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1、,第三章,钢结构的连接,2,一、焊缝连接,3.1 钢结构的连接方法,优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；,缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。,3,三、螺栓连接,优点：连接刚度大，传力可靠；,分为： 普通螺栓连接 高强度螺栓连接,二、铆钉连接,缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差， 施工速度慢。,优点：拆装方便 缺点：板件有削弱,4,一、钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊,A、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材相适应。,原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形 成焊缝。,3.2 焊接连接的特性,5,单击图片3-1播放,6,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-55
2、18),Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。,不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。,优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),C、优、缺点,7,2.埋弧焊（自动或半自动）,8,A、焊丝的选择应与焊件等强度。 B、优、缺点： 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。 缺点：设备投资大，施工
3、位置受限等。,送丝器,机器,9,3.气体保护焊,优、缺点： 优点：焊接速度快，焊接质量好。 缺点：施工条件受限制等。,10,二、焊接连接形式和焊缝形式,1.焊接连接形式,单击图片3-2播放,对接,11,搭接,单击图片3-3播放,12,2.焊缝形式,（1）对接焊缝,（2）角焊缝,13,3. 焊缝位置,14,三、焊缝缺陷及焊缝质量检查,1.焊缝缺陷,15,2.焊缝质量检查,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷。,内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线或射线透照或拍片。,16,钢结构工程施工及验收规范规定：,焊缝按其检验方法和质量
4、要求分为一级、二级和三级。,三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准。,一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,17,钢结构设计规范（GB50017-2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：,(1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。,3.焊缝质量等级及选用,(2) 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。,18,（）重级工作制和起重量 的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊
5、缝，不应低于二级。,（）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,19,20,4.焊缝代号,详细参见表3-1，图3-13,21,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造,3.3 对接焊缝的构造与计算,对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。,t-焊件厚度,(1)当:t6mm(手工焊),t10mm(埋弧焊)时可不做坡 口,采用直边缝;,(2)t=720mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;,(3)t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,22,23,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；3、对
6、接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度；4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。,24,单击图片3-6播放,25,对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种；动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。,二、对接焊缝的计算,26,1、轴心力作用下的
7、对接焊缝计算,式中： N轴心拉力或压力； t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度； ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。,当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。,另:当tan1.5时,不用验算!,27,2、M、V共同作用下的对接焊缝计算,因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：,故其强度计算公式为：,式中：Ww焊缝截面模量； Sw-焊缝截面面积矩； Iw-焊缝截面惯性矩。,（1）板件间对接连接,28,（2）工字形截面梁对接连接计算,A、对于焊缝的max和max应满足式3-2和3-3要求；,B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应 力尚应满足下式要求：,1.1考虑最大折
8、算应力只在局部出现的强度增大系数。,29,1、角焊缝的形式:,一、角焊缝的形式和受力分析,3.4 角焊缝的构造与计算,直角角焊缝、斜角角焊缝,（1）直角角焊缝,30,（2）斜角角焊缝,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,31,（1）侧面角焊缝（侧焊缝）,2.直角角焊缝的受力分析,单击图片3-7播放,32,试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。,A. 应力分析,33,B. 破坏形式,34,（2）正面角焊缝,单击图片3-3播放,35,A. 应力
9、分析,正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上。,36,B. 正面角焊缝的破坏形式,37,（3）斜角焊缝,斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。,单击图片3-8播放,38,例3.4 角钢与连接板连接,例3.5 牛腿与柱连接-焊缝受弯剪,例3.6 牛腿与柱连接-焊缝受扭剪,39,三、焊接变形,焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,40,单击图片3-4播放,41,单击图片3-9播放,42,单击图片3-5播放,43,单击图片3-10播放,44,单击图片3-11播放,45,3.6 普通
10、螺栓连接构造与计算,一、普通螺栓的种类和构造要求,（一）普通螺栓种类,C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级；4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) 13mm。,A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。,按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,46,（二）螺栓的排列,1.并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大；,2.错列排列不紧凑，所用连接板尺
11、寸大，但构件截 面削弱小；,47,3.螺栓排列的要求,（1）受力要求: 垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小； 顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小； 对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。（2）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。,48,（3）施工要求,为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。,49,（三）螺栓连接的构造要求,为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓，但组合构件的缀条除外；
12、直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接： 1、承受静载或间接动载的次要连接； 2、承受静载的可拆卸结构连接； 3、临时固定构件的安装连接。,50,二、螺栓连接的受力形式,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,51,三、普通螺栓抗剪连接,（一）工作性能和破坏形式 1.工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,即： (1)摩擦传力的弹性阶段(01段) 直线段连接处于弹性状态； 该阶段较短摩擦力较小。,52,(2
13、)滑移阶段(12段) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。,(3)栓杆传力的弹性阶段(23段) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。,53,(4)弹塑性阶段(34段) 达到3后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。 4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。,54,2.破坏形式,（1）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断 截
14、面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。,55,（4）板件端部被剪坏(拉豁) 端矩过小时；端矩不应小于2dO,（5）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d,56,（二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值,由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:,nv剪切面数目； d螺栓杆直径；fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值；t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,57,剪切面数目nv,58,（三）普通螺栓群抗剪连接计算,1、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算,试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群
15、长度方向不均匀，两端大,中间小。,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N有各螺栓均担。,所以，连接所需螺栓数为：,59,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏,然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。,故，连接所需栓数：,60,普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。,拼接板的危险截面为2-2截面:,A、螺栓采用并列排列时:,主板的危险截面为1-1截面:,61,B、螺栓采用错列排列时:,主板
16、的危险截面为1-1和1-1截面:,62,拼接板的危险截面为2-2和2-2截面:,63,2、普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算,F作用下每个螺栓受力：,T作用下连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2） T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系，方向与ri垂直。,64,显然，T作用下1号螺栓所受剪力最大（r1最大）。,由假定(2)得,由上式可得:,由力的平衡条件得：,65,从而可得:,将N1T沿坐标轴分解得:,66,由此可得螺栓1的强度验算公式为:,另外,当螺栓布置比较狭长(如y13x1)时,可进行如下简化计算：令:xi=0，则N1Ty=0,6
17、7,（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能,四、普通螺栓的抗拉连接,抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。,（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,式中：Ae-螺栓的有效截面面积； de-螺栓的有效直径； ftb-螺栓的抗拉强度设计值。,68,公式的两点说明：,（1）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de而不是净直径dn，现行国家标准取：,69,(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响,A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（
18、杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。,70,B、 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。,71,(三）普通螺栓群的轴拉设计,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：,72,(四）普通螺栓群在弯炬作用下,M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各 螺栓所受拉力与其至
19、中和轴的距离呈正比。,73,显然1号螺栓在M作用下所受拉力最大,由力学及假定可得：,74,同前可得:,强度要求为：,75,(五）普通螺栓群在偏心拉力作用下,偏心力作用下普通螺栓连接，可采用偏于安全的设计方法，即叠加法。,76,五、普通螺栓拉、剪联合作用,因此：,2、由试验可知，兼受剪力和拉力 的螺杆，其承载力无量纲关系 曲线近似为一“四分之一圆”。,1、普通螺栓在拉力和剪力的共同 作用下，可能出现两种破坏形 式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔 壁的承压破坏；,3、计算时，假定剪力由螺栓群均 匀承担，拉力由受力情况确定。,77,规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：,为了防
20、止孔壁的承压破坏，应满足：,78,另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托承担全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。,承托与柱翼缘的连接角焊缝按下式计算：,式中： 考虑剪力对角焊缝偏心影响的增大系数， 一般取=1.251.35； 其余符号同前。,79,例3.8 拉剪扭作用计算,例3.7 角钢拼接：净截面强度！,例3.9 拉剪弯作用计算,80,高强螺栓由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理,45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓,3.7 高强度螺栓连接计算,81,一、高强度螺栓的工作性能及单栓承载力 按受力特征的不同高强度
21、螺栓分为两类： 摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力， 破坏准则为克服摩擦力； 承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。1、高强度螺栓预拉力的建立方法 通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法： A、转角法 施工方法： 初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；,82,终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的 角度，一般为120o180o完成终拧。,特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧 和超拧；B、扭矩法 施工方法： 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使 板件贴紧密； 终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,83,C、扭断螺栓
22、杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）,施工方法： 初拧拧至终拧力矩的60%80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等高强度螺栓的施工要求： 由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格：1）终拧力矩偏差不应大于10%；2）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换；3）拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。 如工字型梁为：上翼缘下翼缘腹板。,84,2、高强度螺栓预拉力的确定,高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数：考虑材料的不均匀性的折减系数0.9；为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9；考虑
23、拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。附加安全系数0.9。 因此，预拉力：,Ae螺纹处有效截面积；fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2， 10.9级，取fu =1040N/mm2,85,3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数,摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数 ；板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小；,规范给出了预拉力值和不同钢材在不同接触面处理方法下的抗滑移系数,如下表,86,87,4、高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承载
24、力,(1)抗剪连接工作性能 受力过程与普通螺栓相似，分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。 但比较两条N曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段远远大于普通螺栓。,88,A、对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为1点而不是4点，所以1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力：,式中：0.9抗力分项系数R的倒 数(R=1.111); nf传力摩擦面数目; -摩擦面抗滑移系数; P预拉力设计值.,（2）抗剪连接单栓承载力,89,B、对于高强度螺栓承压型抗剪连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准
25、则为连接达到其极限状态4点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。,N,O,高强度螺栓,普通螺栓,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,90,5、高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力,当外拉力为零，即N=0时：P=C；当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的压力C减小为Cf，栓杆拉力P增加为Pf，由力及变形协调得：,Ab栓杆截面面积；Ap板件挤压面面积；板叠厚度。,91,二、高强度螺栓群的抗剪计算,1、轴心力作用 假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,对于摩擦型连接：,对于承压型连接：,92,高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面
26、验算.,A、高强度螺栓摩擦型连接,主板的危险截面为1-1截面。,考虑孔前传力50%得：,1-1截面的内力为：,93,2、扭矩或扭矩、剪力共同作用下,计算方法与普通螺栓相同，即：,剪力F作用下每个螺栓受力：,94,三、高强度螺栓群的抗拉计算,1、轴心力作用 假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓数：,2、弯矩作用下,由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力P，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认为是一个整体,所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。,95,由力学可得：,设计时满足下式即可：,96,3、偏心拉力作用下,偏心力作用下的高强度螺栓连接，
27、螺栓最大拉力不应大于0.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可采用以下方法（叠加法）计算:,97,四、高强度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的连接计算,单个螺栓所受的剪力：,单个螺栓所受的拉力：,98,、对于高强度螺栓承压型连接应满足：,、对于高强度螺栓摩擦型连接应满足：,所以：,99,五、高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用下的 连接计算,1、采用高强度螺栓摩擦型连接时 1号螺栓在N、M作用下所受拉力如前所述应满足：,100,2、采用高强度螺栓承压型连接时,螺栓的强度计算公式：,单个螺栓所受的剪力：,单个螺栓所受的最大拉力：,101,例3.10 盖板拼接，轴心力作用,例3.11 牛腿与柱连接，弯剪作用,
