钢结构第3-2章

1、钢结构设计原理巴黎圣母院第三章 钢结构的连接3.1 钢结构的连接方法3.2 焊缝和焊缝连接的形式3.3 焊缝缺陷和质量检验3.4 角焊缝的构造和计算3.5 对接焊缝的构造和计算3.6 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形3.7 螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算3.9 高强度螺栓连接的计算(作业）3.7 普通螺栓连接的构造(1/2)一、普通螺栓连接的构造：一、普通螺栓连接的构造： 1.1.通用规格：通用规格：M16M16、M20M20、M24M24、M30M30等；等； 可用规格：可用规格：M22M22、M27M27等。等。 2.2.同一结构中尽可

2、能采用同一结构中尽可能采用1 1种螺栓，确需也可种螺栓，确需也可2 2种，种， 偶尔采用偶尔采用3 3种螺栓。种螺栓。 3.3.螺栓的排列有螺栓的排列有并列式并列式和和错列式错列式两种基本形式。两种基本形式。 并列式排列简单，但栓孔对截面削弱多；并列式排列简单，但栓孔对截面削弱多； 错列式栓孔对截面削弱少，但排列复杂。错列式栓孔对截面削弱少，但排列复杂。 3.7 普通螺栓连接的构造(2/2) 4.4.螺栓间距及螺栓边距不应太小也不应太大。螺栓间距及螺栓边距不应太小也不应太大。 太小太小-连接钢板的截面削弱太多，钢板可能被剪断；连接钢板的截面削弱太多，钢板可能被剪断； 同时，也不利于扳手操作。同

3、时，也不利于扳手操作。 太大太大-连接钢板不易被夹紧，容易锈蚀；连接钢板不易被夹紧，容易锈蚀； 同时，也容易引起钢板鼓曲。同时，也容易引起钢板鼓曲。 因此，因此，规范规范规定了螺栓间距及边距的最大和最小规定了螺栓间距及边距的最大和最小限值。见限值。见P75P75表格。表格。 5.5.其他构造要求。其他构造要求。二二. .螺栓、螺栓孔图例：螺栓、螺栓孔图例： 见见P77P77，表，表3-73-7。3.8 普通螺栓连接的计算(1/3)一、普通螺栓的抗剪连接：一、普通螺栓的抗剪连接： 1.1.工作性能工作性能 a.a.：当剪力很小时，摩擦阻力传力；：当剪力很小时，摩擦阻力传力； b.b.：摩擦力被克

4、服后，螺栓接触孔壁而相：摩擦力被克服后，螺栓接触孔壁而相互挤压，螺杆受剪；互挤压，螺杆受剪； c.c.：剪力主要靠螺栓杆和孔壁间的挤压力传：剪力主要靠螺栓杆和孔壁间的挤压力传递，随着外力的增大，螺栓或连件开始发展塑性变形；递，随着外力的增大，螺栓或连件开始发展塑性变形；弹塑性阶段后，各螺栓受力趋于相等，直至破坏。弹塑性阶段后，各螺栓受力趋于相等，直至破坏。 因此可以认为，当外力作用于螺栓群中心时，各螺栓受因此可以认为，当外力作用于螺栓群中心时，各螺栓受力相等。同时忽略摩擦力的抵抗。力相等。同时忽略摩擦力的抵抗。3.8 普通螺栓连接构造和计算(2/3)2.2.抗剪螺栓破坏的抗剪螺栓破坏的5 5种

5、可能形式：种可能形式： . .栓杆剪坏栓杆剪坏杆径很小时；杆径很小时； . .孔壁挤坏孔壁挤坏板件很薄时；板件很薄时； . .构件拉断构件拉断栓孔太密时；栓孔太密时； . .构件端距区域剪坏构件端距区域剪坏端距不足时；端距不足时； . .螺杆弯曲螺杆弯曲螺杆太长时。螺杆太长时。 上述五种破坏形式中：上述五种破坏形式中： 第第1 1、2 2种通过连接计算加以防止；种通过连接计算加以防止； 第第3 3种通过构件强度计算加以防止；种通过构件强度计算加以防止； 第第4 4、5 5种通过构造措施加以防止。种通过构造措施加以防止。3.8 普通螺栓连接构造和计算(3/3)3.3.单栓抗剪承载力：单栓抗剪承载

6、力： 一个受剪螺栓的承载力设计值为：一个受剪螺栓的承载力设计值为： 受剪承载力设计值：受剪承载力设计值：N Nv vb b= =nv v(d d2 2/ /4 4)f fv vb b 承压承载力设计值：承压承载力设计值：N Nc cb b= =dt tf fc cb b 单个受剪螺栓的承载力设计值应取单个受剪螺栓的承载力设计值应取N Nv vb b和和N Nc cb b中的小者：中的小者： N Nminminb b = = minN Nv vb b、N Nc cb b4.4.受剪螺栓连接受轴心剪力作用的计算：受剪螺栓连接受轴心剪力作用的计算： . .求连接所需螺栓数目：求连接所需螺栓数目： n

7、NN/ /N Nminminb b . .验算净截面强度：验算净截面强度： =N/ /An nf 式中关键要搞清式中关键要搞清A An n的位置和对应的位置和对应N N的大小。的大小。例题题目 两截面为两截面为14x40014x400的钢板，采用双盖板和的钢板，采用双盖板和C C级普通螺栓级普通螺栓拼接，螺栓拼接，螺栓M20M20，孔径，孔径d d0 0=21.5mm=21.5mm，钢材，钢材Q235Q235，剪切边，剪切边，承受轴心拉力设计值为承受轴心拉力设计值为N=940KN,N=940KN,试设计此连接。试设计此连接。例题解(1/3) 解：解：1.1.确定盖板截面：确定盖板截面： 选盖板

8、截面为选盖板截面为-8x400-8x400，可保证盖板截面积不小于主，可保证盖板截面积不小于主材钢板的截面积材钢板的截面积14x40014x400。2.2.确定螺栓数目：确定螺栓数目： 由由规范规范查得：查得：fv vb b=140N=140N/ /mmmm2 2 fc cb b=305N=305N/ /mmmm2 2 单个螺栓抗剪：单个螺栓抗剪： N Nv vb b= =nv v(d d2 2/ /4 4)f fv vb b=2x=2x(20202 2/ /4 4)x140=87920(N) 单个螺栓承压：单个螺栓承压： N Nc cb b= =dt tf fc cb b=20 x14x30

9、5=20 x14x305=85400(N) 则，节点一侧所需则，节点一侧所需螺栓数目为：螺栓数目为： n=N/N=N/Nminminb b=940 x10=940 x103 3/85400=11.01(/85400=11.01(个个) ) 取取n=12=12个。个。例题解(2/3) 3.3.螺栓排列布置，并检验构造要求：螺栓排列布置，并检验构造要求： 螺栓布置见图。盖板尺寸确定为螺栓布置见图。盖板尺寸确定为2 2块块-8x400 x490-8x400 x490。 检验螺栓的中距、边距、端距：检验螺栓的中距、边距、端距： 中距：中距： 3d3d0e emminmin8d8d0,12t ,12t

10、或或 minmin16d16d0,24t,24t 端距：端距： 2d2d0e eeminmin4d4d0,8t,8t 边距：边距：1.5d1.5d0e esminmin4d4d0,8t,8t将将d d0=21.5，t=8带入上式，不等式均满足，排列构造满足。带入上式，不等式均满足，排列构造满足。例题解(3/3) 4.4.验算钢板的净截面强度：验算钢板的净截面强度： 比较知主材板比盖板的截面积小，更不利。比较知主材板比盖板的截面积小，更不利。 故，验算故，验算IIII截面处的主材板强度：截面处的主材板强度： An=(b-n1d0)t=(400-4x21.5)x14=4396(mm2) =N/An

11、=940 x103/4396=214(N/mmN/mm2 2) f=215N/mmN/mm2 2结论：该连接安全。结论：该连接安全。3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(1/10)(1/10)二、普通螺栓的抗拉连接：二、普通螺栓的抗拉连接：1.1.单栓抗拉承载力：单栓抗拉承载力： 抗拉螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断。抗拉螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断。 一个抗拉螺栓的承载力设计值为：一个抗拉螺栓的承载力设计值为： N Nt tb b= =(d de e2 2/ /4 4)f ft tb b ( (有效截面积见附录有效截面积见附录8 8） 关于撬力：关于撬力： 撬力的大小与连接件的刚度有

12、关。撬力的大小与连接件的刚度有关。 准确计算撬力很复杂，规范简化为取准确计算撬力很复杂，规范简化为取ftb=0.8f，以考，以考虑撬力不利影响。虑撬力不利影响。2.2.轴心拉力作用下的普通栓群计算：轴心拉力作用下的普通栓群计算： 假定每个螺栓平均受力，则连接所需螺栓数目为：假定每个螺栓平均受力，则连接所需螺栓数目为： n=Nn=N/ /N Nt tb b N- N-作用于螺栓群的轴心拉力设计值。作用于螺栓群的轴心拉力设计值。3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(2/10)(2/10)二、普通螺栓的抗拉连接：二、普通螺栓的抗拉连接：3.3.弯距作用的普通螺栓群计算：弯距作用的普通螺栓群计

13、算： 首先要找到中和轴。首先要找到中和轴。 弯距引起的拉应力由螺栓承担；压应力由钢板间接触弯距引起的拉应力由螺栓承担；压应力由钢板间接触挤压传递。挤压传递。 螺栓群的截面积小，而积压区的面积大。螺栓群的截面积小，而积压区的面积大。 故，中和轴在弯距指向侧最外排螺栓内侧。故，中和轴在弯距指向侧最外排螺栓内侧。 精确找到很其位置不容易，偏安全地假定和最外排螺精确找到很其位置不容易，偏安全地假定和最外排螺栓中心线重合。栓中心线重合。3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(3/10)(3/10)二、普通螺栓的抗拉连接：二、普通螺栓的抗拉连接：3.3.弯距作用的普通螺栓群计算：弯距作用的普通螺栓群

14、计算：3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(4/10)(4/10)二、普通螺栓的抗拉连接：二、普通螺栓的抗拉连接：3.3.弯距作用的普通螺栓群计算：弯距作用的普通螺栓群计算： N N1 1/ /y y1 1 = N= N2 2/ /y y2 2 = = = N= Ni i/ /y yi i = = = N= Nn n/ /y yn n M = N M = N1 1y y1 1 + N+ N2 2y y2 2 + + + N+ Ni iy yi i + + + N+ Nn ny yn n =(N =(N1 1/ /y y1 1) )y y1 12 2 +(N+(N2 2/ /y y2 2

15、) )y y2 22 2 + +(N+(Ni i/ /y yi i) )y yi i2 2 + + +(N +(Nn n/ /y yn n) )y yn n2 2 =(N =(Ni i/ /y yi i) )yyi i2 2 可得，螺栓可得，螺栓i i的拉力为：的拉力为：N Ni i=(M=(My yi i) )/ /yyi i2 2 弯距背向侧的第一排螺栓承受的拉力最大，为保证连弯距背向侧的第一排螺栓承受的拉力最大，为保证连接安全需：接安全需： N N1 1NNt tb b3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(5/10)(5/10)4.4.弯距和拉力共同作用的普通螺栓群计算：弯距和拉

16、力共同作用的普通螺栓群计算： 分为小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。分为小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。 A A、小偏心受拉：、小偏心受拉：3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(6/10)(6/10) A、小偏心受拉：、小偏心受拉： Nmax=(N/ /n)+(M y1/ /yi2)Ntb Nmin=(N/ /n)- (M y1/ /yi2)0 其中其中M=N e 由第二式知，为了由第二式知，为了Nmin0，需：，需： eyi2/ /(n y1) 此式，可作为判定大小偏压的界限。此式，可作为判定大小偏压的界限。3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(7/10)(7/10) B、大偏

17、心受拉：、大偏心受拉： 当当eyi2/ /(n y1)时，时，Nmin0 ，即螺栓出现压应力。，即螺栓出现压应力。 但螺栓不能传递压力，压力仅靠钢板接触挤压传递。但螺栓不能传递压力，压力仅靠钢板接触挤压传递。 此时，中和轴在压区外排螺栓内侧的某点，偏安全地假此时，中和轴在压区外排螺栓内侧的某点，偏安全地假定和最外排螺栓中心线重合。定和最外排螺栓中心线重合。 类似于纯弯：类似于纯弯： Nmax=N1=(My1)/ /yi2=(N e1y1)/ /yi2Ntb3.8 普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算(8/10)(8/10) 例题【例题【3-16】，见】，见P87。 明确理解螺栓群承担的外力类型

18、，是本题关键。明确理解螺栓群承担的外力类型，是本题关键。 注意注意Ae见附录见附录8。例题【例题【3-17】，见】，见P88。 首先验证属于小偏拉还是大偏拉。首先验证属于小偏拉还是大偏拉。 读懂图纸，读懂图纸，b图中的图中的y1、y2、y3需对照需对照a图找出。图找出。例题【例题【3-18】，见】，见P88。 需特别注意大小偏拉中和轴位置的不同，所有需特别注意大小偏拉中和轴位置的不同，所有y值，值， 都是螺栓到中和轴的距离。都是螺栓到中和轴的距离。这这3个例题，貌似简单，是因为题目提供了螺栓布置，个例题，貌似简单，是因为题目提供了螺栓布置，但实际工程中，需自己先假定螺栓布置，较烦琐。但实际工程

19、中，需自己先假定螺栓布置，较烦琐。3.8 普通螺栓连接和计算普通螺栓连接和计算(9/10)(9/10)三、普通螺栓连接受剪力和拉力的共同作用：三、普通螺栓连接受剪力和拉力的共同作用： 螺栓群受剪力螺栓群受剪力V V、轴心拉力、轴心拉力N N和弯矩和弯矩M M的共同作用时，的共同作用时，在螺栓中实际上只产生二种应力：剪应力和拉应力。在螺栓中实际上只产生二种应力：剪应力和拉应力。 而压力是由钢板间的接触应力传递，与螺栓无关。而压力是由钢板间的接触应力传递，与螺栓无关。 剪应力和拉应力共同作用时，可能的破坏形式为：剪应力和拉应力共同作用时，可能的破坏形式为： 栓杆受剪兼受拉破坏栓杆受剪兼受拉破坏 孔

20、壁承压破坏孔壁承压破坏3.8 普通螺栓连接和计算普通螺栓连接和计算(10/10)(10/10) 相应的验算公式为：相应的验算公式为： (NV/ /NVb)2+(Nt/ /Ntb)21/21 NVNcb NV一个螺栓承受的剪力设计值；一个螺栓承受的剪力设计值； Nt受拉力最大螺栓的拉力设计值。受拉力最大螺栓的拉力设计值。 第第1式，保证了螺栓杆在式，保证了螺栓杆在V和和N共同作用下的安全；共同作用下的安全； 第第2式，保证了孔壁承压的安全。式，保证了孔壁承压的安全。 因因C级螺栓的抗剪性能较差，应尽量设置承托板来承级螺栓的抗剪性能较差，应尽量设置承托板来承受剪力受剪力V。剪力较小的情况除外。剪力

21、较小的情况除外。3.9 高强度螺栓连接高强度螺栓连接(1/5)(1/5)一、工作性能：一、工作性能：1.与普通螺栓的区别：与普通螺栓的区别： 普栓普栓预拉力小，栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力；预拉力小，栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力； 高强栓高强栓预拉力大，板件间有很大的摩擦力。预拉力大，板件间有很大的摩擦力。2.高强度螺栓的连接分二种：摩擦型连接、承压型连接。高强度螺栓的连接分二种：摩擦型连接、承压型连接。 摩擦型连接：仅考虑板件间的摩擦力传递剪力；摩擦型连接：仅考虑板件间的摩擦力传递剪力； 承压型连接：剪力较小时，摩擦力传递；随着剪力承压型连接：剪力较小时，摩擦力传递；随着剪力增大，摩擦力力被

22、克服，此时靠栓杆抗剪和承压传递增大，摩擦力力被克服，此时靠栓杆抗剪和承压传递剪力。计算时，直接计算栓杆抗剪和承压，与普栓相剪力。计算时，直接计算栓杆抗剪和承压，与普栓相同。同。3.9 高强度螺栓连接高强度螺栓连接(2/5)(2/5)3.高强度螺栓的预拉力：高强度螺栓的预拉力： P92，表，表3-8。注意单位为。注意单位为KN。 P值需在图纸中注明。值需在图纸中注明。 其值约为其值约为 P = 62%Aefu4.抗滑移系数抗滑移系数：与钢板表面的处理有关。：与钢板表面的处理有关。 P92，表，表3-9。值需在图纸中注明。值需在图纸中注明。 注意，严禁在摩擦面上涂漆；不应雨天安装。注意，严禁在摩擦

23、面上涂漆；不应雨天安装。5.高强度螺栓的栓孔：高强度螺栓的栓孔： 高强度螺栓孔应采用钻成孔。高强度螺栓孔应采用钻成孔。 摩擦型连接孔径：摩擦型连接孔径：d0=d+(1.52)mm (以以M20分界分界) 承压型连接孔径：承压型连接孔径：d0=d+(11.5)mm (以以M20分界分界)3.9 高强度螺栓连接高强度螺栓连接(3/5)(3/5)二、单栓抗剪承载力：二、单栓抗剪承载力： 1.摩擦型连接：摩擦型连接： 以板件间发生相对滑动作为抗剪承载力的极限状态。以板件间发生相对滑动作为抗剪承载力的极限状态。 即，一经滑动就认为连接已经破坏。即，一经滑动就认为连接已经破坏。 NVb=0.9nf P 0

24、.9抗力分项系数的倒数；抗力分项系数的倒数； nf 传力摩擦面数目；传力摩擦面数目； 摩擦面抗滑移系数，按表摩擦面抗滑移系数，按表3-9； P单栓设计预拉力，按表单栓设计预拉力，按表3-8。3.9 高强度螺栓连接高强度螺栓连接(4/5)(4/5) 2.承压型连接：承压型连接： NVb=nV(de2/4)fVb Ncb=dtfcb 公式与普栓连接相同，但公式与普栓连接相同，但fVb、fcb取高强螺栓的值；取高强螺栓的值； 截面积取值有时不同于普栓，而取有效截面面积。截面积取值有时不同于普栓，而取有效截面面积。（是指剪切面在螺纹处）（是指剪切面在螺纹处）三、单栓抗拉承载力：三、单栓抗拉承载力： 1

25、.摩擦型连接：摩擦型连接： Ntb=0.8P 2.承压型连接：承压型连接： Ntb=(de2/4)ftb 高强栓承压型连接的计算类似于普栓计算，不再赘述。高强栓承压型连接的计算类似于普栓计算，不再赘述。3.9 高强度螺栓连接高强度螺栓连接(5/5)(5/5)四、高强栓同时承受剪力和拉力的计算：四、高强栓同时承受剪力和拉力的计算： 1.摩擦型连接：考虑拉力会降低钢板间的摩擦力以及摩擦型连接：考虑拉力会降低钢板间的摩擦力以及必要的分项系数等因素，得到验算公式：必要的分项系数等因素，得到验算公式： (Nv/ /Nvb)+(Nt/ /Ntb)1 2.承压型连接：承压型连接： (NV/ /NVb)2+(

26、Nt/ /Ntb)21/21 (同普栓同普栓) NVNcb/ /1.2 (严于普栓严于普栓) 第第1式，保证了螺栓杆在式，保证了螺栓杆在V和和N共同作用下的安全；共同作用下的安全； 第第2式，保证了孔壁承压的安全。式，保证了孔壁承压的安全。 所有类型螺栓单栓承载力计算公式，见所有类型螺栓单栓承载力计算公式，见P96表格。表格。例题例题【3-203-20】(1/4)(1/4) 一一. .采用摩擦型连接：采用摩擦型连接：1.1.单栓抗剪承载力：单栓抗剪承载力： N NV Vb b= =0.9n nf fP P=0.9x2x0.45x125=101(KN)2.2.节点一侧所需节点一侧所需螺栓数目：螺栓数目： n=N/N=N/NV Vb b=800/101=7.9(=800/101=7.9(个个) ) 取取n=8=8个。个。3.3.布置并检验栓群构造要求：布置并检验栓群构造要求： 螺栓布置见图。螺栓布置见图。 检验螺栓的中距、边距、端距：检验螺栓的中距、边距、端距： 中距：中距：3d3d0e emminmin8d8d0,12t,12t 端距：端距：2d2d0e eeminmin4d4d0,8t,8t 边距：边距：1.5d1.5d0e esminmin4d4d0,8t,8t 将将d d0=21.5，t=12带入上式，不等式均满足，带入