/2,L形焊缝（图c）,正面角焊缝承担的力为:N3=0.7hflw3fffw,侧面角焊缝承担的力为:N1=NN3,3、弯矩作用下的焊缝,4、扭矩作用下的焊缝焊缝群受扭：,假定:,环焊缝受扭,5、弯矩、剪力和轴心力共同作用,6、扭矩、剪力和轴心力共同作用,7、塞焊计算,7.5.1焊接残余应力的分类和产生的原因,纵向残余应力,7.5焊接残余应力和残余变形,横向残余应力,厚度方向的残余应力,约束状态下的焊接应力,7.5.2焊接残余应力的影响,对结构静力强度的影响：无影响,对结构刚度的影响,对压杆稳定的影响：残余压应力,对低温冷脆的影响：三向应力,对疲劳强度的影响：高额残余拉应力,7.5.3焊接残余变形,残余变形形式,残余变形形式,7.5.4减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法,采取合理的施焊次序,施焊前加相反的预变形（图a、b）焊前预热，焊后回火（图c）,7.5.5合理的焊缝设计,焊接位置要应尽量对称于截面重心焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸焊缝不宜过分集中（图a）应尽量避免三向焊缝交叉（图b）考虑钢板分层问题（图c）焊条易达到（图d）避免仰焊,7.6.1螺栓连接的排列和构造要求,排列方式：并列或错列,7.6普通螺栓的构造和计算,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,孔、螺栓图例,7.6.2普通螺栓连接受剪、受拉时的性能,传力方式：抗剪螺栓和抗拉螺栓,1、抗剪螺栓连接,破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端被剪断；螺栓杆弯曲,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。,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l115d0时，=1.0当15d0l160d0时，=1.1l1/150d0当l160d0时，=0.7,一个抗剪螺栓的设计承载力计算,抗剪承载力设计值：,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。,2、抗拉螺栓连接,破坏形式：螺栓杆拉断,为考虑撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值ftb取同样钢号钢材抗拉强度设计值f的0.8倍(即ftb=0.8f),7.6.3螺栓群的计算,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)/nN对被连接板：An=t(bn1d0)对拼接板：An=2t1(bn3d0),1、螺栓在轴心力作用下的抗剪计算,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,被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群,2、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算基本假定,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。,平衡条件：,根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件,则,或,验算,3、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算,4、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算,5、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算,假定：中和轴在最下排螺栓处,则,6、螺栓群同时受剪力和拉力的计算,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：,支托承受剪力：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1.251.35,7.7.1高强度螺栓连接的性能,级别：10.9级和8.8级（小数点前为螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后的数字是屈强比）栓孔：钻成孔按受力特征分类：摩擦型连接、承压型连接和承受拉力的连接影响承载力的因素：栓杆预拉力、连接表面抗滑移系数和钢材种类,7.7高强度螺栓连接的性能和计算,1、高强螺栓连接的预拉力,施加方法：扭矩法T=KdP转角法初拧终拧扭剪法扭断螺栓尾部梅花头,预拉力设计值：,高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑：在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪应力将降低螺栓的抗拉承载力，对抗拉强度引入折减系数1/1.2；施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9；螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。,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：,排列构造要求同普通螺栓。沿受力方向的连接长度l1，也要考虑l115d0时对承载力的折减。,当l115d0时，=1.0当15d0l160d0时，=1.1l1/150d0当l160d0时，=0.7,3、高强螺栓的排列,7.7.2高强度螺栓的抗剪承载力设计值,1、高强螺栓摩擦型连接,R为抗力分项系数R的倒数，一般取0.9，最小板厚t6mm的冷弯薄壁型钢结构取0.8,破坏状态同普通螺栓，极限承载力由杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同。,2、高强螺栓承压型连接,7.7.3高强度螺栓群的抗剪计算,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%）,1、轴心力作用时,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。,2、扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同时,7.7.4高强度螺栓的抗拉计算,1、高强度螺栓的抗拉连接性能,当Nt=0.8P时，Pf=1.07P。可认为螺栓中的预拉力基本不变。,撬力的影响：限制抗拉承载力在0.8P以内,2、高强度螺栓的抗拉连接计算,抗拉承载力:,轴心拉力的螺栓数：,弯矩作用时：,(c),板不被拉开时，中和轴在螺栓群形心处；板可被拉开时，与普通螺栓一样，中和轴在最外排受压螺栓形心处,承载力极限状态,7.7.5同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算,由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低;每个螺栓的抗剪承载力也随之减少；抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低。,2、高强度螺栓承压型连接,且,当剪切面在螺纹处时，取,1、高强度螺栓摩擦型连接,叠放板材的弯曲变形,7.8焊接梁翼缘焊缝的计算,无局部压应力时的梁翼缘焊缝受力,焊缝受力：,焊脚尺寸：,双层翼缘板时的焊缝受力,有局部压应力时的梁翼缘焊缝受力,则,焊脚尺寸为：,功能：将柱子内力可靠地传给基础；和基础有牢固连接；尽可能符合计算简图。连接方式：铰接：支承式刚接：支承式(外露式)埋入式(插入式外包式,7.12柱脚设计,7.12.1轴心受压柱的柱脚,1、柱脚的型式和构造：铰接和刚接,内容：确定底板的尺寸、靴梁的尺寸及它们之间的连接焊缝。(1)底板计算底板平面尺寸A=N/fcc底板中如有锚栓孔，A中应包含锚栓孔面积A0。B=b+2t+2cc取210cm，且使B为整数。L=A/Bq=N/(BL-A0)fcc,2、轴心受压柱脚的计算,底板厚度底板厚度由板的抗弯强度决定。底板被分为四边支承板、三边支承板和悬臂板。M4=qa2,M3=qa12,四边简支板的弯矩系数,M1=qc2/2,则,底板的厚度一般在20mm40mm之间，不宜小于14mm。,(2)靴梁计算厚度与被连接的柱子翼缘大致相同，高度由连接柱所需要的焊缝确定。二块靴梁板承受的最大弯矩：M=qBl2/2二块靴梁板承受的最大剪力：V=qBl(3)隔板计算厚度不小于长度的1/50，受力取阴影部分基础反力。,7.12.2压弯构件的柱脚,柱脚的型式：铰接：构造和计算与轴心受压柱基本相同刚接：传力