钢结构连接与受力分析

钢结构的连接和节点构造连接要求足够的强度、刚度和延性连接方法焊接、铆接和螺栓连接1钢结构对连接的要求及连接方法（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接2焊接连接的特性1焊接方法电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等图7-2手工电弧焊图7-3自动埋弧焊1—电源；2—导线；3—夹具；1—焊丝转盘；2—转动焊丝的电动机；4—焊条；5—药皮；6—焊件3—焊剂漏斗；4—电源；5—熔化的焊剂；6—焊缝金属；7—焊件；8—移动方向2焊接连接的优缺点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焊缝缺陷焊缝缺陷裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等(a)热裂纹；(b)冷裂纹；(c)气孔；(d)烧穿；(e)夹渣(f)根部未焊透；(g)边缘未熔合；(h)层间未熔合；(i)咬边；(j)焊瘤焊缝等级：《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）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强度折减：高空安装焊缝，强度设计值乘以0.94焊缝连接型式及焊缝型式连接型式平接、搭接、T形连接和角接连接型式对接焊缝和角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝连续角焊缝断续角焊缝施焊位置俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊5焊缝代号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对接焊缝的构造和计算1构造要求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（a）I形缝；（b）带钝边单边V形缝；（c）Y形缝（d）带钝边U形缝；（e）带钝边双单边V形缝；（f）双Y形缝；（g）、（h）、（i）加垫板的I形缝、带钝边单边V形缝和Y形缝2对接焊缝的计算计算原则用计算焊件的方法。I、II级等强不计算，仅计算III级焊缝（1）轴心受力的对接焊缝＝N／（lwt）≤fwt或fwc（2）受弯、受剪的对接焊缝计算＝M／Ww≤fwt＝VS／（Iwt）≤fwVwtzsf1.132B2B3部分焊透的对接焊缝计算原则：按角焊缝计算4角焊缝的构造和计算1构造和强度截面形状应力分布侧面角焊缝的应力分布角焊缝的应力—位移曲线正面角焊缝的应力分布焊脚尺寸hf应与焊件的厚度相适应。对手工焊，hf应不小于，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm；hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。t5.1对于板件边缘的焊缝，当t≤6mm时，hf≤t；当t6mm时，hf＝t－(1~2)mm。焊缝长度lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm，且不宜大于60hf2角焊缝计算的基本公式wff3)(32//22fxfxefyfyefzfze,,NAVAVAefxfyfxefye/2+/2/2/2ANNAAfxfy/2/2fyfx//fz/2/2,则有22w2ffzfyfzfyfz33/2/2/2/2f可得角焊缝计算的基本公式为222wfxfyfxfyfzf2()3f仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时wfewf/()Nhlf仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时wfewff/()Nhlf受各力综合作用时22wffff/f3常用连接方式的角焊缝计算1、受轴心力作用的拼接板连接仅侧面角焊缝（图a）wffewNfhl仅正面角焊缝（图b）wfffewNfhl三面围焊时（图c）先计算计算正面角焊缝受力N1，剩余的N－N1由侧面角焊缝承担。菱形拼接板（图d）简化计算不计正面及斜焊缝的f：wfewNfhl2、受轴心力作用的角钢连接当用侧面角焊缝连接时（图a）肢背N1=e2N/（e1+e2）=K1N肢尖N2=e1N/（e1+e2）=K2N三面围焊时（图b）正面角焊缝承担的力为N3=0.7hf∑lw3βfffw侧面角焊缝承担的力为肢背N1=e2N/（e1+e2）－N3/2=K1N－N3/2肢尖N2=e1N/（e1+e2）－N3/2=K2N－N3/2L形焊缝（图c）正面角焊缝承担的力为N3=0.7hf∑lw3βfffw侧面角焊缝承担的力为N1=N－N33、弯矩作用下的焊缝wfffwMfW4、扭矩作用下的焊缝焊缝群受扭：假定①被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；②被连接板件绕角焊缝有效截面形心o旋转，角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心o的连线，应力的大小与其距离r的大小成正比。AAxy;TrJIIJAyTAxTrJTAxAyTrJ环焊缝受扭5、弯矩、剪力和轴心力共同作用MVNAAAwewew;;MVNWhlhlMN2V2wAAAff()()f6、扭矩、剪力和轴心力共同作用yVNTTxAAAAewew;;;TrVNTrhlhlJJTV2TT2wAAAAff()()f7、塞焊计算1焊接残余应力的分类和产生的原因纵向残余应力5焊接残余应力和残余变形横向残余应力厚度方向的残余应力约束状态下的焊接应力2焊接残余应力的影响对结构静力强度的影响对结构刚度的影响对压杆稳定的影响对低温冷脆的影响对疲劳强度的影响3焊接残余变形残余变形形式残余变形形式4减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法采取合理的施焊次序施焊前加相反的预变形（图a、b）焊前预热，焊后回火（图c）5合理的焊缝设计焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸焊缝不宜过分集中（图a）应尽量避免三向焊缝交叉（图b）考虑钢板分层问题（图c）焊条易达到（图d）避免仰焊6普通螺栓的构造和计算•普通螺栓连接A、B级螺栓—5.6级和8.8级，d0-d=0.3~0.5mm，钻成孔C级螺栓—4.6级和4.8级，d0-d=1.0~1.5mm，冲成孔•高强度螺栓连接8.8级和10.9级，d0-d=1.0~1.5mm，钻成孔摩擦型连接，承压型连接1螺栓连接的排列和构造要求排列方式：并列或错列排列要求•受力要求：钢板端部剪断，端距不应小于2d0;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钢板上螺栓和铆钉的容许间距名称位置和方向最大容许距离（取两者的较小值）最小容许距离外排(垂直内力或顺内力方向)8d0或12t垂直内力方向16d0或24t构件受压力12d0或18t中间排顺内力方向构件受拉力16d0或24t中心间距沿对角线方向——3d0顺内力方向2d0剪切或手工气割边1.5d0高强度螺栓1.5d0中心至构件边缘距离垂直内力方向轧制边、自动气割或锯割边其它螺栓4d0或8t1.2d0注:1.d0为螺栓孔或铆钉孔径，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。孔、螺栓图例2普通螺栓连接的构造和计算传力方式：抗剪螺栓抗拉螺栓同时抗剪抗拉螺栓计算方法：螺栓承载力计算螺栓群中受力最大螺栓1单个螺栓的承载力设计值=螺栓1的内力（1）单个螺栓的承载力设计值（2）螺栓群内力计算btbCVNNN、、b1、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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“解纽扣”破坏，当连接长度l1较大时，应将螺栓的承载力乘以折减系数：当l1≤15d0时，=1.0当15d0＜l1≤60d0时，=1.1－l1/150d0当l1＞60d0时，=0.7一个抗剪螺栓的设计承载力计算•抗剪承载力设计值：bvvbvfdnN42•承压承载力设计值：bcbcftdN(a)单剪(b)双剪(c)四剪面一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值。2、抗拉螺栓连接破坏形式：螺栓杆拉断抗拉承载力设计值btebtebtfAfdN42为考虑撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值ftb取同样钢号钢材抗拉强度设计值f的0.8倍(即ftb=0.8f)3、螺栓群的内力计算a.螺栓在轴心力作用下的抗剪计算轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布螺栓数目bmin/nNN板件净截面强度n/NAf净截面面积和受力并列（图a）N1=N；N2=N－(n1/n)N；N3=N－(n1+n2)/nN对被连接板：An=t(b－n1d0)对拼接板：An=2t1(b－n3d0)错列（图b）除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截面的破坏，净截面面积为22n421220[2(1)]Ateneendb、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算基本假定①被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；②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。TTT1122nnTNrNrNr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TTT12n12nNNNrrr则TTn22221112n111()iiNNTrrrrrr或T111222iiiTrTrNrxyT11x22iiTyNxyT11y22iiTxNxybvTNN][1验算c、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算在剪力V和轴力N作用下，螺栓均匀受力：V1y/NVnN1x/NNn则螺栓1受的最大剪力N1应满足：NT2VT2b11x1x1y1ymin()()NNNNNN在扭矩T作用下，螺栓1受力为d、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布bt/nNNe、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算假定：中和轴在指向的第一排螺栓处Mb11t2iMyNNmy则M2iym指所有螺栓对中和轴之距平方和。f、螺栓群同时受剪力和拉力的计算支托仅起安装作用：螺栓群受力为M=Ve和剪力V，则M2t11/()iNNMymyv/NVn螺栓不发生拉剪破坏：22vtbbvt()()1NNNN板不发生承压破坏：bvcNN支托承受剪力：螺栓群只承受弯矩M=Ve作用，则M2bt11t/()iNNMymyN支托和柱翼缘的角焊缝验算：wfewf()Vhlf为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取1.25~1.351高强度螺栓连接的性能级别：10.9级和8.8级（小数点前为螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后的数字是屈强比）栓孔：钻成孔按受力特征分类：摩擦型连接、承压型连接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7高强度螺栓连接的性能和计算1、高强螺栓连接的预拉力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：•①螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；•②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；•③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；•④钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。ueue0.90.90.9/1.20.608PfAfA一个高强度螺栓的预拉力P(kN)螺栓的公称直径(mm)螺栓的强度等级M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级1001551902252903552、高强螺栓连接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，要求见下表