钢结构工程施工-单元三

1、“十二五”职业教育国家规划教材钢结构工程施工钢结构工程施工北京出版集团公司北 京 出 版 社 单元三单元三 简单受力钢结构连接设计简单受力钢结构连接设计12单单元描述能力目标标知识识目标标123钢结构板材之间的连接可采取多种方式，一般在实践中主要钢结构板材之间的连接可采取多种方式，一般在实践中主要有焊接连接方式和螺栓连接方式。根据外力作用的方向和大有焊接连接方式和螺栓连接方式。根据外力作用的方向和大小，焊缝位置处常常处于复合受力状态。在设计过程中，设小，焊缝位置处常常处于复合受力状态。在设计过程中，设计者常根据情况进行一定程度的简化。本单元中仅研究钢结计者常根据情况进行一定程度的简化。本单元中

2、仅研究钢结构板材连接在简单作用力下的设计问题。同时，本单元中将构板材连接在简单作用力下的设计问题。同时，本单元中将通过钢结构焊接连接设计和钢结构螺栓连接设计多个任务介通过钢结构焊接连接设计和钢结构螺栓连接设计多个任务介绍钢结构的基本连接计算。绍钢结构的基本连接计算。单元描述单元描述 具备具备判别钢结构连接类型的能力；具备钢结构螺栓连接施工判别钢结构连接类型的能力；具备钢结构螺栓连接施工的组织能力；具备钢结构螺栓连接施工质量的检验能力。的组织能力；具备钢结构螺栓连接施工质量的检验能力。能力目标能力目标 了解了解钢结构各种连接的特点；熟悉钢结构螺栓连接类型和连接钢结构各种连接的特点；熟悉钢结构螺栓

3、连接类型和连接受力的特点；熟悉普通螺栓和高强度螺栓的施工工艺要求；掌受力的特点；熟悉普通螺栓和高强度螺栓的施工工艺要求；掌握钢结构螺栓连接质量的验收标准。握钢结构螺栓连接质量的验收标准。知识目标知识目标6工作任务工作任务1 1螺栓连接设计螺栓连接设计焊接连接设计焊接连接设计工作任务工作任务2 2任务书任务书钢结构焊接连接的焊缝形式是对接焊缝和角焊缝。计算时不钢结构焊接连接的焊缝形式是对接焊缝和角焊缝。计算时不仅应包括求解所需焊缝的尺寸，还应包括焊缝的布置，特别仅应包括求解所需焊缝的尺寸，还应包括焊缝的布置，特别是对它们的构造要求，如是否满足角焊缝的最小尺寸和最大是对它们的构造要求，如是否满足角

4、焊缝的最小尺寸和最大尺寸要求。尺寸要求。对接焊缝主要用于对接连接和对接焊缝主要用于对接连接和T T型连接中。焊缝质量级别较型连接中。焊缝质量级别较高的一级和二级对接焊缝，其强度设计值与钢材的相同，因高的一级和二级对接焊缝，其强度设计值与钢材的相同，因而所连接的构件如已满足强度要求，则焊缝的强度就不必再而所连接的构件如已满足强度要求，则焊缝的强度就不必再行计算。对质量为三级的焊缝，其抗拉和抗弯强度设计值按行计算。对质量为三级的焊缝，其抗拉和抗弯强度设计值按规范规定等于相应钢材设计强度的规范规定等于相应钢材设计强度的85%85%，因而需要进行计算，因而需要进行计算。对接焊缝的计算主要是指这种情况下

5、的连接。对接焊缝的计算主要是指这种情况下的连接。任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计7能力目标能力目标具备判别焊缝连接形式的能力；具备依据条件开展焊缝计算具备判别焊缝连接形式的能力；具备依据条件开展焊缝计算的能力。的能力。知识目标知识目标掌握钢结构焊接连接的计算公式；熟悉钢结构焊接连接的构掌握钢结构焊接连接的计算公式；熟悉钢结构焊接连接的构造要求。造要求。8任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计一、对接焊缝连接设计基本知识一、对接焊缝连接设计基本知识1.1.焊接接头及焊缝形式焊接接头及焊缝形式焊接接头形式：焊接接头主要有平接、搭接、焊接接头形式：焊接接头主要有平接、搭接、T T型连接和角

6、接四种形式，所型连接和角接四种形式，所采用的焊缝主要有对接焊缝及角焊缝两种。角焊缝的形式可分直角角焊缝与采用的焊缝主要有对接焊缝及角焊缝两种。角焊缝的形式可分直角角焊缝与斜角角焊缝。斜角角焊缝。焊缝的质量等级：根据对焊缝的质量要求，分为一级、二级和三级，设计时焊缝的质量等级：根据对焊缝的质量要求，分为一级、二级和三级，设计时按要求选用。按要求选用。2.2.垂直于轴心受力的对接焊缝设计垂直于轴心受力的对接焊缝设计=Nlwtminfwc or fwt=Nlwtminfwc or fwt式中：式中：tmintmin对接连接中较小的厚度，忽略焊缝起鼓；对接连接中较小的厚度，忽略焊缝起鼓；f wcf w

7、c对接焊缝抗压强度；对接焊缝抗压强度；fwtfwt对接焊缝抗拉强度；对接焊缝抗拉强度；lwlw焊缝的计算长度（板宽减去焊缝的计算长度（板宽减去10mm10mm），若加引弧板，如图），若加引弧板，如图.1所示，所示，则焊缝的计算长度即为板宽。则焊缝的计算长度即为板宽。9任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计3.M3.M、V V共同作用下对接焊缝设计共同作用下对接焊缝设计(1) (1) 板件间对接连接计算板件间对接连接计算因焊缝截面为矩形，因焊缝截面为矩形，M M、V V共同作用下的应力如图共同作用下的应力如图3.13.1. .2 2所示。所示。其强度计算公式为：其强度计算公式为

8、：max=MWw=6Ml2wtfwtmax=MWw=6Ml2wtfwttmax=VSwIwt=32Vlwtfwvtmax=VSwIwt=32Vlwtfwv式中：式中：WwWw焊缝截面模量；焊缝截面模量；SwSw焊缝截面面积矩；焊缝截面面积矩；IwIw焊缝截面惯性矩。焊缝截面惯性矩。10任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计(2) (2) 工字型截面对接连接计算工字型截面对接连接计算因焊缝截面为工字型，因焊缝截面为工字型，M M、V V共同作用下的应力如图共同作用下的应力如图.3所示。所示。11任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计对于焊缝的对于焊缝的maxmax和和tmax

9、tmax应满足前述要求：应满足前述要求： =Nlwtminf wt =Nlwtminf wt tmax=VSwIwtw tmax=VSwIwtw对于翼缘与腹板交接点焊缝对于翼缘与腹板交接点焊缝(1(1点点) )，其折算应力尚应满足下式要求：，其折算应力尚应满足下式要求： 21+3t211.1f wt 21+3t211.1f wt 1=maxh0h 1=maxh0h式中：式中：11腹板和翼缘交接处的正应力；腹板和翼缘交接处的正应力；h h、h0h0分别为工字型截面高度和腹板高度；分别为工字型截面高度和腹板高度； t1=VS1Iwtw t1=VS1Iwtw式中：式中：t1t1腹板和翼缘交接处的剪应

10、力；腹板和翼缘交接处的剪应力；S1S1翼缘对中和轴的面积矩；翼缘对中和轴的面积矩；twtw腹板厚度；腹板厚度；1.11.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。12任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计二、角焊缝连接设计基本知识二、角焊缝连接设计基本知识1.1.角焊缝构造特点角焊缝构造特点如图如图.4所示，角焊缝按其与作用力方向的不同可分为：所示，角焊缝按其与作用力方向的不同可分为：侧焊缝：焊缝轴线平行于外力作用方向。侧焊缝：焊缝轴线平行于外力作用方向。端焊缝：焊缝轴线垂直于外力作用方向。端焊缝：焊缝轴线垂直于外力作用方向。斜

11、焊缝：焊缝轴线与外力作用方向斜交。斜焊缝：焊缝轴线与外力作用方向斜交。13任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计角焊缝截面形式如图角焊缝截面形式如图.5所示：所示：规范内对焊缝的极限应力，不论是端焊缝还是侧焊缝均取规范内对焊缝的极限应力，不论是端焊缝还是侧焊缝均取4545有效截面上有效截面上的最低平均破坏力来确定强度，不分抗拉，抗拉或抗剪都采取统一的强度的最低平均破坏力来确定强度，不分抗拉，抗拉或抗剪都采取统一的强度设计值设计值fwffwf。14任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计2.2.角焊缝强度设计公式角焊缝强度设计公式端焊缝：端焊缝：f=Nhef=Nhelwf f

12、wflwf f wf侧焊缝：侧焊缝：tf=Nhetf=Nhelwf wflwf wf在弯矩、剪力和轴力共同作用下：在弯矩、剪力和轴力共同作用下：(ff)2+t2ff wf(ff)2+t2ff wf其中：其中：f=1.0(f=1.0(动荷动荷)1.22)1.22（静荷），（静荷），he=0.7hfhe=0.7hf3.3.角焊缝主要构造要求角焊缝主要构造要求(1) (1) 最小焊脚尺寸：最小焊脚尺寸：hfminhfmin防止焊缝冷却过快产生裂缝。防止焊缝冷却过快产生裂缝。手工焊：手工焊：hfmin=1.5tmaxhfmin=1.5tmax自动焊：自动焊：hfmin=1.5tmax-1mmhfmin

13、=1.5tmax-1mmT T型单面焊缝：型单面焊缝：hfmin=1.5tmax+1mmhfmin=1.5tmax+1mm当当t4mmt4mm时，时，hfmin=thfmin=ttmaxtmax为较厚焊件的厚度，单位为为较厚焊件的厚度，单位为mmmm。15任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计(2) (2) 最大焊脚尺寸：最大焊脚尺寸：hfmaxhfmax防止焊件产生脆裂、烧穿。防止焊件产生脆裂、烧穿。一般情况：一般情况：hfmax=1.2tminhfmax=1.2tmin（钢管结构除外）（钢管结构除外）搭接连接情况：搭接连接情况：hfmax=t(t6mm)t-(12)mm(thfmax=t

14、(t6mm)t-(12)mm(t 6mm)6mm)tmintmin为较薄焊件的厚度，单位为为较薄焊件的厚度，单位为mmmm。(3) (3) 最小计算长度：最小计算长度：lwminlwmin防止弧坑缺陷所占比重太大，焊缝连接不可防止弧坑缺陷所占比重太大，焊缝连接不可靠。靠。lwmin=8hflwmin=8hf，且，且40mm40mm(4) (4) 最大计算长度：最大计算长度：lwmaxlwmax防止应力分布不均匀。防止应力分布不均匀。lwmax=60hflwmax=60hf（静荷）（静荷）40hf40hf（动荷）（动荷）(5) (5) 搭接长度：搭接长度：ll搭接长度，避免接头中产生过大的焊接应

15、力。搭接长度，避免接头中产生过大的焊接应力。l5tminl5tmin，且，且25mm25mm。16任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计三、例题示例三、例题示例1.1.对接焊缝连接设计对接焊缝连接设计将工字型截面的牛腿采用焊透的对接焊缝焊于柱上，焊缝截面尺寸如图将工字型截面的牛腿采用焊透的对接焊缝焊于柱上，焊缝截面尺寸如图1.6所示，所示，N=450kNN=450kN，作用点距焊缝处距离为，作用点距焊缝处距离为300mm300mm，钢材采用，钢材采用Q235Q235、手工、手工焊、焊、E43E43型焊条，焊缝质量等级为三级，试验算该对接焊缝处强度是否满型焊条，焊缝质量等级为三级

16、，试验算该对接焊缝处强度是否满足设计要求。足设计要求。17任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计解：（解：（1 1）外力简化）外力简化经分析，若要求解此题任务，需先将外力经分析，若要求解此题任务，需先将外力N N向焊缝处简化，即将外力向焊缝处简化，即将外力N N移至移至腹板中心位置，此时焊缝将承受弯矩和剪力的共同作用。剪力值和弯矩值腹板中心位置，此时焊缝将承受弯矩和剪力的共同作用。剪力值和弯矩值分别为：分别为：V=N=450kNV=N=450kNM=Ne=450M=Ne=45030=13500kNcm30=13500kNcm(2) (2) 焊缝截面的几何特征焊缝截面的几何特征因该连接为焊透的

17、对接焊缝，故焊缝计算截面与牛腿截面完全相同。因该连接为焊透的对接焊缝，故焊缝计算截面与牛腿截面完全相同。Iw=220Iw=2204203-2104203-210380312=39802380312=39802104mm4=39802cm4104mm4=39802cm4Ww=3980221=1895.3cm3Ww=3980221=1895.3cm3翼缘中和轴的面积矩：翼缘中和轴的面积矩：S1=2S1=2222220=880cm320=880cm3中和轴以上截面对中和轴的面积矩：中和轴以上截面对中和轴的面积矩：Smax=880+1Smax=880+119199.5=1060.5cm39.5=106

18、0.5cm318任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计19(3) (3) 计算应力值计算应力值max=MWw=13500max=MWw=135001041895.31041895.3103=71N/mm2103=71N/mm2 fwt=185N/mm2fwt=185N/mm2tmax=VSmaxIwtw=450tmax=VSmaxIwtw=4501060.51060.5106398021063980210410410=120N/mm210=120N/mm2 fwv=125fwv=125N/mm2N/mm2验算折算应力：验算折算应力：1=1=maxh0h=71maxh0h=711921=64N

19、/mm21921=64N/mm2t1=VS1Iwtw=450t1=VS1Iwtw=450880880106398021063980210410410=99.5N/mm210=99.5N/mm221+321+3t21=642+3t21=642+399.52=184N/mm2199.52=184N/mm211f wt=11f wt=11 1185=203.5N/mm2185=203.5N/mm2故该连接的强度满足要求。故该连接的强度满足要求。任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计202.2.角焊缝连接设计角焊缝连接设计连接形式如图连接形式如图.7所示，给定的抗力荷载为所示，给定的

20、抗力荷载为400kN400kN，焊脚尺寸，焊脚尺寸hf=8mmhf=8mm，钢材，钢材为为Q235-AF(A3F)Q235-AF(A3F)，焊条为，焊条为E43E43型，手工焊，所需角焊缝的总长度为多少型，手工焊，所需角焊缝的总长度为多少? ?解：（解：（1 1）应力分析与计算）应力分析与计算由公式由公式tf=Nhetf=Nhelwfwflwfwf，得，得lwNhefwflwNhefwf。因两面侧。因两面侧焊缝共有焊缝共有4 4个弧坑缺陷，所以焊缝的实际总长度个弧坑缺陷，所以焊缝的实际总长度l=lw+l=lw+4 45mm5mm，最后取整。，最后取整。角焊缝设计强度为角焊缝设计强度为f wf=

21、160N/mm2f wf=160N/mm2。(2) (2) 焊缝长度计算焊缝长度计算所需焊缝总计算长度：所需焊缝总计算长度：lwNhefwf=400lwNhefwf=400103/0.7103/0.78 8160=446.4mm160=446.4mm所需焊缝的实际长度所需焊缝的实际长度l=lw+4l=lw+45=466.4mm5=466.4mm对照构造要求并取整，取焊缝长度为对照构造要求并取整，取焊缝长度为480mm480mm。任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计检查与评价检查与评价一一. .简答题简答题1.1.钢结构连接主要有哪些类型？其各自的优缺点是什么？钢结构连接主要有哪些类型？其各

22、自的优缺点是什么？2.2.采用直焊缝连接的板材若焊接连接验算没有通过，可采取哪些采用直焊缝连接的板材若焊接连接验算没有通过，可采取哪些措施来改进？措施来改进？21任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计二、计算题二、计算题1.1.计算如图所示的对接焊缝连接的焊缝强度是否满足设计要求，已知：钢计算如图所示的对接焊缝连接的焊缝强度是否满足设计要求，已知：钢材为材为Q235Q235，焊条，焊条E43E43型，手工焊，焊缝质量为三级，施焊时不加引弧板，型，手工焊，焊缝质量为三级，施焊时不加引弧板，f f wt=185 N/mm2wt=185 N/mm2，B=400mmB=400mm，t=10mmt=1

23、0mm，N=500kNN=500kN。2.2.计算如图所示仅用侧面角焊缝相边的角钢与节点板的连接角焊缝长度，计算如图所示仅用侧面角焊缝相边的角钢与节点板的连接角焊缝长度，钢材钢材Q235Q235，焊条，焊条E43E43型，手工焊，施焊时不加引弧板，型，手工焊，施焊时不加引弧板，f wf=160 N/mm2f wf=160 N/mm2，hfhf=8mm=8mm，K1=0.7K1=0.7，K2=0.3K2=0.3。22任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计三、评价表三、评价表23序号序号具体指标具体指标分值分值 自评自评小组互评小组互评 教师评价教师评价小计小计1 1据图和给定条件判断钢结据图和

24、给定条件判断钢结构焊缝连接形式的准确性构焊缝连接形式的准确性2 22 2具备依据条件按规范开展具备依据条件按规范开展螺栓强度计算的能力螺栓强度计算的能力3 33 3具备依据条件按构造手册具备依据条件按构造手册进行构造设计的能力进行构造设计的能力3 34 4焊缝强度验算的能力焊缝强度验算的能力2 2合计合计1010任务任务1 1 焊接连接设计焊接连接设计任务书任务书钢结构中使用的连接螺栓一般分为普通螺栓和高强度螺栓两种钢结构中使用的连接螺栓一般分为普通螺栓和高强度螺栓两种。一般所说的普通螺栓常用于临时连接及需拆卸的连接中，常。一般所说的普通螺栓常用于临时连接及需拆卸的连接中，常用级别为用级别为M

25、16M16、M20M20、M24M24。高强度螺栓的材料与普通螺栓不。高强度螺栓的材料与普通螺栓不同，一般用于永久连接，常用级别为同，一般用于永久连接，常用级别为M16M30M16M30，按受力特征，按受力特征不同有摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓两种。不同有摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓两种。摩擦型高强度螺栓通过板件间的摩擦力传递内力，以板层间出摩擦型高强度螺栓通过板件间的摩擦力传递内力，以板层间出现滑动作为承载能力极限状态；承压型高强度螺栓的受力特征现滑动作为承载能力极限状态；承压型高强度螺栓的受力特征与普通螺栓类似，以板层间出现滑动作为正常使用极限状态，与普通螺栓类似，以板层间出现

26、滑动作为正常使用极限状态，而以连接破坏作为承载能力极限状态。而以连接破坏作为承载能力极限状态。24任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计能力目标能力目标具备依据条件开展螺栓连接计算的能力。具备依据条件开展螺栓连接计算的能力。知识目标知识目标掌握钢结构螺栓连接计算公式；熟悉钢结构螺栓连接构造要掌握钢结构螺栓连接计算公式；熟悉钢结构螺栓连接构造要求。求。25任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计一、普通螺栓连接设计基本知识一、普通螺栓连接设计基本知识1.1.普通螺栓的种类普通螺栓的种类普通螺栓按其加工的精细程度和强度分为普通螺栓按其加工的精细程度和强度分为A A、B B、C C三个级别。三个级

27、别。A A、B B级属于级属于精制螺栓，性能等级为精制螺栓，性能等级为5.65.6级或级或8.88.8级，级，5 5或或8 8表示表示fu500fu500或或800N/mm2800N/mm2，0.0.6 6或或0.80.8表示表示fy /fu =0.6fy /fu =0.6或或0.80.8；类孔，孔径（类孔，孔径（d0d0）- - 栓杆直径（栓杆直径（d d） 0.30.5mm0.30.5mm。C C级为粗制螺栓，性能等级为级为粗制螺栓，性能等级为4.64.6级或级或4.84.8级，级，4 4表示表示fu400 N/mm2fu400 N/mm2，0.60.6或或0.80.8表示表示fy /fu

28、 =0.6fy /fu =0.6或或0.80.8；类孔，孔径（类孔，孔径（d0d0）- - 栓杆直径（栓杆直径（d d）1 13mm3mm。钢结构一般选用。钢结构一般选用C C级（粗制）六角头螺母螺栓，标识用级（粗制）六角头螺母螺栓，标识用M M和公称直和公称直径（径（mmmm）表示。）表示。26任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计2.2.普通螺栓的构造要求普通螺栓的构造要求(1) (1) 排列方式排列方式螺栓排列可采用并列或错列排列，如图螺栓排列可采用并列或错列排列，如图.1所示。并列排列简单、整齐、所示。并列排列简单、整齐、紧凑，所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大；采用

29、错列排列时，排列不紧凑，所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大；采用错列排列时，排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小。紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小。27任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计(2) (2) 排列要求排列要求在受力方面，具体要求如下：在受力方面，具体要求如下：垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小；载力，螺栓的边距和端距不能太小；顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；对于受

30、压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。在构造上要求螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵在构造上要求螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。入腐蚀钢材。施工上，为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于施工上，为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3d03d0。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距，规定如表根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距，规定如表.1所示。所示。28任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计29任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计(3) (3) 构造要求构造

31、要求为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓，但组合构件的缀条除外。永久螺栓，但组合构件的缀条除外。直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他措施，以防螺帽松直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他措施，以防螺帽松动。动。C C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。临时固定构件的安装

32、连接。30任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计3.3.受力性能与计算受力性能与计算根据作用不同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及剪拉共同作用，根据作用不同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及剪拉共同作用，如图如图.2所示。所示。31任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计(1) (1) 单个受剪螺栓承载力计算单个受剪螺栓承载力计算螺栓抗剪：螺栓抗剪：Nbv=nvd24f b vNbv=nvd24f b v孔壁承压：孔壁承压：Nbc=dNbc=dtf b ctf b c最大承载力：最大承载力：Nbmin=minNbv,NbcNbmin=minNbv,Nbc式中：式中：nvnv剪

33、切面数目；剪切面数目；dd螺栓杆直径；螺栓杆直径；f bvf bv、f bcf bc螺栓抗剪和承压强度设计值；螺栓抗剪和承压强度设计值；tt连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。32(2) (2) 受剪螺栓群承载力计算受剪螺栓群承载力计算试验证明，螺栓群在轴力作用下，各个螺栓的试验证明，螺栓群在轴力作用下，各个螺栓的内力沿螺栓群长度方向受力分配不均，两端大内力沿螺栓群长度方向受力分配不均，两端大中间小，如图中间小，如图.3所示。所示。任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计当当l115d0l115d0（d0d0为孔径）时，连接进入弹塑性工作状态

34、后，内力重新分为孔径）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，故设计时假定布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N N由各螺栓均担，故连接所需由各螺栓均担，故连接所需螺栓数为：螺栓数为：n=NNbminn=NNbmin当当l115 d0l115 d0（d0d0为孔径）时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重为孔径）时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布新分布, ,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。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。当当15 d0l160 d015 d0l160 d0时，靠塑变可以均布内力，设计计算时仍

35、按均布，时，靠塑变可以均布内力，设计计算时仍按均布，但强度需乘折减系数但强度需乘折减系数：连接所需螺栓数量：连接所需螺栓数量：n nNNbminNNbmin连接板净截面强度：连接板净截面强度：NAnfNAnf受拉螺栓连接：受拉螺栓连接：Nbt=14d2efbtNbt=14d2efbtNt=NnNbtNt=NnNbt33任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计(3) M(3) M、N N共同作用（偏心受拉）螺栓计算共同作用（偏心受拉）螺栓计算当螺栓群上作用有弯矩和轴力时，螺栓存在两种受力状态，即小偏心受拉当螺栓群上作用有弯矩和轴力时，螺栓存在两种受力状态，即小偏心受拉状态和大偏心受力状态。以牛腿

36、位置处螺栓受力为例，承受弯矩和轴力共状态和大偏心受力状态。以牛腿位置处螺栓受力为例，承受弯矩和轴力共同作用的螺栓受力特点如图同作用的螺栓受力特点如图.4所示。所示。34小偏心螺栓受力：小偏心螺栓受力：Nlmax=Nn+My1Nlmax=Nn+My1m my2iNbty2iNbtNlmin=Nn-My1mNlmin=Nn-My1my2i0y2i0大偏心螺栓受力：大偏心螺栓受力：Nlmax=Fy1mNlmax=Fy1my2iNbty2iNbt螺栓群受弯作用：螺栓群受弯作用：Nlmax=My1mNlmax=My1my2iNbty2iNbt任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计二、高

37、强度螺栓连接设计基本知识二、高强度螺栓连接设计基本知识1.1.受力性能与构造要求受力性能与构造要求按受力特性可将高强度螺栓分为摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓。按受力特性可将高强度螺栓分为摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓。摩擦型高强度螺栓连接单纯依靠被连接件间的摩阻力传递剪力，以摩阻力摩擦型高强度螺栓连接单纯依靠被连接件间的摩阻力传递剪力，以摩阻力刚刚被克服，连接钢板间即将产生相对滑移为承载能力的极限状态，如图刚刚被克服，连接钢板间即将产生相对滑移为承载能力的极限状态，如图.5所示。承压型高强度螺栓连接的传力特征是剪力超过摩擦力时，被所示。承压型高强度螺栓连接的传力特征是剪

38、力超过摩擦力时，被连接件间发生相互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，螺杆受剪，孔壁承压，以连接件间发生相互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，螺杆受剪，孔壁承压，以螺栓受剪或钢板承压破坏为承载能力极限状态，其破坏形式同普通螺栓连螺栓受剪或钢板承压破坏为承载能力极限状态，其破坏形式同普通螺栓连接。接。35任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计2.2.高强度螺栓的预拉力高强度螺栓的预拉力无论摩擦型高强度螺栓还是承压型高强度螺栓，都需要有预先施加的应力来无论摩擦型高强度螺栓还是承压型高强度螺栓，都需要有预先施加的应力来实现其抗拉承载力，这种预先施加的力被称为预拉力。高强度螺栓的预拉力实现其抗拉承载力，这种预先施加的

39、力被称为预拉力。高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺帽实现的，一般采用扭矩法、转角法和扭断螺栓尾部法来控制是通过拧紧螺帽实现的，一般采用扭矩法、转角法和扭断螺栓尾部法来控制预拉力。预拉力。高强度螺栓的预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修高强度螺栓的预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数：正系数：(1) (1) 考虑材料的不均匀性的折减系数考虑材料的不均匀性的折减系数0.90.9。(2) (2) 为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.90.9。(3) (3) 考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数

40、考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.21.2。(4) (4) 附加安全系数附加安全系数0.90.9。36任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计因此，预拉力因此，预拉力P P计算公式为：计算公式为：P=0.9P=0.9/1.2Ae fu0.9/1.2Ae fu式中：式中：AeAe螺纹处有效截面积；螺纹处有效截面积；fufu螺栓热处理后的最抵抗拉强度。螺栓热处理后的最抵抗拉强度。8.88.8级，取级，取fu =830N/mm2fu =830N/mm2，10.910.9级，取级，取fu =1040N/mm2fu =1040N/mm2。摩擦型高强度螺栓是通

41、过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（决于板件间的挤压力（P P）和板件间的抗滑移系数）和板件间的抗滑移系数。板件间的抗滑移系。板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小，规范规定的摩擦面抗滑移系数小而减小，规范规定的摩擦面抗滑移系数值如附表值如附表5 5所示。所示。37任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计3.3.摩擦型高强度螺栓连接计算摩擦型高强度螺栓连接计算(1) (1) 受剪连接计算受剪连接计算

42、一个螺栓抗剪承载力：一个螺栓抗剪承载力：Nbv=0.9nfPNbv=0.9nfP式中：式中：nfnf一个螺栓的传力摩擦面数目；一个螺栓的传力摩擦面数目；摩擦面的抗滑移系数；摩擦面的抗滑移系数；PP高强度螺栓预拉力。高强度螺栓预拉力。高强螺栓连接一侧所需螺栓数：高强螺栓连接一侧所需螺栓数：nNNbvnNNbv式中：式中：nn连接一侧所需螺栓数；连接一侧所需螺栓数；NN连接所受轴心拉力设计值。连接所受轴心拉力设计值。净截面强度（考虑净截面强度（考虑5050孔前传力）：孔前传力）：=NAn=1-0.5n1nNAnf=NAn=1-0.5n1nNAnf式中：式中：n1n1计算截面上的螺栓数；计算截面上的

43、螺栓数；AnAn计算净截面面积。计算净截面面积。38任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计(2) (2) 同时受拉连接高强度螺栓计算同时受拉连接高强度螺栓计算由于高强度螺栓的基本承载力为摩擦力，而摩擦力与正压力有关，为保证由于高强度螺栓的基本承载力为摩擦力，而摩擦力与正压力有关，为保证板件间保留一定的压紧力，板件间保留一定的压紧力，钢结构设计规范钢结构设计规范规定：规定：一个抗拉高强度螺栓承载力设计值：一个抗拉高强度螺栓承载力设计值：Nbt=0.8PNbt=0.8P；高强度螺栓连接一侧所需螺栓数：高强度螺栓连接一侧所需螺栓数：n=NNbtn=NNbt；摩擦型高强度螺栓群受小偏心拉力：摩擦型高

44、强度螺栓群受小偏心拉力：Nlmax=Nn+My1y2iNbtNlmax=Nn+My1y2iNbt；单个螺栓所受剪力：单个螺栓所受剪力：Nv=VnNv=Vn；单个螺栓所受剪力：单个螺栓所受剪力：Nt=NnNt=Nn；拉、剪共同作用连接应满足：拉、剪共同作用连接应满足：NtNbt+NvNbv1NtNbt+NvNbv139任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计4.4.承压型高强度螺栓连接计算承压型高强度螺栓连接计算承压型高强度螺栓受力性能类同普通螺栓，拉剪作用时以栓杆抗剪及孔承压型高强度螺栓受力性能类同普通螺栓，拉剪作用时以栓杆抗剪及孔壁承压承载力，受拉同摩擦型高强度螺栓。壁承压承载力，受拉同摩擦

45、型高强度螺栓。抗剪承载力：抗剪承载力：Nbv=nvd2e4 f bvNbv=nvd2e4 f bv；承压承载力：承压承载力：Nbc=dNbc=dtf bctf bc；单个螺栓抗剪承载力：单个螺栓抗剪承载力：Nbmin=minNbv,NbcNbmin=minNbv,Nbc；轴力作用下所需螺栓个数：轴力作用下所需螺栓个数：nNNbminnNNbmin；螺栓群在拉力和剪力共同作用下应满足：螺栓群在拉力和剪力共同作用下应满足：NvNbv2+NtNbt21NvNbv2+NtNbt21，且，且NvNbcNvNbc1.21.2；dede螺栓有效面积，见附表螺栓有效面积，见附表4 4。40任务任务2 2 螺栓

46、连接设计螺栓连接设计41三、例题示例三、例题示例1.1.普通螺栓连接设计普通螺栓连接设计现有框架结构主、次钢梁，如图现有框架结构主、次钢梁，如图.6所示，钢材等级为所示，钢材等级为Q235Q235，承受的剪，承受的剪力设计值为力设计值为V=120kNV=120kN，工地现有螺栓为普通螺栓，工地现有螺栓为普通螺栓C C级，次梁腹板和肋板厚度级，次梁腹板和肋板厚度均为均为10mm10mm（梁腹板高度为（梁腹板高度为400mm400mm，连接板伸入长度为，连接板伸入长度为110mm110mm）。试进行主、）。试进行主、次梁的螺栓连接设计。次梁的螺栓连接设计。任务任务2 2 螺栓连接设

47、计螺栓连接设计解：（解：（1 1）选用螺栓）选用螺栓根据被连接板尺寸和剪力的大小确定螺栓直径，选用根据被连接板尺寸和剪力的大小确定螺栓直径，选用M20M20的螺栓。的螺栓。(2) (2) 单个螺栓承载力计算单个螺栓承载力计算查附表查附表3 3，可得：，可得：fbv=140N/mm2fbv=140N/mm2，fbc=305N/mm2fbc=305N/mm2代入公式：代入公式：Nbv=nvNbv=nvd24fbv=1d24fbv=120242024140=43960140=43960N NNbc=dNbc=dtfbc=20tfbc=201010305=61000N305=61000NNbmin=4

48、3960N44.0kNNbmin=43960N44.0kN(3) (3) 确定螺栓数目确定螺栓数目nNNbmin=120/44.0=2.73nNNbmin=120/44.0=2.73个个考虑到实际的连接可能承受一定的弯矩，故将计算所得螺栓数目乘以考虑到实际的连接可能承受一定的弯矩，故将计算所得螺栓数目乘以1.3倍后取倍后取n=4n=4个。个。(4) (4) 布置螺栓布置螺栓根据螺栓的构造要求，螺栓布置如图根据螺栓的构造要求，螺栓布置如图.7所示。所示。42任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计2.2.高强度螺栓连接设计高强度螺栓连接设计如图如图3.2.83.

49、2.8所示牛腿与柱的连接，承受竖向集中荷载设计值所示牛腿与柱的连接，承受竖向集中荷载设计值V=235kNV=235kN，钢材，钢材为为Q345Q345钢，采用钢，采用8.88.8级的级的M22M22高强度螺栓，接触面经喷砂处理，试分别采用高强度螺栓，接触面经喷砂处理，试分别采用高强度螺栓摩擦型和承压型设计此连接。高强度螺栓摩擦型和承压型设计此连接。解：（解：（1 1）设计为摩擦型高强度螺栓）设计为摩擦型高强度螺栓应力分析与计算应力分析与计算螺栓群承受剪力值为：螺栓群承受剪力值为：V=235kNV=235kN；弯矩值：弯矩值：M=VM=V；查附表查附表5 5，得，得=0.5=0.5；查附表；查附

50、表6 6，得，得P=150kNP=150kN；一个螺栓的承载力设计值：一个螺栓的承载力设计值：Nbt=0.8P=0.8Nbt=0.8P=0.8150=120kN150=120kN；Nbv=0.9nfP=0.9Nbv=0.9nfP=0.91 10.50.5150=67.5kN150=67.5kN。43任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计螺栓选用与验算螺栓选用与验算试选用试选用1010个螺栓，布置如图个螺栓，布置如图.9所示。在弯矩作用下，受拉力最大螺栓所示。在弯矩作用下，受拉力最大螺栓所承担的拉力为：所承担的拉力为：Nt=My1mNt=My1my2i=47y2i=471031

51、03160216022 21602+802=58.75 kN1602+802=58.75 kN剪力由螺栓平均分担，每个螺栓承受的剪力为：剪力由螺栓平均分担，每个螺栓承受的剪力为：Nv=23510=23.5 kN Nv=23510=23.5 kN 受力最大螺栓应满足：受力最大螺栓应满足：NvNbv+NtNbt=23.5/67.5+58.75/120=0.8381NvNbv+NtNbt=23.5/67.5+58.75/120=0.8381因此采用因此采用1010个螺栓合适。个螺栓合适。44任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计(2) (2) 设计为承压型高强度螺栓设计为承压型高强度螺栓根据被连接

52、板材尺寸与经验选用根据被连接板材尺寸与经验选用8 8个螺栓，布置如图个螺栓，布置如图.10所示。所示。45任务任务2 2 螺栓连接设计螺栓连接设计(3) (3) 螺栓承载力计算螺栓承载力计算查附表查附表3 3，得，得fbv=250N/mm2fbv=250N/mm2；查附表查附表4 4，得，得de=19.65mmde=19.65mm；一个螺栓的承载力设计值：一个螺栓的承载力设计值：Nbv=nvNbv=nvd24fbv=1d24fbv=12224222425025010-3=10-3=9595. .0303kNkNNbc=dNbc=dtf b c=22tf b c=2220205

53、9059010-3=259.6kN10-3=259.6kNNbt=Nbt=d 2 e4fbt=d 2 e4fbt=1919. .5624562440040010-3=12010-3=120. .2 2kNkN在弯矩作用下，受拉螺栓承受的最大拉力为：在弯矩作用下，受拉螺栓承受的最大拉力为：Nt=My1mNt=My1my2i=47y2i=47103103150215022 2(502+1502)=70.5kN(502+1502)=70.5kNNbtNbt剪力由螺栓平均分担，每个螺栓承受的剪力为：剪力由螺栓平均分担，每个螺栓承受的剪力为：Nv=2358=29.38kNNv=2358=29.38kN受

54、力最大螺栓应满足：受力最大螺栓应满足：NvNbv2+NtNbt2=29.3895.032+70.5120.22=0.6581NvNbv2+NtNbt2=29.3895.032+70.5120.22=0.6580t0）:t200:t300t300时，钢材的强度和时，钢材的强度和E E开始显著下降，而开始显著下降，而 显著增大。当显著增大。当t400t400时，钢材的强度和时，钢材的强度和E E都急剧降低，都急剧降低，t600t600时其承载时其承载能力几乎丧失。能力几乎丧失。负温度范围内负温度范围内 （t0t0）：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，）：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆

55、，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度称为称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度称为脆性转变温度。脆性转变温度。7.7.分为化学成分分析和力学性能试验两部分。力学性能试验包括拉伸试验分为化学成分分析和力学性能试验两部分。力学性能试验包括拉伸试验、冲击韧性试验和弯曲试验三种。、冲击韧性试验和弯曲试验三种。8.8.包括高强度大六角头螺栓连接副、扭剪型高强度螺栓连接副和钢网架螺包括高强度大六角头螺栓连接副、扭剪型高强度螺栓连接副和钢网架螺栓球节点用高强度螺栓三类。栓球节点用高强度螺栓三类。57参考答案参考答案学习任务学习任务3 3简答题简答题1.1.主要

56、包括材料准备、技术准备和机具准备。主要包括材料准备、技术准备和机具准备。2.2.遵循技术先进、经济合理、安全可靠的原则，按照施工图的要求编制出遵循技术先进、经济合理、安全可靠的原则，按照施工图的要求编制出完整的制作工艺规程，其内容包括：完整的制作工艺规程，其内容包括：(1) (1) 成品技术要求；成品技术要求；(2) (2) 关键零件加工方法、精度要求、检查方法和检查工具；关键零件加工方法、精度要求、检查方法和检查工具；(3) (3) 主要构件工艺流程、工序质量标准和工艺措施；主要构件工艺流程、工序质量标准和工艺措施；(4) (4) 采用的加工设备和工艺装备。采用的加工设备和工艺装备。58参考

57、答案参考答案5.为了在材料上画出零件真实轮廓和孔口的真实形状，以及与之连接构为了在材料上画出零件真实轮廓和孔口的真实形状，以及与之连接构件的位置线、加工线等，便于后续工序的操作，如下料、制孔等。号料件的位置线、加工线等，便于后续工序的操作，如下料、制孔等。号料方法有集中号料法、套料法、统计计算法、余料统一号料法等方法。方法有集中号料法、套料法、统计计算法、余料统一号料法等方法。参考答案参考答案5.5.制孔通常有钻孔和冲孔两种方法。钻孔是钢结构制造中普遍采用的方制孔通常有钻孔和冲孔两种方法。钻孔是钢结构制造中普遍采用的方法，靠切削而成，其制孔精度高，对孔壁损伤较小；冲孔是靠冲孔设

58、备法，靠切削而成，其制孔精度高，对孔壁损伤较小；冲孔是靠冲孔设备的冲裁力产生的孔，冲孔生产效率高，但孔壁质量较差，因此钢结构制的冲裁力产生的孔，冲孔生产效率高，但孔壁质量较差，因此钢结构制造中已较少采用。造中已较少采用。.主要有喷砂或抛丸处理、喷砂后生赤锈处理、抛丸后摩擦面涂装处理主要有喷砂或抛丸处理、喷砂后生赤锈处理、抛丸后摩擦面涂装处理、砂轮打磨处理、钢丝刷处理和酸洗处理六种方法。其中喷砂后生赤锈、砂轮打磨处理、钢丝刷处理和酸洗处理六种方法。其中喷砂后生赤锈处理由于其设备简单、操作方便，摩擦面处理效果较好而应用普遍。处理由于其设备简单、操作方便，摩擦面处理效果较好而应用普遍。

59、60参考答案参考答案学习任务学习任务4 4简答题简答题1.1.常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧自动焊、常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2CO2气体保护焊等。气体保护焊等。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接工作的，可以进行平焊、立焊、横焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接工作的，可以进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多位置焊接。另外由于焊条电弧焊设备轻便、搬运灵活，因此焊和仰焊等多位置焊接。另外由于焊条电弧焊设备轻便、搬运灵活，因此焊条电弧焊可以在任何有电源的地方进行焊接作业。适用于各种金属材料焊条电弧焊可以在任何有电源的地方进行焊接作业。适用于各种金属材料、各种厚度、各种结构形状的焊接。、

60、各种厚度、各种结构形状的焊接。由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械操作的程度高，因而适于焊接中厚板由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械操作的程度高，因而适于焊接中厚板结构的平焊的长直焊缝。结构的平焊的长直焊缝。CO2CO2气体保护焊操作简单，适合自动焊和全方位焊接。在焊接时不能有风气体保护焊操作简单，适合自动焊和全方位焊接。在焊接时不能有风，适合室内作业。，适合室内作业。2.2.按被连接的构件间的相对位置，可以将接头分为对接接头、搭接接头、按被连接的构件间的相对位置，可以将接头分为对接接头、搭接接头、T T型接头、角型接头四种。型接头、角型接头四种。61参考答案参考答案3.3.焊件接缝所处的空间位置有