钢结构的连接设计

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,*,*,3.1,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,3-1,）。,3.2,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可分为平接、搭接、T形连接和角接四种。（,图,3-2,）,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,焊缝中可能存在裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等缺陷。（,图,3-3,）,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,。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,焊缝符号主要由,图形符号、辅助符号和引出线,等部分组成。 （,表,3-1a,） （,表,3-1b,）,3,钢结构的连接设计,3 钢结构的连接设计,1,3.3,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3-4）,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,（,l,w,t,）,f,w,t,或,f,w,c,(3-1),式中,N,轴心拉力或压力的设计值；,l,w,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2,t,；,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;,f,t,w,，,f,c,w,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,M,W,w,f,w,t,(3-2),VS,（,I,w,t,）,f,w,V,(3-3),(3-4),3,钢结构的连接设计,2,3.4 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90,0,（直角角焊缝），夹角大于135,0,或小于60,0,的斜角交焊缝，除钢管结,构外，一般不宜用作受力焊缝。,（图3-5）,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,h,e,，当,90,o,时，,h,e,0.7,h,f,；当,90,o,时，,h,e,h,f,cos(,/2)。,(2) 角焊缝的尺寸限制,焊脚尺寸,h,f,应与焊件的厚度相适应，不宜过大或过小。,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。,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。,（图3-6）,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,。,(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,3,(4) 常用连接方式的角焊缝计算,受轴心力作用时,（图3-7）,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 ,l,w,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2,h,f,。,三面围焊时，先按式（36）计算计算正面角焊缝受力,N,1,，再由,N,N,1,按式（37）计算。,弯矩单独作用时,（图3-8）,(3-8),式中,W,w,角焊缝有效截面的截面模量。,扭矩单独作用时,（图3-9）,(3-9),式中,J,角焊缝有效截面的极惯性矩，,J,=,I,x,I,y,；,r,A,A,点至形心,o,点的距离。,3,钢结构的连接设计,4,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,5,3,钢结构的连接设计,6,3,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,7,3,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.,d,0,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,8,3,钢结构的连接设计,3.6 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,有五种破坏形式，见,图3-12。,9,3,钢结构的连接设计,10,3,钢结构的连接设计,抗拉螺栓连接,11,3,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,3-15,a,),；当螺栓群连接长度,l,1,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,3-15,b,),。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,l,1,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,l,1,大于15,d,0,时,，应将螺栓的承载力乘以折减系数, =,1.1,l,1,/,150,d,0,，当,l,1,大于60,d,0,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,b,min,(3-15),此时应验算板的净截面强度,=,N,/,A,n,f,(3-16),12,3,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,13,3,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,t,b,(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,14,3,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,=,V,e,和剪力,V,，,N,t,按式(3-20)计算。,15,3,钢结构的连接设计,3.7 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,、,高强螺栓承压型连接,和,承受拉力的高强螺栓连接,。,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,16,3,钢结构的连接设计,高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数,2. 高强螺栓的抗剪承载力设计值,高强度螺栓摩擦型连接,17,3,钢结构的连接设计,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)和(3-12),。,3. 高强螺栓群的抗剪计算,轴心力作用时,螺栓数,按式,(3-15),计算，其中,N,b,min,对摩擦型为式,(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,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),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,18,3,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,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,0.8,P,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,b,t,= 0.8,P,(3-25),受轴心拉力作用时，螺栓数为,n = N,/,N,b,t,=,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,N,1,M,=,M y,1,/,m,y,i,2,(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),所示的内力分布计算。,图3-22 高强螺栓受弯连接,19,3,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,，按下式计算,对于高强度螺栓承压型连接,，按下式计算,20,3,钢结构的连接设计,21,3,钢结构的连接设计,22,