【学习课件】钢结构基本原理及 焊接残余应力和焊接变形

1、钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 焊接残余应力简称焊接应力焊接残余应力简称焊接应力 1. 现象现象 2. 成因成因钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 （1）焊缝出现不均匀温度场）焊缝出现不均匀温度场 焊缝附近温度最高，可高达焊缝附近温度最高，可高达1600度以上度以上 在焊缝区以外，温度则急剧下降在焊缝区以外，温度则急剧下降钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平面变形前的平截面，变形后仍保持平面)而受到其相而受到其相邻较低温度区的约束，使焊

2、缝区产生纵向压应力。邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。热应力互相阻碍热应力互相阻碍钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（3）由于钢材在）由于钢材在600以上时呈塑性状态以上时呈塑性状态(热塑性状热塑性状 态态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失时不能恢复时不能恢复应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名焊接残余应力焊接残余应力。q235钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈钢等低合金钢焊接

3、后的残余拉应力常可高达其屈服点。服点。残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面内的应力，因而截面上的内的应力，因而截面上的残余应力自相平衡残余应力自相平衡。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（1）纵向焊接应力）纵向焊接应力 3. 分类分类 纵向焊接应力纵向焊接应力 横向焊接应力横向焊接应力 沿厚度方向的焊接应力沿厚度方向的焊接应力 （2）横向焊接应力）横向焊接应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计两部分组成：两部分组成： 其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊缝切开，由于焊

4、缝的纵向收缩，两块钢板产生如图缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图(a)中虚线中虚线所示的弯曲变形。所示的弯曲变形。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力，因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力，而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图(b)所示。所示。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却焊先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区

5、限制了后冷却焊缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。所示。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计最后的横向焊接残余应力当为两者即图最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图和图(c)的叠加，的叠加，如图如图(d)所示。所示。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（3）厚度方向的焊接应力厚度方向的焊接应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1. 焊接不均匀的加热焊接不均匀的加热 焊接区产生热塑性压缩变形焊接区产生热塑性压缩变形 冷却时焊接区要在纵向和横向收缩冷却时焊接区要在纵向和横向收缩

6、构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转2. 焊接残余变形焊接残余变形 纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等焊接后残余在结构的变形叫做焊接焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。残余变形。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计纵向收缩变形和横向收缩变形纵向收缩变形和横向收缩变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形焊缝横向收缩所引起的角变形焊缝横向收缩所引起的角变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须减小钢结

7、构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须共同考虑的问题，必须从设计和工艺两方面来解决。共同考虑的问题，必须从设计和工艺两方面来解决。波浪式变形波浪式变形扭曲变形扭曲变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计后冷处形成残余拉应力后冷处形成残余拉应力后冷处形成收缩变形后冷处形成收缩变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1. 对结构静力强度的影响对结构静力强度的影响 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计焊接应力自相平衡焊接应力自相平衡受拉区应力面积受拉区应力面积at受压区应力面积受压区应力面积ac即即at=ac=btfy。截面达到屈服点截面达到屈服点fy时所承受的外力时所承受的外力 ()y

8、cyynabb tfbtf焊接应力不影响结构的强度焊接应力不影响结构的强度2. 对结构刚度的影响对结构刚度的影响 焊接应力降低结构的刚度。焊接应力降低结构的刚度。 残余应力的拉杆的抗拉刚度为残余应力的拉杆的抗拉刚度为 （b-b）te， 而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为 bte3. 残余应力影响压杆稳定性残余应力影响压杆稳定性 有效面积、有效惯性矩有效面积、有效惯性矩钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计4. 对低温冷脆的影响对低温冷脆的影响 焊接残余应力对低温冷脆影响焊接残余应力对低温冷脆影响 厚板和具有严重缺陷的焊缝中，厚板和具有严重缺陷的焊

9、缝中， 以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形 的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计5. 对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。 多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力多轴残余效应力将进一

10、步降低疲劳应力. 构件安装困难构件安装困难 矫正矫正 影响尺寸和外形影响尺寸和外形 初偏心初偏心 初弯曲初弯曲 可能降低结构的承载能力可能降低结构的承载能力 附加内力附加内力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式）合理的选择焊缝的尺寸和形式满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的hf加大加大焊缝长度。焊缝长度。不要因考虑不要因考虑“安全安全”而任意加大超过计算所需要的而任意加大超过计算所需要的焊缝尺寸。焊缝尺寸。 （2）尽可能能减少不必要的焊缝）尽可能能减少不必要的焊缝 采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，不但增加了采用薄板，

11、不适当地大量采用加劲肋，不但增加了装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（3）合理地安排焊缝的位置）合理地安排焊缝的位置安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，（4 4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残余变形和尽量避免三向焊缝相交。余变形和尽量避免三向焊缝相交。 三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续钢结构基本原

12、理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。 （6）肋板不宜带锐角）肋板不宜带锐角 焊缝不宜过分集中焊缝不宜过分集中 板宽不同板宽不同 避免仰焊避免仰焊钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（1 1）采用）采用合理的焊接顺序合理的焊接顺序和方向。和方向。 先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，先先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝，使焊缝有较大的横焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝，使焊缝有较大的横向收缩余地。向收缩余地。钢结构基本原理及设计钢结构

13、基本原理及设计 采用适当的焊接顺序和方向。采用适当的焊接顺序和方向。例如采用对称焊，分段退焊例如采用对称焊，分段退焊(即分段焊接，每段施焊方向与即分段焊接，每段施焊方向与焊接推进的总方向相反焊接推进的总方向相反)、跳焊、多层多道焊等，使各次焊、跳焊、多层多道焊等，使各次焊接的残余应力和变形的方向相反和互相抵消。接的残余应力和变形的方向相反和互相抵消。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（3）锤击锤击或辗压焊缝或辗压焊缝（4）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。左右，然后缓慢冷却，可以消除

14、焊接应力和焊接变形。（2）采用）采用反变形法反变形法减小焊接变形或焊接应力。减小焊接变形或焊接应力。 （5）局部加热局部加热（6）退火法退火法 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求：螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求： （1）受力要求）受力要求 （2）构造要求）构造要求 （3）施工要求）施工要求 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计l1（1）受力要求：端距与栓距过大过小都不好，受压时栓距过）受力要求：端距与栓距过大过小都不好，受压时栓距过大板件易发生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉时端距或栓大板件易发生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉

15、时端距或栓距过小板件易剪切破坏。距过小板件易剪切破坏。（2）构造要求：栓距过大则构件接触面不够紧密，潮气易于）构造要求：栓距过大则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而发生锈蚀。侵入缝隙而发生锈蚀。（3）施工要求：保证一定空间转动扳手。）施工要求：保证一定空间转动扳手。螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计（1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数一端，永久性螺栓数不宜少于两个不宜少于两个。（2）对

16、直接承受动力荷载的普通螺栓连接应）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或采用双螺帽或其他防止螺帽松动其他防止螺帽松动的有效措施。的有效措施。弹簧垫圈弹簧垫圈（3）由于）由于c级螺栓与孔壁有较大间隙，级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用c级螺级螺栓受剪。栓受剪。（4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板） 加肋板加肋板 减少撬力减少撬

17、力 加强刚度加强刚度钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计按受力情况可分为三类：按受力情况可分为三类： 螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力作用。剪力作用。1. 四个阶段：四个阶段：（1）摩擦传力的）摩擦传力的 弹性阶段弹性阶段 （2）滑移阶段）滑移阶段 （3）栓杆传力弹）栓杆传力弹 性阶段性阶段（4）弹塑性阶段）弹塑性阶段钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计注意受剪螺栓与受拉螺栓的区别：注意受剪螺栓与受拉螺栓的区别：螺栓受拉螺栓受拉螺栓受拉且受剪螺栓受拉且受剪螺栓受剪螺栓受剪钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2. 抗剪螺

18、栓连接根据被连接钢板的组合情况，通常有单剪抗剪螺栓连接根据被连接钢板的组合情况，通常有单剪和双剪两种受力型式。和双剪两种受力型式。(1)当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓杆剪切破坏。杆剪切破坏。3. 破坏形式破坏形式钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 (2) 当螺栓直径较粗而被连接钢材较薄时，孔壁可能当螺栓直径较粗而被连接钢材较薄时，孔壁可能在螺栓杆局部承压或挤压下产生较大挤压应力和塑性变在螺栓杆局部承压或挤压下产生较大挤压应力和塑性变形，最终导致螺栓孔拉长，称为挤压破坏。形，最终导致螺栓孔拉长，称为挤压破坏。 (3) 当螺栓孔距

19、板端距离较小时，导致板端沿最大剪当螺栓孔距板端距离较小时，导致板端沿最大剪应力方向剪断。称为冲剪破坏。应力方向剪断。称为冲剪破坏。 (4) 当构件开孔较多使截面削弱较大时，可能发生构件当构件开孔较多使截面削弱较大时，可能发生构件沿净截面的强度破坏。沿净截面的强度破坏。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计破坏形式有：破坏形式有：栓杆直径较小，板件较厚时，栓杆直径较小，板件较厚时，栓杆栓杆被被剪断剪断；当栓杆直径较大，板件较薄时，当栓杆直径较大，板件较薄时，板件可能先被挤坏板件可能先被挤坏，栓，栓杆和板件挤压是相对的，叫做螺栓承压破坏；杆和板件挤压是相对的，叫做螺栓承压破坏；端距太小，端距范围

20、内的板件有可能被栓杆端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏；冲剪破坏；板件板件可能因螺栓孔削弱太多而被可能因螺栓孔削弱太多而被拉断拉断。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计通常情况下，采用构造措施避免端板被剪坏。构造措施通常情况下，采用构造措施避免端板被剪坏。构造措施如下：如下：螺栓孔端距满足螺栓孔端距满足l12d0，以免板端被剪坏。，以免板端被剪坏。对抗剪普通螺栓连接一般应计算对抗剪普通螺栓连接一般应计算a. 螺栓杆抗剪强度螺栓杆抗剪强度 b. 孔壁承压强度孔壁承压强度 c. 验算构件的净截验算构件的净截面强度面强度钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计计算假定：计算假定： 栓

21、杆受剪计算时，螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布；栓杆受剪计算时，螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布； 孔壁承压计算时，挤压力沿栓杆直径平面均匀分布。孔壁承压计算时，挤压力沿栓杆直径平面均匀分布。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2()4bbvvvnndfbbccndt fminmin(,)bbbvvcnnn一个抗剪普通螺栓的承载力设计值一个抗剪普通螺栓的承载力设计值nvbmin应按抗剪承载应按抗剪承载力设计值力设计值nvb和承压承载力设计值和承压承载力设计值ncb的较小值采用，即：的较小值采用，即：受剪承载力设计值：受剪承载力设计值： 承压承载力设计值：承压承载力设计值： 钢结构基本原理及设

22、计钢结构基本原理及设计其中螺栓抗剪强度设计值其中螺栓抗剪强度设计值 fvb只取决于螺栓钢材，一般只取决于螺栓钢材，一般用用q235钢钢孔壁承压强度设计值孔壁承压强度设计值 fcb只取决于构件钢材，其值按螺只取决于构件钢材，其值按螺栓端距等于栓端距等于2倍孔径倍孔径(构造要求最小值构造要求最小值)控制确定控制确定 式中式中:nv螺栓受剪面数目取螺栓受剪面数目取nv1(单剪单剪)或或 2(双剪双剪)； t 同一受力方向承压构件的较小总厚度，单剪时同一受力方向承压构件的较小总厚度，单剪时取取min(t1，t2)，双剪时取，双剪时取min(2t1，t2)。 minmin(,)bbbvvcnnn每个螺栓

23、所受的实际剪力应不超过其抗剪的承载力每个螺栓所受的实际剪力应不超过其抗剪的承载力(均均按设计值按设计值)，即，即nv nvbmin。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1. 普通螺栓群轴心受剪普通螺栓群轴心受剪 与侧焊缝的受力相似，与侧焊缝的受力相似， 螺栓受力是不均匀的，两端受力大，中间受力小。螺栓受力是不均匀的，两端受力大，中间受力小。1)当连接长度当连接长度 时，时，1015ld钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计螺栓数目的确定：螺栓数目的确定： 外力外力n(设计值设计值)通过螺栓群形心使螺栓受剪时，假定所通过螺栓群形心使螺栓受剪时，假定所有螺栓受力相等。有螺栓受力相等。l1n

24、=n / nvb min 杆件在节点处或拼接每侧的受力螺栓至少用杆件在节点处或拼接每侧的受力螺栓至少用2个。具体排个。具体排列应符合构造要求。列应符合构造要求。所需螺栓数目为所需螺栓数目为: 假定成立的依据：只要尺寸假定成立的依据：只要尺寸l1不是非常非常大，螺栓受不是非常非常大，螺栓受力可以通过内力重分布予以调节。力可以通过内力重分布予以调节。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计当构件在节点处或接头一侧的螺栓沿受力方向的连接当构件在节点处或接头一侧的螺栓沿受力方向的连接长度长度l1太长时，各螺栓受力将严重不均匀，即连接两端的螺太长时，各螺栓受力将严重不均匀，即连接两端的螺栓受力大于中间螺

25、栓而可能首先达到极限承载力引起破坏。栓受力大于中间螺栓而可能首先达到极限承载力引起破坏。l1钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2) 当当l115d0时（时（d0为螺栓孔径），螺栓承裁力设计值为螺栓孔径），螺栓承裁力设计值应按下式应按下式 系数折减。系数折减。适用于普通螺栓、高强度螺栓和铆钉连接。适用于普通螺栓、高强度螺栓和铆钉连接。101.1150ld0.7l1101.10.7150ldminbnnn钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3)构件净截面强度计算：构件净截面强度计算：构件上开设螺栓孔后，应验算其净截面强度是否满足设构件上开设螺栓孔后，应验算其净截面强度是否满足设计要求。计

26、要求。对错列排列的螺栓，要考虑板件有两个破坏截面。对错列排列的螺栓，要考虑板件有两个破坏截面。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力f的作用线至螺栓群的作用线至螺栓群中心线的距离为中心线的距离为e 。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 (1) 扭矩作用下螺栓群计算扭矩作用下螺栓群计算 承受扭矩承受扭矩t，每个螺栓承，每个螺栓承受扭矩引起的剪力。受扭矩引起的剪力。假定：假定：a. 被连接件为绝对刚性被连接件为绝对刚性;b. 螺栓受力均在弹性阶螺栓受力均在弹性阶段。段。c. 扭矩使每个螺栓扭矩使每个螺栓 i 产生绕螺栓群形心产

27、生绕螺栓群形心o点旋转的切线点旋转的切线方向方向(即垂直于该螺栓到即垂直于该螺栓到o点连线的方向点连线的方向)的变形以及相应的的变形以及相应的剪力剪力ni，其大小与连线距离，其大小与连线距离 ri 成正比。成正比。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1212ininnnnnrrrr1 12 2i in ntn rn rn rn r22221111121111innnnnrrrrrrrr2111niinrr扭矩平衡条件扭矩平衡条件:钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2111niint rr2211niiit rxy22maxmaxmin1nbiivint rxyn 设计时要求最大受力螺

28、栓的剪力不超过一个螺栓的承载设计时要求最大受力螺栓的剪力不超过一个螺栓的承载力设计值：力设计值：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(2) 扭矩和剪力共同作用下的螺栓群的计算扭矩和剪力共同作用下的螺栓群的计算钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 竖向剪力竖向剪力fy假定由全部假定由全部(n个个)螺栓均匀分担，每个螺栓承螺栓均匀分担，每个螺栓承受的剪力为受的剪力为:222ttiiixiiiiyt ynnrxy22ttiiiyiiiixt xnnrxytiynniyntixnniynnn扭矩产生的剪力：扭矩产生的剪力：22tntbiyiyiynnnnmin(,)bbbvcnnn钢结构基本原

29、理及设计钢结构基本原理及设计当螺栓群为一狭长形布置时，例如满足条件当螺栓群为一狭长形布置时，例如满足条件ymax3xmax时，为了计算方便，公式可近似地改写为时，为了计算方便，公式可近似地改写为222tiiixiiit yt ynxyy220tiiyiit xnxy受力最大的螺栓外，受力最大的螺栓外，其余螺栓均有潜力。其余螺栓均有潜力。f作作用下的螺栓内力时，长度用下的螺栓内力时，长度15d0，也不考虑，也不考虑。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 1. 翼缘的弯曲，使螺栓受到撬力的附加作用，杆力增加到翼缘的弯曲，使螺栓受到撬力的附加作用，杆力增加到：nt=n+q，式中，式中q称为撬力。

30、称为撬力。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2. 规范将螺栓的抗拉强度设计值降低规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20%来考虑撬力影响来考虑撬力影响20.80.8 215170n/mmbtff钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 单个螺栓的受拉承载力的设计值为：单个螺栓的受拉承载力的设计值为： 式中式中ae为螺栓有效截面积；为螺栓有效截面积； de为螺纹处的有效直径为螺纹处的有效直径1. 栓群轴心受拉栓群轴心受拉 由于垂直于连接板的肋板由于垂直于连接板的肋板 刚度很大，螺栓平均受拉。刚度很大，螺栓平均受拉。24bbbetettdna ff式中，式中，ntb为螺栓抗拉承载力设计值。为螺栓抗

31、拉承载力设计值。此时所需螺栓数目此时所需螺栓数目n的计算公式为：的计算公式为：btnnn钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计图示图示t形连接件与大梁下翼缘的螺拴连接，当荷载形连接件与大梁下翼缘的螺拴连接，当荷载n(即即图中的图中的2f)的作用线通过螺栓群的形心时，的作用线通过螺栓群的形心时，每个螺栓均匀轴心受拉。每个螺栓均匀轴心受拉。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计式中，式中，ntb为螺栓抗拉承载力设计值。为螺栓抗拉承载力设计值。此时所需螺栓数目此时所需螺栓数目n的计算公式为：的计算公式为：btnnn钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2. 栓群承受弯矩作用栓群承受弯矩作用 基

32、本假定基本假定 (1)被连接件为绝对刚性被连接件为绝对刚性; (2)螺栓受力均在弹性阶段。螺栓受力均在弹性阶段。 按弹性设计法，在弯矩作用下，离中和轴越远的螺栓所按弹性设计法，在弯矩作用下，离中和轴越远的螺栓所受拉力越大；受拉力越大； 压力则由部分受压的端板承受，设中和轴至端板受压边压力则由部分受压的端板承受，设中和轴至端板受压边缘的距离为缘的距离为c。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计a. 预拉力不大，不计连接板件间预压力预拉力不大，不计连接板件间预压力； b. 梁端剪力梁端剪力v通过端板与焊接于柱上的通过端板与焊接于柱上的托板托板端部端部刨平顶刨平顶紧紧传给柱身；传给柱身；c. 梁端

33、弯矩梁端弯矩m通过焊于梁端的端板用粗制螺栓通过焊于梁端的端板用粗制螺栓(即即c级螺级螺栓栓)与柱的翼缘板相连而传递。与柱的翼缘板相连而传递。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在弹性分析中假定：在弹性分析中假定： ni的大小呈线性变化，实际的大小呈线性变化，实际计算时可近似并偏安全地取中和计算时可近似并偏安全地取中和轴位于最下排螺栓轴位于最下排螺栓o处，即认为处，即认为连接变形为绕连接变形为绕o处水平轴转动，处水平轴转动，螺栓拉力与螺栓拉力与o点算起的纵坐标点算起的纵坐标y成成正比。正比。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 则则 ：螺栓螺栓i的拉力为：的拉力为： 设计时要求受力最大的

34、最外排螺栓设计时要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超过一的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值：个螺栓的抗拉承载力设计值：1122/iinnnynynyny1122iinnmn yn yn yn y2(/)iiinyy2/iiinmyy211/bitnmyyn列平衡方程列平衡方程如何判断作用弯如何判断作用弯矩还是扭矩？矩还是扭矩？m列数列数钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3. 栓群偏心受拉栓群偏心受拉 n和和m作用。螺栓不受压作用。螺栓不受压（1） 小偏心受拉小偏心受拉 （2）大偏心受拉）大偏心受拉 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计a. 螺栓承受拉力作用，端板与柱有脱开（分离）

35、趋势螺栓承受拉力作用，端板与柱有脱开（分离）趋势b. 轴心力轴心力n由各螺栓均匀承受由各螺栓均匀承受c. m引起以螺栓群形心引起以螺栓群形心o为中和轴的三角形分布为中和轴的三角形分布 上部螺栓受拉，下部螺栓受压上部螺栓受拉，下部螺栓受压d. 叠加后全部螺栓均受拉叠加后全部螺栓均受拉 （1）小偏心受拉）小偏心受拉2max1/bitnn nneyyn2min1/0inn nneyy 可得可得 时的偏心距时的偏心距 令令 为螺栓有效截面组成的核心距，为螺栓有效截面组成的核心距，则当则当 时为小偏心受拉时为小偏心受拉。min0n21/()ieyny 21/() eiewynynae钢结构基本原理及设计

36、钢结构基本原理及设计（2）大偏心受拉）大偏心受拉 近似取中和轴位于最下排螺栓近似取中和轴位于最下排螺栓o处处21/()ieyny 1122/iinnnynynyny1122iinnnen yn yn yn y22111112221111211(/) (/) (/) (/) (/ )ininyynyynyynyynyy21/iinne yy211/bitnne yyn钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 两种可能破坏形式：两种可能破坏形式：螺栓杆受剪受拉破坏螺栓杆受剪受拉破坏孔壁承压破坏孔壁承压破坏 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计不用承托不用承托螺栓螺栓同时受剪和受拉同时受剪和受拉

37、由于未用承托，竖向力由于未用承托，竖向力ny使连接承受剪力使连接承受剪力vny钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计vvnn如有轴心外拉力如有轴心外拉力nx，其使各个螺栓均匀受拉，每个承受，其使各个螺栓均匀受拉，每个承受拉力拉力nt=nx / n。偏心外拉力偏心外拉力nx或弯矩或弯矩m使各个螺栓不均匀受拉，应求出使各个螺栓不均匀受拉，应求出最大受拉螺栓所受拉力最大受拉螺栓所受拉力nt。通常假定剪力由全部螺栓均匀分担，则每个螺栓所承受通常假定剪力由全部螺栓均匀分担，则每个螺栓所承受的剪力为：的剪力为：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计应验算最大受力螺栓同时承受剪力应验算最大受力螺栓同时承

38、受剪力nv和拉力和拉力nt时满足时满足强度要求。强度要求。其中其中nv引起螺栓杆受剪和螺栓杆与构件孔壁间承压，引起螺栓杆受剪和螺栓杆与构件孔壁间承压，nt引起螺栓杆受拉。应同时满足下列两个验算公式：引起螺栓杆受拉。应同时满足下列两个验算公式：221vtbbvtnnnnbvcnn螺栓受拉受剪的相螺栓受拉受剪的相关方程关方程规规范范规规定定钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 根据试验结果，把根据试验结果，把nv / nvb和和nt / ntb的相关关系近似地用的相关关系近似地用一圆曲线表示的经验公式。一圆曲线表示的经验公式。c级普通螺栓的抗剪性能较差，除剪力较小的情况外，应级普通螺栓的抗剪性

39、能较差，除剪力较小的情况外，应尽量设置承托来承受剪力尽量设置承托来承受剪力v。nv / nvbnt / ntb11钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 1. 普通和高强度螺栓主要区别普通和高强度螺栓主要区别 2. 高强度螺栓分类高强度螺栓分类摩擦型摩擦型承压型承压型 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计螺栓本身、螺母和垫圈均采用高强度钢材，再经热处螺栓本身、螺母和垫圈均采用高强度钢材，再经热处理以进一步提高强度；理以进一步提高强度；目前我国采用目前我国采用8.8和和10.9两种强度性能等级；两种强度性能等级；其中整数部分其中整数部分“8”或或“10”表示螺栓经热处理后的最低表示螺栓经热

40、处理后的最低抗拉强度抗拉强度fu属于属于800nmm2(实际为实际为830nmm2)或或1000nmm2(实际为实际为1040 n mm2)这一级；这一级；小数点和后面数字一起即小数点和后面数字一起即“.8”或或“.9”表示螺栓经热处表示螺栓经热处理后的屈强比理后的屈强比fyf ；8.8级和级和10.9级螺栓经热处理后的最低屈服强度级螺栓经热处理后的最低屈服强度0.8830660nmm2和和0.91040940nmm2。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计8.8级螺栓常用级螺栓常用45号钢或号钢或35号钢；号钢；10.9级螺栓常用级螺栓常用20mntib 钢、钢、40b(40硼硼 )钢或钢

41、或35vb(35钒硼钒硼)钢；而其螺母常用钢；而其螺母常用45号钢、号钢、35号钢或号钢或15mnvb(15锰钒锰钒硼硼)钢；钢；垫圈常用垫圈常用45号钢或号钢或35号钢；螺栓、螺母和垫圈制成品号钢；螺栓、螺母和垫圈制成品均经热处理以达到规定指标要求；均经热处理以达到规定指标要求；45号钢和号钢和40b钢制成的较大直径螺栓的热处理淬透性钢制成的较大直径螺栓的热处理淬透性较差，只用在较差，只用在d24mm的螺栓。的螺栓。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3. 高强度螺栓的抗剪性能高强度螺栓的抗剪性能 较大的预拉力，板叠有很大的预压力；较大的预拉力，板

42、叠有很大的预压力； 当连接受剪时，依靠摩擦力传力的螺栓的抗剪承载力当连接受剪时，依靠摩擦力传力的螺栓的抗剪承载力可达可达1点。通过点。通过1点后，产生滑移，栓杆与孔壁接触，连接点后，产生滑移，栓杆与孔壁接触，连接 又可继续承载直到破坏；又可继续承载直到破坏； 连接承载力用到连接承载力用到1点，高强度螺栓摩擦型连接；点，高强度螺栓摩擦型连接； 连接承载力用到连接承载力用到4点，高强度螺栓承压型连接。点，高强度螺栓承压型连接。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(1) 摩擦型高强度螺栓连接：摩擦型高强度螺栓连接：受剪时以外剪力达到扳件接触面间由螺栓拧紧力受剪时以外剪力达到扳件接触面间由螺栓拧紧

43、力(使板件使板件压紧压紧)所提供的可能最大摩擦力为极限状态，保证外剪力不超所提供的可能最大摩擦力为极限状态，保证外剪力不超过最大摩擦力；过最大摩擦力；(2) 承压型高强度螺栓连接：承压型高强度螺栓连接：以杆身剪切或孔壁承压破坏，即达到连接的最大承载力，以杆身剪切或孔壁承压破坏，即达到连接的最大承载力，作为连接受剪的极限状态。作为连接受剪的极限状态。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计a.承受外拉力前，螺杆中有承受外拉力前，螺杆中有p，板层之间压力，板层之间压力c，而，而p与与c平衡平衡b.外拉力外拉力nt，螺杆拉力增加，板件拉松，螺杆拉力增加，板件拉松，c减少；减少；c.计算表明，计算表明

44、，nt为预拉力为预拉力p的的80%时，螺杆内拉力增加很少，时，螺杆内拉力增加很少，基本不变；基本不变；d.外加拉力大于螺杆预拉力，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，外加拉力大于螺杆预拉力，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即即发生松弛现象；发生松弛现象；e.外拉力外拉力小于预拉力的小于预拉力的80%时，无松弛现象发生。时，无松弛现象发生。4. 高强度螺栓的抗拉性能高强度螺栓的抗拉性能 直接承受动载结构，高直接承受动载结构，高强度螺栓连接受拉时疲劳强强度螺栓连接受拉时疲劳强度较低，高强度螺栓的外拉度较低，高强度螺栓的外拉力不宜超过力不宜超过0.5p。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1. 预拉力建立预

45、拉力建立 （1）大六角头螺栓的预拉力：）大六角头螺栓的预拉力： 力矩法力矩法 转角法转角法（2）扭剪型高强度螺栓）扭剪型高强度螺栓fftkp d2. 预拉力值的确定预拉力值的确定p由下式计算：由下式计算：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计0.9 0.9 0.91.2eupa f式中：式中：ae有效面积；有效面积； fu 抗拉强度。抗拉强度。a. 螺栓同时受到拉应力和剪应力作用。螺栓同时受到拉应力和剪应力作用。 考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响系数考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响系数 ，取，取1.2；b. 施工时预拉力松驰，考虑超张拉系数施工时预拉力松驰，考虑超张拉系数0.9；c. 考

46、虑材质不定性系数考虑材质不定性系数0.9；d. 用用fu而不是而不是fy作为标准值的系数作为标准值的系数0.9。3. 抗滑移系数抗滑移系数接触面处理：喷砂、喷砂后涂无机富锌漆、喷砂后生赤接触面处理：喷砂、喷砂后涂无机富锌漆、喷砂后生赤锈和钢丝刷消除浮锈或表面不作处理。锈和钢丝刷消除浮锈或表面不作处理。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 一个螺栓受剪承载力设计值为一个螺栓受剪承载力设计值为 使被板间保持一定的压紧力；使被板间保持一定的压紧力； 单个高强度螺栓受拉承载力设计值为：单个高强度螺栓受拉承载力设计值为：0.9bvfnnp0.8btnp式中式中 nf 为传力摩擦面数目；为传力摩擦面数

47、目；为摩擦面的抗滑移系数。为摩擦面的抗滑移系数。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 当螺栓所受外拉力当螺栓所受外拉力 时，虽然螺杆中的预拉力时，虽然螺杆中的预拉力p基本基本不变，不变，规范规定，承载力按下式：规范规定，承载力按下式：tnp1vtbbvtnnnn某螺栓所承受的剪力和拉力设计值某螺栓所承受的剪力和拉力设计值；vntn 一个受剪、受拉承载力设计值。一个受剪、受拉承载力设计值。 bvnbtn钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2()4bbvvvnndfbbccndt f受剪承载力设计值受剪承载力设计值 承压承载力设计值承压承载力设计值 与普通螺栓连接相同；与普通螺栓连接相同；

48、 应采用承压型连接高强度螺栓的强度设计值。应采用承压型连接高强度螺栓的强度设计值。 螺纹处抗剪承载力应按螺纹处有效截面计算。螺纹处抗剪承载力应按螺纹处有效截面计算。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 承压型连接高强度螺栓沿杆轴方向受拉时，规范给出承压型连接高强度螺栓沿杆轴方向受拉时，规范给出了相应强度级别的螺栓抗拉强度设计值、抗拉承载力的计了相应强度级别的螺栓抗拉强度设计值、抗拉承载力的计算公式与普通螺栓相同：算公式与普通螺栓相同： 24bbbetettdna ff221vtbbvtnnnn1.2bvcnn钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 1. 轴心受剪轴心受剪 1）连接所需螺栓数目：）连接所需螺栓数目：minbnnn2）构造）构造在求出所需要的螺栓数目在求出所需要的螺栓数目之后之后, 即可按照与普通螺栓一即可按照与普通螺栓一样的要求排列螺栓。样的要求排列螺栓。nn钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3）截面强度验算）截面强度验算nfa11 0.5nnnfnannn 螺栓数目螺栓数目n1所计算截面上所计算截面上(即最外列螺栓处即最外列螺栓处)高强度螺栓的数目高强度螺栓的数目an构件的净截面面积构件的净截面面积a 构件的毛截面面积构件的毛截面