第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接

1、第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,第五節(jié) 焊接應(yīng)力與變形,一、焊接應(yīng)力的產(chǎn)生焊接應(yīng)力暫時(shí)應(yīng)力：只在焊接過(guò)程中，一定的溫度情況下存在，冷卻至常溫時(shí)，即行消失。殘余應(yīng)力：焊件冷縮后殘留在焊件中的應(yīng)力，又稱(chēng)收縮應(yīng)力。 殘余應(yīng)力是一種在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)自相平衡的力。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,1、縱向焊接應(yīng)力焊接高溫焊縫周?chē)a(chǎn)生塑性壓縮，冷卻時(shí)收縮受到限制，焊縫附近區(qū)受拉，焊縫區(qū)以外受壓，,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,2、橫向焊接應(yīng)力縱向收縮

2、產(chǎn)生反向變形—中間受拉，兩端受壓先焊接限制后焊接變形—中間受壓，兩端受拉應(yīng)力疊加,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,3、Z向焊接應(yīng)力表面先冷卻限制內(nèi)部收縮，內(nèi)部受拉，表面受壓,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,二、焊接應(yīng)力的影響1、結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度自平衡應(yīng)力，內(nèi)外應(yīng)力疊加，有焊接應(yīng)力處先屈服，內(nèi)力重分布，最終全截面屈服，,,,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,先屈服區(qū)剛度為零，應(yīng)變?cè)黾?，變形增?、降低疲勞強(qiáng)度4、低溫冷脆,2、降低結(jié)構(gòu)剛度,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,三、焊

3、接變形不均勻收縮產(chǎn)生,（a）縱橫向收縮（b）彎曲變形（c）角變形（d）波浪變形(e)扭曲變形,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,四、控制焊接應(yīng)力和變形(1)焊縫均勻?qū)ΨQ(chēng)(a,c)(2)避免焊縫尺寸過(guò)大(e)(3)避免焊縫集中(g)(4)盡量避免在母材厚度方向的收縮應(yīng)力(i),第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(5)采用合理的焊接次序：分段退焊、沿厚度分層焊、 對(duì)角跳焊、鋼板分塊拼接(6)焊后校直(7)焊前預(yù)熱、焊后熱處理(8)鋼板不易過(guò)薄t&

4、gt;4mm,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,第六節(jié) 普通螺栓連接,一、普通螺栓1、螺栓類(lèi)型(1)A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)三種(2)A級(jí)和B級(jí)為精制螺栓，螺桿、螺孔加工精度高，制作安裝復(fù)雜，螺栓等級(jí)為8.8級(jí)。很少用，已被高強(qiáng)度螺栓代替。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(4)小數(shù)點(diǎn)前為材料抗拉強(qiáng)度，小數(shù)點(diǎn)后為屈強(qiáng)比，刻在螺桿頭上。例4.8級(jí)表示抗拉強(qiáng)度400N/mm2，屈服強(qiáng)度320N/mm2。(5)常用螺栓直徑為d=16，20，24mm，用M表示，如M

5、16,(3)C級(jí)為粗制螺栓，螺桿表面粗糙，螺孔直徑比螺桿大1.5~2mm，制作安裝方便，螺栓等級(jí)為4.6級(jí)和4.8級(jí)。 C級(jí)螺栓變形大，多用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)或次要結(jié)構(gòu)連接。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,2、螺栓符號(hào)(1)普通螺栓，安裝螺栓，高強(qiáng)度螺栓(2)孔徑do=d+1.5~2，用f表示，如孔徑f22(3)設(shè)計(jì)說(shuō)明：螺栓類(lèi)型，等級(jí)，直徑，孔徑,永久螺栓 安裝螺栓 高強(qiáng)度螺栓 圓形螺栓孔 橢圓形螺栓孔,第二章 鋼結(jié)構(gòu)

6、連接,3、螺栓排布(1)并列和錯(cuò)列：規(guī)則、統(tǒng)一、緊湊(2)排布參數(shù)：端距，邊距，間距(3)排布尺寸要求：考慮安裝，受力(4)至少要有兩個(gè)受力螺栓,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,4、最大、最小尺寸要求(1)保證安裝要求：用扳手?jǐn)Q緊螺帽—最小間距， 節(jié)省連接板—最大間距和邊(端)距(2)保證受力要求：不過(guò)多削弱截面，最小間距和邊(端)距(3)保證使用要求：避免銹蝕和變形—

7、最大間距和邊(端)距,中距≥3d0 邊距≥1.5 d0（切割邊） ≥1.2 d0（軋成邊）,端距≥2d0 （防止端部鋼板沖剪破壞）,中距≤12 d0或18t(受壓構(gòu)件)　　≤16 d0或24t(受拉構(gòu)件)端、邊距≤4d0或8t,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,5、螺栓連接受力(1)連接可傳遞彎矩、剪力和軸力，單個(gè)螺栓只能受拉或受剪(2)受剪螺栓—作用力

8、與螺桿垂直，受拉螺栓—作用力與螺桿平行,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,連接類(lèi)型　按受力情況：抗剪連接　抗拉連接　抗拉與抗剪組合連接,受剪螺栓—作用力與螺桿垂直受拉螺栓—作用力與螺桿平行,,,,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,二、普通螺栓受剪性能1、單個(gè)螺栓受剪破壞試驗(yàn)?zāi)Σ羵髁?0-1)，滑移(1-2)，螺桿傳力(2-3)，彈塑性破壞,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(1)螺栓直徑小，連接板厚，螺桿剪切破壞(2)螺栓直徑大，連接板薄，孔壁擠壓破壞(3)螺栓孔徑

9、大，連接板削弱多，連接板受拉破壞(4)連接板端距小，沖剪破壞（構(gòu)造解決，端距≥2d0）(5)連接板厚，螺桿長(zhǎng)，螺桿彎曲破壞（構(gòu)造解決）,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,2、單個(gè)螺栓抗剪承載力(1)螺桿剪切破壞：假設(shè)剪應(yīng)力均勻分布，計(jì)算平均剪應(yīng)力,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,螺桿抗剪承載力,單剪,雙剪,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,螺栓抗剪強(qiáng)度,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(2)孔壁擠壓破壞：假設(shè)壓應(yīng)力沿直徑均勻分布，計(jì)算平均壓應(yīng)力,孔壁擠壓承載力,同一方向承壓板較小總

10、厚度,板件承壓強(qiáng)度,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,3、螺栓群拼接(1)螺栓群受拉，單個(gè)螺栓受剪(2)螺栓非均勻受剪，連接較長(zhǎng)時(shí)端部先破壞,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(3)假設(shè)l1≤15do時(shí)，剪力均勻分布，螺栓群抗剪承載力,(4)假設(shè)l1>15do時(shí)，剪力非均勻分布，螺栓群抗剪承載力下降,h為折減系數(shù),要求N≤Nb,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(1)開(kāi)孔處破壞面(I，II，III),4、凈截面抗拉強(qiáng)度計(jì)算,(2)凈截面積計(jì)算,螺栓并列排布：直線面積,

11、第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,螺栓錯(cuò)列排布：鋸齒凈面積,計(jì)算凈截面強(qiáng)度,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,5、螺栓群牛腿(1)螺栓群受扭(扭矩T=Pe)、受剪(剪力N=P)，單個(gè)螺栓受剪(2)假設(shè)扭矩使連接板繞螺栓群形心o轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩產(chǎn)生的剪力NTi與螺栓至形心距ri成正比,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(2)扭矩平衡,扭矩產(chǎn)生螺栓剪力,分量,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(3)剪力P在螺栓群中均勻分配,單個(gè)螺栓剪力合成,計(jì)算受剪力最大的螺栓,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,算例： 設(shè)計(jì)螺

12、栓蓋板拼接，設(shè)計(jì)拉力N=350kN，鋼材Q345B(或16Mn)，拼接板寬b=360mm，厚t1=8mm，采用M20C級(jí)螺栓，孔徑f22。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,解： 螺栓抗剪強(qiáng)度,板件承壓強(qiáng)度,(1)雙蓋板的厚度t2≥拼接板的厚度t1/2,板件抗拉強(qiáng)度,取t2=6mm,雙剪,(2)單個(gè)螺栓抗剪承載力,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(3)孔壁承壓,(4)所需螺栓數(shù)n=350/67.3 =5.2個(gè),(5)6個(gè)螺栓3排布置，間距100，端距60，邊距8

13、0,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(6)連接長(zhǎng)度驗(yàn)算l1=15do=15×22 =330>100,(7)拼接凈截面積An=(360 - 3×22 )×8 =2352mm2,凈截面拉應(yīng)力sn=350000/2352=149N/mm2<f,毛截面拉應(yīng)力s=350000/(360×8) =121N/mm2,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,三、普通螺栓受拉性能1、單個(gè)螺栓受拉破壞試驗(yàn)螺桿受拉，連接板脫開(kāi)，螺紋處

14、拉斷或連接板屈服,螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值：,,,,Ae為螺紋處有效截面面積，de為螺紋內(nèi)徑查書(shū)247頁(yè)附錄,螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,Ae已列表,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,2、螺栓群受拉拉力均勻分布，螺栓個(gè)數(shù),第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,3、螺栓群受彎螺栓受拉，連接板受壓，受拉區(qū)連接板脫開(kāi)，螺栓面積小，拉壓平衡，受壓區(qū)高度小。假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)中和軸在最下排螺栓處。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,假設(shè)螺栓拉力三角形分布，大小與距轉(zhuǎn)動(dòng)中和軸距離成正比,彎矩

15、平衡,彎矩產(chǎn)生螺栓拉力,計(jì)算受力最大的螺栓(最外排),第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,4、同時(shí)受拉受剪螺栓螺栓所受拉力Nt和剪力Nv，試驗(yàn)得破壞近似相關(guān)方程,螺栓計(jì)算,孔壁擠壓計(jì)算,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,可通過(guò)加板托承受剪力，螺栓只受拉力,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,5、算例： 驗(yàn)算牛腿螺栓連接，設(shè)計(jì)剪力V=200kN，偏心e=150mm，連接板及柱翼緣厚t=20mm，Q235B鋼材，采用10個(gè)M20C級(jí)螺栓，孔徑f22，分別計(jì)算有承托和無(wú)承托兩種情況。,

16、第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,解： 螺栓抗剪強(qiáng)度,板件承壓強(qiáng)度,(1)有承托板，螺栓群受彎矩M=Ve=200×0.15=30kNm,單個(gè)螺栓抗拉承載力,螺栓抗拉強(qiáng)度,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,螺栓最大拉力,(2)無(wú)承托板，螺栓受拉受剪,單個(gè)螺栓抗剪承載力,螺栓平均剪力,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,螺栓計(jì)算,螺栓最大拉力,孔壁承壓計(jì)算,滿(mǎn)足要求。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,第七節(jié) 高強(qiáng)度螺栓連接,一、高強(qiáng)度螺栓1、螺栓類(lèi)型(1)高強(qiáng)度鋼材制成。(2

17、)按材料強(qiáng)度分成8.8級(jí)和10.9級(jí)(3)按傳剪力方式分成摩擦型和承壓型,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(4)按施工方式分成大六角頭和扭剪型,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,2、受力機(jī)理(1)高強(qiáng)度螺栓可以傳遞剪力和拉力(2)高強(qiáng)度螺栓通過(guò)施加預(yù)拉力使連接板之間產(chǎn)生預(yù)壓力，接觸面上有摩擦力，依靠摩擦力傳遞剪力,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,高強(qiáng)螺栓與普通螺栓抗剪受力區(qū)別　普通螺栓：靠栓桿承壓和抗剪傳遞剪力　高強(qiáng)螺栓：摩阻力來(lái)傳力。 摩擦型高

18、強(qiáng)螺栓：僅由摩阻力傳力?！　〕袎盒透邚?qiáng)螺栓：由摩阻力和栓桿剪切、承壓共同傳力。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(3)摩擦型連接—在承載能力極限狀態(tài)最大剪力不能超過(guò)板件間摩擦力。(4)承壓型連接—在承載能力極限狀態(tài)允許滑動(dòng)，但最大剪力不能超過(guò)螺栓的抗剪承載力和孔壁的承壓強(qiáng)度。,(5)高強(qiáng)度螺栓承載力高，變形小，傳力可靠，多用于主承重受力構(gòu)件連接。(6)高強(qiáng)度螺栓的排布要求與普通螺栓相同，螺孔直徑比螺桿直徑大1.5~2mm，也用M表示。,第二章

19、 鋼結(jié)構(gòu)連接,3、緊固方法與預(yù)拉力P(1)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力是通過(guò)擰緊螺帽實(shí)現(xiàn)的。扭矩法，轉(zhuǎn)角法和扭剪法，分成初擰和終擰兩步完成，保證拉力均勻。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(2)扭矩法—專(zhuān)用扭矩板手，標(biāo)定預(yù)拉力和扭矩之間的關(guān)系，通過(guò)施加一定扭矩達(dá)到預(yù)拉力，大六角螺栓。 (3)轉(zhuǎn)角法—手動(dòng)扳手初擰后，再轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度達(dá)到預(yù)拉力，大六角螺栓。(4)扭剪法—扭剪型螺栓，特制電動(dòng)扳手，以扭斷梅花頭為標(biāo)志，準(zhǔn)確可靠，易檢查，成本高。,第三章 鋼結(jié)構(gòu)

20、連接,(5)螺栓預(yù)拉力越大，摩擦力越高，連接傳力性能越好，但要避免在擰緊階段發(fā)生破壞，還要保留螺栓具有一定的抗拉承載力。我國(guó)預(yù)拉力定為P=0.675fyAe,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,4、抗滑移系數(shù)m(1)連接板接觸面之間摩擦力的大小與摩擦系數(shù)有關(guān)，稱(chēng)為抗滑移系數(shù)，與表面處理方式有關(guān)。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,二、高強(qiáng)度螺栓抗剪計(jì)算1、單個(gè)螺栓抗剪承載力單個(gè)螺栓周?chē)佑|面上的摩擦力為mP，考慮安全系數(shù)1.11，單個(gè)螺栓抗剪承載力取,nf為摩

21、擦面數(shù)，單剪nf=1 ，雙剪nf=2,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,2、摩擦型螺栓抗剪計(jì)算(1)單個(gè)螺栓傳遞的最大剪力Nv，要求,(2)螺栓群受軸力作用時(shí)，每個(gè)螺栓均勻受剪，要求螺栓數(shù),第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(3)凈截面計(jì)算,每個(gè)螺栓均勻傳力，孔前傳力系數(shù)0.5,凈截面拉應(yīng)力,凈截面拉力,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,3、承壓型螺栓抗剪計(jì)算(1)單個(gè)螺栓承載力計(jì)算方法與普通螺栓相同,n為受剪面，單剪n=1 ，雙剪n=2,高強(qiáng)度螺栓抗剪強(qiáng)度,但要控制螺栓最

22、大剪力，避免在正常使用狀態(tài)下發(fā)生滑動(dòng),第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,(2)螺栓群受軸力作用時(shí)，每個(gè)螺栓均勻受剪，要求螺栓數(shù),(3)凈截面計(jì)算也可偏安全取與普通螺栓相同,高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)板件承壓強(qiáng)度,實(shí)際上摩擦力仍然傳遞部分剪力，承壓型螺栓承載力高，破壞時(shí)變形大,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,三、高強(qiáng)度螺栓抗拉計(jì)算1、單個(gè)螺栓抗拉承載力由于螺栓預(yù)拉力P的存在，接觸面產(chǎn)生初始?jí)毫 = P，連接板沿厚度方向壓縮。外拉力Nt使接觸面壓力減為C-DC，螺栓拉力

23、增加至P+DP ，既要保證螺栓不被拉斷，又要保證接觸面壓力不減為零。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,根據(jù)平衡條件： C -DC + Nt = P + DP或： DP= Nt -DC，外拉力Nt并非全部傳給螺栓,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,假設(shè)螺栓面積為Ab，受壓接觸面積為Ap,外拉力Nt使連接板厚度回彈量為,外拉力Nt使螺栓伸長(zhǎng)量為,變形協(xié)調(diào),第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,代入前式得,由試驗(yàn)和分析知Ap ≈(10 ~20)Ab， 近似取Ap ≈10 Ab,外拉力

24、Nt只有很小部分直接傳給螺栓,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,假設(shè)控制剩余接觸面壓力C-DC不低于初始值的1/4，即,設(shè)計(jì)取高強(qiáng)度度螺栓的抗拉承載力為,應(yīng)控制外拉力Nt,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,四、高強(qiáng)度螺栓同時(shí)受拉受剪1、摩擦型螺栓承載力計(jì)算,用線性相關(guān)方程近似表示破壞模式,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,設(shè)計(jì)要求,或,即,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,2、承壓型螺栓承載力計(jì)算,用橢圓方程表示破壞模式,設(shè)計(jì)要求,同時(shí),即,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,同時(shí)受拉受剪，一個(gè)方向壓力減

25、小，板件局部承壓強(qiáng)度降低，取,高強(qiáng)度螺栓只受剪時(shí)，孔壁三向受壓，板件局部承壓強(qiáng)度， 高。,則,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,3、摩擦型螺栓群受彎受剪連接,假設(shè)剪力均勻分布，彎矩使中和軸以上連接板間壓力減小，中和軸以下連接板間壓力增大，但連接板間不分離。中和軸在螺栓群形心處。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,假設(shè)螺栓拉力三角形分布，大小與距轉(zhuǎn)動(dòng)中和軸距離成正比,彎矩產(chǎn)生螺栓拉力,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,計(jì)算抗拉承載力 (最外排螺栓),計(jì)算抗剪承載力 (最外排螺栓)

26、,或，計(jì)算全部螺栓承載力,中和軸以下取Nti =0,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,算例： 驗(yàn)算梁端梁柱連接，設(shè)計(jì)彎距M=40kNm，剪力V=160kN，Q235B鋼材，采用8個(gè)M20、8.8級(jí)螺栓，摩擦型連接，連接板鋼刷除銹。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,解： 螺栓預(yù)力P=110kN，抗滑移系數(shù)m=0.350.8P =88kN,彎矩產(chǎn)生螺栓拉力(最外排螺栓),螺栓平均剪力Nv =160/8 =20kN,計(jì)算最外排螺栓抗剪,第二章 鋼結(jié)構(gòu)連接,計(jì)算全部螺