第五章 軸心受力構(gòu)件

1、第五章 軸心受力構(gòu)件第一節(jié) 概 述第二節(jié) 軸心受拉構(gòu)件第三節(jié) 軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定第四節(jié) 軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定第五節(jié) 實(shí)腹式軸心壓桿的截面設(shè)計(jì)第六節(jié) 格構(gòu)式軸心壓桿的截面設(shè)計(jì)第七節(jié) 軸心受壓柱的柱頭與柱腳第一節(jié) 焊縫連接  一、焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和常用的焊接方法 （一）焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1. 不削弱截面，經(jīng)濟(jì)； 2. 焊件間可直接焊接，構(gòu)造簡便，制造省工，傳力路線短而明確； 3. 連接的密閉性好，剛度大，整體性好； 4. 便于自動化作業(yè)，提高質(zhì)量和效率； 缺點(diǎn)： 1. 位于熱影響區(qū)的材質(zhì)變脆； 2. 產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形 3. 焊接結(jié)構(gòu)對裂紋很敏感 （二）常用的焊接方法焊接方法

2、焊 條 焊 劑 操作方式 適應(yīng)范圍 質(zhì)量狀況 電 弧 焊 手工焊 短焊條 (350400mm) 附于焊條之藥皮 全手動 工位復(fù)雜，形狀復(fù)雜之焊縫 比自動焊略差 自動焊 連續(xù)焊絲 焊劑 全自動 長而簡單的焊縫 質(zhì)量均勻、塑性、韌性好，抗腐蝕性強(qiáng) 半自動焊 連續(xù)焊絲 CO 2 氣體保護(hù) 人工操作前進(jìn) 任意焊縫 質(zhì)量均勻、塑性、韌性好，抗腐蝕性強(qiáng) 電 阻 焊 無 無 通電、加壓、機(jī)械 薄板點(diǎn)焊 一般用作構(gòu)造焊縫 氣 焊 短、光焊條 無（乙炔 還原） 手工 薄板、小型、不同材質(zhì)結(jié)構(gòu)中 一般用作構(gòu)造焊縫 二、焊縫類型及施焊方法 （一）焊縫類型 分為對接焊縫和角焊縫。 （二）施焊方法 根據(jù)焊工與焊縫的相對

3、位置分為俯焊、立焊、橫焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊縫質(zhì)量也最好，仰焊最差。 （三） 對接焊縫按受力與焊縫方向分為：     a）直縫：作用力方向與焊縫方向正交     b）斜縫：作用力方向與焊縫方向斜交 （四） 角焊縫按受力與焊縫方向分為： a）端縫：作用力方向與焊縫長度方向垂直 b）側(cè)縫：作用力方向與焊縫長度方向平行 第二節(jié) 對接焊縫連接  一、 對接焊縫構(gòu)造1.對接焊縫的形式：a ）直邊縫：適合板厚 t 10mm b ）單邊 V 形：適合板厚 t 10 20mm c ）雙邊 V 形：適合板厚 t 10 20m

4、m d ） U 形：適合板厚 t > 20mm e ） K 形：適合板厚 t > 20mm f ） X 形：適合板厚 t > 20mm 2. 對接焊縫的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：用料經(jīng)濟(jì)、傳力均勻、無明顯的應(yīng)力集中，利于承受動力荷載。 缺點(diǎn)：需剖口，焊件長度要精確。 3. 對接焊縫的構(gòu)造處理 （ 1 ）起落弧處易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工復(fù)雜，除承受動力荷載外，一般不用，計(jì)算時將焊縫長度兩端各減去t。 （ 2 ）變厚度板對接，在板的一面或兩面切成坡度不大于1：2.5的斜面，避免應(yīng)力集中。 （ 3 ）變寬度板對接，在板的一側(cè)或兩側(cè)切成坡度不大于1:2.5的斜邊，避免應(yīng)力集中

5、。 4. 對接焊縫的強(qiáng)度 有引弧板的對接焊縫在受壓時與母材等強(qiáng)，但焊縫的抗拉強(qiáng)度與焊縫質(zhì)量等級有關(guān)。 二、對接焊縫連接的計(jì)算 理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接缺陷對受壓對接焊縫的強(qiáng)度無影響，但是，受拉的對接焊縫對焊縫中的缺陷非常敏感，焊縫質(zhì)量不同，其抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度也不相同。 對接焊縫的應(yīng)力分布認(rèn)為與焊件原來的應(yīng)力分布基本相同。計(jì)算時，焊縫中最大應(yīng)力（或折算應(yīng)力）不能超過焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對接焊縫計(jì)算方法與基材的強(qiáng)度計(jì)算方法一致。 一、二級焊縫質(zhì)量 ：焊縫的抗拉強(qiáng)度等于基材的抗拉強(qiáng)度，適用于直接承受動力荷載和對焊縫質(zhì)量要求高的結(jié)構(gòu)中； 三級焊縫質(zhì)量 ：焊縫的抗拉強(qiáng)度等于基材的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 0.85

6、倍。 第三節(jié) 角焊縫連接  一、角焊縫的形式和構(gòu)造 1 、截面形式   （ 1 ）直角焊縫 （ a ）普通焊縫 （ b ）平坡焊縫 （ c ）深熔焊縫   一般采用（ a ）。但（ a ）應(yīng)力集中較嚴(yán)重，在承受動力荷載時采用（ b ）、（ c ）。   （ 2 ）斜角角焊縫 （ d ）斜銳角焊縫 （ e ）斜鈍角焊縫 （ f ）斜凹面角焊縫 主要用于鋼管連接中。2 、構(gòu)造要求部位 項(xiàng)目 構(gòu) 造 要 求 備 注 焊腳尺寸 hf 上限 ；對板邊： t1為較薄焊件厚 下限 ；當(dāng) t2為較厚焊件厚對自動焊可減1mm；對單面T型焊應(yīng)加1mm 焊縫長度 lw 上限

7、（受動力荷載）； （其他情況）； 內(nèi)力沿側(cè)縫全長均勻分布者不限 下限 8 hf或 40mm，取兩者最大值   端部僅有兩側(cè)面角焊縫連接 長度 lw   距離 l0   t為較薄焊件厚 端部 轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)角處加焊一段長度 2hf （兩面?zhèn)瓤p時）或用三面圍焊 轉(zhuǎn)角處焊縫須連續(xù)施焊 搭接連接 搭接最小長度 5 t1或 25mm，取兩者最大值 t1 為較薄焊件厚度  其它構(gòu)造要求： (1)   承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，垂直于受力方向的焊縫不宜采用不焊透的對接焊縫。 (2)   在直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，角焊縫表面應(yīng)做成直線形或凹形，焊腳尺寸的比例

8、：對正面角焊縫宜為 1:1.5, 長邊順內(nèi)力方向；對側(cè)面角焊縫可為 1:1 。 (3) 在次要構(gòu)件或次要焊接連接中，可采用斷續(xù)角焊縫。斷續(xù)角焊縫之間的凈距，不應(yīng)大于 15 t （對受壓構(gòu)件）或 30 t （對受拉構(gòu)件）， t 為較薄焊件的厚度。 3 、端焊縫和側(cè)焊縫   （ 1 ）端縫：焊縫垂直于受力方向，其特點(diǎn)為受力后應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，焊縫根部形成高峰應(yīng)力，易于開裂。端縫破壞強(qiáng)度要高一些，但塑性差。 （ 2 ）側(cè)縫：焊縫長度方向與受力方向平行，其特點(diǎn)為應(yīng)力分布簡單些，但分布并不均勻，剪應(yīng)力兩端大，中間小。側(cè)縫強(qiáng)度低，但塑性較好。 4 、有效厚度 兩焊腳邊的夾角，焊腳尺寸

9、 第四節(jié) 焊縫殘余應(yīng)力和焊縫殘余變形  焊接變形：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)在焊接過程中，局部區(qū)域受到很強(qiáng)的高溫作用，在此不均勻的加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的變形稱為焊接變形。 焊接應(yīng)力：焊接后冷卻時，焊縫與焊縫附近的鋼材不能自由收縮，由此約束而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力。 一、焊縫殘余應(yīng)力 （1）形成 兩塊鋼板上施焊時，產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫附近溫度高達(dá) 1600 ° C，其鄰近區(qū)域溫度較低，且冷卻很快。冷卻時鋼材收縮，冷卻慢的區(qū)域收縮受到限制，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，冷卻快的區(qū)域受到壓應(yīng)力。 （2）焊接應(yīng)力的分類 縱向應(yīng)力：沿著焊縫長度方向的應(yīng)力， 焊接高溫焊縫周圍產(chǎn)生塑性壓縮，冷卻時收縮受到限

10、制，焊縫附近區(qū)受拉，焊縫區(qū)以外受壓， 橫向應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力， 縱向收縮產(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； 厚度方向應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力， 表面先冷卻限制內(nèi)部收縮，內(nèi)部受拉，表面受壓 （3）焊接應(yīng)力的影響 對常溫下承受靜力荷載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度沒有影響，但剛度降低； 由于焊接應(yīng)力使焊縫處于三向應(yīng)力狀態(tài)，阻礙了塑性變形，裂紋易發(fā)生和發(fā)展； 降低疲勞強(qiáng)度； 降低壓桿的穩(wěn)定性； 使構(gòu)件提前進(jìn)入彈塑性工作階段。 二、焊縫殘余變形 焊接變形是由于焊接過程中焊區(qū)的收縮變形引起的，表現(xiàn)在構(gòu)件局部的鼓起、歪曲、彎曲或扭

11、曲等。 表現(xiàn)主要有：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形、扭曲變形等 三、減少焊接應(yīng)力和焊接變形的方法 合理的焊縫設(shè)計(jì) (1)避免焊縫集中、三向交叉焊縫(2)焊縫尺寸不宜太大(3)焊縫盡可能對稱布置，連接過渡平滑，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象(4)避免仰焊(5) 焊縫均勻?qū)ΨQ (6) 采用合理的焊接次序：跳焊、間斷焊 (7) 焊后校直 (8) 焊前預(yù)熱、焊后熱處理 (9) 鋼板不易過薄 t>4mm (10)施焊前使結(jié)構(gòu)有一個和焊接變形相反的預(yù)變形第五節(jié) 螺栓和鉚釘連接的構(gòu)造 一、概 述栓釘連接分為鉚釘連接、普通螺栓連接和高強(qiáng)螺栓連接1. 鉚釘連接分為熱鉚和冷鉚兩種鉚合方法2. 螺

12、栓連接分類 ：普通螺栓、摩擦型高強(qiáng)螺栓和承壓型高強(qiáng)螺栓 類別 加工精度 抗剪 性能 成本 使用范圍 精制 (A 、 B) 級 高，栓徑與孔徑之差為 0.5 0.8mm ， I 類孔 高 高 1 ）構(gòu)件精度很高的結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)； 2 ）連接點(diǎn)僅用一個螺栓或有模具套鉆的多個螺栓連接的可調(diào)節(jié)桿件（柔性桿） 粗制 (C 級 ) 較低，栓徑與孔徑之差為 1 1.5mm 較低 低 1 ）抗拉連接；   2 ）靜力荷載下抗剪連接； 3 ）加防松措施后受風(fēng)振作用抗剪； 4 ）可拆卸連接； 5 ）安裝螺栓； 6 ）與抗剪支托配合抗拉剪聯(lián)合作用 注： A 級用于 M24 以下， B 級用于 M24 以上

13、。 二、栓釘?shù)呐帕泻蜆?gòu)造要求1.排列螺接在構(gòu)件上的排列應(yīng)簡單、統(tǒng)一、整齊而緊湊，通常分為并列和錯列兩種形式。并列比較簡單整齊，所用連接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，對構(gòu)件截面的削弱較大。錯列可以減小螺栓孔對截面的削弱，但螺栓孔錯列排列不如并列緊湊，連接板尺寸較大。 螺栓在構(gòu)件上的排列應(yīng)考慮以下要求： (1) 受力要求 在垂直于受力方向：對于受拉構(gòu)件，各排螺栓的中距及邊距不能過小，以免使蛻栓周圍應(yīng)力集中相互影響且使鋼板的截面削弱過多，降低其承載能力。在順力作用方向：端距應(yīng)按被連接件材料的抗擠壓及抗剪切 等強(qiáng)度條件確定，以便鋼板在端部不致被螺栓撕裂，規(guī)范規(guī)定端距不應(yīng)小于 2do ；受壓構(gòu)件上的中距

14、不宜過 大，否則在被連接板件間容易發(fā)生鼓曲現(xiàn)象。 (2) 構(gòu)造要求 螺栓的中距及邊距不宜過大，否則鋼板間不能緊密貼合，潮氣侵入縫隙使鋼材銹蝕。(3) 施工要求 要保證有一定空間，便于用扳手?jǐn)Q緊螺帽。根據(jù)扳手尺寸和工人的施工經(jīng)驗(yàn)。2.構(gòu)造螺栓連接除了滿足上述螺栓排列的容許距離外，根據(jù)不同情況尚應(yīng)滿足下列構(gòu)造要求： (1) 為了使連接可靠，每一扦件在節(jié)點(diǎn)上以及拼接接頭的一端，永久性螺拴數(shù)不宜少于兩個。但根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于組合構(gòu)件的線條，其端部連接可采用一個螺栓。 (2) 對直接承受動力荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽或其他防止螺帽松動的有效措施。例如采用彈簧墊困，或?qū)⒙菝焙吐輻U焊死等方法。 (3)

15、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。但在重要的連接中，例如：制動梁或吊車梁上冀綠與校的連接，由于傳遞制動粱的水平支承反力，同時受到反復(fù)動力荷載作用，不得采用c 級螺栓。校間文撐與柱的連接，以及在柱間文撐處吊車梁下翼綠的連接，承受著反復(fù)的水平制動力和卡軌力，應(yīng)優(yōu)先采用高強(qiáng)度螺栓。 (4) 當(dāng)型鋼構(gòu)件的拼接采用高強(qiáng)度螺拴 第六節(jié) 螺栓和鉚釘連接的工作性能 普通螺栓連接按受力情況可分為三類：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力的共同作用。下面將分別論述這

16、三類連接的工作性能和計(jì)算方法。 一、剪力螺栓連接1.抗剪連接的工作性能 抗剪連接的受力情況剪力螺栓受力后，當(dāng)外力不大時，由構(gòu)件間的摩擦力來傳遞外力。當(dāng)外力增大超過極限摩擦力后，構(gòu)件間相對滑移，螺桿開始接觸構(gòu)件的孔壁而受剪，孔壁則受壓。 當(dāng)連接處于彈性階段，螺栓群中的各螺栓受力不等，兩端大，中間?。划?dāng)外力繼續(xù)增大，達(dá)到塑性階段時，各螺栓承擔(dān)的荷載逐漸接近，最后趨于相等直到破壞。 抗剪連接的破壞情況如果以抗剪連接試件作抗剪試驗(yàn)，則可得出該試件的破壞過程可以分為四個階段(1) 摩擦傳力的彈性階段 在施加荷載之初，荷載較小，連接中的剪力也較小，荷載靠構(gòu)件間接觸面的摩擦力傳遞，螺拴桿與孔壁之間的間隙保持

17、不變，連接工作處于彈性階段。但由于板件間摩探力的大小取決于擰緊螺帽時在螺桿中的初始拉力，一般說來，普通螺栓的初拉力很小，故此階段很短，可賂去不計(jì)。 (2) 滑移階段 當(dāng)荷載增大連接中的剪力達(dá)到構(gòu)件間剪力的最大值，板件間突然產(chǎn)生相對滑移，其最大滑移且為螺栓桿與孔壁之間的間隙，直至螺栓桿與孔壁接觸。 (3) 栓扦直接傳力的彈性階段 如荷載再增加，連接所承受的外力就主要是靠螺拴桿與孔壁接觸傳送。螺栓桿除主要受剪力外，還有彎矩和軸向拉力，而孔壁則受到擠壓。由于接頭材料的彈性性質(zhì)，也由于騾栓桿的伸長受到螺帽的約束，增大了板件間的壓緊力，使板件間的摩棕力也隨之增大。(4) 彈塑性階段 荷載繼續(xù)增加，在此階

18、段即使給荷載很小的增量，連接的剪切變形也迅速加大，直到連 接的最后破壞。2.抗剪螺栓的破壞形式抗剪螺栓連接達(dá)到極限承載力時，可能的破壞形式有：(1)剪力螺栓 a ）螺栓剪斷 b ）鋼板孔壁擠壓破壞c ）鋼板由于螺孔削弱而凈截面拉斷 d ）鋼板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪壞 e ）螺桿因太長或螺孔大于螺桿直徑而產(chǎn)生彎、剪破壞(2)拉力螺栓 一般表現(xiàn)為拉斷 3、單個剪力螺栓的承載力計(jì)算(1）普通螺栓每個普通螺栓的抗剪承載力 ： 每個普通螺栓的承壓承載力： 式中:        nv受剪面數(shù)     d 螺桿直

19、徑 同一方向承壓構(gòu)件較小總厚度 、 螺栓抗剪、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(2）高強(qiáng)度螺栓1）摩擦型高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值 一個螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值； 傳力摩擦面數(shù)； 摩擦面抗滑移系數(shù)； 每個高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力。 一個承受剪力 的螺栓需滿足： 2）承壓型高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值 承壓型高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值與普通螺栓計(jì)算相同，分螺栓桿抗剪和孔壁承壓兩部分。 二、拉力螺栓連接抗拉承載力： 式中: d e 螺紋處有效直徑 抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值螺栓的有效直徑 由于螺紋是斜方向的，所以螺栓抗拉時采用的直徑，既不是凈直徑,也不是平均直徑，而是有效直徑。連接板剛度對普通受拉螺栓中拉力的影響在受拉的連接接頭中

20、，普通螺栓所受拉力的大小和被連接板件的剛度有關(guān)。假如被連接板件的剛度很大，如圖（ a ）所示的情況。連接的豎板端受拉力 2 N 1 ，因被連接板件無變形，所以一個螺栓所受拉力 P f = N 1 。實(shí)際被連板件的剛度常較小，受拉后和拉力垂直的角鋼水平肢發(fā)生較大的變形，因而在角鋼水平肢的端部因杠桿作用而產(chǎn)生反力 Q ，如圖（ b ）所示。根據(jù)平衡條件 ，即可求得 可見，由于杠桿作用的存在，使抗拉螺栓的負(fù)擔(dān)加重了。 為了簡化計(jì)算，規(guī)范中把普通螺栓的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度定得比較低，以考慮螺栓負(fù)擔(dān)加重這一不利影響。而且，設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)加勁肋等構(gòu)造措施來提高角鋼的剛度，如圖（ c ）（ d ）所示。 高強(qiáng)度螺栓連接受拉時，預(yù)拉力的變化 高強(qiáng)度螺栓受拉的工作情況如圖所示。圖（ a ）所示為已施加預(yù)拉力的高強(qiáng)度螺栓，在承受外拉力作用之前的受力狀態(tài)。此時，螺栓桿受預(yù)拉力 P ，摩擦面上作用著壓力 C 。根據(jù)平衡條件 ，得 C = P 。即摩擦面上的壓力 C 等于預(yù)拉力 P 。 圖（ b ）所示為高強(qiáng)度螺栓承受外拉力 N 0t 時的受力狀態(tài)。假設(shè)螺栓和被連接板件保持彈性性能。螺栓受外拉力 N 0t 后，螺栓桿中的拉力由原來