鋼結構第三版課件第7章.教學提綱

鋼結構第三版課件第7章.優(yōu)缺點：不需在鋼材上打孔，不減損鋼材截面；焊件可以直接相連，不需要輔助零件；連接的密封性好，結構剛度大，整體性好；焊縫附近出現(xiàn)熱影響區(qū)，產(chǎn)生組織變化，材質(zhì)變脆；出現(xiàn)焊接殘余應力和殘余變形；用于低溫地區(qū)時容易出現(xiàn)脆性斷裂，且因整體性而一裂到底。采用焊接結構需要揚長避短。避短的一個例子：采用適當?shù)牟牧虾秃附庸に嚕档痛阌残?，使熱影響區(qū)不致開裂。7.2焊接連接的特性避免焊縫缺陷（保證施工質(zhì)量）焊縫可能出現(xiàn)的缺陷：裂紋、氣孔、燒穿、未焊透和咬邊等。缺陷造成截面削弱和應力集中，對結構安全承載很不利。尤其是承受多次重復荷載的結構和處在容易脆斷的環(huán)境的結構。避免缺陷的方法：必須由合格的焊工進行操作；加強檢驗（按照有關規(guī)范規(guī)定）：外觀檢查和超聲波檢驗；盡量避免不易焊好的焊位（仰焊、不易到達的部位）。焊縫質(zhì)量等級焊縫根據(jù)外觀質(zhì)量的不同要求和超聲波檢驗范圍的不同要求劃分為三個質(zhì)量等級，其中一級者質(zhì)量最好。7.2焊接連接的特性7.3對接焊縫的構造和計算構造

不同厚度的鋼板采用不同的坡口形式：既保證焊接質(zhì)量又不過多消耗物力和人力。，不切坡口,V形或單邊V形縫，X形或K形縫引弧板（熄弧板）的應用：保證熔透。墊板的應用：保證焊透。當不用墊板時需要清根（碳弧氣刨）和補焊。兩板有寬度差或厚度差者采用平緩過渡。所有這些構造措施的目的：保證焊接的優(yōu)點能正常發(fā)揮，缺點盡量避免。

7.3對接焊縫的構造和計算計算

質(zhì)量等級為一級和二級的對接焊縫和母材等強，無需計算。質(zhì)量等級為三級的對接焊縫，截面強度計算公式和母材相同，只是強度設計值略低。部分焊透的對接焊縫主要用于起聯(lián)系作用的焊縫，如箱形截面的四角。構造

角焊縫分為側面角焊縫和正面角焊縫。角焊縫的大小以焊腳尺寸hf來衡量，兩邊可以不等。

hf相對于焊件厚度t不應過小和過大：過小則冷卻過快，易生裂紋，，

t1：較厚焊件厚度；過大則熱影響區(qū)大，也易裂，，t2：較薄焊件厚度。

焊縫長度也不應過小和過大（相對于hf）:過小則不易保證整體質(zhì)量（起、落弧坑影響過大)，，過大則應力沿長度的分布過于不均勻，。還需滿足一些其他構造要求，如焊縫端部加繞角。7.4角焊縫的構造和計算計算

角焊縫受力情況比較復雜。角焊縫在縱、橫向外力作用下，薄弱截面（45°面）上存在正應力和兩個方向的剪應力和。強度計算的基本公式是：常用連接焊縫的計算公式都從此式演變得出。（1）側面角焊縫，外力與焊縫長度方向平行，以受剪為主；，he=有效厚度=0.7hf（2）正面角焊縫，外力與長度方向垂直，以正應力為主；

βf=1.22，但直接承受動力荷載時取為1.0側縫延性很好，正縫相對稍差。兩者可以配合使用形成三面圍焊。7.4角焊縫的構造和計算

各類連接中的角焊縫計算連接中經(jīng)常用多條焊縫。按照力學原則把外力分配給各條焊縫，即可對焊縫需要的尺寸做出計算。例如雙角鋼桿件和節(jié)點板連接的兩條焊縫按重心距離e1、e2成反比分配。承受扭矩的焊縫群可套用扭矩作用下的剪應力計算公式

A點剪應力最大，為驗算對象。的方向垂直于CA線，需要分解為和再進行組合。

思考：上述算法，僅A點處焊縫應力達到強度設計值，其他部位應力都較低，如果只用兩條水平焊縫是否可行?7.4角焊縫的構造和計算

如果連接直接承受動力荷載，，則沒有必要把分解后組合。上圖分成和后應按下式組合并驗算7.4角焊縫的構造和計算

多種應力的組合右圖所示的連接，豎向力V對連接焊縫產(chǎn)生豎向剪力和扭矩T。因此，焊縫在A點處除和外還有和。驗算公式為思考：例題7.6保留［形焊縫，但改變算法，是否能夠改為hf=7mm?7.5焊接熱效應

焊接殘余應力的起因：

(1)熱態(tài)塑性壓縮焊縫及其近旁的金屬在施焊時處于高溫，其膨脹要求受到約束而不能實現(xiàn)，從而受到壓縮。冷卻時趨于縮得比原始長度短。這種縮短也受到一定程度的約束，乃形成高額的縱向殘余拉應力。拉、壓殘余應力在截面上平衡。和縱向拉應力一起，還派生出橫向殘余應力。由于一般構件都是縱向受力，橫向殘余應力不受人們關注。厚板對焊時還產(chǎn)生厚度方向的殘余應力，也是拉壓并存。三軸殘余拉應力特別不利。(2)整個焊件收縮受到約束此時焊接截面全部受拉。這種情況必須避免。大型結構需要注意焊接順序，圖7-59d的焊縫2如果最后焊，就接近左圖。焊接殘余變形由于熱態(tài)塑性壓縮，桿件既有縱向縮短，又有彎曲。橫向寬度也略有縮小。必要時進行矯正，也可以預設反變形。長度方向在下料時要適度加長。7.5焊接熱效應圖7-59d7.5焊接熱效應減少焊接殘余應力和殘余變形的措施焊接殘余應力對壓桿穩(wěn)定、拉桿脆斷和疲勞都很不利。減少殘余應力的方法：

焊接工藝方面：調(diào)整施焊順序；對焊件進行預熱。

焊縫設計方面：避免焊縫過于集中，尤其是三軸焊縫集中；避免分層導致拉裂；不盲目加大焊縫厚度。7.6普通螺栓連接的構造和計算構造：螺栓的栓距和線距都不應過大或過小。過小不利于板件受力；過大則板與板之間會出縫隙。轉動螺栓的扳手需要一定的空間。徑差：孔徑d0應該比栓徑d大多少，是個值得關注的問題。徑差過小時，由于制孔誤差，板層之間栓孔有錯位，導致部分螺栓就位困難；徑差過大時，桿件受力后產(chǎn)生滑移，有損結構的受力性能。教科書上介紹，取1.5-2.0mm，有的文獻推薦1.0-1.5mm。實踐經(jīng)驗是，徑差1.5mm時滑移量不過0.8mm。當連接長度

時，承載力應乘以受力不均的折減系數(shù)7.6普通螺栓連接的構造和計算

抗剪連接的計算

需要進行兩方面計算一個螺栓的抗剪承載力nv：螺栓受剪面數(shù)，教材圖7-68a，b，c分別取1、2、4。該圖有一個缺點：b，c圖中外層板的拉力為中層板的一半，應畫得薄一些。一個螺栓的承壓承載力連接所需螺栓數(shù)7.6普通螺栓連接的構造和計算普通螺栓類別

分A，B，C三級。A，B兩級要求精確制孔，徑差不超過0.25mm，很少采用。

C級栓桿和螺孔間的空隙較大，不影響抗拉性能，但對抗剪性能不利。GB50017規(guī)范規(guī)定，抗剪C級螺栓只能用于次要結構和臨時性結構。普通螺栓受力性能螺栓有受剪和受拉兩種工況。傳遞剪力時，除螺栓受剪外，還依靠螺栓和板之間的擠壓。與此同時，還出現(xiàn)板端受剪和螺栓彎曲。這兩個問題可以由構造措施解決：端距e3≥2d0，板疊厚度≤5d。7.6普通螺栓連接的構造和計算抗拉連接的計算

由于構造關系，螺栓實際拉力大于N/n，增大的原因是產(chǎn)生了撬力。撬力可以通過增大連接件剛度的方法使之很小，但實際設計中很少這樣做。對待撬力Q有兩種方法：

（1）按螺栓實際拉力N+Q和螺栓抗力強度設計值f進行計算。這需要有Q的計算公式。

（2）不計撬力，但降低螺栓抗拉強度設計值，即按N和0.8f進行計算。我國現(xiàn)在采用方法2，一個螺栓的抗拉承載力為

de為螺栓有螺紋處的有效直徑，見教材附表7。已包含抗力分項系數(shù)和撬力折減系數(shù)0.8。7.6普通螺栓連接的構造和計算

螺栓群在扭矩作用下的抗剪計算以螺栓群的形心O為轉動中心，則距離O點最遠的螺栓受力最大。要求

螺栓群在彎矩作用下的抗拉計算以最下邊一排螺栓軸線為中和軸。上邊螺栓受力最大。

m為螺栓列數(shù)，圖中m=2。7.7高強度螺栓連接

抗剪高強度螺栓連接的性能高強度螺栓連接的特點：不僅材料強度高，并且在擰緊時施加預拉力。預拉力使連接板層之間產(chǎn)生擠壓力?？辜舾邚姸嚷菟ㄟB接分為兩類：摩擦型和承壓型。摩擦型也稱為抗滑移型，以產(chǎn)生滑移為極限狀態(tài)，即圖中曲線3的

A點。承壓型：和普通螺栓一樣，以螺栓剪斷或板件失效為承載能力的極限狀態(tài)，即圖中B點。有的規(guī)范還規(guī)定以滑移作為承壓型連接的正常使用極限狀態(tài)。圖中曲線2為不施加預拉力高強螺栓，受剪同樣可以達到B點，但滑移出現(xiàn)較早。7.7高強度螺栓連接抗拉高強度螺栓連接的性能在沒有撬力的情況，螺栓拉力隨外加拉力的變化如圖所示。在未施加外力時螺栓有預拉力P（A點）；隨著外力施加，起初螺栓拉力緩慢增加，直至擠壓力消失，板被拉開（B點）；最后螺栓拉力和外力同樣增大，直至拉斷（C點）。確定螺栓承載能力極限狀態(tài)有兩種思路：

（1）以拉斷為極限狀態(tài)（C點），引進適當?shù)目沽Ψ猪椣禂?shù)。（2）以拉開為極限狀態(tài)（B點），引進后即為預拉力P。后者顯然比前者保守。7.7高強度螺栓連接

高強度螺栓的等級按抗拉強度和屈強比劃分，共分二級：

8.8級：抗拉強度830N/mm2，屈強比0.8；

10.9級：抗拉強度1040N/mm2，屈強比0.9。

施加預拉力的方法扭矩法：采用顯示扭矩的特制扳手。轉角法：用普通扳手初步擰緊，再用長扳手把螺帽轉動半圈至2/3圈。扭剪法：螺栓帶梅花頭，擰至梅花頭斷掉為止。7.7高強度螺栓連接高強度螺栓的預拉力預拉力以抗拉強度的0.9倍為目標，同時考慮以下影響因素：（1）擰緊螺栓時的扭矩使螺栓產(chǎn)生剪應力，以至抗拉能力下降；（2）施工時為補償預拉力松弛而超張拉5%-10%；（3）材料抗力的變異性。三個影響因素的折減系數(shù)分別是1/1.2、0.9和0.9，由此得預拉力值

這是GB50017規(guī)范采用的公式。然而，擰緊螺栓時產(chǎn)生的扭矩在安裝結束后會逐漸消失，并且在螺栓受力至連接松開時不復存在。如果不計1/1.2系數(shù)，則系數(shù)0.608可以提高到0.73。7.7高強度螺栓連接高強度螺栓連接的構造徑差：承壓型抗剪螺栓連接，和普通螺栓具有同樣性質(zhì)。1.5-2.0mm比較合適，但直徑27mm以上的螺栓可以放大到3mm。摩擦型抗剪螺栓連接不產(chǎn)生滑移，徑差稍大一些并無大礙。因此，既可以采用和承壓型連接相同的標準孔，也可以在此基礎上增大2.5-4.0mm。但是，采用放大的圓孔時，板層之間摩擦面積有所減少，抗滑移能力略為下降。摩擦型抗剪螺栓連接還可采用槽孔（長圓孔），其短向長度和標準孔徑相同，而長向則比大圓孔的孔徑還大。間距：和普通螺栓相同。7.7高強度螺栓連接高強度螺栓抗剪連接的計算

（1）摩擦型連接中單個螺栓承載力

μ：抗滑移系數(shù)，隨摩擦面處理方法和鋼材牌號而異，數(shù)值在

0.30-0.45之間。

k：孔型系數(shù)，標準孔1.0，大圓孔0.85，槽孔0.7-0.6。（2）承壓型連接中單個螺栓承載力計算公式和普通螺栓相同。但當計算剪切面位于螺紋處時，抗剪計算公式中的螺栓直徑d應改為螺紋處有效直徑de。（3）摩擦型連接中的構件凈截面強度驗算，可考慮孔前傳力50%，孔軸線處凈截面?zhèn)髁ο鄳獪p小。7.7高強度螺栓連接高強度螺栓抗拉連接的計算

GB50017的計算方法：抗拉螺栓連接從其傳力性質(zhì)來看，雖然不存在摩擦型和承壓型的區(qū)別。但規(guī)范沿用抗剪連接的分類方法，也分成兩類，并對摩擦型抗拉連接采用預拉力P為極限承載力（已考慮抗力分項系數(shù)），并為撬力留出余地。單個螺栓的抗拉承載力設計值取對承壓型抗拉連接，螺栓承載力設計值和普通螺栓一樣

按照GB50017規(guī)范給出的數(shù)值，以上兩式算得的完全相同，證實摩擦型和承壓型的分類并無必要。因此，合理的方法應該是不做類型區(qū)分，抗拉螺栓承載力設計值一律按第二個公式計算，其中取在1.1×1.2=1.32和1.1×1.3=1.43之間，而不是規(guī)范所取的1.65。與此同時，可以取預拉力P為正常使用階段的承載極限：使板層在正常使用條件下不松開。7.7高強度螺栓連接彎矩作用下的抗拉螺栓群按照傳統(tǒng)的摩擦型抗拉連接的思路，以板層松開為承載能力極限狀態(tài)，把螺栓群的中和軸取在其形心處。然而，中和軸的這一位置意味著受壓區(qū)和受拉區(qū)一樣，都只有4枚螺栓在受力，顯然和實際情況并不符合。合理的計算方法是把中和軸取在最下面一行螺栓的中心，此軸下面有足夠大的承壓面積使壓力和8枚螺栓的拉力相平衡。與此同時，螺栓最大拉力Nb1可以按拉斷為承載能力極限狀態(tài)，并把拉開作為正常使用極限狀態(tài)，具體計算要考慮撬力影響。7.7高強度螺栓連接同時承受剪力和拉力的高強度螺栓連接需要區(qū)分兩種情況（1）以摩擦型式傳遞剪力的連接（2）以承壓型式傳遞剪力的連接附加條件考慮拉力使板層間擠壓力下降的不利效應。（2）豎向剪應力由翼緣上的集中荷載產(chǎn)生，此時連接焊縫相當于正面角焊縫7.8焊接梁翼緣焊縫的計算梁翼緣和腹板的連接焊縫承受兩方面的剪應力。（1）水平剪應力由翼緣和腹板間縱向剪力產(chǎn)生，按材料力學公式計算，得到

V：梁橫向剪力F和ψ為集中荷載及其增大系數(shù)，lz為荷載分布長度。（3）當兩種應力并存時，其綜合效應為7.9構件的拼接拼接設計的總原則：（1）斷開截面的強度沒有受到削弱；（2）斷開截面處保持變形的連續(xù)性，不會出現(xiàn)轉折；（3）截面的各部分都得到拼接，可直接傳力；（4）避免應力集中和焊縫密集，保持施工方便。7.9構件的拼接拉桿和壓桿的拼接（1）采用對接焊縫，質(zhì)量等級一、二級；（2）采用拼接板和角焊縫，注意腹板焊縫的施焊條件；（3）采用拼接板和高強度螺栓（摩擦型），適用于工地拼接；（4）采用端板、螺栓連接（法蘭盤式），用于壓桿比拉桿更合適；（5）壓桿還可采用銑平頂緊，直接傳力的方法，輔以少量防止錯動的連接。7.9構件的拼接工廠拼接宜用對接焊縫，一、二級質(zhì)量。腹板接縫和上、下翼緣接縫不在同一截面，也和加勁肋位置錯開。工地拼接高強度螺栓和拼接板，按等強原則設計；翼緣板拼接只承受彎矩產(chǎn)生的正應力；腹板拼接既承受腹板所分擔的彎矩，還承受接縫截面的全部剪力V。注意V對腹板螺栓群還有偏心力矩Ve，由于數(shù)值不大，在教材中被忽略了。

梁的拼接7.10梁與梁的連接次梁為簡支梁疊接占用凈空大，很少采用。側面連接有多種構造方式，它們的共同點是次梁借助連接角鋼、連接板或支承角鋼實現(xiàn)和主梁腹板連接。因此，保證連接的強度包括焊縫/螺栓強度，中介件強度和次梁凈截面強度。次梁的翼緣不需要連接。以采用連接板的連接為例，連接板和次梁都在螺栓孔心截面A-A承受剪力R和彎矩Re。7.10梁與梁的連接

采用連接角鋼的連接，次梁上翼緣端部切除一部分，它的凈截面強度驗算有些特殊，可能產(chǎn)生拉剪聯(lián)合破壞，即沿折線ABC斷裂。相應的抗力為

式中A1和A2分別為AB段和BC段的凈截面。

次梁和連接角鋼之間的螺栓按反力R計算，主梁的連接螺栓則按反力

R和力矩Re計算。7.10梁與梁的連接次梁為連續(xù)梁連續(xù)次梁的特點是：支座反力傳給主梁而端彎矩則在兩鄰跨次梁之間傳遞，因此次梁腹板和主梁的連接和簡支次梁沒有大的區(qū)別。鄰跨次梁翼緣板之間用拼接板相連接，是傳遞端彎矩最好的辦法。上翼緣設置拼接板，構造上很簡便。下翼緣若用單塊拼接板，需要從主梁腹板穿過，增加不少制作工作量。變通的辦法是把拼接板分作兩塊（甚至四塊），焊接到主梁腹板上。還可以做成支托，其平板起翼緣拼接板作用，而豎板則用來傳遞支座反力。連續(xù)次梁的構造復雜，在工程中使用不多。7.11梁與柱的連接多層框架梁與柱的連接可以是柔性的、剛性的和半剛性的。柔性連接只把梁腹板和柱相連，和簡支次梁與主梁連接沒有差別。（1）剛性連接的傳力計算：可以簡化為腹板連接只傳剪力，翼緣連接傳全部彎矩；也可以讓腹板連接除剪力外，還傳遞腹板所承擔的彎矩份額。（2）剛性連接的構造：翼緣連接可以用焊接或螺栓連接；翼緣采用對接焊縫時，必須保證焊透（適當?shù)钠驴诤蛪|板）；采用高強度螺栓連接時，宜用T形連接件；高強度螺栓加外伸式端板常被看作是半剛性連接，但設計得當時也可達到剛性連接的要求。7.11梁與柱的連接連接的抗彎能力、轉動剛度和延性連接設計不僅要關注其抗彎能力，還要了解其轉動剛度和延性。連接的M-θ曲線提供這些資料，但實際性能要由試驗取得。在設計連接時要考察連接受力后會出現(xiàn)哪些變形，對連接的轉動剛度是否有明顯影響。在內(nèi)部沒有橫隔的方管柱的壁板上把梁和它剛性連接，柱腹板在梁端彎矩作用下的變形就不容忽視，這樣的構造達不到剛性連接的要求，需要另辟蹊徑。需要抗震設防的結構，節(jié)點連接應有一定轉動延性。7.11梁與柱的連接無加勁肋節(jié)點的計算與梁剛性連接的柱，在梁上、下翼緣處設置加勁肋，使力得以直接傳遞，是合理的構造設計。然而，為了減少制作工作量，有的設計不設柱加勁肋，增大了柱腹板和翼緣的負擔。此時，柱腹板應滿足下列要求。強度要求：有效寬度穩(wěn)定要求：柱翼緣板強度要求：需要指出，這些公式只考慮梁翼緣對柱的局部效應，而柱的腹板和翼緣都存在縱向應力。這些應力對橫向局部應力影響如何，缺少分析。7.11梁與柱的連接單層框架的剛性連接單層框架的特點是跨度和高度之比往往較大，致使梁端彎矩較大。因此，框架梁常做成變截面的。加腋是變截面的一種方式。教材圖7-116（e）采用了高強度螺栓-端板連接。為了螺栓有足夠的力臂來抵抗彎矩，把端板放在長度最大的斜截面上。如果有必要，端板上側還可以延長，再增加一對螺栓。為了具有足夠的抗彎剛度，還需要計算檢驗。圖7-116（c）的連接除梁端有板外，還在梁上翼緣設置拼接板。連接在彎矩作用下變形很小，符合剛性連接要求。7.12柱腳設計軸壓柱的柱腳：支承式柱腳的任務，是把柱端壓力分散到混凝土基礎的頂面上，壓力必須分布得比較均勻，才不致把混凝土壓垮。(1)柱端只焊上一塊底板的構造，要求底板厚度至少等于柱翼緣厚度的二倍。(2)壓力較大的柱。需要采用圖7-119（c）所示的靴梁板以及隔板等把柱端壓力分散開。(3)圖7-119（d）把錨栓錨固在槽鋼靴梁的上翼，旨在形成剛性柱腳。據(jù)新的研究資料，平板柱腳可以提供一定的轉動約束。這種復雜的構造似乎沒有多大的優(yōu)越性。(4)試評論圖示柱腳，并和圖7-119（c）相比較。7.11梁與柱的連接有加勁肋時的節(jié)點域柱加勁肋和翼緣一起形成節(jié)點域。節(jié)點域受剪屈服或屈曲，將影響節(jié)點連接的剛度?？辜魪姸扔嬎悖?/p>

Vp=節(jié)點域腹板體積=hbhctw

穩(wěn)定條件：

柱腹板厚度不滿足這些條件者，或是增大厚度，或是設置斜加勁肋。7.12柱腳設計軸壓柱腳的計算（1）底板底板的平面尺寸按壓力均勻分布計算。為此，底板厚度一般不小于20mm，以免和均勻分布的假定相差懸殊。實際選用厚度要經(jīng)過計算：分塊計算其彎矩，由最大彎矩確定厚度。按壓力均勻分布計算，所得彎矩偏于安全。（2）靴梁板、肋板及其焊縫計算工作首先要明確壓力從柱傳到底板的路徑和每一路徑上焊縫所傳的力。焊縫長度決定靴梁板的高度。7.12柱腳設計

壓彎柱的柱腳

除壓力N外，柱腳還要傳遞彎矩M和剪力Q。壓彎柱的截面高度大于寬度，柱腳底板也總是長度大于寬度。彎矩使底板一側壓力增大，另側壓力減小，甚至變成拉力。受拉側的錨栓需要計算。剛接柱腳錨栓錨固在靴梁頂面，從構造上保證柱腳的剛度。靴梁的構造和軸壓柱沒有大的區(qū)別。圖7-122（d）的格構柱還可采用分離式柱腳，即柱的兩個分肢各設一個柱腳。柱底剪力不大時由底板和基礎之間的摩擦傳力。當剪力大而摩擦力不足時，需要設置剪力鍵，而不是依靠錨栓傳遞。7.13桁架節(jié)點設計節(jié)點構造分兩大類：采用節(jié)點板，桿件直接焊接。

采用節(jié)點板的節(jié)點

節(jié)點左右兩弦桿大多為連續(xù)桿；少數(shù)節(jié)點處左右弦桿斷開。（1）節(jié)點板的任務：只在腹桿和腹桿之間，