鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理ppt課件VIP

.,鋼結(jié)構(gòu)基本原理,土木工程學(xué)院,2007年2008年第二學(xué)期,.,3鋼結(jié)構(gòu)的連接,本章內(nèi)容：(1)鋼結(jié)構(gòu)的連接方法(2)焊接方法和焊接連接形式(3)角焊縫的構(gòu)造與計算(4)對接焊縫的構(gòu)造與計算(5)螺栓連接的構(gòu)造(6)普通螺栓連接的工作性能和計算(7)高強度螺栓連接的工作性能和計算,本章重點：角焊縫的構(gòu)造與計算，普通螺栓連接的計算，高強度螺栓連接的計算。,本章難點：如何運用相關(guān)公式進(jìn)行各種連接計算。,.,2、鉚接,1、焊接,對接焊縫,角焊縫,焊縫連接、鉚釘連接、螺栓連接,3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法,3.1.1鋼結(jié)構(gòu)連接種類,圖3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法,(a)、(b)焊縫連接；(c)鉚釘連接,(a)(b)(c),.,3、螺栓連接,普通螺栓：,高強螺栓,靠螺栓桿承壓和受剪傳遞荷載,圖3.2螺栓連接,.,優(yōu)點：（1）構(gòu)造簡單，制造省工；（2）不削弱截面，經(jīng)濟；（3）連接剛度大，密閉性能好；（4）易采用自動化作業(yè)，生產(chǎn)效率高。,缺點：（1）焊縫附近有熱影響區(qū)，該處材質(zhì)變脆；（2）產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變；（3）裂縫易擴展，低溫下易脆斷。,1、焊縫連接,3.1.2連接特點,.,優(yōu)點：安裝拆卸方便。缺點：構(gòu)造復(fù)雜，削弱截面，不經(jīng)濟。,2、螺栓連接,1、普通螺栓連接由235鋼制成，根據(jù)加工精度分A、B、C三級。A、B級精制螺栓,類孔，孔徑比桿徑大0.3-0.5mm，抗剪性能好,制造安裝費工，少用。C級粗制螺栓,類孔，孔徑比桿徑大1.5-2.0mm，抗剪性能差，但傳遞拉力性能好，性能等級為4.6級或4.8級。,.,（1）性能等級高強鋼材制成：優(yōu)質(zhì)碳素鋼：35號、45號合金鋼：20MnTiB、40B、35VB性能等級：8.8級、10.9級。小數(shù)點前8、10螺栓材料經(jīng)熱加工后的最低抗拉強度為800、1000N/mm2；小數(shù)點后0.8、0.9屈強比,2、高強螺栓連接,.,摩擦型：只靠摩擦阻力傳力，以剪力達(dá)到接觸面的摩擦力作為承載力極限狀態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則。,（2）按抗剪性能分,承壓型：以作用剪力達(dá)到栓桿抗剪或孔壁承壓破壞作為承載力極限狀態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則。,摩擦型螺栓連接：變形小，彈性性能好，耐疲勞，施工較簡單，適用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。,承壓型螺栓連接：承載力高于摩擦型連接，連接緊湊，剪切變形大，不能用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。,.,3.2焊接方法和焊縫連接形式,3.2.1鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法,1.手工電弧焊打火引弧-電弧周圍的金屬液化(溶池)焊條熔化滴入溶池與焊件的熔融金屬結(jié)和冷卻即形成焊縫。,電弧焊：手工電弧焊、自動或半自動埋弧焊、氣體保護(hù)焊。,優(yōu)點：方便，特別在高空和野外作業(yè)；缺點：質(zhì)量波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，效率低。,.,焊條：焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)（等強度要求）。Q235E43焊條；Q345E50焊條；Q390（Q420）E55焊條。E焊條；型號由四部分組成E前兩位數(shù)焊縫金屬最小抗拉強度(43kg/mm2)；后兩位數(shù)焊接位置、電流及藥皮類型。不同鋼種的鋼材相焊接時，宜采用與低強度鋼材相適應(yīng)的焊條。,手工電弧焊,.,2.自動（半自動）埋弧焊電弧在焊劑層下燃燒的一種方法。優(yōu)點：質(zhì)量好，效率高；缺點：需要專用設(shè)備。,3.氣體保護(hù)焊利用二氧化碳?xì)怏w或者其他惰性氣體作為保護(hù)介質(zhì)的一種方法。優(yōu)點：質(zhì)量好；缺點：對環(huán)境要求高。,.,（被連接鋼材的相互位置）,對接連接,搭接連接,T型連接,角部連接,焊縫連接形式,3.2.2焊縫連接形式及焊縫形式,1.焊縫連接形式,圖3.3T形連接,圖3.4搭接連接,.,焊縫連接形式,圖3.5焊縫連接的形式,(a)對接連接；(b)用拼接蓋板的對接連接；(c)搭接連接；(d)、(e)T形連接；(f)、(g)角部連接,.,(1)按焊縫的截面形式分,對接焊縫,角焊縫,2.焊縫形式,圖3.6焊縫形式,(a)正對接連接；(b)斜對接焊縫；(c)角焊縫,.,按受力方向劃分,.,(2)焊縫沿長度方向的布置,注意:L不宜過長在受壓構(gòu)件中L15t在受拉構(gòu)件中L30t（t為較薄焊件的厚度）,圖3.7連接角焊縫和斷續(xù)角焊縫,.,（3）焊縫的施焊方位,平焊（俯焊）橫焊立焊仰焊,圖3.8焊縫施焊位置,(a)平焊；(b)橫焊；(c)立焊；(d)仰焊,.,3.2.3焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗,1、焊縫缺陷：焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷,圖3.9焊縫缺陷,(a)裂紋；(b)焊瘤；(c)燒穿；(d)弧坑；(e)氣孔；(f)夾渣；(g)咬邊；(h)未熔合；(i)未焊縫,.,2.焊縫質(zhì)量檢驗,三級：只進(jìn)行外觀檢查（即檢查外觀缺陷和幾何尺寸）二級：除外觀檢查，超聲波抽檢一級：同二級,3.焊縫質(zhì)量等級的選用,（1）需要進(jìn)行疲勞計算的構(gòu)件，凡是對接焊縫均應(yīng)焊透。其中垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p或T形對接與角接組合焊縫受拉時應(yīng)為一級，受壓時應(yīng)為二級；作用力平行于焊縫長度方向的縱向?qū)雍缚p應(yīng)為二級。,.,（2）不需要進(jìn)行疲勞計算的構(gòu)件，凡要求與母材等強的對接焊縫應(yīng)焊透。母材等強的受拉對接焊縫應(yīng)不低于二級；受壓時宜為二級。（3）重級工作制和起重量Q500kN的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間，以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的T形接頭均要求焊透，質(zhì)量等級不應(yīng)低于二級。（4）不要求焊透的T形接頭采用的角焊縫或部分焊透的對接與角接組合焊縫，以及搭接連接采用的角焊縫，一般僅要求外觀質(zhì)量檢查，具體規(guī)定如下:三級檢驗;承受動力荷載且需要驗算疲勞和Q500kN的中級吊車梁，二級。,.,3.2.4焊縫代號、螺栓及其孔眼圖例,焊縫符號表示法規(guī)定：焊縫符號一般由基本符號與指引線組成，必要時還可加上補充符號和焊縫尺寸。,基本符號：表示焊縫的橫截面形狀，如用“”表示角焊縫,用“V”表示V形坡口聽對接焊縫；補充符號：補充說明焊縫的某些特征，如用“”表示現(xiàn)場安裝焊縫，用“”表示焊件三面帶有焊縫；指引線：一般由橫線和帶箭頭的斜線組成，箭頭指向圖形相應(yīng)焊縫處，橫線上方和下方用來標(biāo)注基本符號和焊縫尺寸等。,.,表3.1焊縫符號,.,表3.1焊縫符號,續(xù)表,.,當(dāng)焊縫分布比較復(fù)雜或用上述標(biāo)注方法不能表達(dá)清楚時,在標(biāo)注焊縫符號的同時,可在圖形上加?xùn)啪€表示。,圖3.10用柵線表示焊縫,(a)正面焊縫；(b)背面焊縫；(c)安裝焊縫,表3.2螺栓及其孔眼圖例,.,3.3角焊縫的構(gòu)造和計算,按截面形式劃分,3.3.1角焊縫的形式與強度,圖3.11直角角焊縫截面,角焊縫,直角角焊縫,斜角角焊縫,角焊縫一般用直角角焊縫。夾角或的斜角角焊縫，不宜用作受力焊縫(鋼管結(jié)構(gòu)除外).,圖3.12斜角角焊縫截面,.,側(cè)面角焊縫強度低、塑性好；應(yīng)力沿長度方向分布不均勻，呈兩端大而中間小的狀態(tài)。,1、側(cè)面角焊縫平行于力的作用方向,N,按角焊縫與作用力的關(guān)系分:側(cè)面角焊縫、正面角焊縫、斜焊縫,圖3.13側(cè)面角焊縫受力示意圖,圖3.14側(cè)焊縫的應(yīng)力,.,正面角焊縫受力復(fù)雜，截面中的各面均存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力；強度高，塑性差。,2、正面角焊縫垂直于力的作用方向,3、斜焊縫受力性能和強度值介于正面角焊縫和側(cè)面角焊縫之間。,圖3.15正面角焊縫應(yīng)力狀態(tài),.,（1）最大焊腳尺寸,為避免焊縫區(qū)基本金屬“過熱”，減少焊件的殘余應(yīng)力和殘余變形。,3.3.2角焊縫構(gòu)造要求,圖3.16最大焊腳尺寸,.,焊腳尺寸過小，會在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織。,對自動焊:,對T型連接的單面角焊縫：,當(dāng)焊件厚度,設(shè)計：,（2）最小焊腳尺寸要求,.,（3）不等焊腳尺寸的構(gòu)造要求,當(dāng)焊件的厚度相差較大且等焊腳尺寸不能符合要求時，可采用不等焊腳尺寸。,（4）側(cè)面角焊縫的最大計算長度,側(cè)面角焊縫沿長度受力不均勻，兩端大中間小,所以一般均規(guī)定其最大計算長度。,60hf靜力荷載,40hf動力荷載,注：若內(nèi)力沿角焊縫全長分布，則計算長度不受此限,注意：焊腳尺寸和焊縫計算長度取mm的整數(shù)，小數(shù)點以后都進(jìn)為1。,圖3.17不等焊腳尺寸的構(gòu)造要求,.,設(shè)計：,防止局部加熱嚴(yán)重，焊縫起滅弧所引起的缺陷相距太近，及其他缺陷，使得焊縫不可靠。,在搭接連接中，搭接長度L5tmin，且25mm。,為了減少收縮應(yīng)力以及因偏心在鋼板與連接件中產(chǎn)生的次應(yīng)力,（5）角焊縫的最小計算長度,（6）搭接連接的構(gòu)造要求,圖3.18搭接連接,.,圍焊的轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊.非圍焊，可在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處作長度2hf的繞角焊。,為了避免焊縫橫向收縮時引起板件的拱曲大。,當(dāng)板件端部僅有兩側(cè)面角焊縫時，lwb(b為兩側(cè)焊縫距離),同時,或,圖3.19焊縫長度及兩側(cè)焊縫間距,.,焊縫實際長度取為5mm的倍數(shù)，如192mm取為195mm，196mm取為200mm。,角焊縫的計算長度lw和實際長度l的關(guān)系：,4.繞角焊：側(cè)面角焊縫lw=l,(繞角焊的2hf不在內(nèi)),圖3.20角焊縫長度的計算,.,（1）側(cè)面角焊縫的破壞大多在45o截面；,受力特點：,3.3.3直角角焊縫強度計算的基本公式,圖3.21側(cè)焊縫破壞形式,(a)實際剪壞面；(b)計算剪壞面,圖3.22角焊縫截面,h焊縫厚度；hf焊縫厚度；he焊縫有效厚度(焊喉部位)；h1熔深；h2凸度；d焊趾；e焊跟,.,（3）正面角焊縫破壞強度高，剛度大，塑性差。,（2）正面角焊縫應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，可能沿45o截面破壞，也可能沿溶合邊破壞；,圖3.23焊腳尺寸及有效焊腳厚度,.,計算步驟：,（1）求出同一平面焊縫群的形心；（2）將荷載向形心簡化，找出最不利位置；（3）分別求出各荷載分量在最不利位置產(chǎn)生的應(yīng)力；（4）區(qū)分正面角焊縫受力和側(cè)面角焊縫受力，視荷載種類（靜荷或動荷）代入角焊縫的基本計算公式進(jìn)行計算。（5）驗算是否滿足構(gòu)造要求。,.,（作用力平行于焊縫方向）,N,N,1、側(cè)面角焊縫,圖3.24側(cè)面角焊縫的應(yīng)力分布示意圖,.,當(dāng)承受動力荷載時：,N,N,-正面角焊縫強度增大系數(shù)，1.22。,2、正面角焊縫,（作用力垂直于焊縫方向）,圖3.25正面角焊縫的應(yīng)力分布示意圖,.,N,Ny=Ncos,Nx=Nsin,3、斜向角焊縫,圖3.26斜向軸心力作用,.,兩面?zhèn)群?(由構(gòu)造確定hf),(1)用蓋板的對接連接承受軸心力時,1.承受軸心力作用時角焊縫連接計算,蓋板長度：,由,得,3.3.4各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算,圖3.27受軸心力的蓋板連接(只有側(cè)面角焊縫),.,(由構(gòu)造確定hf),由,得,三面圍焊,(a)端面角焊縫承擔(dān)N,(b)側(cè)面角焊縫承擔(dān)N1,圖3.28受軸心力的蓋板連接(三面圍焊),.,蓋板長度：,N,N,N,N,由,N1,得,(c)焊縫長度計算,圖3.28受軸心力的蓋板連接(三面圍焊),.,解查附表1.2,例3.1試設(shè)計用拼接蓋板的對接連接(圖3.29)。已知鋼板寬B=270mm，厚度t1=28mm，拼接蓋板厚度t2=16mm。該連接承受靜態(tài)軸心力N=1400kN(設(shè)計值)，鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型。,圖3.29例3.1圖(a)兩面?zhèn)群笗r,.,(1)兩面?zhèn)群?蓋板長度,一條焊縫的實際長度,取680mm,焊縫總長度,圖3.29例3.1圖(b)兩面?zhèn)群?.,選定拼接蓋板寬度b=240mm，則：,A=240216=7680mm2A=27028=7560mm2,滿足強度要求。,根據(jù)構(gòu)造要求可知：,b=240mmlw=313mm且b16t=1616=256mm,滿足要求，故選定拼接蓋板尺寸為,680mm240mm16mm。,.,(2)三面圍焊,端面角焊縫承擔(dān)N,側(cè)面角焊縫承擔(dān)N1,N1=NN,焊縫長度計算,圖3.29例3.1圖(c)三面圍焊時,.,一條焊縫長度,蓋板長度,蓋板尺寸為：,取為180mm.,圖3.29例3.1圖(d)三面圍焊,.,（a）三面圍焊,N1,N3,N2,N=N1+N2+N3,3.3.4各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算,1.承受軸心力作用時角焊縫連接計算,(2)承受軸心力的角鋼角焊縫計算,肢背、肢尖焊縫承擔(dān)的力N1、N2，,端面焊縫承擔(dān)的力N3,N,lw1,lw2,圖3.30三面圍焊,(a),(b),.,N1,N3,N2,由,得端面焊縫承擔(dān)的力N3,圖3.30三面圍焊,圖3.30三面圍焊,(a),(b),(c),lw1,lw2,N,.,令：,-肢背、肢尖內(nèi)力分配系數(shù)，近似取2/3，1/3。,N1,N3,N2,b,由,lw2,lw1,圖3.30三面圍焊,(a),N,.,肢尖、肢背所需焊縫長度l1、l2,圖3.30三面圍焊,(c),.,（b）兩面?zhèn)群?圖3.31兩面?zhèn)群?.,表3.3角鋼角焊縫內(nèi)力分配系數(shù),.,例3.2試確定圖3.35所示承受靜態(tài)軸心力作用的三面圍焊連接的承載力及肢尖焊縫的長度。已知角鋼為212510，與厚度為8mm的節(jié)點板連接，其肢背搭接長度為300mm，焊腳尺寸均為hf=8mm，鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型。,圖3.32例3.2圖,.,（2）肢背焊縫承擔(dān)的力N1,（1）端部焊縫承擔(dān)的力N3,解：,.,（3）焊縫連接承擔(dān)的力N,（5）肢尖焊縫長度,（4）肢尖焊縫承擔(dān)的力N2,.,2.承受彎矩、軸心力或剪力聯(lián)合作用的,已知：M、V、N問題：驗算焊縫強度或設(shè)計,（1）應(yīng)力計算,3.3角焊縫的構(gòu)造和計算,3.3.4各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算,圖3.33承受偏心斜拉力的角焊縫,角焊縫連接計算,.,Nx,N,Ny,M,+,+,圖3.34承受偏心斜拉力時的等價形式,(c),(a),(b),(d),(e),.,b）M作用下,a）Nx作用下，焊縫是正面角焊縫,Nx,M,圖3.34(c),圖3.34(d),.,（2）強度條件,c）Ny作用下，焊縫是側(cè)面角焊縫,Ny,圖3.34(e),.,3.承受扭矩與剪力聯(lián)合作用時的角焊縫連接計算,假定：(1)構(gòu)件是完全剛性的，角焊縫處于彈性狀態(tài)；(2)角焊縫群上任意一點的應(yīng)力方向垂直于該點與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長度r成正比。,圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫,.,圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫,.,圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫,.,圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫,.,典型問題：工字型牛腿焊縫的計算,第一種方法假設(shè)：,剪力由腹板焊縫承擔(dān),彎矩由全部焊縫承擔(dān),a）翼緣焊縫最外纖維處的應(yīng)力滿足：,M焊縫承擔(dān)的彎矩,Iw全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩,翼緣焊縫僅承受垂直于焊縫長度方向的彎曲應(yīng)力；,圖3.36工字形梁(或牛腿)的角焊縫連接,.,腹板焊縫即承受垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力又承受平行腹板焊縫長度方向的剪應(yīng)力,b）腹板焊縫：,腹板焊縫A點的強度：,he2腹板焊縫焊腳有效尺寸,he2=0.7hf2,h2腹板焊縫實際長度,圖3.37工字形梁的角焊縫連接,.,第二種方法假設(shè)腹板焊縫只承受剪力，翼緣焊縫承擔(dān)全部彎矩，此時彎矩M可以化為一對水平力H=M/h。則翼緣焊縫的強度計算公式為,腹板焊縫的強度計算公式為,.,截面特性計算,截面積：上、下翼緣及腹板截面積之和,中和軸（形心）位置：按全截面對某軸的面積矩等于各塊板分別對該軸的面積矩之和求得。,慣性矩：各板塊自身慣性矩再加上各板塊面積乘以板塊中心至中和軸距離的平方。,圖3.38截面特性計算,.,各點抵抗矩：慣性矩除以該點至中和軸的距離。,各點面積矩：該點以上（或以下）的截面積對中和軸的面積矩。,如按b點以下面積矩計算，中和軸以上部分取負(fù)值，以下部分取正值,圖3.38截面特性計算,.,圖3.39例3.3圖,例3.3試驗算圖3.42所示牛腿與鋼柱連接角焊縫的強度。鋼材為Q235B，焊條為E43型，手工焊。靜態(tài)荷載設(shè)計值N=365kN，偏心距e=350mm，焊腳尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。圖3.42(b)為焊縫有效截面的示意圖。,.,a)計算翼緣焊縫：,解：,V=N=365kN，M=Ne=3650.35=127.8kNm,（1）考慮腹板焊縫參加傳遞彎矩的計算方法,全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩為：,翼緣焊縫的最大應(yīng)力：,.,b)計算腹板焊縫：,彎矩M引起的最大應(yīng)力：,剪力V在腹板焊縫中產(chǎn)生的平均剪應(yīng)力：,則腹板焊縫的強度（A點為設(shè)計控制點）為：,.,（2）不考慮腹板焊縫傳遞彎矩的計算方法,翼緣焊縫所承受的水平力：,（h值近似取為翼緣中線間距離）,翼緣焊縫的強度：,腹板焊縫的強度：,.,坡口型式：厚度很小，手工焊6mm，埋弧焊10mm時直邊縫；,一般厚度，單邊V形或V形坡口；,厚度較大，20mm，U形、K形或X形坡口。,3.4對接焊縫的構(gòu)造與計算,3.4.1對接焊縫的構(gòu)造,1、坡口形式,圖3.40對接焊縫的坡口形式,(a)直邊縫；(b)單邊V形坡口；(c)V形坡口；(d)U形坡口；(e)K形坡口；(f)X形坡口,.,拼接處，當(dāng)焊件的寬度或厚度相差4mm以上時，從一側(cè)或兩側(cè)做坡度不大于1：2.5（承受動力荷載且需要進(jìn)行疲勞計算的結(jié)構(gòu)不大于1：4）的斜角，平緩過渡。,靜力荷載作用時允許不設(shè)。當(dāng)不設(shè)引弧板時，每條焊縫計算長度等于實際長度減2t（t為較薄焊件厚度）。,起落弧處,宜加引弧板(引出板)。,2、截面的改變,3、引弧板,圖3.41鋼板拼接,圖3.42用引弧板和引出板焊接,(a)改變寬度；(b)改變厚度,.,焊縫強度與鋼材強度比較：-質(zhì)量檢驗為一、二級時,焊縫強度與鋼材強度相等；-質(zhì)量檢驗為三級時,抗壓強度、抗剪強度與鋼材強度相等，抗拉強度等于0.85%的母材強度。受拉連接,三級檢驗時,進(jìn)行焊縫強度驗算。,對接焊縫的計算公式與構(gòu)件強度公式相同。焊縫可視為構(gòu)件的組成部分；焊縫中應(yīng)力分布基本同構(gòu)件。,3.4.2對接焊縫的計算,1、焊透的對接焊縫的計算,.,(1)軸心受力對接焊縫,時,強度可不進(jìn)行驗算。,N軸心拉力或壓力；lw焊縫的計算長度，未采用引弧板,實際長度減2t。t對接連接中,連接件較小厚度；T形連接中,腹板厚度。,注：當(dāng),圖3.43對接焊縫受軸心力,.,(2)承受彎矩和剪力共同作用的對接焊縫,圖3.44對接焊縫受彎矩和剪力聯(lián)合作用,(a)鋼板對接接頭；(b)工字形截面梁的對接接頭,.,Ww-焊縫截面模量,Sw-焊縫截面面積矩,Iw-焊縫截面慣性矩,-焊縫抗剪強度設(shè)計值,t,lw,M,V,a)矩形截面截面正應(yīng)力,截面剪應(yīng)力,圖3.45對接焊縫矩形截面,.,在腹板與翼緣交接處，驗算折算應(yīng)力,t1,Sw1-翼緣對中和軸的面積矩,b,b)工字形截面最大正應(yīng)力:,最大剪應(yīng)力:,h0為腹板高度,圖3.46工字形截面,.,例3.4計算工字形截面牛腿與鋼柱連接的對接焊縫強度(圖3.50)。F=550kN(設(shè)計值)，偏心距e=300mm。鋼材為Q235B，焊條為E43型，手工焊。焊縫為三級檢驗標(biāo)準(zhǔn)，上、下翼緣加引弧板和引出板施焊。,圖3.47例3.4圖,.,a）最大正應(yīng)力,解：,截面幾何特征值和內(nèi)力:,.,c）“1”點的折算應(yīng)力,b）最大剪應(yīng)力,.,3.5焊接應(yīng)力和焊接變形,3.5.1焊接應(yīng)力的分類和產(chǎn)生的原因,1、縱向焊接應(yīng)力沿焊縫長度方向,圖3.48施焊時焊縫及附近的溫度場和焊接殘余應(yīng)力,(a)、(b)施焊時焊縫及附近的溫度場(c)鋼板上縱向焊接應(yīng)力,.,2、橫向焊接應(yīng)力垂直于焊縫長度方向,3、厚度方向的焊接應(yīng)力,圖3.49焊縫的橫向焊接應(yīng)力,圖3.50厚板中的焊接殘余應(yīng)力,.,3.5.2焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響,1、對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響沒有影響2、對結(jié)構(gòu)剛度的影響會降低結(jié)構(gòu)的剛度3、對低溫工作的影響會增加鋼材在低溫下的脆斷傾向4、對疲勞強度的影響有明顯的不利影響,.,3.5.3焊接變形,焊接變形是焊接構(gòu)件經(jīng)局部加熱冷卻后產(chǎn)生的不可回復(fù)變形，包括縱向收縮、橫收縮、角變形、彎曲變形或扭曲變形等，通常是幾種變形的組合。,3.5.4減小焊接應(yīng)力和焊接變形的措施,1、設(shè)計上的措施（1）焊接位置的安排要合理；（2）焊縫尺寸要適當(dāng)；（3）焊縫的數(shù)量宜少，且不宜過分集中；（4）應(yīng)盡量避免兩條或三條焊縫垂直交叉；（5）盡量避免在母材厚度方向的收縮應(yīng)力。,.,圖3.51減小焊接應(yīng)力和焊接變形影響的設(shè)計措施,(a)、(c)、(e)、(g)、(i)推薦；(b)、(d)、(f)、(h)、(j)不推薦,.,2、工藝上的措施（1）采用合理的施焊次序；（2）采用反變形；（3）對于小尺寸焊件，焊前預(yù)熱，或焊后回火加熱600左右，然后緩慢冷卻，可以部分消除焊接應(yīng)力和焊接變形。也可采用剛性固定法將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形，但增加了焊接殘余應(yīng)力。,圖3.52合理的施焊次序,(a)分段退焊；(b)沿厚度分層焊；(c)對角跳焊；(d)鋼板分塊拼接,圖3.53焊接前反變形,.,規(guī)格：形式為大六角頭型，其代號用字母M與公稱直徑表示。常用M16、M20、M24。螺栓的排列：并列、錯列。,螺栓的排列要滿足以下三個方面的要求：,（1）受力要求：端距過小，端部撕裂；受壓，順內(nèi)力方向，中距過大，鼓曲。（2）構(gòu)造要求：螺栓間距不能太大，避免壓不緊潮氣進(jìn)入導(dǎo)致腐蝕。（3）施工要求：螺栓間距不能太近，滿足凈空要求，便于安裝。,3.6螺栓連接的構(gòu)造,3.6.1螺栓的排列,.,規(guī)范制定出螺栓排列最大、最小容許距離（書中表3-4）,在型鋼上排列的螺栓還應(yīng)符合各自線距和最大孔徑的要求（書中表3-53-7）。,圖3.54鋼板的螺栓(鉚釘)排列,(a)并列；(b)錯列,.,圖3.55型鋼的螺栓(鉚釘)排列,.,1、每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭的一端，永久性螺栓數(shù)不宜少于兩個；2、直接承受動力荷載的普通螺栓受拉連接應(yīng)采用雙螺帽或其他防止螺帽松動的有效措施；3、由于C級螺栓與孔壁有較大間隙，只宜用于沿其桿軸方向受拉的連接。承受靜力荷載結(jié)構(gòu)的次要連接、可拆卸結(jié)構(gòu)的連接和臨時固定構(gòu)件用的安裝連接中，也可用C級螺栓受剪。4、當(dāng)采用高強螺栓連接時，拼接件不能采用型鋼，只能采用鋼板。(型鋼抗彎剛度大，不能保證摩擦面緊密結(jié)合)5、沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板，應(yīng)適當(dāng)增強其剛度，以減少撬力對螺栓抗拉承載力的不利影響。,3.6.2螺栓連接的構(gòu)造要求,.,3.7普通螺栓連接的工作性能和計算,圖3.56普通螺栓連接,.,抗剪連接板件之間有相互錯動的趨勢抗拉連接板件之間有相互脫開的趨勢,圖3.57抗剪連接與抗拉連接,.,普通螺栓按加工精度可分為：,1.粗制螺栓（C級）,優(yōu)點：安裝簡單，便于拆裝；缺點：螺桿與鋼板孔壁不夠緊密，傳遞剪力時，連接變形較大。宜用于承受拉力的連接中，或用于次要結(jié)構(gòu)和可拆卸結(jié)構(gòu)的受剪連接及安裝時的臨時固定。,2.精制螺栓（A、B級）,優(yōu)點：受力性能好；缺點：安裝費時費工，且費用較高。目前建筑結(jié)構(gòu)中已較少使用。,.,3.7.1普通螺栓的抗剪連接（受剪螺栓連接）,1、抗剪連接的工作性能,N,圖3.58單個螺栓抗剪試驗結(jié)果,高強度螺栓,普通螺栓,.,從加載至破壞經(jīng)歷以下四個階段：（1）彈性階段（01段）加載初，荷載小，連接中剪力小，荷載靠構(gòu)件間接觸面的摩擦力傳遞，栓桿與孔壁之間的間隙保持不變。（2）滑移階段（12段）剪力達(dá)到摩擦力最大值，板件間產(chǎn)生相對滑移，直至栓桿與孔壁接觸。（3）栓桿直接傳力的彈性階段外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受擠壓傳遞，曲線上升，3點，螺栓或連接板達(dá)到彈性極限。（4）彈塑性階段在此階段即使荷載增量很小，連接的剪切變形迅速加大，直至連接破壞。4點-極限荷載。,.,受剪螺栓的破壞形式,1）栓桿被剪斷2）鋼板被擠壓破壞（螺栓承壓破壞）3）鋼板被拉斷4）鋼板被剪壞,圖3.59抗剪螺栓連接的破壞形式,.,針對以上破壞形式，應(yīng)采取以下措施:,1）通過計算保證螺栓抗剪2）通過計算保證螺栓抗擠壓3）通過計算保證板件有足夠的拉壓強度4）螺栓端距2d0避免鋼板被拉豁,.,抗剪承載力設(shè)計值,nv-受剪面數(shù)目,單剪nv=1.0,雙剪nv=2.0,四剪nv=4.0。,d-螺栓桿直徑。,N,N,2、單個普通螺栓抗剪連接的承載力,N/2,N,N/2,圖3.60抗剪螺栓連接,.,單個螺栓承載力設(shè)計值,承壓承載力設(shè)計值,t-同一受力方向承壓板較小總厚度。,N/2,N/2,N,圖3.61螺栓承壓,.,單個螺栓所受的力N1,時，對承載力進(jìn)行修正：,所需螺栓數(shù)n:,3、普通螺栓群抗剪連接,普通螺栓群軸心受剪,圖3.62長接頭螺栓的內(nèi)力分布,.,普通螺栓群軸心受剪的計算流程,.,例3.5設(shè)計兩塊鋼板用普通螺栓的蓋板拼接(圖3.60)。已知軸心拉力的設(shè)計值N=325kN，鋼材為Q235A，螺栓直徑d=20mm（粗制螺栓）。,圖3.63例3.5圖,.,受剪承載力設(shè)計值,承壓承載力設(shè)計值,一側(cè)所需螺栓數(shù)n:,取8個。,解：,.,假定：板件絕對剛性；螺栓彈性；扭矩作用下螺栓受力與螺栓到旋轉(zhuǎn)中心距離成正比。,V=F(剪力)T=Fe(扭矩),滿足:,普通螺栓群偏心受剪,圖3.64螺栓群偏心受剪,.,a)計算T作用下單個螺栓受力(N1=?),圖3.64螺栓群偏心受剪(c),.,圖3.64螺栓群偏心受剪(c),圖3.61(c)螺栓1所承受的力為：,.,圖3.64螺栓群偏心受剪(c),受力最大的螺栓1所承受的力為：,其分力為：,.,c)螺栓群偏心受剪:,b)剪力V作用下：,圖3.64螺栓群偏心受剪(b),圖3.64螺栓群偏心受剪(d),螺栓群偏心受剪時,受力最大的螺栓1所受的合力為:,.,圖3.64螺栓群偏心受剪(e),圖3.64螺栓群偏心受剪(b),(1)當(dāng)x3y時,yi=0,(2)當(dāng)y3x時,xi=0,.,普通螺栓群偏心受剪的計算流程,.,例3.6設(shè)計圖3.62所示的普通螺栓拼接。柱翼緣厚度為10mm,連接板厚度為8mm,鋼材為Q235B,荷載設(shè)計值為F=150kN,偏心距為e=250mm,粗制螺栓M22。,圖3.65例3.6圖,解：,將力向形心簡化,.,扭矩作用下1號螺栓受力,剪力作用下1號螺栓受力,.,1號螺栓受力,承載力驗算,.,工作性能:,連接角鋼剛度大時,連接角鋼剛度小時,設(shè)計時不計算撬力，降低螺栓的強度。,3.7.2普通螺栓的抗拉連接,圖3.66受拉螺栓的撬力,圖3.67T形連接中螺栓受拉,取,(a),(b),.,de螺栓的有效直徑；,螺栓抗拉強度設(shè)計值;,有效直徑,凈直徑,平均直徑,最大直徑,Ae螺栓的有效面積。,1、單個普通螺栓的抗拉連接,圖3.68螺栓桿直徑,.,n螺栓數(shù)目。,2、普通螺栓群軸心受拉,(a),(b),圖3.69螺栓群承受軸心拉力,.,假設(shè)：螺栓受力與到旋轉(zhuǎn)中心距離成正比,3、普通螺栓群彎矩受拉,(a),(b),(c),(d),圖3.70普通螺栓彎矩受拉,.,圖3.70普通螺栓彎矩受拉(e),.,例3.7牛腿用C級普通螺栓以及承托與柱連接，如圖3.68，承受豎向荷載（設(shè)計值）F=200kN，偏心距為e=200mm。試設(shè)計其螺栓連接。已知構(gòu)件和螺栓均用Q235鋼材，螺栓為M20，孔徑21.5mm。,圖3.71例3.7圖,.,承托傳遞全部剪力V,彎矩由螺栓連接傳遞,查表,M20（Ae=245mm2）,單個螺栓最大拉力,解：,單個螺栓的抗拉承載力設(shè)計值,滿足要求.,.,大小偏心判別,4、普通螺栓群偏心受拉,根據(jù)偏心距的大小可能出現(xiàn)小偏心受拉和大偏心受拉.,圖3.72螺栓群偏心受拉,.,、小偏心受拉,、大偏心受拉,.,例3.8設(shè)圖3.70為一剛接屋架支座節(jié)點，豎向力由承托承受。螺栓為C級，只承受偏心拉力。設(shè)N=250kN，e=100mm。螺栓布置如圖3.70(a)所示。,圖3.73例3.8、例3.9圖,.,螺栓有效截面的核心距：,即偏心力作用在核心距以內(nèi)，屬小偏心受拉圖3.70(c).,解：,需要的有效面積：,采用M20螺栓:,.,例3.9同例3.8題，但取e200mm。,由于e200mm117mm，應(yīng)按大偏心受拉計算螺栓的最大拉力。假設(shè)螺栓直徑為M22(Ae=303mm2),并假定中和軸在上面第一排螺栓處，則以下螺栓均為受拉螺栓圖3.70(d).,需要的螺栓有效面積：,解,.,承壓承載力,3.7.3普通螺栓受剪力和拉力的聯(lián)合作用,圖3.74螺栓群受剪力和拉力聯(lián)合作用,.,例3.10設(shè)圖3.72為短橫梁與柱翼緣的連接，剪力V=250kN，e=120mm，螺栓為C級，梁端豎板下有承托。鋼材為Q235B，手工焊，焊條E43型，試按考慮承托傳遞全部剪力V以及不承受剪力V兩種情況設(shè)計此連接。,圖3.75例3.109圖,.,1、承托傳遞全部剪力V,螺栓群受彎矩作用,設(shè)螺栓為M20（Ae=245mm2），n=8,（1）單個螺栓抗拉承載力,（2）單個螺栓最大拉力,（3）承托焊縫驗算hf=10mm,解：,.,（2）一個螺栓受力,（1）一個螺栓承載力,2、不考慮承托傳遞剪力V,（3）剪力和拉力聯(lián)合作用下,.,摩擦型：只靠摩擦阻力傳力,以剪力達(dá)到接觸面的摩擦力作為承載力極限狀態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則（01）,承壓型：以作用剪力達(dá)到栓桿抗剪或孔壁承壓破壞為承載力極限狀態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則（04）,3.8高強度螺栓連接的工作性能和計算,圖3.76單個螺栓抗剪試驗結(jié)果,高強度螺栓,普通螺栓,3.8.1高強度螺栓連接的工作性能,N,.,高強螺栓:分大六角頭型和扭剪型兩種。,P,1、高強度螺栓的預(yù)拉力,圖3.77高強度螺栓,(a)大六角頭型；(b)扭剪型,.,扭矩法使用一種能直接顯示所施加扭矩大小的定扭扳手，上緊螺栓分初擰和終擰兩個階段，初擰扭矩不得小于終擰扭矩的30。終擰扭矩由試驗測定。轉(zhuǎn)角法初擰后,用電動或風(fēng)動扳手?jǐn)Q螺母1/32/3圈,終擰角度與板疊厚度和螺栓直徑等有關(guān),可測定。扭斷螺栓尾部法適用扭剪型高強度螺栓。用特制電動扳手的兩個套筒分別套住螺母和螺栓尾部（正、反轉(zhuǎn)），由于螺栓尾部槽口深度是按終擰扭矩和預(yù)拉力之間的關(guān)系確定，故所得預(yù)拉力值能得到保證。,（1）預(yù)拉力的控制方法,.,Ae有效截面面積；fu-螺栓材料經(jīng)熱處理后的抗拉強度。,0.9、0.9、0.9材料不均勻性、彌補預(yù)拉力損失的超張拉、采用fu作標(biāo)準(zhǔn)值等。1.2擰緊螺栓時產(chǎn)生的扭矩將降低栓桿的承載力。,（2）預(yù)拉力的確定,表3.4一個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力值（kN）,.,摩擦面的粗糙程度有關(guān)，即與構(gòu)件接觸面的處理方法和鋼號有關(guān)。,抗滑移系數(shù)值有隨被連接構(gòu)件接觸面的壓緊力減小而降低的現(xiàn)象。,表3.5摩擦面的抗滑移系數(shù)值,2、高強度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù),.,（1）高強度螺栓摩擦型連接,單個螺栓承載力,式中0.9抗力分項系數(shù)的倒數(shù)，,nf傳力摩擦面數(shù)目：單剪nf=1,雙剪nf=2.,P一個高強度螺栓的設(shè)計預(yù)拉力，按表3.