钢结构钢结构的连接

《钢结构钢结构的连接》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

第三章钢结构的连接第一节钢结构的连接方法第二节焊接方法和焊缝连接形式第三节角焊缝的构造计算第四节对接焊缝的构造和计算第五节焊接应力和焊接变形第六节普通螺栓连接的工作性能和计算第七节高强度螺栓连接的工作性能与计算 第一节钢结构的连接方法焊接连接 第一节钢结构的连接方法螺栓连接普通螺栓连接粗制（C级）精制（D级）高强螺栓连接摩擦型承压型铆钉连接 第一节钢结构的连接方法连接方法优点缺点焊接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单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高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力 螺栓连接螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接1.普通螺栓连接分为A、B、C三级。A级与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级8.8级其抗拉强度不小于800N/mm2，屈强比为0.8C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大1.5~3mmA、B级螺栓由毛坯在车床上经过切削加工精制而成 2.高强度螺栓连接45号钢，40B钢和20MnTiB钢加工制作经热处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于800N/mm2和1000N/mm2屈强比分别为0.8和0.9等级分别称为8.8级和10.9级 大六角头型和扭剪型安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力使接触面间产生摩擦力，传递外力这种连接称为高强度螺栓摩擦型连接优点：施工方便，对构件削弱小，可拆换，承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好 高强度螺栓也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连接称为高强度螺栓承压型连接。摩擦型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.5~2.0mm；承压型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.0~1.5mm。 一、钢结构中常见焊接方法手工电弧焊埋弧焊气体保护焊第二节焊接特性和焊缝连接形式 a）电路；b）施焊过程；1—电焊机；2—导线；3—焊件；4—电弧；5—药皮；6—起保护作用的气体；7—熔渣；8—焊缝金属；9—主体金属；10—焊丝；11—熔池1.手工电弧焊最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧。 优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系。对Q235钢采用E43型焊条对Q345钢采用E50型对Q390钢和Q420钢采用E55型E代表焊条E后面的两个数字如43表示焊条钢丝抗拉强度为：43kgf／mm2(420N／mm2)。数字后的两个×，表示焊条药皮类型、适用的施焊位置以及适用的焊接电源 埋弧自动电弧焊1—焊丝转盘；2—转动焊丝的电动机；3—焊剂漏斗；4—电源；5—熔化的焊剂；6—焊缝金属；7—焊件；8—焊剂；9—移动方向2.埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的电弧焊方法焊丝送进和焊接方向的移动有专门机构控制的称埋弧自动电弧焊焊丝送进有专门机构控制，焊接方向移动靠工人操作的称为埋弧半自动电弧焊自动或半自动化操作，焊接工艺稳定，焊缝化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。 现场用自动行走埋弧焊机焊接重型H型钢 3.气体保护焊气体保护焊采用裸焊丝用从焊枪中喷出的气体保护施焊过程中的电弧、熔池和高温焊缝金属，用保护气体代替了焊剂二氧化碳作为保护气体，称为二氧化碳保护焊二氧化碳保护焊的焊接效率高，金属熔化深度大，焊缝质量好，是一种良好的焊接方法，施焊时周围的风速要小，以免气体被吹散。 二、焊接连接形式及焊缝形式1.按构件的相对位置分对接搭接T形连接角部连接 a)对接接头；(b)搭接接头；（c）T形接头；(d)角接接头。 双层盖板和角焊缝对接连接，传力不均匀、费料，但施工简便，连接两板间隙无需严格控制。角焊缝的搭接连接，适用不同厚度构件连接。传力不均匀，材料较费，但构造简单，施工方便。T型连接省工省料，用于制作组合截面。当采用角焊缝连接时，焊件间存在缝隙，截面突变，应力集中现象严重，疲劳强度较低，可用于不直接承受动力荷载结构连接。对于直接承受动荷载的结构？2.焊缝形式a)对接焊缝：正对接焊缝、斜对接焊缝。b)角焊缝：正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝。 c)焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和间断角焊缝连续角焊缝和间断角焊缝d)焊缝按施焊位置分为平焊、横焊、立焊及仰焊 俯焊立焊横焊仰焊 三.焊缝缺陷及焊缝质量检验1.焊缝缺陷常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透。裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透 2.焊缝质量检验缺陷处引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。焊缝质量检验一般可用外观检查及无损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。无损检验目前广泛采用超声波检验，使用灵活经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；最明确可靠的检验方法是x射线或y射线透照或拍片，x射线应用较广。 超声波探伤一级焊缝标准检测 《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验。 3焊缝代号、螺栓图例《焊缝符号表示法》规定：焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。焊缝代号当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时，在标注焊缝代号的同时，可在图形上加栅线表示。 第三节角焊缝的构造和计算一、角焊缝的形式和强度直角角焊缝普通型深熔直角焊缝平坡凸形斜角角焊缝斜锐焊缝斜钝焊缝斜凹角焊缝 一、角焊缝的形式和强度1、正面角焊缝连接中传力路线有剧烈弯折，应力状态复杂，应力集中明显，在焊缝根部形成应力集中，易开裂，塑性较差。试验表明，正面焊缝破坏强度较高，但塑性差 一、角焊缝的形式和强度单焊缝的三种破坏形式焊缝剪坏焊缝拉坏焊缝断裂 一、角焊缝的形式和强度2、侧面焊缝主要受剪力，应力状态单纯，但焊缝剪应力沿长度分布不均匀，两头大，中间小，破坏起点在两端。 二、角焊缝的构造要求1）最小焊角尺寸 2）最大焊角尺寸 3）角焊缝最小计算长度4）侧面角焊缝最大计算长度 5）搭接连接的构造要求当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时，宜使每条侧面角焊缝计算长度lw＞其间距b，且间距b<16tmin(tmin＞12mm时)或190mm(tmin＜12mm时)。 t为较薄焊件的厚度，以免因焊缝横向收缩，引起板件发生较大拱曲。在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm，以免焊缝受偏心弯矩影响太大而破坏。 6.围焊的转角处连续施焊对于非围焊，2hf的绕角焊杆件与节点板的连接焊缝宜采用两面侧焊也可用三面围焊对角钢杆件可采用L形围焊所有围焊的转角处也必须连续施焊 三、直角角焊缝强度计算的基本公式1.角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度与计算长度的乘积，而有效厚度he=0.7hf。2.试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，通常认为直角角焊缝是以45°方向的最小截面作为有效计算截面。 3.我国采用折算应力公式。引入抗力分项系数后，得角焊缝的计算式：4.承受Ny和NX作用 则应力综合作用下，和共同作用处的计算公式为： 式中βf——正面角焊缝的强度增大系数，对正面角焊缝，，得：对侧面角焊缝，，得：对于直接承受动力荷载结构中的焊缝，取或 四、各种受力状态下直角焊缝的计算（一）、承受轴心力作用时角焊缝连接的计算1.用盖板的对接连接侧面角焊缝三面围焊缝 三面围焊缝侧面角焊缝起落弧影响 2.承受斜向轴心力的角焊缝θNNxNy分解力或合力计算 （1）分力法对N力进行分解Nx=N·sinθNy=N·cosθ则： （2）合力法斜焊缝强度增大系数 3.承受轴力的角钢端部连接在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝采用两面侧焊，采用三面围焊特殊情况也采用L形围焊 三面围焊可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3求出正面角焊缝所分担的轴心力N3当腹杆为双角钢组成的T形截面，肢宽为b由平衡条件可得：起落弧影响 两面侧焊上式中：N3=0考虑到每条焊缝两端的起灭弧缺陷，实际焊缝长度应为计算长度加2hf起落弧影响 L形围焊起落弧影响N2=0杆件受力小，采用L形围焊 为设计方便，k1和k2可近似取:k1=0.7k2=0.3k1=0.75k2=0.25k1=0.65k2=0.35等边角钢连接不等边角钢短边连接不等边角钢长边连接 （二)、承受弯矩、轴力、剪力时角焊缝计算(1)双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N作用 A点处方向相同，直接叠加剪力Ny在A点处产生平行于焊缝长度方向应力： (2)工字梁与钢柱翼缘角焊缝连接焊缝承受剪力V和弯矩M=Ve弯矩M焊缝全截面承受，产生三角形分布的水平弯曲应力σf1剪力通常假定仅由腹板焊缝承受，剪应力均匀分布VeABBAh1h2 应验算A、B点处的焊缝应力(Iw为焊缝截面惯性矩)A点：B点：AτfBBAh1h2σf1σf2 (三)、承受扭矩、剪力联合作用时角焊缝的计算三面围焊承受偏心力F偏心力产生轴心力F和扭矩T=F·e。FVT 焊缝承受扭矩时的基本假定:（1）被连接构件绝对刚性,焊缝变形按弹性考虑（2）被连接构件绕焊缝形心O相互旋转，焊缝任一点变形和应力方向均垂直于该点与O的连线，大小与r成正比。T hbcxxyyrxryrJ=Ix+IyJ—焊缝计算截面对形心极惯性矩分解为x方向和y方向的分力0.7hf Ahb0.7hfcxxyy其中：有了c值，可以计算Ix、Iy。 或者:如果力矩在焊缝群平面内，则受扭，垂直于焊缝群平面，则受弯。判断焊缝受弯矩还是受扭矩作用，焊缝群中任意点应力方向均垂直于该点和焊缝群形心的连线。同时这些点应力的方向又垂直于焊缝的长度方向．该连接中的角焊缝为受弯，否则为受扭。 五、斜角角焊缝的计算斜角角焊缝的计算1.形式两焊脚边的夹角不是90°的角焊缝为斜角角焊缝，这种焊缝往往用于料仓壁板、管形构件等的端部T形接头连接中 2.计算斜角角焊缝的计算方法与直角焊缝相同：（1）任何情况都取βf（或βfθ）=1.0。（2）有效厚度 假定焊缝在其所成夹角的最小斜面上发生破坏。规范规定：当两焊角边夹角或（a）根部间隙（b、b1或b2）不大于1.5mm时，有效厚度：(b)当根部间隙大于1.5mm,小于5mm时，有效厚度： 第四节对接焊缝的构造和计算一、对接焊缝的形式和构造主要形式直边缝单边V形双边V形U形K形X形 二、对接焊缝的计算1、轴心受力的对接焊缝的计算 2、斜向受力的对接的焊接分别验证正应力、剪应力，有一定的近似性二、对接焊缝的计算 3.承受弯、剪、轴力共同作用的对接焊缝（1）矩形截面二、对接焊缝的计算 3.承受弯、剪、轴力共同作用的对接焊缝（2）对称工字形截面二、对接焊缝的计算 二、对接焊缝的计算4.牛腿连接的对接焊缝计算(1)弯矩，轴力由全截面承担(2)剪力只由腹板承担 第五节焊接应力和焊接变形一、焊接残余应力的分类和产生原因1、纵向焊接残余应力钢材在600oC时，处于热塑状态，焊接时，焊缝附近温度高达1600oC，而邻近温度较低。冷却时，焊缝收缩受到两侧钢板阻碍而产生拉应力，两侧产生压应力。焊缝纵向收缩引起纵向应力(a)平接对接焊缝(b)顶接角焊缝 2、横向焊接残余应力分为两部分a.焊缝纵向收缩，使两块钢板形成反方向弯曲变形。 b.焊缝在施工过程中，冷却时间不同，先焊部份先凝固，中焊部分逐渐冷却，后焊部分开始冷却，三部分产生杠杆作用。最后的横向应力是a、b两种情况的叠加。 3、厚度方向焊接应力因焊缝表面与空气接触而散热快，中间部分冷却慢，收缩时受到阻碍形成中间受拉，两边受压的应力状态 4、约束状态下产生的焊接应力焊缝及其附近高温钢板的横向膨胀受到阻碍，产生横向塑性压缩；焊缝冷却时，产生残余约束拉应力，钢板两端约束程度越强，两边约束距离越短时，产生的约束应力越大。 二、焊接残余应力的影响1、一般对结构构件静力强度无影响2、对结构构件的变形和刚度有影响3、对结构构件稳定有影响4、对结构疲劳强度有影响 三、焊接变形的产生与防止焊接过程中，由于焊区的收缩总要使构件产生一些变形。表现为纵向、横向收缩变形，弯曲变形，波浪变形，角变形 主要防止措施1、设计措施1）尽量减少焊缝的数量和尺寸2）避免焊缝过份集中3）尽可能采用对称焊缝4）尽可能避免仰焊5）焊后采用人工或机械方法消除焊接变形 2、焊接工艺措施1）、采用适当的焊接顺序和方法2）、采用反向预变形3）、采用预热法焊前预热到100OC~300OC，焊后保温一段时间，减少焊接和冷却过程中温度不均匀程度 第六节普通螺栓连接的构造和计算一、螺栓的排列和构造要求1、螺栓的排列与间距排列方式：并列和错列两种（见表3－4） 2、原因1）最小间距要求端距过小，钢材有剪断的可能，边距和中距过小，构件可能沿折线或直线被拉断；施工也要求一定空间。2）最大间距要求a.对于受压构件，被连接件易发生张口或鼓曲现象b.螺距过大，接触面不密实，潮气易侵入 二、普通螺栓连接计算抗剪螺栓----依靠螺杆抗剪和螺杆对孔壁的承压，传递垂直于螺栓的外力抗拉螺栓----依靠螺杆受拉传递平行于螺杆的外力 1、抗剪普通螺栓连接计算1）破坏形式主要有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、剪破坏另外还有螺栓双剪破坏等。 螺栓剪断 2)、抗剪螺栓的承载力 3)、轴心力作用下螺栓群抗剪计算a)螺栓数目b)构件净截面强度验算 4)、扭矩作用下的螺栓群计算基本假定a)被连接件绝对刚性b)螺栓受力处于弹性阶段 5）、扭矩、剪力共同作用下螺栓群计算 2、抗拉普通螺栓连接计算1）、普通螺栓的受拉连接一个螺栓抗拉承载力设计值de：普通螺栓有效直径；Ae：普通螺栓有效截面面积。 2）、轴心力作用下螺栓群抗拉计算a)、拉力N通过形心，并没螺杆长度方向受力b)、拉力通过形心，但与端板成一夹角。 3)、弯矩、轴拉力共同作用下的螺栓群计算弯矩M较小时：以受拉为主，板端与柱接触面完全脱离，不存在板端受压区；弯矩M较大时：存在板端受压区。 3、同时抗剪和抗拉普通螺栓连接计算 第七节高强度螺栓连接的构造与计算一、高强螺栓连接的一般要求1、主要技术要求高强螺栓的材料8.8级表示最低抗拉强度800N/mm2,fy/fu=0.810.9级表示最低抗拉强度1000N/mm2,fy/fu=0.9高强螺栓预拉力P(见表3－5）我国规范p=(0.9×0.9×0.9/1.2)fyAe=0.607fyAe接触面的拉滑移系数（见表3－6） 二、摩擦型高强度螺栓连接承载力计算传力机理：靠钢板间的磨擦面传力1、受剪连接承载力2、受拉连接承载力3、拉剪联合作用 三、摩擦型高强螺栓群的计算1、轴心力作用下螺栓群计算(2)、连接构件净截面强度计算与普通螺栓不同，因为最危险截面在第一排螺栓孔处，存在孔前传力系数为0.5的净截面拉力。 2、扭矩作用下，高强螺栓的计算（螺栓受剪） 3、力矩作用下，顶接连接计算 4、弯剪作用 四、承压型高强螺栓计算1、承压型高强螺栓抗剪承载力 2、承压形高强螺栓抗拉承载力3、拉剪联合作用