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1、11 钢结构,本章主要介绍钢结构连接的方法及其受力特点，以及普通钢屋盖和轻钢屋盖的组成、特点、节点构造。要求理解钢结构连接的主要构造要求，以及普通钢屋架和轻钢屋架的节点构造；了解檩条的种类和支撑的布置。,本章提要,本 章 内 容,11.1 钢结构的连接11.2 钢屋盖,11.1 钢结构的连接,焊接连接是通过电弧产生的热量使焊条、焊件局部熔化，经冷却连为一体。焊接的方法有手工电弧焊、自动或半自动电弧焊、气体保护焊。,11.1.1 焊接连接,(1)手工电弧焊及焊条手工电弧焊是由电焊机、电线、焊钳、焊条、焊件组成。打火引弧后，手持焊钳的焊条与焊件很快接触形成短路，强大的电流激发电弧，电弧温度很高（6
2、000左右），使焊条与焊件熔化，滴落在电弧吹成的焊件熔池中，冷却后熔为一体，如图11.1所示。,11.1.1.1 焊接的基本知识,手工电弧焊设备简单，操作灵活方便，适应性强，在工程中广泛应用，但是焊接质量波动性大，要求具有一定的焊接水平，而且劳动强度大，劳动条件差。焊接质量还与焊条的质量牌号有关。焊条是由外层药皮和内部焊芯组成。药皮的作用是提高电弧燃烧的稳定性，形成保护性气体和熔渣，脱氧以及向焊缝金属掺加必要的化学元素，提高焊接质量，改善机械性能。与其匹配的焊条见表11.1（详见P224）。,（2）焊接的特点焊接的优点是不必打孔，省工省时；任何形状构件可直接连接，构造简单，施工方便；密闭性好，
3、结构刚度大，整体性好。其缺点是焊缝附近热影响区材质变脆；焊接残余应力使结构变脆，焊接残余变形使结构形状发生变化；焊接裂缝一旦形成，很容易扩展。,图11.1 手工电弧焊原理,按焊缝本身截面形式不同，焊缝分为对接焊缝和角焊缝。(1)对接焊缝按焊缝金属充满母材的程度分为焊透的对接焊缝和未焊透的对接焊缝。未焊透的对接焊缝受力很小，而且有严重的应力集中。焊透的对接焊缝简称对接焊缝。为了便于施工，保证施工质量，保证对接焊缝充满母材缝隙，根据钢板厚度采取不同的坡口形式，如表11.2所示。,11.1.1.2 焊缝的构造,当间隙过大（36mm）时，可在V形缝及单边V形缝、I形缝下面设一块垫板（引弧板），防止熔化
4、的金属流淌，并使根部焊透。为保证焊接质量，防止焊缝两端凹槽，减少应力集中对动荷载的影响，焊缝成型后，若不影响其使用，两端可留在焊件上，否则焊接完成后应切去。见图11.2。,焊缝内部的缺陷（未焊透、裂痕、凹凸等）使得构件在外力作用下，经过该处的传力很不平顺，在局部应力突然增大，甚至形成高峰，这种现象叫钢材的应力集中，其结果导致材料脆性增加，塑性降低，对动力荷载特别敏感，除采用引弧板外，还可以采取如表11.3中所示的措施。,(2)角焊缝角焊缝的类型 角焊缝连接板件板边不必精加工，板件无缝隙，焊缝金属直接填充在两焊件形成的直角或斜角的区域内。按角焊缝本身的截面形式分为直角焊缝（图11.3(a)、(b
5、)）、斜角焊缝（图11.3(c)、(d)），常用直角焊缝；按角焊缝长度与外力作用方向分为侧焊缝、端焊缝、斜焊缝。由两种及两种以上的角焊缝组成的焊缝叫混合焊缝，例如围焊缝、L形焊缝如图11.4所示。,角焊缝的构造要求直角焊缝中直角边的尺寸称为焊脚尺寸（图11.5），其中较小边的尺寸用hf表示。为保证焊缝质量，宜选择合适的焊角尺寸。如果焊脚尺寸过小，则焊不牢，特别是焊件过厚，易产生裂纹；如果焊脚尺寸过大，特别是焊件过薄时，易烧伤穿透，另外当贴边焊时，易产生咬边现象。为此，规范给出了最大焊脚尺寸hfmax和最小焊脚尺寸hfmin、焊缝计算长度及其他构造要求，见表11.4。,(3)对接焊缝与角焊缝比较
6、对接焊缝与角焊缝的比较见表11.5。,(4)焊接残余变形及焊接残余应力焊接是一个局部加热，然后再冷却的过程。在焊接过程中形成一个很不均匀的温度场，热变形很不均匀，加之冷却后散热速度不均匀，收缩也不一致，这样钢材各纤维变形不能恢复原状，这种变形叫焊接残余变形。在产生残余变形的同时，钢材各纤维之间形成相互制约的作用力，叫焊接残余应力。见图11.6。焊接残余变形、残余应力的危害及其消除或减小措施见表11.6。,图11.2 引弧板,表11.2 对接焊缝坡口形式,表11.3 厚度及宽度变化时减少应力集中措施,图11.3 角焊缝截面形式,图11.4 混合焊缝,图11.5 角焊缝计算高度,表11.4 角焊缝
7、构造要求,表11.5 对接焊缝与角焊缝的比较,图11.6 焊接变形,表11.6 焊接残余变形、残余应力的危害及减小措施,按制作螺栓的材料强度大小及传力机理不同，螺栓连接分为普通螺栓连接和高强螺栓连接，其比较如表11.7。(1)普通螺栓连接构造普通螺栓连接按加工的精确程度分为精制螺栓连接和粗制螺栓连接，其比较见表11.8（详见P228）。螺栓的排列有并列式和错列式，如图11.7所示。,11.1.2 螺栓连接,螺栓的排列应符合下列要求：受力要求 构造要求 施工要求(2)高强螺栓连接高强螺栓连接按抗剪传力途径分为摩擦型高强螺栓连接和承压型高强螺栓连接，见表11.10。,表11.7 普通螺栓连接和高强
8、螺栓连接比较,图11.7 螺栓的排列,表11.10 高强螺栓连接按抗剪传力途径分类及比较,11.2 钢屋盖,钢屋盖通常由屋面板或轻型屋面材料、檩条、屋架、托架、天窗架和屋面支撑材料等组成，屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则取决于建筑物的工艺要求和经济要求；当屋架跨度较大时，为了采光和通风的需要，屋盖上常设天窗；当由于某种需要柱距较大超出屋面板长度时，应设置中间屋架和柱间托架，中间屋架荷载通过托架传给柱子；屋架和屋架之间应设置支撑，以增加屋架的侧向刚度，传递水平荷载和保证屋盖的整体稳定。,11.2.1 钢屋盖的组成和布置,根据屋面材料和屋面布置情况不同，屋盖可分为无檩体系和有檩体系。无
9、檩体系屋面板长度通常为6m，屋架的间距也是6m，这种屋面板上常采用卷材防水屋面，屋面坡度i=18112。有檩体系屋架间距与屋面布置灵活，自重轻，用料省，运输方便，但整体性差，构件种类多，构造较复杂。,屋盖中屋架是组成房屋横向平面承重结构（屋架、柱、基础）的主要承重构件，屋面大部分荷载通过它传给柱和基础；而屋架在平面外（纵向）的刚度、稳定性相当差，所以还需要设置屋盖支撑以形成一个空间的几何不变体系，保证具有传递纵向水平荷载的能力，同时也保证施工中的安全。其种类及布置要求见表11.11（详见P231），其形式见图11.8。,11.2.2 屋盖支撑体系,图11.8 屋盖支撑,(1)实腹式檩条（图11
10、.9）构造简单、制作安装方便，常用于跨度l=36m，截面高度h=（1/351/50）l，跨度再大就不经济了。截面形式有普通工字钢、角钢、槽钢、冷弯薄壁型钢（如Z形钢、C形钢）。冷弯薄壁型钢用钢量省，但防锈要求高。在竖向荷载作用下，檩条产生双向弯曲，所以应按双向受弯的钢梁设计。,11.2.3 钢檩条,靠近檩条的上翼缘设置侧向支承点即拉条，拉条应布置在纵向垂直于檩条，拉条一般用圆钢直径为1016mm，用螺母与腹板固定。当檩条跨度为46m时，至少在跨中布置一道拉条；当跨度l6m时，应设置两道拉条。(2)桁架式檩条 用料经济，但制作麻烦，当跨度l6m时才采用。桁架式檩条分为平面式桁架和空间式桁架。,图
11、11.9 实腹式檩条截面,普通钢屋架是用一般型号的型钢（L454或L56364）和钢板组成的屋架，杆件截面主要采用热轧角钢组成T形或十字形截面，在杆件的交汇处用直角焊缝与节点板连接。它构造简单、制作安装方便，与屋盖支撑形成空间几何不变体系，屋盖的刚度好，工作可靠，适应性强，在单层大跨度结构中广泛应用，但耗钢量大，适用于跨度l=1836m。,11.2.4 普通钢屋架,屋架的外形主要有三角形、梯形、矩形（平行弦）、人字形等。三角形屋架（图11.10）多用于屋面坡度较大（i=1/61/3）的有檩体系，屋面材料可用波形石棉瓦、玻璃钢瓦、压型钢板。梯形屋架（图11.11）多用于屋面坡度较缓（i=1/81
12、/20）的无檩体系，屋面材料主要是大型屋面板，屋架高度h=（1/151/10）l。,11.2.4.1 钢屋架的形式及特点,平行弦屋架（图11.12）可用于各种坡度屋面，由于其节间划分统一，中间节点构造统一，制作方便，应用较多，例如各种支撑体系就是平行弦桁架的一种应用。,图11.10 三角形钢屋架,(a)芬克式屋架；(b)斜杆式屋架；(c)人字形屋架,图11.11 梯形钢屋架,(a)人字形；(b)人字形；(c)芬克式,图11.12 平行弦钢屋架,（1）钢屋架的截面形式普通钢屋架杆件一般采用两个角钢组成的T形或十字形截面。选择每一杆件截面组合形式应尽可能满足两个方向等稳定要求外，还必须保证构造简单
13、，制作、安装和维护方便等要求。常见的截面形式见表11.12。为确保由两个角钢组成的T形截面或十字形截面的杆件能形成整体杆件共同工作，必须每隔一定距离在两个角钢间设置填板，并用焊缝连接。,11.2.4.2 屋架构造要求,(2)屋架节点构造布置桁架各杆件的位置时，原则上应使各杆件形心轴线与桁架几何轴线重合，若不能重合时，允许几何轴线到角钢肢背的焊缝距离为5mm的倍数。双角钢截面在节点处用节点板通过角焊缝连接(见图11.13)。下弦杆与节点板连接由于弦杆不截断，所以N很小，其角焊缝不计算，与节点板搭接长度内满焊即可，见图11.14。,上弦杆与节点板连接上弦杆与节点板的连接见图11.15。铰接支座节点
14、（图11.16）屋架的拼接节点（图11.17）屋架弦杆的拼接有工厂拼接和工地拼接。,表11.12 屋架杆件截面形式,图11.13 斜腹杆与弦杆的连接,(a)正确；(b)不正确,图11.14 下弦杆与节点板的连接,图11.15 上弦杆与节点板的连接,图11.16 铰接支座节点构造,图11.17 屋架的拼接节点,(a)下弦拼接节点；(b)上弦拼接节点,用圆钢直径不宜小于12mm（屋架杆件）或直径不宜小于16mm（支撑杆件）和小角钢（小于L454或小于L56364）组成的钢屋架以及用26mm薄钢板或带钢冷弯成型的薄壁型钢，统称为轻钢屋架。为了把两类轻钢屋架加以区别，前者称为轻型钢屋架，后者称为薄壁型
15、钢屋架。,11.2.5 轻钢屋架的构造,轻型钢屋架自重小、用钢省，便于制作运输、安装方便，但刚度差，承载力低，锈蚀影响大。主要用于轻型屋盖中，例如中小型厂房、食堂、小礼堂等，跨度18m，吊车起重量不大于5t又不很繁忙的桥式吊车中厂房。轻型钢屋架常见的形式（图11.18）有三角形芬克式屋架、三铰拱屋架和梭形屋架。,11.2.5.1 轻型钢屋架,轻钢腹杆宜直接与弦杆焊接，尽可能不用节点板，若采用时，节点板厚一般为68mm，支座节点板厚1214mm；屋架杆件重心线应尽可能在节点处交于一点，但圆钢与弦杆连接时，很难避免偏心，此时节点中心至腹板与弦杆的交点距离为1020mm，见图11.19。,（1）三角
16、形芬克式屋架一般为平面桁架，上弦截面常采用双角钢（为安放檩条），下弦和腹杆常采用单角钢或圆钢，对于圆钢不宜采用内力较大的受压腹杆。这种屋架构造简单，制作方便，短杆受压，长杆受拉，结构合理。这种屋架跨度918m，屋架间距46m，有桥式吊车时，屋架杆件不宜采用圆钢，其节点构造见图11.20。,（2）三铰拱屋架（图11.21(a)）它是由两根斜梁和一根拉杆组成，三铰拱屋架的斜梁截面有平面桁架式（图11.21(b)）和空间式桁架（图11.21(c)）两种。平面桁架式侧向刚度差，一般宜采用空间式桁架（倒三角形）。空间式桁架斜梁上弦截面宜用双角钢，并在节间内用缀条将两根缀条相连；斜梁下弦宜采用单角钢，当下
17、弦受拉时，也可以采用圆钢；斜梁腹杆通常用连续弯折的圆钢；拉杆一般采用单圆钢。空间式桁架节点构造见图11.22。,（3）梭形屋架一般采用空间式桁架（三角形），它的上弦常采用单角钢（不小于L906）并且开口朝上（V形），下弦和腹杆常用圆钢，有时也用角钢。与前两种屋架主要不同点是高度小，坡度小。常用于有卷材防水无檩屋盖中，跨度15m，间距随屋面板长度而定，变动范围大（26m）。其节点构造见图11.23，与三角形芬克式屋架及三铰拱屋架节点构造类同。,为了保证支承屋面板的可靠性，宜顺上弦角钢槽内焊以绕筋（蛇形钢筋），再在屋面板纵缝之间布置连系筋，纵横缝之间灌以细石混凝土，这样上弦角钢与混凝土共同工作，刚
18、度增加，见图11.24。,图11.18 轻钢屋架形式,图11.19 圆钢腹杆与圆钢或角钢弦杆的连接,图11.20 芬克式屋架,图11.21 三铰拱轻钢屋架,图11.22 三铰拱轻钢屋架节点构造,(a)支座节点；(b)屋脊节点,图11.23 梭形屋架节点构造,(a)支座节点；(b)屋脊节点,图11.24 梭形轻型屋架上弦与屋面板的连接,薄壁型钢截面形式见图11.25。它除具有型钢结构的特点外，还有刚度好，加工制作简单，节点连接一般不需要节点板，应用范围较大等特点。薄壁型钢屋架的跨度可达1230m，吊车起重量575t。薄壁型钢屋架可设计成平面桁架、刚架或网架。薄壁型钢管截面分为圆管截面和方管（或矩
19、形管）截面，由薄钢板冷加工而成有缝钢管或无缝钢管。,11.2.5.2 薄壁型钢屋架,圆管和方管屋架几何形式（图11.26）宜选用节点少的三角形腹系桁架，必要时可增设辅助竖杆（虚线所示）。上弦坡度可视屋面板的类型在1/121/10的跨度间选用。如图11.27(a)所示，支座节点处上弦与下弦顶接，并且直接焊接，构造简单，节省材料；当杆件间的夹角较小时，可加垫板，垫板的作用是防止杆件烧伤和提高弦杆局部强度（图11.27(b)）；在图11.27(c)中还增加了节点板；图11.27(d)是梯形或矩形管屋架支座节点，端竖杆焊接封板防止锈蚀。,在屋脊节点，上弦用封板通过在工厂以焊缝拼接（图11.28(a)），或在工地以螺栓拼接（图11.28(b)）。腹杆与弦杆直接焊接，构造简单。,图11.25 薄壁型钢屋架常用截面形式,图11.26 方管屋架几何形式,图11.27 方管屋架支座节点,图11.28 方管屋架屋脊节点,(a)工厂拼接；(b)工地拼接,
