第二章 钢结构连接

2
2
Nt Nv b b 1 Nt N v
孔壁挤压计算
Nv N
b c
第二章 钢结构连接
可通过加板托承受剪力，螺栓只受拉力
第二章 钢结构连接
5、算例： 验算牛腿螺栓连接，设计剪力V=200kN，偏心
e=150mm ，连接板及柱翼缘厚 t=20mm ， Q235B 钢材，采
第二章 钢结构连接
三、普通螺栓受拉性能
1、单个螺栓受拉破坏试验 螺杆受拉，连接板脱开，螺纹处拉断或连接板屈服 螺栓抗拉承载力设计值：
Ae为螺纹处有效截面面积，de为螺纹内径查书247页附录
ft
b
螺栓抗拉强度设计值
第二章 钢结构连接
Ae已列表
第二章 钢结构连接
2、螺栓群受拉
拉力均匀分布，螺栓个数
用10个M20C级螺栓，孔径f22，分别计算有承托和无承托 两种情况。
第二章 钢结构连接
解： 螺栓抗剪强度 板件承压强度 螺栓抗拉强度
fv 130 N/mm 2
b
fc 305N/mm2
ft 170 N/mm 2
b
b
(1)有承托板，螺栓群受弯矩M=Ve=200×0.15=30kNm 单个螺栓抗拉承载力
b
单剪
d 2
4
fv
b
双剪
Nv 2
b
d
4
2
fv
b
第二章 钢结构连接
fv
b
螺栓抗剪强度
第二章 钢结构连接
(2)孔壁挤压破坏：假设压应力沿直径均匀分布，计算平均压 应力
b N / d t fc
b
t
同一方向承压板 较小总厚度
孔壁挤压承载力
Nc dfc
fc
b
b
b
t
板件承压强度
摩擦型高强螺栓：仅由摩阻力传力。
承压型高强螺栓：由摩阻力和栓杆剪切、承压共同传力。
第二章 钢结构连接
(3)摩擦型连接—在承载能力极限状态最大剪力不能超过板
件间摩擦力。
(4)承压型连接—在承载能力极限状态允许滑动，但最大剪 力不能超过螺栓的抗剪承载力和孔壁的承压强度。 (5)高强度螺栓承载力高，变形小，传力可靠，多用于主承
Myj Nj 2 y i
i
计算受力最大的螺栓(最外排) N 1
My1 b Nt 2 m yi
i
第二章 钢结构连接
4、同时受拉受剪螺栓
螺栓所受拉力Nt和剪力Nv，试验得破坏近似相关方程
Nt Nv b b 1 Nt N v
螺栓计算
2 2
单个螺栓抗剪承载力
Nv
螺栓平均剪力
b
d
4
2
fv
b
20
4
2
130 41kN
Nv 200 / 10 20 kN
第二章 钢结构连接
螺栓最大拉力
My1 Nt 20kN 2 m yi
螺栓计算
Nt Nv 20 20 b b 0.68 1 Nt N v 41.6 41
(2)A级和 B级为精制螺栓，
螺杆、螺孔加工精度高， 制作安装复杂，螺栓等级 为 8.8 级。很少用，已被高 强度螺栓代替。
第二章 钢结构连接
(3)C级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大
1.5~2mm，制作安装方便，螺栓等级为4.6级和4.8级。 C级
螺栓变形大，多用于围护结构或次要结构连接。
b b
为折减系数
l1 1.1 0.7 150do
要求N≤Nb
第二章 钢结构连接
4、净截面抗拉强度计算 (1)开孔处破坏面(I，II，III)
(2)净截面积计算 螺栓并列排布：直线面积
An A n1dot (b n1do)t
第二章 钢结构连接
螺栓错列排布：锯齿净面积
孔壁承压计算
2
2
2
2
Nc dfc
满足要求。
b
b
t 20 305 20 122kN N
v
第二章 钢结构连接
第七节 高强度螺栓连接
一、高强度螺栓
1、螺栓类型 (1)高强度钢材制成。 (2)按材料强度分成8.8级和10.9级 (3)按传剪力方式分成摩擦型和承压型
第二章 钢结构连接
(4)小数点前为材料抗拉强度，小数点后为屈强比，刻在螺杆
头上。例4.8级表示抗拉强度400N/mm2，屈服强度320N/mm2。 (5)常用螺栓直径为d=16，20，24mm，用M表示，如M16
第二章 钢结构连接
2、螺栓符号 (1)普通螺栓，安装螺栓，高强度螺栓 (2)孔径do=d+1.5~2，用f表示，如孔径f22
节省连接板—最大间距和边(端)距 (2)保证受力要求：不过多削弱截面，最小间距和边(端)距 (3)保证使用要求：避免锈蚀和变形—最大间距和边(端)距
中距≥3d0 边距≥1.5 d0（切割边） ≥1.2 d0（轧成边） 端距≥2d0 （防止端部钢板冲剪破坏） 中距≤12 d0或18t(受压构件) ≤16 d0或24t(受拉构件) 端、边距≤4d0或8t
nN/N
b t
第二章 钢结构连接
3、螺栓群受弯 螺栓受拉，连接板受压，受拉区连接板脱开，螺栓面积小，拉 压平衡，受压区高度小。假设转动中和轴在最下排螺栓处。
第二章 钢结构连接
假设螺栓拉力三角形分布，大小与距转动中和轴距离成正比 弯矩平衡
M Ni yi
i
Ni N j yi yj
弯矩产生螺栓拉力
P j
单个螺栓剪力合成
Nv
N N
T 2 jx
P j
N
T 2 jy

min(Nc , Nv )
b
b
计算受剪力最大的螺栓
第二章 钢结构连接
算 例 ： 设 计 螺 栓 盖 板 拼 接 ， 设 计 拉 力 N=350kN ， 钢 材
Q345B( 或 16Mn) ，拼接板宽 b=360mm ，厚 t1=8mm ，采用
第二章 钢结构连接
3、螺栓群拼接 (1)螺栓群受拉，单个螺栓受剪 (2)螺栓非均匀受剪，连接较长时端部先破坏
第二章 钢结构连接
(3)假设l1≤15do时，剪力均匀分布，螺栓群抗剪承载力
Nb n min(Nc , Nv )
(4)假设l1>15do时，剪力非均匀分布，螺栓群抗剪承载力下降
b
b
Nb n min(Nc , Nv )
第二章 钢结构连接
2、降低结构刚度
先屈服区刚度为零，应变增加，变形增大
3、降低疲劳强度 4、低温冷脆
第二章 钢结构连接
三、焊接变形
不均匀收缩产生
（a）纵横向收缩（b）弯曲变形（c）角变形（d）波浪变形(e)扭曲变形
第二章 钢结构连接
四、控制焊接应力和变形
(1)焊缝均匀对称(a,c) (2)避免焊缝尺寸过大(e)
焊缝附近区受拉，焊缝区以外受压，
第二章 钢结构连接
2、横向焊接应力
纵向收缩产生反向变形—中间受拉，两端受压
先焊接限制后焊接变形—中间受压，两端受拉 应力叠加
第二章 钢结构连接
3、Z向焊接应力
表面先冷却限制内部收缩，内部受拉，表面受压
第二章 钢结构连接
二、焊接应力的影响
1、结构静力强度
自平衡应力，内外应力叠加，有焊接应力处先屈服，内力 重分布，最终全截面屈服，
(5)连接板厚，螺杆长，螺杆弯曲破坏（构造解决）
第二章 钢结构连接
2、单个螺栓抗剪承载力 (1)螺杆剪切破坏：假设剪应力均匀分布，计算平均剪应力
b d b N / A N / fv 4 2
第二章 钢结构连接
螺杆抗剪承载力
Nv nv
Nv
b
b
d
4
2
fv
M20C级螺栓，孔径f22。
第二章 钢结构连接
解： 螺栓抗剪强度 板件承压强度
fv 130 N/mm 2
b
fc 420N/mm2
f 315N/mm2
b
板件抗拉强度
(1)双盖板的厚度t2≥拼接板的厚度t1/2
取t2=6mm
(2)单个螺栓抗剪承载力 双剪
Nv 2
b
d
4
2
fv 2
An [2e1 (n2 1) a2 e2 n2do]t
计算净截面强度
N n f An
第二章 钢结构连接
5、螺栓群牛腿 (1)螺栓群受扭(扭矩T=Pe)、受剪(剪力N=P)，单个螺栓受剪 (2)假设扭矩使连接板绕螺栓群形心o转动，扭矩产生的剪力NTi 与螺栓至形心距ri成正比
b
20
4
2
130 81.7kN
第二章 钢结构连接
(3)孔壁承压 N b df b c c
t 20 420 8 67.2kN
(4)所需螺栓数n=350/67.3 =5.2个 (5)6个螺栓3排布置，间距100，端距60，边距80
第二章 钢结构连接
(6)连接长度验算l1=15do=15×22 =330>100 (7)拼接净截面积An=(360 - 3×22 )×8 =2352mm2 净截面拉应力n=350000/2352=149N/mm2<f 毛截面拉应力=350000/(360×8) =121N/mm2
第二章 钢结构连接
(2)扭矩平衡
T NT r i i
i T NT N j i ri rj
扭矩产生螺栓剪力
Trj N 2 r i
T j i
分量
NT jx
T NT y N j j j xj T , Njy rj rj
第二章 钢结构连接
(3)剪力P在螺栓群中均匀分配
P N n
Ae 245mm2 b b Nt Aeft 245170 41.6kN
第二章 钢结构连接
螺栓最大拉力
My1 30106 400 b Nt 20kN Nt 2 2 2 2 2 m yi 2 (400 300 200 100 )
(2)无承托板，螺栓受拉受剪
重受力构件连接。
(6)高强度螺栓的排布要求与普通螺栓相同，螺孔直径比螺 杆直径大1.5~2mm，也用M表示。
第二章 钢结构连接
3、紧固方法与预拉力P (1)高强度螺栓的预拉力是通过拧紧螺帽实现的。扭矩法，转 角法和扭剪法，分成初拧和终拧两步完成，保证拉力均匀。
第二章 钢结构连接
(2)扭矩法—专用扭矩板手，标定预拉力和扭矩之间的关系， 通过施加一定扭矩达到预拉力，大六角螺栓。 (3)转角法—手动扳手初拧后，再转动一定角度达到预拉力， 大六角螺栓。
(4)按施工方式分成大六角头和扭剪型
第二章 钢结构连接
2、受力机理 (1)高强度螺栓可以传递剪力和拉力 (2)高强度螺栓通过施加预拉力使连接板之间产生预压力， 接触面上有摩擦力，依靠摩擦力传递剪力
第二章 钢结构连接
高强螺栓与普通螺栓抗剪受力区别 • • 普通螺栓：靠栓杆承压和抗剪传递剪力 高强螺栓：摩阻力来传力。
(3)避免焊缝集中(g)
(4)尽量避免在母材厚度方向的收缩应力(i)
第二章 钢结构连接
(5)采用合理的焊接次序：分段退焊、沿厚度分层焊、
对角跳焊、钢板分块拼接
(6)焊后校直 (7)焊前预热、焊后热处理 (8)钢板不易过薄t>4mm
第二章 钢结构连接
第六节 普通螺栓连接
一、普通螺栓
1、螺栓类型 (1)A级、B级和C级三种
第二章 钢结构连接
第二章 钢结构连接
5、螺栓连接受力 (1)连接可传递弯矩、剪力和轴力，单个螺栓只能受拉或受剪 (2)受剪螺栓—作用力与螺杆垂直，受拉螺栓—作用力与螺杆平 行
第二章 钢结构连接
• 连接类型
按受力情况：抗剪连接
抗拉连接
抗拉与抗剪组合连接
受剪螺栓—作用力与螺杆垂直 受拉螺栓—作用力与螺杆平行
(3)设计说明：螺栓类型，等级，直径，孔径
永久螺栓
安装螺栓
高强度螺栓
圆形螺栓孔
椭圆形螺栓孔
第二章 钢结构连接
3、螺栓排布 (1)并列和错列：规则、统一、紧凑 (2)排布参数：端距，边距，间距 (3)排布尺寸要求：考虑安装，受力
(4)至少要有两个受力螺栓
第二章 钢结构连接
4、最大、最小尺寸要求
(1)保证安装要求：用扳手拧紧螺帽—最小间距，
第二章 钢结构连接
二、普通螺栓受剪性能
1、单个螺栓受剪破坏试验wenku.baidu.com
摩擦传力 (0-1) ，滑移 (1-2) ，螺杆传力 (2-3) ，弹 塑性破坏
第二章 钢结构连接
(1)螺栓直径小，连接板厚，螺杆剪切破坏 (2)螺栓直径大，连接板薄，孔壁挤压破坏 (3)螺栓孔径大，连接板削弱多，连接板受拉破坏 (4)连接板端距小，冲剪破坏（构造解决，端距≥2d0）
第二章 钢结构连接
第五节 焊接应力与变形
一、焊接应力的产生
焊接应力 暂时应力：只在焊接过程中，一定的温度情况下存在，冷却至常 温时，即行消失。 残余应力：焊件冷缩后残留在焊件中的应力，又称收缩应力。 残余应力是一种在结构体系内自相平衡的力。
第二章 钢结构连接
1、纵向焊接应力
焊接高温焊缝周围产生塑性压缩，冷却时收缩受到限制，