钢结构可能的破坏形式及连接课件

第7章钢结构内容提要

钢结构材料破坏形式钢结构的连接轴心受力构件受弯构件钢结构特点强度高而自重轻塑性和韧性好材质均匀，可靠性好制造方便，工业化程度高密闭性能好耐腐蚀性差耐火性差在低温条件下，可能发生脆性断裂7.1钢结构材料

钢的种类和代号

结构用钢：普通碳素钢（低碳C≤0.25﹪)

合金钢（低合金，合金元素<5﹪)1、碳素结构钢主要五种：Q195、Q215、Q235、Q265、Q275

钢号表示方法举例：

Q235－A·FQ235－B·bQ235－CQ235－DQ—屈服点，235—表示fy=235N/mm2A—无冲击要求B—20℃冲击功＝27JC—0℃冲击功＝27JD—-20℃冲击功＝27JF—沸腾，b—半镇静2、低合金钢：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460：含Mn、V等合金元素选用钢材的原则：结构重要性荷载特性连接方法工作温度钢材厚度

钢材和连接的强度设计值：表7-1～7-41、钢板：厚钢板：厚4～60mm,宽600～3000mm

薄钢板：厚0.35～4mm,宽500～1500mm

扁钢：厚3～60mm,宽100～200mm2、型钢：角钢：等边L100×8

不等边L140×90×8

工字钢：Ⅰ20a、Ⅰ20bH型钢和T型钢槽钢：[30a[25b

钢管：Φ102×5＝Φ外径×壁厚

钢材规格7.2钢结构可能的破坏形式整体失稳局部失稳强度破坏连接破坏整体失稳弯曲失稳扭转失稳弯扭失稳扭转失稳弯扭失稳局部失稳整体失稳局部失稳强度破坏连接破坏7.3钢结构的连接钢结构连接必要性只有通过连接才能形成整体结构连接设计应符合安全可靠、节省钢材、构造简单、制作安装方便等。本节要点掌握钢结构的连接方法，各自的特点和适用情况掌握对接焊缝的强度计算和构造要求掌握角焊缝连接的强度计算和构造要求掌握普通螺栓连接的计算方法

7.3.1钢结构的连接方法焊接连接螺栓连接：普通螺栓连接和高强螺栓连接铆钉连接各自的优缺点焊缝连接：对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便适用，一般不需要附加连接板、连接角钢等零件，也不需要在钢材上开孔，不使截面受削弱，因而构造简单，节省钢材，制作方便，并易于采用自动化操作，生产效率高；焊缝连接的刚度大，密封性好。塑性和韧性较差，脆性较大，疲劳强度低，另外，焊缝质量缺陷也是影响连接质量的不利因素。铆钉连接：塑性、韧性和整体性好，连接变形小，传力可靠，疲劳性能好，质量也便于检查，特别适用于重型和直接承受动力荷载的结构。铆钉的连接的构造复杂，用钢量大，施工麻烦，打铆时噪声大，劳动条件差。螺栓连接：安装方便，特别适于工地安装连接；也便于拆卸，适用于需要装卸结构的连接和临时性连接。但需要在板件上开孔和拼装时对孔普通螺栓连接；高强度螺栓连接7.3.2焊缝连接一、钢结构的焊接方法通常采用电弧焊手工电弧焊

特点：设备简单、操作灵活，适用性和可达性强度；生产效率比自动、半自动焊低，质量稍低并且变异性大，施焊时电弧光较强。2）焊剂层下自动或半自动埋弧焊3）二氧化碳气体保护自动或半自动焊4）电渣焊5）电阻点焊焊接变形正确施焊错误

正确二、焊缝连接的形式按被连接钢材的相互位置分平接、搭接、顶接（T接）按所用焊缝本身的构造分：对接焊缝角焊缝对接焊缝角焊缝按施焊时焊缝在焊件之间的相对位置分焊缝符号说明见P.271表7.3.17.3.3对接焊缝连接一、对接焊缝的型式和构造构造简单，传力直接，用料经济，当保证焊缝质量时，其强度与主体金属强度相当；传力平顺均匀，没有明显的应力集中，对于承受动力荷载作用的结构最有有利。对接焊缝的剖口型式，为了保证焊透。（坡口焊）当焊件厚度t≤8mm，留直边缝c=0.5~2.0mm；当t=8~20mm，开单边V形缝，当t>20mm，可采用其它形式

对接焊缝两侧板件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，做斜角1：2.5，使截面过度缓和，减少应力集中当采取不焊透的对接焊缝时，有效厚度不得小于二、对接焊缝连接的计算轴心受力的对接焊缝t—在对接接头中为被连接两钢板的较小厚度，在T形或角接接头中为对接焊缝所在面钢板的厚度。

有效焊缝长度lw

：有引弧板按实际长度，无引弧板按实际长度减2hfmm计。弯曲变形在弯矩作用下：在剪力作用下：对于工字形截面梁对接焊接接头，还应对同时受有较大正应力和较大剪应力处（腹板和翼缘的交点），按折算应力验算

7.3.4角焊缝连接无需加工坡口，施焊比较方便。传力线曲折，受力情况复杂，有应力集中现象，比较费料。一、角焊缝的形式按截面形状分为普通形、凸形（平坡形）和凹形，等边和不等边形一般情况下采用普通形，普通形应力集中严重，传力线弯折。在直接承受动力荷载的结构中，侧面角焊缝可采用等边凹形角焊缝；对于正面角焊缝，也可采用平坡凸形角焊缝。焊脚尺寸和有效厚度二、角焊缝的布置和受力按焊缝受力方向和位置侧面角焊缝的受力性能及破坏形态侧面角焊缝主要受剪，因两端应力集中，剪应力分布不均匀。正面角焊缝的受力性能及破坏形态正面角焊缝有效面上受有正应力和剪应力作用，分布不均匀。通常正焊缝的强度是侧焊缝的1.35~1.55倍。有效面三、角焊缝尺寸的构造要求最大焊脚尺寸若t2<t1焊角尺寸不宜过大，以避免焊缝冷却收缩而产生较大的焊接残余变形，且热影响扩大，容易产生脆裂，较薄焊件容易烧穿。焊角尺寸不宜过小，以保证焊缝的最小承载能力，并防止焊缝因冷却过快而产生裂纹。最小焊脚尺寸最小焊脚尺寸hf（mm）≥1.5，t为较厚焊件的厚度（mm）；对自动焊hf可减小1mm，对T形连接的单面角焊缝应增加1mm。但当t≤4mm时，采用hf=tmax

。（避免影响承载力，防止冷却过快产生裂纹）角焊缝长度不宜过小，过小会使杆件局部加热严重，且起弧和弧坑相距太近，加上一些可能产生的缺陷，使焊缝不够可靠。侧面角焊缝的长度不宜过大，由于角焊缝的应力沿长度分布不均匀，焊缝越长差别越大。lw≤60hf（承受静力或间接动力荷载）或40hf

（直接承受动力荷载）。若内力沿侧面角焊缝全长分布，则计算长度不受此限。（焊接梁翼缘和腹板的连接焊缝，屋架中弦杆和节点板的连接焊缝，以及梁的支承肋和腹板的连接焊缝等）角焊缝的最小计算长度lw≥8hf或40mm（常用大于50mm）搭接连接的构造要求仅有两条侧面角焊缝连接时，焊缝计算长度和间距的要求搭接长度不得小于5t和25mm。次要连接或次要构件中的断续角焊缝的构造。焊段长度不小于10hf或50mm，净距不应大于15t（受压构件）；30t（受拉构件）。e≤30tmin角7.3.5角焊缝连接的计算直角角焊缝强度计算的基本公式正面角焊缝侧面角焊缝在各种应力综合作用下2hf各种受力状态下直角角焊缝连接的计算承受轴心力作用时角焊缝连接计算1.用盖板的对接连接承受轴心力（拉力、压力或剪力）时只有侧面角焊缝时只有正面角焊缝时采用三面围焊时2.承受斜向轴心力的角焊缝连接计算3.承受轴向力的角钢角焊缝计算两面围焊等边角钢：1＝0.7，2＝0.3不等边角钢，短边连接：1＝0.75，2＝0.25不等边角钢，长边连接：1＝0.65，2＝0.35L形围焊例题1例题2例题2例题2用复合应力公式验算：例题37.3.6螺栓连接的构造普通螺栓连接螺栓级别名称材料性能等级加工程度、受力特点、适用范围A级精制螺栓5.6级或8.8级螺栓杆身是由毛坯在车床上经过加工精制而成，表面光滑，尺寸准确，螺杆直径与螺栓孔径相同，对成孔质量要求高，故螺栓孔在装配好的构件上钻成或钻扩成。螺栓直径与螺孔直径相差0.3-0.5mm。由于有较高的安装精度，因而受剪性能好，受力和抗疲劳性能好，连接变形小但制造和安装复杂，造价高，在一般钢结构中较少采用，主要用于直接承受动力荷载的重要结构的受剪安装。BC粗制螺栓4.6级或4.8级由未经加工的圆钢压制而成，螺栓表面粗糙。螺栓孔的直径比螺栓杆大1.5~3mm。受剪力作用时，会产生较大的剪切滑移，连接变形大。但由于安装方便，且能有效传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中，及次要结构的抗剪连接和安装时的临时固定。螺杆公称直径（mm）121620（22）24（27）30螺栓孔公称直径（mm）13.517.522（24）26（30）33不同螺栓主要区别普通螺栓连接依靠杆身承压和抗剪来传递剪力，扭紧螺母时所产生的预拉力很小，不予以考虑。高强螺栓是有意给螺栓施加很大的预拉力，使被连接件接触面之间产生挤压力，因而垂直于螺杆方向有很大摩擦力，依靠这种摩擦力来传递连接剪力。摩擦型高强螺栓连接依靠被连接件之间的摩擦阻力传力，剪力等于摩擦力时，即为设计极限荷载。承压型高强螺栓的传力特征是剪力超过摩擦力时，杆件间发生相互滑动，螺栓杆身与孔壁接触，由摩擦力和杆身的剪切、承压共同传力；至构件间产生较大的塑性变形或接近破坏时，荷载主要由杆身承担。承压型高强螺栓连接的承载力远高于摩擦型高强螺栓，但变形大，不宜用于承受动力荷载的连接。高强螺栓预拉力的施加高强螺栓的预拉力是通过扭紧螺母实现的。普通高强螺栓一般采用力矩法或转角法控制预拉力。扭剪型高强螺栓采用扭断螺栓尾部来控制预拉力。力矩法是用可直接显示扭矩的特制扳手，利用事先测定的扭矩与螺栓拉力之间的关系施加扭矩，并计入超张拉值。转角法分初拧和终拧两步。初拧是用普通扳手使被连接构件相互紧密贴合；终拧是用强有力的扳手旋转螺母，拧至按螺栓直径和板层厚度所确定的终拧角度，螺栓拉力即达到预拉力数值。四、螺栓的排列和间距受力要求构造要求施工要求螺栓间距过小，使螺栓周围应力相互影响，构件截面削弱过多，降低承载力，也不便于施工安装操作。螺栓间距过大，使连接件间不能紧密贴合，在受压时容易发生鼓曲现象，一旦潮气侵入缝隙，会使钢材生锈。7.3.7普通螺栓连接计算剪力螺栓和拉力螺栓验算螺栓抗剪、承压及构件自身强度验算螺栓的抗拉强度一、普通螺栓受剪计算受力性能、破坏特征受力三个阶段：弹性工作阶段、相对滑移阶段、弹塑性工作阶段五种破坏形式：栓杆被剪断、板被挤压破坏或栓杆承压破坏、板被压（拉）坏、板受剪破坏、栓杆受弯破坏螺栓杆剪断、孔壁压坏是通过抗