钢结构设计原理钢结构连接学习教案

1、钢结构设计(shj)原理钢结构连接第一页，共173页。教学(jio xu)参考书及规范:1.钢结构（第三版）戴国欣 主编 武汉工业(gngy)大学出版社2.钢结构设计规范 （GB50017-2003)3.钢结构工程施工质量验收(ynshu)规范 （GB50205-2001)第1页/共172页第二页，共173页。 钢结构的连接(linji)重点(zhngdin)：1. 掌握(zhngw)钢结构的特点。2了解钢结构的应用范围。3了解钢结构在我国的发展趋势。第2页/共172页第三页，共173页。3.1 钢结构的连接(linji)简介一、焊缝(hn fn)连接 优点：不削弱截面(jimin)，方便施工

2、，连接刚度大；缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。 对接焊缝连接角焊缝连接第3页/共172页第四页，共173页。二、铆钉(modng)连接 优点：连接刚度(n d)大，传力可靠； 缺点：对施工技术(jsh)要求很高，劳动强度大，施工条件差， 施工速度慢。N 分为： 普通螺栓连接 高强度螺栓连接三、螺栓连接第4页/共172页第五页，共173页。3.2 焊接方法和焊接连接(linji)形式3.2.1 钢结构常用焊接(hnji)方法1.手工(shugng)电弧焊原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形 成焊缝。 A、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材相适应。 焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧第

3、5页/共172页第六页，共173页。第6页/共172页第七页，共173页。Q235钢选择(xunz)E43型焊条（E4300-E4328)Q345钢选择(xunz)E50型焊条(E5000-5048)Q390、Q420钢选择(xunz)E55型焊条(E5500-5518)B、焊条的表示方法：E焊条(Electrode)第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 第7页/共172页第八页，共17

4、3页。2.埋弧焊（自动(zdng)或半自动(zdng)）、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件埋弧自动焊第8页/共172页第九页，共173页。A、焊丝的选择应与焊件等强度。 B、优、缺点： 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。 缺点：设备投资大，施工(sh gng)位置受限等。 第9页/共172页第十页，共173页。3.气体(qt)保护焊优、缺点： 优点：焊接速度(sd)快，焊接质量好。 缺点：施工条件受限制等。第10页/共172页第十一页，共173页。3.2.2 焊接连接形式(xngsh)和焊缝形式(xngsh)1.焊接连接(linji)形式角部连接第11页/共172页第十

5、二页，共173页。焊接连接形式(xngsh)（按被连接构件的相对位置）对接(du ji)链接采用(ciyng)拼接盖板的对接链接搭接连接T形链接角部连接第12页/共172页第十三页，共173页。2.焊缝(hn fn)形式（1）对接(du ji)焊缝正对接焊缝斜对接焊缝T型对接焊缝（2）角焊缝(hn fn)第13页/共172页第十四页，共173页。2.焊缝(hn fn)质量检查外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部(nib)无损检验：检验内部(nib)缺陷。 内部检验(jinyn)主要采用超声 波，有时还用磁粉检验(jinyn) 荧光检验(jinyn)等辅助检验(jinyn)方法。还可以采用X射

6、线或射线透照或拍片。第14页/共172页第十五页，共173页。钢结构工程施工及验收(ynshu)规范规定： 焊缝按其检验方法和质量(zhling)要求分为一级、二级和三级。 一、二级焊缝除外观检查(jinch)外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；第15页/共172页第十六页，共173页。3.2.3 焊缝(hn fn)连接的优缺点 优点：（1）不需要在钢材上打孔钻眼，既省工省时，又不使材料的截面积受到减弱（2）任何形状的构件都可直接连接，一般不需要辅助零件(ln jin)，使连接构造简单，传力路线短，适应面广；（3）焊接

7、连接的气密性和水密性都较好，结构刚性也较大，结构的整体性较好。缺点： （1）由于高温作用在焊缝附近形成热影响区，钢材的金相组织和机械性能发生变化，材质变脆；（2）焊接的残余应力会使结构发生脆性破坏和降低压杆稳定的临界荷载，同时残余变形还会使构件(gujin)尺寸和形状发生变化；（3）焊接结构具有连续性，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。第16页/共172页第十七页，共173页。3.2.4 焊缝(hn fn)缺陷及焊缝(hn fn)质量检查1.焊缝(hn fn)缺陷第17页/共172页第十八页，共173页。3.2.5 焊缝(hn fn)代号第18页/共172页第十九页，共173页。3.3 角焊缝

8、的构造(guzo)与计算3.3.1 角焊缝的形式(xngsh)和构造1.角焊缝(hn fn)的形式:直角角焊缝、斜角角焊缝（1）直角角焊缝hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式hehfhf凹面式第19页/共172页第二十页，共173页。（2）斜角(xi jio)角焊缝对于135o或6mm时，hf,maxt-(12)mm；hft1ttt1hf第21页/共172页第二十二页，共173页。2）最小焊脚尺寸(ch cun)hf,min 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下(yxi)要求: 式中: t2-较厚焊件厚度 另:对于(duy)埋弧自动焊hf

9、,min可减去1mm; 对于(duy)T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 当t24mm时, hf,min=t2第22页/共172页第二十三页，共173页。3）侧面(cmin)角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到(d do)屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到(d do)一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：注： 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑(kol)； 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。第23页/共172页第二十四页，共173

10、页。4）侧面(cmin)角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸(ch cun)大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：第24页/共172页第二十五页，共173页。5）搭接连接的构造(guzo)要求 当板件端部仅采用(ciyng)两条侧面角焊缝连接时： A.为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均，规范规定：B.为了避免焊缝横向收 缩时引起(ynq)板件的拱曲 太大，规范规定：bt1t2第25页/共172页第二十六页，共173页。C. 当角焊缝(hn fn)的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕 角焊，且转角

11、处必须连续施焊。b2hfD. 在搭接连接中，搭接长度不得(bu de)小于焊件较小厚度 的5倍，且不得(bu de)小于25mm。t1t2第26页/共172页第二十七页，共173页。3.3.2 角焊缝的工作(gngzu)性能及强度1.角焊缝(hn fn)的强度第27页/共172页第二十八页，共173页。A. 应力(yngl)分析NlwN剪应力f 试验表明侧面角焊缝(hn fn)主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝(hn fn)时发生弯折，故剪应力沿焊缝(hn fn)长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。第28页/共172页第二十九页，共173页。B

12、. 破坏(phui)形式第29页/共172页第三十页，共173页。（2）正面(zhngmin)角焊缝第30页/共172页第三十一页，共173页。A. 应力(yngl)分析 正面角焊缝受力复杂，应力(yngl)集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上。第31页/共172页第三十二页，共173页。B. 正面(zhngmin)角焊缝的破坏形式第32页/共172页第三十三页，共173页。（3）斜角(xi jio)焊缝 斜焊缝的受力性能(xngnng)介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。第33页/共172页第三十四页，共173页。2. 角焊缝(hn fn)有效截面上的应力

13、1）试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为计算截面，作用在该截面上的应力(yngl)如下图所示：hfhehh1h2dehelwh-焊缝(hn fn)厚度、h1熔深h2凸度、d焊趾、e焊根第34页/共172页第三十五页，共173页。2）实际上计算截面(jimin)的各应力分量的计算比较繁难， 为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截面(jimin)处破坏，且各应力分量满足以下折算应力公式:3）由于我国规范给定(i dn)的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的故上式又可表达为：-焊缝(hn fn)金属的抗拉强度helw第35页/共172页第三十六页，共173页。3.基本(jb

14、n)计算公式NNyNxf= fhelw45O45Ohf第36页/共172页第三十七页，共173页。将33、34式，代入32式得：式35即为，规范给定的角焊缝强度(qingd)计算通用公式f正面角焊缝强度(qingd)增大系数； 静载时取1.22，动载时取1.0。第37页/共172页第三十八页，共173页。对于正面(zhngmin)角焊缝，f=0，由35式得：对于侧面(cmin)角焊缝，f=0，由35式得： 以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其 实际(shj)长度减去2hf。第38页/共172页第三十九页，共173页。3.3.3 角焊缝(hn fn

15、)的计算1.轴心(zhu xn)力作用下轴心力作用下的盖板(i bn)对接连接:A、仅采用侧面角焊缝连接：B、采用三面围焊连接：NNlwlw第39页/共172页第四十页，共173页。算例1 如图所示两块板厚t14mm的板采用上下两块盖板（板厚t8mm）连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N500KN，已知端缝长度为Lw1400mm，侧缝长度为Lw2300mm，根据(gnj)下列情况设计焊缝：（1）仅有侧面角焊缝；（2）仅有正面角焊缝；解：根据(gnj)构造要求焊角尺寸 hf 1.2x8 t-(12)所以取hf=6mm第40页/共172页第四十一页，共173页。（2）仅有正

16、面(zhngmin)角焊缝；（1）仅有侧面(cmin)角焊缝；第41页/共172页第四十二页，共173页。可得角焊缝计算的基本(jbn)公式为仅有平行于焊缝长度(chngd)方向的轴心力时仅有一垂直于焊缝(hn fn)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第42页/共172页第四十三页，共173页。2. 轴心力作用下，角钢与节点板连接(linji)的角焊缝计算第43页/共172页第四十四页，共173页。2.角钢角焊缝(hn fn)连接A、仅采用(ciyng)侧面角焊缝连接由力及力矩(l j)平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2第44页/共172页第四十五页，共1

17、73页。对于校核(xio h)问题:对于(duy)设计问题:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2第45页/共172页第四十六页，共173页。B、采用(ciyng)三面围焊由力及力矩(l j)平衡得:余下(yxi)的问题同情况A，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第46页/共172页第四十七页，共173页。对于校核(xio h)问题:对于设计(shj)问题:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第47页/共172页第四十八页，共173页。2. 轴心(zhu xn)力作用下，角钢与节点板连接的角焊缝计算第48页/共172页第四十九页，共173页。算例2 如图所示某桁架腹杆采用角钢2L1

18、40X10，用角焊缝三面围焊与节点板连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N1170KN，已知焊角尺寸hf8mm，肢背焊缝长度Lw1400mm，肢尖焊缝长度Lw2250mm，验算焊缝连接是否(sh fu)安全：1）正面角焊缝承担的力 N3 = 0.7hflw3f ffw 0.7x8x140 x2x1.22x160306kN2）肢背受力：3) 肢尖受力：N1 =K1 NN3 /2 0.7x1170-306/2=666kN0.7x8x2x(400-8)x160=702kNN2 =K2NN3 /20.3x1170-306/2=198kN0.7x8x2x(250-8)x160=43

19、4kN第49页/共172页第五十页，共173页。3. N、M、V共同(gngtng)作用下NeNxNyMANxMNyhehet(1)偏心轴力作用下角焊缝(hn fn)强度计算第50页/共172页第五十一页，共173页。算例3验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝强度。钢材(gngci)采用Q235，手工焊，焊条E43，N300KN，V200KN，e100mm，已知焊角尺寸hf8mm，焊缝长度Lw400mm。第51页/共172页第五十二页，共173页。剪力V产生(chnshng)弯矩MVe产生(chnshng)轴力N产生(chnshng)焊缝强度验算：第52页/共172页第五十三页，共173页。4.

20、T、V共同(gngtng)作用下Fe1e2x0l1l2xxyyAA0TVr假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性(tnxng)，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。将F向焊缝(hn fn)群形心简化得: V=F T=F(e1+e2)故：该连接的设计控制点 为A点和A点第53页/共172页第五十四页，共173页。xxyyrrxryATAxTAyTA0Vyhee2x0l1l2xxyyAA0TVrT作用(zuyng)下A点应力:将其沿x轴和y轴分解(fnji):第54页/

21、共172页第五十五页，共173页。剪力V作用(zuyng)下,A点应力:A点垂直于焊缝(hn fn)长度方向的应力为:A点平行于焊缝(hn fn)长度方向的应力为:强度验算公式：思考:以上计算方法为近似计算，为什么?VxxyyrrxryATAxTAyTA0Vyhe第55页/共172页第五十六页，共173页。3.4 对接焊缝(hn fn)的构造与计算3.4.1 对接(du ji)焊缝的构造1、对接(du ji)焊缝的坡口形式:t-焊件厚度(1)当:t6mm(手工焊),t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。 对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。 第56页/共172页第五十七页

22、，共173页。C=0.52mm（a）C=23mm（b）C=23mm（C）p（d）C=34mmpC=34mmp（e）C=34mmp（f）第57页/共172页第五十八页，共173页。第58页/共172页第五十九页，共173页。2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；3、对接(du ji)焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1t1较薄焊件厚度；4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。1:2.51:2.5第59页/共172页第

23、六十页，共173页。3.4.2 对接(du ji)焊缝的计算对接焊缝(hn fn)分为：焊透和部分焊透（自学）两种；动荷载作用下部分焊透的对接焊缝(hn fn)不宜用做垂直受力方向的连接焊缝(hn fn)；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝(hn fn)其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝(hn fn)需进行计算；对接焊缝(hn fn)可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。NNt第60页/共172页第六十一页，共173页。1. 轴心(zhu xn)力作用下的对接焊缝计算式中： N轴心拉力(ll)或压力； t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度； ftw、fcw 对接焊缝的抗拉

24、和抗压强度设计值。NNlwtA 当不满足上式时，可采用斜对接焊缝(hn fn)连接如图B。另:当tan1.5时,不用验算!NNtBNsinNcoslw第61页/共172页第六十二页，共173页。2. M、V共同(gngtng)作用下的对接焊缝计算（1）板件间对接(du ji)连接因焊缝截面为矩形，M、V共同作用(zuyng)下应力图为：故其强度计算公式为：lwtAMV式中：Ww焊缝截面模量； Sw-焊缝截面面积矩； Iw-焊缝截面惯性矩。第62页/共172页第六十三页，共173页。（2）工字形截面梁对接连接(linji)计算MV1焊缝截面A、对于(duy)焊缝的max和max应满足式3-29和

25、3-30要求；max11maxB、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算(sh sun)应 力尚应满足下式要求：1.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。第63页/共172页第六十四页，共173页。-320 x20-320 x20-1160 x10算例5如图所示焊接工字形梁仅在腹板上设一道对接拼接焊缝，钢材采用Q345，手工焊，焊条E50，拼接处弯矩M2600kNm，剪力V244kN，设置引弧板，质量等级(dngj)三级，试验算强度。验算内容：（1）最大应力(yngl)验算（2）折算应力(yngl)验算第64页/共172页第六十五页，共173页。（1）焊缝(hn fn)所处截面的惯性

26、矩：上翼缘对x轴的面积矩：上半截面对x轴的面积矩：（2）焊缝(hn fn)最大应力验算：第65页/共172页第六十六页，共173页。（2）折算应力(yngl)验算：腹板与上翼缘交界点折算应力(yngl)：第66页/共172页第六十七页，共173页。3.5 焊接应力(yngl)和焊接变形一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1、焊接残余应力的分类 A、纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向; B、横向(hn xin)焊接残余应力垂直于焊缝长度方向; C、沿厚度方向的焊接残余应力。 2、焊接残余应力产生的原因 （1）纵向焊接残余应力第67页/共172页第六十八页，共173页。 焊接过程是一个不均匀的加热和

27、冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩(y su)，焊缝冷却时被塑性压缩(y su)的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+-500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-+第68页/共172页第六十九页，共173页。产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲(wnq)变形的趋势，导致

28、两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。 以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。 （2）横向焊接(hnji)残余应力第69页/共172页第七十页，共173页。(a)焊缝纵向收缩 时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩 时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩 时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-+施焊方向(e)-

29、+-施焊方向( f )xyyx第70页/共172页第七十一页，共173页。（3）沿厚度(hud)方向的焊接残余应力-+-321xyz 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生(chnshng)塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生(chnshng)拉应力，而先焊焊缝产生(chnshng)压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生(chnshng)拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力x,y 外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力z，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。第71页/共172页第七十二页

30、，共173页。二、焊接残余应力对结构性能(xngnng)的影响1、对结构静力强度(qingd)的影响f+-bfy+-bfyNyNy因焊接残余(cny)应力自相平衡，故：当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+-fyfbBt第72页/共172页第七十三页，共173页。2、对结构(jigu)刚度的影响A、当焊接残余应力(yngl)存在时，因截面的bt部分拉应力(yngl)已经达到fy ，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：f+-bfyNN+-fyfNNbBt第73页/共172页第七十四页，共173页。因为(yn wi)B-b 2。结论： 焊

31、接残余应力的存在增大(zn d)了结构的变形，即降低了结构的刚度。 另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低(jingd)压杆的稳定承载力（详见第五章）。B、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：第74页/共172页第七十五页，共173页。3、对低温(dwn)冷脆的影响4、对疲劳强度的影响(yngxing) 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。 所以，降低(jingd)或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏

32、感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。第75页/共172页第七十六页，共173页。三、焊接(hnji)变形 焊接(hnji)变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。 第76页/共172页第七十七页，共173页。第77页/共172页第七十八页，共173页。第78页/共172页第七十九页，共173页。第79页/共172页第八十页，共173页。第80页/共172页第八十一页，共173页。第81页/共172页第八十二页，共173页。第82页/共172页第八十三页，共173页。第83页/共172页第八十四页，共173页。四、减小焊接残余应力和

33、焊接变形(bin xng)的措施1、设计上的措施；（1）焊接位置的合理安排（2）焊缝尺寸要适当（3）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4）应尽量避免两条以上(yshng)的焊缝垂直交叉（5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2、加工工艺上的措施（1）采用合理的施焊顺序（2）采用反变形处理（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理第84页/共172页第八十五页，共173页。第85页/共172页第八十六页，共173页。第86页/共172页第八十七页，共173页。3.6 螺栓连接(linji)的构造螺栓(lushun)的种类1.普通(ptng)螺栓C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级；4表示fu4

34、00N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) 13mm。A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。第87页/共172页第八十八页，共173页。2.高强度螺栓(lushun)由45号、40B和20MnTiB钢加工(ji gng)而成，并经过热处理45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级大六角(li jio)高强螺栓扭剪型高强螺栓第88页/共

35、172页第八十九页，共173页。3.6.1 螺栓(lushun)的排列1.并列简单(jindn)、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大；B 错列A 并列中距中距边距边距端距2.错列排列不紧凑(jncu)，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小； 第89页/共172页第九十页，共173页。第90页/共172页第九十一页，共173页。第91页/共172页第九十二页，共173页。第92页/共172页第九十三页，共173页。第93页/共172页第九十四页，共173页。3.螺栓排列(pili)的要求（1）受力要求: 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

36、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； 对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。（2）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜(by)太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。第94页/共172页第九十五页，共173页。（3）施工(sh gng)要求 为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。 根据以上要求(yoqi)，规范给定了螺栓的容许间距。第95页/共172页第九十六页，共173页。（3）施工(sh gng)要求 为了便于扳手拧紧螺母，螺栓(lushun)中距应不小于3do。 根据以上要求，规范给定了螺栓(lushun)的容许间距。第96页/共

37、172页第九十七页，共173页。3.6.2 螺栓(lushun)连接的构造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动；C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况(qngkung)可用于抗剪连接： 1、承受静载或间接动载的次要连接； 2、承受静载的可拆卸结构连接； 3、临时固定构件的安装连接。型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；第97页/共172页第九十八页，共173页。3.7 普通螺栓(lushun)连接计算 3.7.1 螺

38、栓连接(linji)的受力形式FNFA 只受剪力B 只受拉力(ll)C 剪力和拉力共同作用第98页/共172页第九十九页，共173页。 1. 普通(ptng)螺栓抗剪连接（一）工作性能(xngnng)和破坏形式 1.工作性能(xngnng) 对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,即： (1)摩擦传力的弹性阶段(01段) 直线段连接处于弹性状态； 该阶段较短摩擦力较小。NO1234NNabNN/2N/2第99页/共172页第一百页，共173页。 (2)滑移阶段(12段) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平(shup

39、ng)滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平(shupng)段。NO1234abNN/2N/2 (3)栓杆传力的弹性阶段(23段) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大(zn d)所导致的板件间摩擦力的增大(zn d)，N-关系以曲线状态上升。 第100页/共172页第一百零一页，共173页。 (4)弹塑性阶段(34段) 达到3后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏(phui)。 4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。NO1234abNN/2N/2Nu第101页/

40、共172页第一百零二页，共173页。2.破坏(phui)形式（1）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏(phui) 栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断 截面削弱过多时 以上破坏(phui)形式予以计算解决。N/2NN/2NNNN第102页/共172页第一百零三页，共173页。（4）板件端部被剪坏(拉豁) 端矩过小时(xiosh)；端矩不应小于2dONN（5）栓杆弯曲(wnq)破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d这两种破坏构造解决N/2NN/2第103页/共172页第一百零四页，共173页。（二）抗剪螺栓(lushun)的单栓承载力设计值 由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于

41、螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况(qngkung)，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:nv剪切面数目； d螺栓杆直径(zhjng)；fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值；t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。单栓抗剪承载力：抗剪承载力：承压承载力：d第104页/共172页第一百零五页，共173页。剪切面数目(shm)nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2第105页/共172页第一百零六页，共173页。3.7.2 普通螺栓(lushun)群连接计算1、普通(ptng)螺栓群轴心力作用下抗剪计算 N/2Nl1N/2平均值螺栓的内力分布 试验证明,栓群在轴力作用(zuyng)下各个螺栓的内

42、力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。 当l115d0(d0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N有各螺栓均担。所以，连接所需螺栓数为：第106页/共172页第一百零七页，共173页。 当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作(gngzu)状态后，即使内力重新分布,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。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。ECCS试验曲线8.8级 M22我国规范1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80l1/d0平均值长连接螺栓的内力分布故，连接

43、所需栓数：第107页/共172页第一百零八页，共173页。 当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先(shuxin)破坏,然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。ECCS试验曲线8.8级 M22我国规范1.00.750.50.25010 20 30 40 50 60 70 80l1/d0平均值长连接螺栓的内力分布故，连接所需栓数：第108页/共172页第一百零九页，共173页。NNbtt1b1 普通(ptng)螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。拼接(pn ji)板

44、的危险截面为2-2截面:A、螺栓(lushun)采用并列排列时:主板的危险截面为1-1截面:1122第109页/共172页第一百一十页，共173页。NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用(ciyng)错列排列时:主板的危险(wixin)截面为1-1和1-1截面:1111第110页/共172页第一百一十一页，共173页。NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危险(wixin)截面为2-2和2-2截面:2222第111页/共172页第一百一十二页，共173页。算例6如图所示某钢板的搭接连接，板件厚t16mm，宽b240mm，拼接(pn ji)板t17mm，采用C级螺栓M22，孔径d023.5m

45、m，承受轴心力N500kN，钢材采用Q235，试设计该连接。抗剪承载力设计(shj)值：承压承载力设计(shj)值：抗剪螺栓的承载力设计值第112页/共172页第一百一十三页，共173页。板件净截面(jimin)强度: 抗剪螺栓(lushun)数：取螺栓(lushun)数n6第113页/共172页第一百一十四页，共173页。2.螺栓(lushun)群在扭矩作用下的抗剪计算F作用(zuyng)下每个螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2） T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离

46、呈线形关系(gun x)，方向与ri垂直。第114页/共172页第一百一十五页，共173页。TxyN1TN1TxN1Tyr11 显然(xinrn)，T作用下1号螺栓所受剪力最大（r1最大）。由假定(jidng)(2)得由式3-39得:由力的平衡条件得：第115页/共172页第一百一十六页，共173页。TxyN1TN1TxN1Tyr11将上式代入得:将N1T沿坐标轴分解(fnji)得:第116页/共172页第一百一十七页，共173页。由此可得螺栓1的强度验算(yn sun)公式为: 另外,当螺栓布置比较狭长(如y13x1)时,可进行(jnxng)如下简化计算：令:xi=0，则N1Ty=0第117

47、页/共172页第一百一十八页，共173页。（一）普通螺栓(lushun)抗拉连接的工作性能3. 普通(ptng)螺栓的抗拉连接 抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力(ll)作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值式中：Ae-螺栓的有效截面面积； de-螺栓的有效直径； ftb-螺栓的抗拉强度设计值。第118页/共172页第一百一十九页，共173页。dedndmd公式(gngsh)的两点说明：（1）螺栓的有效截面面积 因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以(suy)公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：第119页/共172

48、页第一百二十页，共173页。dedndmd公式(gngsh)的两点说明：（1）螺栓的有效截面面积(min j) 因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：第120页/共172页第一百二十一页，共173页。(2）螺栓垂直连接件的刚度(n d)对螺栓抗拉承载力的影响 A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象(xinxing)。连接件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8

49、f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。第121页/共172页第一百二十二页，共173页。 B、 在构造上可以通过加强(jiqing)连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。第122页/共172页第一百二十三页，共173页。4.普通(ptng)螺栓群的轴拉设计 一般假定每个螺栓(lushun)均匀受力，因此，连接所需的螺栓(lushun)数为：N第123页/共172页第一百二十四页，共173页。第124页/共172页第一百二十五页，共173页。5. 螺栓(lushun)群在弯矩作用下的抗拉计算M刨平顶紧承托(板)M1 2 3 4受压区y1y2

50、y3N1N2N3N4中和轴M作用下螺栓(lushun)连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓(lushun)为弹性； （2）螺栓(lushun)群的中和轴位于最下排螺栓(lushun)的形心处，各 螺栓(lushun)所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。第125页/共172页第一百二十六页，共173页。显然(xinrn)1号螺栓在M作用下所受拉力最大由力学及假定可得：M刨平顶紧承托(板)M1 2 3 4受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴第126页/共172页第一百二十七页，共173页。由式上得:将上式代入得:第127页/共172页第一百二十八页，共173页。6. 普通(p

51、tng)螺栓拉、剪联合作用011VeM=VeV因此(ync)：2、由试验可知，兼受剪力和拉力 的螺杆，其承载力无量纲关系 曲线(qxin)近似为一“四分之一圆”。1、普通螺栓在拉力和剪力的共同 作用下，可能出现两种破坏形 式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔 壁的承压破坏；3、计算时，假定剪力由螺栓群均 匀承担，拉力由受力情况确定。第128页/共172页第一百二十九页，共173页。 规范(gufn)规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：为了防止(fngzh)孔壁的承压破坏，应满足：011ab第129页/共172页第一百三十页，共173页。 另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连

52、接，当有承托承担(chngdn)全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。式中： 考虑剪力对角焊缝偏心(pinxn)影响的增大系数， 一般取=1.251.35； 其余符号同前。M刨平顶紧承托(板)V连接角焊缝 承托与柱翼缘的连接角焊缝(hn fn)按下式计算：第130页/共172页第一百三十一页，共173页。3.8 高强度螺栓(lushun)连接计算3.8.1 高强度螺栓(lushun)的工作性能及单栓承载力 按受力特征的不同高强度螺栓(lushun)分为两类： 摩擦型高强度螺栓(lushun)通过板件间摩擦力传递内力， 破坏准则为克服摩擦力； 承压型高强度螺栓(lushun)受力特征与普通螺栓(lu

53、shun)类似。高强度螺栓(lushun)预拉力的建立方法 通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法： A、转角法 施工方法： 初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密； 第131页/共172页第一百三十二页，共173页。终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的 角度，一般(ybn)为120o180o完成终拧。特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧 和超拧；B、扭矩法 施工方法： 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使 板件贴紧密； 终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。特点：简单、易实施，但得到(d do)的预拉力误差较大。第132页/共172页第一百三十三页，共173页。第

54、133页/共172页第一百三十四页，共173页。C、扭断螺栓(lushun)杆尾部法（扭剪型高强度螺栓(lushun)）第134页/共172页第一百三十五页，共173页。C、扭断螺栓(lushun)杆尾部法（扭剪型高强度螺栓(lushun)）施工方法： 初拧拧至终拧力矩的60%80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等高强度螺栓的施工要求： 由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格：1）终拧力矩偏差不应大于10%；2）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换；3）拧固顺序先主(xin zh)后次，且当天安装，当天终拧完。

55、如工字型梁为：上翼缘下翼缘腹板。第135页/共172页第一百三十六页，共173页。 高强度螺栓预拉力(ll)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：考虑材料的不均匀性的折减系数0.9；为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9；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1.2。附加安全系数0.9。 因此，预拉力(ll)：Ae螺纹处有效(yuxio)截面积；fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2， 10.9级，取fu =1040N/mm21. 高强度螺栓(lushun)预拉力的确定第136页/共172页第一百三十七页，共173页。

56、2. 高强度螺栓摩擦(mc)面抗滑移系数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（P）和板件间的抗滑移系数 ；板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法(fngf)和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小； 规范给出了不同钢材在不同接触面的处理(chl)方法下的抗滑移系数,如下表第137页/共172页第一百三十八页，共173页。第138页/共172页第一百三十九页，共173页。3.8.2 高强度螺栓(lushun)连接的抗剪计算抗剪连接工作性能 受力过程与普通螺栓相似，分为(fn wi)四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑

57、性阶段。 但比较两条N曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段远远大于普通螺栓。高强度螺栓NO12341234普通螺栓abNN/2N/2第139页/共172页第一百四十页，共173页。1.对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此(ync)其极限状态为1点而不是4点，所以1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力：NO12341234高强度螺栓普通螺栓abNN/2N/2式中：0.9抗力分项系数R的倒 数(R=1.111); nf传力摩擦(mc)面数目; -摩擦(mc)面抗滑移系数; P预拉力设计值.1.高强度螺栓(lushun)摩擦型连接的

58、抗剪承载力设计值第140页/共172页第一百四十一页，共173页。2. 对于高强度螺栓承压型抗剪连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态4点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通(ptng)螺栓相同。NO12341234高强度螺栓(lushun)普通(ptng)螺栓单栓抗剪承载力：抗剪承载力：承压承载力：第141页/共172页第一百四十二页，共173页。3.高强度螺栓(lushun)群的抗剪计算1、轴心力作用 假定各螺栓(lushun)受力均匀，故所需螺栓(lushun)数：对于摩擦(mc)型连接：对于承压型连接：NN第142页/共172页第一百四十三页，共

59、173页。第143页/共172页第一百四十四页，共173页。NNbtt1b1 高强度螺栓群轴心(zhu xn)力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算.A、高强度螺栓(lushun)摩擦型连接主板的危险(wixin)截面为1-1截面。11考虑孔前传力50%得： 1-1截面的内力为：第144页/共172页第一百四十五页，共173页。NNbtt1b1拼接板的危险(wixin)截面为2-2截面。22考虑(kol)孔前传力50%得： 2-2截面(jimin)的内力为：B、高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面验算完全相同。第145页/共172页第一百四十六页，共173页。算例1

60、0如图所示某钢板采用(ciyng)高强度螺栓的搭接连接，板件厚t16mm，宽b240mm，拼接板t18mm，孔径d021.5mm，承受轴心力N600kN，钢材采用(ciyng)Q235，8.8级M20螺栓，摩擦面为喷砂后生赤锈，试分别按摩擦型和承压型设计该连接。（1）摩擦(mc)型查表螺栓(lushun)数 取n6净截面强度验算：第146页/共172页第一百四十七页，共173页。（2）承压型螺栓数 因为是搭接(d ji)，所以螺栓数目增加10，n4.4，取n6净截面(jimin)强度验算：算例11 P73 第147页/共172页第一百四十八页，共173页。3.8.3 高强度螺栓(lushun)