钢结构连接(焊接_螺栓连接)

,第三章,钢结构的连接,2,一、焊缝连接,3.1 钢结构的连接方法,优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；,缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。,3,三、螺栓连接,优点：连接刚度大，传力可靠；,分为：普通螺栓连接高强度螺栓连接,二、铆钉连接,缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差， 施工速度慢。,优点：拆装方便缺点：板件有削弱,4,一、钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊,A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。,原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。,3.2 焊接连接的特性,5,单击图片3-1播放,6,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-5518),Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4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。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。,优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),C、优、缺点,7,2.埋弧焊（自动或半自动）,8,A、焊丝的选择应与焊件等强度。 B、优、缺点：优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限等。,送丝器,机器,9,3.气体保护焊,优、缺点：优点：焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制等。,10,二、焊接连接形式和焊缝形式,1.焊接连接形式,单击图片3-2播放,对接,11,搭接,单击图片3-3播放,12,2.焊缝形式,（1）对接焊缝,（2）角焊缝,13,3. 焊缝位置,14,三、焊缝缺陷及焊缝质量检查,1.焊缝缺陷,15,2.焊缝质量检查,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。,内部检验主要采用超声波，有时还用磁粉检验荧光检验等辅助检验方 法。还可以采用X射线或 射线透照或拍片。,16,钢结构工程施工及验收规范规定：,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、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,17,钢结构设计规范（GB50017-2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：,(1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。,3.焊缝质量等级及选用,(2) 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。,18,（）重级工作制和起重量 的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。,（）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,19,20,4.焊缝代号,详细参见表3-1，图3-13,21,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造,3.3 对接焊缝的构造与计算,对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。,t-焊件厚度,(1)当:t<6mm(手工焊),t<10mm(埋弧焊)时可不做坡口,采用直边缝;,(2)t=720mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;,(3)t>20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,22,23,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊； 3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度； 4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。,24,单击图片3-6播放,25,对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种； 动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算； 对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。,二、对接焊缝的计算,26,1、轴心力作用下的对接焊缝计算,式中：N轴心拉力或压力；t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。,当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。,另:当tan1.5时,不用验算!,27,2、M、V共同作用下的对接焊缝计算,因焊缝截面为矩形，M、 V共同作用下应力图为：,故其强度计算公式为：,式中：Ww焊缝截面模量； Sw-焊缝截面面积矩；Iw-焊缝截面惯性矩。,（1）板件间对接连接,28,（2）工字形截面梁对接连接计算,A、对于焊缝的max和max应满足式3-2和3-3要求；,B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足下式要求：,1.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。,29,1、角焊缝的形式:,一、角焊缝的形式和受力分析,3.4 角焊缝的构造与计算,直角角焊缝、斜角角焊缝,（1）直角角焊缝,30,（2）斜角角焊缝,对于>135o或<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,31,（1）侧面角焊缝（侧焊缝）,2.直角角焊缝的受力分析,单击图片3-7播放,32,试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。,A. 应力分析,33,B. 破坏形式,34,（2）正面角焊缝,单击图片3-3播放,35,A. 应力分析,正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上。,36,B. 正面角焊缝的破坏形式,37,（3）斜角焊缝,斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。,单击图片3-8播放,38,例3.4 角钢与连接板连接,例3.5 牛腿与柱连接-焊缝受弯剪,例3.6 牛腿与柱连接-焊缝受扭剪,39,三、焊接变形,焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,40,单击图片3-4播放,41,单击图片3-9播放,42,单击图片3-5播放,43,单击图片3-10播放,44,单击图片3-11播放,45,3.6 普通螺栓连接构造与计算,一、普通螺栓的种类和构造要求,（一）普通螺栓种类,C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级； 4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) 13mm。,A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级; 5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6 或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。,按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,46,（二）螺栓的排列,1.并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大；,2.错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小；,47,3.螺栓排列的要求,（1）受力要求:垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小；顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。 （2）构造要求；螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。,48,（3）施工要求,为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。,49,（三）螺栓连接的构造要求,为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓，但组合构件的缀条除外； 直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动； C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：1、承受静载或间接动载的次要连接；2、承受静载的可拆卸结构连接；3、临时固定构件的安装连接。,50,二、螺栓连接的受力形式,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,51,三、普通螺栓抗剪连接,（一）工作性能和破坏形式1.工作性能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,即：(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。,52,(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距离，表现在曲线上为水平段。,(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。,53,(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。,54,2.破坏形式,（1）螺栓杆被剪坏栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断截面削弱过多时以上破坏形式予以计算解决。,55,（4）板件端部被剪坏(拉豁)端矩过小时；端矩不应小于2dO,（5）栓杆弯曲破坏螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d,56,（二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值,由破坏形式知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:,nv剪切面数目； 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。,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,57,剪切面数目nv,58,（三）普通螺栓群抗剪连接计算,1、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算,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l115d0(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有各螺栓均担。,所以，连接所需螺栓数为：,59,当l1>15d0(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。,故，连接所需栓数：,60,普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。,拼接板的危险截面为2-2截面:,A、螺栓采用并列排列时:,主板的危险截面为1-1截面:,61,B、螺栓采用错列排列时:,主板的危险截面为1-1和 1-1截面:,62,拼接板的危险截面为2-2和2-2截面:,63,2、普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算,F作用下每个螺栓受力：,T作用下连接按弹性设计，其假定为：（1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；（2） T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系，方向与ri垂直。,64,显然，T作用下1号螺栓所受剪力最大（r1最大）。,由假定(2)得,由上式可得:,由力的平衡条件得：,65,从而可得:,将N1T沿坐标轴分解得:,66,由此可得螺栓1的强度验算公式为:,另外,当螺栓布置比较狭长(如y13x1)时,可进行如下简化计算： 令:xi=0，则N1Ty=0,67,（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能,四、普通螺栓的抗拉连接,抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。,（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,