第3章钢结构的连接教学课件

本章学习要点掌握连接的构造设计，能熟练地进行传力分析及连接的计算；能严格区分：焊透的对接焊缝连接和直角角焊缝连接的工作状态和计算方法的不同点；普通螺栓连接和高强度螺栓连接的工作状态和计算方法的不同点；了解各种连接的特点；了解焊接残余应力和焊接残余变形的基本概念及其对结构工作的影响。3.1 钢结构的连接方法焊接连接螺栓连接铆钉连接一、焊接连接方法：电弧产生热量焊条和焊件局部熔化冷却凝结成焊缝焊件连接成一体。优点：不削弱截面，构造简单，方便施工，连接刚度大。缺点：材质变脆，存在残余应力，对裂纹敏感。应用范围：工业与民用建筑钢结构中的绝大部分连接。对接焊缝连接对接焊缝连接角焊缝连接角焊缝连接二、铆钉连接方法：孔比铆钉直径大1mm，钉杆加热9001000，插入钉孔，铆钉枪打铆。优点：连接刚度大，传力可靠。缺点：对施工技术要求很高，费钢费工。应用范围：目前已逐步被高强螺栓所取代。二、螺栓连接方法：通过螺栓产生紧固力，使被连接件连接成为一体。分类：普通螺栓连接 高强度螺栓连接A级、B级螺栓C级螺栓摩擦型承压型10.9S、8.8S高强度螺栓热处理后的屈强比的10倍热处理后的抗拉强度的14.6 4.88.8N二、螺栓连接普通螺栓连接A级、B级螺栓C级螺栓（精制螺栓）（粗制螺栓）螺栓孔类孔类孔应用范围：直接受较大动力荷载的重要结构的安装螺栓受拉安装螺栓；次要结构、可拆卸结构的受剪连接；安装时的临时连接d0d1.5mm3.0mmd0d0.3mm0.5mm二、螺栓连接高强度螺栓连接 摩擦型传力方法：依靠接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移，传递外力。优点：连接变形小，受力好，耐疲劳，可拆换，施工简便。应用范围：桥梁、高层钢结构、工业厂房钢结构d0d1.5mm2.0mm二、螺栓连接高强度螺栓连接 承压型传力方法：先由摩擦传力，滑移后依靠栓杆抗剪和承压传力。优点：承载能力高。应用范围：承受静力或间接动力荷载的结构缺点：摩擦力被克服后变形较大。d0d1.0mm1.5mm3.2 焊接连接的特性焊接方法焊缝连接形式一、焊接方法电弧焊（1）手工电弧焊方法：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；焊条：E43（T42）适用于Q235 E50（T50）适用于Q345 E55（T55）适用于Q390，Q420 其中43，50，55最小抗拉强度 焊接位置及电流种类，药皮。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧一、焊接方法电弧焊（2）自动（半自动）埋弧焊方法：利用电弧产生热量熔化焊丝、焊剂和母材形成焊缝。优点：焊缝质量均匀，内部缺陷少，塑性、冲击韧性好，焊接速度快，生产效率高，成本低，劳动条件好；适用：梁、柱、板等的大批量拼装制造焊缝。半自动不规则的焊缝或间断短焊缝自动有规则的较长焊缝、焊丝转盘焊丝转盘送丝器送丝器焊剂漏斗焊剂漏斗焊剂焊剂熔渣熔渣焊件焊件埋弧自动焊埋弧自动焊一、焊接方法电弧焊（3）CO2气体保护焊方法：CO2气体作为电弧的保护介质，使熔化金属与空气隔离，以保持焊接过程稳定。优点：焊接速度快，强度高、塑性和抗腐性好。适用：厚或特厚钢板的焊接。焊接连接视频演示二、焊接连接形式对接连接搭接连接T形连接角部连接焊接连接形式动画演示三、焊缝形式对接焊缝焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝按沿长度方向的布置连续角焊缝断续角焊缝正对接焊缝斜对接焊缝按外力方向侧焊缝焊缝轴线平行于力线；端焊缝焊缝轴线垂直于力线；斜焊缝焊缝轴线倾斜于力线。角焊缝动画：侧焊缝back动画：端焊缝back动画：斜焊缝back四、焊缝的施焊位置平焊立焊横焊仰焊船形焊3.3 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造对接焊缝的强度对接焊缝的计算对接焊缝的构造按焊件厚度不同，在焊件边缘加工成不同形式的坡口连接不同宽度或厚度的钢板时，应从板的一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5的斜角，两钢板厚度6mm时，当t6mm时，最大焊脚尺寸：角焊缝的构造侧面角焊缝的最大计算长度：（静力或间接动力荷载）（动力荷载）40mm角焊缝的最小计算长度：杆件与节点板的连接焊缝，一般采用两边侧焊缝、三面围焊或L形焊缝。当角焊缝的端部在构件转角处时，作长度为2hf 的绕角焊，所有围焊和绕角焊的转角处，必须连接施焊。围焊和绕角焊：角焊缝的构造两侧焊缝连接的焊缝长度及搭接宽度：200mm （tmin 12mm）（tmin12mm)t1t2端焊缝连接的搭接长度：角焊缝的强度侧面角焊缝的应力状态简单；弹性阶段；两端大，中间小；破坏面：45度喉部截面。角焊缝的强度正面角焊缝的应力状态复杂；破坏面：AB、BC、BD截面。破坏强度高于侧面角焊缝。塑性变形低于侧面角焊缝。直角角焊缝强度计算的基本公式NsinNcosNNsin直角角焊缝强度计算的基本公式正面角焊缝的强度设计值增大系数直接承受动力荷载时：端焊缝：侧焊缝：轴心力作用时角焊缝连接的计算用盖板的对接连接1正面角焊缝受力：2侧面角焊缝受力：3三面围焊缝受力：轴心力作用时角焊缝连接的计算斜向轴心力1分力法：2直接法：斜焊缝的强度设计值增大系数直接承受动力荷载时：轴心力作用时角焊缝连接的计算角钢和节点板的连接三面围焊轴心力作用时角焊缝连接的计算角钢和节点板的连接两面侧焊轴心力作用时角焊缝连接的计算角钢和节点板的连接L形焊M、N、V联合作用矩形截面M、N、V联合作用工字梁（或牛腿）与柱翼缘假定：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩M、N、V联合作用工字梁（或牛腿）与柱翼缘M、N、V联合作用工字梁（或牛腿）与柱翼缘假定：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩M、N、V联合作用工字梁（或牛腿）与柱翼缘T、V、N联合作用围焊受T作用的计算假定（1）钢板绝对刚性，焊缝在弹性范围内工作；（2）焊缝上任一点的应力，其方向与该点和焊缝形心点的连线垂直，其大小与连线的长度成正比。T、V、N联合作用围焊受T、V、N作用ABT、V、N联合作用围焊受T、V、N作用T：V：N：3.5 焊接应力和焊接变形焊接应力产生的原因焊接应力对结构的影响焊接变形的产生和防止焊接应力和变形钢材焊接时在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部残存应力并引起变形。焊接应力的分类和产生原因纵向焊接应力焊接应力的分类和产生原因横向焊接应力焊接应力的分类和产生原因厚度方向焊接应力焊接应力对结构性能的影响对静力强度无影响无焊接应力：有焊接应力：焊接应力对结构性能的影响降低构件的刚度无焊接应力：有焊接应力：焊接应力对结构性能的影响降低构件的稳定承载力 降低构件的疲劳强度 加剧低温冷脆 焊接变形纵向和横向收缩弯曲变形角变形波浪变形扭曲变形动画：焊接残余变形弯曲变形back动画：焊接残余变形角变形动画：焊接残余变形角变形back动画：焊接残余变形波浪变形动画：焊接残余变形波浪变形back动画：焊接残余变形扭曲变形（顺序错误）back焊接变形对结构工作的影响构件不平整，安装困难，且产生附加应力；变轴心受压构件为偏心受压构件。减少焊接应力和变形的措施设计方面（1）对称布置焊缝，减小变形；（2）采用细长，不采用短粗的焊缝；（3）不等高连接加不大于1/2.5的斜坡，减小应力集中；（4）焊缝不宜过于集中，不要出现三向交叉焊缝；（5）避免厚度方向收缩应力；（6）注意施焊方便，以保证焊接质量。减少焊接应力和变形的方法工艺方面（3）焊件预热、焊后回火、局部加热法；（4）锤击法；（2）反变形法；（1）合理施焊次序；动画：合理的施焊顺序动画：合理的施焊顺序（跳焊）动画：工字型截面焊接变形（顺序正确）back3.6 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓的排列和构造要求普通螺栓的工作性能螺栓群的计算螺栓的排列并列简单，但截面消弱较大错列可减小截面消弱，但排列较繁螺栓的排列受力施工构造型钢还应符合线距和最大孔径要求。排列原则按最小容许距离5mm倍数等距离布置连接分类抗剪螺栓连接抗拉螺栓连接拉剪螺栓连接受剪连接板件之间有相对错动的趋势；受拉连接板件之间有相互脱开的趋势。受剪螺栓连接受力性能栓杆传力弹性段（23）：靠螺栓与孔壁接触传力；滑移段（12）：摩擦阻力被克服后，板件间产生滑移，栓（钉）杆与孔壁相接触，滑移量取决于栓（钉）杆与孔的间距；弹塑性阶段（34）：剪切变形迅速加大，直到破坏为止。弹性段（01）：板件间相互挤压，靠摩擦阻力传力；受剪螺栓连接破坏形式栓杆剪断 孔壁挤压坏 钢板拉断 端部钢板剪断 栓杆受弯破坏 受剪螺栓连接计算（1）单个受剪螺栓的承载力设计值 一个螺栓的抗剪承载能力：一个螺栓抗挤压承载能力：受剪螺栓连接计算（2）螺栓群计算 基本假定：螺栓群均匀受力。1）螺栓群受轴心力作用 所需螺栓数目受剪螺栓连接计算（2）螺栓群计算 基本假定：被连接板是刚性的,螺栓是弹性的；在扭矩作用下，绕螺栓群中心旋转，每个螺栓受力大小与其到形心的距离成正比，方向垂直于矢径。2）螺栓群受偏心力作用（受扭）受剪螺栓连接计算（2）螺栓群计算 2）螺栓群受偏心力作用（受扭）受拉螺栓连接受力性能构件有分离趋势，使螺栓沿杆轴方向受拉 杠杆效应由于被连接件的刚度不够，在螺栓中产生附加应力。规范中考虑杠杆效应，降低了螺栓的抗拉强度，同时要求设计中应采取构造措施以减少不利影响。破坏形式：螺杆被拉断。受拉螺栓连接计算（1）单个受拉螺栓的承载力设计值 受拉螺栓连接计算（2）螺栓群的计算 1）螺栓群受轴心力作用基本假定：螺栓群均匀受力。所需螺栓数目受拉螺栓连接计算（2）螺栓群计算 基本假定：螺栓群绕最下排螺栓旋转，各排螺栓受力大小与其到最下排的距离成正比。2）螺栓群受弯矩作用 受拉螺栓连接计算（2）螺栓群计算 2）螺栓群受弯矩作用受拉螺栓连接计算（2）螺栓群计算 3）螺栓群受偏心力作用（N、M）受拉螺栓连接计算（2）螺栓群计算 3）螺栓群受偏心力作用（N、M）A.小偏心情况偏心较小，承受拉力为主，螺栓群全部受拉，端部无受压区。中和轴形心轴O受拉螺栓连接计算（2）螺栓群计算 3）螺栓群受偏心力作用（N、M）B.大偏心情况偏心较大，承受弯矩为主，端部有受压区。中和轴最下排螺栓拉剪螺栓连接受力性能和计算拉力：Nt同前N1max剪力：相关方程：孔壁承压破坏螺杆受剪兼受拉破坏3.7 高强度螺栓连接的构造和计算高强度螺栓的排列和构造要求高强度螺栓的工作性能螺栓群的计算高强度螺栓连接的工作性能高强度螺栓的形式大六角头型、扭剪型扭矩法大六角头型扭掉螺栓尾部十二角体转角法扭剪型高强度螺栓的紧固方法高强度螺栓连接的工作性能预拉力的确定尽量高，但在螺栓拧紧过程中不能屈服或断裂材料的不均匀性螺栓紧固后预拉力松弛施拧时产生剪应力增加折算应力以fu作为标准值的系数高强度螺栓摩擦面抗滑移系数影响因素：接触面的处理方法、构件的钢号特点：随接触面间的压紧力减小而降低高强度螺栓连接的工作性能抗剪连接摩擦型承压型依靠被连接构件间的摩擦力传递外力 当剪力超过摩擦力，构件间产生相对滑移，由摩擦力和栓杆抗剪、孔壁承压共同传力。剪力摩擦力设计极限状态 抗剪性能预拉力 栓杆被剪坏或孔壁承压破坏设计极限状态 预拉力 同普通螺栓一样受力抗剪性能一个螺栓的抗剪承载能力：或：高强度螺栓连接的工作性能抗拉连接一个螺栓的抗拉承载能力：高强度螺栓连接的工作性能拉剪连接摩擦型：一个螺栓的抗剪承载能力：高强度螺栓群的抗剪计算轴心力作用同普通螺栓偏心力作用高强度螺栓群的抗拉计算轴心力作用偏心力作用弯矩作用 旋转中心螺栓群的形心轴高强度螺栓群的拉剪计算摩擦型承压型