钢结构第三版课件第7章.教学提纲

钢结构第三版课件第7章.优缺点：不需在钢材上打孔，不减损钢材截面；焊件可以直接相连，不需要辅助零件；连接的密封性好，结构刚度大，整体性好；焊缝附近出现热影响区，产生组织变化，材质变脆；出现焊接残余应力和残余变形；用于低温地区时容易出现脆性断裂，且因整体性而一裂到底。采用焊接结构需要扬长避短。避短的一个例子：采用适当的材料和焊接工艺，降低淬硬性，使热影响区不致开裂。7.2焊接连接的特性避免焊缝缺陷（保证施工质量）焊缝可能出现的缺陷：裂纹、气孔、烧穿、未焊透和咬边等。缺陷造成截面削弱和应力集中，对结构安全承载很不利。尤其是承受多次重复荷载的结构和处在容易脆断的环境的结构。避免缺陷的方法：必须由合格的焊工进行操作；加强检验（按照有关规范规定）：外观检查和超声波检验；尽量避免不易焊好的焊位（仰焊、不易到达的部位）。焊缝质量等级焊缝根据外观质量的不同要求和超声波检验范围的不同要求划分为三个质量等级，其中一级者质量最好。7.2焊接连接的特性7.3对接焊缝的构造和计算构造

不同厚度的钢板采用不同的坡口形式：既保证焊接质量又不过多消耗物力和人力。，不切坡口,V形或单边V形缝，X形或K形缝引弧板（熄弧板）的应用：保证熔透。垫板的应用：保证焊透。当不用垫板时需要清根（碳弧气刨）和补焊。两板有宽度差或厚度差者采用平缓过渡。所有这些构造措施的目的：保证焊接的优点能正常发挥，缺点尽量避免。

7.3对接焊缝的构造和计算计算

质量等级为一级和二级的对接焊缝和母材等强，无需计算。质量等级为三级的对接焊缝，截面强度计算公式和母材相同，只是强度设计值略低。部分焊透的对接焊缝主要用于起联系作用的焊缝，如箱形截面的四角。构造

角焊缝分为侧面角焊缝和正面角焊缝。角焊缝的大小以焊脚尺寸hf来衡量，两边可以不等。

hf相对于焊件厚度t不应过小和过大：过小则冷却过快，易生裂纹，，

t1：较厚焊件厚度；过大则热影响区大，也易裂，，t2：较薄焊件厚度。

焊缝长度也不应过小和过大（相对于hf）:过小则不易保证整体质量（起、落弧坑影响过大)，，过大则应力沿长度的分布过于不均匀，。还需满足一些其他构造要求，如焊缝端部加绕角。7.4角焊缝的构造和计算计算

角焊缝受力情况比较复杂。角焊缝在纵、横向外力作用下，薄弱截面（45°面）上存在正应力和两个方向的剪应力和。强度计算的基本公式是：常用连接焊缝的计算公式都从此式演变得出。（1）侧面角焊缝，外力与焊缝长度方向平行，以受剪为主；，he=有效厚度=0.7hf（2）正面角焊缝，外力与长度方向垂直，以正应力为主；

βf=1.22，但直接承受动力荷载时取为1.0侧缝延性很好，正缝相对稍差。两者可以配合使用形成三面围焊。7.4角焊缝的构造和计算

各类连接中的角焊缝计算连接中经常用多条焊缝。按照力学原则把外力分配给各条焊缝，即可对焊缝需要的尺寸做出计算。例如双角钢杆件和节点板连接的两条焊缝按重心距离e1、e2成反比分配。承受扭矩的焊缝群可套用扭矩作用下的剪应力计算公式

A点剪应力最大，为验算对象。的方向垂直于CA线，需要分解为和再进行组合。

思考：上述算法，仅A点处焊缝应力达到强度设计值，其他部位应力都较低，如果只用两条水平焊缝是否可行?7.4角焊缝的构造和计算

如果连接直接承受动力荷载，，则没有必要把分解后组合。上图分成和后应按下式组合并验算7.4角焊缝的构造和计算

多种应力的组合右图所示的连接，竖向力V对连接焊缝产生竖向剪力和扭矩T。因此，焊缝在A点处除和外还有和。验算公式为思考：例题7.6保留［形焊缝，但改变算法，是否能够改为hf=7mm?7.5焊接热效应

焊接残余应力的起因：

(1)热态塑性压缩焊缝及其近旁的金属在施焊时处于高温，其膨胀要求受到约束而不能实现，从而受到压缩。冷却时趋于缩得比原始长度短。这种缩短也受到一定程度的约束，乃形成高额的纵向残余拉应力。拉、压残余应力在截面上平衡。和纵向拉应力一起，还派生出横向残余应力。由于一般构件都是纵向受力，横向残余应力不受人们关注。厚板对焊时还产生厚度方向的残余应力，也是拉压并存。三轴残余拉应力特别不利。(2)整个焊件收缩受到约束此时焊接截面全部受拉。这种情况必须避免。大型结构需要注意焊接顺序，图7-59d的焊缝2如果最后焊，就接近左图。焊接残余变形由于热态塑性压缩，杆件既有纵向缩短，又有弯曲。横向宽度也略有缩小。必要时进行矫正，也可以预设反变形。长度方向在下料时要适度加长。7.5焊接热效应图7-59d7.5焊接热效应减少焊接残余应力和残余变形的措施焊接残余应力对压杆稳定、拉杆脆断和疲劳都很不利。减少残余应力的方法：

焊接工艺方面：调整施焊顺序；对焊件进行预热。

焊缝设计方面：避免焊缝过于集中，尤其是三轴焊缝集中；避免分层导致拉裂；不盲目加大焊缝厚度。7.6普通螺栓连接的构造和计算构造：螺栓的栓距和线距都不应过大或过小。过小不利于板件受力；过大则板与板之间会出缝隙。转动螺栓的扳手需要一定的空间。径差：孔径d0应该比栓径d大多少，是个值得关注的问题。径差过小时，由于制孔误差，板层之间栓孔有错位，导致部分螺栓就位困难；径差过大时，杆件受力后产生滑移，有损结构的受力性能。教科书上介绍，取1.5-2.0mm，有的文献推荐1.0-1.5mm。实践经验是，径差1.5mm时滑移量不过0.8mm。当连接长度

时，承载力应乘以受力不均的折减系数7.6普通螺栓连接的构造和计算

抗剪连接的计算

需要进行两方面计算一个螺栓的抗剪承载力nv：螺栓受剪面数，教材图7-68a，b，c分别取1、2、4。该图有一个缺点：b，c图中外层板的拉力为中层板的一半，应画得薄一些。一个螺栓的承压承载力连接所需螺栓数7.6普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓类别

分A，B，C三级。A，B两级要求精确制孔，径差不超过0.25mm，很少采用。

C级栓杆和螺孔间的空隙较大，不影响抗拉性能，但对抗剪性能不利。GB50017规范规定，抗剪C级螺栓只能用于次要结构和临时性结构。普通螺栓受力性能螺栓有受剪和受拉两种工况。传递剪力时，除螺栓受剪外，还依靠螺栓和板之间的挤压。与此同时，还出现板端受剪和螺栓弯曲。这两个问题可以由构造措施解决：端距e3≥2d0，板叠厚度≤5d。7.6普通螺栓连接的构造和计算抗拉连接的计算

由于构造关系，螺栓实际拉力大于N/n，增大的原因是产生了撬力。撬力可以通过增大连接件刚度的方法使之很小，但实际设计中很少这样做。对待撬力Q有两种方法：

（1）按螺栓实际拉力N+Q和螺栓抗力强度设计值f进行计算。这需要有Q的计算公式。

（2）不计撬力，但降低螺栓抗拉强度设计值，即按N和0.8f进行计算。我国现在采用方法2，一个螺栓的抗拉承载力为

de为螺栓有螺纹处的有效直径，见教材附表7。已包含抗力分项系数和撬力折减系数0.8。7.6普通螺栓连接的构造和计算

螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算以螺栓群的形心O为转动中心，则距离O点最远的螺栓受力最大。要求

螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算以最下边一排螺栓轴线为中和轴。上边螺栓受力最大。

m为螺栓列数，图中m=2。7.7高强度螺栓连接

抗剪高强度螺栓连接的性能高强度螺栓连接的特点：不仅材料强度高，并且在拧紧时施加预拉力。预拉力使连接板层之间产生挤压力。抗剪高强度螺栓连接分为两类：摩擦型和承压型。摩擦型也称为抗滑移型，以产生滑移为极限状态，即图中曲线3的

A点。承压型：和普通螺栓一样，以螺栓剪断或板件失效为承载能力的极限状态，即图中B点。有的规范还规定以滑移作为承压型连接的正常使用极限状态。图中曲线2为不施加预拉力高强螺栓，受剪同样可以达到B点，但滑移出现较早。7.7高强度螺栓连接抗拉高强度螺栓连接的性能在没有撬力的情况，螺栓拉力随外加拉力的变化如图所示。在未施加外力时螺栓有预拉力P（A点）；随着外力施加，起初螺栓拉力缓慢增加，直至挤压力消失，板被拉开（B点）；最后螺栓拉力和外力同样增大，直至拉断（C点）。确定螺栓承载能力极限状态有两种思路：

（1）以拉断为极限状态（C点），引进适当的抗力分项系数。（2）以拉开为极限状态（B点），引进后即为预拉力P。后者显然比前者保守。7.7高强度螺栓连接

高强度螺栓的等级按抗拉强度和屈强比划分，共分二级：

8.8级：抗拉强度830N/mm2，屈强比0.8；

10.9级：抗拉强度1040N/mm2，屈强比0.9。

施加预拉力的方法扭矩法：采用显示扭矩的特制扳手。转角法：用普通扳手初步拧紧，再用长扳手把螺帽转动半圈至2/3圈。扭剪法：螺栓带梅花头，拧至梅花头断掉为止。7.7高强度螺栓连接高强度螺栓的预拉力预拉力以抗拉强度的0.9倍为目标，同时考虑以下影响因素：（1）拧紧螺栓时的扭矩使螺栓产生剪应力，以至抗拉能力下降；（2）施工时为补偿预拉力松弛而超张拉5%-10%；（3）材料抗力的变异性。三个影响因素的折减系数分别是1/1.2、0.9和0.9，由此得预拉力值

这是GB50017规范采用的公式。然而，拧紧螺栓时产生的扭矩在安装结束后会逐渐消失，并且在螺栓受力至连接松开时不复存在。如果不计1/1.2系数，则系数0.608可以提高到0.73。7.7高强度螺栓连接高强度螺栓连接的构造径差：承压型抗剪螺栓连接，和普通螺栓具有同样性质。1.5-2.0mm比较合适，但直径27mm以上的螺栓可以放大到3mm。摩擦型抗剪螺栓连接不产生滑移，径差稍大一些并无大碍。因此，既可以采用和承压型连接相同的标准孔，也可以在此基础上增大2.5-4.0mm。但是，采用放大的圆孔时，板层之间摩擦面积有所减少，抗滑移能力略为下降。摩擦型抗剪螺栓连接还可采用槽孔（长圆孔），其短向长度和标准孔径相同，而长向则比大圆孔的孔径还大。间距：和普通螺栓相同。7.7高强度螺栓连接高强度螺栓抗剪连接的计算

（1）摩擦型连接中单个螺栓承载力

μ：抗滑移系数，随摩擦面处理方法和钢材牌号而异，数值在

0.30-0.45之间。

k：孔型系数，标准孔1.0，大圆孔0.85，槽孔0.7-0.6。（2）承压型连接中单个螺栓承载力计算公式和普通螺栓相同。但当计算剪切面位于螺纹处时，抗剪计算公式中的螺栓直径d应改为螺纹处有效直径de。（3）摩擦型连接中的构件净截面强度验算，可考虑孔前传力50%，孔轴线处净截面传力相应减小。7.7高强度螺栓连接高强度螺栓抗拉连接的计算

GB50017的计算方法：抗拉螺栓连接从其传力性质来看，虽然不存在摩擦型和承压型的区别。但规范沿用抗剪连接的分类方法，也分成两类，并对摩擦型抗拉连接采用预拉力P为极限承载力（已考虑抗力分项系数），并为撬力留出余地。单个螺栓的抗拉承载力设计值取对承压型抗拉连接，螺栓承载力设计值和普通螺栓一样

按照GB50017规范给出的数值，以上两式算得的完全相同，证实摩擦型和承压型的分类并无必要。因此，合理的方法应该是不做类型区分，抗拉螺栓承载力设计值一律按第二个公式计算，其中取在1.1×1.2=1.32和1.1×1.3=1.43之间，而不是规范所取的1.65。与此同时，可以取预拉力P为正常使用阶段的承载极限：使板层在正常使用条件下不松开。7.7高强度螺栓连接弯矩作用下的抗拉螺栓群按照传统的摩擦型抗拉连接的思路，以板层松开为承载能力极限状态，把螺栓群的中和轴取在其形心处。然而，中和轴的这一位置意味着受压区和受拉区一样，都只有4枚螺栓在受力，显然和实际情况并不符合。合理的计算方法是把中和轴取在最下面一行螺栓的中心，此轴下面有足够大的承压面积使压力和8枚螺栓的拉力相平衡。与此同时，螺栓最大拉力Nb1可以按拉断为承载能力极限状态，并把拉开作为正常使用极限状态，具体计算要考虑撬力影响。7.7高强度螺栓连接同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接需要区分两种情况（1）以摩擦型式传递剪力的连接（2）以承压型式传递剪力的连接附加条件考虑拉力使板层间挤压力下降的不利效应。（2）竖向剪应力由翼缘上的集中荷载产生，此时连接焊缝相当于正面角焊缝7.8焊接梁翼缘焊缝的计算梁翼缘和腹板的连接焊缝承受两方面的剪应力。（1）水平剪应力由翼缘和腹板间纵向剪力产生，按材料力学公式计算，得到

V：梁横向剪力F和ψ为集中荷载及其增大系数，lz为荷载分布长度。（3）当两种应力并存时，其综合效应为7.9构件的拼接拼接设计的总原则：（1）断开截面的强度没有受到削弱；（2）断开截面处保持变形的连续性，不会出现转折；（3）截面的各部分都得到拼接，可直接传力；（4）避免应力集中和焊缝密集，保持施工方便。7.9构件的拼接拉杆和压杆的拼接（1）采用对接焊缝，质量等级一、二级；（2）采用拼接板和角焊缝，注意腹板焊缝的施焊条件；（3）采用拼接板和高强度螺栓（摩擦型），适用于工地拼接；（4）采用端板、螺栓连接（法兰盘式），用于压杆比拉杆更合适；（5）压杆还可采用铣平顶紧，直接传力的方法，辅以少量防止错动的连接。7.9构件的拼接工厂拼接宜用对接焊缝，一、二级质量。腹板接缝和上、下翼缘接缝不在同一截面，也和加劲肋位置错开。工地拼接高强度螺栓和拼接板，按等强原则设计；翼缘板拼接只承受弯矩产生的正应力；腹板拼接既承受腹板所分担的弯矩，还承受接缝截面的全部剪力V。注意V对腹板螺栓群还有偏心力矩Ve，由于数值不大，在教材中被忽略了。

梁的拼接7.10梁与梁的连接次梁为简支梁叠接占用净空大，很少采用。侧面连接有多种构造方式，它们的共同点是次梁借助连接角钢、连接板或支承角钢实现和主梁腹板连接。因此，保证连接的强度包括焊缝/螺栓强度，中介件强度和次梁净截面强度。次梁的翼缘不需要连接。以采用连接板的连接为例，连接板和次梁都在螺栓孔心截面A-A承受剪力R和弯矩Re。7.10梁与梁的连接

采用连接角钢的连接，次梁上翼缘端部切除一部分，它的净截面强度验算有些特殊，可能产生拉剪联合破坏，即沿折线ABC断裂。相应的抗力为

式中A1和A2分别为AB段和BC段的净截面。

次梁和连接角钢之间的螺栓按反力R计算，主梁的连接螺栓则按反力

R和力矩Re计算。7.10梁与梁的连接次梁为连续梁连续次梁的特点是：支座反力传给主梁而端弯矩则在两邻跨次梁之间传递，因此次梁腹板和主梁的连接和简支次梁没有大的区别。邻跨次梁翼缘板之间用拼接板相连接，是传递端弯矩最好的办法。上翼缘设置拼接板，构造上很简便。下翼缘若用单块拼接板，需要从主梁腹板穿过，增加不少制作工作量。变通的办法是把拼接板分作两块（甚至四块），焊接到主梁腹板上。还可以做成支托，其平板起翼缘拼接板作用，而竖板则用来传递支座反力。连续次梁的构造复杂，在工程中使用不多。7.11梁与柱的连接多层框架梁与柱的连接可以是柔性的、刚性的和半刚性的。柔性连接只把梁腹板和柱相连，和简支次梁与主梁连接没有差别。（1）刚性连接的传力计算：可以简化为腹板连接只传剪力，翼缘连接传全部弯矩；也可以让腹板连接除剪力外，还传递腹板所承担的弯矩份额。（2）刚性连接的构造：翼缘连接可以用焊接或螺栓连接；翼缘采用对接焊缝时，必须保证焊透（适当的坡口和垫板）；采用高强度螺栓连接时，宜用T形连接件；高强度螺栓加外伸式端板常被看作是半刚性连接，但设计得当时也可达到刚性连接的要求。7.11梁与柱的连接连接的抗弯能力、转动刚度和延性连接设计不仅要关注其抗弯能力，还要了解其转动刚度和延性。连接的M-θ曲线提供这些资料，但实际性能要由试验取得。在设计连接时要考察连接受力后会出现哪些变形，对连接的转动刚度是否有明显影响。在内部没有横隔的方管柱的壁板上把梁和它刚性连接，柱腹板在梁端弯矩作用下的变形就不容忽视，这样的构造达不到刚性连接的要求，需要另辟蹊径。需要抗震设防的结构，节点连接应有一定转动延性。7.11梁与柱的连接无加劲肋节点的计算与梁刚性连接的柱，在梁上、下翼缘处设置加劲肋，使力得以直接传递，是合理的构造设计。然而，为了减少制作工作量，有的设计不设柱加劲肋，增大了柱腹板和翼缘的负担。此时，柱腹板应满足下列要求。强度要求：有效宽度稳定要求：柱翼缘板强度要求：需要指出，这些公式只考虑梁翼缘对柱的局部效应，而柱的腹板和翼缘都存在纵向应力。这些应力对横向局部应力影响如何，缺少分析。7.11梁与柱的连接单层框架的刚性连接单层框架的特点是跨度和高度之比往往较大，致使梁端弯矩较大。因此，框架梁常做成变截面的。加腋是变截面的一种方式。教材图7-116（e）采用了高强度螺栓-端板连接。为了螺栓有足够的力臂来抵抗弯矩，把端板放在长度最大的斜截面上。如果有必要，端板上侧还可以延长，再增加一对螺栓。为了具有足够的抗弯刚度，还需要计算检验。图7-116（c）的连接除梁端有板外，还在梁上翼缘设置拼接板。连接在弯矩作用下变形很小，符合刚性连接要求。7.12柱脚设计轴压柱的柱脚：支承式柱脚的任务，是把柱端压力分散到混凝土基础的顶面上，压力必须分布得比较均匀，才不致把混凝土压垮。(1)柱端只焊上一块底板的构造，要求底板厚度至少等于柱翼缘厚度的二倍。(2)压力较大的柱。需要采用图7-119（c）所示的靴梁板以及隔板等把柱端压力分散开。(3)图7-119（d）把锚栓锚固在槽钢靴梁的上翼，旨在形成刚性柱脚。据新的研究资料，平板柱脚可以提供一定的转动约束。这种复杂的构造似乎没有多大的优越性。(4)试评论图示柱脚，并和图7-119（c）相比较。7.11梁与柱的连接有加劲肋时的节点域柱加劲肋和翼缘一起形成节点域。节点域受剪屈服或屈曲，将影响节点连接的刚度。抗剪强度计算：

Vp=节点域腹板体积=hbhctw

稳定条件：

柱腹板厚度不满足这些条件者，或是增大厚度，或是设置斜加劲肋。7.12柱脚设计轴压柱脚的计算（1）底板底板的平面尺寸按压力均匀分布计算。为此，底板厚度一般不小于20mm，以免和均匀分布的假定相差悬殊。实际选用厚度要经过计算：分块计算其弯矩，由最大弯矩确定厚度。按压力均匀分布计算，所得弯矩偏于安全。（2）靴梁板、肋板及其焊缝计算工作首先要明确压力从柱传到底板的路径和每一路径上焊缝所传的力。焊缝长度决定靴梁板的高度。7.12柱脚设计

压弯柱的柱脚

除压力N外，柱脚还要传递弯矩M和剪力Q。压弯柱的截面高度大于宽度，柱脚底板也总是长度大于宽度。弯矩使底板一侧压力增大，另侧压力减小，甚至变成拉力。受拉侧的锚栓需要计算。刚接柱脚锚栓锚固在靴梁顶面，从构造上保证柱脚的刚度。靴梁的构造和轴压柱没有大的区别。图7-122（d）的格构柱还可采用分离式柱脚，即柱的两个分肢各设一个柱脚。柱底剪力不大时由底板和基础之间的摩擦传力。当剪力大而摩擦力不足时，需要设置剪力键，而不是依靠锚栓传递。7.13桁架节点设计节点构造分两大类：采用节点板，杆件直接焊接。

采用节点板的节点

节点左右两弦杆大多为连续杆；少数节点处左右弦杆断开。（1）节点板的任务：只在腹杆和腹杆之间，