鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第7章4

第七章鋼結(jié)構(gòu)的連接和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造本章要點(diǎn)：了解三類(lèi)連接（焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接）各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。了解常見(jiàn)的焊接方法和焊接形式，能夠正確識(shí)別與標(biāo)注焊縫符號(hào)。掌握對(duì)接焊縫和角焊縫的構(gòu)造要求和計(jì)

算方法，并能熟練地進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。掌握焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對(duì)構(gòu)件工作性能的具體影響，了解減少焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的措施。掌握普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓（摩擦型和承壓型）的工作性能、破壞形式和計(jì)算方法，以及對(duì)螺栓排列的構(gòu)造要求。能夠根據(jù)被連接件的受力情況選用恰當(dāng)?shù)倪B接形式，并進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接方法連接方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)焊接對(duì)幾何形體適應(yīng)性強(qiáng);構(gòu)造簡(jiǎn)單;不削弱截面,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作；連接的密閉性好,結(jié)構(gòu)剛度大對(duì)材質(zhì)要求高;熱影響區(qū)內(nèi),容易導(dǎo)致局部材質(zhì)變;焊接殘余應(yīng)力和殘余變形使受壓構(gòu)件承載力降低;焊接結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋很敏感;低溫冷脆問(wèn)題較突出鉚接傳力可靠,韌性和塑性好,質(zhì)量易于檢查,抗動(dòng)力荷載性能好構(gòu)造復(fù)雜，費(fèi)鋼費(fèi)工普通螺栓連接裝卸便利，設(shè)備簡(jiǎn)單

螺栓精度低時(shí)不宜受剪;螺栓精度高時(shí)加工和安裝復(fù)雜，價(jià)格較高高強(qiáng)螺栓連接摩擦型剪切變形小,彈性性能好,特別適用于隨動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu).承壓型承載力高于摩擦型，連接緊湊

摩擦面處理,安裝工藝略為復(fù)雜,造價(jià)略高;承壓型連接的剪切變形大,不得用于承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中。

二、焊接連接及焊接結(jié)構(gòu)的特性1、焊接連接的優(yōu)缺點(diǎn)

焊接連接與鉚釘、螺栓連接比較，有以下優(yōu)點(diǎn)：1）不需打孔，省工省時(shí)；2）任何形狀的構(gòu)件可直接連接，連接構(gòu)造方便；3）氣密性、水密性好，結(jié)構(gòu)剛度較大，整體性較好。缺點(diǎn)：1）焊接附近有熱影響區(qū)，材質(zhì)變脆；2）焊接的殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞，殘余變形使結(jié)構(gòu)形狀、尺寸發(fā)生變化；3）焊接裂縫一經(jīng)發(fā)生，便容易擴(kuò)展。2、常見(jiàn)的焊接缺陷：

裂紋、氣孔、未焊透、夾渣、咬邊、燒穿、凹坑、塌陷、未焊滿(mǎn)。3、焊接質(zhì)量檢查:焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)方法:外觀(guān)檢查、超聲波探傷檢驗(yàn)、x射線(xiàn)檢驗(yàn).焊縫質(zhì)量分級(jí):

一級(jí)焊縫需經(jīng)外觀(guān)檢查、超聲波探傷、x射線(xiàn)檢驗(yàn)都合格；二級(jí)焊縫需外觀(guān)檢查、超聲波探傷合格；三級(jí)焊縫需外觀(guān)檢查合格。

三、焊縫連接型式和焊縫型式1、焊縫連接型式

按兩焊件的相對(duì)位置分：平接、搭接、T（頂）接和角接。

2、焊縫型式1）、對(duì)接焊縫按受力與焊縫方向分：

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2）、角焊縫按受力與焊縫方向分：

a）端縫：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向垂直

b）側(cè)縫：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向平行3）、按焊縫連續(xù)性：

a）連續(xù)焊縫：受力較好

b）斷續(xù)焊縫：易發(fā)生應(yīng)力集中4）、按施工位置：

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。四、焊縫的表示方法（代號(hào)）表7-1、表7-2

第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算一、對(duì)接焊縫的構(gòu)造1．對(duì)接連接的形式

為了保證焊接質(zhì)量，根據(jù)被連接板的厚度，坡口型式可分為I型（垂直坡口），V型，單面V型，U型，單面U型，X型，K型，如圖中(a)～(h)所示；

2.對(duì)接焊縫的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：用料經(jīng)濟(jì)、傳力均勻、無(wú)明顯的應(yīng)力集中，利于承受動(dòng)力荷載。缺點(diǎn)：需剖口，焊件長(zhǎng)度要精確。3.對(duì)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(dòng)力荷載外，一般不用，計(jì)算時(shí)將焊縫長(zhǎng)度兩端各減去tmm（t為較小板件厚度）。（2）變厚度板對(duì)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。4.對(duì)接焊縫的強(qiáng)度

有引弧板的對(duì)接焊縫在抗壓和一、二級(jí)抗拉時(shí)與母材等強(qiáng)，三級(jí)抗拉焊縫的抗拉強(qiáng)度為母材的85％。二、對(duì)接焊縫的計(jì)算

對(duì)接焊縫的應(yīng)力分布認(rèn)為與焊件原來(lái)的應(yīng)力分布基本相同。計(jì)算時(shí)，焊縫中最大應(yīng)力（或折算應(yīng)力）不能超過(guò)焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。軸心受力的對(duì)接焊縫斜向受力的對(duì)接焊縫鋼梁的對(duì)接焊縫牛腿與翼緣的對(duì)接焊縫

1、軸心受力的對(duì)接焊縫

lw——焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，無(wú)引弧板時(shí)，焊縫長(zhǎng)度取實(shí)長(zhǎng)減去10mm，有引弧板時(shí)，取實(shí)長(zhǎng);2、斜向受力的對(duì)接焊縫

主要用于焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值低于構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的連接中.當(dāng)tgq

￡1.5即q

￡56.3°時(shí),可不驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度。3、鋼梁的對(duì)接焊縫焊縫內(nèi)應(yīng)力分布同母材。最大正應(yīng)力：最大正應(yīng)力：折算應(yīng)力：其中s1、t1為腹板與翼緣交界點(diǎn)處的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；

4、牛腿與翼緣的對(duì)接焊縫

牛腿和柱的對(duì)接焊縫，剪力全部由腹板承受并均勻分布，彎矩、拉力由全截面承擔(dān)，與梁計(jì)算相同，截面形式和截面上各種應(yīng)力分布如圖。圖中1、2、3、4點(diǎn)均需強(qiáng)度驗(yàn)算：點(diǎn)1：點(diǎn)2：點(diǎn)3：點(diǎn)4：式中：A`w——有效抗剪面積，

三、部分焊透的對(duì)接焊縫應(yīng)用：當(dāng)板件較厚，而板件間連接受力較小時(shí)，可以采用部分焊透的對(duì)接焊縫。當(dāng)垂直于焊縫長(zhǎng)度方向受力時(shí)，部分焊透處的應(yīng)力集中會(huì)帶來(lái)不利影響，對(duì)于直接承受動(dòng)力荷載的連接不宜采用；但當(dāng)平行于焊縫長(zhǎng)度方向受力時(shí)，其影響較小可以采用。計(jì)算：按角焊縫的計(jì)算公式計(jì)算，取βf＝1.0，僅在垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的壓力作用下，可取βf＝1.22。

第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算一、角焊縫的構(gòu)造1、截面形式（1）直角角焊縫（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(dòng)力荷載時(shí)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、直角角焊縫應(yīng)力分布端縫：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(kāi)裂。端縫破壞強(qiáng)度要高一些，但塑性差。端焊縫的強(qiáng)度是側(cè)焊縫強(qiáng)度的1.35～1.55倍。側(cè)縫：焊縫長(zhǎng)度方向與受力方向平行，其特點(diǎn)為應(yīng)力分布簡(jiǎn)單些，但分布并不均勻，剪應(yīng)力兩端大，中間小。側(cè)焊縫以45°“咽喉截面”破壞居多；側(cè)縫強(qiáng)度低，但塑性較好。3、構(gòu)造要求(1)角焊縫的尺寸限制

t2為較薄焊件厚度5t2或25mm，取兩者最大值搭接最小長(zhǎng)度搭接連接轉(zhuǎn)角處焊縫須連續(xù)施焊轉(zhuǎn)角處加焊一段長(zhǎng)度2hf（兩面?zhèn)瓤p時(shí)）或用三面圍焊轉(zhuǎn)角端部t為較薄焊件厚距離l0

符號(hào)見(jiàn)圖7-29a長(zhǎng)度lw

端部?jī)H有兩側(cè)面角焊縫連接

8hf或40mm，取兩者最大值

下限內(nèi)力沿側(cè)縫全長(zhǎng)分布者不限60hf

上限焊縫長(zhǎng)度lw

t2為較厚焊件厚

；當(dāng)

下限t1為較薄焊件厚;對(duì)板邊：

上限焊腳尺寸hf

備注構(gòu)造要求項(xiàng)目部位（2）其它構(gòu)造要求：

①在直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，角焊縫表面應(yīng)做成直線(xiàn)形或凹形，焊腳尺寸的比例：對(duì)正面角焊縫宜為1:1.5,長(zhǎng)邊順內(nèi)力方向；對(duì)側(cè)面角焊縫可為1:1。②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15t（對(duì)受壓構(gòu)件）或30t（對(duì)受拉構(gòu)件）,t為較薄焊件的厚度。4、有效厚度

二、角焊縫的計(jì)算1、角焊縫的承載力計(jì)算公式假定：所有角焊縫只承受剪應(yīng)力，只區(qū)分側(cè)焊縫和端焊縫；焊縫計(jì)算截面為450喉部截面，計(jì)算高度為0.7hf；在靜力條件下，考慮端焊縫強(qiáng)度提高22%；動(dòng)力荷載下，不考慮其強(qiáng)度的提高；Nx作用下：Ny作用下：Nz作用下：角焊縫有效截面上三個(gè)相互垂直的應(yīng)力之間的強(qiáng)度條件公式：

(7-5)式中：

——作用于焊縫有效截面上，垂直于焊縫軸線(xiàn)方向的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；

——作用于焊縫有效截面上，平行于焊縫軸線(xiàn)方向的剪應(yīng)力；

——角焊縫的（抗剪）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由幾何關(guān)系有：把代入式(7-5)可得：

（7-6）討論：

1)當(dāng)時(shí)，即只有平行于焊縫長(zhǎng)度方向的軸心力作用，為側(cè)面角焊縫受力情況。設(shè)計(jì)公式為：

:兩焊件間角焊縫計(jì)算總長(zhǎng).每條焊縫取實(shí)際長(zhǎng)減2hf

2)當(dāng)時(shí),即只有垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的軸心力作用,為正面角焊縫受力情況.設(shè)計(jì)公式為：bf——系數(shù)，對(duì)承受靜力荷載和間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，bf=1.22，直接承受動(dòng)力荷載bf=1.0。3)當(dāng)時(shí),即具有平行和垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的軸心力同時(shí)作用于角焊縫受力情況。設(shè)計(jì)公式為：

(7-9)4)當(dāng)作用力不與焊縫長(zhǎng)度方向平行或垂直時(shí),有效截面上的應(yīng)力可分解為平行和垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的兩種應(yīng)力，然后按式(7-9)計(jì)算。2、角焊縫的計(jì)算1)軸心力作用焊縫受軸心拉力（端焊縫）

焊縫受軸心剪力（側(cè)焊縫）焊縫受軸心拉力和軸心剪力共同作用

角鋼桿件與節(jié)點(diǎn)板焊接連接

a.角鋼用兩面?zhèn)群缚p與節(jié)點(diǎn)板連接的焊縫計(jì)算

b.角鋼用三面圍焊與節(jié)點(diǎn)板連接的焊縫計(jì)算端部正面角焊縫能傳遞的內(nèi)力為：c.角鋼用“L”型焊縫與節(jié)點(diǎn)板連接的焊縫計(jì)算

由N2=0得：

2)彎矩作用3)彎矩、剪力、軸力共同作用下的頂接連接角焊縫:彎矩M作用下:

剪力V作用下:軸力N作用下:M、V和N共同作用下，焊縫上或下端點(diǎn)最危險(xiǎn)處應(yīng)滿(mǎn)足：其中：

如果只承受上述M、N、V的某一、兩種荷載時(shí)，只取其相應(yīng)的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

4)焊縫受扭矩作用

5)扭矩、剪力、軸力共同作用下搭接連接角焊縫:假定：①被連接件是絕對(duì)剛性的，而角焊縫是彈性的；②被連接件繞形心

O旋轉(zhuǎn)，角焊縫群上任意一點(diǎn)處的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與形心的連線(xiàn)，且應(yīng)力的大小與連線(xiàn)距離

r成正比。扭矩T作用下(A點(diǎn)):剪力V作用下:

軸力N作用下:T、V和N共同作用下最危險(xiǎn)處應(yīng)滿(mǎn)足：

其中：[例題2、3]

第五節(jié).焊接殘余應(yīng)力與焊接殘余變形

焊接殘余應(yīng)力:焊接后冷卻時(shí),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(chēng)為焊接殘余應(yīng)力.焊接殘余變形:鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的變形稱(chēng)為焊接殘余變形。一、焊接殘余應(yīng)力的形成和對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響1、形成

兩塊鋼板上施焊時(shí),產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，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(shí)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、特點(diǎn)：自相平衡力系。3、焊接應(yīng)力的分類(lèi)

?縱向殘余應(yīng)力：沿著焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力?橫向殘余應(yīng)力：垂直于焊縫長(zhǎng)度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力。?厚度方向殘余應(yīng)力：垂直于焊縫長(zhǎng)度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。?約束狀態(tài)下產(chǎn)生的焊接應(yīng)力：4、焊接應(yīng)力的影響

?對(duì)常溫下承受靜力荷載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的影響：沒(méi)有影響?對(duì)低溫冷脆的影響：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，在低溫下裂紋易發(fā)生和發(fā)展，加速構(gòu)件的脆性破壞；?對(duì)剛度的影響：剛度降低；?降低疲勞強(qiáng)度；

殘余應(yīng)力的存在，加快了疲勞裂紋的開(kāi)展速度（雙向或三向拉力場(chǎng)），因此，疲勞強(qiáng)度降低。?降低壓桿的穩(wěn)定承載力；由于剛度降低，有效截面減小，過(guò)早地進(jìn)入彈塑性區(qū)，彈性模量降低，所以穩(wěn)定承載力降低。二、焊接殘余變形的表現(xiàn)及其對(duì)構(gòu)件工作的影響1、焊接殘余變形的產(chǎn)生表現(xiàn)

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。如圖2、焊接殘余變形對(duì)構(gòu)件工作的影響

1）構(gòu)件不平整，安裝困難，且產(chǎn)生附加應(yīng)力；2）變軸心受力構(gòu)件為偏心受力構(gòu)件。三、保證焊接質(zhì)量及減小焊接殘余應(yīng)力的措施

1．合理的焊縫設(shè)計(jì)

（1）避免焊縫集中、三向交叉焊縫；（2）注意施焊方便，避免仰焊；（3）合理的選擇焊縫的尺寸和形式,在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量采用較小的焊縫尺寸；（4）合理地安排焊縫的位置，焊縫盡可能對(duì)稱(chēng)布置，連接過(guò)渡平滑，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象；（5）盡量防止銳角連接；（6）盡可能能減少不必要的焊縫

2．合理的工藝措施

（1）采用適當(dāng)?shù)暮附映绦颍绶侄魏?、分層焊；?）盡可能采用對(duì)稱(chēng)焊縫，使其變形相反而抵消；（3）施焊前使結(jié)構(gòu)有一個(gè)和焊接變形相反的預(yù)變形；（4）對(duì)于小構(gòu)件焊前預(yù)熱、焊后回火，然后慢慢冷卻，以消除焊接應(yīng)力。

第六節(jié)普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算

一、螺栓的排列和構(gòu)造要求1、螺栓排列需滿(mǎn)足的要求

1）受力要求：在受力方向螺栓的端距過(guò)小時(shí),鋼材有剪斷或撕裂的可能(端距≥2d0).各排螺栓距和線(xiàn)距太小時(shí),構(gòu)件有沿折線(xiàn)或直線(xiàn)破壞的可能。對(duì)受壓構(gòu)件，當(dāng)沿作用方向螺栓距過(guò)大時(shí)，被連板間易發(fā)生鼓曲和張口現(xiàn)象。

2）構(gòu)造要求：防止板翹曲后浸入潮氣而腐蝕，限制螺孔中矩最大值；3）施工要求：為便于擰緊螺栓，留適當(dāng)間距（不同的工具有不同要求）。2、螺栓的排列

具體要求見(jiàn)課本表7-5,對(duì)型鋼還需滿(mǎn)足表格7-6～7-8的要求。二、普通螺栓的計(jì)算1、螺栓的工作性能

按受力性能分類(lèi)：抗剪螺栓、抗拉螺栓和拉剪螺栓。

抗剪螺栓：靠孔壁承壓、螺桿抗剪傳力；

抗拉螺栓：靠螺栓受拉；

拉剪螺栓：同時(shí)靠螺栓受剪、受拉傳力。2．抗剪螺栓的計(jì)算

(1)單個(gè)螺栓的受剪工作性能

當(dāng)外力不大時(shí)，由構(gòu)件間的摩擦力來(lái)傳遞外力。當(dāng)外力增大超過(guò)極限摩擦力后,構(gòu)件間相對(duì)滑移，螺桿開(kāi)始接觸構(gòu)件的孔壁而受剪，孔壁則受壓。當(dāng)沿受力方向連接長(zhǎng)度l1<15d0時(shí)：螺栓受力均勻；當(dāng)沿受力方向連接長(zhǎng)度l1>15d0時(shí),應(yīng)對(duì)其承載力折減:

當(dāng)l1>15d0時(shí)：當(dāng)l1>60d0時(shí)：其中：d0為螺栓孔徑（2）螺栓破壞形式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（端距e3≥2d0）；e）螺桿因太長(zhǎng)或螺孔大于螺桿直徑而產(chǎn)生彎、剪破壞（板疊厚度≤5d）；其中：后兩種破壞通過(guò)構(gòu)造保證，前三種需計(jì)算保證。（3）單個(gè)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值

單個(gè)螺栓的抗剪承載力：

單個(gè)螺栓的承壓承載力：

（4）、螺栓群的計(jì)算軸心力作用時(shí)所需螺栓數(shù)目：凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算：當(dāng)螺栓并列布置時(shí)：當(dāng)螺栓錯(cuò)列布置（圖）時(shí)：

構(gòu)件有可能沿I－I或Ⅱ－Ⅱ截面破壞。Ⅱ－Ⅱ截面的凈截面積可近似地取為：

取I－I、Ⅱ－Ⅱ凈截面的較小者來(lái)驗(yàn)算鋼板凈截面強(qiáng)度。

【例7－9】扭矩作用時(shí)基本假定：

(a)被連接板是剛性的；

(b)螺栓是彈性的；

(c)在扭矩作用下,繞螺栓群中心旋轉(zhuǎn)，每個(gè)螺栓受力大小與其到形心的距離成正比，方向垂直于矢徑。

扭矩、剪力和軸力共同作用時(shí)N作用：V作用：T作用：

(如果x1>3y1,則可假定y=0;反之,如果y1>3x1,則可假定x=0)。T、V、N作用下：【例7－10】

2．抗拉螺栓的計(jì)算（1）受拉螺栓的工作特點(diǎn)

杠桿效應(yīng)——由于被連接件的剛度不夠,在螺栓中會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力.規(guī)范中考慮杠桿效應(yīng)，降低了螺栓的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)要求設(shè)計(jì)中應(yīng)采取構(gòu)造措施提高被連接件的剛度以減少不利影響。（2）螺栓破壞形式一般表現(xiàn)為沿螺紋截面拉斷。（3）單個(gè)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值ftb：——抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值規(guī)范中考慮杠桿效應(yīng)的不利影響，取（4）螺栓群的計(jì)算螺栓受軸心拉力

受彎矩作用基本假定：

①在彎矩作用下，板件繞最邊緣的螺栓旋轉(zhuǎn)

②每個(gè)螺栓受力大小與其到旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比。偏心受拉（1）小偏心受拉

當(dāng)偏心較小時(shí)，所有螺栓均承受拉力作用，端板與柱翼緣有分離趨勢(shì)，故在計(jì)算時(shí)軸心拉力N由各螺栓均勻承受；彎矩M則引起以螺栓群形心O為中和軸的三角形內(nèi)力分布（圖a、b）,使上部螺栓受拉，下部螺栓受壓；疊加后全部螺栓均受拉。可推出最大、最小受力螺栓的拉力和滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的公式如下（yi均自O(shè)點(diǎn)算起）：

（2）大偏心受拉

當(dāng)偏心距較大時(shí),在端部底板將出現(xiàn)受壓區(qū),此時(shí)偏于安全取中和軸位于最下排螺栓O`處。書(shū)中不分大小偏心統(tǒng)一按大偏心考慮，這是偏于保守的。

2．拉剪螺栓的計(jì)算1)支托僅起固定安裝作用M作用下：V作用下：M、V作用下：2)支托承擔(dān)剪力V驗(yàn)算支托與柱翼緣的連接焊縫：

其中α為考慮V對(duì)焊縫偏心的影響，取1.25～1.35。【例7－11】

第七節(jié)高強(qiáng)度螺栓連接的性能和計(jì)算一、高強(qiáng)度螺栓連接的性能1、性能等級(jí)和材料

性能等級(jí):高強(qiáng)度螺栓性能等級(jí)有有8.8級(jí)和10.9級(jí)。材料:8.8級(jí)采用的鋼材有40B鋼、45號(hào)鋼和35號(hào)鋼，10.9級(jí)采用的鋼材有20MnTiB鋼和35VB鋼。級(jí)別劃分的小數(shù)點(diǎn)前數(shù)字是螺栓熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度，小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字是屈強(qiáng)比。如8.8級(jí)鋼材的最低抗拉強(qiáng)度為fu=800N/mm2，fy/fu=0.8；10.9級(jí)為fu=1000N/mm2，fy/fu=0.9。采用的孔洞為Ⅱ類(lèi)孔2、受力性能

高強(qiáng)螺栓連接按受力特征分高強(qiáng)螺栓摩擦型連接、高強(qiáng)螺栓承壓型連接和承受拉力的高強(qiáng)度螺栓連接。其螺栓構(gòu)造、安裝基本相同。摩擦型高強(qiáng)螺栓:靠摩擦力傳遞荷載，以剪力等于摩擦力為承載力極限狀態(tài)，所以螺桿與螺孔之差可達(dá)1.5～2.0mm.摩擦型高強(qiáng)螺栓的連接較承壓型高強(qiáng)螺栓的變形小，承載力低，耐疲勞、抗動(dòng)力荷載性能好。承壓型高強(qiáng)螺栓:連接依靠螺桿抗剪和孔壁承壓來(lái)傳力,以螺栓或鋼板破壞為承載力極限狀態(tài)，可能的破壞形式與普通受剪螺栓相同，所以螺桿與螺孔之差略小些，為1.0～1.5mm。承壓型高強(qiáng)螺栓連接承載力高，但抗剪變形大，所以一般僅用于承受靜力荷載和間接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)中的連接。承受拉力的高強(qiáng)度螺栓:連接靠螺栓受拉力來(lái)承擔(dān)外力,應(yīng)保證板疊始終受擠壓而不被拉開(kāi)為承載力極限狀態(tài).

3、高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力預(yù)拉力施加方法：扭矩法、轉(zhuǎn)角法和扭剪法.轉(zhuǎn)角法：通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定滿(mǎn)足預(yù)拉力要求所需角度，在實(shí)際工程中采用固定轉(zhuǎn)角，不精確；扭矩法：通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定滿(mǎn)足預(yù)拉力要求所需扭矩，制做特殊扳手，如機(jī)械扳手，光電扳手等等；扭剪法：一種特制螺栓，用特殊扳手，擰斷為止——預(yù)拉力建立完成。比較準(zhǔn)確，且施工簡(jiǎn)便。

2)預(yù)拉力大小：

對(duì)以上系數(shù)的說(shuō)明：①擰緊螺帽時(shí)栓桿除受拉外尚有剪力作用，因而對(duì)材料抗拉強(qiáng)度除以1.2。②考慮材質(zhì)的不均勻性乘以系數(shù)0.9③施工時(shí)為補(bǔ)償預(yù)拉力的松弛而超張拉5－10％，故乘以系數(shù)0.9④由于以極限抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)，引進(jìn)一附加安全系數(shù)0.9

高強(qiáng)螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力P值見(jiàn)表7-104、高強(qiáng)螺栓連接摩擦面抗滑移系數(shù)摩擦面抗滑移系數(shù)與接觸面處理方法有關(guān)，見(jiàn)表7-115、高強(qiáng)螺栓的排列:

同普通螺栓排列。二、單個(gè)高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計(jì)值

1.高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接：

單個(gè)摩擦型高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值：

α——抗力分項(xiàng)系數(shù)的倒數(shù)，一般取0.9

2.高強(qiáng)度螺栓承壓型連接：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。只是用承壓型高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。3.高強(qiáng)度螺栓的抗拉連接連接受力之前：C=P

連接受力之后：螺栓桿中的拉力由原來(lái)的P增加到

Pf

，螺栓桿伸長(zhǎng)Δt板件間的壓力就由原來(lái)的C降為Cf

，板件相應(yīng)地有一個(gè)壓縮恢復(fù)量，假定外加拉力為N0t，根據(jù)平衡條件有：在板厚范圍內(nèi)螺栓桿與板的變形相同：設(shè)螺栓桿的截面面積為Ab

，摩擦面面積為Au

，則：將C=P、Cf=Pf－N0t

代入整理后得,如取Au/Ab=10，當(dāng)板件剛好被拉開(kāi)時(shí)，Pf＝N0t。代入上式得：

三、高強(qiáng)度螺栓群的抗剪、抗拉計(jì)算

各種高強(qiáng)度螺栓群承受各種荷載時(shí)，其中受力最大的螺栓承受的或基本上與普通螺栓群計(jì)算相同。但有兩點(diǎn)不同之處需注意：

可見(jiàn)，當(dāng)外力把連接構(gòu)件拉開(kāi)時(shí)，螺栓桿拉力增量為其預(yù)拉力的10％，為了避免外力太大時(shí)使卸荷后產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，規(guī)范規(guī)定每個(gè)高強(qiáng)度抗拉螺栓的設(shè)計(jì)承載力不得大于0.8P（此時(shí)Pf＝1.07P)，即：

當(dāng)加于螺栓連接的外拉力不超過(guò)P

時(shí)，高強(qiáng)度螺栓桿內(nèi)的拉力增加得不多，可以認(rèn)為螺栓桿內(nèi)的原預(yù)拉力基本不變。1）承受剪力的摩擦型的高強(qiáng)度螺栓群的連接板凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)需考慮孔前傳遞部分荷載。如圖，第一排螺栓孔處傳遞的荷載：凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算

:2）拉力螺栓群在拉力、彎矩作用下受拉力最大的螺栓強(qiáng)度計(jì)算(如圖)：

受拉力最大的螺栓計(jì)算無(wú)需判斷繞哪根軸旋轉(zhuǎn)。因?yàn)閷?duì)于高強(qiáng)度螺栓總是繞螺栓群形心軸旋轉(zhuǎn)。螺栓中受到的最大拉力計(jì)算如下：【例7-12】四、高強(qiáng)度螺栓群的拉剪計(jì)算1.高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接：

(老規(guī)范)2.高強(qiáng)度承壓型螺栓連接：【例7－13】

第八節(jié)翼緣焊縫的計(jì)算一、水平剪力作用沿梁腹板邊緣的剪應(yīng)力為：

在沿梁軸的單位長(zhǎng)度上的水平剪力Th為：采用雙面角焊縫時(shí)：

二、豎向剪力作用

上翼緣有移動(dòng)荷載或有固定集中荷載而無(wú)支承加勁肋時(shí)，翼緣焊縫還受到由局部壓力產(chǎn)生的豎向剪力Tv的作用，沿梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的豎向剪力為：在Tv的作用下焊縫強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足：三、水平和豎向剪力共同作用在Th和Tv共同作用下，應(yīng)滿(mǎn)足：把σf,τf代入得：設(shè)計(jì)時(shí)可先假定一焊腳尺寸，然后驗(yàn)算?！纠?－14】

第九節(jié)構(gòu)件的拼接一、等截面拉、壓桿拼接1、工廠(chǎng)拼接①拉桿：可以采用直接對(duì)焊（圖a）或拼接板加角焊縫(圖b)。直接對(duì)焊時(shí)焊縫質(zhì)量必須達(dá)到一、二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，否則要采用拼接板加角焊縫。②壓桿：可以采用直接對(duì)焊（圖a）或拼接板加角焊縫(圖b)。

采用拼接板加角焊縫時(shí)，構(gòu)件的翼緣和腹板都應(yīng)有各自的拼接板和焊縫，使傳力盡量直接、均勻，避免應(yīng)力過(guò)分集中。確定腹板拼接板寬度時(shí)，要留夠施焊縱焊縫時(shí)操作焊條所需的空間。

2、工地拼接①拉桿：可以用拼接板加高強(qiáng)螺栓(圖c)或端板加高強(qiáng)螺栓(圖d)。②壓桿：可以采用焊接(圖e、f)或上、下段接觸面刨平頂緊直接承壓傳力(圖g、h)。用焊接時(shí)，上段構(gòu)件要事先在工廠(chǎng)做好坡口，下段(或上、下兩段)帶有定位零件(槽鋼或角鋼)，保證施焊時(shí)位置正確。上、下段接觸面刨平頂緊直接承壓傳力時(shí)應(yīng)輔以少量焊縫和螺栓，使不能錯(cuò)動(dòng)。

拉壓桿的拼接宜按等強(qiáng)度原則來(lái)計(jì)算，亦即拼接材料和連接件都能傳遞斷開(kāi)截面的最大內(nèi)力。二、變截面柱的拼接（略）

三、梁的拼接梁的拼接施工條件的不同分為車(chē)間（工廠(chǎng)）拼接和工地拼接兩種。1、工廠(chǎng)拼接1）翼緣和腹板的工廠(chǎng)拼接位置最好錯(cuò)開(kāi)，以避免焊縫集中。2）翼緣和腹板的拼接焊縫一般采用對(duì)接焊縫。3）對(duì)于滿(mǎn)足1、2級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)級(jí)別的焊縫不需要進(jìn)行驗(yàn)算。4)對(duì)于滿(mǎn)足3級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)級(jí)別的焊縫需要進(jìn)行驗(yàn)算.當(dāng)焊縫強(qiáng)度不足時(shí)可采用斜焊縫。當(dāng)θ滿(mǎn)足tgθ≤1.5時(shí)，可以不必驗(yàn)算。2、工地拼接的構(gòu)造1）工地拼接一般應(yīng)使翼緣和腹板在同一截面處斷開(kāi)，以便于分段運(yùn)輸（圖a）。為了使翼緣板在焊接過(guò)程中有一定地伸縮余地，以減少焊接殘余應(yīng)力，可在工廠(chǎng)預(yù)留約500mm長(zhǎng)度不焊。2)圖b將翼緣和腹板的拼接位置適當(dāng)錯(cuò)開(kāi)的方式，可以避免焊縫集中在同一截面，但運(yùn)輸有一定困難。3）對(duì)于鉚接梁和較重要的或受動(dòng)力荷載作用的焊接大型梁，其工地拼接常采用高強(qiáng)螺栓連接。3、工地拼接的計(jì)算翼緣板：翼緣拼接以及每側(cè)的高強(qiáng)度螺栓，通常由等強(qiáng)度條件決定，拼接板的凈截面積應(yīng)不小于翼緣的凈截面積，高強(qiáng)度螺栓能承受按翼緣凈截面面積N=Anf計(jì)算的軸向力。腹板：腹板的拼接通常先進(jìn)行螺栓布置，然后驗(yàn)算。腹板拼接板及每側(cè)的高強(qiáng)度螺栓，主要承受拼接截面的全部剪力V及按剛度分配到截面上的彎矩Mw。受力最大的螺栓應(yīng)滿(mǎn)足：其中：，為使腹板上的螺栓和翼緣上的螺栓受力協(xié)調(diào)：腹板拼接板的凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算：【例7－15】

第十節(jié)主次梁的連接一．次梁為簡(jiǎn)支梁1、疊接構(gòu)造：在主梁上的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置支承加勁肋，以免主梁腹板承受過(guò)大的局部壓力。特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，次梁安裝方便，但主、次梁體系所占的凈空大。計(jì)算：一般不用計(jì)算，螺栓只是起到安裝固定作用。

2、側(cè)面連接：構(gòu)造:次梁連于主梁的側(cè)面,可以直接連在主梁的加勁肋上（圖a、b）或連于短角鋼上（圖c）。特點(diǎn)：

圖a:為用螺栓連于勁肋上,構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便，但須將次梁的上翼緣和下翼緣的一側(cè)切除；

圖b:為采用工地焊縫連接，此時(shí)螺栓僅起臨時(shí)固定作用，但次梁腹板端部焊縫焊接不太方便；

圖c、d:為用短角鋼角鋼連接主次梁的螺栓連接或安裝焊縫，需要將上翼緣局部切去。計(jì)算：

圖a、b：連接需要的焊縫或螺栓應(yīng)按次梁的反力計(jì)算，考慮到并非理想鉸接，故計(jì)算時(shí)，宜將次梁反力增加20~30%。圖c：當(dāng)計(jì)算螺栓①時(shí)可將短角鋼視為與次梁為一體。因此，螺栓①應(yīng)承擔(dān)次梁支反力R和力矩M=Re的共同作用，而螺栓②則只承受R的作用。反過(guò)來(lái)，也可以將短角鋼視為與主梁為一體。則螺栓①只承受反力R的作用，而螺栓②則應(yīng)承擔(dān)次梁支反力R和力矩M=Re的共同作用。圖d:計(jì)算方法與圖c類(lèi)似。即焊縫①和焊縫②也分別承擔(dān)R或R和M=Re的共同作用。二、次梁為連續(xù)梁1、疊接與前面疊接相同,只是次梁連續(xù)通過(guò),不在主梁上斷開(kāi).當(dāng)次梁需要拼接時(shí),拼接位置可設(shè)在彎矩小處.主、次梁之間只要用螺栓或焊縫固定它們的相互位置即可。2、側(cè)面連接：構(gòu)造：為了保證兩跨次梁在主梁處的連續(xù)性，必須在上、下翼緣處設(shè)置連接板。圖a：用高強(qiáng)螺栓連接，次梁的腹板連接在主梁的加勁肋上,下翼緣的連接板分成兩塊,焊在主梁腹板的兩側(cè)。圖b：用工地安裝焊縫連接，次梁支承在主梁的支托上，在次梁的上翼緣設(shè)有連接板，而下翼緣的連接板則.由支托的平板代替。計(jì)算：

支座反力由支托傳至主梁，端部的負(fù)彎矩，則由上下，翼緣承受，連接、蓋板和頂板傳遞M分解的水平力，F(xiàn)=M/h（h次梁高）其截面尺寸和焊縫螺栓的連接計(jì)算均用F，為避免仰焊，連接蓋板比上翼緣窄，拉板比下翼緣寬。

第十一節(jié)梁與柱的連接處理連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，要求遵循下列基本原則：安全可靠。應(yīng)盡可能使受力分析接近于實(shí)際工作狀況，采用和構(gòu)件實(shí)際連接狀況相符或相接近的計(jì)算簡(jiǎn)圖；連接處應(yīng)有明確的傳力路線(xiàn)和可靠的構(gòu)造保證。便于制作、運(yùn)輸、安裝。減少節(jié)點(diǎn)類(lèi)型；拼接的尺寸應(yīng)留有調(diào)節(jié)的余地；盡量方便施工時(shí)的操作，如：避免工地焊縫的仰焊、設(shè)置安裝支托等。經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于用材、制作、施工等綜合考慮后確定最經(jīng)濟(jì)的方法，而不應(yīng)單純理解為用鋼量的節(jié)省。梁柱連接按轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的不同可分為柔性連接(鉸接)、剛接、半剛接三類(lèi)。一、梁柱的柔性連接(軸壓柱與梁的連接一般均用鉸接)1、梁支承于柱頂圖a:梁的支承反力直接傳遞給柱的翼緣。相鄰梁之間留一空隙，以便安裝時(shí)有調(diào)節(jié)余地。傳力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，但當(dāng)兩相鄰梁反力不等時(shí)即引起柱的偏心受壓，一側(cè)梁傳遞的反力很大時(shí)，還可能引起柱翼緣的局部屈曲。圖b:即使兩相鄰梁反力不等，柱仍接近軸心受壓。突緣加勁肋底部應(yīng)刨平頂緊于柱頂板；柱腹板是主要受力部分，其厚度不能太?。辉谥敯逯?，應(yīng)設(shè)置加勁肋，加勁肋要有足夠的長(zhǎng)度，以滿(mǎn)足焊縫長(zhǎng)度的要求和應(yīng)力均勻擴(kuò)散的要求；

2、梁支承于柱側(cè)圖a:梁的反力較小時(shí)，梁可不設(shè)支承加勁肋，直接擱置在柱的牛腿上，用普通螺栓相連；構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，施工方便。圖b:梁反力較大時(shí)采用。梁的反力由端加勁肋傳給支托；支托采用厚鋼板（其厚度應(yīng)大于加勁肋的厚度）或加勁后的角鋼，與柱側(cè)用焊縫相連。圖c:兩鄰梁反力相差較大時(shí)采用。梁的反力通過(guò)柱的腹板傳遞，使柱仍接近軸心受力狀態(tài)。二、梁柱的剛性連接（框架梁、柱一般采用剛性連接）

需滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：保證將梁段的彎矩和剪力可靠地傳到柱子；保證節(jié)點(diǎn)剛性，使連接不至產(chǎn)生明顯的相對(duì)轉(zhuǎn)角；構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于施工；圖a、b:通過(guò)焊縫將彎矩和剪力直接傳給柱子.可以認(rèn)為梁端彎矩全部由翼緣連接焊縫傳給柱子，而剪力由腹板焊縫傳給柱子。

為使翼緣連接焊縫能在平焊位置施焊，要在柱側(cè)焊上襯板，同時(shí)在梁腹板端部預(yù)先留出槽口，上槽口是讓出襯板位置，下槽口是為了滿(mǎn)足施焊要求。圖c、d:通過(guò)高強(qiáng)螺栓和焊縫將梁端彎矩和剪力傳給柱子。由于要通過(guò)連接板和角鋼才能將力傳給柱子，故屬于間接傳力的構(gòu)造。

梁在和柱連接的范圍內(nèi)可以設(shè)置橫向加勁肋如圖b、d所示，也可不設(shè)如圖a、c所示，后一情況需對(duì)柱腹板和翼緣的強(qiáng)度和穩(wěn)定作出驗(yàn)算。

三、無(wú)加勁肋柱節(jié)點(diǎn)的計(jì)算1.破壞形式:腹板在梁翼緣傳來(lái)的壓力作用下屈服或屈曲;翼緣在梁翼緣傳來(lái)的拉力作用下彎曲而出現(xiàn)塑性鉸或連接焊縫被拉開(kāi)。2.柱腹板的厚度梁端彎矩可轉(zhuǎn)化成一對(duì)力偶，上翼緣的拉力將使柱翼緣彎曲及與腹板的連接拉脫，下翼緣的壓力使柱腹板受到擠壓。

梁受壓翼緣傳來(lái)的力是否足以使柱腹板屈服，要在柱腹板與翼緣連接焊縫(或軋制H型鋼圓角)的邊緣處計(jì)算。當(dāng)梁翼緣與柱翼緣采用坡口焊縫對(duì)接時(shí)，柱腹板承壓的有效寬度是:

在梁的受壓翼緣處，柱腹板厚度應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足：（強(qiáng)度）（局穩(wěn)）式中：――梁受壓翼緣的截面積

――柱鋼材屈服點(diǎn)。3.柱翼緣板的厚度

在梁的受拉翼緣處，柱翼緣板厚度應(yīng)滿(mǎn)足：（強(qiáng)度）式中：――梁受拉翼緣的截面積

如果以上關(guān)于壓力或拉力作用的計(jì)算不能滿(mǎn)足，就需要對(duì)柱腹板設(shè)置橫向加勁肋。加勁肋既加強(qiáng)腹板也加強(qiáng)翼緣。

4.梁翼緣與柱翼緣的焊縫

考慮應(yīng)力的不均勻性（圖7-105），計(jì)算焊縫時(shí)應(yīng)該用下列有效長(zhǎng)度代替實(shí)際長(zhǎng)度:式中：――柱腹板厚度和翼緣厚度；

――系數(shù)，對(duì)Q235和Q345鋼分別取7和5.

柱翼緣和梁受壓翼緣的連接焊縫也同樣受力不均勻,不過(guò)不會(huì)在壓力作用下斷裂。計(jì)算時(shí)也用上式確定其有效長(zhǎng)度，只是對(duì)Q235和Q345鋼分別取10和7。

四、有加勁肋柱節(jié)點(diǎn)域計(jì)算

1、抗剪強(qiáng)度計(jì)算其中：

――為節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁端彎矩設(shè)計(jì)值；

――節(jié)點(diǎn)域腹板的體積：

H形截面柱:

箱形截面柱:說(shuō)明：①上述分析中沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)腹板域的周邊柱翼緣和加勁肋提供約束的有利影響，也沒(méi)有考慮柱腹板軸壓力的不利影響。

②當(dāng)柱腹板節(jié)點(diǎn)域不滿(mǎn)足時(shí)，則需要局部加厚腹板或采用另外的措施來(lái)加強(qiáng)它。圖7-109給出了兩種可行的方案，其一是加設(shè)斜向加勁肋，其二是在腹板兩側(cè)或一側(cè)焊上補(bǔ)強(qiáng)板來(lái)加厚。2、腹板厚度（局部穩(wěn)定）

第十二節(jié)柱腳設(shè)計(jì)柱腳的作用:把柱下端固定并將其內(nèi)力可靠地傳給基礎(chǔ).柱腳的分類(lèi):按