钢结构连接和节点构造知识培训.pptx

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1、第第 七七 章章钢结构的连接和节点构钢结构的连接和节点构造造7.11 7.11 梁与柱的连接梁与柱的连接7.12 7.12 柱脚设计柱脚设计7.13 7.13 桁架节点设计桁架节点设计7.14 7.14 节点构造对构件承载力的影响节点构造对构件承载力的影响第1页/共129页7.1 钢结构对连接的要求及连接方法钢结构的连接通常有焊接，铆接和螺栓连接三种方式。7.1 钢结构对连接的要求及连接方法第2页/共129页7.1 钢结构对连接的要求及连接方法 焊接连接是钢结构最主要的连接方式，其优点是构造简单，不削弱构件截面，省钢省工，密封性好，刚度大，能实现自动化操作，效率高。缺点是焊接残余应力和残余变形

2、对结构不利，焊接结构低温冷脆问题比较突出。铆钉连接是用加热的铆钉进行铆合，也可用常温的铆钉进行铆合但需较大的铆合力。因费钢费工已少采用。第3页/共129页7.1 钢结构对连接的要求及连接方法第4页/共129页7.1 钢结构对连接的要求及连接方法螺栓连接分为普通螺栓和高强度螺栓。优点是装卸便利，缺点是用钢量多。普通螺栓分为C级螺栓和A、B级螺栓。A、B级螺栓尺寸准确，传递剪力性能好，受力性能较C级好，但费用高。级螺栓加工粗糙，常用于安装的临时固定连接。高强度螺栓用强度较高的钢材制作，安装时通过特制的扳手拧紧螺帽，使螺杆产生很大的预应力。预应力使部件之间产生很大的摩檫力，外力通过摩檫力来传递。高强

3、度螺栓又分为摩擦型连接和承压型连接，前者以滑移作为承载力极限状态，后者的极限状态和普通螺栓相同，不得用于直接承受动力载荷的结构。第5页/共129页7.1 钢结构对连接的要求及连接方法第6页/共129页7.1 钢结构对连接的要求及连接方法第7页/共129页7.1 钢结构对连接的要求及连接方法第8页/共129页 7.2 焊接连接的特性钢结构的焊接方法最常用的有：电弧焊，电渣焊，气体保护焊和电阻焊。1、电弧焊 电弧焊质量可靠，是钢结构最常用的焊接方法。手工电弧焊焊条应与钢材强度相匹配，Q235钢材用E43系列型焊条，Q345钢材用E503系列型焊条，Q390钢材用E55系列型焊条。当不同钢种的钢材连

4、接时，宜用与低强度的钢材相适应的焊条。7.2 焊接连接的特性第9页/共129页 7.2 焊接连接的特性第10页/共129页 3、气体保护焊（略）4、电阻焊 电阻焊利用电流通过焊件接触点表面产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。薄壁型钢一般采用电阻焊，电阻焊适用于板叠厚度不超过12mm的焊接。7.2 焊接连接的特性 2、电渣焊 电渣焊填充丝，对Q235钢材用H08MnA，对Q345钢材用H08MnoA。第11页/共129页 7.2 焊接连接的特性7.2.2 焊接连接的优缺点焊接连接有以下优点焊接连接有以下优点:(1)(1)不需打孔钻眼，不减损钢材截面，使材料得到充分利用；不需打孔钻眼，不减损

5、钢材截面，使材料得到充分利用；(2)(2)不需要辅助零件，连接构造简单；不需要辅助零件，连接构造简单；(3)(3)气密性和水密性较好，结构刚度大，结构整体性好。气密性和水密性较好，结构刚度大，结构整体性好。但是，焊接连接也存在如下缺点：但是，焊接连接也存在如下缺点：(1)(1)施施焊焊时时的的高高温温在在焊焊缝缝附附近近形形成成热热影影响响区区，钢钢材材金金相相组组织织和和机械性能发生变化，材质变脆；机械性能发生变化，材质变脆；(2)(2)焊焊接接残残余余应应力力使使结结构构脆脆性性破破坏坏，降降低低压压杆杆稳稳定定临临界界荷荷载载，残余应力还会使构件尺寸和形状发生变化，矫正费工；残余应力还会

6、使构件尺寸和形状发生变化，矫正费工；(3)(3)焊焊接接结结构构的的连连续续性性使使得得局局部部裂裂缝缝一一经经发发生生便便容容易易扩扩展展到到整整体。低温冷脆问题比较突出。体。低温冷脆问题比较突出。第12页/共129页 7.2 焊接连接的特性7.2.3 焊接缺陷焊缝可能存在裂纹，气孔，烧穿和未焊透等缺陷。焊缝可能存在裂纹，气孔，烧穿和未焊透等缺陷。裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷，采用合理的施焊次序，裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷，采用合理的施焊次序，可减小焊接应力，避免出现裂纹；预热，缓慢冷却或焊后热处可减小焊接应力，避免出现裂纹；预热，缓慢冷却或焊后热处理可减少裂纹形成。理可减少裂纹形成。我国

7、我国规定焊缝质量检验规定焊缝质量检验标准分为三级：三级检验只要求通过外观检查；二级检验要求标准分为三级：三级检验只要求通过外观检查；二级检验要求通过外观检查和超声波探伤检查通过外观检查和超声波探伤检查20%20%；一级检验要求通过外观；一级检验要求通过外观检查，超声波检查和检查，超声波检查和X X射线检查。重要结构应满足一级或二级射线检查。重要结构应满足一级或二级质量检验要求。质量检验要求。第13页/共129页 焊缝的连接形式 1.1.按结构的相对位置分：平接、搭接按结构的相对位置分：平接、搭接、T T形连接和角接形连接和角接 7.2 焊接连接的特性.按构造分：对接焊缝和角焊缝对接焊缝按作用力

8、的方向可分为对接正焊缝和对接斜焊缝。对接焊缝按作用力的方向可分为对接正焊缝和对接斜焊缝。角焊缝角焊缝按作用力分为按作用力分为正面角焊缝正面角焊缝和和侧面角焊缝侧面角焊缝，前者长度垂，前者长度垂直于受力方向，后者平行于受力方向。直于受力方向，后者平行于受力方向。焊缝沿长度方向布置情况分连续焊缝和不连续焊缝，不连续焊缝沿长度方向布置情况分连续焊缝和不连续焊缝，不连续焊缝易引起应力集中现象，重要结构应避免采用。焊缝易引起应力集中现象，重要结构应避免采用。第14页/共129页 7.2 焊接连接的特性3.按施焊位置分：仰焊、立焊、横焊和俯焊俯焊最方便，质量也最好，应尽量采用。立焊和横焊质量差些；仰焊条件

9、最差，焊缝质量不易保证，应避免采用。第15页/共129页 7.2 焊接连接的特性焊缝代号焊缝代号焊缝符号由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成，焊缝符号由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成，必要时可加上辅助符号，补充符号和焊缝尺寸符号。必要时可加上辅助符号，补充符号和焊缝尺寸符号。具体可参见具体可参见（GB32-88）规定。）规定。第16页/共129页 7.3 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造坡口形式：直边缝（形缝）（t10mm，t为钢板厚度）单边V形缝，双边V形缝（t=10 20mm)U形缝，K形缝，形缝，X形缝等（t20mm)引弧板：为防对接焊接起点和终点出现裂缝和应力集中，施焊时

10、常将焊缝两端施焊在引弧板上。当不用引弧板时，计算时扣除焊缝两端各5mm长度。对接焊缝优点：用料经济，传力平顺均匀，没有明显的应力集中，易于承受动力荷载。7.3 对接焊缝构造和计算第17页/共129页对接焊缝的计算 对满足一、二级标准检验的对接焊缝，不必另行计算。不满足检验要求的对接焊缝，按下述公式计算：7.3 对接焊缝的构造和计算第18页/共129页或 在同时受有较大正应力和剪应力处（如腹板与翼缘的交接处)，应按下式计算折算应力：-为轴力产生的正应力；-为腹板与翼缘交接处由弯矩引起的正应力；-为腹板与翼缘交接处的剪应力；1.1-为强度设计值的提高系数，是考虑到折算应力，腹板局部部位出现。7.3

11、 对接焊缝的构造和计算第19页/共129页7.4.1 角焊缝的构造和强度1.角焊缝的应力分布 角焊缝两焊脚边的夹角一般为90。夹角大于135或小于60的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。侧面角焊缝主要承受剪力。弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大中间小。焊缝越长，剪应力分布越不均匀。但由于侧面角焊缝塑性较好，两端出现塑性变性，产生应力重分布，在规范规定长度范围内，应力分布可趋于均匀。7.4 角焊缝的构造和计算7.4 角焊缝的构造和计算第20页/共129页 7.4 角焊缝的构造和计算 正面角焊缝的应力状态比侧面角焊缝复杂，其破坏强度比侧面角焊缝高，但塑性变形要差一些。在外力作

12、用下，焊缝跟部应力集中最为严重，破坏总是首先在跟部出现裂缝，然后扩展至整个截面。（a）正面角焊缝 （b）侧面角焊缝第21页/共129页 等边角焊缝的最小截面和两边焊脚成/2角（直角角焊缝为45）称为有效截面或计算截面，不计入余高和熔深。计算时假定有效截面上应力均匀分布，并且不分抗拉、抗压或抗剪都采用同一强度设计值 。2.角焊缝的焊脚尺寸 焊脚尺寸指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸。在直接承受动力荷载的结构中，为了减缓应力集中，角焊缝表面应做成直线形或凹形。角焊缝的焊脚尺寸不能过小，以保证焊缝的最小承载能力，并防止焊缝冷却过快而产生裂纹。7.4 角焊缝的构造和计算第22页/共129页7.4 角焊缝的构造

13、和计算 规范规定：手工角焊缝：规范规定：手工角焊缝：h hf f1.5 1.5 ，t t为较厚焊件厚度为较厚焊件厚度(单位：单位：mm)mm)；对于自动焊缝，可减小对于自动焊缝，可减小1 1 mmmm。对于。对于T T形连接的单形连接的单面角焊缝，增加面角焊缝，增加1 1 mm mm；当焊件厚度等于或小于当焊件厚度等于或小于4 4mmmm时，则等于时，则等于焊件厚度。焊件厚度。若角焊缝焊脚尺寸若角焊缝焊脚尺寸h hf f太大，则焊缝收缩时将产生较大的焊太大，则焊缝收缩时将产生较大的焊接变形，且热影响区扩大，容易脆裂，较薄焊件容易烧穿。接变形，且热影响区扩大，容易脆裂，较薄焊件容易烧穿。规范规定

14、：焊脚尺寸规范规定：焊脚尺寸hf f 1.2t,t为较薄焊件厚度为较薄焊件厚度(钢管结构钢管结构除外除外)；在板件边缘的焊缝，当板厚；在板件边缘的焊缝，当板厚t6mm，hf t；当；当t6mm时，时，hf f t-(12)mm；圆孔或槽孔内的不宜大于圆孔直径的；圆孔或槽孔内的不宜大于圆孔直径的1/3或槽孔短径的或槽孔短径的1/3。第23页/共129页 角焊缝长度不宜太小，角焊缝的最小计算长度应能保证焊缝的最小承载能力；避免焊缝起弧和落弧的弧坑相距太近，造成过大的应力集中，使焊缝不够可靠。侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度不得小于8hf或40mm。侧面角焊缝应力沿长度方向分布不均，两端较中间大，焊

15、缝长度与厚度之比越大，差别越大。当此比值过大时，焊缝端部应力就会达到极值而破坏，而中部焊缝还未充分发挥其承载能力。侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf（受静力荷载或间接受动力荷载）或40hf（受动力荷载）。但内力若沿侧面角焊缝全长分布，其计算长度不受此限制。7.4 角焊缝的构造和计算第24页/共129页 当构件仅用两条侧缝连接时，每条侧缝长度不宜小于两侧缝之间距离；同时为了避免因焊缝横向收缩，引起板件拱曲太大，两侧缝之间的距离不宜大于16t（当t12mm）或200mm（当t12mm），t为较薄构件的厚度。搭接连接不能只用一条正面角焊缝传力，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，同时不得小于25m

16、m。7.4 角焊缝的构造和计算3.角焊缝的其他构造要求 杆件与节点板的连接焊缝，一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，围焊的转角处必须连续施焊。第25页/共129页 角焊缝计算的基本公式角焊缝计算的基本公式 在外力作用下在外力作用下 ，直角焊缝有效截面上产生三个方向应力，直角焊缝有效截面上产生三个方向应力，即即 ，。其中。其中:、为垂直于焊缝长度方向的正为垂直于焊缝长度方向的正应力和剪应力，应力和剪应力，为平行于焊缝长度方向的剪应力。三个方向为平行于焊缝长度方向的剪应力。三个方向应力与焊缝强度间的关系用下式表示：应力与焊缝强度间的关系用下式表示：7.4 角焊缝的构造和计算第26页/共129页 当

17、 =0时，即只有平行于焊缝长度方向的轴心力作用，为侧面角焊缝受力情况。设计公式为：当 =0时，即只有垂直于焊缝长度方向的轴心力作用，为正面角焊缝受力情况。设计公式为：7.4 角焊缝的构造和计算 化简得到：化简得到：（7-6）（7-7）（7-8）第27页/共129页 若用f代1.22，则公式（7-8）和（7-9）化为：公式（7-7）、（7-10）和（7-11）为角焊缝设计公式。7.4 角焊缝的构造和计算 当 =0时，即具有平行和垂直于焊缝长度的轴心力同时作用于焊缝的情况，设计公式为：（7-9）（7-11）（7-10）第28页/共129页1.受轴心力焊件的拼接板连接受轴心力焊件的拼接板连接 当焊件

18、受轴心力，且轴力通过连接焊缝群形心时，焊缝有当焊件受轴心力，且轴力通过连接焊缝群形心时，焊缝有效截面上的应力可认为均匀分布。用拼接板将两焊件连成整效截面上的应力可认为均匀分布。用拼接板将两焊件连成整体，需要计算拼接板和连接一侧角焊缝。体，需要计算拼接板和连接一侧角焊缝。侧面角焊缝：正面角焊缝：7.4 角焊缝的构造和计算 对于三面围焊，先计算出正面角焊缝承担的内力对于三面围焊，先计算出正面角焊缝承担的内力N1，再由，再由（N-N1）计算侧面角焊缝。）计算侧面角焊缝。第29页/共129页2.受轴心力角钢的连接（1）角钢用侧缝连接 由于角钢截面形心到 肢背和肢尖的距离不相等，靠近形心的肢背焊缝承受较

19、大的力。设N1和N2分别为角钢肢背和肢尖焊缝承担的力，由平衡条件得：N1+N2=N N1e1 =N2e2 e1+e1=bK1、k2角钢角焊缝的内力分配系数，查表7-3。7.4 角焊缝的构造和计算 第30页/共129页(2)角钢三面围焊 先选定正面角焊缝焊脚尺寸hf，并算出其承担的内力：再通过平衡关系，得肢背和肢尖侧焊缝受力为：N1=k1N-N3/2 N2=k2N-N3/2在N1和N2作用下，侧面角焊缝计算公式为：7.4 角焊缝的构造和计算第31页/共129页(3)角钢L形围焊 按公式 求出正面角焊缝承担内力，由N1=N-N3求出N1，再按下式计算侧面角焊缝：7.4 角焊缝的构造和计算第32页/

20、共129页例 如图所示是用双层盖板和角焊缝的对接连接，若钢板采用10430，承受轴力N9105N(静载，设计值)，钢材Q235，采用手工焊，焊条E4311，试按a)用侧面角焊缝连接；b)用三面围焊连接。解 盖板横截面按等强度原则确定，即盖板横截面积不应小于被连接扳件的横截面积因此盖板横截面为一6400的钢材，总面积A1为A1264004800mm2A430104300mm2直角角焊缝的强度设计值ffw160Nmm2(查自附表)7.4 角焊缝的构造和计算第33页/共129页 角焊缝焊脚尺寸：较薄金属板厚度t6mm，hf.max=6mm；较厚主体金属板的厚度t10mm，因此，hf.min1.5 1

21、.5 5mm，取角焊缝的焊脚尺寸hf6mm，满足：hf.maxhfhf.mina)采用侧面角焊缝时 因b400mm200mm(t6mm12mm)因此加直径d15mm的电焊钉4个，电焊钉施焊质量不易保证，仅考虑它起构造作用。侧面角焊缝的计算长度为 lwN(4heffw)9105(40.76160)335mm 满足lw,min=8hf=8648mmlw60hf606360mm。侧面角焊缝的实际长度为 lflw+10-2hf335+10-26333mm,取340mm 如果被连板件间留出缝隙10mm，则盖板长度为 l=2lf+10=2340+10=690mm7.4 角焊缝的构造和计算第34页/共129

22、页b)采用三面围焊时 正面角焊缝承担的力N3为：N3helwfffw20.764001.2216026.56105N lw=（N-N3)/(4heffw)(9105-6.56105)/(40.76160)91mm，满足lwmin8hf8648mmlw60hf606360mm。侧面角焊缝的实际长度为 lflw+5=91+596mm，取100mm；盖板长度为:l2+102100+10210mm侧面角焊的计算长度:7.4 角焊缝的构造和计算第35页/共129页例角钢与节点板的搭接连接,设计值轴力N6.5105N(静载),角钢钢材Q235，2L10010,节点板厚度t8mm，手工焊,焊条E4312,试

23、确定 a)两面侧焊缝；b)三面围焊缝。解 角焊缝强度设计值ffw160mm2 (肢背)；10-mm(肢尖)。取 8mm；7.4 角焊缝的构造和计算第36页/共129页 采用两面侧焊 0.76.510522.275105N0.36.510529.75104N需要的侧面焊缝计算长度:2.275105(0.78160)254mm9.75104(0.78160)109mm 焊缝实际长度:+10-2 =254十10-28=248mm，取250mm +10-2 =l09十10-28103mm，取110mm7.4 角焊缝的构造和计算第37页/共129页采用三面围焊 正面角焊缝承担的力:20.720.7610

24、01.221601.64105N 肢背和肢尖上的力:0.76.5105-1.6410523.75105N0.36.5105-1.6410521.13105N 所需侧面焊缝计算长度:3.75105(20.78160)278mm7.4 角焊缝的构造和计算第38页/共129页1.13105(20.78160)84mm焊缝实际长度 +5278+5283mm，取290mm +584+589mm，取90mm 7.4 角焊缝的构造和计算第39页/共129页例：计算三面围焊的角钢连接，角钢2L14010，连接板厚度t=12mm，承受静荷载N=1000KN.钢材为Q235B,焊条为E43型，焊脚尺寸为hf=8m

25、m,焊缝强度设计值 160N/mm2 .求角钢两侧所需焊缝长度。解：计算端缝所能承受的力N3：N3=1.220.782140160=306100N焊缝肢背和肢尖的内力:N1=0.710001/2306.1=547KNN2=0.310001/2306.1=147KN焊缝长度：取lw1=310mm取lw2=90mmmmmm7.4 角焊缝的构造和计算第40页/共129页3.弯矩作用下角焊缝计算弯矩作用下角焊缝计算 当力矩作用平面与当力矩作用平面与 焊缝群所在平面垂直时，焊缝受弯。焊缝群所在平面垂直时，焊缝受弯。计算公式为：计算公式为：焊缝计算截面对形心的惯心矩；形心距计算处距离。7.4 角焊缝的构造

26、和计算（7-17）第41页/共129页焊缝计算截面对形心的极惯心矩，即焊缝形心至验算点在X，Y方向的距离；焊缝计算截面X，Y轴的惯心矩.7.4 角焊缝的构造和计算4.扭矩作用下角焊缝计算扭矩作用下角焊缝计算 当力矩作用平面与当力矩作用平面与 焊缝群所在平面平行时，焊缝受扭。焊缝群所在平面平行时，焊缝受扭。假定被连构件在扭矩作用下绕焊缝有效截面形心旋转，焊缝假定被连构件在扭矩作用下绕焊缝有效截面形心旋转，焊缝某点应力与该点到形心距离成正比，计算公式为：某点应力与该点到形心距离成正比，计算公式为：第42页/共129页5.弯矩、轴力、剪力共同作用下角焊缝计算弯矩、轴力、剪力共同作用下角焊缝计算 角焊

27、缝在各种外力作用下的计算原则：角焊缝在各种外力作用下的计算原则：（1 1）求出各单独外力作用下角焊缝的应力，并判断该应力）求出各单独外力作用下角焊缝的应力，并判断该应力对角焊缝是正面角焊缝受力还是侧面角缝受力；对角焊缝是正面角焊缝受力还是侧面角缝受力；（2 2）将各种外力作用下的焊缝应力按叠加原理进行叠加。）将各种外力作用下的焊缝应力按叠加原理进行叠加。角焊缝最危险点的计算公式为：角焊缝最危险点的计算公式为：7.4 角焊缝的构造和计算（7-21）第43页/共129页6.扭矩、轴力、剪力共同作用下角焊缝计算扭矩、轴力、剪力共同作用下角焊缝计算 计算步骤：计算步骤：（1）求出焊缝有效截面形心；）求

28、出焊缝有效截面形心；（2）计算外载荷：扭矩、剪力和轴力；）计算外载荷：扭矩、剪力和轴力；（3）计算各外载荷作用下最危险点的应力；）计算各外载荷作用下最危险点的应力；（4）验算危险点焊缝强度：）验算危险点焊缝强度：7.4 角焊缝的构造和计算（7-22）第44页/共129页例：计算牛腿连接，采用直角角焊缝。hf=10mm。牛腿尺寸如图示。距离焊缝e=150mm处有一竖向力F=150KN(静力荷载）。钢材为Q390,焊条E55型，求焊缝最不利点应力。解:(1)先求焊缝受力。将力F移至焊缝截面形心，得焊缝受力为：V =F =150KN M=Fe=1500.15=22.5KNm_12X120_10X20

29、0Fa(2)求焊缝截面特征：水平焊缝面积：Af1=0.710（120-10）（120-10-10）=1470mm2竖向焊缝面积：Af2=0.7102（200-5）=2730mm2焊缝总面积：Af=Af1+Af2=1470+2730=4200mm27.4 角焊缝的构造和计算第45页/共129页求焊缝形心至水平板顶面距离：y2=195+12-73.2=133.8mm焊缝惯心矩：=18996000mm4_12X120_10X200ay2y17.4 角焊缝的构造和计算第46页/共129页（3）焊缝受力分析在剪力作用下，焊缝应力分布为矩形。在弯矩作用下，焊缝应力分布为三角形，可见最危险点为a点，其值为2

30、2a点应力为2_12X120_10X200a7.4 角焊缝的构造和计算第47页/共129页例：如图示牛腿连接，采用三面围焊直角角焊缝。钢材采用Q235，焊条E43型，hf=10mm.在a点作用一水平力P1=50KN,竖向力P2=200KN,e1=20cm,e2=50cm.求焊缝最不利点应力。解:(1)首先求焊缝形心至竖向焊缝距离x2:P1P2a400400 x2x1e27.4 角焊缝的构造和计算第48页/共129页(2)求焊缝受力将P1、P2移至焊缝形心，得焊缝受力 V=P2=200 KN N=P1=50 KN M=P1e1+P2（e2+5+x1）=500.20200 =163.8NmP1P2

31、a4004005002007.4 角焊缝的构造和计算第49页/共129页(3)求焊缝几何特征Af=0.710（2395+400）=8330mmX1=395-131=264mm=25853 mm4=1444110mm44247.4 角焊缝的构造和计算第50页/共129页(4)求焊缝应力从焊缝应力来看，最危险点为1，2两点。1点应力：22127.4 角焊缝的构造和计算第51页/共129页2点的焊缝应力：127.4 角焊缝的构造和计算第52页/共129页7.5 焊接残余应力和焊接残余变形7.5 焊接残余应力和焊接残余变形 钢结构在焊接过程中，局部区域受到高温作用，引起不均匀加热和冷却，使构件产生变形

32、。由于冷却时，焊缝和焊缝附近的钢材不能自由收缩，受到约束而产生焊接应力。（1）纵向焊接残余应力（指沿焊缝长度方向的应力）：不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。高温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低、膨胀较小的钢材的限制，产生了热状态塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩得比原始长度稍短，这种缩短变形受到两侧钢材的限制，使焊缝区产生纵向拉应力。焊接残余应力是一种没有荷载作用下的内应力，因此在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力。（先冷区产生压应力，后冷区产生拉应力)第53页/共129页7.5 焊接残余应力和焊接残余变形 （）横向残余应力(垂直焊缝长度方向且平行与构件表

33、面的应力):一是焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反向弯曲变形，焊缝将两块板连成整体，中间产生横向拉应力，两端产生压应力。二焊缝在施焊过程中，先焊的焊缝已凝固，会阻止后焊焊缝横向的自由膨胀，使其发生横向的塑性压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力。第54页/共129页7.5 焊接残余应力和焊接残余变形 （3）沿焊缝厚度方向的残余应力：在厚钢板的连接中，焊缝需要多层施焊。除有纵向和横向焊接残余应力x、y外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接残余应力z。这三种应力形成比较严重的同号三轴应力，大大降低结构连接的塑性。焊接应力的影响

34、（1）对结构静力强度的影响：对于具有一定塑性的材料，在静力荷载作用下，焊接残余应力不影响结构强度。（2）对结构刚度的影响：焊接残余应力降低结构刚度。（3）对压杆稳定的影响：焊接残余应力使压杆的挠曲刚度减小，从而降低稳定承载力。（4）对低温冷脆的影响：在厚板和有三向交叉焊缝的情况下，将产生三向焊接残余应力，阻碍塑性变形，在低温下使裂纹容易发生和发展，加速构件脆性破坏。第55页/共129页7.5 焊接残余应力和焊接残余变形（3）对疲劳强度的影响：焊接残余应力对疲劳强度有不利影响，原因就在于焊缝及其近旁的高额残余拉应力。焊接残余变形由于在焊接过程中的不均匀加热和冷却，焊缝收缩时，势必使构件产生局部鼓

35、曲、歪曲、弯曲或扭转等。焊接残余变形包括纵向收缩、横向收缩、角变形、弯曲变形和扭曲变形等。第56页/共129页7.5 焊接残余应力和焊接残余变形减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法 1.采取适当的焊接次序：如厚度方向分层焊，钢板分块焊，钢板对接时分段焊。2.施焊前给构件以一个和焊接变形相反的预变形，使构件在焊接后产生的焊接变形与之正好抵消。3.对于小尺寸焊件，在施焊前预热，或施焊后回火，可以消除焊接残余应力。合理的焊缝设计 为减少焊接应力与焊接变形，在构造上宜采取一些措施：（1）焊接位置要合理，焊接的布置应尽可能对称于构件重心，以减少焊接变形。（2）焊缝尺寸要适当，可以采用较小的焊脚尺寸，并加

36、大焊缝长度，使需要的焊缝总面积不变。第57页/共129页7.5 焊接残余应力和焊接残余变形（3）焊缝不宜过分集中。（4）应尽量避免三向焊缝相交，可使次要焊缝中断，主要焊缝连续通过。（5）要考虑钢板的分层问题。为保证焊接结构的质量，还要注意：1.要考虑施焊时，焊条是否易于到达。2.焊缝连接构造要尽可能避免仰焊。第58页/共129页 7.6 普通螺栓连接的构造和计算 螺栓的排列分为并列和错列，排列时应满足以下要求：1.受力要求 为避免钢板端部不被剪断，螺栓端距不应小于2d0。对于受拉构件，栓距和线距不应过小，否则应力集中较大，钢板削弱较多；对于受压构件，沿受力方向的栓距不宜过大，否则被连板件间易发

37、生凸曲。螺栓端距容许间距应满足表7-5的规定。.构造要求 当栓距及线距过大时，被连构件接触面不够紧密，潮气易进入而产生腐蚀，所以规定了螺栓的最大容许间距。.施工要求 要保证一定的施工空间，便于转动螺栓扳手，规定了螺栓最小容许间距。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第59页/共129页 普通螺栓连接按传力方式分为抗剪螺栓和抗拉螺栓。.抗剪螺栓连接 抗剪螺栓受力后，首先由构件间摩檫力抵抗外力，随后出现滑移，栓杆和孔壁接触，栓杆受剪，孔壁受压。普通螺栓有以下5种破坏形式：计算保证构造（）限制端距 2d0；保证（）限制板叠厚度d（1）螺杆杆被剪断；（2）孔壁挤压；（3）钢板被拉断；（4）钢板被剪断；（5

38、）螺栓杆弯曲破坏。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第60页/共129页 当构件节点或拼接焊缝一侧螺栓过多，且沿受力方向的连接长度过大时，端部螺栓因受力过大而逐个破坏，即“解纽扣现象”。因此，规范规定：当d0时，应将螺栓的承载力乘以折减系数:当d0时，折减系数为0.7。当连接处于弹性阶段时，螺栓群中各螺栓受力不等，两端大中间小，超出弹性阶段出现塑性变形后，因内力重分布，各螺栓受力趋于均匀。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第61页/共129页 一个抗剪螺栓的承载力按下列两式计算，取两者最小值，即：受剪承载力：（7-27）承压承载力：（7-28）式中：个剪力螺栓的承载力设计值；螺栓的受剪面数，单剪=

39、1.0，双剪 =2.0，四剪.0；d 螺杆直径；螺栓的抗剪、承压强度设计值；同一受力方向承压构件的较小厚度。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第62页/共129页2.抗拉螺栓连接 在受拉螺栓连接中，外力趋向于将被连构件拉开，使螺栓受拉，最后栓杆拉断。一个抗拉螺栓承载力计算公式：（7-29）式中：de 螺栓有效直径，查表，或de=d-0.9382p；螺栓抗拉强度设计值。在螺栓T形连接中，由于角钢肢外侧撬力Q作用，螺栓实际受力有所增大，而撬力Q的计算较为复杂。规范规定：普通螺栓抗拉强度设计值 取同样钢号钢材抗拉强度设计值f的0.8倍（即 ），近似考虑撬力Q的影响。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第6

40、3页/共129页螺栓群的计算1.螺栓群在轴力作用下的抗剪计算1 1）受力分析受力分析 当外力通过螺栓群形心时，如螺栓连接处于弹性阶段螺栓当外力通过螺栓群形心时，如螺栓连接处于弹性阶段螺栓群的各螺栓受力不等，两端螺栓较中间的受力大；当外力继续群的各螺栓受力不等，两端螺栓较中间的受力大；当外力继续增大时，使受力大的螺栓超过弹性极限而达到塑性阶段，各螺增大时，使受力大的螺栓超过弹性极限而达到塑性阶段，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直至破坏。栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直至破坏。2 2）计算步骤）计算步骤 计算时假定所有螺栓受力相等。计算时假定所有螺栓受力相等。计算一个抗剪螺栓的设计承载

41、力：计算一个抗剪螺栓的设计承载力：；计算出接头一侧所需的螺栓数目：计算出接头一侧所需的螺栓数目：；7.6 普通螺栓连接的构造和计算第64页/共129页由于板件和拼接板截面被消弱，需要验算净截面强度。An净截面面积。对图7-70所示的螺栓连接区，受力最大的板件和拼接板净截面面积计算方法如下：并列螺栓排列：板件截面面积：拼接板截面面积：错列螺栓排列：除应考虑上述并列时的情况，还应考虑沿折线截面破坏的可能，沿折线截面面积：7.6 普通螺栓连接的构造和计算第65页/共129页2.螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算1）受力分析 假设：被连接构件是刚性的，螺栓是弹性的；各螺栓绕螺栓群形心旋转，受力大小与其至螺栓

42、群形心的距离成正比，力的方向垂直于其与形心的连线。2）计算步骤 承受扭矩的螺栓连接，一般是先布置好螺栓，再计算受力最大的剪力和一个抗剪螺栓承载力设计值Nbmin进行比较。根据力矩平衡方程：由受力分析知，螺栓受力大小与其距形心的距离成正比：即：7.6 普通螺栓连接的构造和计算第66页/共129页 螺栓群在通过其形心的剪力V和轴力N作用下,螺栓受力相同，每个受力为：3.螺栓群在扭矩、剪力和轴力共同作用下的计算 7.6 普通螺栓连接的构造和计算第67页/共129页在扭矩，剪力和轴力共同作用下，最危险螺栓1的验算公式：在扭矩作用下，受力最大的螺栓沿x，y所受分力为：7.6 普通螺栓连接的构造和计算第6

43、8页/共129页螺栓最大内力为：5.螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算 通常近似假定转动中和轴在最下边一排螺栓轴线上，并且忽略压力所提供的力矩，螺栓承担弯矩为：（7-40）7.6 普通螺栓连接的构造和计算第69页/共129页6.螺栓群同时承受剪力和拉力的计算 1、假定支托在安装横梁时起临时支承作用，剪力V不通过支 托传递。此时螺栓承受弯矩M=Ve和剪力V：弯矩作用下：剪力作用下：弯矩和剪力共同作用下应满足：且2、假定剪力V由支托承受，弯矩M=Ve由螺栓承受。支托和柱 翼缘间用角焊缝连接。按以下两式确定：为考虑V对焊缝的偏心影响，其值取1.251.35（7-41）7.6 普通螺栓连接的构造和计算第70

44、页/共129页例：图示为角钢拼接节点，采用C级普通螺栓连接。角钢型号为L755，轴心拉力为N=120KN,拼接角钢采用与构件相同的截面，材料采用Q235。螺栓直径d=20mm,孔径d。=21.5mm,螺栓抗剪强度设计值 =130N/mm,承压强度设计值 =305N/mm，钢材抗拉强度设计值f=215N/mm。试设计该拼接节点。222解：（1）计算螺栓数 一个螺栓的抗剪承载力计算为：7.6 普通螺栓连接的构造和计算第71页/共129页一个螺栓的承压承载力设计值为:构件一侧所需的螺栓数：每侧用5个螺栓。（2）构件净截面强度验算：角钢的毛截面面积为A=7.412cm2 7.6 普通螺栓连接的构造和计

45、算第72页/共129页 7.6 普通螺栓连接的构造和计算第73页/共129页例：如图示，采用B级普通螺栓，被连接的钢板为37014，钢材为Q235。作用在螺栓群形心上的弯矩M=49KNm,轴向拉力为N=300KN,剪力为V=300KN。螺栓M20，孔径20.5mm。B级螺栓抗剪强度设计值 =250N/mm,螺栓承压强度设计值 =400N/mm,Q235钢的抗拉强度设计值 f=215N/mm。试计算螺栓和拼接处钢板是否安全。fA 7.6 普通螺栓连接的构造和计算第74页/共129页解:先计算一个螺栓的承载力：再计算螺栓的最大内力，将剪力V移至螺栓群形心，所引起的附加弯矩:M1=300（4.5+0

46、.5+7.0/2）=2400KNcm=24KNm修正后的弯矩:M=49+24=73KNm螺栓的最大内力：7.6 普通螺栓连接的构造和计算第75页/共129页可知右上角螺栓A受力最大，为:7.6 普通螺栓连接的构造和计算第76页/共129页不安全。最后验算钢板净截面面积。由图可见，只验算II净截面。=371.42.051.45=37.45cm2 7.6 普通螺栓连接的构造和计算第77页/共129页正应力不安全。剪应力由于出现在钢板边缘，出现钢板中间，故不必求折算应力。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第78页/共129页例：设有一牛腿，用C级螺栓连接与钢柱上，牛腿下有一支托承受剪力，钢材为Q235

47、钢，螺栓采用M20，栓距70mm。荷载F=100KN,作用点距离柱翼缘表面为200mm,水平轴向力N=120KN。验算螺栓强度和支托焊缝，采用焊条E43，角焊缝强度设计值 =160N/mm2。若改用B级螺栓，可否不用支托承担。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第79页/共129页解:C级螺栓，承受N=120KN和由F=100KN引起的弯矩,假定剪力V=100KN完全有支托承担。一个抗拉螺栓的承载力设计值为：先假定牛腿绕螺栓群形心转动，最外排的螺栓拉力：计算结果说明连接构件应绕底排螺栓转动。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第80页/共129页最危险的螺栓受力为：支托承受剪力V=100KN,用焊缝h

48、f=8mm,得：如果改用B级螺栓，抗拉强度设计值为 =350N/mm得：安全安全 7.6 普通螺栓连接的构造和计算第81页/共129页每个螺栓的剪力为螺栓最大拉力与前面的相同，=35050N同时受拉力和剪力的螺栓计算得：因此，若改用B级螺栓，可取消支托。7.6 普通螺栓连接的构造和计算第82页/共129页 高强度螺栓的性能等级有10.9级（20MnTiB钢和35VB钢）和8.8级（40B钢、45号钢和35号钢）。级别划分的小数点前数字是螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后数字是屈强比（屈服强度fy与抗拉强度fu的比值）。如8.8级钢材的最低抗拉强度为800N/mm2，屈服强度为0.8800=6

49、40N/mm2。高强度螺栓摩擦型孔径比螺栓公称直径大1.52.0，承压型的孔径则大1.01.5。高强度螺栓连接的性能高强度螺栓连接按受力方式特征分为：高强度螺栓摩擦型连接；高强度螺栓承压型连接；承受拉力的高强度螺栓连接；7.7 高强度螺栓连接的性能和计算 7.7 高强度螺栓连接的性能和计算第83页/共129页 高强度螺栓摩擦型连接单纯依靠被连接构件间的摩擦力来传递外力，以剪力等于摩擦力为承载能力的极限状态。高强度螺栓承压型连接的传力特征是剪力超过摩擦力时，构件间相互滑移，螺栓杆身于孔壁接触，开始受剪并和孔壁承压。连接接近破坏时，剪力全由杆身承担。高强度螺栓承压型连接以螺栓或钢板破坏为承载能力极

50、限状态，可能的破坏形式和普通螺栓相同。承受拉力的高强度螺栓连接，由于预拉力作用，构件在承受荷载前已有很大的挤压力，拉力首先抵消这种挤压力。构件完全被拉开后，高强度螺栓受力情况就和普通螺栓受拉相同。当拉力小于挤压力时，构件未被拉开，可以减少锈蚀危害，改善连接的疲劳性能。7.7 高强度螺栓连接的性能和计算第84页/共129页 引入安全系数0.9后，预拉力设计值为：式中：u-高强螺栓抗拉强度；Ae-高强螺栓有效面积。栓杆预拉力、连接表面的抗滑移系数和钢材种类都直接影响到高强度螺栓连接的承载力。.高强度螺栓的预拉力高强度螺栓的预拉力是通过扭紧螺帽实现的。一般采用扭矩法、转角法或扭掉螺栓梅花头来控制预拉