《第十一章建筑机构.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十一章建筑机构.ppt（124页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第十一章钢结构,第一节钢结构概述 第二节钢结构的材料 第三节钢结构的连接 第四节钢构件的计算 第五节钢屋盖的设计,第一节钢结构概述,一、钢结构的类型 钢结构是各类工程结构中应用比较广泛的一种建筑结构，按照使用功能及结构组成方式的不同，钢结构主要分为厂房类钢结构、桥梁类钢结构、海上采油平台钢结构及卫星发射钢塔架等，常见的为厂房类和桥梁类钢结构。1.厂房类钢结构 厂房类钢结构是指主要的承重构件是由钢材组成的厂房结构，如钢柱子、钢结构基础、钢梁、钢屋架及钢屋盖等。厂房类钢结构主要包括轻型钢结构和重型钢结构。2.桥梁类钢结构 桥梁类钢结构在公路、铁路领域有极广泛的应用，如板梁桥、析架桥、拱桥、悬索桥、
2、斜拉桥等。二、钢结构的特点(1)钢材的重量较轻，抗拉、抗压及抗剪强度相对较高，适用于跨度大、高度大、承载大的结构，也适用于抗地震、可移动、易装拆的结构。,下一页,返回,第一节钢结构概述,(2)钢材的塑性和韧性较高，可靠性好，不会因偶然超载或局部超载而发生断裂。(3)钢结构的密封性好，适宜气密性及水密性要求较高的高压容器、大型油库、输送管道等的建造。(4)钢结构制作简便，施工工期短，可降低投资成本。(5)钢结构面积小，则相应建筑物的使用面积大，增加厂建筑物的使用价值和经济效益。(6)钢结构耐腐蚀性差，应采取防护措施。钢材在潮湿的环境中易腐蚀，需进行防腐处理，并要经常进行维护，所以会增加投资成本。
3、(7)钢结构耐火性差。钢材耐热而不耐火，随着温度的升高，钢结构的强度会降低，故应在钢结构表面喷涂防火材料。三、钢结构的应用范围 钢结构应用范围广泛，应根据钢结构的特点并结合我国国情进行合理的选择。钢结构的应用范围主要包括以下几个方面。,上一页,下一页,返回,第一节钢结构概述,1.重型钢结构 近年来，随着网架结构的应用，许多工业车间都采用厂钢结构，如冶金厂房的平炉车间、车i炉车间、混铁炉车间、初轧车间，重型机械厂的铸钢车间、水压机车间、锻压车间等。2.轻型钢结构 轻型钢结构是一种新型钢结构体系，广泛应用于中小型房屋建筑、体育场看台雨篷、小型仓库等建筑结构中。3.大跨度钢结构 钢结构被广泛应用于飞
4、机装配车间、飞机库、大会堂、体育馆、展览馆等大跨度结构中，其结构体系可为网架、悬索、拱架以及框架等。4.高耸钢结构 大多数高耸结构(如电视塔、通信塔、石油化工塔、火箭发射塔、钻井塔、输电线路塔、大气监测塔、旅游晾望塔等)均采用钢结构。,上一页,下一页,返回,第一节钢结构概述,5.建筑钢结构 旅馆、饭店、办公大楼等高层建筑采用钢结构的情况越来越多，一些小高层建筑(1216层)、多层建筑(68层)也有采用钢结构的趋势。6.桥梁钢结构 桥梁钢结构的应用越来越多，特别是用于中等跨度和大跨度的斜拉桥。7.板壳钢结构 钢结构在对密闭性要求较高的容器(如大型储油库、煤气库、炉壳等)及能承受很大内力的板壳结构
5、中都有广泛的应用。,上一页,下一页,返回,第一节钢结构概述,8.移动钢结构 由于钢结构具有强度高、相对较轻的特点，在装配式房屋、水工闸门、升船机、桥式起重机及各种塔式起重机、龙门起重机、缆索起重机等移动结构中的应用也越来越多。9.其他构筑物 钢结构还可应用于一些其他的构筑物，如栈桥、管道支架、井架和海上采油平台等。,上一页,返回,第二节钢结构的材料,一、钢材的主要性能(一)钢材的力学性能 1.屈服强度 不可逆(塑性)变形开始!现时金属单位截面上的最低作用外力叫做屈服强度或屈服点。钢材在单向均匀拉力作用下，根据应力一应变()曲线图(图11-1)，可分为弹性、弹塑性、屈服、强化四个阶段。钢结构强度
6、校核时根据荷载算得的应力小于材料的容许应力 时结构是安全的。容许应力 可用下式计算:(11-1)-材料屈服强度K-安全系数。屈服强度是强度计算和确定结构尺寸的最基本参数。,下一页,返回,第二节钢结构的材料,2.抗拉强度 钢材的抗拉强度表示能承受的最大拉应力值(图11-1中的E点)。在建筑钢结构中，以规定抗拉强度的上、下限作为控制钢材冶金质量的一个手段。(1)如抗拉强度太低，意味着钢的生产工艺不正常，冶金质量不良(钢中气体、非金属夹杂物过多等);抗拉强度过高则反映轧钢工艺不当，终轧温度太低，使钢材过分硬化，从而引起钢材塑性、韧性的下降。(2)规定了钢材强度的上下限就可以使钢材与钢材之间、钢材与焊
7、缝之间的强度较为接近，使结构具有等强度的要求，避免因材料强度不均而产生过度的应力集中。(3)控制抗拉强度范围还可以避免因钢材的强度过高而给冷加工和焊接带来困难。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,由于钢材应力超过屈服强度后会出现较大的残余变形，结构不能正常使用，因此钢结构设计是以屈服强度作为承载力极限状态的标志值，相应的在一定程度上抗拉强度即作为强度储备。其储备率可用抗拉强度与屈服强度的比值强屈比(fu/fy)表示，强屈比越大则强度储备越大。所以钢材除要符合屈服强度外，尚应符合抗拉强度的要求。3.断后伸长率 断后伸长率是钢材加工工艺性能的重要指标，并显示钢材冶金质量的好坏。伸长率是衡量
8、钢材塑性及延性性能的指标。断后伸长率越大，表示塑性及延性性能越好，钢材断裂前永久塑性变形和吸收能量的能力越强。对建筑结构钢的伸长率()要求应在16%23%之间。钢的断后伸长率太低，可能是钢的冶金质量不好所致;伸长率太高，则可能引起钢的强度、韧性等其他性能的下降。随着钢的屈服强度等级的提高，断后伸长率的指标可以有少许降低。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,4.耐疲劳性 钢筋混凝土构件在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于屈服点时发生突然的脆性断裂，这种现象叫做疲劳破坏。5.冲击韧性 钢材的冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，以及在低温、应力集中、冲击荷载等作用下，衡量抵抗脆性断裂的
9、能力。钢材中非金属夹杂物、脱氧不良等都将影响其冲击韧性。为厂保证钢结构建筑物的安全，防止低应力脆性断裂，建筑结构钢还必须具有良好的韧性。目前关于钢材脆性破坏的试验方法较多，冲击试验是最简便的检验钢材缺口韧性的试验方法，也是作为建筑结构钢的验收试验项目之一。钢材的冲击韧性采用V形缺口的标准试件，如图11-2所示。冲击韧性指标用冲击荷载使试件断裂时所吸收的冲击功Akv表示，单位为J。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,(二)钢材的工艺性能 1.冷弯性能 钢材的冷弯性能是指钢材在常温下能承受弯曲而不破裂的能力。钢材的弯曲程度常用弯心直径或弯曲角度与材料厚度的比值表示，该比值越小，钢材的冷弯性
10、能越好。冷弯试验是测定钢材冷弯性能的重要手段。它以试件在规定的弯心直径下弯曲到一定角度不出现裂纹、裂断或分层等缺陷为合格标准。在试验钢材冷弯性能的同时，也可以检验钢的冶金质量。在冷弯试验中，钢材开始出现裂纹时的弯曲角度及裂纹的扩展情况显示厂钢的抗裂能力，在一定程度上反映出钢的韧性。2.焊接性能钢材的焊接性能是指钢材适应焊接工艺和焊接方法的能力，焊接性能好的钢材适应焊接工艺和焊接方法的能力强，可用常用的焊接工艺与焊接方法进行焊接。焊接性能差的钢材焊接时，应注意焊后可能现的变形、开裂等现象。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,二、钢材的品种及规格(一)钢板与钢带 一般情况下，钢板是指一种宽
11、厚比和表面积都很大的扁平钢材。钢带一般是指长度很长，可成卷供应的钢板。(1)根据钢板的薄厚程度，钢板大致可分为薄钢板(厚度4 mm)两种。在实际工作中，常将厚度在420 mm之间的钢板称为中板;将厚度在2 060 mm之间的钢板称为厚板;将厚度在60 mm以上的钢板称为特厚板，也统称为中厚钢板。成张钢板的规格以厚度*宽度*长度的毫米数表示。(2)钢带也可分为两种，当宽度大于或等于600mm时，为宽钢带;当宽度小于600 mm时，则称为窄钢带。钢带的规格以厚度X宽度的毫米数表示。(二)型钢 1.型钢的种类,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,(1)按材质的不同，型钢可分为普通型钢和优质型钢
12、。1)普通型钢是由碳素结构钢和低合金高强度结构钢制成的型钢，主要用于建筑结构和工程结构。2)优质型钢也称优质型材，是由优质钢，如优质碳素结构钢、合金结构钢、易切削结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢等制成的型钢，主要用于各种机器结构、工具及有特殊性能要求的结构。(2)按生产方法的不同，型钢分为热轧(锻)型钢、冷弯型钢、冷拉型钢、挤压型钢和焊接型钢。1)用热轧方法生产型钢，具有生产规模大、效率高、能耗少和成本低等优点，是型钢生产的主要方法。2)用焊接方法生产型钢，是将矫直后的钢板或钢带剪裁、组合并焊接成型，不但节约金属，而且可生产特大尺寸的型材，生产
13、工字钢材的最大尺寸目前已达到2 000 mm*508 mm*76 mm。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,(3)按截面形状的不同，型钢分为圆钢、方钢、扁钢、六角钢、等边角钢、不等边角钢、工字钢、槽钢和异型型钢等。1)圆钢、方钢、扁钢、六角钢、等边角钢及不等边角钢等的截面没有明显的凸凹分支部分，也称简单截面型钢或棒钢，在简单截面型钢中，优质钢与特殊性能钢占有相当大的比重。2)工字钢、槽钢和异型型钢的截面有明显的凸凹分支部分，成型比较困难，也称复杂截面型钢，即通常意义上的型钢。异型型钢通常是指有专门用途的截面形状比较复杂的型钢，如窗框钢、汽车车轮轮躺钢、履带板型钢以及周期截面型钢等。周期
14、截面型钢是指其截面形状沿长度方向呈周期性变化的型钢，如周期犁桦钢、纹杆钢等。2.型钢的规格(1)角钢的规格。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,1)常用热轧角钢有等边角钢和不等边角钢两种，如图11-3所示，其长度一般为319 m。2)热轧等边角钢的型号用符号 和肢宽X肢厚(mm*mm)表示，如 100*10为肢宽100 mm、肢厚10 mm的等边角钢。热轧等边角钢的边宽(b)、边厚度(t)的尺寸允许偏差见表11-1。3)热轧不等边角钢的型号用符号 和长肢宽X短肢宽X肢厚的毫米数表示，如 100*80*8为长肢宽100 mm,短肢宽80 mm、肢厚8mm的不等边角钢。热轧不等边角钢边宽(
15、B、b)、边厚(t)的尺寸允许偏差见表11-2。(2)工字钢的规格。1)工字钢有普通工字钢和轻型工字钢之分，分别用符号 和 及号数表示，号数代表截面高度的毫米数。20和 32以上的普通工字钢，同一号数中又分a、b和b、c类型，其腹板厚度和翼缘宽度均分别递增2 mm。如 36 a表示截面高度为360 mm、腹板厚度为a类的普通工字钢。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,工字钢宜尽量选用腹板厚度最薄的a类，因其线密度低，而截面惯性矩相对较大。轻型工字钢的翼缘比普通工字钢的翼缘宽而薄，故回转半径相对较大，可节省钢材。工字钢由于宽度方向的惯性矩和回转半径比高度方向小得多，因而在应用上有一定的局
16、限性，一般宜用于单向受弯构件。2)工字钢通常长度见表11-3。每米弯曲度不大于2mm，总弯曲度不大于总长度的0.2%，并不得有明显的扭曲。3)热轧工字钢截面尺寸的允许偏差应符合下列规定:工字钢的高度(h)、腿宽度(b)、腰厚度(d)尺寸允许偏差应符合表11-4的规定。工字钢平均腿厚度的允许偏差为士0.06t(t为工字钢脚厚度)。工字钢的弯腰挠度不应超过0.15d。工字钢的外缘斜度单腿不大于1.5%b，双腿不大于2.5%b。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,相对于垂直轴的腿的不对称度，不得超过腿宽公差之半(或根据双方协议)。4)热轧工字钢定尺、倍尺长度及允许偏差见表11-5。(3)槽钢
17、的规格。1)槽钢分普通槽钢和轻型槽钢两种，型号用符号 和 及号数表示，号数也代表截面高度的毫米数。14和 25号以上的普通槽钢同一号数中又分a,b和a,b,c类型，其腹板厚度和翼缘宽度均分别递增2 mm。如 36a表示截面高度为360mm、腹板厚度为a类的普通槽钢。同样，轻型槽钢的翼缘相对于普通槽钢的翼缘宽而薄，故较经济。2)槽钢截面的高度(h)、边宽(b)、腹板厚(tw)的尺寸允许偏差见表11-6。(4)H型钢的规格。轧制H型钢的钢号可分为低碳结构钢Q235钢、低合金钢Q345钢和Q390钢，并可指定其质量等级。H型钢按其截面规格可分为以下系列:,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,1
18、)宽翼缘(HW)。这一系列常用作柱及支撑，其翼缘较宽，截面宽高比为1:1。弱轴的回转半径相对较大，具有良好的受压承载力。截面规格为100 mm*100 mm400 mm*400 mm。2)中翼缘(HM)。这一系列可用作柱和梁，其翼缘宽度比宽翼缘(HW)窄一些，截面宽高比为1:1.31:2，截面规格为150mm*100 mm600 mm*300mm。3)窄翼缘(HN)。这一系列常用作梁，其翼缘较窄，也称梁型H型钢，截面宽高比为1:21:3，有良好的受弯承载力，截面高度为100900 mm。4)桩用H型钢(HP)。这一系列常用作钢桩，其宽高比为1:1，截面规格为:200 mm*200mm500 m
19、m*500 mm，且大多数这类H型钢的翼缘厚度同腹板。(三)钢管,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,钢管是一种具有中空截面的长条形管状钢材。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时重量较轻，是一种经济截面钢材，故钢管广泛用于制造结构件和各种机械零件。钢管按照横截面形状的不同可分为圆管和异形管。(四)钢筋 1.钢筋的种类(1)按化学成分分类，钢筋可分为碳素钢钢筋和普通低合金钢钢筋两种。1)碳素钢钢筋是由碳素钢轧制而成的。碳素钢钢筋按含碳量多少又分为低碳钢钢筋(wc0.60%)。含碳量越高，强度及硬度也越高，但塑性、韧性、冷弯及焊接性等均越低。2)普通低合金钢钢筋是在低碳钢和中碳钢的
20、成分中加人少量元素(硅、锰、钦、稀土等)制成的钢筋。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,普通低合金钢筋的主要优点是强度高，综合性能好，用钢量比碳素钢少20%左右。常用的有24MnSi,25MnSi,40MnSiV等品种。(2)按生产工艺分，钢筋可分为热轧钢筋、余热处理钢筋、冷拉钢筋、冷拔钢丝、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋等。1)热轧钢筋是用加热钢坯轧成的条形钢筋，由轧钢厂经过热轧成材供应，钢筋直径一般为550 mm，分直条和盘条两种。2)余热处理钢筋又称调质钢筋，是经热轧后立即穿水，进行表面控制冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋。其外形为有肋的
21、月牙肋。3)冷加工钢筋有冷拉钢筋和冷拔低碳钢丝两种。冷拉钢筋是将热轧钢筋在常温下进行强力拉伸使其强度提高的一种钢筋。钢丝有低碳钢丝和碳素钢丝两种。冷拔低碳钢丝由直径68 mm的普通热轧圆盘条经多次冷拔而成，分甲、乙两个等级。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,4)碳素钢丝是由优质高碳钢盘条经淬火、酸洗、拔制、回火等工艺而制成的。按生产工艺可分为冷拉及矫直回火两个品种。5)刻痕钢丝是把热轧大直径高碳钢加热，并经铅浴淬火，然后冷拔多次，钢丝表面再经过刻痕处理而制得的钢丝。6)钢绞线是把光圆碳素钢丝在绞线机上进行捻合而成的钢绞线。2.钢筋的规格(1)冷轧钢筋。1)冷轧带肋钢筋。冷轧带肋钢筋成
22、品公称直径范围为412 mm，其外形尺寸、表面质量和质量偏差应符合表11-7和表11-8的规定。2)冷轧扭钢筋。冷轧扭钢筋是由普通低碳钢热轧盘圆钢筋经冷轧扭工艺制成的。其表面形状为连续的螺旋形，故它与混凝土的钻结性能很强，同时具有较高的强度和足够的塑性。,上一页,下一页,返回,第二节钢结构的材料,如用它代替HPB235级钢筋可节约钢材30%左右，可降低工程成本。冷轧扭钢筋的规格及截面参数见表11-9。(2)热轧钢筋。1)低碳钢热轧圆盘条。盘条的公称直径为:5.5、6.0、6.5、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0 mm。根据供需双方的协议也可生产其他尺寸的
23、盘条。盘条的直径允许偏差不大于士0.45 mm，不圆度(同一横截面上最大直径与最小直径的差值)不大于0.45 mm。2)热轧光圆钢筋。钢筋的公称直径范围为622 mm，推荐的钢筋公称直径为6、8、10、12、16、20 mm。3)热轧带肋钢筋。热轧带肋钢筋的公称直径范围为650 mm，推荐的钢筋公称直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40、50 mm。,上一页,返回,第三节钢结构的连接,一、钢结构的连接方法 钢结构的连接方法主要有焊接、螺栓连接和铆钉连接三种。目前，焊接连接被广泛应用，铆钉连接已基本不采用。1.焊接连接 焊接连接是通过电弧产生热量，使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结
24、成焊缝，从而将焊件连接成一体。其优点是任何形式的构件一般都可直接相连，不会削弱构件截面，且用料经济，构造简单，加工方便，连接刚度大，密封性能好，可采用全自动或半自动作业，提高生产效率。其缺点是焊缝附近的钢材在高温作用下形成热影响区，使其金相组织和力学性能都发生变化，导致材质局部变脆;焊接过程中钢材由于受到不均匀的加温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，也使钢材的承载力、刚度和使用性能受到影响。焊接连接有气焊、接触焊和电弧焊等方法。在电弧焊中又分为手工焊、自动焊和半自动焊三种。目前，钢结构中较常用的焊接方法是手工电弧焊。,下一页,返回,第三节钢结构的连接,2.螺栓连接 螺栓连接分为普通螺栓
25、连接和高强度螺栓连接两种。螺栓连接的优点是施工工艺简单，安装方便，适用于工地安装连接，能更好地保证工程进度和质量。其缺点是螺栓连接因开孔对构件截面会产生一定的削弱，且被连接的构件需要相互搭接或另加拼接板、角钢等连接件，因而相对耗材较多，构造比较复杂。3.铆钉连接 铆钉是由顶锻性能好的铆钉钢制成的。进行铆钉连接时，先在被连接的构件上制成比钉径大1.01.5 mn:的孔，然后将一端有半圆钉头的铆钉加热，直到铆钉呈樱桃红色时将其塞人孔内，再用铆钉枪或铆钉机进行铆合，使铆钉填满钉孔，并打成另一铆钉头。铆钉在铆合后冷却收缩，对被连接的板束产生夹紧力，这有利于传力。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连
26、接,铆钉连接的韧性和塑性都比较好。但铆钉连接比较费工，且耗材较多，目前只用于承受较大动力荷载的大跨度钢结构。在工厂几乎已被焊接代替，在工地儿乎已被高强度螺栓连接所代替。二、焊接连接的构造与计算(一)对接焊缝的构造与计算 1.对接焊缝的构造 在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4 mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角(图11-4);当厚度不同时，焊缝坡口形式应根据较薄焊件厚度相关要求取用。对于较厚的焊件(t=20 mm,t为钢板厚度)，应采用V形缝、U形缝、K形缝、X形缝。其中V形缝和U形缝为单面施焊，但在焊缝根部还需补焊。对于没有条件
27、补焊时，要事先在根部加垫板(见图11-5)。当焊件可随意翻转施焊时，使用K形缝和X形缝较好。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,在钢板厚度或宽度有变化的焊接中，为了使构件传力均匀，应在板的一侧或两侧做成坡度不大于1:4的斜角，形成平缓的过渡(见图11-6)。当采用部分焊透的对接焊缝时，应在设计图中注明坡口的形式和尺寸，其计算厚度he不得小于，t为较大的焊件厚度。在直接承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。钢板拼接采用对接焊缝时，纵横两个方向的对接焊缝可采用十字形交叉或T形交叉。当为T形时，交叉点的间距不得小于200 mm，如图11-7所示。2.对接焊缝的
28、计算 对接焊缝中的应力分布情况与焊件原来的情况基本相同。下面根据焊缝受力情况分述焊缝的计算公式。(1)轴心力作用下的对接焊缝计算。在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其强度应按下式计算:,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,(11-2)N-轴心拉力或轴心压力;lw-焊缝长度;t-在对接接头中为连接件的较小厚度，在T形接头中为腹板的厚度;-对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。当对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝无法采用引弧板或引出板施焊时，每条焊缝在长度计算时应各减去2t。(2)弯距和剪力共同作用下的对接焊缝计算。在对接接头和T形接头中承受弯矩和剪力共
29、同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其正应力和剪应力应分别进行计算。弯矩作用下焊缝产生正应力，剪力作用下焊缝产生剪应力，其应力分布如图11-9所示。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,弯矩作用下焊缝截面上A点正应力最大，其计算公式为:(11-3)M-焊缝承受的弯矩;Ww-焊缝计算截面的截面模量。剪力作用下焊缝截面上C点剪应力最大，可按下式计算:(11-4)V-焊缝承受的剪力;Iw-焊缝计算截面对其中和轴的惯性矩;Sw-计算剪应力处以上焊缝计算截面对中和轴的面积矩。对于工字形、箱形等构件，在腹板与翼缘交接处，如图11-9所示，焊缝截面的B点同时受较大的正应力 和较大的剪应力 作用，还应
30、计算折算应力。其公式为:(11-5)-腹板与翼缘交接处焊缝正应力。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,(11-6)h0、h-焊缝截面处腹板高度、总高度;-腹板与翼缘交接处焊缝剪应力。(11-7)s1-B点以上面积对中和轴的面积矩;tw-腹板厚度。(二)角焊缝的构造与计算 1.角焊缝的构造 角焊缝主要用于两个不在同一平面的焊件连接。通常有三种主要截面形式，即普通式焊缝、平坡式焊缝和凹面式焊缝。(1)一般规定。钢结构角焊缝的构造应符合下列规定:,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,1)在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线型或凹型。焊脚尺寸的比例:对正面角焊缝宜为1:l.5
31、(长边顺内力方向);对侧面角焊缝可为1:1。2)在次要构件或次要焊缝连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝焊段的长度不得小于l0hf或50 mm，其净距不应大于15t(对受压构件)或30t(对受拉构件)，t为较薄焊件的厚度。3)当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时，每条侧面角焊缝长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离;同时两侧面焊缝之间的距离不宜大于16t(当t12 mm时)或190 mm(当t=12 mm时)，t为较薄焊件的厚度。4)当角焊缝的端部在构件转角处做长度为2hf的绕角焊时，转角处必须连续施焊 5)在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm。(2)尺寸要求。钢构件
32、角焊缝的构造尺寸应符合下列规定:,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,1)角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于，t为较厚焊件厚度(当采用低氢型碱性焊条施焊时，t可采用较薄焊件的厚度)。但对埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可减小1 mm;对T型连接的单面角焊缝，应增加1 mm。当焊件厚度等于或小于4 mm时，最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同。2)角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍(钢管结构除外)，但板件(厚度为t)边缘的角焊缝最大焊脚尺寸尚应符合下列要求:当t6mm时，hf=t-(12)mm。圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸也不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。3)角焊缝的两焊脚尺寸一般相等。当焊件的厚度
33、相差较大且等焊脚尺寸不能符合最大(最小)焊脚尺寸要求时，可采用不等焊脚尺寸，与较薄焊件接触的焊脚边应符合最小焊脚尺寸要求，与较厚焊件接触的焊脚边应符合最大焊脚尺寸的要求。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,4)侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40 mm。5)侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限。(3)单面角焊缝的构造要求。为减少腹板因焊接产生变形并提高工效，当T形接头的腹板厚度不大于8 mm且不要求全熔透时，可采用单面角焊缝(图11-11)。单面角焊缝应符合下列规定:1)单面
34、角焊缝适用于仅承受剪力的焊缝;2)单面角焊缝仅可用于承受静态荷载和间接动态荷载的、非露天和不接触强腐蚀性介质的结构构件;3)焊脚尺寸及最小根部熔深应符合表11-10的要求。4)经工艺评定合格的焊接参数、方法不得变更;,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,5)柱与底板的连接、柱与牛腿的连接、梁端板的连接、起重机梁及支承局部悬挂荷载的吊架等，除非设计有专门规定，不得采用单面角焊缝。2.角焊缝的计算(1)在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下:正面角焊缝(作用力垂直于焊缝长度方向):(11-8)侧面角焊缝(作用力平行于焊缝长度方向):(11-9)(2)在各种力的综合作用下，和 共同作用处:(1
35、1-10),上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,-按焊缝有效截面(helw)计算，垂直于焊缝长度方向的应力;-按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力;he-角焊缝的计算厚度，对直角角焊缝等于0.7hf,hf为焊脚尺寸;lw-角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hf;-角焊缝的强度设计值;-正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，;对直接承受动力荷载的结构，;被连接板件的最小厚度不大于4 mm时，取(3)斜角角焊缝(的T形接头)的强度应按式(11-8)式(11-10)计算，但取，计算厚度(根部间隙b、b1或b=1.5mm)或,上一页,下一页,返
36、回,第三节钢结构的连接,(4)部分焊透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝强度，应按式(11-8)式(11-10)计算;在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取1.22;其他受力情况 取1.0。其计算厚度应采用:1)V形坡口:当 时，he=s;时，he=0.75s。2)单边V形和K形坡口:当 时，he=s-3。3)U形坡口、J形坡口:he=s。s为坡口深度，即根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离(mm);为V形、单边V形或K形坡口角度。当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时，抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9。(5)角钢与钢板、圆钢与钢板、圆钢与圆钢之间的角焊缝连接计算。1)角
37、钢与钢板连接的角焊缝，应按表11-11所列公式计算。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,2)圆钢与钢板(或型钢的平板部分)、圆钢与圆钢之间的连接焊缝主要用于圆钢、小角钢的轻型钢结构中。应按下式计算抗剪强度:(11-11)-角焊缝的强度设计值;he-焊缝的计算厚度，对圆钢与钢板(或型钢的平板部分)的连接，he=0.7hf；对圆钢与圆钢的连接，he应按下式计算:(11-12)d1-大圆钢直径;d2-小圆钢直径;a-焊缝表面至两个圆钢公切线的距离(三)焊接应力与焊接变形 焊接是一种局部加热的工艺过程。焊接过程中以及焊接后，被焊构件内将不可避免地产生焊接应力和焊接变形。1.焊接应力,上一页,下
38、一页,返回,第三节钢结构的连接,在钢结构焊接时，产生的应力主要有以下三种:(1)热应力(或称温度应力)。这是在不均匀加热和冷却过程中产生的。它与加热的温度及其不均匀程度、材料的热物理性能以及构件本身的刚度有关。(2)组织应力(或称相变应力)。这是在金属相变时由于体积的变化而引起的应力。例如奥氏体分解为珠光体或转变为马氏体时都会引起体积的膨胀，这种膨胀受周围材料的约束，结果会产生应力。(3)外约束应力。这是由于结构自身的约束条件所造成的应力，包括结构形式、焊缝的布置、施焊顺序、构件的自重、冷却过程中其他受热部位的收缩，以及夹持部件的松紧程度，都会使焊接接头承受不同的应力。通常将(1)和(2)两种
39、应力称为内约束应力，根据焊接的先后将焊接过程中焊件内产生的应力称为瞬时应力;焊接后，在焊件中留存下来的应力称为残余应力。同理，残留下来的变形就称为残余变形。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,2.焊接变形(1)焊接变形的分类。在焊接过程中，钢结构基本尺寸的变化主要有三种，即与焊缝垂直的横向收缩、与焊缝平行的纵向收缩和角变形(即绕焊缝线回转)。由于这三种原因的综合影响，再加上结构的形状、尺寸、周界条件和施焊条件的不同，焊接结构中产生的变形状态也很复杂。根据变形的状态，一般可作如下分类(图11-13)：1)横向收缩-垂直于焊缝方向的收缩，如图11-13(a)所示。2)角变形(横向变形)-厚
40、度方向的非均匀热分布造成的紧靠焊缝线的变形，如图11-13(b)所示。3)回转变形-由于热膨胀而引起的板件在平面内的角变形，如图11-13(c)所示。4)压曲变形-焊后构件在长度方向上的失稳，如图11-13(d)所示。5)纵向收缩-沿焊缝方向的收缩，如图11-13(c)所示。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,6)纵向弯曲变形-焊后构件在穿过焊缝线并与板件垂直的平面内的变形，如图11-13(f)所示。7)扭曲变形-焊后构件产生的扭曲，如图11-13(妇所示。8)波浪变形-当板件变薄时，在板件整体平面上造成的压曲变形，如图11-13(h)所示。(2)焊接变形的控制。虽然焊接应力和焊接变形
41、的发生是不可避免的，但在实际中为了减少焊接应力和焊接变形引起的不利影响，结构设计时就应对焊缝的布置、数量、尺寸和形状等多予以考虑;在焊接时应合理地选择焊接的方法、顺序和预热等其他工艺措施，尽可能地把焊接应力和焊接变形控制到最小的程度。1)宜按下列要求采用合理的焊接顺序控制变形:对于对接接头、T形接头和十字接头坡口焊接，在工件放置条件允许或易于翻身的情况下，宜采用双面坡口对称顺序焊接;对于有对称截面的构件，宜采用对称于构件中和轴的顺序焊接。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,对双面非对称坡口焊接，宜采用先焊深坡口侧部分焊缝，后焊浅坡口侧部分焊缝，最后焊深坡口侧焊缝的顺序。对长焊缝宜采用分
42、段退焊法或与多人对称焊接法同时运用。2)在节点形式、焊缝布置、焊接顺序确定的情况下，宜采用熔化极气体保护电弧焊或药芯焊丝自保护电弧焊等能量密度相对较高的焊接方法，并采用较小的热输人。3)宜采用反变形法控制角变形。4)对一般构件可用定位焊固定同时限制变形;对大型、厚板构件宜用刚性固定法增加结构焊接时的刚性。5)对于大型结构宜采取分部组装焊接、分别矫正变形后再进行总装焊接或连接的施工方法。三、螺栓连接的设计与计算 螺栓连接可分为两大类型，即普通螺栓连接和高强度螺栓连接。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,(一)普通螺检连接的计算 1.普通螺栓承载力设计值(1)普通螺栓受剪连接中，单个螺栓承
43、载力设计值按下式取值:(11-13)(11-14)(11-15)-单个螺栓抗剪承载力设计值;-单个螺栓承压承载力设计值;nv-受剪面数日;d-螺栓杆直径;-在不同受力方向中一个受力方向承压构件的较小总厚度;-分别为螺栓的抗剪和承压强度设计值。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,(2)普通螺栓杆轴受拉连接中，单个螺栓承载力设计值按下式计算:(11-16)de-螺栓在螺纹处的有效直径;-普通螺栓的抗拉强度设计值。2普通螺栓连接的计算公式(1)承受轴心力的抗剪连接。承受轴心力的抗剪连接如图11-14所示，需要螺栓数的要求如下:(11-17)Nmin-一个螺栓受剪承载力设计值。(2)承受偏心力
44、的抗剪连接。承受偏心力的抗剪连接如图11-15所示，布置螺栓后，对受力最大的螺栓进行验算，其值应符合下列条件:(11-18),上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,式中：e-偏心距;xi、yi-任一螺栓的坐标;n-螺栓个数。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,(3)承受轴心力的抗拉连接。承受轴心力的抗拉连接如图11-16所示，所需螺栓的数目应符合下式的要求:(11-19)-一个螺栓的受拉承载力设计值(4)承受偏心力的抗拉连接。承受偏心力的抗拉连接如图11-17所示，布置螺栓后，对受力最大的螺栓进行验算，其值应符合下列条件:(11-20)e-N至螺栓群中心的距离;yi-任一螺栓到旋转
45、轴的距离;n-螺栓个数。(5)同时承受拉力和剪力的螺栓连接。普通螺栓同时承受拉力和剪力时，单个螺栓承载力应分别符合下列公式要求:(11-21),上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,(11-22)Nv、Nt-分别为某个普通螺栓所承受的剪力和拉力;-分别为一个普通螺栓的受剪、受拉和承压承载力设计值。(二)高强度螺检连接的计算1.高强度螺栓抗剪承载力设计值(1)在抗剪连接中，单个摩擦型高强度螺栓的承载力设计值应按下式计算:(11-23)nf-传力摩擦面数目;-摩擦面的抗滑移系数;P-一个高强度螺栓的预拉力。在螺栓杆轴方向受拉的连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值取。,上一页,下一页,返回,第三
46、节钢结构的连接,(2)在抗剪连接中，单个承压型高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同，当剪切面在螺纹处时，其受剪承载力设计值应按螺纹处的有效面积计算。承压型高强度螺栓的预拉力P的计算及取值与摩擦型高强度螺栓相同。在杆轴方向受拉的连接中，单个承压型高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同。(3)高强度螺栓抗拉连接的受力特点是依靠预拉力使连接件被压紧传力。当连接在沿螺栓杆轴方向再承受外力时，只要螺栓承担的外拉力设计值N,不超过其预拉力尸，螺栓杆内原预拉力基本不变。但当N,P时，螺栓可能达到钢材的屈服强度，卸荷后连接产生松弛现象，预拉力降低。因此钢结构设计规范(GB 50017 2
47、003)偏安全地规定一个高强度螺栓抗拉承载力设计值为:(11-24)2.高强度螺栓连接的计算公式,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,(1)当摩擦型高强度螺栓连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时，其承载力应按下式计算:(11-25)Nv、Nt-分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力;-分别为某个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。(2)同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓，应符合下列公式的要求:(11-26)(11-27)Nv、Nt-分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力;-分别为某个高强度螺栓的受剪、受拉、承压承载力设计值。,上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连
48、接,(3)高强度螺栓抗拉连接时，拉力:V通过螺栓群形心时所需螺栓数为:(11-28)在弯矩作用下，最上端螺栓应满足:(11-29)对高强度螺栓在弯矩作用下受拉计算时，取螺栓群形心应偏于安全。(4)高强度螺栓群的抗剪计算。1)高强度螺栓群受轴心力作用时，对构件净截面验算，高强度螺栓承压型连接与普通螺栓相同;对于高强度螺栓摩擦型连接，孔前传力占螺栓传力的5000，构件截面强度按下式计算:(11-30),上一页,下一页,返回,第三节钢结构的连接,n1-计算截面上的螺栓数;n-连接一侧的螺栓总数。构件净截面强度按下式计算:构件截面强度按下式计算:(11-31)(11-32)An-构件的净截面面积;A-
49、构件的毛截面面积。2)扭矩作用及扭矩、剪力和轴心力共同作用时高强度螺栓的受剪计算同普通螺栓。,上一页,返回,第四节钢构件的计算,一、受弯构件的计算(一)强度计算1.正应力计算承受静力荷载或间接承受动力荷载时:(11-33)直接承受动力荷载时：(11-34)Mx、My-绕x轴和y轴的弯矩;Wnx、Wny-对x轴和y轴的净截面抵抗矩;f-钢材的抗弯强度设计值;-截面塑性发展系数。,下一页,返回,第四节钢构件的计算,对工字形截面:对箱形截面:当受压翼缘的自由外伸宽度与厚度之比大于 而不超过 时取 fy为钢材屈服强度。2.剪应力计算在主平面内受弯的实腹构件(不考虑腹板屈曲后强度)，其抗剪强度应按下式计
50、算:(11-35)V-计算截面沿腹板平面作用的剪力;S-计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩;I-毛截面惯性矩;tw-腹板厚度;fv-钢材的抗剪强度设计值。,上一页,下一页,返回,第四节钢构件的计算,3.局部压应力计算 当梁上翼缘受沿腹板平面作用的集中荷载，且该荷载处又未设置支承加劲肋时，腹板计算高度上边缘的局部承压强度应按下式计算:(11-36)(11-37)F-集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数;-集中荷载增大系数;对重级工作制起重机梁，对其他梁，lz-集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度;a-集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，对钢轨上的轮压可取50mm;hy-自梁顶面至腹板计算高度
