钢结构基础知识

《建筑结构基础与识图》2009年10月机械工业出版社建筑力学基础知识1绪论0建筑结构材料2结构设计方法与设计指标3混凝土结构基本构件4钢筋混凝土楼（屋）盖、楼梯5基础6钢筋混凝土多层与高层结构7砌体结构基础知识8钢结构基础知识9建筑结构施工图的识读10目录第9章钢结构基础知识§9-1钢结构的连接方法§9-2钢结构构件§9-1钢结构的连接方法一、钢结构的连接方法钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。铆钉连接螺栓连接焊缝连接（一）焊缝连接焊缝连接是通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成为一体。优点：不削弱构件截面，节约钢材，构造简单，制造方便，连接刚度大，密封性能好，在一定条件下易于采用自动化作业，生产效率高。缺点：焊缝附近钢材因焊接高温作用形成的热影响区可能是某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到分布不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定影响；焊接结构由于刚度大，局部裂纹一经发生很容易扩展到整体，尤其是在低温下易发生脆断；焊缝连接的塑性和韧性较差，施焊时可能产生缺陷，使疲劳强度降低。（二）螺栓连接螺栓连接是通过螺栓这种紧固件把连接件连接成为一体。螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。优点：施工工艺简单、安装方便，特别适用于工地安装连接，也便于拆卸，适用于需要装拆结构和临时性连接。缺点：需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量，且对制造的精度要求较高；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接件常需相互搭接或增设辅助连接板（或角钢），因而构造较繁且多费钢材。（三）铆钉连接铆钉连接是将一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红后迅速插入连接件的钉孔中，然后用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，以使连接达到紧固。优点：铆接传力可靠，塑性、韧性均较好，质量易于检查和保证，可用于重型和直接承受动力荷载的结构。缺点：铆接工艺复杂、制造费工费料，且劳动强度高，故已基本被焊接和高强度螺栓连接所取代。二、焊接连接（一）焊接方法钢结构常用的焊接方法是电弧焊，包括手工电弧焊、自动或半自动电弧焊以及气体保护焊等。手工电弧焊是钢结构中最常用的焊接方法，其设备简单，操作灵活方便。但劳动条件差，生产效率比自动或半自动焊低，焊缝质量的变异性大，在一定程度上取决于焊工的技术水平。导线自动焊的焊缝质量稳定，焊缝内部缺陷较少，塑性好，冲击韧性好，适合于焊接较长的直接焊缝。半自动焊因人工操作，适用于焊曲线或任意形状的焊缝。自动和半自动焊应采用与主体金属相适应的焊丝和焊剂，焊丝应符合国家标准的规定，焊剂应根据焊接工艺要求确定。气体保护焊是用惰性气体（或CO2）气体作为电弧的保护介质，使熔化金属与空气隔绝，以保持焊接过程稳定。气体保护焊电弧加热集中，焊接速度快，熔深大，故焊缝强度比手工焊的高。且塑性和抗腐蚀性好，适合于厚钢板的焊接。焊丝（二）焊缝形式焊缝连接形式根据被连接构件间的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角接等四种形式。这些连接所用的焊缝有对接焊缝和角焊缝两种基本形式。在具体应用时，应根据连接的受力情况，结合制造、安装和焊接条件进行选择。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（a）对接连接；（b）用拼接盖板的对接连接；（c）搭接连接；（d）、（e）T形连接；（f）、（g）角部连接焊缝按其工作性质来分有强度焊缝和密强焊缝两种。强度焊缝只作为传递内力之用，密强焊缝除传递内力外，还必须保证不使气体或液体渗漏。焊缝按施焊位置分，有平焊、立焊、横焊和仰焊四种。平焊的施焊工作方便，质量好，效率高；立焊和横焊是在立面上施焊的竖向和水平焊缝，生产效率和焊接质量比俯焊的差一些；仰焊是仰面向上施焊，操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此应尽量避免采用。俯焊横焊立焊仰焊根据焊缝截面、构造可分为对接焊缝和角焊缝两种基本形式。（三）焊缝构造1.对接焊缝对接焊缝传力直接、平顺、没有显著的应力集中现象，因而受力性能良好，对于承受静、动荷载的构件连接都适用。但由于对接焊缝的质量要求较高，焊件之间施焊间隙要求较严，一般多用于工厂制造的连接中。对接焊缝又称坡口焊缝，因为在施焊时应对板件边缘加工成适当形式和尺寸的坡口（如后图所示）以便焊接时有焊条运转的必要空间，保证对接焊缝内部有足够的熔透深度。坡口基本形式可分为I形、单边V形、V形、X形、U形和K形等。坡口形式随板厚和焊接方法而不同。采用手工焊时，当板厚t≤10mm，可采用不切坡口的I形缝，只需保持间隙0.5~2mm，t≤5mm时可单面焊；当板厚t=10~20mm时，采用V形或半V形坡口；对于较厚的板件t≥20mm时，采用X形、U形或K形。对于V形和U形缝的根部还需要清除焊根，并进行补焊。没有条件清根和补焊者，要事先加垫板。当采用自动焊时，因所用电流强、熔深大，只在t≥16mm时，才采用V形坡口。（a）（b）（c）（d）（e）（f）对接焊缝的坡口形式（a）I形缝；（b）单边V形坡口；（c）V形坡口；（d）U形坡口；（e）K形坡口；（f）X形坡口在焊件宽度或厚度有变化的连接中，为了减缓应力集中，应从板的一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5的斜坡如图所示，形成平缓过渡。如板厚相差不大于4mm时，可不做斜坡。（a）（b）变截面板的拼接（a）改变宽度；（b）改变厚度≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.52.角焊缝（1）角焊缝的形式角焊缝按其长度方向和外力作用方向的不同，可分为平行于力作用方向的侧面角焊缝、垂直于力作用方向的正面角焊缝与力作用方向斜交的斜向角焊缝以及围焊缝。角焊缝截面形式又分为普通式、平坡式和深熔式。图中hf称为角焊缝的焊脚尺寸。普通式截面焊脚边比例为1：1，近似于等腰直角三角形，其传力线弯折较剧烈，故应力集中严重。对直接承受动力荷载的结构，为使传力平顺，正面角焊缝宜采用两焊角边尺寸比例1：1.5的平坡式（长边顺内力方向），侧面角焊缝宜采用比例为1：1的深熔式。（a）（b）（c）角焊缝截面形式（a）普通式；（b）平坡式；（c）深熔式（2）角焊缝的构造要求1）最小角焊脚尺寸角焊缝的焊脚尺寸与焊件的厚度有关，当焊件较厚而焊脚尺寸又过小时，焊缝内部将因冷却过快而产生淬硬组织，降低塑性，容易形成裂纹。因此，角焊缝的最小焊脚尺寸应满足，为较厚焊件厚度（单位mm）。对自动焊因热量集中，熔深较大，可减小1mm；T形连接的单面焊缝的性能较差，应增加1mm；当焊件厚度等于或小于4mm时，应与焊件厚度相同。2）大焊脚尺寸角焊缝的焊脚尺寸过大，易使焊件形成烧伤、烧穿等“过烧”现象，且使焊件产生较大的焊接残余应力和焊接变形。因此，角焊缝的最大焊脚尺寸应符合的要求，为较薄焊件的厚度。对焊件边缘的角焊缝，为防止施焊时产生“咬边”，还应符合下列要求：当时，；当时，3）不等焊脚尺寸当两焊件的厚度相差较大，且采用等焊脚尺寸无法满足最大和最小焊脚尺寸的要求时，可采用不等焊脚尺寸，即与较厚焊件接触的焊脚符合，与较薄焊件接触的焊脚满足的要求。4）最小焊缝计算长度当角焊缝焊脚尺寸大而长度过小时，将使焊件局部受热严重，且焊缝起灭弧的弧坑相距太近，加上可能出现的其他缺陷，也使焊缝不够可靠。因此，角焊缝的计算长度应满足和40mm。mmt6mmthf)2~1(maxmmt6thfmaxmaxmin5.1thfminmax2.1thffwhl85）侧面角焊缝最大计算长度侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀，两端大中间小，且随焊缝长度与其焊脚尺寸之比增大而差别愈大。当此比值过大时，焊缝两端将会首先出现裂纹，而此时焊缝中部还未充分发挥其承载能力，在动力荷载作用下这种应力集中现象更为不利。因此，侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf（承受静载或间接承受动载时）或40hf（直接承受动载时）。当大于上述限制时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧焊缝全长分布时，其计算长度不受此限制，如工字形截面梁或柱的翼缘与腹板连接焊缝等。6）当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时（如图所示），为了避免应力传递过分弯折而使构件中应力过分不均，应使每条侧焊缝长度大于它们之间的距离，。另外为了避免焊缝收缩时引起板件的拱曲过大，还应使（当）或190mm（当）。当不满足此规定时，则应加正面角焊缝。blwtb16mmt12mmt12侧面角焊缝引起焊件拱曲7）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，以减小因焊缝收缩而产生的残余应力及因传力偏心而产生的附加应力。8）在次要构件或次要焊缝连接中，若焊缝受力很小，采用连续焊缝其计算焊脚尺寸hf小于最小容许值时，可采用间断角焊缝。间断角焊缝焊段的长度不得小于10hf或500mm。各段之间净距（受压构件）或（受拉构件），以防板件局部凸曲鼓起，而对受力不利或潮气侵入而引起锈蚀。9）当角焊缝的端部在构件转角处时，为比避免起落弧的缺陷发生在此应力集中较大部位，宜作长度为2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊，不能断弧。min15temin30t（四）焊缝符号集及标注方法《焊缝符号表示法》规定：焊缝符号一般由基本符号与指引线组成，必要时还可加上补充符号和焊缝尺寸。基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用“”表示角焊缝,用“V”表示V形坡口的对接焊缝；补充符号：补充说明焊缝的某些特征，用“”表示现场安装焊缝，用“”表示焊件三面带有焊缝；指引线：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等。焊缝符号焊缝符号续表当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时,在标注焊缝符号的同时,可在图形上加栅线表示。用栅线表示焊缝(a)正面焊缝；(b)背面焊缝；(c)安装焊缝当焊缝中存在气孔，夹渣、咬边等缺陷时，它们不但使焊缝受力面积削弱，而且还在缺陷处引起应力集中，易于形成裂纹。在受拉连接中，裂纹更易扩展延伸，从而使焊缝在低于母材强度的情况下破坏。同样，缺陷也降低连接的疲劳强度。因此，对焊缝质量应按其受力性质和所处部位进行分级。根据结构类型和重要性，《钢结构工程施工质量验收规范》将焊缝质量检验级别分为三级。Ⅲ级检验项目规定只对全部焊缝做外观检查，即检验焊缝实际尺寸是否符合要求和有无外观缺陷；Ⅰ级、Ⅱ级焊缝除对全部焊缝作相应等级的外观缺陷检查外，还应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验，当超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤。Ⅰ级焊缝超声波和射线探伤的比例均为100%，Ⅱ级焊缝超声波和射线探伤的比例均为20%，且均不小于200mm。当焊缝长度小于200mm时，应对整条焊缝探伤。钢结构中一般采用Ⅲ级焊缝即可满足的强度要求，但对接焊缝的抗拉强度有较大的变异性，《钢结构设计规范》规定，其设计值仅为主体钢材的85%左右。因而对有较大拉应力的对接焊缝以及直接承受动力荷载构件的较重要的焊缝，可部分采用Ⅱ级焊缝，对抗动力和疲劳性能有较高要求处可采用Ⅰ级焊缝。焊缝质量等级必须在施工图中标注，但Ⅲ级焊缝不需要标注。（五）焊缝质量检验和焊缝质量级别三、螺栓连接（一）普通螺栓连接的构造1.普通螺栓的形式和规格钢结构采用的普通形式为大六角头型，其代号用字母M与公称和直径（mm）表示。工程中常用M18，M20，M22，M24。按国际标准，螺栓统一用螺栓的性能等级来表示，如“4.6级”、“8.8级”等。小数点前数字表示螺栓材料的最低抗拉强度，如“4”表示400N/mm2，“8”表示800N/mm2。小数点后的数字（0.6、0.8）表示螺栓材料的屈强比，即屈服点与最低抗拉强度的比值。根据螺栓的加工精度，普通螺栓又分为A、B、C三级。A、B级螺栓（精制螺栓）采用8.8级钢材制作，经机床车削加工而成，表面光滑，尺寸准确，且配用Ⅰ类孔（即螺栓孔在装配好的构件上钻成或扩钻成，孔壁光滑，对孔准确）。由于其加工精度高，与孔壁接触紧密，其连接变形小，受力性能好，可用于承受较大剪力和拉力的连接。但制造和安装较费工，成本高，故在钢结构中较少采用。C级螺栓（粗制螺栓）用4.6或4.8级钢制作，加工粗糙，尺寸不够准确，只要求Ⅱ类孔（即螺栓孔在单个零件上一次冲成