鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計

1、3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法 在傳力過程中，連接部位應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。被連接件間應(yīng)保持正確的位置，以滿足傳力和使用要求。 鋼結(jié)構(gòu)的連接通常有焊接，鉚接和螺栓連接三種方式（圖3-1）。 3.2 焊接連接的特性 鋼結(jié)構(gòu)常用的焊接方法有電弧焊，電渣焊、氣體保護(hù)焊和電阻焊等。 焊縫連接形式按構(gòu)件的可分為平接、搭接、T形連接和角接四種。（圖3-2） 焊縫形式主要有對接焊縫和角焊縫。其中對接焊縫按受力方向可分為對接正焊縫和對接斜焊縫；角焊縫長度方向垂直于力作用方向的稱正面角焊縫，平行于力作用方向的稱側(cè)面角焊縫。 焊縫缺陷和焊縫等級 焊縫中可能存在裂紋、氣孔、燒穿、夾渣、未焊透、咬邊、焊瘤等缺陷。（圖3-3） 鋼

2、結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB50205）規(guī)定，焊縫依其質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)分為三級，其中三級焊縫只要求通過外觀檢查，即檢查焊縫實(shí)際尺寸是否符合設(shè)計要求和有無看得見的裂紋，咬。對于重要結(jié)構(gòu)或要求焊縫金屬強(qiáng)度等于被焊金屬強(qiáng)度的對接焊縫，必須進(jìn)行一級或二級質(zhì)量檢驗(yàn)，即在外觀檢查的基礎(chǔ)上再做無損檢驗(yàn)。其中二級要求用超聲波檢驗(yàn)每條焊縫的20長度，且不小于200mm；一級要求用超聲波檢驗(yàn)每條焊縫全部長度，以便揭示焊縫內(nèi)部缺陷。 焊縫代號 焊縫符號主要由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成。 （表3-1a） （表3-1b）3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計13.3 對接焊縫的構(gòu)造和計算 對接焊縫按坡口形式分

3、為I形縫、V形縫、帶鈍邊單邊V形縫、帶鈍邊V形縫（也叫Y形縫）、帶鈍邊U形縫、帶鈍邊雙單邊V形縫和雙Y形縫等。（圖3-4） 對基焊縫計算 對接焊縫的應(yīng)力分布情況基本上與焊件相同?？捎糜嬎愫讣姆椒ㄓ嬎銓雍缚p。對于重要的構(gòu)件，按一、二級標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量，焊縫和構(gòu)件等強(qiáng)，不必另行計算，只有對三級焊縫，才需要計算。 （1）軸心受力的對接焊縫 N（lwt）fwt或fwc (3-1)式中 N 軸心拉力或壓力的設(shè)計值； lw 焊縫計算長度，當(dāng)采用引弧板施焊時，取焊縫實(shí)際長度；當(dāng)無法采用引弧板時，每條 焊縫取實(shí)際長度減去2t； t 在對接接頭中為連接件的較小厚度，不考慮焊縫的余高；在T形接頭中為腹板厚度;

4、 ftw， fcw對接焊縫的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計值?？箟汉缚p和質(zhì)量等級為一、二級的抗拉焊縫與母材等強(qiáng)，三級抗拉焊縫強(qiáng)度為母材的85% 。 （2）受彎、受剪的對接焊縫計算 MWw fwt (3-2) VS（Iwt ） fwV (3-3) (3-4)3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計23.4 角焊縫的構(gòu)造和計算 (1) 角焊縫的截面 角焊縫兩邊夾角一般為900（直角角焊縫），夾角大于1350或小于600的斜角交焊縫，除鋼管結(jié)構(gòu)外，一般不宜用作受力焊縫。 （圖3-5） 角焊縫的有效截面為平分角焊縫夾角的截面，破壞往往從這個截面發(fā)生。有效截面的高度（不考慮焊縫余高）稱為角焊縫的有效厚度he ，當(dāng) 90o 時， he

5、0.7 hf ；當(dāng) 90o 時， he hf cos( /2)。 (2) 角焊縫的尺寸限制 焊腳尺寸 hf 應(yīng)與焊件的厚度相適應(yīng)，不宜過大或過小。 對手工焊，hf應(yīng)不小于 ，t為較厚焊件的厚度（mm），對自動焊，可減小1mm； hf應(yīng)不大于較薄焊件厚度的1.2倍。 對于板件邊緣的焊縫，當(dāng)t 6mm時， hf t ；當(dāng)t 6mm時， hf t (12)mm。 （圖3-6） 焊縫長度 lw也不應(yīng)太長或太短，其計算長度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf 。 (3) 角焊縫計算的基本公式 (3-5)式中 f 正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計值增大系數(shù)， ；但對直接承受動力荷載 結(jié)構(gòu)中的角焊縫，由于正面

6、角焊縫的剛度大，韌性差，應(yīng)取f 1.0； x 、y 按角焊縫有效截面計算，垂直于焊縫長度方向的正應(yīng)力； z 按角焊縫有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力。 3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計3 (4) 常用連接方式的角焊縫計算 受軸心力作用時（圖3-7） 焊縫長度與受力方向垂直（正面角焊縫）： (3-6) 焊縫長度與受力方向平行（側(cè)面角焊縫） ： (3-7)式中 lw為連接一側(cè)所有焊縫的計算長度之和，每條焊縫按實(shí)際長度減去2hf。 三面圍焊時，先按式（36）計算計算正面角焊縫受力N1，再由N N1按式（37）計算。 彎矩單獨(dú)作用時（圖3-8） (3-8)式中 Ww角焊縫有效截面的截面模量。 扭矩單獨(dú)作用時（

7、圖3-9） (3-9)式中 J 角焊縫有效截面的極慣性矩，J=IxIy ； rAA點(diǎn)至形心o點(diǎn)的距離。 3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計4 將 A分解到x和y方向，有 彎矩、扭矩、軸心力共同作用時，分別計算受力最不利點(diǎn)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，按下式計算： (3-10) 3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計53 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計63 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計3.5 螺栓連接的排列和構(gòu)造要求螺栓在構(gòu)件上的排列可以是并列或錯列（圖3-11），排列時應(yīng)考慮下列要求:1受力要求：對于受拉構(gòu)件，螺栓的栓距和線距不應(yīng)過小，否則對鋼板截面削弱太多，構(gòu)件有可能沿直線或折線發(fā)生凈截面破壞。對于受壓構(gòu)件，沿作用力方向螺栓間距不應(yīng)過大，否則被連接的板件間容易

8、發(fā)生凸曲現(xiàn)象。因此，從受力角度應(yīng)規(guī)定螺栓的最大和最小容許間距。2構(gòu)造要求：若栓距和線距過大，則構(gòu)件接觸面不夠緊密，潮氣易于侵入縫隙而產(chǎn)生腐蝕，所以，構(gòu)造上要規(guī)定螺栓的最大容許間距。3施工要求：為便于轉(zhuǎn)動螺栓扳手，就要保證一定的作業(yè)空間。所以，施工上要規(guī)定螺栓的最小容許間距。圖3-11鋼板上螺栓的排列(a) 并列；(b) 錯列；(c) 容許間距73 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計根據(jù)以上要求，規(guī)范規(guī)定螺栓的最大和最小容許間距見表3-2。注: 1. d0 為螺栓孔徑，t 為外層薄板件厚度。 2. 鋼板邊緣與剛性構(gòu)件(如角鋼、槽鋼) 相連的螺栓最大間距，可按中間排數(shù)值采用。 表3-2螺栓的最大和最小容許間距83

9、鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計3.6 普通螺栓連接的性能和計算1. 普通螺栓連接的性能 普通螺栓連接按螺栓傳力方式，可分為抗剪螺栓連接和抗拉螺栓連接。 抗剪螺栓連接有五種破壞形式，見圖3-12。93 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計103 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計抗拉螺栓連接 113 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計2. 螺栓群計算當(dāng)螺栓連接處于彈性階段時，螺栓群中各螺栓受力并不相等，兩端大而中間小(圖3-15a)；當(dāng)螺栓群連接長度l1不太大時，隨著外力增加連接超過彈性變形而進(jìn)入塑性階段后，因內(nèi)力重分布使各螺栓受力趨于均勻(圖3-15b) 。但當(dāng)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)處或拼接縫的一側(cè)螺栓很多，且沿受力方向的連接長度l1過大時，端部的螺栓會因受力過大而首先發(fā)生

10、破壞，隨后依次向內(nèi)逐排破壞（即所謂解鈕扣現(xiàn)象）。因此規(guī)范規(guī)定當(dāng)連接長度l1 大于15d0時，應(yīng)將螺栓的承載力乘以折減系數(shù) =1.1l1/150d0 ，當(dāng)l1 大于60d0時，折減系數(shù)取0.7 。因此，當(dāng)外力通過螺栓群中心時，可認(rèn)為所有的螺栓受力相同。 螺栓群在軸心力作用下的抗剪計算n = N /N bmin (3-15)此時應(yīng)驗(yàn)算板的凈截面強(qiáng)度= N /Anf (3-16)123 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計 螺栓群在扭矩作用下的抗剪計算圖3-18 螺栓群受扭矩作用133 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計 螺栓群在扭矩、剪力、軸心力共同作用下的抗剪計算 分別算出扭矩、剪力、軸心力作用下受力最大螺栓的受力，將其分解到x和y

11、兩個方向，按下式驗(yàn)算： 螺栓群在軸心力作用下的抗拉計算 n = N / N tb (3-19) 螺栓群在彎矩作用下的抗拉計算 螺栓群在彎矩作用下上部螺栓受拉，因而有使連接上部分離的趨勢，使螺栓群形心下移。通常假定中和軸在最下排螺栓處，則螺栓的最大拉力為： 圖3-19 彎矩作用下的抗拉螺栓計算 143 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計 螺栓群同時承受剪力和拉力的計算圖3-20 螺栓群同時承受剪力和拉力此時連接傳遞的力有彎矩M = Ve 和剪力V，Nt按式(3-20)計算。153 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計3.7 高強(qiáng)螺栓連接的性能和計算1. 高強(qiáng)螺栓連接的性能 高強(qiáng)螺栓連接按受力特征分為高強(qiáng)螺栓摩擦型連接、高強(qiáng)螺栓承壓型

12、連接和承受拉力的高強(qiáng)螺栓連接。 高強(qiáng)螺栓連接的預(yù)拉力 高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力設(shè)計值按材料強(qiáng)度和螺栓有效截面積確定，取值時考慮螺栓材料抗力的變異性，引入折減系數(shù)0.9；施加預(yù)應(yīng)力時為補(bǔ)償預(yù)拉力損失超張拉5%10%，引入折減系數(shù)0.9；在扭緊螺栓時，扭矩使螺栓產(chǎn)生的剪力將降低螺栓的抗拉承載力，引入折減系數(shù)1/1.2；鋼材由于以抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)，引入附加安全系數(shù)0.9。故高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力為 163 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計高強(qiáng)度螺栓連接的摩擦面抗滑移系數(shù) 2. 高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力設(shè)計值 高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接173 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計 高強(qiáng)度螺栓承壓型連接 極限承載力由螺栓桿身抗剪和孔壁承壓決定，摩擦力只起延緩滑動作用

13、，計算方法與普通螺栓相同，見式(3-11)和(3-12)。3. 高強(qiáng)螺栓群的抗剪計算 軸心力作用時 螺栓數(shù) 按式(3-15)計算，其中N bmin對摩擦型為式(3-23)，對承壓型用高強(qiáng)度螺栓的抗剪、承壓承載力設(shè)計值。 構(gòu)件凈截面強(qiáng)度 對于承壓型連接，與普通螺栓驗(yàn)算相同；對于摩擦型連接，要考慮摩擦力的作用，一部分剪力由孔前接觸面?zhèn)鬟f(圖3-21)。按規(guī)范規(guī)定，孔前傳力占螺栓傳力的50%，則截面11處凈截面?zhèn)髁橛辛薔以后，凈截面驗(yàn)算按式(3-16)進(jìn)行。 扭矩作用時，及扭矩、剪力、軸心力共同作用時的抗剪高強(qiáng)度螺栓所受剪力的計算，其方法與普通螺栓相同，單個螺栓所受剪力應(yīng)不超過高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計值。圖3-21 摩擦型高強(qiáng)螺栓孔前傳力183 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計4. 高強(qiáng)螺栓群的抗拉計算 抗拉承載力設(shè)計值 高強(qiáng)度螺栓連接由于螺栓中的預(yù)拉力作用，構(gòu)件間在承受外力作用前已經(jīng)有較大的擠壓力，高強(qiáng)度螺栓受到外拉力作用時，首先要抵消這種擠壓力。分析表明，當(dāng)高強(qiáng)度螺栓達(dá)到規(guī)范規(guī)定的承載力0.8P時，螺栓桿的拉力僅增大7%左右，可以認(rèn)為基本不變。規(guī)范規(guī)定一個高強(qiáng)度螺栓抗拉承載力設(shè)計值為 N bt = 0.8 P (3-25) 受軸心拉力作用時，螺栓數(shù)為n = N / N bt = N / (0.8 P) (3-26) 受彎矩作用，當(dāng)板沒有被拉開時，接觸面保持緊密貼合，中和軸可