钢结构设计课程-第七章

1、第7章 钢结构的连接和节点构造,钢结构对连接的要求及连接方法 对接焊缝的构造和计算 角焊接连接的特性和计算 焊接残余应力和焊接残余变形 普通螺栓连接的构造和计算 高强度螺栓连接的性能和计算 焊接梁翼缘焊缝的计算 构件的拼接 柱脚的设计,主要内容：,第7章 钢结构的连接和节点构造,掌握焊接连接的特性和计算 普通螺栓连接、高强度螺栓连接的性能和计算,重点：,7.1 钢结构对连接的要求和连接方法,连接的要求：足够的强度、刚度和延性 连接方法：焊接、铆接和螺栓连接,钢结构的连接方法,7.2 焊接连接的特性,电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等,7.2.1 常用焊接方法,手工电弧焊,自动埋弧焊,7.2

2、焊接连接的特性,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 焊缝连接的优缺点,7.2 焊接连接的特性,焊缝缺陷：裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等,7.2.3 焊缝缺陷,7.2 焊接连接的特性,7.2.3 焊缝缺陷,焊缝缺陷,7.2 焊接连接的特性,焊缝等级：钢结构工程施工质量验收规范分三级 三级焊缝：外观检查； 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缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷。 强度折减：

3、高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9 。,7.2.3 焊缝缺陷,7.2 焊接连接的特性,焊缝连接型式：平接、搭接、T形连接和角接,7.2.4 焊缝连接型式及焊缝型式,焊缝连接型式,7.2 焊接连接的特性,焊缝型式：对接焊缝和角焊缝,7.2.4 焊缝连接型式及焊缝型式,焊缝型式,7.2 焊接连接的特性,施焊位置：俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊,7.2.4 焊缝连接型式及焊缝型式,焊缝施焊位置,7.2 焊接连接的特性,作用：表明焊缝型式、尺寸和辅助要求 表示方法：由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成,7.2.5 焊缝代号,单面焊缝的标注方法,7.2 焊接连接的特性,7.2.5 焊缝代号,双面焊缝的

4、标注方法,栅线表示,7.3 对接焊缝的构造和计算,坡口形式：I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝、带钝边V形缝（Y形缝）、带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等,7.3.1 对接焊缝的构造要求,对接焊缝坡口形式,7.3 对接焊缝的构造和计算,不同宽度或厚度的钢板拼接,7.3.1 对接焊缝的构造要求,不同宽度或厚度的钢板拼接,7.3 对接焊缝的构造和计算,其他构造要求,7.3.1 对接焊缝的构造要求,引弧板,焊透的T形连接焊缝,钢板拼接焊缝示意,7.3 对接焊缝的构造和计算,计算原则：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,7.3.2 对接焊缝的计算,轴心力作用下对

5、接焊缝连接,7.3 对接焊缝的构造和计算,（2）受弯受剪的对接焊缝,7.3.2 对接焊缝的计算,受弯受剪的对接连接,7.3 对接焊缝的构造和计算,（2）受弯受剪的对接焊缝,7.3.2 对接焊缝的计算,受弯、剪的工形截面对接焊缝,7.3 对接焊缝的构造和计算,计算原则：按角焊缝进行计算,7.3.3 部分焊透的对接焊缝,部分焊透的对接焊缝,7.4 角焊缝的构造和计算,截面形状,7.4.1 角焊缝的构造和强度,角焊缝截面图,7.4 角焊缝的构造和计算,应力分布,7.4.1 角焊缝的构造和强度,侧面角焊缝应力分布,角焊缝应力-位移曲线,7.4 角焊缝的构造和计算,应力分布,7.4.1 角焊缝的构造和强

6、度,正面角焊缝应力分布,7.4 角焊缝的构造和计算,焊脚尺寸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。,7.4.1 角焊缝的构造和强度,角焊缝焊脚尺寸,7.4 角焊缝的构造和计算,对于板件边缘的焊缝，当t6mm时，hft；当t 6mm时，hft(12)mm。,7.4.1 角焊缝的构造和强度,角焊缝最大hf,7.4 角焊缝的构造和计算,焊缝长度lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf。 其他构造要求；,7.4.1 角焊缝的构造和强度,7.4 角焊缝的构造和计算,角焊

7、缝应力分析 角焊缝计算的基本公式,7.4.2 角焊缝计算的基本公式,角焊缝应力分析,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时 仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时 同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时,7.4.2 角焊缝计算的基本公式,7.4 角焊缝的构造和计算,1. 受轴心力焊件的拼接板连接 仅侧面角焊缝： 仅正面角焊缝：,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,轴心力作用下角焊缝连接,7.4 角焊缝的构造和计算,1. 受轴心力焊件的拼接板连接 三面围焊时：先计算正面角焊缝N1，剩余的N-N1由侧面角焊缝承担。 菱形拼接板：简化计算不计正面及斜焊缝的f,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,7.4 角

8、焊缝的构造和计算,2. 受轴心力角钢的连接 当采用侧面角焊缝连接时 肢背： 肢尖：,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,角钢角焊缝上受力分配两面侧焊,7.4 角焊缝的构造和计算,2. 受轴心力角钢的连接 当采用三面围焊连接时 正面角焊缝承担的力： 侧面角焊缝承担的力： 肢背 肢尖,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,角钢角焊缝上受力分配三面围焊,7.4 角焊缝的构造和计算,2. 受轴心力角钢的连接 当采用L形焊连接时 正面角焊缝承担的力： 侧面角焊缝承担的力：,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,角钢角焊缝上受力分配L形焊,7.4 角焊缝的构造和计算,3. 弯矩作用下角焊缝计算,7.4.

9、3 常用连接方式的角焊缝计算,弯矩作用时角焊缝应力,7.4 角焊缝的构造和计算,4. 扭矩作用下角焊缝计算 计算假定：被连接件绕焊缝有效截面形心o旋转，焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心o的连线，应力大小与其到形心距离r成正比。,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,扭矩作用时角焊缝应力,7.4 角焊缝的构造和计算,4. 扭矩作用下角焊缝计算 环焊缝受扭,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,环形焊缝受扭,7.4 角焊缝的构造和计算,5. 弯矩、剪力、轴心力共同作用下角焊缝计算,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,受弯、受剪、受轴心力的角焊缝应力,7.4 角焊缝的构造和计算,6. 扭矩、

10、剪力、轴心力共同作用下角焊缝计算,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,受扭、受剪、受轴心力的角焊缝应力,7.4 角焊缝的构造和计算,7. 塞焊计算,7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算,塞焊,7.4 角焊缝的构造和计算,纵向残余应力,7.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因,施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,横向残余应力,7.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因,横向残余应力产生的原因,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,厚度方向的残余应力； 约束状态下的焊接应力；,7.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因,厚度方向的焊接应力,约束焊接接头中的

11、残余应力分布,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,对结构静力强度的影响,7.5.2 焊接残余应力的影响,残余应力对静力强度的影响,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,对结构刚度的影响,7.5.2 焊接残余应力的影响,有残余应力时的应力与应变,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,对压杆稳定的影响 对低温冷脆的影响 对疲劳强度的影响,7.5.2 焊接残余应力的影响,三轴焊接残余应力,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,残余变形形式,7.5.3 焊接残余变形,焊接变形的基本形式,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,采取合理的施焊次序 施焊前加相反的预变形 焊前预热，焊后回火,7.5.4 减少焊接残余

12、应力和焊接残余变形的方法,合理的施焊次序,反变形及局部加热,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,焊接位置要合理，布置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 应尽量避免三向焊缝交叉 考虑钢板分层问题 焊条易达到 避免仰焊,7.5.5 合理的焊缝设计,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,7.5.5 合理的焊缝设计,合理的焊缝设计,7.5 焊接残余应力和焊接残余变形,过热区（强度和硬度提高，塑性和韧性降低）。 正火区（重结晶区）（塑性和韧性较高，性能最佳区域）。 部分重结晶区（力学性能不均匀）。 温度低于723度时，钢材组织没有变化。,7.5.6 焊接热影响区,7

13、.5 焊接残余应力和焊接残余变形,排列方式：并列或错列,7.6.1 螺栓的排列和构造要求,图7-63 钢板和角钢上的螺栓排列,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,排列要求 受力要求：钢板端部剪断，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。 相关规定详见表7-5至7-9。,7.6.1 螺栓的排列和构造要求,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,传力方式： 抗剪螺栓和抗拉螺栓,7.6.2 普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,图7-65 抗剪螺栓和抗拉螺栓,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,1. 抗剪螺

14、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。,7.6.2 普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,图7-66 螺栓连接的破坏情况,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,1. 抗剪螺栓连接 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“解钮扣”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。,7.6.2 普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,图7-67 螺栓受剪力状态,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,1. 抗剪螺栓连接 一个抗剪螺栓的设计承载能力计算 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

15、取上面两式的较小值,7.6.2 普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,图7-68 抗剪螺栓连接,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,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,7.6.2 普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,图7-69 抗拉螺栓连接,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,1. 螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算 螺栓数目： 板件静截面强度：,7.6.3 螺栓群的计算,图7-70 力的传递及净截面面积计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,例题7-9的讲解,2. 螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算 基本假

16、定： 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。,7.6.3 螺栓群的计算,图7-72 螺栓群受扭矩计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,2. 螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算 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： 得：,7.6.3 螺栓群的计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,3. 螺栓群在扭矩、剪力、轴心力作用下的抗剪计算,7.6.3 螺栓群的计算,图7-73 螺栓群受扭、受剪、受轴心力的计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,3. 螺栓群在扭矩、剪力、轴心

17、力作用下的抗剪计算 在扭矩作用下，螺栓1受力： 在剪力V和轴心力N作用下，螺栓均匀受力： 则螺栓1承受的最大剪力N1应满足：,7.6.3 螺栓群的计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,例题7-10的讲解,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,7.6.3 螺栓群的计算,图7-75 弯矩作用下抗拉螺栓计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,6. 螺栓群同时承受剪力和拉力的计算,7.6.3 螺栓群的计算,图7-76 螺栓群同时承受剪力和拉力,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,6. 螺栓群同时承受剪力和拉力的计算 支托仅起安装作用：螺栓

18、群承受弯矩M和剪力V 螺栓不发生拉剪破坏 板不发生承压破坏,7.6.3 螺栓群的计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,6. 螺栓群同时承受剪力和拉力的计算 支托承受剪力：螺栓群只承受弯矩M 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1.251.35,7.6.3 螺栓群的计算,7.6 普通螺栓连接的构造和计算,例题7-11的讲解,作业布置,7.2题； 7.4题； 7.14题； 7.16题； 7.17题；,级别：10.9级和8.8级 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,7.7.1 高强

19、度螺栓连接的性能,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,1. 高强度螺栓的预拉力 施加方法：扭矩法、转角法和扭剪法 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：螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；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；在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2；钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。,7.7.1 高强度螺栓连接的性能,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,2. 高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数 对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈 对于摩擦型连接，对

20、摩擦面抗滑移系数有要求 3. 高强度螺栓的排列 要求同普通螺栓，同样要考虑连接长度对承载力的不利影响。,7.7.1 高强度螺栓连接的性能,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,1. 高强度螺栓摩擦型连接 2. 高强度螺栓承压型连接 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。,7.7.2 高强度螺栓的抗剪承载力设计值,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,1. 轴心力作用时 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%），截面1-1处净截面传力为：,7.7.3 高强

21、度螺栓群的抗剪计算,图7-79 摩擦型高强度螺栓孔前传力,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,2. 扭矩作用时，及扭矩、剪力、轴心力共同作用时 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。,7.7.3 高强度螺栓群的抗剪计算,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,1. 高强度螺栓的抗拉连接性能 规范规定每个摩擦型高强度螺栓的抗拉设计承载力不得大于0.8P，螺栓杆内原预拉力基本不变。,7.7.4 高强度螺栓的抗拉连接,图7-82 高强度螺栓受拉,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,1. 高强度螺栓的抗拉连接性能 撬力的影响：限制

22、抗拉承载力在0.8P以内,7.7.4 高强度螺栓的抗拉连接,图7-83 高强度螺栓拉力变化,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,2. 高强度螺栓抗拉连接计算 抗拉承载力： 轴心拉力的螺栓数： 弯矩作用时,7.7.4 高强度螺栓的抗拉连接,图7-84 高强度螺栓受弯连接,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,2. 高强度螺栓抗拉连接计算 承载力极限状态 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。,7.7.4 高强度螺栓的抗拉连接,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,1. 高强度螺栓摩擦型连接 由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低 每个螺栓的

23、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,7.7.5 同时受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算,7.7 高强度螺栓连接的性能和计算,叠放板材的弯曲变形 无局部压应力时的梁翼缘焊缝受力 焊缝受力： 焊脚尺寸：,图7-86 叠放板材的弯曲变形,图7-87 翼缘焊缝所受剪力,7.8 焊接梁翼缘焊缝的计算,双层翼缘板时的焊缝应力 有局部压应力时的梁翼缘焊缝受力 焊缝受力： 焊脚尺寸：,图7-88 双层翼缘板梁的连接焊缝,图7-89 双向剪力作用下的翼缘焊缝,7.8 焊接梁翼缘焊缝的计算,工厂拼接：直接对焊或拼接板加角焊缝 工地拼接：拉杆用拼接板加高强螺栓或端

24、板加高强螺栓；压杆用焊接或接触面刨平顶紧 拼接原则：等强度,7.9.1 等截面拉、压杆拼接,7.9 构件的拼接,图7-91 等截面拉压杆拼接,截面变化微小者 截面变化较大而一侧翼缘外表平齐者 截面变化较大而中线上下一致者,7.9.2 变截面柱拼接,7.9 构件的拼接,图7-92 变截面柱拼接,1. 工厂拼接 拼接位置应错开，避免焊缝集中 翼缘板和腹板分别接长后在拼接，较少焊接应力 常采用正面对接焊缝，施焊时用引弧板,7.9.3 梁的拼接,7.9 构件的拼接,图7-93 焊接梁的工厂拼接,2. 工地拼接 工地焊接拼接 工地高强度螺栓拼接 拼接验算,7.9.3 梁的拼接,7.9 构件的拼接,图7-94 工地焊接拼接,图7-95 工地高强度螺栓拼接,叠接 侧面连接,7.10.1 次梁为简支梁,7.10 梁与梁的连接,图7-97 叠接,图7-98 侧面连接,叠接 侧面连接,7.10.2 次梁为连续梁,7.10 梁与梁的连接