《钢结构的连接 》PPT课件.ppt

第四章 钢结构的连接,常见的连接方法 焊缝连接 普通螺栓连接 高强螺栓连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,4.1 常见的连接方法,焊缝连接,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,螺栓连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,铆钉连接,中南大学桥梁工程系,1、焊缝连接及其特点,焊缝图,特点,（1）不削弱截面，节约材料；（2）构造简单，加工方便；（3）密闭性好，刚度大；（4）自动化作业，生产效率高；（5）热影响区材质变脆，残余变形，残余应力,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,2、铆钉连接及其特点,铆钉图,特点,（1）良好的塑性与韧性，适合与直接承受动载（2）工艺复杂，技术要求高；（3）削弱截面，费工费料，已很少采用；,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,3、普通螺栓连接及其特点,普通螺栓图,特点,（1）精制螺栓A、B级，粗制螺栓C级（2）刚度较弱；（3）削弱截面，不省材；,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,4、高强螺栓连接及其特点,高强螺栓图,特点,（1）材质与普通螺栓不同；（2）变形小，适合承受动载,抗疲劳性能好；（3）削弱截面，不省材；（4）安装方便,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,试验表明：“有孔的板的疲劳强度，因为没有摩擦力，明显地较高强栓接头为低”,4.2 焊接方法简介,1、手工电弧焊,（1）焊缝金属要与主体金属匹配，当两种不同强度的钢材相焊接，采用与较低强度匹配的焊条。Q235(E43*)Q345(E50*)Q390与Q420(E55*)（2）焊条型号表示方法：E表示焊条；43表示焊条钢丝抗拉强度最小值为43kgf/mm2；*，如15表示药皮类型等,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,2、自动（或半自动）埋弧焊,（1）焊缝金属要与主体金属匹配，Q235(H08)。（2）焊丝型号表示方法：H08、H10MnSi（3）熔深大，效率高，质量均匀，塑性韧性较好，便于工厂焊接，焊接位置长而直的焊缝,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,3、气体保护焊,（1）保护气如CO2代替焊剂，保护焊缝金属。（2）熔深大，效率高，质量好。（3）施焊时周围风速要求小，以免气体吹散，目前应用还不广。,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,4.3 焊接结构的特点与焊缝连接,1、焊接结构特点,（1）不削弱截面，不需额外连接件，构造简单。（2）密闭性好，刚度、整体性好。,第四章 钢结构的连接,（3）热影响区材质变脆。（4）焊缝易存在各种缺陷：裂缝、气泡、夹渣等（5）焊接结构刚度大，局部裂缝易扩展到整体。（6）出现残余应力与残余变形,中南大学桥梁工程系,2、避免不利影响的措施,（1）合理选择钢材，控制“碳当量”，保证可焊性。C0.20%（2）合理设计焊缝，尽量减少应力集中、残余应力及变形。,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（3）采用合理的焊接工艺，如分段、分层，开坡口等。,（4）提高焊工技术，注意焊工定期考核。（5）根据钢结构工程施工质量验收规范进行检查验收。,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,3 质量等级(钢结构施工质量验收规范),（a）外观检查：目视、放大镜、尺量等检查表面气泡、夹渣、裂纹、外形等。,质检内容,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（b）内部缺陷检查：超声波探伤，射线检验、磁粉探伤。,外形检查,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,构件组装允许偏差,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,超声波探伤,射线探伤,（a）一级：外观检查对每条焊缝的100作超声波探伤。（b）二级：外观检查对每条焊缝的20且不小于200mm作超声波探伤（c）三级：仅作外观检查。,三个等级,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,说明,（a）依据：钢结构工程施工验收规范。（b）不同等级，外观检查要求不同。（c）一、二级焊缝强度与母材一致；三级焊缝强度较母材低。,第四章 钢结构的连接,质量等级确定原则：（a)根据结构重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境、应力状态等确定（b)具体要求见P91.,中南大学桥梁工程系,外观质量标准：,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,焊缝强度设计值,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,3、焊缝的类别与焊接接头的形式,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(a)对接焊缝(b)角焊缝,焊缝类型：对接焊缝与角焊缝,(c)塞焊缝,(d)槽焊缝,(e)点焊缝,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,常见的接头形式：对接、搭接、T接、角接等,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,4、焊接位置,施焊时焊条与焊缝的相对位置称为焊接位置，如俯焊、横焊、立焊、仰焊。,5、焊缝符号（课程设计时再熟悉）,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,4.4 对接焊缝的构造与计算,1、构造特点,（1）坡口,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（2）变截面对接焊缝,第四章 钢结构的连接,（3）纵横两向对接焊缝,中南大学桥梁工程系,（4）引弧板：焊缝计算长度是否扣2t？,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,2、对接焊缝强度计算,（1）一、二级焊缝用引弧板，不需单独计算。（2）以下情况需要单独计算（a)三级焊缝；(b)未用引弧板；(c)施工条件较差的高空安装焊缝，强度取0.9折；(d)无垫板的单面施焊对接焊缝，不易焊满，强度取0.85折,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（a）同构件截面强度计算。（b）不考虑塑性发展，按弹性理论计算。（c）折算应力强度增大系数1.1。（d）斜焊缝的强度计算问题。,（3）计算方法的几点说明,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,4.5 角焊缝的构造与计算,1、构造特点,(1)角焊缝的分类,直角角焊缝,斜角角焊缝,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,hf 焊脚尺寸he焊缝有效（计算）厚度，直角焊缝为0.7 hf,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,普通角焊缝,平坡角焊缝,凹面角焊缝,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(2)正面角焊缝与侧面角焊缝,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,侧面角焊缝应力状态,第四章 钢结构的连接,主要受剪应力，分布不均，两头大中间小，焊缝越长应力不均匀程度越高破坏常发生在近似45斜平面上承载能力相对正面焊缝低，但塑性较好,中南大学桥梁工程系,正面角焊缝应力状态,第四章 钢结构的连接,角焊缝应力状态远比侧焊缝复杂，正、剪应力都有有效截面上沿焊缝长度应力分布比较均匀承载能力相对侧焊缝高1/3左右，但塑性差,中南大学桥梁工程系,(3)焊脚尺寸hf的要求,第四章 钢结构的连接,不应太小 焊缝热量很快被焊件吸收，焊缝冷却太快，焊缝变脆,不应太大 焊缝冷却后产生较大变形，焊件容易被烧穿,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(4)焊缝长度的要求,第四章 钢结构的连接,最大计算长度（侧焊缝）：,当实际长度大于以上值时，计算时不考虑超过部分的强度；但当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。,原因：侧焊缝过长，剪应力分布不均匀,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,最小计算长度（正面与侧面焊缝）：,原因：起焊点与落焊点焊缝易塌落，质量部可靠，位置不 能太靠近。,中南大学桥梁工程系,(5)其他构造要求,第四章 钢结构的连接,断续角焊缝：用于次要构件或次要连接。,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,2、角焊缝计算公式,(1)几点说明,取45度方向的焊缝截面为计算时的破坏面。,角焊缝抗拉、抗压、抗剪强度设计值均取为,在通过焊缝形心的拉力、压力、剪力作用下，沿焊缝长度方向应力均匀分布。,（见P494,实际就是抗剪强度）,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(2)传统强度计算方法（铁路规范）,计算公式,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,实际是不考虑正面角焊缝的承载能力高于侧面角焊缝。,(2)新的强度计算方法（建筑规范）,基本公式,实用公式,？,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,应力状态分析,计算截面应力分析,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,作用力平行于焊缝长度方向,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,作用力垂直于焊缝方向,分解,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,沿焊缝长度方向剪应力：,垂直于焊缝长度方向应力：,分解,两种力同时作用,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,代入基本公式：,角焊缝的有效截面Ae=Lwhe Lw焊缝计算长度，L-2 hf he焊缝有效（计算）厚度，0.7 hf hf 焊角尺寸,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,3、角焊缝连接的计算,第四章 钢结构的连接,轴力、剪力及联合作用弯矩及与轴力、剪力的共同作用扭矩及与轴力、剪力的共同作用,焊缝群截面特性计算,计算长度：非连续焊缝计算长度Lw=L-nhf 连续焊缝只考虑起弧和落弧处的扣除hf焊缝群形心轴确定、有效截面积、截面模量计算等,应力计算,强度校核,焊缝（焊缝群）内力分析,中南大学桥梁工程系,（1）拼接板连接 承受轴力N作用,第四章 钢结构的连接,认为焊缝有效截面上应力均匀分布，而且只有剪应力,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,认为焊缝有效截面上应力均匀分布，而且只有应力,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,简化验算 无论静载、动载,中南大学桥梁工程系,斜向角焊缝承载能力介于正面与侧面角焊缝之间，提高部分不多，见P75。,第四章 钢结构的连接,（2）角钢与拼接板连接 承受轴力N作用,N1、N2 不均匀分配,如何分配？,中南大学桥梁工程系,内力分配系数如下：,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,三面围焊,由端焊缝强度验算确定,由平衡,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,（3）梁柱连接 弯矩、剪力、轴力作用,整个截面Aw,Iw,中南大学桥梁工程系,弯矩、剪力、轴力在焊缝截面产生的应力效果。,第四章 钢结构的连接,危险点 b强度计算,整个截面Aw,Iw,仅腹板焊缝截面,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,整个截面Aw,Iw,中南大学桥梁工程系,危险点 a强度计算,第四章 钢结构的连接,整个截面Aw,Iw,中南大学桥梁工程系,Iw 有效截面对应的惯性矩,弯矩作用下的应力,第四章 钢结构的连接,（4）牛腿焊接 扭矩、剪力、轴力作用,剪力V产生的A点应力,轴力N产生A点的应力,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,焊缝截面,V(a+e),基本假定：（a）焊缝为弹性体，板为刚性体，绕形心 o 旋转（b）由T引起的应力与OA垂直，大小与OA成正比,扭矩T作用的应力,推导：？,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,验算：,A点：,应力合成与强度验算,中南大学桥梁工程系,4.6 焊接残余应力与焊接残余变形,1、焊接残余应力,钢材热胀冷缩,高温下发生塑性压缩变形，冷却时不能恢复,要点:,第四章 钢结构的连接,焊缝周围温度场,中南大学桥梁工程系,实例:,约束钢杆件应力分析,（2）纵向焊接残余应力,第四章 钢结构的连接,工字形截面,中南大学桥梁工程系,（3）横向焊接残余应力,纵向收缩导致反向弯曲，引起横向残余应力,横向收缩产生的残余应力（与施焊顺序直接相关）,第四章 钢结构的连接,应力分布,第二部分,中南大学桥梁工程系,（4）板厚方向焊接残余应力,板厚为2030mm以下时，不考虑此焊接残余应力,厚板的三向同号应力使钢材变脆。,（5）约束状态下的焊接残余应力,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,2、焊接残余变形,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,3、残余应力与变形对结构的影响,不影响构件静力强度,降低结构的刚度,降低构件稳定承载力,加速构件的脆性破坏,降低结构的疲劳强度,残余变形影响结构的安装、正常使用,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,4、减少残余应力与残余变形的措施,第四章 钢结构的连接,选择合理的施焊顺序(分段、分层、分块等)；,中南大学桥梁工程系,合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。施焊前，预加反向变形，机械矫形。,焊接次序交替进行,分多道焊缝,预加反变形,第四章 钢结构的连接,采用合理的焊缝设计(焊缝尺寸，焊缝形式，焊缝位置，施工可行性),中南大学桥梁工程系,加劲板开孔，让主要焊缝通过，次要焊缝中断,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,4.7 螺栓连接概述,1、螺栓种类,（1）粗制螺栓（C级）,性能等级：4.6级，4.8级，普通碳素钢Q235,类孔：冲成孔，孔径比杆径大11.5mm,使用于临时安装连接,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（2）精制螺栓（A，B级）,性能等级：5.6级,8.8级，优质碳素钢45号钢35号钢,类孔：钻成孔，孔径比杆径大0.30.5mm,很少使用,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（3）高强螺栓,性能等级：10.9级，8.8级,类孔：钻成孔，孔径比杆径大11.5mm,应用广泛，尤其在桥梁中,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,2、螺栓连接类型（按受力分）,（1）抗剪螺栓连接,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（2）抗拉螺栓连接,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（3）抗剪抗拉螺栓连接,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,3、螺栓的排列,（1）并列与错列方式,（2）线距、栓距、端距、边距,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（3）保持适当距离的理由及规定,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（4）排列要求,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,钢板板叠上螺栓排列,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,角钢上螺栓排列,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,工字钢、槽钢上螺栓排列,（1）抗剪螺栓连接可能破坏形态,第四章 钢结构的连接,4、普通螺栓的计算,（a）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）,（b）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）,（c）钢板拉断（板开孔，截面削弱）,应对措施:(a)(b)(c)通过计算解决,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,（d）钢板剪坏（螺栓端距过小）,（e）螺栓弯曲破坏（板过厚，螺栓细长）,端距 2d。,夹板厚度 5d,应对措施:(d)(e)通过构造措施预防,中南大学桥梁工程系,（2）单个抗剪螺栓承载力计算,螺栓杆直径d怎么取？（普通螺栓采用螺杆直径P496）（承压高栓采用螺纹有效直径）（铆钉采用孔径）,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,关键：确定各个剪切面所传递的力，要求其不超过盖剪切面的抗剪承载力即可。,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,剪切面数目如何数？,第四章 钢结构的连接,哪个承压面最危险？,承压强度与连接件及螺栓均有关,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（3）剪力螺栓群的不均匀受力,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(4)轴心力作用下螺栓群的抗剪连接计算,适当布置螺栓使得连接长度最短,计算连接所需螺栓数：,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,构件净截面强度计算,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,找可能的危险截面；,确定该截面的内力,验算该截面的强度,块状拉剪破坏计算,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(5)偏心力作用下螺栓群的抗剪连接计算,先排列，后验算螺栓强度,关键：确定扭矩T作用下各螺栓分担的力,合成得到关键螺栓所分担的力，并作强度验算,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（6）单个抗拉螺栓承载力计算,第四章 钢结构的连接,加劲肋,螺栓拉力：Pf=N/2+V N/2(刚度越大，V 越小),中南大学桥梁工程系,(7)弯矩作用下螺栓群的抗拉连接计算,关键：确定弯矩M作用下各螺栓分担的拉力，绕谁转动？,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(8)剪力与轴力作用下螺栓群的连接计算,拉剪联合公式,孔壁承压强度验算,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,(普通螺栓),(高强螺栓),4.8 高强螺栓连接,1、高强螺栓种类,性能等级：8.8级，10.9级,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,2、工作性能,摩擦型高强螺栓抗剪连接,承压型高强螺栓抗剪连接,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,抗拉型高强螺栓连接,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,抗拉抗剪型高强螺栓连接,紧固方法：扭距法；转角法；扭剪法,第四章 钢结构的连接,3、预拉力P,中南大学桥梁工程系,预拉力计算式,0.9螺栓材质不均匀折减系数,0.9施工时考虑超张拉影响,0.9因为fu附加安全系数,1.2考虑剪力的不利影响,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,高强度螺栓设计预拉力 P（kN）,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,抗滑移系数,4、摩擦型高强抗剪螺栓群强度计算,(1)摩擦型高强螺栓,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（2）轴力作用下摩擦型高强螺栓群强度计算,计算单个螺栓承载力,确定所需螺栓数,排列螺栓,构件截面强度计算关键：考虑孔前摩擦面传力问题,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,（3）偏力作用下摩擦型高强螺栓群强度计算,同普通螺栓计算,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,5、摩擦型高强螺栓群抗拉强度计算,问题：单个螺栓分担多大力？能承担多大力？,中南大学桥梁工程系,第四章 钢结构的连接,问题：Nt作用下螺栓杆实际拉力有多大?是Nt+P吗？,第四章 钢结构的连接,单个摩擦型高强螺栓受拉承载力：确保板件处于受压状态,中南大学桥梁工程系,（2）高强螺栓群抗拉连接计算（弯矩作用）,注意：弯矩作用下，中性轴的定位问题,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,123456,6、摩擦型高强螺栓群抗拉抗剪连接计算,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,123456,剪力V,验算：,弯矩M拉力N,确保抗剪承载力（不滑移）,确保抗拉承载力（压紧）,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,物理概念明确,公式简明好记,第四章 钢结构的连接,中南大学桥梁工程系,7、本章总结,