鋼結構連接計算

連接Connections 焊縫連接 螺栓連接 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 1鋼結構的連接 連接的方式焊縫連接 鉚釘連接和螺栓連接 連接的原則安全可靠 傳力明確 構造簡單 制造方便和節(jié)約鋼材 圖1 1連接的方式 螺栓連接 鉚釘連接 焊接連接 焊縫連接 螺栓連接 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 優(yōu)點 構造簡單 用料經(jīng)濟 連接的密閉性好 結構剛度大 缺點 焊接高溫作用 材質變脆 殘余應力殘余變形 優(yōu)點 連接對材質的影響不大 連接質量穩(wěn)定 連接的強度較高 缺點 截面削弱 浪費材料 連接 Chapter7Connections 連接 Chapter7Connections 1 焊縫形式 分為對接焊縫和角焊縫 對接焊縫按受力與焊縫方向分 1 正對接焊縫 a 作用力方向與焊縫方向正交 2 斜對接焊縫 b 作用力方向與焊縫方向斜交 角焊縫按受力與焊縫方向分 1 正面角焊縫 c 作用力方向與焊縫長度方向垂直 2 側面角焊縫 c 作用力方向與焊縫長度方向平行 3 斜焊縫 c 作用力方向與焊縫方向斜交 2焊縫連接形式及焊縫形式 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 1 對接焊縫 2 角焊縫 圖2 6焊縫分類 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 平焊 立焊 橫焊和仰焊 焊縫按施工位置分為 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 3 焊縫缺陷及焊縫質量檢驗 1 焊縫缺陷焊縫缺陷指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷 常見的缺陷有裂紋 焊瘤 燒穿 弧坑 氣孔 夾渣 咬邊 未熔合 未焊透等 以及焊縫尺寸不符合要求 焊縫成形不良等 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 焊縫質量檢驗 外觀檢查 檢查外觀缺陷和幾何尺寸 內(nèi)部無損檢驗 檢驗內(nèi)部缺陷 超聲波檢驗 X射線或r射線透照或拍片 鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范 GB50205 2001規(guī)定焊縫按其檢驗方法和質量要求分為一級 二級和三級 三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質量標準 一級 二級焊縫則除外觀檢查外 還要求一定數(shù)量的超聲波探傷檢驗 超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時 應采用射線探傷檢驗 并應符合國家相應質量標準的要求 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 3 焊縫代號 表2 1焊縫代號 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 3對接焊縫的構造和計算 3 1對接焊縫的構造 1為防止熔化金屬流淌必要時可在坡口下加墊板 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 在焊縫的起滅弧處 常會出現(xiàn)弧坑等缺陷 故焊接時可設置引弧板和引出板 焊后將它們割除 對接焊縫的起弧和落弧點 常因不能熔透而出現(xiàn)焊口 形成類裂紋和應力集中 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 3 在對接焊縫的拼接處 當焊件的寬度不同或厚度相差4mm以上時 應分別在寬度方向或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大于1 2 5的斜角 以使截面過渡和緩 減小應力集中 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 4 對接焊縫的強度 1 受壓 受剪的對接焊縫與母材強度相等 2 三級檢驗的焊縫允許存在的缺陷較多 故其抗拉強度為母材強度的85 3 一 二級檢驗的焊縫的抗拉強度可認為與母材強度相等 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 3 2對接焊縫的計算 1 軸心受力的對接焊縫 圖3 5直對接焊縫連接 3 1 lw 焊縫計算長度 t 連接件的較小厚度 對T形接頭為腹板的厚度 ftw fcw 對接焊縫的抗拉 抗壓強度設計值 1 對lw的取值 考慮到起落弧缺陷的影響 無引弧板時 焊縫計算長度取實際長度減去2t 有引弧板時 取實際長度 2 在一般加引弧板施焊的情況下 所有受壓 受剪的對接焊縫以及受拉的一 二級焊縫 均與母材等強 不用計算 3 直對接焊縫需要計算焊縫強度的只有兩種情況 a 沒有引弧板時需要計算 b 受拉情況下的三級焊縫 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 承受彎矩和剪力聯(lián)合作用的對接焊縫 焊縫內(nèi)應力分布同母材 焊縫截面是矩形 正應力與剪應力圖形分布分別為三角形與拋物線形 其最大值應分別滿足下列強度條件 3 5 3 4 圖3 7a彎矩和剪力共同作用下的對接焊縫 M 焊縫承受的彎矩 Ww 焊縫截面模量 V 焊縫承受的剪力 Iw 焊縫計算截面慣性矩 Sw 計算剪應力處以上 或以下 焊縫計算截面對中和軸的面積矩 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 對于工字形或T形截面除應分別驗算最大正應力與最大剪應力外 還應驗算腹板與翼緣交接處的折算應力 3 6 式中 1 1 為腹板與翼緣交接處的正應力和剪應力 1 1為考慮到最大折算應力只在局部出現(xiàn) 而將強度設計值適當提高系數(shù) 圖3 7b彎矩和剪力聯(lián)合作用下的對接焊縫 工字形截面梁在彎曲時 彎曲正應力主要由上 下翼緣承擔 剪應力主要由腹板承擔 這使得截面上各處的材料能達到充分的利用 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 3 受軸力 彎矩和剪力聯(lián)合作用的對接焊縫 軸力和彎矩作用下對接焊縫產(chǎn)生正應力 剪力作用下產(chǎn)生剪應力 其計算公式為 3 4 3 5 同樣對于工字形 箱形截面 還要計算腹板與翼緣交界處的折算應力 其公式為 3 6 式中 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 對接焊縫的計算除考慮焊縫長度是否減少 焊縫強度要否折減外 對接焊縫的計算方法與母材的強度計算完全相同 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 例3 1 計算工字形截面牛腿與鋼柱連接的對接焊縫強度 F 550kN 設計值 偏心距e 300mm 鋼材為Q235B 焊條E43型 手工焊 焊縫為三級標準 上 下翼緣加引弧板和引出板施焊 例3 1圖 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections a 最大正應力 解 截面幾何特征值和內(nèi)力 b 最大剪應力 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections c 1 點的折算應力 1 角焊縫的形式和強度 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 4角焊縫的構造和計算 4 1角焊縫的構造 角焊縫按截面形式 兩焊腳邊的夾角 可分為直角角焊縫和斜角角焊縫 1 直角角焊縫通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面 a 對承受動力荷載的結構中 正面角焊縫的截面通常采用 b 的形式 側面角焊縫的截面則做成凹面式 c 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 斜角角焊縫兩焊邊的夾角a 90 或a 90 的焊縫 通常用于鋼漏斗和鋼管結構中 hf 焊腳尺寸 焊腳邊的夾角 he 有效厚度 破壞面上焊縫厚度 并有 he hfcos 2 對于 135o或 60o斜角角焊縫 除鋼管結構外 不宜用作受力焊縫 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 正面角焊縫 焊縫垂直于受力方向 受力后應力狀態(tài)較復雜 焊縫截面各面都有正應力和剪應力 應力集中嚴重 焊縫根部形成高峰應力 易于開裂 破壞強度要高一些 但塑性差 彈性模量大 1 側面角焊縫 焊縫長度方向與受力方向平行 應力分布簡單 主要承受剪應力 強度低 彈性模量低 但塑性較好 彈性階段分布并不均勻 剪應力兩端大 中間小 角焊縫的工作性能 圖4 3角焊縫的應力分布 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 構造要求 角焊縫構造包括三個方面 焊腳尺寸 焊縫長度和減小焊縫應力集中的措施 角焊縫的焊腳尺寸是指焊縫根腳至焊縫外邊的尺寸 hf 1 焊腳尺寸 為了保證焊縫的最小承載能力以及防止焊縫由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織 導致母材開裂 hf min應滿足以下要求 a 最小焊腳尺寸 hf min 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 自動焊 溫度高而均勻 手工焊角焊縫 t 較厚焊件的厚度 焊件厚度t 4mm時 取hfmin t T形連接單面角焊縫 冷卻快 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections b 最大焊腳尺寸 hfmax 對板件 厚度t 邊緣的角焊縫 貼邊焊 當t 6mm時 hfmax t 當t 6mm時 hfmax t 1 2 mm 為了避免焊縫局部過熱 燒穿較薄的焊件 減小焊接殘余應力和殘余變形 hf max應滿足以下要求 直接焊接鋼管結構的尺寸不宜大于支管壁厚的2倍 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 角焊縫計算長度 角焊縫計算長度 lw 取值lwmin lw lwmax 焊腳尺寸的取值hfmin hf hfmax 最小計算長度 lwmin 為了使焊縫能有一定的承載能力 根據(jù)使用經(jīng)驗 側面角焊縫和正面角焊縫的計算長度均不得小于 lwmin 8hf和40mm 考慮到焊縫兩端的缺陷 其實際長度應較前述數(shù)值還要大2hf lwmax 60hf若實際長度超過以上數(shù)值 則超過部分不納入計算長度中 若內(nèi)力沿側焊縫全長分布時 計算長度不受此限制 b 側焊縫最大計算長度 lwmax 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 焊角尺寸 hf 1 焊縫的破壞面 4 2直角焊縫的基本計算公式 試驗表明 直角角焊縫的破壞常沿有效厚度方向發(fā)生 圖4 9直角角焊縫截面 有效厚度 he 0 7hf 焊縫厚度 有效厚度 熔深 凸度 有效截面 有效厚度 計算長度 計算時假定有效截面上應力均勻分布 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 正面角焊縫力N與焊縫長度方向垂直 側面角焊縫力N與焊縫長度方向平行 4 7 4 8 以上各式中 he 0 7hf lw 角焊縫計算長度 考慮起滅弧缺陷時 每條焊縫取其實際長度減去2hf 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 4 3角焊縫的計算 1 軸心力 拉力 壓力和剪力 作用時角焊縫的計算 當焊件受軸心力 且軸心力通過連接焊縫群的中心 焊縫的應力可認為是均勻分布的 1 用蓋板的對接連接 A 僅采用側面角焊縫連接 Slw 連接一側的側面角焊縫計算長度的總和 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections B 采用三面圍焊連接 先計算正面角焊縫承擔的內(nèi)力 Slw 連接一側的正面角焊縫計算長度的總和 再計算側面角焊縫的強度 Slw 連接一側的側面角焊縫計算長度的總和 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 承受軸心力的角鋼端部連接 在鋼桁架中 角鋼腹桿與節(jié)點板的連接焊縫常用兩面?zhèn)群?或三面圍焊 特殊情況也允許采用L形圍焊 如圖所示 腹桿受軸心力作用 為了避免焊縫偏心受力 焊縫所傳遞的合力的作用線應與角鋼桿件的軸線重合 圖4 13桁架腹桿節(jié)點板的連接 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections a 僅用側面焊縫連接 解上式得肢背和肢尖的受力為 4 14 4 15 由平衡條件得 肢背 肢尖 K1 角鋼肢背焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)K2 角鋼肢尖焊縫的內(nèi)力分配系數(shù) 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 表4 1角鋼角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)K 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections b 角鋼用三面圍焊時 可減小角鋼的搭接長度 可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸hf3 并算出它所能承受的內(nèi)力N3 4 11 4 12 通過平衡關系得肢背和肢尖側焊縫受力為 4 13 角鋼角焊縫圍焊的計算 N N1 N2 e b N3 lw2 lw1 在N1 N2作用下 側焊縫的長度用公式 4 16 4 17 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 1 受彎矩M 剪力V 軸力N聯(lián)合作用時角焊縫的計算 由軸心拉力Nx產(chǎn)生的應力 由彎矩M產(chǎn)生的最大應力 2 復雜受力時角焊縫連接計算 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections A點產(chǎn)生的剪應力 A點控制應力最大為控制設計點 A點產(chǎn)生的正應力由兩部分組成 軸心拉力Nx和彎矩M產(chǎn)生的正應力 直接疊加得 代入角焊縫實用計算公式 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 5螺栓連接 1 普通螺栓連接 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 高強度螺栓連接 高強度螺栓是高強螺桿和配套螺母的合稱 由45號 40B和20MnTiB鋼經(jīng)過熱處理加工而成 45號 8 8級 40B和20MnTiB 10 9級 a 大六角頭螺栓 b 扭剪型螺栓 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 高強度螺栓摩擦型連接和承壓型連接比較 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 6 1螺栓的排列和構造要求 螺栓的排列應簡單 統(tǒng)一而緊湊 滿足受力要求 構造合理又便于安裝 排列的方式有并列排列和錯列排列兩種 圖6 1螺栓的排列方式 1 螺栓的排列 并列比較簡單整齊 所用連接板尺寸小 但由于螺栓孔的存在 對構件截面的削弱較大 錯列可以減小螺栓孔對截面的削弱 但螺栓空排列不如并列緊湊 連接板尺寸較大 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 1 受力要求 因此規(guī)范從受力的角度規(guī)定了最大和最小容許間距 中心距太大 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 構造要求若栓距及線距過大 則構件接觸面不夠緊密 潮氣易侵入縫隙而發(fā)生銹蝕 3 施工要求要保證有一定的空間 以便轉動扳手 擰緊螺母 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 6 2普通螺栓的受剪連接 螺栓連接的受力形式分為 只受剪力 只受拉力 有時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 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 圖6 2受剪螺栓的破壞情況 a 螺桿被剪斷 b 連接件半孔壁擠壓破壞 c 鋼板拉 壓 斷 d 鋼板剪壞 e 螺桿彎曲破壞 受剪螺栓的破壞形式 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 單栓抗剪承載力 抗剪承載力設計值 承壓承載力設計值 2 單個普通螺栓的受剪計算 抗剪螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況 故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定 6 1 6 2 假定擠壓力沿栓桿直徑平面 實際上是相應于栓桿直徑平面的孔壁部分 均勻分布 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 抗剪承載力設計值 承壓承載力設計值 6 1 6 2 圖6 3剪力螺栓的剪面數(shù)和承壓厚度 nv 受剪面數(shù)目 d 螺栓桿直徑 fvb fcb 螺栓抗剪和承壓強度設計值 t 連接接頭一側承壓構件總厚度的較小值 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 試驗證明 栓群在軸力作用下各個螺栓的內(nèi)力沿栓群長度方向不均勻 兩端大 中間小 當l1 15d0 d0為孔徑 時 連接進入彈塑性工作狀態(tài)后 內(nèi)力重新分布 各個螺栓內(nèi)力趨于相同 故設計時假定N由各螺栓平均分擔 3 普通螺栓群抗剪連接計算 1 普通螺栓群軸心受剪計算 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 當l1 15d0 d0為孔徑 時 連接進入彈塑性工作狀態(tài)后 即使內(nèi)力重新分布 各個螺栓內(nèi)力也難以均勻 端部螺栓首先破壞 然后依次破壞 由試驗可得連接的抗剪強度折減系數(shù) 與l1 d0的關系曲線 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 普通螺栓群偏心受剪 F作用下每個螺栓受力 基本假設 連接件絕對剛性 螺栓彈性 T作用下連接板件繞栓群形心轉動 各螺栓剪力大小與螺栓至形心的距離ri成正比 方向與它和形心的連線垂直 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 剪力計算公式 設各螺栓至螺栓群形心O的距離為r1 r2 r3 rn 各螺栓承受的分力分別為N1T N2T N3T NnT 根據(jù)平衡條件得 a 顯然 T作用下 1 號螺栓所受剪力最大 r1最大 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections c 將 c 式代入 a 得用N1T表達的T式 由假設 得到 b 螺栓1離形心最遠是危險螺栓 最大剪力N1T 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 將N1T它分解為水平和豎直分力 3 5 7 6 8 得受力最大螺栓所承受的合力為 6 9 6 10 6 7 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 1 單個普通螺栓受拉承載力 6 11 Ntb 單個螺栓抗拉承載力 Ae 螺栓螺紋處的有效面積 de 螺栓有效直徑 附表9 2 P455 ftb 螺栓的抗拉強度設計值 ftb 0 8f 假定拉應力在螺栓螺紋處截面上均勻分布 則一個拉力螺栓的承載力設計值 6 3普通螺栓的受拉連接 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 1 栓群軸心受拉 當外力通過螺栓群形心時 一般假定每個螺栓均勻受力 因此連接所需的螺栓數(shù)目為 6 13 6 11 3 普通螺栓群受拉 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 2 栓群承受彎矩作用 M作用下螺栓連接按彈性設計 其假定為 連接板件絕對剛性 螺栓為彈性 螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處 各螺栓所受拉力與其至中和軸的距離成正比 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 顯然 1 號螺栓在M作用下所受拉力最大 由力學及假定可得 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter3Connections 將式 c 代入式 b 得 由式 a 得 因此 設計時只要滿足下式即可 螺栓i的拉力 即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超過一個螺栓的抗拉承載力設計值 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter3Connections 6 4剪 拉螺栓群的計算 同時承受剪力和拉力作用的普通螺栓有兩種可能破壞形式 一是螺栓桿受剪受拉破壞 二是孔壁承壓破壞 圖6 12剪 拉聯(lián)合作用的螺栓 圖6 13剪力和拉力的相關曲線 試驗研究結果表明 兼受剪力和拉力的螺桿分別除以各自單獨作用的承載力 所得的相關關系近似為圓曲線 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 規(guī)范規(guī)定 同時承受剪力和桿軸方向拉力的普通螺栓 應分別符合下列公式的要求 驗算剪 拉聯(lián)合作用 6 17 6 18 驗算孔壁承壓 NVb 單個螺栓抗剪承載力設計值 Ncb 單個螺栓承壓承載力設計值Ntb 單個螺栓抗拉承載力設計值 Nv Nt 單個螺栓承受的最大剪力和拉力設計值 鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure 連接 Chapter7Connections 例6驗算如圖所示端板和柱翼緣間普通螺栓的連接強度 普通螺栓4 6級 M22 孔徑23 5mm 計算模型可為 a圖 或 b圖 a圖彎曲轉動中心在螺栓群的形心處稱小偏心 b圖彎曲轉動中心在端板上1號螺栓處 稱大偏心 鋼結構設計原理DesignP