第五章轴心受力构件

第五章轴心受力构件第一节概述第二节轴心受拉构件第三节轴心受压构件的整体稳定第四节轴心受压构件的局部稳定第五节实腹式轴心压杆的截面设计第六节格构式轴心压杆的截面设计第七节轴心受压柱的柱头与柱脚第一节焊缝连接一、焊接结构的特点和常用的焊接方法（一）焊接结构的特点优点：1.不削弱截面，经济；2.焊件间可直接焊接，构造简便，制造省工，传力路线短而明确；3.连接的密闭性好，刚度大，整体性好；4.便于自动化作业，提高质量和效率；缺点：1.位于热影响区的材质变脆；2.产生残余应力和变形3.焊接结构对裂纹很敏感（二）常用的焊接方法焊接方法焊条焊剂操作方式适应范围质量状况电弧焊手工焊短焊条(350－400mm)附于焊条之药皮全手动工位复杂，形状复杂之焊缝比自动焊略差自动焊连续焊丝焊剂全自动长而简单的焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强半自动焊连续焊丝CO2气体保护人工操作前进任意焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强电阻焊无无通电、加压、机械薄板点焊一般用作构造焊缝气焊短、光焊条无（乙炔还原）手工薄板、小型、不同材质结构中一般用作构造焊缝二、焊缝类型及施焊方法（一）焊缝类型分为对接焊缝和角焊缝。（二）施焊方法根据焊工与焊缝的相对位置分为俯焊、立焊、横焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差。（三）对接焊缝按受力与焊缝方向分为：a）直缝：作用力方向与焊缝方向正交b）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交（四）角焊缝按受力与焊缝方向分为：a）端缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直b）侧缝：作用力方向与焊缝长度方向平行第二节对接焊缝连接一、对接焊缝构造1.对接焊缝的形式：a）直边缝：适合板厚t≤10mmb）单边V形：适合板厚t＝10～20mmc）双边V形：适合板厚t＝10～20mmd）U形：适合板厚t20mme）K形：适合板厚t20mmf）X形：适合板厚t20mm2.对接焊缝的优缺点优点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。缺点：需剖口，焊件长度要精确。3.对接焊缝的构造处理（1）起落弧处易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算时将焊缝长度两端各减去t。（2）变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：2.5的斜面，避免应力集中。（3）变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1:2.5的斜边，避免应力集中。4.对接焊缝的强度有引弧板的对接焊缝在受压时与母材等强，但焊缝的抗拉强度与焊缝质量等级有关。二、对接焊缝连接的计算理论分析和实验结果表明，焊接缺陷对受压对接焊缝的强度无影响，但是，受拉的对接焊缝对焊缝中的缺陷非常敏感，焊缝质量不同，其抗拉设计强度也不相同。对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同。计算时，焊缝中最大应力（或折算应力）不能超过焊缝的强度设计值，对接焊缝计算方法与基材的强度计算方法一致。一、二级焊缝质量：焊缝的抗拉强度等于基材的抗拉强度，适用于直接承受动力荷载和对焊缝质量要求高的结构中；三级焊缝质量：焊缝的抗拉强度等于基材的抗拉设计强度的0.85倍。第三节角焊缝连接一、角焊缝的形式和构造1、截面形式（1）直角焊缝（a）普通焊缝（b）平坡焊缝（c）深熔焊缝一般采用（a）。但（a）应力集中较严重，在承受动力荷载时采用（b）、（c）。（2）斜角角焊缝（d）斜锐角焊缝（e）斜钝角焊缝（f）斜凹面角焊缝主要用于钢管连接中。2、构造要求部位项目构造要求备注焊脚尺寸hf上限；对板边：t1为较薄焊件厚下限；当t2为较厚焊件厚对自动焊可减1mm；对单面T型焊应加1mm焊缝长度lw上限（受动力荷载）；（其他情况）；内力沿侧缝全长均匀分布者不限下限8hf或40mm，取两者最大值端部仅有两侧面角焊缝连接长度lw距离l0t为较薄焊件厚端部转角转角处加焊一段长度2hf（两面侧缝时）或用三面围焊转角处焊缝须连续施焊搭接连接搭接最小长度5t1或25mm，取两者最大值t1为较薄焊件厚度其它构造要求：(1)承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。(2)在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为1:1.5,长边顺内力方向；对侧面角焊缝可为1:1。(3)在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距，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、端焊缝和侧焊缝（1）端缝：焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。端缝破坏强度要高一些，但塑性差。（2）侧缝：焊缝长度方向与受力方向平行，其特点为应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。侧缝强度低，但塑性较好。4、有效厚度——两焊脚边的夹角，——焊脚尺寸第四节焊缝残余应力和焊缝残余变形焊接变形：钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。一、焊缝残余应力（1）形成两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600°C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。（2）焊接应力的分类纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力，焊接高温焊缝周围产生塑性压缩，冷却时收缩受到限制，焊缝附近区受拉，焊缝区以外受压，横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力，纵向收缩产生反向变形—中间受拉，两端受压先焊接限制后焊接变形—中间受压，两端受拉应力叠加；厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力，表面先冷却限制内部收缩，内部受拉，表面受压（3）焊接应力的影响对常温下承受静力荷载结构的强度没有影响，但刚度降低；由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态，阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展；降低疲劳强度；降低压杆的稳定性；使构件提前进入弹塑性工作阶段。二、焊缝残余变形焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等三、减少焊接应力和焊接变形的方法合理的焊缝设计(1)避免焊缝集中、三向交叉焊缝(2)焊缝尺寸不宜太大(3)焊缝尽可能对称布置，连接过渡平滑，避免应力集中现象(4)避免仰焊(5)焊缝均匀对称(6)采用合理的焊接次序：跳焊、间断焊(7)焊后校直(8)焊前预热、焊后热处理(9)钢板不易过薄t4mm(10)施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形第五节螺栓和铆钉连接的构造一、概述栓钉连接分为铆钉连接、普通螺栓连接和高强螺栓连接1.铆钉连接分为热铆和冷铆两种铆合方法2.螺栓连接分类：普通螺栓、摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓类别加工精度抗剪性能成本使用范围精制(A、B)级高，栓径与孔径之差为0.5～0.8mm，I类孔高高1）构件精度很高的结构，机械结构；2）连接点仅用一个螺栓或有模具套钻的多个螺栓连接的可调节杆件（柔性杆）粗制(C级)较低，栓径与孔径之差为1～1.5mm较低低1）抗拉连接；2）静力荷载下抗剪连接；3）加防松措施后受风振作用抗剪；4）可拆卸连接；5）安装螺栓；6）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用注：A级用于M24以下，B级用于M24以上。二、栓钉的排列和构造要求1.排列螺接在构件上的排列应简单、统一、整齐而紧凑，通常分为并列和错列两种形式。并列比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔错列排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。螺栓在构件上的排列应考虑以下要求：(1)受力要求在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使蜕栓周围应力集中相互影响．且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。在顺力作用方向：端距应按被连接件材料的抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓撕裂，规范规定端距不应小于2do；受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。(2)构造要求螺栓的中距及边距不宜过大，否则钢板间不能紧密贴合，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。(3)施工要求要保证有一定空间，便于用扳手拧紧螺帽。根据扳手尺寸和工人的施工经验。2.构造螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：(1)为了使连接可靠，每一扦件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺拴数不宜少于两个。但根据实践经验，对于组合构件的线条，其端部连接可采用一个螺栓。(2)对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。例如采用弹簧垫困，或将螺帽和螺杆焊死等方法。(3)由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。但在重要的连接中，例如：制动梁或吊车梁上冀绿与校的连接，由于传递制动粱的水平支承反力，同时受到反复动力荷载作用，不得采用c级螺栓。校间文撑与柱的连接，以及在柱间文撑处吊车梁下翼绿的连接，承受着反复的水平制动力和卡轨力，应优先采用高强度螺栓。(4)当型钢构件的拼接采用高强度螺拴第六节螺栓和铆钉连接的工作性能普通螺栓连接按受力情况可分为三类：①螺栓只承受剪力；⑧螺栓只承受拉力；②螺栓承受拉力和剪力的共同作用。下面将分别论述这三类连接的工作性能和计算方法。一、剪力螺栓连接1.抗剪连接的工作性能抗剪连接的受力情况剪力螺栓受力后，当外力不大时，由构件间的摩擦力来传递外力。当外力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁而受剪，孔壁则受压。当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端大，中间小；当外力继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。抗剪连接的破坏情况如果以抗剪连接试件作抗剪试验，则可得出该试件的破坏过程可以分为四个阶段(1)摩擦传力的弹性阶段在施加荷载之初，荷载较小，连接中的剪力也较小，荷载靠构件间接触面的摩擦力传递，螺拴杆与孔壁之间的间隙保持不变，连接工作处于弹性阶段。但由于板件间摩探力的大小取决于拧紧螺帽时在螺杆中的初始拉力，一般说来，普通螺栓的初拉力很小，故此阶段很短，可赂去不计。(2)滑移阶段当荷载增大．连接中的剪力达到构件间剪力的最大值，板件间突然产生相对滑移，其最大滑移且为螺栓杆与孔壁之间的间隙，直至螺栓杆与孔壁接触。(3)栓扦直接传力的弹性阶段如荷载再增加，连接所承受的外力就主要是靠螺拴杆与孔壁接触传送。螺栓杆除主要受剪力外，还有弯矩和轴向拉力，而孔壁则受到挤压。由于接头材料的弹性性质，也由于骡栓杆的伸长受到螺帽的约束，增大了板件间的压紧力，使板件间的摩棕力也随之增大。(4)弹塑性阶段荷载继续增加，在此阶段即使给荷载很小的增量，连接的剪切变形也迅速加大，直到连接的最后破坏。2.抗剪螺栓的破坏形式抗剪螺栓连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有：(1)剪力螺栓a）螺栓剪断b）钢板孔壁挤压破坏c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断d）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏(2)拉力螺栓一般表现为拉断3、单个剪力螺栓的承载力计算(1）普通螺栓每个普通螺栓的抗剪承载力：每个普通螺栓的承压承载力：式中:nv——受剪面数d——螺杆直径——同一方向承压构件较小总厚度、——螺栓抗剪、抗压强度设计值(2）高强度螺栓1）摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值——一个螺栓的抗剪承载力设计值；——传力摩擦面数；——摩擦面抗滑移系数；——每个高强度螺栓的预拉力。一个承受剪力的螺栓需满足：2）承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值与普通螺栓计算相同，分螺栓杆抗剪和孔壁承压两部分。二、拉力螺栓连接抗拉承载力：式中:de——螺纹处有效直径——抗拉强度设计值螺栓的有效直径由于螺纹