钢结构连接与受力分析

1、钢结构的连接和节点构造 连接要求连接要求 足够的强度、刚度和延性连接方法连接方法 焊接、铆接和螺栓连接1 钢结构对连接的要求及连接方法（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接 2 焊接连接的特性焊接连接的特性 1 焊接方法 电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等2 焊接连接的优缺点优点 省工省材 任何形状的构件均可直接连接 密封性好，刚度大缺点 材质劣化 残余应力、残余变形 一裂即坏、低温冷脆3 焊缝缺陷 焊缝缺陷 裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、 焊瘤等(a) 热裂纹；(b) 冷裂纹；(c) 气孔；(d) 烧穿；(e) 夹渣(f) 根部未焊透；(g) 边缘未熔合；(h) 层间未熔合

2、；(i) 咬边；(j) 焊瘤 焊缝等级：钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）三级三级焊缝：外观检查二级焊缝：在外观检查的基础上再做无损检验，用超声波检验每条焊缝的20长度，且不小于200mm一级焊缝：在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷 强度折减： 高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9 4 焊缝连接型式及焊缝型式连接型式 平接、搭接、T形连接和角接连接型式 对接焊缝和角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝连续角焊缝断续角焊缝施焊位置 俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊5 焊缝代号作用 表明焊缝型式、尺寸和辅助要求表示方法 由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成3 对接焊缝

3、的构造和计算对接焊缝的构造和计算 1 构造要求坡口形式 分为I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝、带钝边V形缝（也叫Y形缝）、带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等（a）I形缝；（b）带钝边单边V形缝；（c）Y形缝（d）带钝边U形缝；（e）带钝边双单边V形缝；（f）双Y形缝；（g）、（h）、（i）加垫板的I形缝、带钝边单边V形缝和Y形缝 2 对接焊缝的计算计算原则 用计算 焊件的方法。I、II级等强不计算，仅计算III级焊缝（1）轴心受力的对接焊缝 N（lwt）fwt或fwc（2）受弯、受剪的对接焊缝计算 MWw fwt VS（Iwt ） fwVwtzsf1 . 132B2B3 部分焊透的对

4、接焊缝计算原则：按角焊缝计算4 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算 1 构造和强度截面形状 应力分布 侧面角焊缝的应力分布角焊缝的应力位移曲线 正面角焊缝的应力分布焊脚尺寸 hf 应与焊件的厚度相适应。 对手工焊，hf应不小于 ，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm； hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。 t5.1 对于板件边缘的焊缝，当t 6mm时， hf t ；当t 6mm时， hf t (12)mm。焊缝长度焊缝长度 lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf2 角焊缝计算的基本公式wff3)( 32/22fxfxefyfyefzfze

5、, , NAVAVAefxfyfxefye/2+/2 /2/2ANNAAfxfy/2/2fyfx/fz/2/2, 则有22w2ffzfyfzfyfz33/2/2/2/2f可得角焊缝计算的基本公式为222wfxfyfxfyfzf2()3f仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时wfewf/()Nhlf仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时wfewff/()Nhlf受各力综合作用时22wffff/f3 常用连接方式的角焊缝计算1、受轴心力作用的拼接板连接仅侧面角焊缝（图a）wffewNfhl 仅正面角焊缝（图b）wfffewNfhl 三面围焊时（图c） 先计算计算正面角焊缝受力N1，剩 余的N N1由侧面角焊缝

6、承担。菱形拼接板（图d） 简化计算不计正面及斜焊缝的f：wfewNfhl 2、受轴心力作用的角钢连接当用侧面角焊缝连接时（图a）肢背 N1=e2 N /（e1+e2）=K1 N 肢尖 N2=e1 N /（e1+e2）=K2 N 三面围焊时（图b）正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hflw3f ffw侧面角焊缝承担的力为 肢背 N1 =e2 N /（e1+e2）N3 /2=K1 NN3 /2 肢尖 N2 =e1 N /（e1+e2）N3 /2=K2NN3 /2 L形焊缝（图c）正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hflw3f ffw侧面角焊缝承担的力为 N1 = N N33、弯矩作用下的焊缝w

7、fffwMfW4、扭矩作用下的焊缝焊缝群受扭：焊缝群受扭：假定 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的； 被连接板件绕角焊缝有效截面形心o旋转，角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心o的连线，应力的大小与其距离r的大小成正比。 AAxy; T rJIIJAyTAxTrJTAxAyTrJ环焊缝受扭环焊缝受扭5、弯矩、剪力和轴心力共同作用MVNAAAwewew; ; MVNWhlhlMN2V2wAAAff()()f6、扭矩、剪力和轴心力共同作用yVNTTxAAAAewew; ; ; T rVNT rhlhlJJTV2TT2wAAAAff()()f7、塞焊计算1 焊接残余应力的分类和产生的原因纵

8、向残余应力5 焊接残余应力和残余变形焊接残余应力和残余变形横向残余应力厚度方向的残余应力约束状态下的焊接应力2 焊接残余应力的影响对结构静力强度的影响对结构刚度的影响对压杆稳定的影响对低温冷脆的影响对疲劳强度的影响3 焊接残余变形残余变形形式残余变形形式4 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法采取合理的施焊次序施焊前加相反的预变形（图a、b）焊前预热，焊后回火（图c）5 合理的焊缝设计焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸焊缝不宜过分集中（图a）应尽量避免三向焊缝交叉（图b）考虑钢板分层问题（图c）焊条易达到（图d）避免仰焊6 普通螺栓的构造和计算普通螺栓的

9、构造和计算 普通螺栓连接 A、B级螺栓5.6级和8.8级，d0-d=0.30.5mm，钻成孔 C级螺栓4.6级和4.8级，d0-d=1.01.5mm，冲成孔 高强度螺栓连接 8.8级和10.9级， d0-d=1.01.5mm，钻成孔 摩擦型连接，承压型连接1 螺栓连接的排列和构造要求 排列方式：并列或错列 排列要求 受力要求： 钢板端部剪断，端距不应小于2d0; 受拉时，栓距和线距不应过小； 受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大 构造要求 栓距和线距不宜过大 施工要求 有一定的施工空间 孔、螺栓图例 2 普通螺栓连接的构造和计算 传力方式：抗剪螺栓 抗拉螺栓 同时抗剪抗拉螺栓计算方法：螺栓承载力

10、计算 螺栓群中受力最大螺栓 1 单个螺栓的承载力设计值单个螺栓的承载力设计值 = 螺栓螺栓1的内力的内力 （1）单个螺栓的承载力设计值 （2）螺栓群内力计算btbCVNNN、b1、抗剪螺栓连接、抗剪螺栓连接破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端被剪断；螺栓杆弯曲 受力状态：弹性时两端大而中间小，进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。 为防止“解纽扣”破坏，当连接长度l1 较大时，应将螺栓的承载力乘以折减系数 ：当 l115d0 时， =1.0当 15d0l160d0 时， =1.1l1/150d0 当 l160d0 时， =0.7 一个抗剪螺栓的设计承载力计算 抗剪抗剪承载

11、力设计值： bvvbvfdnN42 承压承压承载力设计值： bcbcftdN(a) 单剪 (b) 双剪 (c) 四剪面一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值较小值。 2、抗拉螺栓连接、抗拉螺栓连接破坏形式：螺栓杆拉断抗拉承载力设计值btebtebtfAfdN42为考虑撬力撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值ftb取同样钢号钢材抗拉强度设计值f的0.8倍(即ftb=0.8f ) 3、螺栓群的内力计算a.螺栓在轴心力作用下的抗剪计算螺栓在轴心力作用下的抗剪计算 轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布 螺栓数目bmin/nNN 板件净截面强度 n/NAf 净截面面积和受力 并列并列（图a）

12、N1=N； N2 =N(n1/n) N ；N3 = N (n1+n2)/n N 对被连接板：An=t (bn1d0)对拼接板： An =2t1 (bn3d0)错错 列列（图b） 除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截面的破坏，净截面面积为 22n4212202(1)Ateneen db、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算 基本假定 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的； 各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群形心o的距离r成正比，力的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直。TTT1122nnTN rN rN r 平衡条件： 根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r

13、成正比条件 TTT12n12nNNNrrr 则 TTn22221112n111()iiNNTrrrrrr 或 T111222iiiTrTrNrxyT11x22iiTyNxyT11y22iiTxNxybvTNN1验算 c、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算在剪力V和轴力N作用下，螺栓均匀受力： V1y/NVnN1x/NNn则螺栓1受的最大剪力N1应满足： NT2VT2b11x1x1y1ymin()()NNNNNN在扭矩T作用下，螺栓1 受力为 d、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算 轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布

14、bt/nNNe、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算假定：中和轴在 指向的第一排螺栓处 Mb11t2iMyNNmy则 M2iym指所有螺栓对中和轴之距平方和。 f、螺栓群同时受剪力和拉力的计算、螺栓群同时受剪力和拉力的计算支托仅起安装作用： 螺栓群受力为M=Ve和剪力V，则M2t11/()iNNMymyv/NVn螺栓不发生拉剪破坏： 22vtbbvt()()1NNNN板不发生承压破坏： bvcNN支托承受剪力： 螺栓群只承受弯矩M=Ve作用，则M2bt11t/()iNNMymyN支托和柱翼缘的角焊缝验算： wfewf()V hlf为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取1.25

15、1.351 高强度螺栓连接的性能 级别：10.9级和8.8级 （小数点前为螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后的数字是屈强比） 栓孔：钻成孔 按受力特征分类：摩擦型连接、承压型连接 影响承载力的因素： 栓杆预拉力、连接表面抗滑移系数和钢材种类7 高强度螺栓连接的性能和计算高强度螺栓连接的性能和计算1、高强螺栓连接的预拉力、高强螺栓连接的预拉力 施加方法：施加方法：扭矩法、转角法和扭剪法 预拉力设计值：预拉力设计值：高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑：螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9；在扭紧螺

16、栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2；钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。ueue/1.20.608PfAf A2、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数 对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈；对于摩擦型连接，要求见下表：3、高强螺栓的排列、高强螺栓的排列 要求同普通螺栓，同样要考虑连接长度对承载力的不利影响。2 高强度螺栓的抗剪承载力设计值1、高强螺栓摩擦型连接、高强螺栓摩擦型连接bvRfNnPR为抗力分项系数R的倒数，一般取0.9，最小板厚t6mm的冷弯薄壁型钢结构取0.8 2、高强螺栓承压型连接、高强螺

17、栓承压型连接 破坏状态同普通螺栓，极限承载力由杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同。3 高强度螺栓群的抗剪计算1、轴心力作用时（内力均匀分布）、轴心力作用时（内力均匀分布） 螺栓数： 构件净截面强度： 对于承压型连接，验算与普通螺栓相同对于承压型连接，验算与普通螺栓相同；对于摩擦型连接，要考虑孔前传力的影响（占螺栓传力的50%）bmin/nNN10.5(1)nNNn 高强度螺栓摩擦型连接的孔前传力2、扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同时、扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同时 螺栓群受扭矩T、剪力V和轴心力N共同作用的高强度螺栓连接的抗剪计算与普通螺栓相同，

18、只是用高强度螺栓的承载力设计值。4 高强度螺栓的抗拉计算1、高强度螺栓的抗拉连接性能、高强度螺栓的抗拉连接性能当Nt=0.8P时，Pf=1.07P。可认为螺栓中的预拉力基本不变。 撬力的影响：撬力的影响：限制抗拉承载力在0.8P以内2、高强度螺栓的抗拉连接计算、高强度螺栓的抗拉连接计算 抗拉承载力bt0.8NP 轴心拉力的螺栓数：bt/ 0.8nNNNP 弯矩作用时：承载力极限状态： 板不被拉开时，中和轴在螺栓群形心处； 板可被拉开时，与普通螺栓一样，中和轴在M指向的 第一排螺栓处M211/()0.8iNMymyP5 同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算1、高强度螺栓摩擦型连接、高强度螺栓摩

19、擦型连接由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低；每个螺栓的抗剪承载力也随之减少；抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低。 vtbbvt1NNNN2、高强度螺栓承压型连接、高强度螺栓承压型连接22vtbbvt()()1NNNNbvc/1.2NN且 当剪切面在螺纹处时，取 b2bvev/ 4Ndf 叠放板材的弯曲变形8 焊接梁翼缘焊缝的计算焊接梁翼缘焊缝的计算 无局部压应力时的梁翼缘焊缝受力11x w/()VSI tH1w1x ww1x1/()/TtVSI ttVSI wfhe1fxf/(21)/(1.4)ThVSh Ifwf1fx/(1.4)hVSfI焊缝受力： 焊脚尺寸： 双层翼缘板时的焊缝受力 有局部压应力时的梁翼缘焊缝受力vcwww zz11FFTttt ll vfef z211.4TFhh l22wffff/f则 221fwff zx11.4FVShflI焊脚尺寸为： 功能： 将柱子内力可靠地传给基础； 和基础有牢固连接； 尽可能符合计算简图。 连接方式： 铰接：支承式 刚接：支承式(外露