鋼結(jié)構設計原理課件

鋼結(jié)構基本原理

2007年——2008鋼結(jié)構設計原理3

鋼結(jié)構的連接本章內(nèi)容：(1)

鋼結(jié)構的連接方法

(2)

焊接方法和焊接連接形式

(3)

角焊縫的構造與計算

(4)

對接焊縫的構造與計算

(5)

螺栓連接的構造

(6)

普通螺栓連接的工作性能和計算

(7)

高強度螺栓連接的工作性能和計算本章重點：角焊縫的構造與計算，普通螺栓連接的計算，高強度螺栓連接的計算。本章難點：如何運用相關公式進行各種連接計算。鋼結(jié)構設計原理2、鉚接1、焊接

對接焊縫角焊縫焊縫連接、鉚釘連接、螺栓連接3.1鋼結(jié)構的連接方法3.1.1鋼結(jié)構連接種類圖3.1鋼結(jié)構的連接方法(a)、(b)焊縫連接；(c)鉚釘連接(a)(b)(c)鋼結(jié)構設計原理3、螺栓連接

普通螺栓：高強螺栓靠螺栓桿承壓和受剪傳遞荷載圖3.2螺栓連接鋼結(jié)構設計原理優(yōu)點：（1）構造簡單，制造省工；（2）不削弱截面，經(jīng)濟；（3）連接剛度大，密閉性能好；（4）易采用自動化作業(yè)，生產(chǎn)效率高。

缺點：（1）焊縫附近有熱影響區(qū)，該處材質(zhì)變脆；（2）產(chǎn)生焊接殘余應力和殘余應變；（3）裂縫易擴展，低溫下易脆斷。1、焊縫連接3.1.2連接特點鋼結(jié)構設計原理優(yōu)點：安裝拆卸方便。缺點：構造復雜，削弱截面，不經(jīng)濟。2、螺栓連接

1、普通螺栓連接

由235鋼制成，根據(jù)加工精度分A、B、C三級。

A、B級精制螺栓,Ⅰ類孔，孔徑比桿徑大0.3-0.5mm，抗剪性能好,制造安裝費工，少用。

C級粗制螺栓,Ⅱ類孔，孔徑比桿徑大1.5-2.0mm，抗剪性能差，但傳遞拉力性能好，性能等級為4.6級或4.8級。鋼結(jié)構設計原理

（1）性能等級

高強鋼材制成：優(yōu)質(zhì)碳素鋼：35號、45號合金鋼：20MnTiB、40B、35VB

性能等級：8.8級、10.9級。小數(shù)點前8、10——螺栓材料經(jīng)熱加工后的最低抗拉強度為800、1000N/mm2；小數(shù)點后0.8、0.9——屈強比

2、高強螺栓連接鋼結(jié)構設計原理摩擦型：只靠摩擦阻力傳力，以剪力達到接觸面的摩擦力

作為承載力極限狀態(tài)——設計準則。（2）按抗剪性能分承壓型：以作用剪力達到栓桿抗剪或孔壁承壓破壞作為承載力極限狀態(tài)——設計準則。摩擦型螺栓連接：變形小，彈性性能好，耐疲勞，施工較簡單，適用于承受動力荷載的結(jié)構。承壓型螺栓連接：承載力高于摩擦型連接，連接緊湊，剪切變形大，不能用于承受動力荷載的結(jié)構。鋼結(jié)構設計原理3.2

焊接方法和焊縫連接形式3.2.1鋼結(jié)構常用焊接方法

1.手工電弧焊打火引弧---電弧周圍的金屬液化(溶池)—焊條熔化—

滴入溶池—與焊件的熔融金屬結(jié)和冷卻即形成焊縫。電弧焊：手工電弧焊、自動或半自動埋弧焊、氣體保護焊。優(yōu)點：方便，特別在高空和野外作業(yè)；缺點：質(zhì)量波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，效率低。鋼結(jié)構設計原理焊條：焊條應與焊件鋼材相適應（等強度要求）。

Q235—E43××焊條；

Q345—E50××焊條；

Q390（Q420）—E55××焊條。

E——焊條；型號由四部分組成E××××

前兩位數(shù)—

焊縫金屬最小抗拉強度(43kg/mm2)；后兩位數(shù)—

焊接位置、電流及藥皮類型。

不同鋼種的鋼材相焊接時，宜采用與低強度鋼材相適應的焊條。

手工電弧焊鋼結(jié)構設計原理2.自動（半自動）埋弧焊電弧在焊劑層下燃燒的一種方法。優(yōu)點：質(zhì)量好，效率高；缺點：需要專用設備。3.氣體保護焊利用二氧化碳氣體或者其他惰性氣體作為保護介質(zhì)的一種方法。優(yōu)點：質(zhì)量好；缺點：對環(huán)境要求高。鋼結(jié)構設計原理（被連接鋼材的相互位置）對接連接搭接連接T型連接角部連接焊縫連接形式

3.2.2焊縫連接形式及焊縫形式1.焊縫連接形式圖3.3T形連接圖3.4搭接連接鋼結(jié)構設計原理焊縫連接形式圖3.5焊縫連接的形式(a)對接連接；(b)用拼接蓋板的對接連接；(c)搭接連接；(d)、(e)T形連接；(f)、(g)角部連接鋼結(jié)構設計原理(1)按焊縫的截面形式分對接焊縫角焊縫

2.焊縫形式圖3.6焊縫形式(a)正對接連接；(b)斜對接焊縫；(c)角焊縫鋼結(jié)構設計原理按受力方向劃分

正對接焊縫：焊縫垂直于力線對接焊縫

斜對接焊縫：焊縫傾斜于力線

正面角焊縫：焊縫垂直于力線

角焊縫側(cè)面角焊縫：焊縫平行于力線

斜角焊縫:焊縫傾斜于力線鋼結(jié)構設計原理(2)焊縫沿長度方向的布置注意:L不宜過長

在受壓構件中

L≤15t

在受拉構件中

L≤30t（t為較薄焊件的厚度）圖3.7連接角焊縫和斷續(xù)角焊縫鋼結(jié)構設計原理（3）焊縫的施焊方位平焊（俯焊）橫焊立焊仰焊

圖3.8焊縫施焊位置(a)平焊；(b)橫焊；(c)立焊；(d)仰焊鋼結(jié)構設計原理3.2.3焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗1、焊縫缺陷：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)部的缺陷圖3.9焊縫缺陷(a)裂紋；(b)焊瘤；(c)燒穿；(d)弧坑；(e)氣孔；(f)夾渣；(g)咬邊；(h)未熔合；(i)未焊縫鋼結(jié)構設計原理2.焊縫質(zhì)量檢驗三級：只進行外觀檢查（即檢查外觀缺陷和幾何尺寸）二級：除外觀檢查，超聲波抽檢一級：同二級3.焊縫質(zhì)量等級的選用

（1）需要進行疲勞計算的構件，凡是對接焊縫均應焊透。其中垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p或T形對接與角接組合焊縫受拉時應為一級，受壓時應為二級；作用力平行于焊縫長度方向的縱向?qū)雍缚p應為二級。鋼結(jié)構設計原理

（2）不需要進行疲勞計算的構件，凡要求與母材等強的對接焊縫應焊透。母材等強的受拉對接焊縫應不低于二級；受壓時宜為二級。（3）重級工作制和起重量Q≥500kN的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間，以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的T形接頭均要求焊透，質(zhì)量等級不應低于二級。（4）不要求焊透的T形接頭采用的角焊縫或部分焊透的對接與角接組合焊縫，以及搭接連接采用的角焊縫，一般僅要求外觀質(zhì)量檢查，具體規(guī)定如下:三級檢驗;承受動力荷載且需要驗算疲勞和Q≥500kN的中級吊車梁，二級。鋼結(jié)構設計原理3.2.4焊縫代號、螺栓及其孔眼圖例《焊縫符號表示法》規(guī)定：焊縫符號一般由基本符號與指引線組成，必要時還可加上補充符號和焊縫尺寸?；痉枺罕硎竞缚p的橫截面形狀，如用“”表示角焊縫,用“V”表示V形坡口聽對接焊縫；補充符號：補充說明焊縫的某些特征，如用“”表示現(xiàn)場安裝焊縫，用“”表示焊件三面帶有焊縫；指引線：一般由橫線和帶箭頭的斜線組成，箭頭指向圖形相應焊縫處，橫線上方和下方用來標注基本符號和焊縫尺寸等。鋼結(jié)構設計原理表3.1焊縫符號鋼結(jié)構設計原理表3.1焊縫符號續(xù)表鋼結(jié)構設計原理當焊縫分布比較復雜或用上述標注方法不能表達清楚時,在標注焊縫符號的同時,可在圖形上加柵線表示。圖3.10用柵線表示焊縫(a)正面焊縫；(b)背面焊縫；(c)安裝焊縫表3.2螺栓及其孔眼圖例鋼結(jié)構設計原理3.3

角焊縫的構造和計算——角焊縫的焊腳尺寸——角焊縫的計算厚度，對直角角焊縫：按截面形式劃分3.3.1角焊縫的形式與強度圖3.11直角角焊縫截面角焊縫直角角焊縫斜角角焊縫角焊縫一般用直角角焊縫。夾角或的斜角角焊縫，不宜用作受力焊縫(鋼管結(jié)構除外).圖3.12斜角角焊縫截面鋼結(jié)構設計原理側(cè)面角焊縫強度低、塑性好；應力沿長度方向分布不均勻，呈兩端大而中間小的狀態(tài)。1、側(cè)面角焊縫—平行于力的作用方向NNNNtbLLaN按角焊縫與作用力的關系分:側(cè)面角焊縫、正面角焊縫、斜焊縫圖3.13側(cè)面角焊縫受力示意圖圖3.14側(cè)焊縫的應力鋼結(jié)構設計原理正面角焊縫受力復雜，截面中的各面均存在正應力和剪應力；強度高，塑性差。2、正面角焊縫—垂直于力的作用方向3、斜焊縫—受力性能和強度值介于正面角焊縫和側(cè)面角焊縫之間。圖3.15正面角焊縫應力狀態(tài)鋼結(jié)構設計原理（1）最大焊腳尺寸對邊緣角焊縫①②

為避免焊縫區(qū)基本金屬“過熱”，減少焊件的殘余應力和殘余變形。3.3.2角焊縫構造要求圖3.16最大焊腳尺寸鋼結(jié)構設計原理

焊腳尺寸過小，會在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織。對自動焊:對T型連接的單面角焊縫：當焊件厚度設計：（2）最小焊腳尺寸要求鋼結(jié)構設計原理（3）不等焊腳尺寸的構造要求

當焊件的厚度相差較大且等焊腳尺寸不能符合要求時，可采用不等焊腳尺寸。（4）側(cè)面角焊縫的最大計算長度

側(cè)面角焊縫沿長度受力不均勻，兩端大中間小,所以一般均規(guī)定其最大計算長度。60hf

靜力荷載40hf

動力荷載注：若內(nèi)力沿角焊縫全長分布，則計算長度不受此限注意：焊腳尺寸和焊縫計算長度取mm的整數(shù)，小數(shù)點以后都進為1。圖3.17不等焊腳尺寸的構造要求鋼結(jié)構設計原理設計：

防止局部加熱嚴重，焊縫起滅弧所引起的缺陷相距太近，及其他缺陷，使得焊縫不可靠。①在搭接連接中，搭接長度L≥5tmin，且≥25mm。

為了減少收縮應力以及因偏心在鋼板與連接件中產(chǎn)生的次應力（5）角焊縫的最小計算長度（6）搭接連接的構造要求圖3.18搭接連接鋼結(jié)構設計原理③圍焊的轉(zhuǎn)角處

必須連續(xù)施焊.

非圍焊，可在構件轉(zhuǎn)角處作長度2hf

的繞角焊。為了避免焊縫橫向收縮時引起板件的拱曲大。②當板件端部僅有兩側(cè)面角焊縫時，lw≥b(b為兩側(cè)焊縫距離)同時或圖3.19焊縫長度及兩側(cè)焊縫間距鋼結(jié)構設計原理焊縫實際長度取為5mm的倍數(shù)，如192mm取為195mm，196mm取為200mm。角焊縫的計算長度lw和實際長度l的關系：4.繞角焊：側(cè)面角焊縫lw=l(繞角焊的2hf不在內(nèi))圖3.20角焊縫長度的計算鋼結(jié)構設計原理（1）側(cè)面角焊縫的破壞大多在45o截面；受力特點：3.3.3直角角焊縫強度計算的基本公式圖3.21側(cè)焊縫破壞形式(a)實際剪壞面；(b)計算剪壞面圖3.22角焊縫截面h—焊縫厚度；hf—焊縫厚度；he—焊縫有效厚度(焊喉部位)；h1—熔深；h2—凸度；d—焊趾；e—焊跟鋼結(jié)構設計原理

（3）正面角焊縫破壞強度高，剛度大，塑性差。

（2）正面角焊縫應力狀態(tài)復雜，可能沿45o截面破壞，也可能沿溶合邊破壞；圖3.23焊腳尺寸及有效焊腳厚度鋼結(jié)構設計原理計算步驟：（1）求出同一平面焊縫群的形心；（2）將荷載向形心簡化，找出最不利位置；（3）分別求出各荷載分量在最不利位置產(chǎn)生的應力；（4）區(qū)分正面角焊縫受力和側(cè)面角焊縫受力，視荷載種類（靜荷或動荷）代入角焊縫的基本計算公式進行計算。（5）驗算是否滿足構造要求。鋼結(jié)構設計原理（作用力平行于焊縫方向）NN1、側(cè)面角焊縫圖3.24側(cè)面角焊縫的應力分布示意圖鋼結(jié)構設計原理當承受動力荷載時：NN---正面角焊縫強度增大系數(shù)，1.22。2、正面角焊縫（作用力垂直于焊縫方向）圖3.25正面角焊縫的應力分布示意圖鋼結(jié)構設計原理NNy=NcosθNx=Nsinθθ3、斜向角焊縫圖3.26斜向軸心力作用鋼結(jié)構設計原理①兩面?zhèn)群?由構造確定hf

)NNNNtbLLa(1)用蓋板的對接連接承受軸心力時1.承受軸心力作用時角焊縫連接計算蓋板長度：由得3.3.4各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算圖3.27受軸心力的蓋板連接

(只有側(cè)面角焊縫)鋼結(jié)構設計原理(由構造確定hf

)NNNNtbLLa由得②三面圍焊(a)端面角焊縫承擔N′(b)側(cè)面角焊縫承擔N1圖3.28受軸心力的蓋板連接

(三面圍焊)鋼結(jié)構設計原理蓋板長度：NNNNbtLLaNN′由N1得(c)焊縫長度計算圖3.28受軸心力的蓋板連接

(三面圍焊)鋼結(jié)構設計原理[解]查附表1.2[例3.1]試設計用拼接蓋板的對接連接(圖3.29)。已知鋼板寬B=270mm，厚度t1=28mm，拼接蓋板厚度t2=16mm。該連接承受靜態(tài)軸心力N=1400kN(設計值)，鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型。圖3.29例3.1圖(a)兩面?zhèn)群笗r鋼結(jié)構設計原理(1)兩面?zhèn)群窷NNNtbLLa

③蓋板長度②一條焊縫的實際長度取680mm

①焊縫總長度

圖3.29例3.1圖(b)兩面?zhèn)群镐摻Y(jié)構設計原理

④

選定拼接蓋板寬度b=240mm，則：A′=240×2×16=7680mm2＞A=270×28=7560mm2滿足強度要求。

⑤

根據(jù)構造要求可知：b=240mm＜lw=313mm且

b＜16t=16×16=256mm滿足要求，故選定拼接蓋板尺寸為680mm×240mm×16mm。鋼結(jié)構設計原理(2)三面圍焊①端面角焊縫承擔N′側(cè)面角焊縫承擔N1N1=N－N′②焊縫長度計算圖3.29例3.1圖(c)三面圍焊時鋼結(jié)構設計原理NNNNtbLLa③一條焊縫長度④蓋板長度蓋板尺寸為：取為180mm.圖3.29例3.1圖(d)三面圍焊鋼結(jié)構設計原理（a）三面圍焊N1N3N2N=N1+N2+N33.3.4各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算1.承受軸心力作用時角焊縫連接計算(2)承受軸心力的角鋼角焊縫計算肢背、肢尖焊縫承擔的力N1、N2，端面焊縫承擔的力N3Nlw1lw2圖3.30三面圍焊(a)(b)鋼結(jié)構設計原理N1N3N2由得端面焊縫承擔的力N3圖3.30三面圍焊圖3.30三面圍焊(a)(b)(c)lw1lw2N鋼結(jié)構設計原理令：----肢背、肢尖內(nèi)力分配系數(shù)，近似取2/3，1/3。N1N3N2b由lw2lw1圖3.30三面圍焊(a)N鋼結(jié)構設計原理肢尖、肢背所需焊縫長度l1、l2圖3.30三面圍焊(c)鋼結(jié)構設計原理（b）兩面?zhèn)群笀D3.31兩面?zhèn)群镐摻Y(jié)構設計原理表3.3角鋼角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)鋼結(jié)構設計原理[例3.2]

試確定圖3.35所示承受靜態(tài)軸心力作用的三面圍焊連接的承載力及肢尖焊縫的長度。已知角鋼為2∟125×10，與厚度為8mm的節(jié)點板連接，其肢背搭接長度為300mm，焊腳尺寸均為hf=8mm，鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型。圖3.32例3.2圖鋼結(jié)構設計原理（2）肢背焊縫承擔的力N1（1）端部焊縫承擔的力N3[解]：鋼結(jié)構設計原理（3）焊縫連接承擔的力N（5）肢尖焊縫長度（4）肢尖焊縫承擔的力N2鋼結(jié)構設計原理

2.承受彎矩、軸心力或剪力聯(lián)合作用的已知：M、V、N

問題：驗算焊縫強度或設計（1）應力計算3.3

角焊縫的構造和計算3.3.4各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算圖3.33承受偏心斜拉力的角焊縫角焊縫連接計算鋼結(jié)構設計原理NxNNyM++圖3.34承受偏心斜拉力時的等價形式(c)(a)(b)(d)(e)鋼結(jié)構設計原理b）M作用下a）Nx作用下，焊縫是正面角焊縫NxM圖3.34(c)圖3.34(d)鋼結(jié)構設計原理（2）強度條件c）Ny作用下，焊縫是側(cè)面角焊縫Ny圖3.34(e)鋼結(jié)構設計原理3.承受扭矩與剪力聯(lián)合作用時的角焊縫連接計算

假定：(1)構件是完全剛性的，角焊縫處于彈性狀態(tài)；

(2)角焊縫群上任意一點的應力方向垂直于該點與形心的連線，且應力大小與連線長度r成正比。圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫鋼結(jié)構設計原理圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫鋼結(jié)構設計原理圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫鋼結(jié)構設計原理圖3.35受剪力和扭矩作用的角焊縫鋼結(jié)構設計原理典型問題：工字型牛腿焊縫的計算第一種方法假設：①剪力由腹板焊縫承擔②彎矩由全部焊縫承擔a）翼緣焊縫最外纖維處的應力滿足：M—焊縫承擔的彎矩Iw—全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩翼緣焊縫僅承受垂直于焊縫長度方向的彎曲應力；圖3.36工字形梁(或牛腿)的角焊縫連接鋼結(jié)構設計原理腹板焊縫即承受垂直于焊縫長度方向的應力又承受平行腹板焊縫長度方向的剪應力b）腹板焊縫：腹板焊縫A點的強度：he2—腹板焊縫焊腳有效尺寸,he2=0.7hf2h

2—腹板焊縫實際長度圖3.37工字形梁的角焊縫連接鋼結(jié)構設計原理第二種方法假設腹板焊縫只承受剪力，翼緣焊縫承擔全部彎矩，此時彎矩M可以化為一對水平力H=M/h。則翼緣焊縫的強度計算公式為腹板焊縫的強度計算公式為鋼結(jié)構設計原理

截面特性計算截面積：上、下翼緣及腹板截面積之和中和軸（形心）位置：按全截面對某軸的面積矩等于各塊板分別對該軸的面積矩之和求得。慣性矩：各板塊自身慣性矩再加上各板塊面積乘以板塊中心至中和軸距離的平方。40080－200×20－100×2010圖3.38截面特性計算鋼結(jié)構設計原理各點抵抗矩：慣性矩除以該點至中和軸的距離。各點面積矩：該點以上（或以下）的截面積對中和軸的面積矩。如按b點以下面積矩計算，中和軸以上部分取負值，以下部分取正值40080－200×20－100×2010圖3.38截面特性計算鋼結(jié)構設計原理圖3.39例3.3圖[例3.3]試驗算圖3.42所示牛腿與鋼柱連接角焊縫的強度。鋼材為Q235B，焊條為E43型，手工焊。靜態(tài)荷載設計值N=365kN，偏心距e=350mm，焊腳尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。圖3.42(b)為焊縫有效截面的示意圖。

鋼結(jié)構設計原理a)計算翼緣焊縫：[解]：V=N=365kN，

M=Ne=365×0.35=127.8kN·m（1）考慮腹板焊縫參加傳遞彎矩的計算方法

全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩為：

翼緣焊縫的最大應力：

鋼結(jié)構設計原理b)計算腹板焊縫：彎矩M引起的最大應力：

剪力V在腹板焊縫中產(chǎn)生的平均剪應力：

則腹板焊縫的強度（A點為設計控制點）為：鋼結(jié)構設計原理（2）不考慮腹板焊縫傳遞彎矩的計算方法

翼緣焊縫所承受的水平力：（h值近似取為翼緣中線間距離）

翼緣焊縫的強度：腹板焊縫的強度：鋼結(jié)構設計原理坡口型式：厚度很小，手工焊6mm，埋弧焊10mm時直邊縫；

一般厚度，單邊V形或V形坡口；

厚度較大，>20mm，U形、K形或X形坡口。3.4

對接焊縫的構造與計算3.4.1對接焊縫的構造1、坡口形式圖3.40對接焊縫的坡口形式(a)直邊縫；(b)單邊V形坡口；(c)

V形坡口；(d)

U形坡口；(e)

K形坡口；(f)

X形坡口αα鋼結(jié)構設計原理

拼接處，當焊件的寬度或厚度相差4mm以上時，從一側(cè)或兩側(cè)做坡度不大于1：2.5（承受動力荷載且需要進行疲勞計算的結(jié)構不大于1：4）的斜角，平緩過渡。

靜力荷載作用時允許不設。當不設引弧板時，每條焊縫計算長度等于實際長度減2t（t為較薄焊件厚度）。

起落弧處,宜加引弧板(引出板)。2、截面的改變3、引弧板圖3.41鋼板拼接圖3.42用引弧板和引出板焊接(a)改變寬度；(b)改變厚度鋼結(jié)構設計原理焊縫強度與鋼材強度比較：--質(zhì)量檢驗為一、二級時,焊縫強度與鋼材強度相等；--質(zhì)量檢驗為三級時,

抗壓強度、抗剪強度與鋼材強度相等，抗拉強度等于0.85%的母材強度。

∴受拉連接,三級檢驗時,進行焊縫強度驗算。對接焊縫的計算公式與構件強度公式相同。①焊縫可視為構件的組成部分；②焊縫中應力分布基本同構件。3.4.2對接焊縫的計算1、焊透的對接焊縫的計算鋼結(jié)構設計原理(1)軸心受力對接焊縫時,強度可不進行驗算。N——軸心拉力或壓力；lw——焊縫的計算長度，未采用引弧板,實際長度減2t

。t——對接連接中,連接件較小厚度；T形連接中,腹板厚度。注：當圖3.43對接焊縫受軸心力鋼結(jié)構設計原理(2)承受彎矩和剪力共同作用的對接焊縫圖3.44對接焊縫受彎矩和剪力聯(lián)合作用(a)鋼板對接接頭；(b)工字形截面梁的對接接頭鋼結(jié)構設計原理Ww---焊縫截面模量Sw---焊縫截面面積矩Iw---焊縫截面慣性矩---焊縫抗剪強度設計值tlwMVa)矩形截面

截面正應力截面剪應力圖3.45對接焊縫矩形截面鋼結(jié)構設計原理

在腹板與翼緣交接處，驗算折算應力t1Sw1---翼緣對中和軸的面積矩,bb)工字形截面

最大正應力:最大剪應力:,h0為腹板高度圖3.46工字形截面鋼結(jié)構設計原理[例3.4]計算工字形截面牛腿與鋼柱連接的對接焊縫強度(圖3.50)。F=550kN(設計值)，偏心距e=300mm。鋼材為Q235B，焊條為E43型，手工焊。焊縫為三級檢驗標準，上、下翼緣加引弧板和引出板施焊。圖3.47例3.4圖鋼結(jié)構設計原理a）最大正應力[解]：截面幾何特征值和內(nèi)力:鋼結(jié)構設計原理c）“1”點的折算應力b）最大剪應力鋼結(jié)構設計原理3.5

焊接應力和焊接變形3.5.1焊接應力的分類和產(chǎn)生的原因1、縱向焊接應力——沿焊縫長度方向圖3.48施焊時焊縫及附近的溫度場和焊接殘余應力(a)、(b)施焊時焊縫及附近的溫度場(c)鋼板上縱向焊接應力鋼結(jié)構設計原理2、橫向焊接應力——垂直于焊縫長度方向3、厚度方向的焊接應力圖3.49焊縫的橫向焊接應力圖3.50厚板中的焊接殘余應力鋼結(jié)構設計原理3.5.2焊接應力對結(jié)構性能的影響1、對結(jié)構靜力強度的影響——沒有影響2、對結(jié)構剛度的影響——會降低結(jié)構的剛度3、對低溫工作的影響

——會增加鋼材在低溫下的脆斷傾向4、對疲勞強度的影響——有明顯的不利影響鋼結(jié)構設計原理3.5.3焊接變形

焊接變形是焊接構件經(jīng)局部加熱冷卻后產(chǎn)生的不可回復變形，包括縱向收縮、橫收縮、角變形、彎曲變形或扭曲變形等，通常是幾種變形的組合。

3.5.4減小焊接應力和焊接變形的措施1、設計上的措施（1）焊接位置的安排要合理；（2）焊縫尺寸要適當；（3）焊縫的數(shù)量宜少，且不宜過分集中；（4）應盡量避免兩條或三條焊縫垂直交叉；（5）盡量避免在母材厚度方向的收縮應力。鋼結(jié)構設計原理圖3.51減小焊接應力和焊接變形影響的設計措施(a)、(c)、(e)、(g)、(i)推薦；(b)、(d)、(f)、(h)、(j)不推薦鋼結(jié)構設計原理2、工藝上的措施（1）采用合理的施焊次序；（2）采用反變形；（3）對于小尺寸焊件，焊前預熱，或焊后回火加熱600℃左右，然后緩慢冷卻，可以部分消除焊接應力和焊接變形。也可采用剛性固定法將構件加以固定來限制焊接變形，但增加了焊接殘余應力。圖3.52合理的施焊次序(a)分段退焊；(b)沿厚度分層焊；(c)對角跳焊；(d)鋼板分塊拼接圖3.53焊接前反變形鋼結(jié)構設計原理☆規(guī)格：形式為大六角頭型，其代號用字母M與公稱直徑表示。常用M16、M20、M24?！盥菟ǖ呐帕校翰⒘小㈠e列。螺栓的排列要滿足以下三個方面的要求：

（1）受力要求：端距過小，端部撕裂；受壓，順內(nèi)力方向，中距過大，鼓曲。

（2）構造要求：螺栓間距不能太大，避免壓不緊潮氣進入導致腐蝕。

（3）施工要求：螺栓間距不能太近，滿足凈空要求，便于安裝。3.6

螺栓連接的構造3.6.1螺栓的排列鋼結(jié)構設計原理

《規(guī)范》制定出螺栓排列最大、最小容許距離（書中表3-4）,在型鋼上排列的螺栓還應符合各自線距和最大孔徑的要求（書中表3-5～3-7）。圖3.54鋼板的螺栓(鉚釘)排列(a)并列；(b)錯列鋼結(jié)構設計原理圖3.55型鋼的螺栓(鉚釘)排列鋼結(jié)構設計原理

1、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)不宜少于兩個；

2、直接承受動力荷載的普通螺栓受拉連接應采用雙螺帽或其他防止螺帽松動的有效措施；

3、由于C級螺栓與孔壁有較大間隙，只宜用于沿其桿軸方向受拉的連接。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C級螺栓受剪。

4、當采用高強螺栓連接時，拼接件不能采用型鋼，只能采用鋼板。(型鋼抗彎剛度大，不能保證摩擦面緊密結(jié)合)5、沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板，應適當增強其剛度，以減少撬力對螺栓抗拉承載力的不利影響。3.6.2螺栓連接的構造要求鋼結(jié)構設計原理

剪力螺栓（抗剪螺栓）：螺栓桿垂直于力線

按受力情況分為拉力螺栓（抗拉螺栓）：螺栓桿平行于力線既受剪又受拉的螺栓3.7

普通螺栓連接的工作性能和計算圖3.56普通螺栓連接鋼結(jié)構設計原理抗剪連接——板件之間有相互錯動的趨勢抗拉連接——板件之間有相互脫開的趨勢圖3.57抗剪連接與抗拉連接鋼結(jié)構設計原理☆普通螺栓按加工精度可分為：1.粗制螺栓（C級）優(yōu)點：安裝簡單，便于拆裝；缺點：螺桿與鋼板孔壁不夠緊密，傳遞剪力時，連接變形較大。宜用于承受拉力的連接中，或用于次要結(jié)構和可拆卸結(jié)構

的受剪連接及安裝時的臨時固定。2.精制螺栓（A、B級）優(yōu)點：受力性能好；缺點：安裝費時費工，且費用較高。目前建筑結(jié)構中已較少使用。鋼結(jié)構設計原理3.7.1普通螺栓的抗剪連接（受剪螺栓連接）1、抗剪連接的工作性能N圖3.58單個螺栓抗剪試驗結(jié)果高強度螺栓普通螺栓鋼結(jié)構設計原理從加載至破壞經(jīng)歷以下四個階段：（1）彈性階段（01段）

加載初，荷載小，連接中剪力小，荷載靠構件間接觸面的摩擦力傳遞，栓桿與孔壁之間的間隙保持不變。（2）滑移階段（12段）

剪力達到摩擦力最大值，板件間產(chǎn)生相對滑移，直至栓桿與孔壁接觸。（3）栓桿直接傳力的彈性階段

外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受擠壓傳遞，曲線上升，3點，螺栓或連接板達到彈性極限。（4）彈塑性階段

在此階段即使荷載增量很小，連接的剪切變形迅速加大，直至連接破壞。4點---極限荷載。鋼結(jié)構設計原理受剪螺栓的破壞形式

1）栓桿被剪斷2）鋼板被擠壓破壞（螺栓承壓破壞）3）鋼板被拉斷4）鋼板被剪壞

圖3.59抗剪螺栓連接的破壞形式鋼結(jié)構設計原理

針對以上破壞形式，應采取以下措施:

1）通過計算保證螺栓抗剪2）通過計算保證螺栓抗擠壓

3）通過計算保證板件有足夠的拉壓強度

4）螺栓端距≥2d

0——避免鋼板被拉豁鋼結(jié)構設計原理⑴抗剪承載力設計值nv---受剪面數(shù)目,單剪nv=1.0,

雙剪nv=2.0,四剪nv=4.0。d---螺栓桿直徑。NN2、單個普通螺栓抗剪連接的承載力N/2NN/2圖3.60抗剪螺栓連接鋼結(jié)構設計原理⑶單個螺栓承載力設計值⑵承壓承載力設計值∑t---同一受力方向承壓板較小總厚度。N/2N/2N圖3.61螺栓承壓鋼結(jié)構設計原理單個螺栓所受的力N1時，對承載力進行修正：所需螺栓數(shù)n:3、普通螺栓群抗剪連接⑴普通螺栓群軸心受剪圖3.62長接頭螺栓的內(nèi)力分布鋼結(jié)構設計原理

普通螺栓群軸心受剪的計算流程鋼結(jié)構設計原理[例3.5]設計兩塊鋼板用普通螺栓的蓋板拼接(圖3.60)。已知軸心拉力的設計值N=325kN，鋼材為Q235A，螺栓直徑d=20mm（粗制螺栓）。圖3.63例3.5圖鋼結(jié)構設計原理⑴受剪承載力設計值⑵承壓承載力設計值⑶一側(cè)所需螺栓數(shù)n:取8個。[解]：鋼結(jié)構設計原理假定：①板件絕對剛性；②螺栓彈性；

③扭矩作用下螺栓受力與螺栓到旋轉(zhuǎn)中心距離成正比。V=F(剪力)T=Fe(扭矩)滿足:⑵普通螺栓群偏心受剪圖3.64螺栓群偏心受剪鋼結(jié)構設計原理a)計算T作用下單個螺栓受力(N1=?)圖3.64螺栓群偏心受剪(c)鋼結(jié)構設計原理圖3.64螺栓群偏心受剪(c)圖3.61(c)螺栓1所承受的力為：鋼結(jié)構設計原理圖3.64螺栓群偏心受剪(c)受力最大的螺栓1所承受的力為：其分力為：鋼結(jié)構設計原理c)螺栓群偏心受剪:b)剪力V作用下：圖3.64螺栓群偏心受剪(b)圖3.64螺栓群偏心受剪(d)

螺栓群偏心受剪時,受力最大的螺栓1所受的合力為:鋼結(jié)構設計原理圖3.64螺栓群偏心受剪(e)圖3.64螺栓群偏心受剪(b)(1)當x>3y時,yi=0(2)當y>3x時,xi=0鋼結(jié)構設計原理

普通螺栓群偏心受剪的計算流程鋼結(jié)構設計原理[例3.6]設計圖3.62所示的普通螺栓拼接。柱翼緣厚度為10mm,連接板厚度為8mm,鋼材為Q235B,荷載設計值為F=150kN,偏心距為e=250mm,粗制螺栓M22。圖3.65例3.6圖[解]：將力向形心簡化鋼結(jié)構設計原理⑴扭矩作用下1號螺栓受力⑵剪力作用下1號螺栓受力鋼結(jié)構設計原理⑶1號螺栓受力⑷承載力驗算鋼結(jié)構設計原理工作性能:

①連接角鋼剛度大時

②連接角鋼剛度小時設計時不計算撬力，降低螺栓的強度。3.7.2普通螺栓的抗拉連接圖3.66受拉螺栓的撬力圖3.67T形連接中螺栓受拉取(a)(b)鋼結(jié)構設計原理de—螺栓的有效直徑；

—螺栓抗拉強度設計值;有效直徑凈直徑平均直徑最大直徑Ae—螺栓的有效面積。1、單個普通螺栓的抗拉連接圖3.68螺栓桿直徑鋼結(jié)構設計原理

n—螺栓數(shù)目。2、普通螺栓群軸心受拉(a)(b)圖3.69螺栓群承受軸心拉力鋼結(jié)構設計原理假設：螺栓受力與到旋轉(zhuǎn)中心距離成正比3、普通螺栓群彎矩受拉(a)(b)(c)(d)圖3.70普通螺栓彎矩受拉鋼結(jié)構設計原理圖3.70普通螺栓彎矩受拉(e)鋼結(jié)構設計原理[例3.7]牛腿用C級普通螺栓以及承托與柱連接，如圖3.68，承受豎向荷載（設計值）F=200kN，偏心距為e=200mm。試設計其螺栓連接。已知構件和螺栓均用Q235鋼材，螺栓為M20，孔徑21.5mm。圖3.71例3.7圖鋼結(jié)構設計原理

承托傳遞全部剪力V,彎矩由螺栓連接傳遞查表,M20（Ae=245mm2）單個螺栓最大拉力[解]：單個螺栓的抗拉承載力設計值滿足要求.鋼結(jié)構設計原理大小偏心判別4、普通螺栓群偏心受拉根據(jù)偏心距的大小可能出現(xiàn)小偏心受拉和大偏心受拉.圖3.72螺栓群偏心受拉鋼結(jié)構設計原理⑴、小偏心受拉⑵、大偏心受拉鋼結(jié)構設計原理[例3.8]

設圖3.70為一剛接屋架支座節(jié)點，豎向力由承托承受。螺栓為C級，只承受偏心拉力。設N=250kN，e=100mm。螺栓布置如圖3.70(a)所示。圖3.73例3.8、例3.9圖鋼結(jié)構設計原理螺栓有效截面的核心距：即偏心力作用在核心距以內(nèi)，屬小偏心受拉[圖3.70(c)].[解]：需要的有效面積：采用M20螺栓:鋼結(jié)構設計原理[例3.9]

同例3.8題，但取e＝200mm。

由于e＝200mm>117mm，應按大偏心受拉計算螺栓的最大拉力。假設螺栓直徑為M22(Ae=303mm2),并假定中和軸在上面第一排螺栓處，則以下螺栓均為受拉螺栓[圖3.70(d)].需要的螺栓有效面積：[解]鋼結(jié)構設計原理承壓承載力3.7.3普通螺栓受剪力和拉力的聯(lián)合作用圖3.74螺栓群受剪力和拉力聯(lián)合作用鋼結(jié)構設計原理[例3.10]設圖3.72為短橫梁與柱翼緣的連接，剪力V=250kN，e=120mm，螺栓為C級，梁端豎板下有承托。鋼材為Q235B，手工焊，焊條E43型，試按考慮承托傳遞全部剪力V以及不承受剪力V兩種情況設計此連接。圖3.75例3.109圖鋼結(jié)構設計原理1、承托傳遞全部剪力V,螺栓群受彎矩作用設螺栓為M20（Ae=245mm2），n=8（1）單個螺栓抗拉承載力（2）單個螺栓最大拉力（3）承托焊縫驗算hf=10mm[解]：鋼結(jié)構設計原理（2）一個螺栓受力（1）一個螺栓承載力2、不考慮承托傳遞剪力V（3）剪力和拉力聯(lián)合作用下鋼結(jié)構設計原理摩擦型：只靠摩擦阻力傳力,以剪力達到接觸面的摩擦力作為承載力極限狀態(tài)——設計準則（0～1）

承壓型：以作用剪力達到栓桿抗剪或孔壁承壓破壞為承載力極限狀態(tài)——設計準則（0～4）

3.8

高強度螺栓連接的工作性能和計算圖3.76單個螺栓抗剪試驗結(jié)果高強度螺栓普通螺栓3.8.1高強度螺栓連接的工作性能N鋼結(jié)構設計原理高強螺栓:分大六角頭型和扭剪型兩種。P1、高強度螺栓的預拉力圖3.77高強度螺栓(a)大六角頭型；(b)扭剪型鋼結(jié)構設計原理①扭矩法

使用一種能直接顯示所施加扭矩大小的定扭扳手，上緊螺栓分初擰和終擰兩個階段，初擰扭矩不得小于終擰扭矩的30％。終擰扭矩由試驗測定。②轉(zhuǎn)角法

初擰后,用電動或風動扳手擰螺母1/3～2/3圈,終擰角度與板疊厚度和螺栓直徑等有關,可測定。③扭斷螺栓尾部法

適用扭剪型高強度螺栓。用特制電動扳手的兩個套筒分別套住螺母和螺栓尾部（正、反轉(zhuǎn)），由于螺栓尾部槽口深度是按終擰扭矩和預拉力之間的關系確定，故所得預拉力值能得到保證。（1）預拉力的控制方法鋼結(jié)構設計原理

Ae–有效截面面積；fu---螺栓材料經(jīng)熱處理后的抗拉強度。0.9、0.9、0.9—材料不均勻性、彌補預拉力損失的超張拉、采用fu作標準值等。1.2—擰緊螺栓時產(chǎn)生的扭矩將降低栓桿的承載力。（2）預拉力的確定表3.4一個高強度螺栓的設計預拉力值（kN）鋼結(jié)構設計原理

摩擦面的粗糙程度有關，即與構件接觸面的處理方法和鋼號有關。

抗滑移系數(shù)值有隨被連接構件接觸面的壓緊力減小而降低的現(xiàn)象。表3.5摩擦面的抗滑移系數(shù)值2、高強度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)