钢结构课件第三章钢结构连接

第三章钢结构的连接本章重点1、钢结构的各种连接方法的特点；2、角焊缝的构造与计算；3、焊接残余应力与变形的产生机理与影响；4、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理；5、高强螺栓连接的构造与计算。目录第一节钢结构的连接方法第二节焊接连接的特性第三节对接焊缝连接的构造和计算第四节角焊缝连接的构造和计算第五节焊接残余应力和焊接残余变形第六节普通螺栓连接的构造和计算第七节高强度螺栓连接的性能和计算第一节钢结构的连接方法一、连接设计原则二、结构的连接方法一、连接设计原则钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成构件，各构件再通过一定的安装连接而形成整体结构。连接部位应有足够的强度、刚度及延性。被连接构件间应保持正确的相互位置，以满足传力和使用要求。连接的加工和安装比较复杂、费工，因此选定合适的连接方案和节点构造是钢结构设计中重要的环节。连接设计不合理会影响结构的造价、安全和寿命。设计时应根据连接节点的位置及其所要求的强度和刚度，合理地确定连接方式及节点的细部构造和计算方法，并应注意以下几点：(1)连接的设计应与结构内力分析时的假定相一致；(2)结构的荷载，内力组合应能提供连接的最不利受力工况；(3)连接的构造应传力直接，各零件受力明确，并尽可能避免严重的应力集中；(4)连接的计算模型应能考虑刚度不同的零件间的变形协调；(5)构件相互连接的节点应尽可能避免偏心，不能完全避免时应考虑偏心的影响；(6)避免在结构内产生过大的残余应力，尤其是约束造成的残余应力，避免焊缝过度密集；(7)厚钢板沿厚度方向受力容易出现层间撕裂，节点设计时应予以充分注意；(8)连接的构造应便于制作、安装，综合造价低。二、结构的连接方法焊缝连接铆钉连接螺栓连接焊缝连接20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现代钢结构最主要的连接方法之一。优点：不削弱构件截面，构造简单，节约钢材，加工方便，可采用自动化操作，生产效率高。刚度较大、密封性能好。缺点：焊缝附近存在热影响区，由高温快速降到常温，使钢材脆性加大；存在焊接残余应力及残余变形；焊接结构低温冷脆问题也比较突出。铆钉连接优点：传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好。缺点：构造复杂、费工、费钢。螺栓连接（1）普通螺栓连接1）C级螺栓连接：2）A、B级螺栓连接：（2）高强螺栓连接20世纪中钢结构开始采用。是现代钢结构最主要的连接方法之一。（3）射钉、自攻螺栓连接（1）．普通螺栓连接优点：装卸便利，设备简单。缺点：螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大。（2）.高强螺栓连接优点：加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好。缺点：摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高（3）射钉、自攻螺栓连接优点：灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构。缺点：不能受较大集中力。第二节焊接连接的特性一、钢结构中常用的焊接方法二、焊缝类型三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别四、焊缝符号及标注方法一、钢结构中常用的焊接方法1、电弧焊1）手工焊2）自动焊3）半自动焊2、电阻焊3、气焊4、电渣焊注：各种焊接方法的比较。各种焊接方法的比较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焊条短焊条(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无短、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焊接连接与铆钉、螺栓连接比较，有以下优缺点：优点：1）不需打孔，省工省时；2）任何形状的构件可直接连接，连接构造方便；3）气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性较好。缺点：1）焊接附近有热影响区，材质变脆；2）焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状、尺寸发生变化。3）焊接裂缝一经发生，便容易扩展。三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别1、焊缝缺陷2、焊缝质量检验和焊缝级别3、焊缝连接的型式及焊缝形式4、焊缝符号及标注方法1、焊缝缺陷①焊缝尺寸偏差;②咬边;③弧坑,起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；④未熔合；⑤母材被烧穿;⑥气孔；⑦非金属夹渣；⑧裂纹。缺陷会引起应力集中削弱焊缝有效截面，降低承载能力。若发现焊缝有裂纹，应彻底铲除后补焊。2、焊缝质量检验和焊缝级别焊接时为保证质量，需要注意之处：（1）对不熟悉的钢种焊接时，需做工艺性能和力学性能的试验；（2）焊工要进行考核，持证上岗；（3）焊条、焊丝、焊剂按规定烘焙；（4）多层焊接需连续施焊，每层焊道之间要清理；（5）焊缝出现裂缝，应申报、查明原因，方能处理。焊缝质量检验方法分：外观检查、超声波探伤检验、X射线检验。焊缝质量分三级:一级焊缝需经外观检查、超声波探伤、x射线检验都合格；二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格；三级焊缝需外观检查合格。3、焊缝连接的型式及焊缝形式连接的型式：按两焊件的相对位置分为：（1）平接、（2）搭接、（3）顶接焊缝形式：（1）按构造可分为：对接焊缝和角焊缝（2）对接焊缝按受力与焊缝方向分：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（3）角焊缝按受力与焊缝方向分：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（4）按焊缝连续性：a）连续焊缝：受力较好b）断续焊缝：易发生应力集中（5）按施工位置：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。4、焊缝符号及标注方法（P195~197）按《建筑结构制图标准》(GB/T50105-2001)和《焊缝符号表示法》(GB324-88)执行。第三节对接焊缝连接的构造和计算对接焊缝传力直接、平顺、没有显著的应力集中现象，受力性能良好。但质量要求高，焊件间施焊间隙要求严，一般多用于工厂制造的连接中，主要用于板件、型钢的拼接或构件的连接。一、对接焊缝的构造二、对接焊缝的计算一、对接焊缝的构造1.对接焊缝的形式2.对接焊缝的优缺点3.对接焊缝的构造处理4.对接焊缝的强度1.对接焊缝的形式a）直边缝：适合板厚t10mmb）单边V形：适合板厚t＝10～20mmc）双边V形：适合板厚t＝10～20mmd）U形：适合板厚t20mme）K形：适合板厚t20mmf）X形：适合板厚t20mm2.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5mm。（2）变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：4的斜面，避免应力集中。（图1）（3）变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：4的斜边，避免应力集中。（图2）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。图1图2二、对接焊缝的计算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，运用材力理论计算。对接焊缝的计算包括：1、轴心受力的对接焊缝2、斜向受力的对接焊缝3、对接焊缝承受弯矩、剪力和轴心力共同作用时的计算4、钢梁的对接焊缝5、牛腿与翼缘的对接焊缝6、部分焊透的对接焊缝1、轴心受力的对接焊缝的计算N—轴心拉力或压力;Lw—焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝长度取实长减去10mm（2t），有引弧板时，取实长;t—平接时为焊件的较小厚度，顶接时取腹板厚;—对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。wcwftlNwcwtff和或2、斜向受力的对接焊缝的计算（如图）—对接焊缝抗剪强度设计值主要用于焊缝强度设计值低于构件强度设计值的连接中。优点：抗动力荷载性能较好缺点：较费材料当tg1.5即56.3时，可不验算焊缝强度。wvf斜向受力的对接焊缝受力图3、对接焊缝承受弯矩、剪力和轴心力共同作用时的计算4、钢梁的对接焊缝的计算（如图）焊缝内应力分布同母材。同时受弯、剪时，分别验算最大正应力、最大剪应力Wx—焊缝截面抵抗矩Sw—焊缝截面上计算点处以上（以下）截面对中和轴的面积矩对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，但都比较大，所以需验算折算应力，即：1、1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力；1.1为考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现，而将强度设计值适当提高。5、牛腿与翼缘的对接焊缝的计算腿和柱的对接焊缝，剪力全部由腹板承受并均匀分布，弯矩、拉力由全截面承担，与梁计算相同，截面形式和截面上各种应力分布见图。图中该牛腿截面为非对称，在拉力作用下，全截面均匀受拉，在剪力作用下，整个腹板截面按均匀抗剪考虑，在弯矩作用下，中和轴以上受拉，中和轴以下受压。因此图中1、2、3、4点均需强度验算。点1为下翼缘最外缘的点，点2为下翼缘与腹板的交界点，点3为上翼缘与腹板的交界点，点4为上翼缘最外缘的点。各点计算为：各点计算点1：点2：点3：点4：式中：AW′—有效抗剪面积，AW′=h0twAW—整个焊缝截面的截面积；yi—各计算点到中和轴的距离。部分焊透的对接焊缝的计算在钢结构设计中，有时遇到板件较厚，而板件间连接受力较小时，可以采用部分焊透的对接焊缝（图7-21），例如当用四块较厚的钢板焊成的箱形截面轴心受压柱时，由于焊缝主要起联系作用，就可以用部分焊透的坡口焊缝（图7-21-f）。在此情况下，用焊透的坡口焊缝并非必要，而采用角焊缝则外形不能平整，都不如采用部分焊透的坡口焊缝为好。当垂直于焊缝长度方向受力时，因部分焊透处的应力集中带来不利的影响，对于直接承受动力荷载的连接不宜采用；但当平行于焊缝长度方向受力时，其影响较小可以采用。部分焊透的对接焊缝，由于它们未焊透，只起类似于角焊缝的作用，因此设计中应按角焊缝的计算公式进行，取βf＝1．0，仅在垂直于焊缝长度的压力作用下，可取βf＝1．22。其有效厚度则取为：见（P200）部分焊透的对接焊缝例题7—1（P201~202）第四节角焊缝连接的构造和计算角焊缝为沿两直交或斜交焊件的交线焊接的焊缝，可用于对接、搭接以及直角或斜角相交的T形和角接接头中。因为角焊缝施焊时板边不需要加工坡口，施焊较方便。一、类型和特点二、构造要求三、角焊缝的计算一、类型和特点1、角焊缝按受力与焊缝方向分为：（1）侧面角焊缝（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。应力分布如图所示（2）正面角焊缝（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。应力分布如图所示侧面角焊缝应力分布图正面角焊缝应力分布图2、角焊缝按截面形式可分为：（1）直角角焊缝（如图）（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（如图）（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角焊缝主要采用直角角焊缝。直角角焊缝（a）普通焊缝（b）平坡焊缝（c）深熔焊缝斜角角焊缝（d）斜锐角焊缝（e）斜钝角焊缝（f）斜凹面角焊缝二、构造要求首先角焊缝的主要尺寸焊脚尺寸hf和焊缝长度lw应满足下列构造要求：1、焊脚尺寸hfhf过小，热量小，快速被周围金属吸收，冷却过快而产生淬硬组织，使金属变脆，容易形