钢结构(上)第七章.ppt

1、,第七章 连 接Chapter 7 Connections,焊缝连接,螺栓连接,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,7.1 钢结构的连接,连接的方式 焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接,连接的原则 安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材,图7.1.1 连接的方式,螺栓连接,铆钉连接,焊接连接,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章

2、连 接,Chapter7 Connections,7.1.1 焊缝连接,1. 钢结构常用的焊接方法,电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊。,（1）手工电弧焊,原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。,图7.1.2 手工电弧焊,优点：方便，适用于任意空间位置的焊接，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,A、焊条的选择： 手工电弧焊焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。,Q390、Q42

3、0钢选择E55型焊条(E5500-E5518),Q345钢选择E50型焊条 (E5001-E5048),Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。,不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter7 Connections,*构造简单，任何形式的构件都可直接相连； *用料经济，不削弱截面； *制作加工方便，

4、可实现自动化操作； *连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。,焊接的缺点,* 焊缝附近有热影响区，钢材的金相组织发生改变，导致 局部材质变脆； * 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏、降低压杆稳定 的临界荷载，残余变形使结构形状、尺寸发生变化； * 焊接裂缝一经发生，便容易扩展到整体； * 低温冷脆问题较为突出。,焊接的优点,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter7 Connections,2. 焊缝缺陷及焊缝质量检验,（1）焊缝缺陷 焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。 常见的

5、缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter7 Connections,（2）焊缝质量检验：,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷。（超声波检验、X射线或r射线透照或拍片）,钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准； 一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波探伤

6、检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,3. 焊缝连接形式及焊缝形式,（1）焊缝连接形式：分为对接、搭接、T形连接和角部连接。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（2）焊缝形式：分为对接焊缝和角焊缝。,对接焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正对接焊缝(a)：作用力方向与焊缝方向正交。

7、2）斜对接焊缝(b)：作用力方向与焊缝方向斜交。,角焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 2）侧面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向平行。 3）斜焊缝（c）：作用力方向与焊缝方向斜交。,图3.1.5 焊缝形式,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,1）对接焊缝,2）角焊缝,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,角焊缝沿长度方

8、向的布置,1）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。 2）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中。,平焊、立焊、横焊和仰焊。,焊缝按施工位置分为：,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第三章 连 接,Chapter 3 Connections,（4） 焊缝代号,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,7.2 对接焊缝的构造和计算,7.2.1 对接焊缝的构造,1. 对接焊缝的坡口形式,对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝

9、。坡口形式与焊件厚度有关。,图7.2.1 对接焊缝的坡口形式,a）直边缝：适合板厚t 10mm b）单边V形、c）双边V形：适合板厚t 1020mm d）U形、e）K形、f）X形：适合板厚t 20mm,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,2.对接焊缝的优缺点,优点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。 缺点：需剖口，焊件长度要求精确。,3.对接焊缝的构造处理,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接

10、,Chapter 7 Connections,1）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。,2）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。,3）在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,7.2.2 对接焊缝的计算,1. 轴心受力的对接焊缝,图7.2.5 直对接焊缝连接,（7.2.1）

11、,lw焊缝计算长度， t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度 ; ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（P382表1.3）；,（1）对lw的取值：考虑到起落弧缺陷的影响，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。,（2）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算。,（3）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况。a)没有引弧板时需要计算。b)受拉情况下的三级焊缝。,（7.2.2）,（7.2.3）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,

12、Chapter 7 Connections,斜向受力的对接焊缝,对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心，并与焊缝长度方向呈夹角，其计算公式为：,lw斜焊缝计算长度。加引弧板时，lwb/sinq；不加引弧板时，lwb/sinq2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。（P382表1.3）,规范规定，当斜焊缝倾角q56.3，即tanq1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,2. 承受弯距和剪力联合作用的对接焊缝,焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩

13、形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。,（7.2.5）,（7.2.4）,图7.2.7a 弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝,M焊缝承受的弯矩； Ww焊缝截面模量。,V焊缝承受的剪力； Iw焊缝计算截面惯性矩； Sw计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对中和轴的面积矩。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,对于工字形或T形截面除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:,（7.2.6）,式中 : 1、1为腹板与翼

14、缘交接处的正应力和剪应力。 1.1为考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高系数。,图7.2.7b 弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝,工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,3. 受轴力、弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：,（7.2.4*）,（7.2.5*）,同样对于工字形、箱形截面，还要计

15、算腹板与翼缘交界处的折算应力，其公式为 ：,（7.2.6*）,式中,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,对于梁柱节点处的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪应力均匀分布，其计算公式为：,Aw牛腿处腹板的焊缝计算面积。,（7.2.5*）,对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。,1.角焊缝的形式和强度,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 C

16、onnections,7.3 角焊缝的构造和计算,7.3.1 角焊缝的构造,角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。,（1）直角角焊缝 通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。对承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用（b）的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹面式（c）。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（2）斜角角焊缝 两焊边的夹角a90或a90的焊缝。通常用于钢漏斗和钢管结构中。,hf焊脚尺寸；焊脚边的夹角； he有效厚度（破坏面上焊缝厚度）

17、并有， he hfcos/2,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（1）侧面角焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行，应力分布简单。主要承受剪应力，强度低，弹性模量低，但塑性较好。弹性阶段分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。,角焊缝的工作性能,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（2）正面角焊缝：焊缝垂直于受力

18、方向，受力后应力状态较复杂。焊缝截面各面都有正应力和剪应力，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度要高一些，但塑性差，弹性模量大。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,破坏形式,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,2.构造要求,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 C

19、onnections,焊角尺寸：hf,1）焊缝的破坏面,7.3.2 直角焊缝的基本计算公式,试验表明，直角角焊缝的破坏常沿有效厚度方向发生。,图7.3.8 直角角焊缝截面,有效厚度：he （0.7hf）,焊缝厚度：有效厚度+熔深+凸度,有效截面：有效厚度计算长度,计算时假定有效截面上应力均匀分布。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,2）有效截面上的应力状态,图7.3.9 角焊缝有效截面上的应力,国际标准化组织（ISO）推荐用式（3.3.1）确定角焊缝的极限强度,在外力作用下，直角

20、角焊缝有效截面上有三个应力： 正应力，与焊缝长度方向（面外垂直） 剪应力，与焊缝长度方向（面内平行） 剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直）,上式相当于国产Q235钢提出，其它钢种公式左边系数（1.73.0）,式中： fuw -焊缝金属的抗拉强度,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（7.3.3）,ffw角焊缝强度设计值,我国规范采用了折算应力公式，引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为：,出于偏于安全考虑，且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，将（7.3.1）的1.8改为3即：,f

21、fw由角焊缝抗剪条件确定，所以右边3 fw相当于角焊缝抗拉强度设计值。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,图7.3.10 直角角焊缝的计算,如图所示承受互相垂直的Ny、Nz两个轴心力作用的直角角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力f，其在有效截面上引起的应力值为：,（7.3.4）,f 对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为 和 。,对直角角焊缝 ：,3）实用计算方法,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连

22、 接,Chapter 7 Connections,图7.3.10 直角角焊缝的计算,沿焊缝长度方向的力Nz，在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力 f。,（7.3.5）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter7 Connections,则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：,（7.3.6）,f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时 f 1.22，对直接承受动力荷载的结构， f 1.0 。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Cha

23、pter 7 Connections,正面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向垂直。,侧面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向平行。,（7.3.7）,（7.3.8）,以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,7.3.3 角焊缝的计算,1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算,当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。,(1）用盖板的对接连接,A、仅采

24、用侧面角焊缝连接,Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,B、采用三面围焊连接,先计算正面角焊缝承担的内力,Slw连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和,再计算侧面角焊缝的强度,Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,(2）承受斜向轴心力的角焊缝,平行于焊缝长度方向的分力Ncos 垂直于焊缝长度方向

25、的分力Nsin,（7.3.9a）,（7.3.9b）,外力N和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力N被分解为：,代入（7.3.6），得焊缝计算公式：,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（3）承受轴心力的角钢端部连接,在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊（如图所示）。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。,图7.3.13 桁架腹杆节点板的连接,钢结构设计原理 Design Princip

26、les of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,a) 仅用侧面焊缝连接,解上式得肢背和肢尖的受力为：,（7.3.14）,（7.3.15）,由平衡条件得：,肢背,肢尖,K1角钢肢背焊缝的内力分配系数 K2角钢肢尖焊缝的内力分配系数,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,表7.3.1 角钢角焊缝内力分配系数K,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter

27、7 Connections,b) 角钢用三面围焊时，可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3 ，并算出它所能承受的内力N3 ：,（7.3.11）,（7.3.12）,通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为:,（7.3.13）,角钢角焊缝围焊的计算,N,N1,N2,e,b,N3,lw2,lw1,在N1、N2作用下，侧焊缝的长度用公式（7.3.16、7.3.17）。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter7 Connections,（1）受弯矩M 、剪力V 、轴力N联合作用时角焊缝的计算,由轴心拉力Nx产

28、生的应力：,由弯矩M产生的最大应力：,2.复杂受力时角焊缝连接计算,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,A点产生的剪应力：,A点控制应力最大为控制设计点,A点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力Nx和弯矩M产生的正应力。直接叠加得：,代入角焊缝实用计算公式（7.3.6）：,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter7 Connections,（2）三面围焊受扭矩、剪力联合作用时角焊缝的计算,图7.3.19

29、承受偏心力的三面围焊,将F向焊缝群形心简化得: 轴心力 VF扭矩 T=Fe,故：该连接的设计控制点为A点和A点,计算时按弹性理论假定: 被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。 扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。 在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,T作用下A点应力:,sT,Ip为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip =Ix+Iy Ix，Iy焊缝计算截面对x、

30、y轴的惯性矩； rx、ry为焊缝形心到焊缝验算点在x、y方向的距离。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,轴力F产生的应力按均匀分布计算，A点应力:,A点垂直于焊缝长度方向的应力为: f，F， 平行于焊缝长度方向的应力为: T,强度验算公式：,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,7.4 焊接残余应力和焊接变形,7.4.1 焊接残余应力和变形的原因,1.焊接残余应力的分类

31、 纵向焊接应力：长度方向的应力 横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力 ； 厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,3.焊接残余变形的产生 在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（1）对结构静力强度的影响,因焊接残

32、余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到fy，即N=Ny时：,7.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响,1.焊接应力的影响,（已经屈服的区域不再承受荷载）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（2）对结构刚度的影响,当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：,1 2,当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：,结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度。,钢结构设计原理 Design Pri

33、nciples of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（3）对低温冷脆的影响,（4）对疲劳强度的影响,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。,在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。,对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。,（5）对压杆稳定的影响,钢结构设计原理 De

34、sign Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,焊接残余应力的影响 常温下不影响结构的静力强度； 增大结构的变形，降低结构的刚度； 降低疲劳强度； 在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性变形，在低温下使裂纹易发生和发展； 降低压杆的稳定性。,2.焊接变形的影响, 焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正； 影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载 力，引起事故。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Con

35、nections,7.4.3 减少焊接应力和变形的措施,（1）采用合理的施焊顺序和方向 （2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力 （3）锤击或碾压焊缝使焊缝得到延伸 （4）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,1.合理的焊缝设计,（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式 （2）尽可能减少不必要的焊缝 （3）合理的安排焊缝的位置 （4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉 （5）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力,2.合理的工艺措施,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,7.5 螺栓连接,1. 普通螺栓

36、连接,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,7.5.1 螺栓的排列和构造要求,螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列的方式有并列排列和错列排列两种。,图3.5.1 螺栓的排列方式,1.螺栓的排列,并列比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大；错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓空排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,C

37、hapter 7 Connections,(1)受力要求,因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距,中心距太大,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,（2）构造要求 若栓距及线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。规范规定了螺栓的最大容许间距。,（3）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7

38、 Connections,根据规范规定（P86表3.5.1）的螺栓最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter7 Connections,7.5.2 普通螺栓的受剪连接,螺栓连接的受力形式分为：只受剪力，只受拉力。有时受剪力和拉力的共同作用。,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,钢结构设计原理 Design Principles of Steel S

39、tructure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,1. 受剪连接的工作性能,(1) 摩擦传力的弹性阶段(01段) 直线段连接处于弹性状态； 该阶段较短摩擦力较小。,(2) 滑移阶段(12段) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表现在曲线上为水平段。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(3) 栓杆传力的弹性阶段(23段) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓

40、杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。,(4) 弹塑性阶段(34段) 达到3后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,图3.5.2 受剪螺栓的破坏情况,a) 螺杆被剪断； b) 连接件半孔壁挤压破坏； c) 钢板拉（压）断；d) 钢板剪坏；e) 螺杆弯曲破坏 。,受剪螺栓的破坏形式,

41、第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,2.单个普通螺栓的受剪计算,抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:,（7.5.1）,（7.5.2）,假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,抗剪承载力设计值：,承

42、压承载力设计值：,（7.5.1）,（7.5.2）,图3.5.3 剪力螺栓的剪面数和承压厚度,nv受剪面数目； d螺栓杆直径； fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值； t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,3 普通螺栓的受拉连接,(1).普通螺栓受拉的工作性能,b) 试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20来考虑撬力的影响，取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）。,a) 螺栓受拉时，一般是通过与螺

43、杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。,图7.5.6 受拉螺栓的撬力,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,c) 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。,(2).单个普通螺栓受拉承载力,（7.5.11）,Ntb单个螺栓抗拉承载力；Ae 螺栓螺纹处的有效面积； de 螺栓有效直径； ftb 螺栓的抗

44、拉强度设计值。 ftb 0.8f,假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，则一个拉力螺栓的承载力设计值：,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,螺栓的有效截面面积： 因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。,当l1

45、15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N由各螺栓平均分担。,7.5.3.普通螺栓群抗剪连接计算,（1）普通螺栓群轴心受剪计算,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原

46、理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,1、螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算 螺栓数目,板件净截面强度,净截面面积和受力,并列（图a） 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),钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,错 列（图b） 除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截

47、面的破坏，净截面面积为,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（2）普通螺栓群偏心受剪（剪扭共同工作）,F作用下每个螺栓受力：,基本假设 连接件绝对刚性, 螺栓弹性； T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离ri成正比，方向与它和形心的连线垂直。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,剪力计算公式,设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 、r2 、r3 ，rn，各螺栓承受的分力分别为N1T、 N2T、N3T ，

48、NnT，根据平衡条件得：,（a）,显然，T作用下1号螺栓所受剪力最大（r1最大）。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（c）,将（c）式代入（a），得用N1T表达的T式：,由假设得到，,（b）,螺栓1离形心最远是危险螺栓,最大剪力N1T,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,将N1T它分解为水平和竖直分力：,（3.5.7）,（7.5.8）,得受力最大螺栓所承受的合力为:

49、,（7.5.9）,（7.5.10）,（7.5.7）,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（1）栓群轴心受拉,当外力通过螺栓群形心时，一般假定每个螺栓均匀受力，因此连接所需的螺栓数目为：,（ 7.5.13）,（7.5.11）,3. 普通螺栓群受拉,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(2）栓群承受弯矩作用,M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为： 连接板件绝对刚性，螺栓为弹

50、性； 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,显然1号螺栓在M作用下所受拉力最大,由力学及假定可得：,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,将式(c)代入式(b)得:,由式(a)得:,因此，设计时只要满足下式即可：,螺栓i 的拉力:,即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值,

51、第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,7.5.4 剪拉螺栓群的计算,同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。,图7.5.12 剪拉联合作用的螺栓,图7.5.13 剪力和拉力的相关曲线,试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,规

52、范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：,验算剪-拉联合作用：,（7.5.17）,（7.5.18）,验算孔壁承压：,NVb单个螺栓抗剪承载力设计值； Ncb单个螺栓承压承载力设计值 Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值； Nv 、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,例题：,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structu

53、re,7.7 高强度螺栓连接的构造和计算,材料 高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的合称。高强度螺栓常用钢材有优质碳素钢中的45号钢，合金钢中的20锰钛硼钢等。制成的螺栓有8.8级和10.9级。,7.7.1 高强度螺栓的工作性能和构造要求,分类按受力特征的不同高强度螺栓分为两类， 摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为克服摩擦力； 承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。在外力的作用下螺栓承受剪力和拉力。,高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，以达到传递外力的目的。,第七章 连 接,Chapter 7 Connecti

54、ons,（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）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（1）高强度螺栓预拉力的建立方法,1.高强度螺栓连接的构造要求,大六角头螺栓的预拉力控制方法有：a.扭矩法 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使板件贴紧密； 终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。 特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要。,b.转角法 初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密； 终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，

55、一般为120o180o完成终拧。 特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,c 扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）,初拧拧至终拧力矩的60%80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。 特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等。,高强度螺栓的施工要求： 由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格： 终拧力矩偏差不应大于10%； 如发现欠、漏和超拧螺栓应更换； 拧固顺序先主后次，且当天安装，

56、当天终拧完。 如工字型梁为：上翼缘下翼缘腹板。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,Ae螺纹处有效截面积； fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2， 10.9级，取fu =1040N/mm2,（2）高强度螺栓预拉力的确定,高强螺栓的预拉力设计值由下式确定,考虑材料的不均匀性的折减系数0.9；,为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9；,考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。,附加安全系数0.9。,第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,表7.7.1 高强螺栓的预拉力P (GB 50017),表7.7.2高强度螺栓的预拉力P (GB 50018),第七章 连 接,Chapter 7 Connections,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移