第3章-钢结构连接2

第三章钢结构连接第五节焊接应力与变形一、焊接应力的产生焊接应力暂时应力：只在焊接过程中，一定的温度情况下存在，冷却至常温时，即行消失。残余应力：焊件冷缩后残留在焊件中的应力，又称收缩应力。残余应力是一种在结构体系内自相平衡的力。第三章钢结构连接1、纵向焊接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，第三章钢结构连接2、横向焊接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，两端受拉应力叠加第三章钢结构连接3、Z向焊接应力表面先冷却限制内部收缩，内部受拉，表面受压第三章钢结构连接二、焊接应力的影响1、结构静力强度自平衡应力，内外应力叠加，有焊接应力处先屈服，内力重分布，最终全截面屈服，ytbtfAAcyycyBtftfbBAN第三章钢结构连接先屈服区刚度为零，应变增加，变形增大3、降低疲劳强度4、低温冷脆2、降低结构刚度第三章钢结构连接三、焊接变形不均匀收缩产生（a）纵横向收缩（b）弯曲变形（c）角变形（d）波浪变形(e)扭曲变形第三章钢结构连接四、控制焊接应力和变形(1)焊缝均匀对称(a,c)(2)避免焊缝尺寸过大(e)(3)避免焊缝集中(g)(4)尽量避免在母材厚度方向的收缩应力(i)第三章钢结构连接(5)采用合理的焊接次序：分段退焊、沿厚度分层焊、对角跳焊、钢板分块拼接(6)焊后校直(7)焊前预热、焊后热处理(8)钢板不易过薄t4mm第三章钢结构连接第六节普通螺栓连接一、普通螺栓1、螺栓类型(1)A级、B级和C级三种(2)A级和B级为精制螺栓，螺杆、螺孔加工精度高，制作安装复杂，螺栓等级为8.8级。很少用，已被高强度螺栓代替。第三章钢结构连接(4)小数点前为材料抗拉强度，小数点后为屈强比，刻在螺杆头上。例4.8级表示抗拉强度400N/mm2，屈服强度320N/mm2。(5)常用螺栓直径为d=16，20，24mm，用M表示，如M16(3)C级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大1.5~2mm，制作安装方便，螺栓等级为4.6级和4.8级。C级螺栓变形大，多用于围护结构或次要结构连接。第三章钢结构连接2、螺栓符号(1)普通螺栓，安装螺栓，高强度螺栓(2)孔径do=d+1.5~2，用f表示，如孔径f22(3)设计说明：螺栓类型，等级，直径，孔径永久螺栓安装螺栓高强度螺栓圆形螺栓孔椭圆形螺栓孔第三章钢结构连接3、螺栓排布(1)并列和错列：规则、统一、紧凑(2)排布参数：端距，边距，间距(3)排布尺寸要求：考虑安装，受力(4)至少要有两个受力螺栓第三章钢结构连接4、最大、最小尺寸要求(1)保证安装要求：用扳手拧紧螺帽—最小间距，节省连接板—最大间距和边(端)距(2)保证受力要求：不过多削弱截面，最小间距和边(端)距(3)保证使用要求：避免锈蚀和变形—最大间距和边(端)距中距≥3d0边距≥1.5d0（切割边）≥1.2d0（轧成边）端距≥2d0（防止端部钢板冲剪破坏）中距≤12d0或18t(受压构件)≤16d0或24t(受拉构件)端、边距≤4d0或8t第三章钢结构连接第三章钢结构连接5、螺栓连接受力(1)连接可传递弯矩、剪力和轴力，单个螺栓只能受拉或受剪(2)受剪螺栓—作用力与螺杆垂直，受拉螺栓—作用力与螺杆平行第三章钢结构连接•连接类型按受力情况：抗剪连接抗拉连接抗拉与抗剪组合连接受剪螺栓—作用力与螺杆垂直受拉螺栓—作用力与螺杆平行第三章钢结构连接二、普通螺栓受剪性能1、单个螺栓受剪破坏试验摩擦传力(0-1)，滑移(1-2)，螺杆传力(2-3)，弹塑性破坏第三章钢结构连接(1)螺栓直径小，连接板厚，螺杆剪切破坏(2)螺栓直径大，连接板薄，孔壁挤压破坏(3)螺栓孔径大，连接板削弱多，连接板受拉破坏(4)连接板端距小，冲剪破坏（构造解决，端距≥2d0）(5)连接板厚，螺杆长，螺杆弯曲破坏（构造解决）第三章钢结构连接2、单个螺栓抗剪承载力(1)螺杆剪切破坏：假设剪应力均匀分布，计算平均剪应力bv2b4//fdNAN第三章钢结构连接螺杆抗剪承载力bv2bv4fdN单剪bv2bv42fdN双剪bv2bv4fdnNv（3.32）第三章钢结构连接bvf螺栓抗剪强度第三章钢结构连接(2)孔壁挤压破坏：假设压应力沿直径均匀分布，计算平均压应力bcb/ftdN孔壁挤压承载力tdfNbcbct同一方向承压板较小总厚度bcf板件承压强度（3.33）第三章钢结构连接3、螺栓群拼接(1)螺栓群受拉，单个螺栓受剪(2)螺栓非均匀受剪，连接较长时端部先破坏第三章钢结构连接(3)假设l1≤15do时，剪力均匀分布，螺栓群抗剪承载力(4)假设l115do时，剪力非均匀分布，螺栓群抗剪承载力下降),min(bvbcbNNnN),min(bvbcbNNnN7.01501.1o1dl为折减系数要求N≤Nb（3.35）第三章钢结构连接(1)开孔处破坏面(I，II，III)tdnbtdnAA)(o1o1n4、净截面抗拉强度计算(2)净截面积计算螺栓并列排布：直线面积第三章钢结构连接tdneaneA])1(2[o22221n螺栓错列排布：锯齿净面积计算净截面强度fANnn第三章钢结构连接5、螺栓群牛腿(1)螺栓群受扭(扭矩T=Pe)、受剪(剪力N=P)，单个螺栓受剪(2)假设扭矩使连接板绕螺栓群形心o转动，扭矩产生的剪力NTi与螺栓至形心距ri成正比第三章钢结构连接(2)扭矩平衡jjTiiTiiTrNrNrNTiirTrN2i1T1扭矩产生螺栓剪力分量iiiiiiiiyxTxrxNNyxTyryNN22221111T1Ty1111T1Tx,（3.38）（3.39）（3.40）第三章钢结构连接(3)剪力P在螺栓群中均匀分配nPN1F单个螺栓剪力合成),min(bvbc22v1Ty1F1TxNNNNNN计算受剪力最大的螺栓（3.41）第三章钢结构连接算例：设计螺栓盖板拼接，设计拉力N=350kN，钢材Q345B(或16Mn)，拼接板宽b=360mm，厚t1=8mm，采用M20C级螺栓，孔径f22。第三章钢结构连接解：螺栓抗剪强度2bvN/mm130f板件承压强度(1)双盖板的厚度t2≥拼接板的厚度t1/22bcN/mm420f2N/mm315f板件抗拉强度取t2=6mmkN7.811304202422bv2bvfdN双剪(2)单个螺栓抗剪承载力第三章钢结构连接(3)孔壁承压kN2.67842020bcbctdfN(4)所需螺栓数n=350/67.3=5.2个(5)6个螺栓3排布置，间距100，端距60，边距80第三章钢结构连接(6)连接长度验算l1=15do=15×22=330100(7)拼接净截面积An=(360-3×22)×8=2352mm2净截面拉应力n=350000/2352=149N/mm2f毛截面拉应力=350000/(360×8)=121N/mm2第三章钢结构连接三、普通螺栓受拉性能1、单个螺栓受拉破坏试验螺杆受拉，连接板脱开，螺纹处拉断或连接板屈服螺栓抗拉承载力设计值：btebtebtfdfAN42Ae为螺纹处有效截面面积，de为螺纹内径查书337页附录8btf螺栓抗拉强度设计值（3.43）第三章钢结构连接Ae已列表第三章钢结构连接2、螺栓群受拉拉力均匀分布，螺栓个数bt/NNn第三章钢结构连接3、螺栓群受弯螺栓受拉，连接板受压，受拉区连接板脱开，螺栓面积小，拉压平衡，受压区高度小。假设转动中和轴在最下排螺栓处。第三章钢结构连接假设螺栓拉力三角形分布，大小与距转动中和轴距离成正比弯矩平衡jjiiiiyNyNyNMiiyMyNii2i弯矩产生螺栓拉力计算受力最大的螺栓(最外排)tb2i11NyMyNi（3.46）（3.47）第三章钢结构连接4、同时螺栓受拉受剪螺栓螺栓所受拉力Nt和剪力Nv，试验得破坏近似相关方程12vbv2tbtNNNN螺栓计算12vbv2tbtNNNN孔壁挤压计算bcvNN（3.50b）（3.51）第三章钢结构连接可通过加板托承受剪力，螺栓只受拉力第三章钢结构连接5、算例：验算牛腿螺栓连接，设计剪力V=200kN，偏心e=150mm，连接板厚t=20mm，Q235B钢材，采用10个M20C级螺栓，孔径f22，分别计算有承托和无承托两种情况。第三章钢结构连接解：螺栓抗剪强度2bvN/mm130f板件承压强度(1)有承托板，螺栓群受弯矩M=Ve=200×0.15=30kNm2bcN/mm305fkN6.41170245mm245btebt2efANA单个螺栓抗拉承载力螺栓抗拉强度2btN/mm170f第三章钢结构连接bt222262i1tkN20)100200300400(24001030NyMyN螺栓最大拉力(2)无承托板，螺栓受拉受剪kN4113042042bv2bvfdN单个螺栓抗剪承载力螺栓平均剪力kN2010/200vN第三章钢结构连接螺栓计算168.0412041.620222vbv2tbtNNNNkN202i1tyMyN螺栓最大拉力孔壁承压计算vbcbckN1222030520NtdfN第三章钢结构连接第七节高强度螺栓连接一、高强度螺栓1、螺栓类型(1)高强度钢材制成。(2)按材料强度分成8.8级和10.9级(3)按传剪力方式分成摩擦型和承压型第三章钢结构连接(4)按施工方式分成大六角头和扭剪型第三章钢结构连接2、受力机理(1)高强度螺栓可以传递剪力和拉力(2)高强度螺栓通过施加预拉力使连接板之间产生预压力，接触面上有摩擦力，依靠摩擦力传递剪力第三章钢结构连接高强螺栓与普通螺栓抗剪受力区别•普通螺栓：靠栓杆承压和抗剪传递剪力•高强螺栓：摩阻力来传力。摩擦型高强螺栓：仅由摩阻力传力。承压型高强螺栓：由摩阻力和栓杆剪切、承压共同传力。第三章钢结构连接(3)摩擦型连接—在承载能力极限状态最大剪力不能超过板件间摩擦力。(4)承压型连接—在承载能力极限状态允许滑动，但最大剪力不能超过螺栓的抗剪承载力和孔壁的承压强度。(5)高强度螺栓承载力高，变形小，传力可靠，多用于主承重受力构件连接。(6)高强度螺栓的排布要求与普通螺栓相同，螺孔直径比螺杆直径大1.5~2mm，也用M表示。第三章钢结构连接3、紧固方法与预拉力P(1)高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺帽实现的。扭矩法，转角法和扭剪法，分成初拧和终拧两步完成，保证拉力均匀。第三章钢结构连接(2)扭矩法—专用扭矩板手，标定预拉力和扭矩之间的关系，通过施加一定扭矩达到预拉力，大六角螺栓。(3)转角法—手动扳手初拧后，再转动一定角度达到预拉力，大六角螺栓。(4)扭剪法—扭剪型螺栓，特制电动扳手，以扭断梅花头为标志，准确可靠，易检查，成本高。第三章钢结构连接(5)螺栓预拉力越大，摩擦力越高，连接传力性能越好，但要避免在拧紧阶段发生破坏，还要保留螺栓具有一定的抗拉承载力。我国预拉力定为uefAP2.19.09.09.0uefAP2.19.09.09.0（3.52）第三章钢结构连接4、抗滑移系数m(1)连接板接触面之间摩擦力的大小与摩擦系数有关，称为抗滑移系数，与表面处理方式有关。第三章钢结构连接二、高强度螺栓抗剪计算1、单个螺栓抗剪承载力单个螺栓周围接触面上的摩擦力为mP，考虑安全系数1.11，单个螺栓抗剪承载力取PnNmfbv9.0nf为摩擦面数，单剪nf=1，双剪nf=2（3.54）第三章钢结构连接2、摩擦型螺栓抗剪计算(1)单个螺栓传递的最大剪力Nv，要求bvvNN(2)螺栓群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪，要求螺栓数bv/NNn第三章钢结构连接(3)净截面计算每个螺栓均匀传力，孔前传力系数0.5f