钢结构的连接设计.ppt

3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 在传力过程中，连接部位应有足够的强度。被连接件间应保持正确的位置，以满足传力和使用要求。钢结构的连接通常有焊接，铆接和螺栓连接三种方式（图图3-13-1）。3.2 焊接连接的特性焊接连接的特性 钢结构常用的焊接方法有电弧焊，电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。焊缝连接形式按构件的相对位置可分为平接、搭接、T形连接和角接四种。（图图3-23-2）焊缝形式主要有对接焊缝和角焊缝。其中对接焊缝按受力方向可分为对接正焊缝和对接斜焊缝；角焊缝长度方向垂直于力作用方向的称正面角焊缝，平行于力作用方向的称侧面角焊缝。焊缝缺陷和焊缝等级焊缝缺陷和焊缝等级 焊缝中可能存在裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等缺陷。（图图3-33-3）钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）规定，焊缝依其质量检查标准分为三级，其中三级焊缝只要求通过外观检查，即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹，咬边等缺陷。对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝，必须进行一级或二级质量检验，即在外观检查的基础上再做无损检验。其中二级要求用超声波检验每条焊缝的20长度，且不小于200mm；一级要求用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷。焊缝代号焊缝代号 焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。（表表3-1a3-1a）（表表3-1b3-1b）3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计3.3 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造和计算 对接焊缝按坡口形式分为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、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等。（图（图3-43-4）对基焊缝计算对基焊缝计算 对接焊缝的应力分布情况基本上与焊件相同。可用计算焊件的方法计算对接焊缝。对于重要的构件，按一、二级标准检验焊缝质量，焊缝和构件等强，不必另行计算，只有对三级焊缝，才需要计算。（1）轴心受力的对接焊缝 N（lwt）fwt或fwc (3-1)式中 N 轴心拉力或压力的设计值；lw 焊缝计算长度，当采用引弧板施焊时，取焊缝实际长度；当无法采用引弧板时，每条 焊缝取实际长度减去2t；t 在对接接头中为连接件的较小厚度，不考虑焊缝的余高；在T形接头中为腹板厚度;ftw，fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。抗压焊缝和质量等级为一、二级的抗拉焊缝与母材等强，三级抗拉焊缝强度为母材的85%。（2）受弯、受剪的对接焊缝计算 MWw fwt (3-2)VS（Iwt ）fwV (3-3)(3-4)3 钢结构的连接设计3.4 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算 (1)角焊缝的截面 角焊缝两边夹角一般为900（直角角焊缝），夹角大于1350或小于600的斜角交焊缝，除钢管结构外，一般不宜用作受力焊缝。（图（图3-53-5）角焊缝的有效截面为平分角焊缝夹角的截面，破坏往往从这个截面发生。有效截面的高度（不考虑焊缝余高）称为角焊缝的有效厚度he ，当 90o 时，he 0.7 hf ；当 90o 时，he hf cos(/2)。(2)角焊缝的尺寸限制 焊脚尺寸焊脚尺寸 hf 应与焊件的厚度相适应，不宜过大或过小。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。对于板件边缘的焊缝，当t 6mm时，hf t；当t 6mm时，hf t(12)mm。（图（图3-63-6）焊缝长度焊缝长度 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。(3)角焊缝计算的基本公式 (3-5)式中 f 正面角焊缝的强度设计值增大系数，；但对直接承受动力荷载 结构中的角焊缝，由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应取f 1.0；x、y 按角焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的正应力；z 按角焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力。3 钢结构的连接设计 (4)常用连接方式的角焊缝计算 受轴心力作用时（图（图3-73-7）焊缝长度与受力方向垂直（正面角焊缝）：(3-6)焊缝长度与受力方向平行（侧面角焊缝）：(3-7)式中 lw为连接一侧所有焊缝的计算长度之和，每条焊缝按实际长度减去2hf。三面围焊时，先按式（36）计算计算正面角焊缝受力N1，再由N N1按式（37）计算。弯矩单独作用时（图（图3-83-8）(3-8)式中 Ww角焊缝有效截面的截面模量。扭矩单独作用时（图（图3-93-9）(3-9)式中 J 角焊缝有效截面的极惯性矩，J=IxIy；rAA点至形心o点的距离。3 钢结构的连接设计 将 A分解到x和y方向，有 弯矩、扭矩、轴心力共同作用时，分别计算受力最不利点的正应力和剪应力，按下式计算：(3-10)3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计3.5 螺栓连接的排列和构造要求螺栓连接的排列和构造要求螺栓在构件上的排列可以是并列或错列（图3-11），排列时应考虑下列要求:1受力要求：对于受拉构件，螺栓的栓距和线距不应过小，否则对钢板截面削弱太多，构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏。对于受压构件，沿作用力方向螺栓间距不应过大，否则被连接的板件间容易发生凸曲现象。因此，从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距。2构造要求：若栓距和线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀，所以，构造上要规定螺栓的最大容许间距。3施工要求：为便于转动螺栓扳手，就要保证一定的作业空间。所以，施工上要规定螺栓的最小容许间距。图3-11钢板上螺栓的排列(a)并列；(b)错列；(c)容许间距3 钢结构的连接设计根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距见表3-2。注:1.d0 为螺栓孔径，t 为外层薄板件厚度。2.钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢)相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。表3-2螺栓的最大和最小容许间距3 钢结构的连接设计3.6 普通螺栓连接的性能和计算普通螺栓连接的性能和计算1.普通螺栓连接的性能 普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为抗剪螺栓连接和抗拉螺栓连接。抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接有五种破坏形式，见图3-12。3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计抗拉螺栓连接抗拉螺栓连接 3 钢结构的连接设计2.螺栓群计算当螺栓连接处于弹性阶段时，螺栓群中各螺栓受力并不相等，两端大而中间小(图3-15a)；当螺栓群连接长度l1不太大时，随着外力增加连接超过弹性变形而进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀(图3-15b)。但当构件的节点处或拼接缝的一侧螺栓很多，且沿受力方向的连接长度l1过大时，端部的螺栓会因受力过大而首先发生破坏，随后依次向内逐排破坏（即所谓解钮扣现象）。因此规范规定当连接长度l1 大于15d0时，应将螺栓的承载力乘以折减系数=1.1l1/150d0，当l1 大于60d0时，折减系数取0.7。因此，当外力通过螺栓群中心时，可认为所有的螺栓受力相同。螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算n=N/N bmin (3-15)此时应验算板的净截面强度s=N/Anf (3-16)3 钢结构的连接设计 螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算图3-18 螺栓群受扭矩作用3 钢结构的连接设计 螺栓群在扭矩、剪力、轴心力共同作用下的抗剪计算 分别算出扭矩、剪力、轴心力作用下受力最大螺栓的受力，将其分解到x和y两个方向，按下式验算：螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算 n=N/N tb (3-19)螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算 螺栓群在弯矩作用下上部螺栓受拉，因而有使连接上部分离的趋势，使螺栓群形心下移。通常假定中和轴在最下排螺栓处，则螺栓的最大拉力为：图3-19 弯矩作用下的抗拉螺栓计算 3 钢结构的连接设计 螺栓群同时承受剪力和拉力的计算图3-20 螺栓群同时承受剪力和拉力此时连接传递的力有弯矩M=Ve 和剪力V，Nt按式(3-20)计算。3 钢结构的连接设计3.7 高强螺栓连接的性能和计算高强螺栓连接的性能和计算1.高强螺栓连接的性能 高强螺栓连接按受力特征分为高强螺栓摩擦型连接高强螺栓摩擦型连接、高强螺栓承压型连接高强螺栓承压型连接和承受拉力的承受拉力的高强螺栓连接高强螺栓连接。高强螺栓连接的预拉力高强螺栓连接的预拉力 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。故高强度螺栓预拉力为 3 钢结构的连接设计高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数 2.高强螺栓的抗剪承载力设计值 高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓摩擦型连接3 钢结构的连接设计 高强度螺栓承压型连接高强度螺栓承压型连接 极限承载力由螺栓杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法与普通螺栓相同，见式(3-11)(3-11)和和(3-12)(3-12)。3.高强螺栓群的抗剪计算 轴心力作用时 螺栓数螺栓数 按式(3-15)(3-15)计算，其中N bmin对摩擦型为式(3-23)(3-23)，对承压型用高强度螺栓的抗剪、承压承载力设计值。构件净截面强度构件净截面强度 对于承压型连接，与普通螺栓验算相同；对于摩擦型连接，要考虑摩擦力的作用，一部分剪力由孔前接触面传递(图3-21)。按规范规定，孔前传力占螺栓传力的50%，则截面11处净截面传力为有了N以后，净截面验算按式(3-16)(3-16)进行。扭矩作用时，及扭矩、剪力、轴心力共同作用时的抗剪高强度螺栓所受剪力的计算，其方法与普通螺栓相同，单个螺栓所受剪力应不超过高强度螺栓的承载力设计值。图3-21 摩擦型高强螺栓孔前传力3 钢结构的连接设计4.高强螺栓群的抗拉计算 抗拉承载力设计值抗拉承载力设计值 高强度螺栓连接由于螺栓中的预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强度螺栓受到外拉力作用时，首先要抵消这种挤压力。分析表明，当高强度螺栓达到规范规定的承载力0.8P时，螺栓杆的拉力仅增大7%左右，可以认为基本不变。规范规定一个高强度螺栓抗拉承载力设计值为 N bt=0.8 P (3-25)受轴心拉力作用时，螺栓数为n=N/N bt=N/(0.8 P)(3-26)受弯矩作用，当板没有被拉开时，接触面保持紧密贴合，中和轴可以认为在螺栓群的形心轴线上(图322)，则受力最大的螺栓应满足 N1M=M y1/m yi2 (3-27)对于承受静力荷载的结构，板被拉开并不等于达到承载能力的极限，此时可按图(3-19)(3-19)所示的内力分布计算。图3-22 高强螺栓受弯连接3 钢结构的连接设计5.同时承受剪力和拉力的高强螺栓群连接计算 对于高强度螺栓摩擦型连接对于高强度螺栓摩擦型连接，按下式计算 对于高强度螺栓承压型连接对于高强度螺栓承压型连接，按下式计算3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计