钢结构设计手册.ppt
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1、第三章 钢结构的连接,第一节 钢结构的连接方法 第二节 焊接方法和焊缝连接形式 第三节 角焊缝的构造与计算 第四节 对接焊缝的构造与计算 第五节 焊接应力和焊接变形 第六节 螺栓连接的构造 第七节 普通螺栓连接的工作性能和计算 第八节 高强度螺栓连接的工作性能和计算 第九节 混合连接,第一节 钢结构的连接方法,在传力过程中,连接部位应有足够的强度,被连接件间应保持正确的位置,以满足传力和使用要求。钢结构的连接方法:通常有焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种方式。,1、焊缝连接的特点优点:对几何形体适应性强,构造简单,连接方便,省工省时;不需打孔,用料经济,不削弱截面,省材省工;加工方便,可实现自动
2、化操作,工效高;密闭性好,结构刚度大,整体性较好。缺点:焊接附近有热影响区,材质变脆;焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏,对裂纹比较敏感;残余变形使结构形状、尺寸发生变化;焊接裂缝一经发生,便容易扩展,低温冷脆问题突出;对动力荷载比较敏感。对材质要求高,焊接程序严格,质量检验工作量大。,返回,第一节 钢结构的连接方法,2、铆钉连接的特点 塑性和韧性较好;连接紧密,传力可靠,质量易于检查;用于直接承受动力荷载和跨度较大的结构中(如桥梁)缺点:构造复杂,费工费料。很少使用。3、螺栓连接的特点 分普通螺栓连接和高强螺栓连接(1)普通螺栓连接 A、B、C三级:A和B为精制螺栓,C级为粗制螺栓;材料等级
3、:A和B为8.8级,C级为4.6级或4.8;等级表示:如4.6级指螺栓成品的最低抗拉强度为400 N/mm2,屈强比为0.6的螺栓。加工:A、B级由毛坯在车床上精确加工而成精制;C级为由未经加工的圆钢压制而成粗制;,第一节 钢结构的连接方法,螺孔:A、B级需要钻模钻成(类孔),孔径比螺杆大0.3mm左右;C级为一次冲成或不用钻模钻成(类孔)孔径比螺杆大1.53.0mm。受力:A、B级受力性能好,连接变形小,可以既受拉又受剪,用于重要的连接;C级螺栓连接性能不如A、B级好,主要受拉,用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的次要连接。费用:A、B级成本昂贵,C级螺栓价格便宜,能用C级螺栓的地方不用A、
4、B级螺栓。(2)高强螺栓连接高强螺栓用高强度钢材制成,对结构削弱少,可拆换,摩擦面处理,安装工艺略为复杂,造价略高。分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓。摩擦型高强螺栓:只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力,以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态。,第一节 钢结构的连接方法,承压型高强螺栓:允许接触面滑移(剪力超过摩擦力),以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态。受力:摩擦型高强螺栓剪切变形小,弹性性能好,耐疲劳,塑性韧性好,特别适用动力荷载,目前可以代替铆接;承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型,剪切变形大,不得用于承受动力荷载的结构。材料等级:采用45号钢、40B和20MnTi
5、B钢(热处理),材料等级为 8.8级或10.9级。孔径:摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.52.0mm;承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.01.5mm。4、射钉、自攻螺栓、焊钉连接 灵活,安装方便,构件无须予先处理,适用于轻钢、薄板结构,不能受较大集中力。焊钉用于混凝土和钢板的连接。,第一节 钢结构的连接方法,返回,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,一、钢结构常用的焊接方法:1、手工电弧焊最常用,设备简单,操作灵活。但生产效率低,劳动强度大,焊接质量受焊工的影响大。焊条选择:焊条应与焊件钢材相适应,Q235选择E43型(E43004328),Q345采用E50型焊条,Q390和Q420采用E55型焊条;
6、不同钢种之间(例Q235与Q345)宜选用低组配方案(E43型),即采用低强度钢材相适应的焊条。E表示焊条(Electrode),前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度(kgf/mm2),后两位为焊接位置、电流及药皮类型等。,2、自动或半自动埋弧焊 大电流、细焊丝,熔深大,适用于厚板焊接。生产效率高,质量高。焊件变形小。自动焊的引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动都是自动的,而半自动焊的焊接前进方式仍是依靠手持焊枪移动。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,4、电阻焊等利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属,再通过压力使其焊合。适用于薄壁型钢的焊接,板叠厚度不超过12mm。焊
7、点主要承受剪力,抗拉能力较差。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,3、气体保护焊 二氧化碳气体保护焊是近年来发展起来的先进焊接方法。它是利用气体作为保护气体,使被熔化的金属不与空气接触,电弧加热集中,焊接速度快,熔化深度大,焊丝强度高,塑性好。采用高锰高硅型焊丝,具有较强的抗锈能力,焊缝不易产生气孔,适用于低碳钢、低合金高强度钢以及其他合金钢的焊接。不适于风大的地方施焊。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,二、焊缝连接形式按照被连接构件的相对位置来分为:平接(直接对接和盖板对接):厚度相同或相近的两构件搭接:不同厚度的两构件,传力不均匀,费材料T形连接(顶接):组合截面角部连接:箱形截面,第二节
8、焊接方法和焊缝连接形式,盖板对接,三、焊缝形式按焊缝和两个被连接件间的相对位置分类。对接焊缝:焊缝和两个被连接件的平行面相连。角焊缝:焊缝和两个被连接件的相交面相连。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,对接焊缝按受力与焊缝方向分:a)对接正焊缝:作用力方向与焊缝方向正交 b)对接斜焊缝:作用力方向与焊缝方向斜交角焊缝按受力与焊缝方向分:a)端缝:作用力方向与焊缝长度方向垂直 b)侧缝:作用力方向与焊缝长度方向平行c)斜角焊缝(斜缝),第二节 焊接方法和焊缝连接形式,按焊缝连续性:a)连续角焊缝(重要构件):受力较好 b)断续角焊缝(次要构件):易发生应力集中断续角焊缝间断距离l15t(受压)和l
9、30t(受拉),t为较薄件的厚度,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,按施焊位置:平焊(俯焊)、立焊、横焊、仰焊,其中以俯焊施工位置最好,所以焊缝质量也最好,仰焊最差,尽量避免。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,四、焊缝缺陷 常见的焊接缺陷:裂纹、焊瘤、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满。缺陷的存在削弱受力面积,产生应力集中,易产生裂纹。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,五、焊缝质量检验焊缝质量等级:钢结构工程施工质量验收规范(GB50205)对焊缝依其质量检查标准分为一级、二级和三级。焊缝质量检验方法:外观检查(外部尺寸和缺陷)内部检查(内部缺陷):超声波探伤检验(主要)、X射线
10、、射线等(x射线应用广)检验、磁粉(辅助)、荧光检验(辅助)。三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准,即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹,咬边等缺陷;,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,一级焊缝需经外观检查、超声波探伤(检验每条焊缝全部长度)、x射线检验都合格;二级焊缝需外观检查、超声波探伤(检验每条焊缝的20长度,且不小于200mm)合格;焊缝等级的选用:疲劳验算的构件:垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级,受压时为二级;不进行疲劳计算的构件:对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级,受压时宜为二级;三级焊缝的抗拉强度设计值为主体钢材的85%;重级工作制吊车和Q50T的中级工
11、作制的吊车,吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝,不低于二级;角焊缝一般为三级,只对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50T的中级工作制的吊车梁的角焊缝外观质量应符合二级。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,焊接时为保证质量,需要注意之处:(1)对不熟悉的钢种焊接时,需做工艺性能和力学性能的试验;(2)焊工要进行考核,持证上岗;(3)焊条、焊丝、焊剂按规定烘焙;(4)多层焊接需连续施焊,每层焊道之间要清理;(5)焊缝出现裂缝,应申报、查明原因,方能处理。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,返回,六、焊缝代号、螺栓及其孔眼 焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。引
12、出线:横线和带箭头的斜线组成,图形符号和焊脚尺寸标在横线上。图形符号:表示焊缝的基本型式辅助符号:焊缝的辅助要求。螺栓及其孔眼图例见课本表3.3。,返回,第三节 角焊缝的构造与计算,一、角焊缝的构造(1)角焊缝的截面形式:直角角焊缝和斜角角焊缝。)直角焊缝(a)普通焊缝:应力集中较严重(b)平坡焊缝(正面):承受动力荷载时采用(c)深熔焊缝(侧面):承受动力荷载时采用,2)斜角角焊缝(d)斜锐角焊缝(e)斜钝角焊缝(f)斜凹面角焊缝 l 主要用于钢管连接中,(2)正面角焊缝(端焊缝)、侧面角焊缝1)端缝:焊缝垂直于受力方向,其特点为受力后应力状态较复杂,应力集中严重,焊缝根部形成高峰应力,易于
13、开裂。端缝破坏强度要高一些,但塑性差。,2)侧缝:焊缝长度方向与受力方向平行,其特点为应力分布简单些,但弹性工作阶段分布并不均匀,剪应力两端大,中间小。侧缝强度低,但塑性较好,两端出现塑性变形后将产生应力重分布,在规定的长度内应力可趋于均匀。,(3)角焊缝的构造要求角焊缝的几何特征:焊脚尺寸hf(焊缝直角边的边长)和焊缝计算长度lw。焊脚尺寸hf:过小,冷却快,产生淬硬,裂纹;过大,易烧伤、烧穿,热脆区增大,残余应力和残余变形增大。最大焊脚尺寸:hf1.2 tmin;对于构件边缘焊缝,为防咬边,当板件厚度t6mm时,一般取 hf t-(12)mm;当t6mm时,取hf t;tmin为较薄焊件厚
14、。最小角脚尺寸:hf1.5 mm;对于T形连接的单面角焊缝,应增加1mm;当板件厚度t 4mm时,取 hf为焊件厚度;对自动焊可减1mm。,焊缝计算长度lw:太长,两端应力与中间应力相差太大;太短,起落弧太近,局部加热严重。侧面焊缝的最大计算长度:lw 60 hf,当实际长度对于上述数值时,其超过部分在计算中不予考虑;角焊缝的最小计算长度:lw 8 hf,而且不得小于40mm。搭接连接的构造要求:当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时,为了避免应力传递过分弯折而使构件中应力过分不均,应使每条侧焊缝长度大于它们之间的距离,即lw=b。另外为了避免焊缝收缩时引起板件的拱曲过大,还应使b16t(当t12
15、mm)或200mm(当t=12mm)。当不满足规定时,应加正面角焊缝。,在仅用正面焊缝的搭接连接中,搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍及25mm,以减小焊缝收缩而产生的残余应力,以及因传力偏心而产生的附加应力。,所有围焊的转角处必须连续施焊,对非围焊的角焊缝的端部转角处应连续作2hf的转角焊。,角焊缝的构造,二、直角角焊缝的计算公式1、有效高度、有效面积和有效截面 两焊脚边的夹角,焊脚尺寸。破坏截面:假设焊缝破坏截面为有效截面(沿焊脚的角平分面破坏,最小截面)。,2、角焊缝的强度设计值(抗剪条件定)E43系列:E50系列:3、有效截面的应力 垂直于角焊缝有效截面上的正应力;有效截面上垂直于焊缝
16、长度方向的剪应力;有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力。试验研究表明:三个方向应力与焊缝强度间的关系为,4、实用的计算方法:设焊缝承受外力Ny:垂直于lw,沿焊缝长度产生平均应力 不是正应力、剪应力,可分解为Nz:平行于lw,沿焊缝长度产生平均剪应力将 带入得:,如果焊缝承受外力Nx、Ny、Nz,则角焊缝的计算公式为,端焊缝的强度增大系数,对直接承受动力荷载结构中的角焊缝,取1.0;按焊缝有效截面计算,垂直于焊缝长度方向的应力;按焊缝有效截面计算,沿焊缝长度方向的剪应力。,三、角焊缝的计算角焊缝的受力情况:1)轴向力N;2)弯矩M;3)扭矩T;4)弯矩、扭矩、剪力、轴力共同作用。焊缝设计的基本
17、思路:根据构造要求定出hf或lw,代如公式求出lw或hf。焊缝验算的基本思路:找出受力最不利点进行验算。验算步骤:1)选受力最不利点;2)分别分析每个外力对此点所产生的应力情况、;3)把所有应力同性质叠加得、4)代入公式验算,端缝、侧缝在轴向力作用下的计算:当焊件受轴心力,且轴心力通过连接角焊缝群的中心时,焊缝的应力可认为是均匀分布。(1)仅有端缝时 垂直于焊缝长度方向的应力;he 角焊缝有效厚度;lw 角焊缝计算长度,每条角焊缝取实际长度 减2hf(每端减hf);ffw 角焊缝强度设计值;f 端焊缝的强度增大系数,对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构,f=1.22;直接承受动力荷载 f=1
18、.0。(2)仅有侧缝时 f 沿焊缝长度方向的剪应力。,(3)当外力和角焊缝长度方向成夹角时的斜焊缝计算:可直接用斜焊缝的强度设计值增大系数,这时,整理得:,则,令,直接承受动力荷载结构,=1,(4)用盖板的对接连接采用三面围焊时a、矩形盖板:先计算一侧正面角焊缝所能承担的内力 再设计侧面角焊缝b、菱形盖板:减小拼接板转角处的应力集中。菱形盖板的正面角焊的较短,简化计算,不考虑焊缝应力方向,按下式计算:,2.角钢杆件与节点板焊接连接,承受轴向力N:(1)角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算 K1、K2焊缝内力分配系数;N1、N2 分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。,(2)角钢用三面围焊与节点板连
19、接的焊缝计算 先选择正面角焊缝的hf,求出端部正面角焊缝能传递的内力 由平衡条件求出侧缝各分担的力,为了使连接的构造合理,肢背和肢尖可采用不同的焊脚尺寸,这样可便肢背和肢尖的焊缝长度接近相等。,(3)角钢用“L”型焊缝与节点板连接的焊缝计算 由 N2=0得:,例:如图所示,角钢与节点板采用两边侧焊缝连接,承受静拉力设计值660KN,角钢为2110 x10,节点板厚度t1=12mm,钢材为Q235钢,焊条型号为E43系列,焊缝强度设计值ffw=160N/mm2,hf=8mm,试确定所需角焊缝的实际长度。,解:焊缝受力:N=660kN;焊脚尺寸构造要求:1.5,1.5,故;肢尖故 满足要求。,肢尖
20、部分最不利点的应力:满足要求。肢背部分最不利点的应力:取满足要求,3.弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接(T形)连接角焊缝:弯矩M作用下,x方向应力 剪力作用下,y方向应力轴力N作用下x方向应力,M、V和N共同作用下,焊缝上或下端点最危险处应满足:式中:,如果只承受上述M、N、V的某一、两种荷载时,只取其相应的应力进行验算。,计算角焊缝连接中的hf。已知连接承受动荷载,钢材为 Q235BF,焊条为E43型,F1=180kN,F2=240kN,图中尺寸单位为:mm。解:将外力F1,F2 移向焊缝形心O,得:N在焊缝中产生均匀分布的V在焊缝中产生均匀分布的,连接承受动力荷载,f=1.0,则:,解得:
21、,4.牛腿在弯矩M、剪力V共同作用下的角焊缝连接计算:MVe 翼缘竖向刚度较差,不能承受剪力,所以假设全部剪力均由腹板的竖向焊缝承受,弯矩由翼缘与腹板角焊缝共同承受。点1:点2:点3:,对工字梁与柱连接的另一种计算方法:假设腹板焊缝只承受剪力,翼缘焊缝承担全部弯矩,并将弯矩化为一对水平力H=M/h。,5.扭矩、剪力、轴力共同作用下搭接连接角焊缝,扭矩T作用下各点应力计算(以A点为例):Ip=Ix+Iy为焊缝计算截面对形心的极惯性矩,rx、ry为焊缝角点到焊缝形心的坐标距离。,V作用下剪应力均匀分布(A点):N作用下A点剪应力 A点合应力:满足注意:计算时需判断最不利受力点!计算方法较近似。,返
22、回,一围焊缝连接,已知:l1=200mm,l2=300mm,e=80mm,hf=8mm,F=370kN,Ix=6300cm4,Iy=1710cm4,,。试验算该连接是否安全。解:将F移向焊缝形心O,三面围焊缝受力:在计算焊缝的面积和其极惯性矩时,近似取 l1 和 l2 为其计算长度,即既不考虑焊缝的实际长度稍大于 l1 和 l2,也不扣除水平焊缝的两端缺陷16mm。焊缝截面面积:在N力作用下,焊缝各点受力均匀;在T作用下,水平焊缝右边两个端点产生的应力最大,但在右上端点其应力的水平分量与N力产生的同方向,因而该焊缝在外力F作用下,该点最危险。,由N在水平焊缝右上端点产生的应力为:由扭矩T在该点
23、产生的应力的水平分为:由T在该点产生的应力的垂直分量为:代入强度条件:该连接安全。,6、斜角角焊缝的计算 对于斜角焊缝的强度仍按式计算,1)不考虑焊缝方向,取为1.0。2)焊缝有效厚度:当焊缝根部间隙不大于1.5mm时 当焊缝根部间隙大于1.5mm小于5mm时,返回,第四节 对接焊缝的构造与计算,一、对接焊缝的构造 对接焊缝又称坡口焊缝,在施焊时,焊件间须具有适合于焊条运转的空间,故一般均将焊件边缘加工成坡口,焊缝则焊在两焊件的坡口面之间,或一焊件的坡口与另一焊件的表面之间。1.对接焊缝的优缺点 优点:对接焊缝传力直接、平顺、没有显著的应力集中现象,因而受力性能良好,对于承受静、动载的构件连接
24、都适用;不需拼接板,用料经济。缺点:由于对接焊缝的质量要求较高,焊件之间施焊间隙要求较严,需剖口,焊件长度要精确。一般多用于工厂制造的连接中。,2、对接焊缝的形式:根据板厚和施工条件选用。a)直边缝:适合板厚t 10mm b)单边V形:适合板厚t 1020mm c)双边V形:适合板厚t 1020mm d)U形:适合板厚t 20mme)K形:适合板厚t 20mm f)X形:适合板厚t 20mm,对于v形和u形缝的跟部还需要清除焊根,并进行补焊;没有条件清根和补焊者,要事先加垫板。,3.对接焊缝的构造处理(1)起落弧处易有焊接缺陷,所以用引弧板。但采用引弧板施工复杂,除承受动力荷载外,一般不用,计
25、算时将焊缝长度两端各减去tmin。,(2)在对接焊缝的拼接处:当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差相差4mm以上时,应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧切成坡度不大于1:2.5的斜角;当厚度不同时,焊缝坡口形式应根据叫薄焊件厚度选取。直接承受动力荷载且需要验算疲劳强度的,斜面坡度不大于1:4。,第四节 对接焊缝的构造与计算,(3)钢板用纵横十字交叉或T形交叉焊缝拼接钢板的拼接,当采用对接焊缝时,纵横两方向可采用十字形交叉或T形交叉。当为T形交叉时,交叉点的间距a不小于200mm。,4.对接焊缝的强度与钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准有关。有引弧板的对接焊缝在受压、受剪时与母材等强,但焊缝
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