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钢结构第三章 钢结构的连接

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  • 卖家[上传人]:小**
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    • 1、第三章 钢结构的连接本章重点1、钢结构的各种连接方法的特点;2、角焊缝的构造与计算;3、焊接残余应力与变形的产生机理与影响;4、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理;5、高强螺栓连接的构造与计算。目 录 u第一节 钢结构的连接方法u第二节 焊接连接的特性u第三节 对接焊缝连接的构造和计算u第四节 角焊缝连接的构造和计算u第五节 焊接残余应力和焊接残余变形u第六节 普通螺栓连接的构造和计算u第七节 高强度螺栓连接的性能和计算第一节 钢结构的连接方法n一、连接设计原则n二、结构的连接方法一、连接设计原则l 钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成构件,各构件再通过一定的安装连接而形成整体结构。连接部位应有足够的强度、刚度及延性。被连接构件间应保持正确的相互位置,以满足传力和使用要求。连接的加工和安装比较复杂、费工,因此选定合适的连接方案和节点构造是钢结构设计中重要的环节。连接设计不合理会影响结构的造价、安全和寿命。 u设计时应根据连接节点的位置及其所要求的强度和刚度,合理地确定连接方式及节点的细部构造和计算方法,并应注意以下几点: (1)连接的设计应与结构内力分析时的假定相一致; (2)结构的荷

      2、载,内力组合应能提供连接的最不利受力工况; (3)连接的构造应传力直接,各零件受力明确,并 尽可能避免严重的应力集中; (4)连接的计算模型应能考虑刚度不同的零件间的变 形协调; (5)构件相互连接的节点应尽可能避免偏心,不能完全避免时应考虑偏心的影响; (6)避免在结构内产生过大的残余应力,尤其是约束造成的残余应力,避免焊缝过度密集; (7)厚钢板沿厚度方向受力容易出现层间撕裂,节点设计时应予以充分注意; (8)连接的构造应便于制作、安装,综合造价低。二、结构的连接方法焊缝连接铆钉连接 螺栓连接焊缝连接l 20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是 现代钢结构最主要的连接方法之一。l 优点:不削弱构件截面,构造简单,节约钢材, 加工方便,可采用自动化操作,生产效率高。刚 度较大、密封性能好。l 缺点:焊缝附近存在热影响区,由高温快速降到 常温,使钢材脆性加大;存在焊接残余应力及残 余变形;焊接结构低温冷脆问题也比较突出。 铆钉连接l 优点:传力可靠,韧性和塑性好,质量易于 检查,抗动力荷载好 。l 缺点:构造复杂、费工、费钢。螺栓连接l(1)普通螺栓连接 1)C级螺栓连接: 2)A

      3、、B级螺栓连接: l(2)高强螺栓连接 20世纪中钢结构开始采 用。是现代钢结构最主要的连接方法之一。 l(3)射钉、自攻螺栓连接 (1)普通螺栓连接 l优点:装卸便利,设备简单 。l缺点:螺栓精度低时不宜受剪,螺栓精度 高时加工和安装难度较大 。(2). 高强螺栓连接l优点:加工方便,对结构削弱少,可拆换 ,能承受动力荷载,耐疲劳,塑性、韧性 好 。l缺点:摩擦面处理,安装工艺略为复杂, 造价略高 (3)射钉、自攻螺栓连接l优点:灵活,安装方便,构件无须予先处 理,适用于轻钢、薄板结构 。l缺点:不能受较大集中力 。第二节 焊接连接的特性n 一、钢结构中常用的焊接方法n 二、焊缝类型n 三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别n 四、焊缝符号及标注方法一、钢结构中常用的焊接方法1、电 弧 焊 1)手工焊 2)自动焊 3)半自动焊 2、电 阻 焊 3、气 焊 4、电 渣 焊 注:各种焊接方法的比较。各种焊接方法的比较焊焊接方法 焊焊 条 焊焊 剂剂操作方式适应应范围围质质量状况电电弧 焊焊 手工焊焊焊焊条 短 焊焊条(350 400mm) 附于焊焊 条之药药 皮 全手动动 工位复杂杂, 形状复

      4、杂杂之 焊缝焊缝 比自动焊动焊 略差 自动焊动焊连续焊丝连续焊丝 焊剂焊剂 全自动动 长长而简单简单 的 焊缝焊缝 质质量均匀、塑 性、韧韧性好, 抗腐蚀蚀性强 半自 动焊动焊 连续焊丝连续焊丝 CO2气 体保护护 人工操作 前进进 任意焊缝焊缝 质质量均匀、塑 性、韧韧性好, 抗腐蚀蚀性强 电电 阻 焊焊 无 无 通电电、加 压压、机械 薄板点焊焊 一般用作构造 焊缝焊缝 气 焊焊 无短、光 焊焊条 无(乙 炔 还还原 手工 薄板、小型 、不同材质质 结结构中 一般用作构造 焊缝焊缝 焊接连接与铆钉、螺栓连接比较,有以下优缺点: 优点: 1)不需打孔,省工省时; 2)任何形状的构件可直接连接,连接构造方便; 3)气密性、水密性好,结构刚度较大,整体性较好。 缺点: 1)焊接附近有热影响区,材质变脆; 2)焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏,残余变形使结构形状、尺寸发生变化。 3)焊接裂缝一经发生,便容易扩展。 三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别1、焊缝缺陷2、焊缝质量检验和焊缝级别3、焊缝连接的型式及焊缝形式4、焊缝符号及标注方法1、焊缝缺陷 焊缝尺寸偏差; 咬边; 弧坑,起弧或落弧处

      5、焊缝所形成的凹坑; 未熔合; 母材被烧穿; 气孔; 非金属夹渣; 裂纹。l 缺陷会引起应力集中削弱焊缝有效截面,降低承载能力。若发现焊缝有裂纹,应彻底铲除后补焊。2、焊缝质量检验和焊缝级别l 焊接时为保证质量,需要注意之处: (1)对不熟悉的钢种焊接时,需做工艺性能和力学性能的 试验; (2)焊工要进行考核,持证上岗; (3)焊条、焊丝、焊剂按规定烘焙; (4)多层焊接需连续施焊,每层焊道之间要清理; (5)焊缝出现裂缝,应申报、查明原因,方能处理。 l 焊缝质量检验方法分:外观检查、超声波探伤检验、X射线 检验。 l 焊缝质量分三级: 一级焊缝需经外观检查、超声波探伤、x射线检验都合格; 二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格; 三级焊缝需外观检查合格。 3、焊缝连接的型式及焊缝形式连接的型式:按两焊件的相对位置分为:(1)平接、 (2)搭接、 (3)顶接焊缝形式: (1)按构造可分为:对接焊缝和角焊缝 u(2)对接焊缝按受力与焊缝方向分: a)直缝:作用力方向与焊缝方向正交 b)斜缝:作用力方向与焊缝方向斜交 u (3)角焊缝按受力与焊缝方向分: a)端缝:作用力方向与焊缝长度方向垂直

      6、 b)侧缝:作用力方向与焊缝长度方向平行 u(4)按焊缝连续性: a)连续焊缝:受力较好 b)断续焊缝:易发生应力集中 u (5)按施工位置: 俯焊、立焊、横焊、仰焊,其中以俯焊施工位置最好,所 以焊缝质量也最好,仰焊最差。 4、焊缝符号及标注方法(P195197)u按建筑结构制图标准(GB/T50105-2001)和焊缝符号表示法(GB324-88)执行。 第三节 对接焊缝连接的构造和计算l 对接焊缝传力直接、平顺、没有显著的应力集中现象,受力性能良好。但质量要求高,焊件间施焊间隙要求严,一般多用于工厂制造的连接中,主要用于板件、型钢的拼接或构件的连接。n 一、对接焊缝的构造n 二、对接焊缝的计算 一、对接焊缝的构造1. 对接焊缝的形式2. 对接焊缝的优缺点 3. 对接焊缝的构造处理 4. 对接焊缝的强度 1. 对接焊缝的形式 a) 直边缝:适合板厚t 10mm b) 单边V形:适合板厚t 1020mm c) 双边V形:适合板厚t 1020mm d) U形:适合板厚t 20mm e) K形:适合板厚t 20mm f) X形:适合板厚t 20mm 2. 对接焊缝的优缺点 优点:用料经济

      7、、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,焊件长度要精确。 3. 对接焊缝的构造处理 (1)起落弧处易有焊接缺陷,所以用引弧板。但采用引弧板施工复杂,除承受动力荷载外,一般不用,计算时将焊 缝长度两端各减去5mm。 (2)变厚度板对接,在板的一面或两面切成坡度不大于1 :4的斜面,避免应力集中。 (图1) (3)变宽度板对接,在板的一侧或两侧切成坡度不大于1:4的斜边,避免应力集中。 (图2) 4. 对接焊缝的强度 l 有引弧板的对接焊缝在受压时与母材等强,但焊缝的抗拉强度与焊缝质量等级有关。 图 1图 2二、对接焊缝的计算l 对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同。计算时,焊缝中最大应力(或折算应力)不能超过焊缝的强度设计值,运用材力理论计算。 u对接焊缝的计算包括: 1、轴心受力的对接焊缝 2、斜向受力的对接焊缝 3、对接焊缝承受弯矩、剪力和轴心力共同作用时的计算 4、钢梁的对接焊缝 5、牛腿与翼缘的对接焊缝 6、部分焊透的对接焊缝 1、轴心受力的对接焊缝的计算 N轴心拉力或压力; Lw焊缝计算长度,无引弧板时,焊缝长度取实长减去10mm(2t),

      8、有引弧板时,取实长; t平接时为焊件的较小厚度,顶接时取腹板厚; 对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。 或2、斜向受力的对接焊缝的计算(如图) 对接焊缝抗剪强度设计值 u主要用于焊缝强度设计值低于构件强度设计值的连接中。 优点:抗动力荷载性能较好 缺点:较费材料 u当 tg 1.5即 56.3时,可不验算焊缝强度。 斜向受力的对接焊缝受力图3、对接焊缝承受弯矩、剪力和轴心力共同作 用时的计算 4、钢梁的对接焊缝的计算(如图) u焊缝内应力分布同母材。 同时受弯、剪时,分别验算最大正应力、最大剪应力 Wx焊缝截面抵抗矩 Sw 焊缝截面上计算点处以上(以下)截面对中和轴的面积矩对于腹板和翼缘的交界点,正应力、剪应力虽不是最大,但都比较大,所以需验算折算应力,即: 1、1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力;1.1为考虑 到最大折算应力只在部分截面的部分点出现,而将强度设计 值适当提高。 5、牛腿与翼缘的对接焊缝的计算 u腿和柱的对接焊缝,剪力全部由腹板承受并均匀分布,弯矩、拉力由全截面承担,与梁计算相同,截面形式和截面上各种应力分布见图。 l 图中该牛腿截面为非对称,在拉力作用下,全截面均匀受

      9、拉,在剪力作用下,整个腹板截面按均匀抗剪考虑,在弯矩作用下,中和轴以上受拉,中和轴以下受压。因此图中1、2、3、4点均需强度验算。点1为下翼缘最外缘的点,点2为下翼缘与腹板的交界点,点3为上翼缘与腹板的交界点,点4为上翼缘最外缘的点。各点计算为: 各点计算 点1: 点2: 点3: 点4:l 式中: AW 有效抗剪面积, AW =h0tw AW整个焊缝截面的截面积; yi各计算点到中和轴的距离。 部分焊透的对接焊缝的计算l 在钢结构设计中,有时遇到板件较厚,而板件间连接受力较小时,可以采用部分焊透的对接焊缝(图7-21),例如当用四块较厚的钢板焊成的箱形截面轴心受压柱时,由于焊缝主要起联系作用,就可以用部分焊透的坡口焊缝(图7-21-f)。在此情况下,用焊透的坡口焊缝并非必要,而采用角焊缝则外形不能平整,都不如采用部分焊透的坡口焊缝为好。l 当垂直于焊缝长度方向受力时,因部分焊透处的应力集中带来不利的影响,对于直接承受动力荷载的连接不宜采用;但当平行于焊缝长度方向受力时,其影响较小可以采用。l 部分焊透的对接焊缝,由于它们未焊透,只起类似于角焊缝的作用,因此设计中应按角焊缝的计算公式进行,取f10,仅在垂直于焊缝长度的压力作用下,可取 f 122。其有效厚度则取为:见(P200) 部分焊透的对接焊缝例题71(P201202)第四节 角焊缝连接的构造和计算 l 角焊缝为沿两直交或斜交焊件的交线焊接的焊缝,可用于对接、搭接以及直角或斜角相交的T形和角接接头中。因为角

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