學習課件鋼結(jié)構基本原理及設計焊接殘余應力和焊接變形

1、鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 焊接殘余應力簡稱焊接應力焊接殘余應力簡稱焊接應力 1. 現(xiàn)象現(xiàn)象 2. 成因成因鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 （1）焊縫出現(xiàn)不均勻溫度場）焊縫出現(xiàn)不均勻溫度場 焊縫附近溫度最高，可高達焊縫附近溫度最高，可高達1600度以上度以上 在焊縫區(qū)以外，溫度則急劇下降在焊縫區(qū)以外，溫度則急劇下降鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（2）焊縫區(qū)受熱而縱向膨脹，但這種膨脹因變形的平）焊縫區(qū)受熱而縱向膨脹，但這種膨脹因變形的平截面規(guī)律截面規(guī)律(變形前的平截面，變形后仍保持平面變形前的平截面，變形后仍保持平面)而受到其相而受到其相鄰較低溫度區(qū)的約束，使焊

2、縫區(qū)產(chǎn)生縱向壓應力。鄰較低溫度區(qū)的約束，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向壓應力。熱應力互相阻礙熱應力互相阻礙鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（3）由于鋼材在）由于鋼材在600以上時呈塑性狀態(tài)以上時呈塑性狀態(tài)(熱塑性狀熱塑性狀 態(tài)態(tài))，因而高溫區(qū)的這種壓應力使焊縫區(qū)的鋼材產(chǎn)生，因而高溫區(qū)的這種壓應力使焊縫區(qū)的鋼材產(chǎn)生塑性壓縮變形，塑性變形當溫度下降、壓應力消失塑性壓縮變形，塑性變形當溫度下降、壓應力消失時不能恢復時不能恢復應力當焊件完全冷卻后仍殘留在焊縫區(qū)鋼材內(nèi)，故名應力當焊件完全冷卻后仍殘留在焊縫區(qū)鋼材內(nèi)，故名焊接殘余應力焊接殘余應力。q235鋼等低合金鋼焊接后的殘余拉應力常可高達其屈鋼等低合金鋼焊接

3、后的殘余拉應力?？筛哌_其屈服點。服點。殘余應力是構件未受荷載作用而早已殘留在構件截面殘余應力是構件未受荷載作用而早已殘留在構件截面內(nèi)的應力，因而截面上的內(nèi)的應力，因而截面上的殘余應力自相平衡殘余應力自相平衡。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（1）縱向焊接應力）縱向焊接應力 3. 分類分類 縱向焊接應力縱向焊接應力 橫向焊接應力橫向焊接應力 沿厚度方向的焊接應力沿厚度方向的焊接應力 （2）橫向焊接應力）橫向焊接應力鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計兩部分組成：兩部分組成： 其一是由焊縫區(qū)的縱向收縮所引起。如把鋼板假想沿焊其一是由焊縫區(qū)的縱向收縮所引起。如把鋼板假想沿焊縫切開，由于焊

4、縫的縱向收縮，兩塊鋼板產(chǎn)生如圖縫切開，由于焊縫的縱向收縮，兩塊鋼板產(chǎn)生如圖(a)中虛線中虛線所示的彎曲變形。所示的彎曲變形。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計因而可見在焊縫長度的中間部分必然產(chǎn)生橫向拉應力，因而可見在焊縫長度的中間部分必然產(chǎn)生橫向拉應力，而在焊縫的兩瑞則產(chǎn)生橫向壓應力，應力分布如圖而在焊縫的兩瑞則產(chǎn)生橫向壓應力，應力分布如圖(b)所示。所示。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計其二是由焊縫的橫向收縮所引起。施焊時，焊縫的形成有其二是由焊縫的橫向收縮所引起。施焊時，焊縫的形成有先有后，先焊的部分先冷卻，先冷卻的焊縫區(qū)限制了后冷卻焊先有后，先焊的部分先冷卻，先冷卻的焊縫區(qū)

5、限制了后冷卻焊縫區(qū)的橫向收縮，使產(chǎn)生橫向焊接殘余應力如圖縫區(qū)的橫向收縮，使產(chǎn)生橫向焊接殘余應力如圖(c)所示。所示。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計最后的橫向焊接殘余應力當為兩者即圖最后的橫向焊接殘余應力當為兩者即圖(b)和圖和圖(c)的疊加，的疊加，如圖如圖(d)所示。所示。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（3）厚度方向的焊接應力厚度方向的焊接應力鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計1. 焊接不均勻的加熱焊接不均勻的加熱 焊接區(qū)產(chǎn)生熱塑性壓縮變形焊接區(qū)產(chǎn)生熱塑性壓縮變形 冷卻時焊接區(qū)要在縱向和橫向收縮冷卻時焊接區(qū)要在縱向和橫向收縮

6、構件產(chǎn)生局部鼓曲、彎曲、歪曲和扭轉(zhuǎn)構件產(chǎn)生局部鼓曲、彎曲、歪曲和扭轉(zhuǎn)2. 焊接殘余變形焊接殘余變形 縱、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等縱、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等焊接后殘余在結(jié)構的變形叫做焊接焊接后殘余在結(jié)構的變形叫做焊接殘余變形。殘余變形。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計縱向收縮變形和橫向收縮變形縱向收縮變形和橫向收縮變形鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計焊縫縱向收縮所引起的彎曲變形焊縫縱向收縮所引起的彎曲變形焊縫橫向收縮所引起的角變形焊縫橫向收縮所引起的角變形鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 減小鋼結(jié)構的焊接殘余變形是設計和施工制造時必須減小鋼結(jié)

7、構的焊接殘余變形是設計和施工制造時必須共同考慮的問題，必須從設計和工藝兩方面來解決。共同考慮的問題，必須從設計和工藝兩方面來解決。波浪式變形波浪式變形扭曲變形扭曲變形鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計后冷處形成殘余拉應力后冷處形成殘余拉應力后冷處形成收縮變形后冷處形成收縮變形鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計1. 對結(jié)構靜力強度的影響對結(jié)構靜力強度的影響 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計焊接應力自相平衡焊接應力自相平衡受拉區(qū)應力面積受拉區(qū)應力面積at受壓區(qū)應力面積受壓區(qū)應力面積ac即即at=ac=btfy。截面達到屈服點截面達到屈服點fy時所承受的外力時所承受的外力 ()y

8、cyynabb tfbtf焊接應力不影響結(jié)構的強度焊接應力不影響結(jié)構的強度2. 對結(jié)構剛度的影響對結(jié)構剛度的影響 焊接應力降低結(jié)構的剛度。焊接應力降低結(jié)構的剛度。 殘余應力的拉桿的抗拉剛度為殘余應力的拉桿的抗拉剛度為 （b-b）te， 而無殘余應力的相同截面的拉桿的抗拉剛度為而無殘余應力的相同截面的拉桿的抗拉剛度為 bte3. 殘余應力影響壓桿穩(wěn)定性殘余應力影響壓桿穩(wěn)定性 有效面積、有效慣性矩有效面積、有效慣性矩鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計4. 對低溫冷脆的影響對低溫冷脆的影響 焊接殘余應力對低溫冷脆影響焊接殘余應力對低溫冷脆影響 厚板和具有嚴重缺陷的焊縫中，厚板和具有嚴重缺陷的焊

9、縫中， 以及在交叉焊縫的情況下，產(chǎn)生了阻礙塑性變形以及在交叉焊縫的情況下，產(chǎn)生了阻礙塑性變形 的三軸拉應力，使裂紋容易發(fā)生和發(fā)展。的三軸拉應力，使裂紋容易發(fā)生和發(fā)展。 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計5. 對疲勞強度的影響對疲勞強度的影響 在焊縫及其附近的主體金屬殘余拉應力通常達到鋼材在焊縫及其附近的主體金屬殘余拉應力通常達到鋼材屈服點，此部位正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域。屈服點，此部位正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域。因此，焊接殘余應力對結(jié)構的疲勞強度有明顯不利影響。因此，焊接殘余應力對結(jié)構的疲勞強度有明顯不利影響。 多軸殘余效應力將進一步降低疲勞應力多軸殘余效應力將進一

10、步降低疲勞應力. 構件安裝困難構件安裝困難 矯正矯正 影響尺寸和外形影響尺寸和外形 初偏心初偏心 初彎曲初彎曲 可能降低結(jié)構的承載能力可能降低結(jié)構的承載能力 附加內(nèi)力附加內(nèi)力鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式）合理的選擇焊縫的尺寸和形式滿足最小焊腳尺寸的條件下，一般用較小的滿足最小焊腳尺寸的條件下，一般用較小的hf加大加大焊縫長度。焊縫長度。不要因考慮不要因考慮“安全安全”而任意加大超過計算所需要的而任意加大超過計算所需要的焊縫尺寸。焊縫尺寸。 （2）盡可能能減少不必要的焊縫）盡可能能減少不必要的焊縫 采用薄板，不適當?shù)卮罅坎捎眉觿爬?，不但增加了采用薄板?/p>

11、不適當?shù)卮罅坎捎眉觿爬?，不但增加了裝配和焊接的工作量，易引起大的焊接變形。裝配和焊接的工作量，易引起大的焊接變形。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（3）合理地安排焊縫的位置）合理地安排焊縫的位置安排焊縫時盡可能對稱于截面中性軸，安排焊縫時盡可能對稱于截面中性軸，（4 4）盡量避免焊縫的過分集中和交叉。）盡量避免焊縫的過分集中和交叉。焊縫不宜過分集中并盡量對稱布置焊縫以消除焊接殘焊縫不宜過分集中并盡量對稱布置焊縫以消除焊接殘余變形和盡量避免三向焊縫相交。余變形和盡量避免三向焊縫相交。 三向焊縫相交時，中斷次要焊縫使主要焊縫保持連續(xù)三向焊縫相交時，中斷次要焊縫使主要焊縫保持連續(xù)鋼結(jié)構基本原

12、理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（5）盡量避免在母材厚度方向的收縮應力。）盡量避免在母材厚度方向的收縮應力。 （6）肋板不宜帶銳角）肋板不宜帶銳角 焊縫不宜過分集中焊縫不宜過分集中 板寬不同板寬不同 避免仰焊避免仰焊鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（1 1）采用）采用合理的焊接順序合理的焊接順序和方向。和方向。 先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫，先先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫，先焊錯開的短焊縫，后焊直通的長焊縫，使焊縫有較大的橫焊錯開的短焊縫，后焊直通的長焊縫，使焊縫有較大的橫向收縮余地。向收縮余地。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構

13、基本原理及設計 采用適當?shù)暮附禹樞蚝头较?。采用適當?shù)暮附禹樞蚝头较?。例如采用對稱焊，分段退焊例如采用對稱焊，分段退焊(即分段焊接，每段施焊方向與即分段焊接，每段施焊方向與焊接推進的總方向相反焊接推進的總方向相反)、跳焊、多層多道焊等，使各次焊、跳焊、多層多道焊等，使各次焊接的殘余應力和變形的方向相反和互相抵消。接的殘余應力和變形的方向相反和互相抵消。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（3）錘擊錘擊或輾壓焊縫或輾壓焊縫（4）對于小尺寸焊件，焊前預熱，或焊后回火加熱至）對于小尺寸焊件，焊前預熱，或焊后回火加熱至600左右，然后緩慢冷卻，可以消除焊接應力和焊接變形。左右，然后緩慢冷卻，可以消除

14、焊接應力和焊接變形。（2）采用）采用反變形法反變形法減小焊接變形或焊接應力。減小焊接變形或焊接應力。 （5）局部加熱局部加熱（6）退火法退火法 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 螺栓在構件上的排列應滿足受力、構造和施工要求：螺栓在構件上的排列應滿足受力、構造和施工要求： （1）受力要求）受力要求 （2）構造要求）構造要求 （3）施工要求）施工要求 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計l1（1）受力要求：端距與栓距過大過小都不好，受壓時栓距過）受力要求：端距與栓距過大過小都不好，受壓時栓距過大板件易發(fā)生凸曲，且螺栓易受力不均勻，受拉時端距或栓大板件易發(fā)生凸曲，且螺栓易受力不均勻，受拉

15、時端距或栓距過小板件易剪切破壞。距過小板件易剪切破壞。（2）構造要求：栓距過大則構件接觸面不夠緊密，潮氣易于）構造要求：栓距過大則構件接觸面不夠緊密，潮氣易于侵入縫隙而發(fā)生銹蝕。侵入縫隙而發(fā)生銹蝕。（3）施工要求：保證一定空間轉(zhuǎn)動扳手。）施工要求：保證一定空間轉(zhuǎn)動扳手。螺栓和鉚釘?shù)淖畲蟆⒆钚∪菰S距離查表確定。螺栓和鉚釘?shù)淖畲?、最小容許距離查表確定。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計（1）為了使連接可靠，每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭的）為了使連接可靠，每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭的一端，永久性螺栓數(shù)一端，永久性螺栓數(shù)不宜少于兩個不宜少于兩個。（2）對

16、直接承受動力荷載的普通螺栓連接應）對直接承受動力荷載的普通螺栓連接應采用雙螺帽或采用雙螺帽或其他防止螺帽松動其他防止螺帽松動的有效措施。的有效措施。彈簧墊圈彈簧墊圈（3）由于）由于c級螺栓與孔壁有較大間隙，級螺栓與孔壁有較大間隙，只宜用于沿其桿軸只宜用于沿其桿軸方向受拉的連接方向受拉的連接。承受靜力荷載結(jié)構的次要連接、可拆卸。承受靜力荷載結(jié)構的次要連接、可拆卸結(jié)構的連接和臨時固定構件用的安裝連接中，也可用結(jié)構的連接和臨時固定構件用的安裝連接中，也可用c級螺級螺栓受剪。栓受剪。（4）沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板（法蘭板）沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板（法蘭板） 加肋板加肋板 減少撬力減少撬

17、力 加強剛度加強剛度鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計按受力情況可分為三類：按受力情況可分為三類： 螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力作用。剪力作用。1. 四個階段：四個階段：（1）摩擦傳力的）摩擦傳力的 彈性階段彈性階段 （2）滑移階段）滑移階段 （3）栓桿傳力彈）栓桿傳力彈 性階段性階段（4）彈塑性階段）彈塑性階段鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計注意受剪螺栓與受拉螺栓的區(qū)別：注意受剪螺栓與受拉螺栓的區(qū)別：螺栓受拉螺栓受拉螺栓受拉且受剪螺栓受拉且受剪螺栓受剪螺栓受剪鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計2. 抗剪螺

18、栓連接根據(jù)被連接鋼板的組合情況，通常有單剪抗剪螺栓連接根據(jù)被連接鋼板的組合情況，通常有單剪和雙剪兩種受力型式。和雙剪兩種受力型式。(1)當螺栓直徑較細而被連接鋼材較厚時，可能發(fā)生螺栓當螺栓直徑較細而被連接鋼材較厚時，可能發(fā)生螺栓桿剪切破壞。桿剪切破壞。3. 破壞形式破壞形式鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 (2) 當螺栓直徑較粗而被連接鋼材較薄時，孔壁可能當螺栓直徑較粗而被連接鋼材較薄時，孔壁可能在螺栓桿局部承壓或擠壓下產(chǎn)生較大擠壓應力和塑性變在螺栓桿局部承壓或擠壓下產(chǎn)生較大擠壓應力和塑性變形，最終導致螺栓孔拉長，稱為擠壓破壞。形，最終導致螺栓孔拉長，稱為擠壓破壞。 (3) 當螺栓孔距

19、板端距離較小時，導致板端沿最大剪當螺栓孔距板端距離較小時，導致板端沿最大剪應力方向剪斷。稱為沖剪破壞。應力方向剪斷。稱為沖剪破壞。 (4) 當構件開孔較多使截面削弱較大時，可能發(fā)生構件當構件開孔較多使截面削弱較大時，可能發(fā)生構件沿凈截面的強度破壞。沿凈截面的強度破壞。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計破壞形式有：破壞形式有：栓桿直徑較小，板件較厚時，栓桿直徑較小，板件較厚時，栓桿栓桿被被剪斷剪斷；當栓桿直徑較大，板件較薄時，當栓桿直徑較大，板件較薄時，板件可能先被擠壞板件可能先被擠壞，栓，栓桿和板件擠壓是相對的，叫做螺栓承壓破壞；桿和板件擠壓是相對的，叫做螺栓承壓破壞；端距太小，端距范圍

20、內(nèi)的板件有可能被栓桿端距太小，端距范圍內(nèi)的板件有可能被栓桿沖剪破壞；沖剪破壞；板件板件可能因螺栓孔削弱太多而被可能因螺栓孔削弱太多而被拉斷拉斷。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計通常情況下，采用構造措施避免端板被剪壞。構造措施通常情況下，采用構造措施避免端板被剪壞。構造措施如下：如下：螺栓孔端距滿足螺栓孔端距滿足l12d0，以免板端被剪壞。，以免板端被剪壞。對抗剪普通螺栓連接一般應計算對抗剪普通螺栓連接一般應計算a. 螺栓桿抗剪強度螺栓桿抗剪強度 b. 孔壁承壓強度孔壁承壓強度 c. 驗算構件的凈截驗算構件的凈截面強度面強度鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計計算假定：計算假定： 栓

21、桿受剪計算時，螺栓受剪面上的剪應力是均勻分布；栓桿受剪計算時，螺栓受剪面上的剪應力是均勻分布； 孔壁承壓計算時，擠壓力沿栓桿直徑平面均勻分布?？妆诔袎河嬎銜r，擠壓力沿栓桿直徑平面均勻分布。 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計2()4bbvvvnndfbbccndt fminmin(,)bbbvvcnnn一個抗剪普通螺栓的承載力設計值一個抗剪普通螺栓的承載力設計值nvbmin應按抗剪承載應按抗剪承載力設計值力設計值nvb和承壓承載力設計值和承壓承載力設計值ncb的較小值采用，即：的較小值采用，即：受剪承載力設計值：受剪承載力設計值： 承壓承載力設計值：承壓承載力設計值： 鋼結(jié)構基本原理及設

22、計鋼結(jié)構基本原理及設計其中螺栓抗剪強度設計值其中螺栓抗剪強度設計值 fvb只取決于螺栓鋼材，一般只取決于螺栓鋼材，一般用用q235鋼鋼孔壁承壓強度設計值孔壁承壓強度設計值 fcb只取決于構件鋼材，其值按螺只取決于構件鋼材，其值按螺栓端距等于栓端距等于2倍孔徑倍孔徑(構造要求最小值構造要求最小值)控制確定控制確定 式中式中:nv螺栓受剪面數(shù)目取螺栓受剪面數(shù)目取nv1(單剪單剪)或或 2(雙剪雙剪)； t 同一受力方向承壓構件的較小總厚度，單剪時同一受力方向承壓構件的較小總厚度，單剪時取取min(t1，t2)，雙剪時取，雙剪時取min(2t1，t2)。 minmin(,)bbbvvcnnn每個螺栓

23、所受的實際剪力應不超過其抗剪的承載力每個螺栓所受的實際剪力應不超過其抗剪的承載力(均均按設計值按設計值)，即，即nv nvbmin。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計1. 普通螺栓群軸心受剪普通螺栓群軸心受剪 與側(cè)焊縫的受力相似，與側(cè)焊縫的受力相似， 螺栓受力是不均勻的，兩端受力大，中間受力小。螺栓受力是不均勻的，兩端受力大，中間受力小。1)當連接長度當連接長度 時，時，1015ld鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計螺栓數(shù)目的確定：螺栓數(shù)目的確定： 外力外力n(設計值設計值)通過螺栓群形心使螺栓受剪時，假定所通過螺栓群形心使螺栓受剪時，假定所有螺栓受力相等。有螺栓受力相等。l1n

24、=n / nvb min 桿件在節(jié)點處或拼接每側(cè)的受力螺栓至少用桿件在節(jié)點處或拼接每側(cè)的受力螺栓至少用2個。具體排個。具體排列應符合構造要求。列應符合構造要求。所需螺栓數(shù)目為所需螺栓數(shù)目為: 假定成立的依據(jù)：只要尺寸假定成立的依據(jù)：只要尺寸l1不是非常非常大，螺栓受不是非常非常大，螺栓受力可以通過內(nèi)力重分布予以調(diào)節(jié)。力可以通過內(nèi)力重分布予以調(diào)節(jié)。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計當構件在節(jié)點處或接頭一側(cè)的螺栓沿受力方向的連接當構件在節(jié)點處或接頭一側(cè)的螺栓沿受力方向的連接長度長度l1太長時，各螺栓受力將嚴重不均勻，即連接兩端的螺太長時，各螺栓受力將嚴重不均勻，即連接兩端的螺栓受力大于中間螺

25、栓而可能首先達到極限承載力引起破壞。栓受力大于中間螺栓而可能首先達到極限承載力引起破壞。l1鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計2) 當當l115d0時（時（d0為螺栓孔徑），螺栓承裁力設計值為螺栓孔徑），螺栓承裁力設計值應按下式應按下式 系數(shù)折減。系數(shù)折減。適用于普通螺栓、高強度螺栓和鉚釘連接。適用于普通螺栓、高強度螺栓和鉚釘連接。101.1150ld0.7l1101.10.7150ldminbnnn鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計3)構件凈截面強度計算：構件凈截面強度計算：構件上開設螺栓孔后，應驗算其凈截面強度是否滿足設構件上開設螺栓孔后，應驗算其凈截面強度是否滿足設計要求。計

26、要求。對錯列排列的螺栓，要考慮板件有兩個破壞截面。對錯列排列的螺栓，要考慮板件有兩個破壞截面。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力f的作用線至螺栓群的作用線至螺栓群中心線的距離為中心線的距離為e 。 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 (1) 扭矩作用下螺栓群計算扭矩作用下螺栓群計算 承受扭矩承受扭矩t，每個螺栓承，每個螺栓承受扭矩引起的剪力。受扭矩引起的剪力。假定：假定：a. 被連接件為絕對剛性被連接件為絕對剛性;b. 螺栓受力均在彈性階螺栓受力均在彈性階段。段。c. 扭矩使每個螺栓扭矩使每個螺栓 i 產(chǎn)生繞螺栓群形心產(chǎn)

27、生繞螺栓群形心o點旋轉(zhuǎn)的切線點旋轉(zhuǎn)的切線方向方向(即垂直于該螺栓到即垂直于該螺栓到o點連線的方向點連線的方向)的變形以及相應的的變形以及相應的剪力剪力ni，其大小與連線距離，其大小與連線距離 ri 成正比。成正比。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計1212ininnnnnrrrr1 12 2i in ntn rn rn rn r22221111121111innnnnrrrrrrrr2111niinrr扭矩平衡條件扭矩平衡條件:鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計2111niint rr2211niiit rxy22maxmaxmin1nbiivint rxyn 設計時要求最大受力螺

28、栓的剪力不超過一個螺栓的承載設計時要求最大受力螺栓的剪力不超過一個螺栓的承載力設計值：力設計值：鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計(2) 扭矩和剪力共同作用下的螺栓群的計算扭矩和剪力共同作用下的螺栓群的計算鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 豎向剪力豎向剪力fy假定由全部假定由全部(n個個)螺栓均勻分擔，每個螺栓承螺栓均勻分擔，每個螺栓承受的剪力為受的剪力為:222ttiiixiiiiyt ynnrxy22ttiiiyiiiixt xnnrxytiynniyntixnniynnn扭矩產(chǎn)生的剪力：扭矩產(chǎn)生的剪力：22tntbiyiyiynnnnmin(,)bbbvcnnn鋼結(jié)構基本原

29、理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計當螺栓群為一狹長形布置時，例如滿足條件當螺栓群為一狹長形布置時，例如滿足條件ymax3xmax時，為了計算方便，公式可近似地改寫為時，為了計算方便，公式可近似地改寫為222tiiixiiit yt ynxyy220tiiyiit xnxy受力最大的螺栓外，受力最大的螺栓外，其余螺栓均有潛力。其余螺栓均有潛力。f作作用下的螺栓內(nèi)力時，長度用下的螺栓內(nèi)力時，長度15d0，也不考慮，也不考慮。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 1. 翼緣的彎曲，使螺栓受到撬力的附加作用，桿力增加到翼緣的彎曲，使螺栓受到撬力的附加作用，桿力增加到：nt=n+q，式中，式中q稱為撬力。

30、稱為撬力。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計2. 規(guī)范將螺栓的抗拉強度設計值降低規(guī)范將螺栓的抗拉強度設計值降低20%來考慮撬力影響來考慮撬力影響20.80.8 215170n/mmbtff鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 單個螺栓的受拉承載力的設計值為：單個螺栓的受拉承載力的設計值為： 式中式中ae為螺栓有效截面積；為螺栓有效截面積； de為螺紋處的有效直徑為螺紋處的有效直徑1. 栓群軸心受拉栓群軸心受拉 由于垂直于連接板的肋板由于垂直于連接板的肋板 剛度很大，螺栓平均受拉。剛度很大，螺栓平均受拉。24bbbetettdna ff式中，式中，ntb為螺栓抗拉承載力設計值。為螺栓抗

31、拉承載力設計值。此時所需螺栓數(shù)目此時所需螺栓數(shù)目n的計算公式為：的計算公式為：btnnn鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計圖示圖示t形連接件與大梁下翼緣的螺拴連接，當荷載形連接件與大梁下翼緣的螺拴連接，當荷載n(即即圖中的圖中的2f)的作用線通過螺栓群的形心時，的作用線通過螺栓群的形心時，每個螺栓均勻軸心受拉。每個螺栓均勻軸心受拉。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計式中，式中，ntb為螺栓抗拉承載力設計值。為螺栓抗拉承載力設計值。此時所需螺栓數(shù)目此時所需螺栓數(shù)目n的計算公式為：的計算公式為：btnnn鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計2. 栓群承受彎矩作用栓群承受彎矩作用 基

32、本假定基本假定 (1)被連接件為絕對剛性被連接件為絕對剛性; (2)螺栓受力均在彈性階段。螺栓受力均在彈性階段。 按彈性設計法，在彎矩作用下，離中和軸越遠的螺栓所按彈性設計法，在彎矩作用下，離中和軸越遠的螺栓所受拉力越大；受拉力越大； 壓力則由部分受壓的端板承受，設中和軸至端板受壓邊壓力則由部分受壓的端板承受，設中和軸至端板受壓邊緣的距離為緣的距離為c。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計a. 預拉力不大，不計連接板件間預壓力預拉力不大，不計連接板件間預壓力； b. 梁端剪力梁端剪力v通過端板與焊接于柱上的通過端板與焊接于柱上的托板托板端部端部刨平頂刨平頂緊緊傳給柱身；傳給柱身；c. 梁端

33、彎矩梁端彎矩m通過焊于梁端的端板用粗制螺栓通過焊于梁端的端板用粗制螺栓(即即c級螺級螺栓栓)與柱的翼緣板相連而傳遞。與柱的翼緣板相連而傳遞。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計在彈性分析中假定：在彈性分析中假定： ni的大小呈線性變化，實際的大小呈線性變化，實際計算時可近似并偏安全地取中和計算時可近似并偏安全地取中和軸位于最下排螺栓軸位于最下排螺栓o處，即認為處，即認為連接變形為繞連接變形為繞o處水平軸轉(zhuǎn)動，處水平軸轉(zhuǎn)動，螺栓拉力與螺栓拉力與o點算起的縱坐標點算起的縱坐標y成成正比。正比。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 則則 ：螺栓螺栓i的拉力為：的拉力為： 設計時要求受力最大的

34、最外排螺栓設計時要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超過一的拉力不超過一個螺栓的抗拉承載力設計值：個螺栓的抗拉承載力設計值：1122/iinnnynynyny1122iinnmn yn yn yn y2(/)iiinyy2/iiinmyy211/bitnmyyn列平衡方程列平衡方程如何判斷作用彎如何判斷作用彎矩還是扭矩？矩還是扭矩？m列數(shù)列數(shù)鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計3. 栓群偏心受拉栓群偏心受拉 n和和m作用。螺栓不受壓作用。螺栓不受壓（1） 小偏心受拉小偏心受拉 （2）大偏心受拉）大偏心受拉 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計a. 螺栓承受拉力作用，端板與柱有脫開（分離）

35、趨勢螺栓承受拉力作用，端板與柱有脫開（分離）趨勢b. 軸心力軸心力n由各螺栓均勻承受由各螺栓均勻承受c. m引起以螺栓群形心引起以螺栓群形心o為中和軸的三角形分布為中和軸的三角形分布 上部螺栓受拉，下部螺栓受壓上部螺栓受拉，下部螺栓受壓d. 疊加后全部螺栓均受拉疊加后全部螺栓均受拉 （1）小偏心受拉）小偏心受拉2max1/bitnn nneyyn2min1/0inn nneyy 可得可得 時的偏心距時的偏心距 令令 為螺栓有效截面組成的核心距，為螺栓有效截面組成的核心距，則當則當 時為小偏心受拉時為小偏心受拉。min0n21/()ieyny 21/() eiewynynae鋼結(jié)構基本原理及設計

36、鋼結(jié)構基本原理及設計（2）大偏心受拉）大偏心受拉 近似取中和軸位于最下排螺栓近似取中和軸位于最下排螺栓o處處21/()ieyny 1122/iinnnynynyny1122iinnnen yn yn yn y22111112221111211(/) (/) (/) (/) (/ )ininyynyynyynyynyy21/iinne yy211/bitnne yyn鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 兩種可能破壞形式：兩種可能破壞形式：螺栓桿受剪受拉破壞螺栓桿受剪受拉破壞孔壁承壓破壞孔壁承壓破壞 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計不用承托不用承托螺栓螺栓同時受剪和受拉同時受剪和受拉

37、由于未用承托，豎向力由于未用承托，豎向力ny使連接承受剪力使連接承受剪力vny鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計vvnn如有軸心外拉力如有軸心外拉力nx，其使各個螺栓均勻受拉，每個承受，其使各個螺栓均勻受拉，每個承受拉力拉力nt=nx / n。偏心外拉力偏心外拉力nx或彎矩或彎矩m使各個螺栓不均勻受拉，應求出使各個螺栓不均勻受拉，應求出最大受拉螺栓所受拉力最大受拉螺栓所受拉力nt。通常假定剪力由全部螺栓均勻分擔，則每個螺栓所承受通常假定剪力由全部螺栓均勻分擔，則每個螺栓所承受的剪力為：的剪力為：鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計應驗算最大受力螺栓同時承受剪力應驗算最大受力螺栓同時承

38、受剪力nv和拉力和拉力nt時滿足時滿足強度要求。強度要求。其中其中nv引起螺栓桿受剪和螺栓桿與構件孔壁間承壓，引起螺栓桿受剪和螺栓桿與構件孔壁間承壓，nt引起螺栓桿受拉。應同時滿足下列兩個驗算公式：引起螺栓桿受拉。應同時滿足下列兩個驗算公式：221vtbbvtnnnnbvcnn螺栓受拉受剪的相螺栓受拉受剪的相關方程關方程規(guī)規(guī)范范規(guī)規(guī)定定鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 根據(jù)試驗結(jié)果，把根據(jù)試驗結(jié)果，把nv / nvb和和nt / ntb的相關關系近似地用的相關關系近似地用一圓曲線表示的經(jīng)驗公式。一圓曲線表示的經(jīng)驗公式。c級普通螺栓的抗剪性能較差，除剪力較小的情況外，應級普通螺栓的抗剪性

39、能較差，除剪力較小的情況外，應盡量設置承托來承受剪力盡量設置承托來承受剪力v。nv / nvbnt / ntb11鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 1. 普通和高強度螺栓主要區(qū)別普通和高強度螺栓主要區(qū)別 2. 高強度螺栓分類高強度螺栓分類摩擦型摩擦型承壓型承壓型 鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計螺栓本身、螺母和墊圈均采用高強度鋼材，再經(jīng)熱處螺栓本身、螺母和墊圈均采用高強度鋼材，再經(jīng)熱處理以進一步提高強度；理以進一步提高強度；目前我國采用目前我國采用8.8和和10.9兩種強度性能等級；兩種強度性能等級；其中整數(shù)部分其中整數(shù)部分“8”或或“10”表示螺栓經(jīng)熱處理后的最低表示螺栓經(jīng)熱

40、處理后的最低抗拉強度抗拉強度fu屬于屬于800nmm2(實際為實際為830nmm2)或或1000nmm2(實際為實際為1040 n mm2)這一級；這一級；小數(shù)點和后面數(shù)字一起即小數(shù)點和后面數(shù)字一起即“.8”或或“.9”表示螺栓經(jīng)熱處表示螺栓經(jīng)熱處理后的屈強比理后的屈強比fyf ；8.8級和級和10.9級螺栓經(jīng)熱處理后的最低屈服強度級螺栓經(jīng)熱處理后的最低屈服強度0.8830660nmm2和和0.91040940nmm2。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計8.8級螺栓常用級螺栓常用45號鋼或號鋼或35號鋼；號鋼；10.9級螺栓常用級螺栓常用20mntib 鋼、鋼、40b(40硼硼 )鋼或鋼

41、或35vb(35釩硼釩硼)鋼；而其螺母常用鋼；而其螺母常用45號鋼、號鋼、35號鋼或號鋼或15mnvb(15錳釩錳釩硼硼)鋼；鋼；墊圈常用墊圈常用45號鋼或號鋼或35號鋼；螺栓、螺母和墊圈制成品號鋼；螺栓、螺母和墊圈制成品均經(jīng)熱處理以達到規(guī)定指標要求；均經(jīng)熱處理以達到規(guī)定指標要求；45號鋼和號鋼和40b鋼制成的較大直徑螺栓的熱處理淬透性鋼制成的較大直徑螺栓的熱處理淬透性較差，只用在較差，只用在d24mm的螺栓。的螺栓。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計3. 高強度螺栓的抗剪性能高強度螺栓的抗剪性能 較大的預拉力，板疊有很大的預壓力；較大的預拉力，板

42、疊有很大的預壓力； 當連接受剪時，依靠摩擦力傳力的螺栓的抗剪承載力當連接受剪時，依靠摩擦力傳力的螺栓的抗剪承載力可達可達1點。通過點。通過1點后，產(chǎn)生滑移，栓桿與孔壁接觸，連接點后，產(chǎn)生滑移，栓桿與孔壁接觸，連接 又可繼續(xù)承載直到破壞；又可繼續(xù)承載直到破壞； 連接承載力用到連接承載力用到1點，高強度螺栓摩擦型連接；點，高強度螺栓摩擦型連接； 連接承載力用到連接承載力用到4點，高強度螺栓承壓型連接。點，高強度螺栓承壓型連接。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計(1) 摩擦型高強度螺栓連接：摩擦型高強度螺栓連接：受剪時以外剪力達到扳件接觸面間由螺栓擰緊力受剪時以外剪力達到扳件接觸面間由螺栓擰緊

43、力(使板件使板件壓緊壓緊)所提供的可能最大摩擦力為極限狀態(tài)，保證外剪力不超所提供的可能最大摩擦力為極限狀態(tài)，保證外剪力不超過最大摩擦力；過最大摩擦力；(2) 承壓型高強度螺栓連接：承壓型高強度螺栓連接：以桿身剪切或孔壁承壓破壞，即達到連接的最大承載力，以桿身剪切或孔壁承壓破壞，即達到連接的最大承載力，作為連接受剪的極限狀態(tài)。作為連接受剪的極限狀態(tài)。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計a.承受外拉力前，螺桿中有承受外拉力前，螺桿中有p，板層之間壓力，板層之間壓力c，而，而p與與c平衡平衡b.外拉力外拉力nt，螺桿拉力增加，板件拉松，螺桿拉力增加，板件拉松，c減少；減少；c.計算表明，計算表明

44、，nt為預拉力為預拉力p的的80%時，螺桿內(nèi)拉力增加很少，時，螺桿內(nèi)拉力增加很少，基本不變；基本不變；d.外加拉力大于螺桿預拉力，卸荷后螺桿中的預拉力會變小，外加拉力大于螺桿預拉力，卸荷后螺桿中的預拉力會變小，即即發(fā)生松弛現(xiàn)象；發(fā)生松弛現(xiàn)象；e.外拉力外拉力小于預拉力的小于預拉力的80%時，無松弛現(xiàn)象發(fā)生。時，無松弛現(xiàn)象發(fā)生。4. 高強度螺栓的抗拉性能高強度螺栓的抗拉性能 直接承受動載結(jié)構，高直接承受動載結(jié)構，高強度螺栓連接受拉時疲勞強強度螺栓連接受拉時疲勞強度較低，高強度螺栓的外拉度較低，高強度螺栓的外拉力不宜超過力不宜超過0.5p。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計1. 預拉力建立預

45、拉力建立 （1）大六角頭螺栓的預拉力：）大六角頭螺栓的預拉力： 力矩法力矩法 轉(zhuǎn)角法轉(zhuǎn)角法（2）扭剪型高強度螺栓）扭剪型高強度螺栓fftkp d2. 預拉力值的確定預拉力值的確定p由下式計算：由下式計算：鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計0.9 0.9 0.91.2eupa f式中：式中：ae有效面積；有效面積； fu 抗拉強度?？估瓘姸?。a. 螺栓同時受到拉應力和剪應力作用。螺栓同時受到拉應力和剪應力作用。 考慮擰緊螺栓時扭矩對螺桿的不利影響系數(shù)考慮擰緊螺栓時扭矩對螺桿的不利影響系數(shù) ，取，取1.2；b. 施工時預拉力松馳，考慮超張拉系數(shù)施工時預拉力松馳，考慮超張拉系數(shù)0.9；c. 考

46、慮材質(zhì)不定性系數(shù)考慮材質(zhì)不定性系數(shù)0.9；d. 用用fu而不是而不是fy作為標準值的系數(shù)作為標準值的系數(shù)0.9。3. 抗滑移系數(shù)抗滑移系數(shù)接觸面處理：噴砂、噴砂后涂無機富鋅漆、噴砂后生赤接觸面處理：噴砂、噴砂后涂無機富鋅漆、噴砂后生赤銹和鋼絲刷消除浮銹或表面不作處理。銹和鋼絲刷消除浮銹或表面不作處理。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 一個螺栓受剪承載力設計值為一個螺栓受剪承載力設計值為 使被板間保持一定的壓緊力；使被板間保持一定的壓緊力； 單個高強度螺栓受拉承載力設計值為：單個高強度螺栓受拉承載力設計值為：0.9bvfnnp0.8btnp式中式中 nf 為傳力摩擦面數(shù)目；為傳力摩擦面數(shù)

47、目；為摩擦面的抗滑移系數(shù)。為摩擦面的抗滑移系數(shù)。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 當螺栓所受外拉力當螺栓所受外拉力 時，雖然螺桿中的預拉力時，雖然螺桿中的預拉力p基本基本不變，不變，規(guī)范規(guī)定，承載力按下式：規(guī)范規(guī)定，承載力按下式：tnp1vtbbvtnnnn某螺栓所承受的剪力和拉力設計值某螺栓所承受的剪力和拉力設計值；vntn 一個受剪、受拉承載力設計值。一個受剪、受拉承載力設計值。 bvnbtn鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計2()4bbvvvnndfbbccndt f受剪承載力設計值受剪承載力設計值 承壓承載力設計值承壓承載力設計值 與普通螺栓連接相同；與普通螺栓連接相同；

48、 應采用承壓型連接高強度螺栓的強度設計值。應采用承壓型連接高強度螺栓的強度設計值。 螺紋處抗剪承載力應按螺紋處有效截面計算。螺紋處抗剪承載力應按螺紋處有效截面計算。鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 承壓型連接高強度螺栓沿桿軸方向受拉時，規(guī)范給出承壓型連接高強度螺栓沿桿軸方向受拉時，規(guī)范給出了相應強度級別的螺栓抗拉強度設計值、抗拉承載力的計了相應強度級別的螺栓抗拉強度設計值、抗拉承載力的計算公式與普通螺栓相同：算公式與普通螺栓相同： 24bbbetettdna ff221vtbbvtnnnn1.2bvcnn鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計 1. 軸心受剪軸心受剪 1）連接所需螺栓數(shù)目：）連接所需螺栓數(shù)目：minbnnn2）構造）構造在求出所需要的螺栓數(shù)目在求出所需要的螺栓數(shù)目之后之后, 即可按照與普通螺栓一即可按照與普通螺栓一樣的要求排列螺栓。樣的要求排列螺栓。nn鋼結(jié)構基本原理及設計鋼結(jié)構基本原理及設計3）截面強度驗算）截面強度驗算nfa11 0.5nnnfnannn 螺栓數(shù)目螺栓數(shù)目n1所計算截面上所計算截面上(即最外列螺栓處即最外列螺栓處)高強度螺栓的數(shù)目高強度螺栓的數(shù)目an構件的凈截面面積構件的凈截面面積a 構件的毛截面面積構件的毛截