钢结构连接与受力分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,钢结构的连接和节点构造,1,连接要求,足够的强度、刚度和延性,连接方法,焊接、铆接和螺栓连接,1 钢结构对连接的要求及连接方法,（,a,）焊接连接；（,b,）铆钉连接；（,c,）螺栓连接,2,2,焊接连接的特性,1 焊接方法,电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等,3,2 焊接连接的优缺点,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,4,3 焊缝缺陷,焊缝缺陷,裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、 焊瘤等,(,a,) 热裂纹；(,b,) 冷裂纹；(,c,) 气孔；(,d,) 烧穿；(,e,) 夹渣,5,(,f,) 根部未焊透；(g) 边缘未熔合；(,h,) 层间未熔合；(,i,) 咬边；(,j,) 焊瘤,6,焊缝等级：,钢结构工程施工质量验收规范,（,GB50205,）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：,高空安装焊缝，强度设计值乘以,0.9,7,4 焊缝连接型式及焊缝型式,连接型式,平接、搭接、T形连接和角接,8,连接型式,对接焊缝和角焊缝,正面角焊缝,侧面角焊缝,连续角焊缝,断续角焊缝,9,施焊位置,俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊,10,5 焊缝代号,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,11,12,13,3,对接焊缝的构造和计算,1 构造要求,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,（,a,）I形缝；（,b,）带钝边单边V形缝；（,c,）Y形缝,14,（d）带钝边U形缝；（e）带钝边双单边V形缝；（f）双Y形缝；（g）、（h）、（i）加垫板的I形缝、带钝边单边V形缝和Y形缝,15,16,17,2 对接焊缝的计算,计算原则,用计算 焊件的方法。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,N,（,l,w,t,）,f,w,t,或,f,w,c,18,（2）,受弯、受剪的对接焊缝计算,M,W,w,f,w,t,VS,（,I,w,t,）,f,w,V,19,20,3 部分焊透的对接焊缝,计算原则：,按角焊缝计算,21,4,角焊缝的构造和计算,1 构造和强度,截面形状,22,应力分布,侧面角焊缝的应力分布,23,角焊缝的应力位移曲线,24,正面角焊缝的应力分布,25,焊脚尺寸,h,f,应与焊件的厚度相适应。,对手工焊，,h,f,应不小于 ，,t,为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm；,h,f,应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。,26,对于板件边缘的焊缝，当,t,6mm时,，,h,f,t,；当,t,6mm时,，,h,f,t ,(12)mm。,焊缝长度,l,w,也不应太长或太短，其计算长度,不宜小于,8,h,f,或,40mm ，且,不宜大于,60,h,f,27,2 角焊缝计算的基本公式,28,则有,可得角焊缝计算的基本公式为,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时,29,仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时,受各力综合作用时,30,3 常用连接方式的角焊缝计算,1、受轴心力作用的拼接板连接,仅侧面角焊缝（图,a,）,仅正面角焊缝（图,b,）,31,三面围焊时（图,c,）,先计算计算正面角焊缝受力,N,1,，剩 余的,N,N,1,由侧面角焊缝承担。,菱形拼接板（图,d,）,简化计算不计正面及斜焊缝的,f,：,32,2、受轴心力作用的角钢连接,当用侧面角焊缝连接时（图,a,）,肢背,N,1,=,e,2,N /,（,e,1,+e,2,）,=,K,1,N,肢尖,N,2,=,e,1,N /,（,e,1,+e,2,）,=,K,2,N,33,34,三面围焊时（图,b,）,正面角焊缝承担的力为,N,3,=0.7,h,f,l,w3,f,f,f,w,侧面角焊缝承担的力为,肢背,N,1,=,e,2,N /,（,e,1,+e,2,）,N,3,/,2=,K,1,N,N,3,/,2,肢尖,N,2,=,e,1,N /,（,e,1,+e,2,）,N,3,/,2=,K,2,N,N,3,/,2,35,L,形焊缝（图,c,）,正面角焊缝承担的力为,N,3,=0.7,h,f,l,w3,f,f,f,w,侧面角焊缝承担的力为,N,1,=,N,N,3,36,3、弯矩作用下的焊缝,37,4、扭矩作用下的焊缝,焊缝群受扭：,假定,被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；,被连接板件绕角焊缝有效截面形心,o,旋转，角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心,o,的连线，应力的大小与其距离,r,的大小成正比。,38,环焊缝受扭,39,5、弯矩、剪力和轴心力共同作用,40,6、扭矩、剪力和轴心力共同作用,41,7、塞焊计算,42,1 焊接残余应力的分类和产生的原因,纵向残余应力,5,焊接残余应力和残余变形,43,横向,残余应力,44,厚度方向的,残余应力,45,约束状态下的焊接,应力,46,2 焊接残余应力的影响,对结构静力强度的影响,47,对结构刚度的影响,对压杆稳定的影响,48,对低温冷脆的影响,对疲劳强度的影响,49,3 焊接残余变形,残余变形形式,50,残余变形形式,51,4 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法,采取合理的施焊次序,52,施焊前加相反的预变形（图,a,、,b,）,焊前预热，焊后回火（图,c,）,53,5 合理的焊缝设计,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（图,a,）,应尽量避免三向焊缝交叉（图,b,）,考虑钢板分层问题（图,c,）,焊条易达到（图,d,）,避免仰焊,54,6,普通螺栓的构造和计算,普通螺栓连接,A、B级螺栓5.6级和8.8级，d,0,-d=0.30.5mm，钻成孔,C级螺栓4.6级和4.8级，d,0,-d=1.01.5mm，冲成孔,高强度螺栓连接,8.8级和10.9级， d,0,-d=1.01.5mm，钻成孔,摩擦型连接，承压型连接,55,1 螺栓连接的排列和构造要求,排列方式：,并列或错列,56,排列要求,受力要求：,钢板端部剪断，端距不应小于,2,d,0,;,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,57,58,孔、螺栓图例,59,2 普通螺栓连接的构造和计算,传力方式：,抗剪螺栓,抗拉螺栓,同时抗剪抗拉螺栓,计算方法：,螺栓承载力计算,螺栓群中受力最大螺栓,1,单个螺栓的承载力设计值,=,螺栓,1,的内力,（,1,）单个螺栓的承载力设计值,（,2,）螺栓群内力计算,60,1、抗剪螺栓连接,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,61,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。,62,为防止“解纽扣”破坏，当连接长度,l,1,较大时，应将螺栓的承载力乘以折减系数,：,当,l,1,15,d,0,时，,=,1.0,当 15,d,0,l,1,60,d,0,时，,=,1.1,l,1,/150,d,0,当,l,1,60,d,0,时，,=,0.7,63,一个抗剪螺栓的设计承载力计算,抗剪,承载力设计值：,承压,承载力设计值：,(,a,) 单剪 (,b,) 双剪 (,c,) 四剪面,一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的,较小值,。,64,2、抗拉螺栓连接,破坏形式：,螺栓杆拉断,抗拉承载力设计值,为考虑,撬力,的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值,f,t,b,取同样钢号钢材抗拉强度设计值,f,的,0.8,倍(即,f,t,b,=0.8,f,),65,3、螺栓群的内力计算,a.螺栓在轴心力作用下的抗剪计算,轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布,螺栓数目,板件净截面强度,净截面面积和受力,并列,（图,a,）,N,1,=N,；,N,2,=N,(,n,1,/,n,),N,；,N,3,=,N,(,n,1,+,n,2,)/,n,N,对被连接板：,A,n,=t,(,b,n,1,d,0,),对拼接板：,A,n,=,2,t,1,(,b,n,3,d,0,),66,错 列,（图,b,）,除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截面的破坏，净截面面积为,67,b、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算,基本假定,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。,68,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,则,或,验算,69,c、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算,70,在剪力,V,和轴力,N,作用下，螺栓均匀受力：,则螺栓1受的最大剪力,N,1,应满足：,在扭矩,T,作用下，螺栓1 受力为,71,d、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算,轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布,e、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算,假定：,中和轴在 指向的第一排螺栓处,则,指所有螺栓对中和轴之,距平方和。,72,f、螺栓群同时受剪力和拉力的计算,支托仅起安装作用：,螺栓群受力为,M,=,Ve,和剪力,V,，则,73,螺栓不发生拉剪破坏：,板不发生承压破坏：,支托承受剪力：,螺栓群只承受弯矩,M,=,Ve,作用，则,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1.251.35,74,1 高强度螺栓连接的性能,级别：,10.9,级和,8.8,级,（小数点前为螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后的数字是屈强比）,栓孔：,钻成孔,按受力特征分类：,摩擦型连接、承压型连接,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,高强度螺栓连接的性能和计算,75,1、高强螺栓连接的预拉力,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,。,76,2、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数,对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈；对于摩擦型连接，要求见下表：,3、高强螺栓的排列,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。,77,78,2 高强度螺栓的抗剪承载力设计值,1、高强螺栓摩擦型连接,R,为,抗力分项系数,R,的倒数，一般取0.9，最小板厚,t,6mm的冷弯薄壁型钢结构取0.8,2、高强螺栓承压型连接,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。,79,3 高强度螺栓群的抗剪计算,1、轴心力作用时（内力均匀分布）,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%,）,高强度螺栓摩擦型连接的孔前传力,80,2、扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同时,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。,81,4 高强度螺栓的抗拉计算,1、高强度螺栓的抗拉连接性能,82,当,N,t,=0.8,P,时，,P,f,=1.07,P,。可认为螺栓中的预拉力基本不变。,83,撬力的影响：,限制抗拉承载力在,0.8,P,以内,84,2、高强度螺栓的抗拉连接计算,抗拉承载力,轴心拉力的螺栓数：,弯矩作用时：,85,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,M,指向的,第一排螺栓处,86,5 同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算,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,且,当剪切面在螺纹处时，取,87,叠放板材的弯曲变形,8,焊接梁翼缘焊缝的计算,88,无局部压应力时的梁翼缘焊缝受力,89,焊缝受力：,焊脚尺寸：,双层翼缘板时的焊缝受力,90,有局部压应力时的梁翼缘焊缝受力,则,焊脚尺寸为：,91,功能：,将柱子内力可靠地传给基础；,和基础有牢固连接；,尽可能符合计算简图。,连接方式：,铰接：支承式,刚接：支承式,(,外露式,),埋入式,(,插入式,),外包式,9,柱脚设计,92,1 轴心受压柱的柱脚,1、柱脚的型式和构造,(,a,) 轴承式铰接柱脚；(,b,)、(,c,) 平板式铰接柱脚,93,刚接柱,脚,94,2、轴心受压柱脚的计算,内容：,确定底板的尺寸、靴梁的尺寸及它们之间的连接焊缝。,(1),底板计算,底板平面尺寸,A,=,N,/,f,cc,底板中如有锚栓孔，,A,中应包含锚栓孔面积,A,0,。,B,=,b,+2,t,+2,c,c,取,210cm,，且使,B,为整数。,L,=,A,/,B,q,=,N/,(,B,L,-,A,0,),95,底板厚度,底板厚度由板抗弯强度决定。地板被分为四边支承板、三 边支承板和悬臂板。,M,4,=,qa,2,四边简支板的弯矩系数,M,3,=,qa,1,2,b,1,/a,1,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,0.026,0.042,0.058,0.072,0.085,0.092,0.104,0.111,0.125,0.125,96,M,1,=,qc,2,/2,则,底板的厚度一般在20mm40mm之间，不宜小于14mm。,(2) 靴梁计算,厚度与被连接的柱子翼缘大致相同，高度由连接柱所需要的焊缝确定。,二块靴梁板承受的最大弯矩：,M,=,qBl,2,/2,二块靴梁板承受的最大剪力：,V,=,qBl,(3) 隔板计算,厚度不小于长度的1/50，受力取阴影部分基础反力。,97,