第二章 钢结构连接.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 钢结构连接,第五节 焊接应力与变形,一、,焊接应力的产生,焊接应力,暂时应力：只在焊接过程中，一定的温度情况下存在，冷却至常温时，即行消失。,残余应力：焊件冷缩后残留在焊件中的应力，又称收缩应力。,残余应力是一种在结构体系内,自相平衡,的力。,第二章 钢结构连接,1,、纵向焊接应力,焊接高温焊缝周围产生塑性压缩，冷却时收缩受到限制，焊缝附近区受拉，焊缝区以外受压，,第二章 钢结构连接,2,、横向焊接应力,纵向收缩产生反向变形,中间受拉，两端受压,先焊接限制后焊接变形,中间受压，两端受拉,应力叠加,第二章 钢结构连接,3,、,Z,向焊接应力,表面先冷却限制内部收缩，内部受拉，表面受压,第二章 钢结构连接,二,、,焊接应力的影响,1,、结构静力强度,自平衡应力，内外应力叠加，有焊接应力处先屈服，内力重分布，最终全截面屈服，,第二章 钢结构连接,先屈服区刚度为零，应变增加，变形增大,3,、降低疲劳强度,4,、低温冷脆,2,、降低结构刚度,第二章 钢结构连接,三,、,焊接变形,不均匀收缩产生,（,a,）纵横向收缩（,b,）弯曲变形（,c,）角变形（,d,）波浪变形,(e),扭曲变形,第二章 钢结构连接,四,、,控制,焊接应力和变形,(1),焊缝均匀对称,(,a,c,),(2),避免焊缝尺寸过大,(e),(3),避免,焊缝集中,(g),(,4,),尽量避免在母材厚度方向的收缩应力,(i),第二章 钢结构连接,(5),采用合理的焊接次序：分段退焊、沿厚度分层焊、,对角跳焊、钢板分块拼接,(6),焊后校直,(7),焊前预热、焊后热处理,(8),钢板不易过薄,t4mm,第二章 钢结构连接,第六节 普通螺栓连接,一、,普通,螺栓,1,、,螺栓类型,(1)A,级、,B,级和,C,级三种,(2)A,级和,B,级为精制螺栓，螺杆、螺孔加工精度高，制作安装复杂，螺栓等级为,8.8,级。很少用，已被高强度螺栓代替。,第二章 钢结构连接,(4),小数点前为材料抗拉强度，小数点后为屈强比，刻在螺杆头上。例,4.8,级表示抗拉强度,400N/mm,2,，,屈服强度,320N/mm,2,。,(5),常用螺栓直径为,d=16,，,20,，,24mm,，用,M,表示，如,M16,(3)C,级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大,1.52mm,，,制作安装方便，螺栓等级为,4.6,级和,4.8,级。,C,级螺栓变形大，多用于围护结构或次要结构连接。,第二章 钢结构连接,2,、,螺栓符号,(1),普通螺栓，安装螺栓，高强度螺栓,(2),孔径,d,o,=d+1.52,，用,f,表示，如孔径,f,22,(3),设计说明：螺栓类型，等级，直径，孔径,永久螺栓 安装螺栓 高强度螺栓 圆形螺栓孔 椭圆形螺栓孔,第二章 钢结构连接,3,、,螺栓排布,(1),并列和错列：规则、统一、紧凑,(2),排布参数：端距，边距，间距,(3),排布尺寸要求：考虑安装，受力,(4),至少要有两个受力螺栓,第二章 钢结构连接,4,、,最大、最小尺寸要求,(1),保证安装要求：用扳手拧紧螺帽最小间距，,节省连接板最大间距和边,(,端,),距,(2),保证受力要求：不过多削弱截面，最小间距和边,(,端,),距,(3),保证使用要求：避免锈蚀和变形最大间距和边,(,端,),距,中距,3d,0,边距,1.5 d,0,（切割边）,1.2 d,0,（轧成边）,端距,2d,0,（防止端部钢板冲剪破坏）,中距,12 d,0,或,18t(,受压构件,),16 d,0,或,24t(,受拉构件,),端、边距,4d,0,或,8t,第二章 钢结构连接,第二章 钢结构连接,5,、螺栓连接受力,(1),连接,可传递弯矩、剪力和轴力，单个螺栓只能受拉或受剪,(2),受剪螺栓,作用力与螺杆垂直，,受拉螺栓,作用力与螺杆平行,第二章 钢结构连接,连接类型,按受力情况：抗剪连接抗拉连接抗拉与抗剪组合连接,受剪螺栓,作用力与螺杆垂直,受拉螺栓,作用力与螺杆平行,第二章 钢结构连接,二、普通,螺栓,受,剪性能,1,、单个螺栓受剪破坏试验,摩擦传力,(0-1),，滑移,(1-2),，螺杆传力,(2-3),，弹塑性破坏,第二章 钢结构连接,(1),螺栓直径小，连接板厚，螺杆剪切破坏,(2),螺栓直径大，连接板薄，孔壁挤压破坏,(3),螺栓孔径大，连接板削弱多，连接板受拉破坏,(4),连接板端距小，冲剪破坏（构造解决，端距,2d,0,）,(5),连接板厚，螺杆长，螺杆弯曲破坏,（,构造解决,）,第二章 钢结构连接,2,、单个螺栓抗剪承载力,(1),螺杆剪切破坏：假设剪应力均匀分布，计算平均剪应力,第二章 钢结构连接,螺杆抗剪承载力,单剪,双剪,第二章 钢结构连接,螺栓抗剪强度,第二章 钢结构连接,(2),孔壁挤压破坏：假设压应力沿直径均匀分布，计算平均压应力,孔壁挤压承载力,同一方向承压板较小总厚度,板件承压强度,第二章 钢结构连接,3,、螺栓群拼接,(1),螺栓群受拉，单个螺栓受剪,(2),螺栓非均匀受剪，连接较长时端部先破坏,第二章 钢结构连接,(3),假设,l,1,15,d,o,时，剪力均匀分布，螺栓群抗剪承载力,(4),假设,l,1,15,d,o,时，剪力非均匀分布，螺栓群抗剪承载力下降,h,为,折减系数,要求,N,N,b,第二章 钢结构连接,(1),开孔处破坏面,(I,，,II,，,III),4,、净截面抗拉强度计算,(2),净截面积计算,螺栓并列排布：直线面积,第二章 钢结构连接,螺栓错列排布：锯齿净面积,计算净截面强度,第二章 钢结构连接,5,、螺栓群牛腿,(1),螺栓群受扭,(,扭矩,T,=,Pe,),、,受剪,(,剪力,N,=,P,),，,单个螺栓受剪,(2),假设扭矩使连接板绕螺栓群形心,o,转动，扭矩产生的剪力,N,T,i,与螺栓至形心距,r,i,成正比,第二章 钢结构连接,(2),扭矩平衡,扭矩产生螺栓剪力,分量,第二章 钢结构连接,(3),剪力,P,在螺栓群中均匀分配,单个螺栓剪力合成,计算受剪力最大的螺栓,第二章 钢结构连接,算例：,设计,螺栓盖板拼接，设计拉力,N=350kN,，,钢材,Q345B(,或,16Mn),，,拼接板宽,b,=360mm,，厚,t,1,=8mm,，,采用,M20C,级,螺栓，孔径,f,22,。,第二章 钢结构连接,解：,螺栓抗剪强度,板件承压强度,(1),双盖板的厚度,t,2,拼接板的厚度,t,1,/2,板件抗拉强度,取,t,2,=6mm,双剪,(2),单个螺栓抗剪承载力,第二章 钢结构连接,(3),孔壁承压,(4),所需螺栓数,n,=350/67.3=5.2,个,(5)6,个螺栓,3,排布置，间距,100,，端距,60,，边距,80,第二章 钢结构连接,(6),连接长度验算,l,1,=15,d,o,=1522=330100,(7),拼接净截面积,A,n,=(360-322)8=2352mm,2,净截面拉应力,s,n,=350000/2352=149N/mm,2,f,毛截面拉应力,s,=350000/(3608)=121N/mm,2,第二章 钢结构连接,三、普通,螺栓,受,拉性能,1,、单个螺栓受拉破坏试验,螺杆受拉，连接板脱开，螺纹处拉断或连接板屈服,螺栓抗拉承载力设计,值,：,Ae,为螺纹处有效截面面积，,de,为螺纹内径查书,247,页附录,螺栓抗拉强度设计值,第二章 钢结构连接,A,e,已列表,第二章 钢结构连接,2,、螺栓群受拉,拉力均匀分布，螺栓个数,第二章 钢结构连接,3,、螺栓群受弯,螺栓受拉，连接板受压，受拉区连接板脱开，螺栓面积小，拉压平衡，受压区高度小。假设转动中和轴在最下排螺栓处。,第二章 钢结构连接,假设螺栓拉力三角形分布，大小与距转动中和轴距离成正比,弯矩平衡,弯矩产生螺栓拉力,计算受力最大的螺栓,(,最外排,),第二章 钢结构连接,4,、同时受拉受剪螺栓,螺栓所受拉力,N,t,和剪力,N,v,，,试验得破坏近似相关方程,螺栓计算,孔壁挤压计算,第二章 钢结构连接,可通过加板托承受剪力，螺栓只受拉力,第二章 钢结构连接,5,、算例：,验算牛腿螺栓连接，设计剪力,V,=200kN,，,偏心,e,=150mm,，,连接板及柱翼缘厚,t,=20mm,，,Q235B,钢材，,采用10个,M20C,级,螺栓，孔径,f,22,，,分别计算有承托和无承托两种情况。,第二章 钢结构连接,解：,螺栓抗剪强度,板件承压强度,(1),有承托板，螺栓群受弯矩,M,=,Ve,=2000.15=30kNm,单个螺栓抗拉承载力,螺栓抗拉强度,第二章 钢结构连接,螺栓最大拉力,(2),无承托板，螺栓受拉受剪,单个螺栓抗剪承载力,螺栓平均剪力,第二章 钢结构连接,螺栓计算,螺栓最大拉力,孔壁承压计算,满足要求。,第二章 钢结构连接,第七节 高强度螺栓连接,一、高强度,螺栓,1,、,螺栓类型,(1),高强度钢材制成。,(2),按材料强度分成,8.8,级和,10.9,级,(3),按传剪力方式分成摩擦型,和,承压型,第二章 钢结构连接,(4),按施工方式分成大六角头,和,扭剪型,第二章 钢结构连接,2,、受力机理,(1),高强度螺栓可以传递剪力和拉力,(2),高强度螺栓通过施加预拉力使连接板之间产生预压力，接触面上有摩擦力，依靠摩擦力传递剪力,第二章 钢结构连接,高强螺栓与普通螺栓抗剪受力区别,普通螺栓：靠栓杆承压和抗剪传递剪力,高强螺栓：摩阻力来传力,。,摩擦型高强螺栓：仅由摩阻力传力。,承压型高强螺栓：由摩阻力和栓杆剪切、承压共同传力。,第二章 钢结构连接,(3),摩擦型连接,在,承载能力极限状态,最大剪力不能超过板件间摩擦力。,(4),承压型连接,在,承载能力极限状态,允许滑动，,但最大剪力不能超过螺栓的抗剪承载力和孔壁的承压强度。,(5),高强度螺栓承载力高，变形小，传力可靠，多用于主承重受力构件连接。,(6),高强度螺栓的排布要求与普通螺栓相同，螺孔直径比螺杆直径大,1.52mm,，也用,M,表示。,第二章 钢结构连接,3,、紧固方法与预拉力,P,(1),高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺帽实现的。扭矩法，转角法和扭剪法，分成初拧和终拧两步完成，保证拉力均匀。,第二章 钢结构连接,(2),扭矩法,专用扭矩板手，标定预拉力和扭矩之间的关系，通过施加一定扭矩达到预拉力，大六角螺栓。,(3),转角法,手动扳手初拧后，再转动一定角度达到预拉力，大六角螺栓。,(4),扭剪法,扭剪型螺栓，特制电动扳手，以扭断梅花头为标志，准确可靠，易检查，成本高。,第三章 钢结构连接,(5),螺栓预拉力越大，摩擦力越高，连接传力性能越好，但要避免在拧紧阶段发生破坏，还要保留螺栓具有一定的抗拉承载力。我国预拉力定为,P,=0.675,f,y,A,e,第二章 钢结构连接,4,、抗滑移系数,m,(1),连接板接触面之间摩擦力的大小与摩擦系数有关，称为抗滑移系数，与表面处理方式有关。,第二章 钢结构连接,二、高强度,螺栓,抗,剪计算,1,、,单个螺栓抗剪承载力,单个螺栓周围接触面上的摩擦力为,m,P,，,考虑安全系数,1.11,，,单个螺栓抗剪承载力取,n,f,为摩擦面数，单剪,n,f,=,1,，,双剪,n,f,=2,第二章 钢结构连接,2,、摩擦型螺栓抗剪计算,(1),单个螺栓传递的最大剪力,N,v,，,要求,(2),螺栓,群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪,，,要求,螺栓数,第二章 钢结构连接,(3),净截面计算,每个螺栓均匀传力,，,孔前传力系数,0.5,净截面拉应力,净截面拉力,第二章 钢结构连接,3,、承压型螺栓抗剪计算,(1),单个螺栓承载力计算方法与普通螺栓相同,n,为受剪面，单剪,n=,1,，,双剪,n,=2,高强度螺栓抗剪强度,但要控制螺栓最大剪力，避免在正常使用状态下发生滑动,第二章 钢结构连接,(2),螺栓,群受轴力作用时，每个螺栓均匀受剪,，,要求,螺栓数,(3),净截面计算也可偏安全取与普通螺栓相同,高强度螺栓连接时板件承压强度,实际上摩擦力仍然传递部分剪力，承压型螺栓承载力高，破坏时变形大,第二章 钢结构连接,三、高强度,螺栓,抗,拉计算,1,、,单个螺栓抗拉承载力,由于螺栓预拉力,P,的存在，接触面产生初始压力,C,=,P,，,连接板沿厚度方向压缩。外拉力,N,t,使接触面压力减为,C,-,D,C,，,螺栓拉力增加至,P,+,D,P,，,既要保证螺栓不被拉断，又要保证接触面压力不减为零。,第二章 钢结构连接,根据平衡条件：,C,-,D,C,+,N,t,=,P,+,D,P,或：,D,P,=,N,t,-,D,C,，,外拉力,N,t,并非全部传给螺栓,第二章 钢结构连接,假设螺栓面积为,A,b,，,受压接触面积为,A,p,外拉力,N,t,使连接板厚度回弹量为,外拉力,N,t,使螺栓伸长量为,变形协调,第二章 钢结构连接,代入前式得,由试验和分析知,A,p,(10 20),A,b,，,近似取,A,p,10,A,b,外拉力,N,t,只有很小部分直接传给螺栓,第二章 钢结构连接,假设控制剩余接触面压力,C,-,D,C,不低于初始值的,1/4,，即,设计取高强度度螺栓的抗拉承载力为,应控制外拉力,N,t,第二章 钢结构连接,四、高强度,螺栓,同时,受拉受剪,1,、,摩擦型螺栓承载力计算,用线性相关方程近似表示破坏模式,N,t,N,v,O,第二章 钢结构连接,设计要求,或,即,第二章 钢结构连接,2,、承压型螺栓承载力计算,用椭圆方程表示破坏模式,N,t,N,v,O,设计要求,同时,即,第二章 钢结构连接,同时受拉受剪，一个方向压力减小，板件局部承压强度降低，取,高强度螺栓只受剪时，孔壁三向受压，板件局部承压强度，高。,则,第二章 钢结构连接,3,、摩擦型,螺栓,群,受弯受剪连接,假设剪力均匀分布，弯矩使中和轴以上连接板间压力减小，中和轴以下连接板间压力增大，但连接板间不分离。中和轴在螺栓群形心处。,第二章 钢结构连接,假设螺栓拉力三角形分布，大小与距转动中和轴距离成正比,弯矩产生螺栓拉力,第二章 钢结构连接,计算抗拉承载力,(,最外排螺栓,),计算抗剪承载力,(,最外排螺栓,),或，计算全部螺栓承载力,中和轴以下取,N,ti,=0,第二章 钢结构连接,算例：,验算梁端梁柱连接，设计弯距,M,=40kNm,，,剪力,V,=160kN,，,Q235B,钢材，,采用8个,M20,、,8.8,级,螺栓，摩擦型连接,，,连接板钢刷除锈。,第二章 钢结构连接,解：,螺栓预力,P,=110kN,，,抗滑移系数,m,=0.35,0.8,P,=88kN,弯矩产生螺栓拉力,(,最外排螺栓,),螺栓平均剪力,N,v,=160/8=20kN,计算最外排螺栓抗剪,第二章 钢结构连接,计算全部螺栓抗剪,