钢结构基础知识教程

第七节 高强度螺栓连接
一、概述
按受力特性分：摩擦型与承压型 抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；
承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏 为承载力极限状态（同普通螺栓）。受拉时两者无区别。 高强螺栓采用Ⅱ级孔，便于施工。 受传力机理的要求，构造上除连接板的边、端距≥1.5d0外 其它同普通螺栓。 高强螺栓的材料与强度等级 由高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。 ➢ 10.9级一般为20MnTiB、40Cr等材料，fu≥1000N/mm2， fu/fy≥0.9；8.8级一般为45＃钢制成， fu≥800N/mm2， fu/fy≥0.8。
高强螺栓的预拉力（P85表3.9）
P
0.9 0.9 0.9 fu Ae 1.2
0.6075 fu Ae
二、摩擦型高强螺栓连接计算
受剪连接计算
一个螺栓抗剪承载力
N
b V
0.9nf
μ
P
连接所需螺栓数
N
n
N
b V
净截面强度：考虑50％孔前传力
σ＝ N , ＝（1 0.5 n1 ）N f
2. 一般承重结构应有fu、fy、δ5以及C（ ≤0.22%）、
S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接 承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C≤0.2%）； 承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据
具体情况增加对αk的不同要求。
第六节 普通螺栓的连接
一、普通螺栓的连接构造 螺栓的规格与表示
钢结构一般选用C级（粗制）六角螺母螺栓，标识用M和 工程直径（mm）表示，例如M16、M20等
螺栓的排列
螺栓的各距应满足规定的要求（P71~72，表3.5~8）
二、受力性能与计算
1、受力分类
螺栓根据作用不同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及 剪拉共同作用
2、受剪连接 受力性能与破坏形式 五种破坏形式
受力特性：沿受力方向，受力分配不均，两端大中间小，
在一定范围内，靠塑变可以均布内力，过大时，设计计算
时仍按均布，但强度需乘折减系数β，当l1≥15d0时：
β 1.1 l1 0.7 150d0
当l1≥60d0时β＝0.7
连接所需螺栓数量：
n
N
N
b min
连接板净截面强度
σ＝ N f An
扭矩、轴力及剪力共同作用受剪螺栓群计算
• Si：含Si适量使强度↑ 其它影响不大，有益，应控制≤0.1~0.3% • Mn：含Si适量使强度↑ 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，
对其它性能影响不大，有益。 • S：含量↑使强度↑塑性、韧性、性能冷弯、可焊性↓；
高温时使钢材变脆－热脆现象。 • P：低温时使钢材变脆－冷脆现象；其它同S • O、N：O同S；N同P，控制含量≤0.008%
第三节 钢结构的发展
我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使 现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有 相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。
97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发 展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求 扩大钢结构住宅的市场占有率。
96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结 构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用” 变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。
扭矩作用： T
N1T
r1
N2T
r2
N
T n
rn
N1T
N
T 2
N
T n
r1
r2
rn
N1Tx
T x1 xi2 yi2
N1Tx
T x1 xi2 yi2
轴力及剪力作用
N1Nx
N n
N1Vx
V n
轴力扭矩共同作用下最大受力螺栓
N TNV 1
( N1Tx
N1Nx )2
(N1Ty
N1Vy )2
二、钢结构的应用
1、重型结构及大跨度建筑结构； 2、多层、高层及超高层建筑结构； 3、轻钢结构； 4、塔桅等高耸结构； 5、钢－混凝土组合结构。
第二节 钢结构的设计原理与方法
结构设计首层规范《建筑结构可靠度设计统一标准》 （GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为 基础的极限状态设计方法分析确定。
Nt
N
b t
0.8P
三、承压型高强螺栓连接
受力性能同普通螺栓，拉剪作用时以栓杆抗剪及孔壁 承压承力；受拉同摩擦型，计算公式总结如表3.11。
本章重点
1、角焊缝的构造与计算； 2、焊接残余应力与变形的产生机理与影响； 2、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理； 3、高强螺栓连接的构造与计算。
3、冷作硬化与时效硬化
• 由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性 下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。
• 冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生 塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。
• 钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形 成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之 为时效硬化。
An
n An
受拉连接高强螺栓计算
由于高强螺栓的基本承载力为摩擦力，而摩擦力预正压力有 关，为保证板件间保留一定的压紧力《规范》规定:
N
b t
0.8P
受弯连接结算（形心轴在中排）
N
M t
M y1 m yi2
N
b t
0.8P
拉、剪共同作用连接计算
V 0.9n fμ(P 1.25Nt )
6、温度的影响
温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。
正温影响（P27，图2.11）
• 总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧 性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时， 钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进 行热加工，此温度称之为热煅温度。
• 需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性 下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。 钢材在300o以上时应采取隔热措施。
二、建筑结构用钢的选择
1. 钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强
度fu、屈服强度fy、伸长率δ5（δ10）、冷弯180o 及冲击韧性αk，化学成分C、S、P等的极限含量，
以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的 重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、工作 温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。
N5N
N n
• 大偏心:
N
M min
M y5 m yi2
N5N
N n
N1
F n
Fey1 m yi2
(
Fey1, m yi,2
)
拉剪共同作用螺栓连接计算
NV
N
b V
2
Nt
N
b t
2
1
NV
V n
N
b C
NV
F n
Nt
Fey1 m yi2
注：此类连接因无支托板，一般应考虑精制螺栓连接，以减 少连接变形。
● 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑 结构用钢来说，主要有三方面的要求。
1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小， 结构的自重轻；
2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破 坏；韧性好，利于承受动力荷载；
3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯 性能以及耐腐性能；
● 据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003 推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的 Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390 和Q420钢四种钢材。
第二节 钢材的主要机械性能
一、单向拉伸试验曲线
根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能
按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。
二、钢材的主要机械性能
1. 强度：fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大
承载强度，安全储备。 2. 塑性－δ5（δ10），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂
4、复杂应力与应力集中的影响
• 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向 的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应 力场时则相反。
• 钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而 使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增 大并多为同号应力场。
5、残余应力的影响
• 钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自 相平衡的内力（P26,图2.10）,残余应力虽对构件的强 度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承 载力产生不利影响（后续章节中将详细介绍）。
2、冶金与轧制的影响
• 冶时间金间慢的快，影，价响价格主格高要 低 ，为，质脱质量氧量好方差。法；：镇沸静腾钢钢用用Si为M脱n为氧脱剂氧，剂时， • 反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中
的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密 实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性 能提高。
当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人 才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业 的发展，已成为建筑业发展的重要任务。
第二章 建筑钢材
第一节 建筑结构用钢的基本要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 建筑结构用钢的种类及选择
第一节 建筑结构用钢的基本要求
Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”； 质量等级：分A~E五级（字序越高质量越好）； 脱氧方法：F－沸腾钢；Z－镇静钢（一般省略）；
b－半镇静钢；TZ－特殊镇静钢。 注：炭素结构钢分：A、B、C、D 四级，含所有脱氧方法；
低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢 和特殊镇静钢。 如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235及 低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。
➢ 螺栓受剪破坏 ➢ 孔壁挤压破坏 ➢ 连接板净截面破坏 ➢ 螺栓受弯破坏 ➢ 连接板冲剪破坏
t 5d
e 2d
t 5d
单个受剪螺栓的承载力计算
螺栓抗剪：
N
b V
nV
πd 2 4
f
b V
孔壁承压： NCb d
t
fLeabharlann Baidu
b C
最大承载力： NV
Nb min
min
N
b V
;
N
b C
轴力作用受剪螺栓群的连接计算
第三节 影响钢材性能的主要因素
1、化学成份 2、冶金及轧制 3、冷作硬化与时效硬化 4、复杂应力与应力集中 5、残余应力 6、温度
1、化学成份的影响
基本成份为Fe，炭钢中含量占99％，C、Si、Mn为杂质元 素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。
• C：含C↑使强度↑塑性、韧性、可焊性↓，应控制在≤0.22%，焊 接结构应控制在≤0.20%。
钢 结构
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
概述 建筑钢材 钢结构的连接 轴心受力构件 梁（受弯构件） 拉弯与压弯构件
第一章 绪 论
第一节 钢结构的特点与应用 第二节 钢结构的设计原理与方法 第三节 钢结构的发展
第一节 钢结构的特点及应用
一、钢结构的特点
1、强度高、强重比大；塑性、韧性好； 2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高； 3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快； 4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。
负温影响（P27，图2.12）
• 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆 性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时 钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。
第四节 建筑结构用钢的种类与选择
一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类
钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法” 四部分组成。
钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求， 采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限 状态设j计方法。
极限状态设计方法，在前序课程（如钢混结构、地基 与基础等），对此以作详细介绍，此课就不再讲述， 认真进行复习。
通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的 基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强 度的标准值与设计值。
的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。 3. 冷弯性能－90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形
时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质 量的综合指标。
4. 韧性－冲击韧性αk，钢材在一定温度下塑变及断裂过
程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的 能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o） 、负 温（-20o、-40o）区分 。 5. 可焊性－表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能 力－不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。
N
b min
受拉螺栓连接
受力性能与承载力
N
b t
1πd 4
2 e
f
b t
Nt
N n
N
b t
受弯矩作用螺栓连接计算
M m
N1M y1 N M2
N
M n
N1M
N
M 2
N
M n
y1
y2
yn
N1M
M m
y1 yi2
N
b t
M、N共同作用（偏心受拉）螺栓计算
•
小偏心：
N
M min
M y5 m yi2