钢结构连接课件

第三章钢结构的连接第一节钢结构的连接方法第二节焊接方法、焊缝类型和质量级别第三节对接焊缝连接的构造和计算第四节角焊缝连接的构造和计算第五节焊接残余应力和焊接残余变形第六节普通螺栓连接的构造和计算第七节高强度螺栓连接的性能和计算第一节钢结构的连接方法构件+连接=结构传递构件间的力和弯矩连接方式直接影响制造工艺、造价连接质量影响结构的安全和使用寿命连接的重要性连接方法焊缝连接螺栓连接铆钉连接焊接的特点优点：构造简单—任何形状的构件可直接连接，无需辅助零配件省工省料—加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面施工快速—可自动化操作连接的密闭性好，刚度大，整体性好对钢材质量要求高局部材质变脆产生残余应力、残余变形、焊接缺陷较多地依赖焊工的技能水平缺点现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛螺栓连接的特点优点：施工简单，装拆方便摩擦型高强度螺栓连接动力性能好摩擦型高强度耐疲劳，易阻止裂纹扩展缺点：费料、开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高适于工地安装连接，也便于拆卸铆钉连接的特点优点：塑性、韧性好，动力性能好缺点：费料、加热铆合过程极其费工施工噪音大连接方法焊缝连接螺栓连接铆钉连接钢结构中常用的焊接方法第二节焊接方法、焊缝类型和质量级别电弧焊电阻焊熔嘴电渣焊手工电弧焊采用涂有药皮的焊条通电后，焊条与焊件之间产生电弧热药皮的作用：形成气体和熔渣，以防止氧氮侵入；具有合金成分，可改善焊缝的性能；提高电弧的稳定性。焊条强度和性能应与焊件相匹配：Q235钢——E43型焊条(E4300～E4316)Q345钢——E50型焊条(E5000～E5018)Q390和Q420钢——E55型焊条(E5500～E5518)优点：设备简单，操作灵活。缺点：生产效率低，劳动强度大，质量波动大；焊接过程不能连续进行；弧光外露有金属飞溅。应用领域：工地采用较多。手工电弧焊焊条的型号EXXXX自动或半自动埋弧焊采用无涂层焊药的焊丝，埋在焊剂下通电后电弧热使焊丝、焊剂熔化全自动埋弧焊半自动埋弧焊在手工电弧焊基础上发展而来：优点：生产效率高，质量稳定焊接可连续进行弧光不外露无金属飞溅缺点：设备要求高，操作不灵活应用领域：工厂采用较多。电阻焊不需要焊接材料电流通过焊件 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的电阻，产生热量熔化金属，再加压力而焊合适宜板叠总厚度不大于12mm的焊接冷弯薄壁型钢连接常采用此焊接方法熔嘴电渣焊采用管状焊条(熔嘴)，焊丝从管内进入电流通过熔渣产生的电阻热，熔化焊件和焊丝多用于箱形构件的横隔板焊接焊缝连接形式（被连接构件间的相对位置）：对接、搭接、T形连接和角接焊缝连接形式和焊缝类型焊缝类型（按焊缝构造分）：对接焊缝和角焊缝强度焊缝——传力密强焊缝——传力+密闭性焊缝连接形式和焊缝类型焊缝类型（按工作性质分）：焊缝类型（按施焊位置分）：焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别焊缝缺陷缺陷会引起应力集中、削弱焊缝有效截面，降低承载能力。《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）根据结构类型和重要性将焊缝质量检验分为三级：焊缝质量检验和焊缝级别III级——用于一般连接全部外观检查Ⅱ级——用于有较大拉应力的较重要连接全部外观检查+超声波抽查I级——用于抗动力、疲劳荷载的重要连接全部外观检查+超声波+X射线抽查焊缝符号及标注方式按《建筑结构制图 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 》(GB/T50105-2001)和《焊缝符号表示法》(GB324-88)执行第三节对接焊缝连接的构造和计算传力平顺，动力性能好，可承受动荷载需加工坡口，费工焊件间施焊间隙要求严，多用于工厂制造对接焊缝的构造——坡口坡口形式和尺寸的设计准则：1）保证焊条必要的运转空间2）保证足够的熔透深度决定因素：板厚度、焊接方法板厚t<10mm板厚t=10~20mmU形缝K形缝X形缝板厚t>20mm对接焊缝的构造——坡口手工焊：对接焊缝的构造——平缓过渡对于不同截面尺寸构件的拼接，应采用平缓过度的连接方式，以减小应力集中对接焊缝的强度计算受力状态及计算方法：与构件母材相同焊缝强度：当对接焊缝为I级、II级时与母材等强，且采用引弧板时可不验算当对接焊缝为III级时强度比母材低，需验算对接焊缝承受轴心力N对接焊缝承受弯矩M和剪力V工字形梁对接焊缝承受剪力V、弯矩M和轴心力NA工字形梁第四节角焊缝连接的构造和计算不需加工坡口，施工方便工厂制造和工地安装均应用较多受力复杂角焊缝的截面形式角焊缝的截面形式斜角角焊缝通常用于钢漏斗和钢管结构中。对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。角焊缝的形式侧焊缝（与力平行）端焊缝（与力垂直）侧焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行，应力分布简单。主要承受剪应力，强度低，弹性模量低，但塑性较好。端焊缝：焊缝长度方向与受力方向垂直，受力后应力状态较复杂。焊缝截面各面都有正应力和剪应力，应力集中严重。破坏强度要高一些，但塑性差，弹性模量大。角焊缝受力特性－侧焊缝主要受剪应力，剪断面常发生在45°斜平面上剪应力沿长度方向分布不均，两头大中间小强度较低，塑性较好试验结果表明：角焊缝的受力情况－端焊缝端焊缝应力状态远比侧焊缝复杂正、剪应力都有，且分布很不均匀根部应力集中最厉害，常常是开裂的起源点焊缝破坏强度高，但塑性差试验结果表明：侧焊缝与端焊缝比较焊脚尺寸角焊缝的构造要求不应太小——不能焊透，无法达到设计承载力焊缝冷却太快容易形成裂纹焊脚尺寸不应太大——较薄焊件容易烧穿或咬边焊缝冷却后产生较大焊接变形焊缝计算长度不应太短——焊缝起、落弧坑太近，焊缝不可靠;局部受热严重搭接时需注意的问题当搭接连接仅有侧焊缝时避免应力过于集中：避免板件拱曲过大：角焊缝的强度计算角焊缝的计算方法：钢结构设计规范（GB50017—2003）折算应力法—考虑焊缝有效截面的实际应力状态，按第四强度理论计算水利水电工程钢闸门设计规范（SL74-1995）单一应力法—不考虑焊缝有效截面的实际应力状态，均按单一剪应力计算基本前提：认为直角焊缝的破坏总是沿其最小截面，即450方向的有效截面。角焊缝计算的基本公式角焊缝计算的基本公式（1）侧焊缝应力均匀分布（3）一般情况当直接动力荷载作用时，考虑端焊缝塑性性能较差，取它和侧面角焊缝的强度相同，把式中1.22变为1。拼接板连接角焊缝承受轴心力N验算：四周围焊当焊缝受直接动力荷载时：由端焊缝再验算侧焊缝N1lw1N2，lw2角焊缝承受轴心力N减小拼接板角部应力集中四周菱形围焊简化验算－无论静载、动载角焊缝承受轴心力N角钢连接两边侧焊N1、N2不均匀分配角焊缝承受轴心力N角钢连接焊缝内力分配角钢类型连接形式内力分配系数肢背K1肢尖K2等肢角钢0.700.30不等肢角钢短肢连接0.750.25不等肢角钢长肢连接0.650.35三面围焊由端焊缝强度验算确定由平衡得角焊缝承受轴心力N角焊缝承受弯矩M、剪力V作用和轴心力N柱子牛腿连接柱子牛腿连接角焊缝承受扭矩T、剪力V作用和轴心力N扭矩应力剪力应力轴力应力扭矩产生的应力：焊缝为弹性体，板为刚性体；构件绕形心o旋转A点：角焊缝承受扭矩T、剪力V作用和轴心力N剪力和轴力产生的应力：在有效截面上近似均匀分布什么是焊接残余应力和焊接残余变形？第五节焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余变形—由焊缝及其周围不均匀热胀冷缩引起焊接残余应力—由焊缝冷却收缩受到阻止引起焊接残余应力分类纵向焊接残余应力高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，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。横向焊接残余应力第一部分：由焊缝纵向收缩引起第二部分：由焊缝先后冷却时间的不同引起厚度方向焊接残余应力由多层施焊引起焊接残余应力特点：板内焊接残余应力自平衡焊接残余应力常形成三向拉应力，易导致脆性破坏焊接残余应力常达到屈服强度焊接残余变形静力强度焊接残余应力对结构性能的影响焊接残余应力对结构性能的影响（续）刚度构件的稳定性焊接残余应力对结构性能的影响（续）构件在压应力作用下而丧失整体问题（屈曲）焊接残余应力使结构挠曲刚度减小，降低其稳定承载力疲劳强度和低温冷脆残余应力可能为三向同号应力状态，材料在此应力状态下易转向脆性，疲劳强度也会降低。焊接残余变形对结构性能的影响影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载力，引起事故；焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正。减少焊接残余应力和变形的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 设计措施合理安排焊缝位置焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错减少焊接残余应力和变形的措施（续）加工措施合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。施焊前，预加反向变形。螺栓连接的特点优点：施工简单，装拆方便摩擦型高强度螺栓连接动力性能好缺点：费料、开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高适于工地安装连接，也便于拆卸第六节普通螺栓连接的构造和计算分类钢材强度等级加工孔径d0与栓径d之差(mm)受力特点安装应用C级粗制螺栓普通碳素钢Q2354.64.8粗糙尺寸不准成本低（II类孔）1.5~2.0抗剪差抗拉好方便承拉应用多临时固定A级B级精制螺栓优质碳素钢45号钢35号钢8.8精度高尺寸准确成本高（I类孔）0.3~0.5抗剪抗拉均好精度要求高目前应用减少A级B级区别：仅尺寸不同，A级d≤24，L≤150mm；B级d＞24，L＞150mmI类孔：孔壁粗糙度小，孔径偏差允许+0.25mm，对应A、B级螺栓II类孔：孔壁粗糙度大，孔径偏差允许+1mm，对应C级螺栓普通螺栓连接的构造要求螺栓的直径标准直径：M16，M18，M20，M22，M24，M27，M30…同一结构连接中，宜用同一种直径·受力要求螺栓间距的要求端距最小值——防止孔端钢板剪断边距、中距最小值——避免应力集中相互影响及对板截面削弱过多构造要求端距、边距和中距最大值——避免受压凸曲及潮气侵入施工要求中距最大值——保证有足够操作的空间螺栓最大和最小容许间距排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。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；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级螺栓宜用于沿其杆轴方向受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：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。普通螺栓的其它构造要求普通螺栓连接的受力性能与强度验算螺栓连接按受力形式分为：抗剪试验得到板件上a、b两点相对位移δ和作用力N的关系曲线,揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段：(a)摩擦传力的弹性阶段(0~1段)直线—连接处于弹性状态；较短—摩擦力较小。(b)滑移阶段(1~2段)克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表现在曲线上为水平段。（一）受剪螺栓连接(c)栓杆传力的弹性阶段(2~3段)该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪，孔壁受压。(d)弹塑性阶段(3~4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。‘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。受剪螺栓连接受力性能单个普通螺栓受剪计算防止螺栓破坏措施(2)(3)通过计算解决(4)(5)通过构造解决受剪螺栓的破坏形式受剪螺栓连接强度计算单个螺栓承载力计算抗剪承载力设计值：承压承载力设计值：nv—受剪面数目；d—螺栓杆直径；fvb、fcb—螺栓抗剪和承压强度设计值；∑t—接头一侧承压构件总厚度的较小值受剪螺栓群—构件受轴心拉力（1）确定所需螺栓数目（2）构件净截面强度验算受剪螺栓群—构件受轴心拉力（续）剪力作用扭矩作用NvyN1T受剪螺栓群—螺栓群受剪力和扭矩V=F基本假设①被连接构件绝对刚性,螺栓弹性；②T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力方向与它和形心的连线垂直，大小与螺栓至形心的距离ri成正比。扭矩作用N1T（二）受拉螺栓连接单个螺栓承载力计算产生撬力的原因——角钢抗弯刚度不足，水平肢有较大变形对螺栓受力影响——使螺栓拉力增大减小撬力的措施——增强角钢抗弯刚度，加大厚度或增设加劲肋螺栓拉力：Pf=0.5N+P刚度越小，P越大单个螺栓承载力计算(续)抗拉承载力设计值：Ntb——单个螺栓抗拉承载力；Ae——螺栓螺纹处的有效面积；de——螺栓有效直径，附录3(P375)；ftb——螺栓的抗拉强度设计值。假定每个螺栓均匀受力：受拉螺栓群—构件受轴心拉力基本假定：①被连接板件绝对刚性，螺栓为弹性，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比；受拉螺栓群—螺栓群受弯矩作用②螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处。受拉螺栓群—螺栓群受弯矩作用（续）受拉螺栓群—螺栓群受弯矩和轴力作用中和轴在哪里？（1）小偏心情况M/N较小，所有螺栓均承受拉力作用。假定中和轴在螺栓群形心位置：在轴心拉力N作用下，每个螺栓均匀受力：（2）大偏心情况当Nmin<0时，由于M/N较大，近似的将中和轴假定在（弯矩指向一侧）的最外排螺栓轴线。两种可能破坏形式：一是螺栓杆受拉剪联合作用破坏；二是孔壁承压破坏。（三）拉剪螺栓连接验算拉-剪联合作用：验算孔壁承压：NVb——单个螺栓抗剪承载力设计值；Ncb——单个螺栓承压承载力设计值Ntb——单个螺栓抗拉承载力设计值；Nv、Nt——单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。（三）拉剪螺栓连接（续）螺栓高强度螺栓普通螺栓材料材质好，强度高材质一般，强度低传力方式依靠连接板件摩擦传力螺栓直接传力变形连接变形小，螺栓不易松动连接变形大，螺栓易松动安装需专门扳手施加预拉力一般常用扳手，手感拧紧第七节高强度螺栓连接的性能和计算受力特征承载力极限状态安装孔孔径d0（mm)应用特点摩擦型外力达到摩擦力d0＝d＋1.5~2.0剪切变形小，耐疲劳，动载下不易松动承压型外力超过摩擦力螺栓承剪钢板承压d0＝d＋1.0~1.5承载力比摩擦型大，剪切变形大，一般不用于直接动载情况高强螺栓按受力状况分类高强度螺栓预拉力的施加方法大六角头型高强螺栓扭剪型高强螺栓不同形式高强螺栓预拉力施加方法不同！这两种形式的高强螺栓受力性能及强度计算方法完全相同高强度螺栓预拉力的施加方法（续）1、大六角头螺栓a.扭矩法根据实现确定的扭矩和预拉力之间的关系施加扭矩。为防止预拉力损失，一般应该按规定的预拉力值超过5%-10%实施。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。b.转角法初拧——用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；终拧——初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，　　　　　一般为120o~240o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。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。高强度螺栓预拉力的施加方法（续）2、扭剪型高强度螺栓——扭断螺栓杆尾部法高强度螺栓的施工要求：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拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。如工字型梁为：上翼缘→下翼缘→腹板。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。高强度螺栓预拉力的确定螺栓的性能等级螺栓公称直径（mm）M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级100155190225290355GB50017:高强螺栓的预拉力P(kN)高强度螺栓摩擦面抗滑移系数连接处接触面处理方法构件的钢号Q235Q345、Q390Q420喷砂喷砂后涂无机富锌漆喷砂后生赤锈钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面0.450.350.450.300.500.400.500.350.500.400.500.40摩擦面抗滑移系数值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摩擦型高强螺栓的强度计算（一）受剪螺栓单个螺栓的抗剪承载力　　　0.9—抗力分项系数R的倒数(R=1.11）受剪摩擦型高强螺栓群—构件受轴心拉力？剪力作用：NvyN1T受剪摩擦型高强螺栓群—螺栓群受剪力和扭矩V=F摩擦型扭矩作用：摩擦型高强螺栓的强度计算（二）受拉螺栓板被拉开前：在板被拉开前，螺栓在外拉力作用下内力增加很小2CPPPfPf2Nt2Ct可控制连接贴紧，不松动摩擦型高强螺栓的强度计算（二）受拉螺栓试验表明当外力约达到预拉力值时，板间出现松弛受拉摩擦型高强螺栓群—螺栓群受弯矩作用！中和轴位置与普通螺栓不同受拉摩擦型高强螺栓群—螺栓群受弯矩和轴力作用！摩擦型高强螺栓无大小偏心之分摩擦型高强螺栓的强度计算（三）拉剪螺栓拉力的作用使压紧力降低，摩擦面抗滑移系数降低，进而使抗剪承载力降低：受剪承载力承压型高强螺栓的强度计算——与普通螺栓相同受拉承载力——与摩擦型高强螺栓相同本章小结1．要了解钢结构采用的焊缝连接和螺栓连接两种常用的连接方法及其特点；2．理解对接焊缝及角焊缝的工作性能，掌握各种内力作用下，焊接连接的构造和计算方法；3了解焊接应力和焊接变形的种类、产生原因、影响以及减小和消除的方法；4．理解普通螺栓和高强螺栓的工作性能和破坏形式；5．掌握螺栓连接在传递各种内力时连接的构造和计算方法，熟悉螺栓排列方式和构造要求。螺栓连接作业题：P80：3-8，3-9，3-11下周三交