钢结构连接第3章

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,*,*,2024/10/3,1,第,3,章 钢结构的连接,钢结构的连接方法,焊接方法和焊缝连接型式,角焊接的构造和计算,对接焊缝的构造和计算,焊接残余应力和焊接残余变形,普通螺栓连接的构造和计算,高强度螺栓连接的性能和计算,主要内容：,2024/10/3,2,第,3,章 钢结构的连接,掌握焊接连接的特性和计算,普通螺栓连接、高强度螺栓连接的性能和计算,重点,：,2024/10/3,3,3.1,钢结构的连接方法,连接的要求：足够的强度、刚度和延性,连接方法：焊接、铆接和螺栓连接,钢结构的连接方法,a),N,N,N,N,c),N,N,b),2024/10/3,4,Welded connection,构造简单，用料经济，不削弱截面，加工方便，连接的密封性好，结构刚度大；有焊接残余应力和焊接残余变形，易发生脆性破坏。,Bolted connection,普通螺栓和高强度螺栓。,Riveted connection,很少采用（构造复杂，费工费料）,普通螺栓,C,级，,Q235,钢，,4.6,级和,4.8,级。,II,类孔，孔径大杆径,1.5-3mm,，一般用于次要结构的受剪连接，以及受拉连接。,高强度螺栓高强度钢材，,8.8,级和,10.9,级，孔径大杆径,1.0-2mm,，分为摩擦型和承压型,2024/10/3,5,3.2,焊接方法和焊缝连接型式,电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等,3.2.1,常用焊接方法,手工电弧焊,手工电弧焊最常用，焊条应与主体金属相适应，如,Q235,钢要用,E43,型焊条,埋弧焊自动与半自动，生产效益高,气体保护焊,焊机,导线,熔池,焊条,焊钳,保护气体,焊件,电弧,2024/10/3,6,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,3.2.2,焊缝连接的优缺点,2024/10/3,7,焊缝缺陷：,裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等,3.2.3,焊缝缺陷,2024/10/3,8,焊缝等级：,钢结构工程施工质量验收规范,分三级,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。,什么焊缝用一级、二级、三级，,GB 50017,有规定，如在需验算疲劳的对接焊缝，作用力垂直于焊缝长度时受拉为一级，受压为二级,强度折减：高空安装焊缝，强度设计值乘以,0.9,3.2.3,焊缝缺陷,2024/10/3,9,焊缝连接型式：对接、搭接、,T,形连接和角接,3.2.4,焊缝连接型式及焊缝型式,焊缝连接型式,2024/10/3,10,焊缝型式：对接焊缝和角焊缝,焊缝型式,对接焊缝按受力与焊缝方向分：,1,）正对接焊缝,(,a,),：作用力方向与焊缝方向正交。,2,）斜对接焊缝,(,b,),：作用力方向与焊缝方向斜交。,角焊缝按受力与焊缝方向分：,1,）正面角焊缝,(,c,),：作用力方向与焊缝长度方向垂直。,2,）侧面角焊缝,(,c,),：作用力方向与焊缝长度方向平行。,3,）斜焊缝（,c,）：作用力方向与焊缝方向斜交。,2024/10/3,11,钢结构设计原理,Design Principles of Steel Structure,第三章 连 接,Chapter 3 Connections,1,）对接焊缝,正对接焊缝,T,型对接焊缝,斜对接焊缝,2,）角焊缝,2024/10/3,12,施焊位置：俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊,焊缝施焊位置,2024/10/3,13,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,3.2.5,焊缝代号,2024/10/3,14,3.3,角焊缝的构造和计算,截面形状,3.3.1,角焊缝的构造和强度,角焊缝截面图,2024/10/3,15,应力分布,侧面角焊缝应力分布,角焊缝应力,-,位移曲线,2024/10/3,16,正面角焊缝应力分布,2024/10/3,17,角焊缝构造要求,t,t,1,t,2,2024/10/3,18,欧洲钢结构协会推荐公式,有效截面,焊缝金属的抗拉强度,规范规定的角焊缝强度设计值，由于是由角焊缝的抗剪条件确定，加一系数后相当于角焊缝的抗拉强度设计值,垂直于焊缝有效截面的正应力,垂直于焊缝长度方向的剪应力,平行于焊缝长度方向的剪应力,3.3.2,角焊缝计算的基本公式,我国规范公式,2024/10/3,19,N,y,:,垂直于焊缝长度方向的轴心力,N,x,:,平行于焊缝长度方向的轴心力,l,w,:,焊缝计算长度，实际长度减去,2 h,f,h,e,:,焊缝有效厚度，等于,0.7h,f,N,y,在焊缝有效截面上引起的垂直于焊缝一个直角边的应力，它既不是正应力，也不是剪应力，而是以下两个应力的合应力；,N,x,在焊缝有效截面上引起的平行于焊缝长度的应力；,实用计算方法,2024/10/3,20,侧面角焊缝,正面角焊缝,综合作用,正面角焊缝强度增大系数，直接承受动力荷载时为,1.0,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时,仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时,同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时,2024/10/3,21,1.,受轴心力焊件的拼接板连接,仅侧面角焊缝：,仅正面角焊缝：,3.3.3,常用连接方式的角焊缝计算,轴心力作用下角焊缝连接,2024/10/3,22,三面围焊时：先计算正面角焊缝,N,1,，剩余的,N,-,N,1,由侧面角焊缝承担。,菱形拼接板：,简化计算不计正面及斜焊缝的,f,2024/10/3,23,2.,受轴心力角钢的连接,当采用侧面角焊缝连接时,肢背：,肢尖：,角钢角焊缝上受力分配,两面侧焊,2024/10/3,25,当采用三面围焊连接时,正面角焊缝承担的力：,侧面角焊缝承担的力：,肢背,肢尖,角钢角焊缝上受力分配,三面围焊,2024/10/3,26,当采用,L,形焊连接时,正面角焊缝承担的力：,侧面角焊缝承担的力：,角钢角焊缝上受力分配,L,形焊,2024/10/3,27,例题,3.2,试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽,B,270mm,，厚度,t,1,=28mm,，拼接盖板的厚度,t,2,=16mm,。该连接承受的静态轴心力,N,1400kN,（设计值），钢材为,Q235B,，手工焊，焊条为,E43,型,2024/10/3,28,分析,方法一：,假定焊脚尺寸,-,焊缝长度,-,拼接盖板尺寸,步骤,1,：假定焊脚尺寸（,h,f,）,角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的。,最大焊脚尺寸：规范规定，当,t6mm,时，,h,f,t-(1,2)mm,，,t,为较薄焊件的厚度,h,fmax,=14,15mm,取,h,f,=10mm,最小焊脚尺寸：规范规定，,h,f,1.5(t),1/2,，,t,为较厚焊件的厚度,h,fmin,= 7.9mm,2024/10/3,29,步骤,2,：计算焊缝长度（,l,w,）,假设采用两面侧焊缝，拼接盖板采用上下两块。,根据公式（,3.8,）式算得连接一侧所需焊缝的的总长度,S,l,w,=1250mm,拼接盖板的长度,L=676mm,取,680mm,由于该连接采用了上下两块拼接盖板，在连接一侧有,4,条侧焊缝，一条侧焊缝的实际长度,l,w,= 333mm,验算,l,wmin,l,w,l,wmax,2024/10/3,30,步骤,3,：确定拼接盖板的宽度（,b,）,虽然沿拼接盖板的宽度方向没有施焊，但也应该根据强度条件和构造要求确定其宽度。,强度条件：假设,b=240mm,则拼接盖板的横截面积,A=3840mm,2,根据静态轴力计算的强度值,s,=182.3 N/mm,2,f=215 N/mm,2,选用拼接盖板的尺寸为,680mm240mm16mm,构造要求：当板件端部只有两条侧面角焊缝连接时，要求,b/l,w,12mm,时，,b16t, t,为较薄焊件的厚度,2024/10/3,31,方法二：,假定焊脚尺寸和拼接盖板尺寸,-,验算焊缝承载力,（如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时，则应调整焊脚尺寸，再进行验算）,步骤,1,：假定焊脚尺寸（,h,f,=10mm),步骤,2,：假定拼接盖板尺寸,采用菱形拼接盖板，拼接盖板上下两块,2024/10/3,32,步骤,3,：计算各部分焊缝的承载力,a),正面角焊缝,N1=109.3kN,b),侧面角焊缝,N2=448.0kN,c),斜焊缝,N3=854.8kN,步骤,4,：作用力设计值与承载力比较,N=1400kN 6mm,时，,h,f,t-(1,2)mm,，,t,为较薄焊件的厚度,h,fmax,=8,9mm,取,h,f,=6mm,最小焊脚尺寸：规范规定，,h,f,1.5(t),1/2,，,t,为较厚焊件的厚度,h,fmin,= 5.6mm,2024/10/3,35,步骤,3,：计算角钢肢背和肢尖上侧缝分担的轴力（,N,1,N,2,）,查得焊缝内力分配系数,K,1,=0.65, K,2,=0.35,肢背角焊缝所承受的内力,N,1,=373.75kN,肢尖角焊缝所承受的内力,N,2,=201.25kN,N,k,1,N,k,2,N,l,w2,l,w1,2024/10/3,36,步骤,4,：计算角钢肢背和肢尖上侧缝长度（,l,w1,l,w2,）,肢背角焊缝侧缝长度,l,w1,=278mm,考虑到起灭弧的影响，肢背和肢尖角焊缝实际长度,肢尖角焊缝侧缝长度,l,w2,=150mm,l,w2,=l,w2,+2h,f,=162mm,l,w1,=l,w1,+2h,f,=290mm,2024/10/3,37,N,e,N,x,N,y,M,A,Nx,M,Ny,h,e,h,e,t,（,1,）受弯矩,M,、剪力,V,、轴力,N,联合作用时角焊缝的计算,由轴心拉力,N,x,产生的应力：,由弯矩,M,产生的最大应力：,3.,受偏心力时角焊缝连接计算,2024/10/3,38,A,点产生的剪应力：,A,点控制应力最大为控制设计点,A,点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力,Nx,和弯矩,M,产生的正应力。直接叠加得：,代入角焊缝实用计算公式（,3.6,）：,2024/10/3,39,（,2,）,V,、,M,共同作用下焊缝强度计算,h,1,f1,f2,f,x,x,h,h,2,2,2,1,h,1,M,e,F,V,M,对于,1,点：,式中：,I,w,全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；,h,1,两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离,假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩,2024/10/3,40,h,1,f1,f2,f,x,x,h,h,2,2,2,1,h,1,M,e,F,V,M,对于,2,点：,强度验算公式：,h,2,腹板焊缝的实际长度；,l,w2,腹板焊缝的计算长度；,h,e2,腹板焊缝截面有效高度。,2024/10/3,41,工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是使焊缝传递应力近似与材料所承受应力相协调，即,假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩,M,化为一对水平力,H=M/h,。,腹板焊缝的强度计算式：,H,H,翼缘焊缝的强度计算式：,V,2024/10/3,42,（,3,）三面围焊受扭矩、剪力联合作用时角焊缝的计算,承受偏心力的三面围焊,F,e,1,r,x,a,h,l,2,x,x,y,y,A,A,0,T,V,r,e,将,F,向焊缝群形心简化得,:,轴心力,V,F,扭矩,T=Fe,故：该连接的设计控制点为,A,点和,A,点,计算时按弹性理论假定,:,被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心,O,旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。,扭距在,角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度,r,成正比。,在,轴心力,V,作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,2024/10/3,43,e,2,x,0,l,1,l,2,x,x,y,y,A,A,0,T,F,r,x,x,y,y,r,r,x,r,y,A,0,h,e,T,T,f,F,A,T,作用下,A,点应力,:,s,T,I,p,为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，,I,p,=,I,x,+I,y,I,x,，,I,y,焊缝计算截面对,x,、,y,轴的惯性矩；,r,x,、,r,y,为焊缝形心到焊缝验算点在,x,、,y,方向的距离。,2024/10/3,44,轴力,F,产生的应力按均匀分布计算，,A,点应力,:,A,点垂直于焊缝长度方向的应力为,:,f,，,F,，,平行于焊缝长度方向的应力为,:,T,强度验算公式：,F,x,x,y,y,r,r,x,r,y,A,0,h,e,T,T,f,F,A,2024/10/3,45,3.4,对接焊缝的构造和计算,坡口形式：,I,形缝、,V,形缝、带钝边单边,V,形缝、带钝边,V,形缝（,Y,形缝）、带钝边,U,形缝、带钝边双单边,V,形缝和双,Y,形缝等,3.4.1,对接焊缝的构造要求,对接焊缝坡口形式,2024/10/3,46,不同宽度或厚度的钢板拼接,不同宽度或厚度的钢板拼接,2024/10/3,47,其他构造要求,对接焊缝的引弧板,引弧板,垫板,垫板,垫板,根部加垫板,1,）,为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。,2,）,在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。,2024/10/3,48,（,1,）轴心受力的对接焊缝,3.4.2,对接焊缝的计算,轴心力作用下对接焊缝连接,三级焊缝受拉时如直焊缝强度不足，可改用斜焊缝，使得,2024/10/3,49,对接焊缝计算,只需计算三级焊缝的抗拉强度，其他均与母材等强（加引弧板）,对轴心受力的对接焊缝，验算公式为,焊缝计算长度当未用引弧板时取实际长度减去,2t,，,t,为对接接头连接件的较小厚度，,T,形连接为腹板厚度,2024/10/3,50,（,2,）受弯受剪的对接焊缝,受弯受剪的对接连接,按材料力学方法用叠加原理求正应力、剪应力,验算最大正应力、剪应力、折算应力（工字形翼缘与腹板交接点处正应力与剪应力都较大）,2024/10/3,51,（,2,）受弯受剪的对接焊缝,受弯、剪的工形截面对接焊缝,1.1,为考虑最大折算应力只在局部将强度设计值提高的系数,2024/10/3,52,3.5,焊接残余应力和焊接变形,3.5.1,焊接残余应力和变形的原因,1.,焊接残余应力的分类,纵向焊接应力：长度方向的应力,横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力,；,厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。,2.,焊接残余应力的成因,a),焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达,1600,o,C,，而邻近区域温度骤降。,（,1,）纵向焊接残余应力,2024/10/3,53,b),高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。,c),焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。,+,-,-,500,o,C,800,o,C,300,o,C,300,o,C,500,o,C,800,o,C,施焊方向,8cm,6,4,2,0,2,4,6,8cm,2024/10/3,54,（,2,）横向焊接残余应力,产生的原因,:,a),焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处,中部受拉，两端受压,；,b),焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。,焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力,；,应力分布与施焊方向有关,。,以上两种应力的组合即为横向焊接残余应力,2024/10/3,55,(a),焊缝纵向收缩 时的变形趋势,-,+,-,(b),焊缝纵向收缩 时的横向应力,x,y,+,-,+,施焊方向,(c),焊缝横向收缩 时的横向应力,x,y,-,+,-,+,(d),焊缝横向,残余应力,y,x,-,+,+,施焊方向,(e),-,+,-,施焊方向,( f ),x,y,y,x,不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力,2024/10/3,56,（,3,）沿厚度方向的焊接残余应力,a),在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。,-,+,-,321,x,y,z,b),焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产 生塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。,c),因此，除了横向和纵向焊接残余应力,x,，,y,外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力,z,，这三种应力形成同号,(,受拉,),三向应力，大大降低连接的塑性。,2024/10/3,57,2024/10/3,58,3.,焊接残余变形的产生,在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。,2024/10/3,59,钢结构设计原理,Design Principles of Steel Structure,（,1,）对结构静力强度的影响,+,-,-,b,f,y,+,-,-,b,f,y,N,y,N,y,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到,f,y,，,即,N,=,N,y,时：,结论：,焊接残余应力不会,影响结构的静力强度,+,-,-,f,y,b,B,t,3.4.2,焊接应力和变形对结构工作性能的影响,1.,焊接应力的影响,2024/10/3,60,钢结构设计原理,Design Principles of Steel Structure,（,2,）对结构刚度的影响,当焊接残余应力存在时，因截面的,bt,部分拉应力已经达到,f,y,，,故该部分刚度为零（屈服），这时在,N,作用下应变增量为：,+,-,-,b,f,y,N,N,+,-,-,f,y,N,N,b,B,t,1,2,当截面上没有焊接残余应力时，在,N,作用下应变增量为：,结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度。,2024/10/3,61,（,3,）对低温冷脆的影响,（,4,）对疲劳强度的影响,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。,在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。,对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。,（,5,）对压杆稳定的影响,2024/10/3,62,焊接应力的影响,常温下不影响结构的静力强度；,增大结构的变形，降低结构的刚度；,降低疲劳强度；,在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性变形，在低温 下使裂纹易发生和发展；,降低压杆的稳定性。,焊接变形的影响,焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正；,影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载,力，引起事故。,2024/10/3,63,3.4.3,减少焊接应力和变形的措施,（,1,）采用合理的施焊顺序和方向,（,2,）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力,（,3,）锤击或碾压焊缝使焊缝得到延伸,（,4,）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,1.,合理的焊缝设计,（,1,）合理的选择焊缝的尺寸和形式,（,2,）尽可能减少不必要的焊缝,（,3,）合理的安排焊缝的位置,（,4,）尽量避免焊缝的过分集中和交叉,（,5,）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力,2.,合理的工艺措施,2024/10/3,64,例,3.4,验算图中梁与钢柱间的连接角焊缝的强度。钢材,Q235,，手工焊，焊条,E43,型。荷载设计值,N,=400kN,（静力荷载），,e,=250mm,，焊脚尺寸,h,f,=8mm,。,N,V,M,a),b),c),例题,3.4 (,角焊缝受偏心剪力,),2024/10/3,65,分析,对于工字梁与钢柱的角焊缝连接，通常只承受弯矩,M,和剪力,V,的作用，荷载情况简单，但是焊缝采用了周边围焊，焊缝截面情况比较复杂。,目的：验算角焊缝的强度（焊脚尺寸,h,f,已知，焊缝长度,l,w,可以根据构造要求确定）,计算时可以采用两种假设：,A,：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担；,B,：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩。,2024/10/3,66,计算,步骤,2,：作用在焊缝形心上力素的计算,V=N=400kN M=Ne=10000kNcm,步骤,1,：确定焊缝强度设计值（,f,f,w,）,f,f,w,=160N/mm,2,采用假设,A,：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担,步骤,3,：计算焊缝有效截面对中和轴的惯性矩,I,w,=2*0.7*8*200*(205.6-5.6/2),2,+4*0.7*8*95*(170+5.6/2),2,+2*0.7*8*340,3,/12=19235*10,4,mm,2,2024/10/3,67,翼缘焊缝的最大正应力,s,f1,=106.9N/mm,2,b,f,*160=195N/mm,2,步骤,4,：计算控制点应力,控制点有两点：,a),翼缘焊缝的最外纤维处,b),翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处,b),腹板焊缝中由弯矩引起的最大正应力,s,f2,=88.4N/mm,2,剪力,V,在腹板焊缝中产生的平均剪应力,t,f,=105.0N/mm,2,（,3.6,）,腹板焊缝的强度为,127.6N/mm,2,160N/mm,2,满足强度要求,2024/10/3,68,采用假设,B,：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩,H,H,步骤,3,：翼缘焊缝所承受的水平力,（翼缘焊缝承担全部弯矩，可以将弯矩转化为一对水平力）,H=M/h=263kN (h,值近似取为翼缘中线的距离,),翼缘焊缝的强度,s,f,120.4N/mm,2,195N/mm,2,腹板焊缝的强度,t,f,105.0N/mm,2,160N/mm,2,均满足要求,2024/10/3,69,例,3.5,设计牛腿板与钢柱间的连接角焊缝（三面围焊），并验算焊缝强度。板边长度,l,1,=300mm,，,l,2,=400mm,，偏心力,F,=196kN,，,e,1,=300mm,，承受静力荷载，钢材,Q235,，手工焊，焊条为,E43,型，钢板厚,t=10mm,。,y,e,1,M,F,V,A,o,a),e,2,l,1,l,2,x,r,y,r,x,r,b),y,o,x,y,0.7h,f,2024/10/3,70,y,e,1,M,F,V,A,o,a),e,2,l,1,l,2,分析,该三面围焊共同承受剪力,V,和扭距,T,的作用，将偏心力,F,移至焊缝计算截面的重心就可以求出相应的,V,和,T,。,目的：设计牛腿板和钢柱板之间的角焊缝（焊缝长度可以根据构造要求确定）,设计中，,l,1,l,2,都紧贴牛腿板一侧（并不在焊缝的中线），这样焊缝的实际长度要比,l,1,l,2,稍大，因此计算长度采用,l,1,l,2,不再扣除水平焊缝的端部缺陷。,假设焊脚尺寸验算角焊缝的强度,h,f,=8mm,2024/10/3,71,计算,步骤,2,：焊缝计算截面的重心位置,x,0,=90mm,步骤,1,：确定焊缝强度设计值（,f,f,w,）,f,f,w,=160N/mm,2,x,y,x,300,400,步骤,3,：焊缝截面的惯性矩,I,x,=16.4*10,7,mm,4,I,y,5.5*10,7,mm,4,I,p,21.9*10,7,mm,4,2024/10/3,72,步骤,4,：作用在焊缝上的力素计算,V=F=196kN,e=e,1,+e,2,=e,1,+(l,1,-x,0,)=510mm,T=Fe=10,9,N-mm,r,M,V,x,y,x,300,400,e,2,e,1,N,A,步骤,5,：控制点,A,强度计算,s,f,=96N/mm,2,t,T,=91N/mm,2,s,F,=35N/mm,2,（,3.6,）,控制点强度为,140.8N/mm,2,160N/mm,2,满足强度要求,2024/10/3,73,1,、排列方式：并列或错列,3.6.1,螺栓的排列和构造要求,钢板和角钢上的螺栓排列,3.6,普通螺栓连接的构造和计算,2024/10/3,74,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,2024/10/3,75,排列要求：,(1),受力要求,因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距,下限：,防止孔间板破裂,3,d,0,上限：,防止板间张口和鼓曲,。,b,）,螺孔中心距限制,a,）,端距限制,防止孔端钢板剪断,，,2,d,0,；,中心距太大,2d,端距过小,2024/10/3,76,端距,端距,中距,边距,线距,3,d,0,2,d,0,3,d,0,1.5,d,0,1.5,d,0,3,d,0,3,d,0,2,d,0,端距,边距,1.5,d,0,(1.2,d,0,),2,d,0,2,d,0,1.5,d,0,3,d,0,端距,（,2,）构造要求,若栓距及线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。,规范规定了螺栓的最大容许间距,。,（,3,）施工要求,要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此,规范规定了螺栓的最小容许间距,。,2024/10/3,77,根据规范规定（,P86,表,3.5.1,）的螺栓最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取,5mm,的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。,2024/10/3,78,螺栓连接受力形式,3.6.2,普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,N,F,F,2024/10/3,79,1.,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。,3.6.2,普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,N,N,a,b,N,N/2,N/2,N,O,2024/10/3,80,2024/10/3,81,1.,抗剪螺栓连接,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。,为防止,“,解钮扣,”,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,。,3.6.2,普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,螺栓受剪力状态,2024/10/3,82,一个螺栓的抗剪设计承载力,与螺栓材料有关,与被连接的钢板强度有关,剪力螺栓的剪面数和承压厚度,2024/10/3,83,轴心受剪,所需螺栓数目,承载力折减系数,净截面强度计算,2024/10/3,84,2.,抗拉螺栓连接,破坏形式：螺栓杆拉断,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,3.6.2,普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能,抗拉螺栓连接,2024/10/3,85,Chapter 3 Connections,d,e,d,n,d,m,d,螺栓的有效截面面积,因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径,d,e,而不是净直径,d,n,，现行国家标准取：,2024/10/3,86,1.,螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算,螺栓数目：,3.6.3,螺栓群的计算,2024/10/3,87,2.,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。,螺栓群受扭矩计算,2024/10/3,88,2.,螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算,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：,得：,2024/10/3,89,3.,螺栓群在扭矩、剪力、轴心力作用下的抗剪计算,螺栓群受扭、受剪、受轴心力的计算,2024/10/3,90,3.,螺栓群在扭矩、剪力、轴心力作用下的抗剪计算,在扭矩作用下，螺栓,1,受力：,在剪力,V,和轴心力,N,作用下，螺栓均匀受力：,则螺栓,1,承受的最大剪力,N,1,应满足：,2024/10/3,91,4.,螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算,5.,螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算,假定：中和轴在最下排螺栓处,弯矩作用下抗拉螺栓计算,2024/10/3,92,小偏心受拉中性轴位置在螺栓群形心,(Fig.(b),偏心受拉,大偏心受拉中性轴,位置在最下一排螺栓,(Fig.(c),如何判别大小偏心,2024/10/3,93,6.,螺栓群同时承受剪力和拉力的计算,螺栓群同时承受剪力和拉力,2024/10/3,94,6.,螺栓群同时承受剪力和拉力的计算,支托仅起安装作用：螺栓群承受弯矩,M,和剪力,V,螺栓不发生拉剪破坏,板不发生承压破坏,2024/10/3,95,6.,螺栓群同时承受剪力和拉力的计算,支托承受剪力：螺栓群只承受弯矩,M,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,1.251.35,2024/10/3,96,级别：,10.9,级和,8.8,级,栓孔：钻成孔,按受力特征分类：摩擦型连接、承压型连接和承受拉力的连接,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,3.7.1,高强度螺栓连接的性能,3.7,高强度螺栓连接的性能和计算,2024/10/3,97,高强度螺栓的预拉力,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,。,2024/10/3,98,2.,高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数,对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈,对于摩擦型连接，对摩擦面抗滑移系数有要求,3.,高强度螺栓的排列,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。,2024/10/3,99,1.,高强度螺栓摩擦型连接,2.,高强度螺栓承压型连接,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。,3.7.2,高强度螺栓的抗剪承载力设计值,2024/10/3,100,1.,轴心力作用时,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%,）,3.7.3,高强度螺栓群的抗剪计算,摩擦型高强度螺栓孔前传力,2024/10/3,101,2.,扭矩作用时，及扭矩、剪力、轴心力共同作用时,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。,2024/10/3,102,1.,高强度螺栓的抗拉连接性能,规范规定每个摩擦型高强度螺栓的抗拉设计承载力不得大于,0.8,P,，螺栓杆内原预拉力基本不变。,3.7.4,高强度螺栓的抗拉连接,高强度螺栓受拉,2024/10/3,103,撬力的影响：限制抗拉承载力在,0.8,P,以内,高强度螺栓拉力变化,2024/10/3,104,承压型,高强度螺栓抗拉设计承载力,此式与,0.8P,差别不大。,2024/10/3,105,2.,高强度螺栓抗拉连接计算,轴心拉力的螺栓数：,弯矩作用时,高强度螺栓受弯连接,2024/10/3,106,中和轴在螺栓群形心处,上式为摩擦型，对承压型，右边改为,2024/10/3,107,1.,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,3.7.5,同时受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算,2024/10/3,108,小结：一个高强度螺栓的承载力,一个摩擦型高强度螺栓的抗剪设计承载力,一个摩擦型高强度螺栓的抗拉设计承载力,一个承压型高强度螺栓的抗剪和抗拉设计承载力,-,公式同普通螺栓,2024/10/3,109,一个高强度螺栓受拉剪作用的承载力,摩擦型,承压型,2024/10/3,110,高强度螺栓群受剪力作用,轴心力作用下所需螺栓数目净截面验算与普通螺栓不同,偏心力作用下的验算同普通螺栓,2024/10/3,111,高强度螺栓群受拉力作用,轴心力作用,弯矩受拉,中性轴位置在形心轴,偏心受拉,同普通螺栓小偏心受拉,2024/10/3,112,高强度螺栓群受拉剪作用,摩擦型,验算整个连接的抗剪承载力,承压型,验算受力最大螺栓,2024/10/3,113,例,3.6,验算如图所示端板和柱翼缘间普通螺栓的连接强度。普通螺栓,4.6,级，,M22,，孔径,23.5mm,。,N,M,o,N,1,N=,245,kN,a),N=,245,kN,o,柱翼缘,节点板,端板,N,1,b),计算模型可为（,a,图）或（,b,图）。,a,图弯曲转动中心在螺栓群的形心处称小偏心；,b,图弯曲转动中心在端板上,1,号螺栓处，称大偏心。,2024/10/3,114,N,M,o,N,1,N=,245kN,a),1,步骤,2,算危险螺栓拉力,设每排螺栓有两列，,m,=2,一共,6,排螺栓，螺栓总数,12,，,n,=12,计算,步骤,1,算荷载,N,=245kN,，,e,=13cm,，,M,=,Ne,=24513=3185kN-cm,假定转动中心在螺栓群的形心处，则,y,1,=20cm, ,y,i,2,=220,2,+212,2,+24,2,=1120cm,。,M,引起的,1,点拉应力：,N,1,M,=,My,1,/(,m,y,i,2,),N,1,M,=,My,1,/(,m,y,i,2,) =318520/,（,21120,）,=28.44kN,2024/10/3,115,最外排的螺栓拉力：,N,min,=20.42-28.440,N,引起的,1,点拉应力：,N,1,N,=N/,n,=245/12=20.42kN,计算结果连接上部受压，构件应绕顶排螺栓转动，则,1,点所受的最大拉力为,N=,245kN,o,柱翼缘,节点板,端板,N,1,b),e,=33cm,，,m,=2,，,y,1,=40cm,y,i,2,=40,2,+32,2,+24,2,+16,2,+8,2,=3520cm,2,2024/10/3,116,步骤,4,强度判断,N,max1,N,t,b,（,45.9kN51.51kN),满足强度要求,步骤,3,确定螺栓承载力设计值,N,t,b,N,t,b,=,A,e,f,t,b,查附表,1.3,，,f,t,b,=170N/mm,2,查附表,8.1,，,A,e,=303mm,2,（,M22,螺栓计算净截面面积）,N,t,b,=30317010,-3,=51.51kN,2024/10/3,117,例,3.7,验算如图所示普通螺栓连接强度。螺栓,M20,，孔径,21.5mm,，材料为,Q235,。,步骤,1,计算螺栓上的力,N,=1003/5=60kN,V=,1004/5=80kN,分析螺栓受力状态,荷载,P,通过螺栓截面形心,O,，分解后得剪力,V,和拉力,N,，螺栓处于既受拉又受剪的状态。,P=,100,kN,5,4,3,o,计算,N,v,=,V,/,n,=80/4=20kN,N,t,=,N,/,n,=60/4=15kN,2024/10/3,118,步骤,3,用相关公式验算强度,步骤,2,计算螺栓抗拉、抗剪承载力设计值,V=80,N=60,N,v,=20kN,N,c,b,=2020305,10,-3,=122kN,满足设计要求,N,t,b,=,A,e,f,t,b,=244.8170 10,-3,=41.6kN,N,v,b,=,n,v,(,d,2,/4) ,f,v,b,=13.1420,2,/413010,-3,=31.9kN,