现代钢桥--钢桥连接

授课老师：钢桥连接内容一、钢桥的连接方式二、焊缝连接三、角焊缝的设计与计算四、高强螺栓连接一、钢桥的连接方式钢桥中部件的连接方式焊接螺栓连接铆钉连接接焊接1优点焊接刚度较大，密封性较好对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便使用1一般不需要附加连接板、连接角钢等零件2一般不需要在钢材上开孔，不使截面受削弱3缺点焊接塑性和韧性较差，脆性较大，疲劳强度较低焊接附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆1焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能2焊接可能出现气孔、夹渣、咬边、弧坑裂纹、根部收缩、接头不良等，影响结构疲劳强度3优点缺点螺栓连接2连接类型拧紧方式传力方式普通螺栓普通扳手通过螺杆受剪力和杆件孔壁承受压力传力或螺杆受拉传力高强螺栓特制的、能控制扭矩或螺栓拉力的扳手通过部件接触间的摩擦力传力或被连接板件间的预压力传力优点普通螺栓便于拆卸。适用于需要装拆的结构连接和临时性连接。高强螺栓强度高、对螺孔加工精度要求较低、连接构件间不宜产生滑动、刚度大。适合构件间的工地现场安装连接。安装方便，特别适用于工地安装连接12缺点需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量螺栓孔会削弱构件截面被连接板件需要互相搭接或另加角钢或拼接板等连接件，多费钢材123（1）普通螺栓连接螺栓等级钢材牌号尺寸优点缺点使用范围A级45号钢或35号钢直径d≤24mm,长度l≤150mm和10d加工精度高、尺寸准确和杆壁接触紧密；可承受较大的剪力、拉力；抗疲劳性能较好；连接变形较小制造、安装较费工，价格昂贵在钢桥中很少采用B级直径d24mm,长度l150mm和10dC级Q235BF尺寸不很准确，孔径比螺栓直径大1~2mm结构装配和螺栓装拆方便，比较适用于承受拉力受剪性能较差，各个螺栓受力较不均匀承受拉力的安装螺栓连接、次要结构和可拆卸结构的受剪性能、安装时的临时连接（2）高强螺栓连接螺栓类型尺寸抵抗外载方式设计强度标准优点缺点摩擦型孔径比螺栓直径大1.5~2mm螺栓拧紧力所提供的摩擦力。产生急剧变形（主滑动）时的荷载整体性和刚度好、变形小、受力可靠、耐疲劳螺栓的高强度没被充分利用承压型孔径比螺栓直径大1~1.5mm被连接板件间的预压力杆身剪切或孔壁承压破坏时的荷载作为连接受剪的极限承载力螺栓的高强度得到充分利用，设计承载力摩擦型整体性和刚度差，变形大根据高强螺栓的设计破坏判断标准对高强螺栓进行分类铆钉连接3预制铆钉杆径比孔径小1~1.5mm。优点：铆钉连接的塑性、韧性和整体性好；连接变形小；传力可靠；承受动力荷载时的疲劳性能好；缺点：铆钉连接的构造复杂，用钢量大，施工麻烦，打铆时噪声大。使用情况：早期钢桥的主要连接形式，目前已很少采用，已被焊接或高强螺栓连接取代。1二、焊缝连接分类按焊体钢材的连接方式进行分类对接接头搭接接头T形接头角接接头按焊缝本身的构造进行分类角焊缝全熔透坡口焊缝部分熔透坡口焊缝角焊缝的截面形式普通形（凸形）等边凹形平坡凸形各种焊缝的特点、适用范围角焊缝：主要用于应力方向平行于焊缝轴线（侧焊缝）的情况全熔透焊缝：主要用于钢板对接和焊缝受拉应力时部分熔透焊缝：在钢桥中较少采用。在斜拉桥、悬索桥的钢塔中，板件全断面受压，并且板厚很大不宜完全焊透时采用坡口焊缝的各种形式直边缝（Ⅰ形）V形K形单边V形X形U形单边U形按焊缝施焊时的姿态进行分类平焊横焊立焊仰焊三、角焊缝的设计与计算1角焊缝的布置和受力性能按受力方向对角焊缝进行分类侧角焊缝端角焊缝（正面角焊缝）斜向角焊缝周围角焊缝角焊缝垂直于受力方向角焊缝倾斜于受力方向几个方向混合使用的角焊缝角焊缝平行于受力方向斜向角焊缝NN各类角焊缝的受力性能侧角焊缝主要承受剪力，应力状态比端角焊缝单纯ff弹性受力阶段塑性受力阶段侧角焊缝塑性较好，受力增大进入塑性状态时，剪应力分布将渐趋均匀，破坏时可按全长均匀受力考虑0.7efhhfh侧面角焊缝的剪切破坏位置端角焊缝（正面角焊缝）角焊缝垂直于受力方向沿焊缝长度的应力分布较均匀f在两个焊脚和有效厚度面上有复杂和不均匀的正应力和剪应力，应力集中严重在焊缝根部有很大的高峰正应力端角焊缝的破坏位置：焊脚或有效厚度面，属于正应力和剪应力的综合破坏端角焊缝的刚度较大，变形较小，塑性较差，性质较脆，疲劳强度低，不适用于对疲劳要求较高的钢桥连接。斜向角焊缝周围角焊缝角焊缝倾斜于受力方向几个方向混合使用的角焊缝常用在杆件倾斜相交的情况，受力方向和焊缝轴线成倾斜角度，应力情况复杂，受力性能介于侧角焊缝和端角焊缝之间。把板件交搭处的所有交搭线尽可能多地加以焊接，成为开口或封闭的周围角焊缝。封闭的周围角焊缝2角焊缝尺寸的构造要求两个主要尺寸实际长度焊脚尺寸：焊缝计算长度：fhwllt板厚《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》角焊缝的焊脚尺寸：maxminmaxmin1.51.2::fthttt较厚焊件厚度，较薄焊件厚度，单位mm焊件边缘的角焊缝：如果焊件边缘的厚度为1t11116(1~2)6ffhtthttmmmmmm角焊缝两焊脚的夹角一般为90°，夹角120°或60°的斜角焊缝不宜用作受力焊缝《钢结构设计规范》的一些有关规定角焊缝的焊脚尺寸角焊缝的最小计算长度侧面角焊缝的最大计算长度搭接连接中的搭接长度次要构件或次要焊缝连接中断续角焊缝的应用及规定角焊缝连接的计算3按照《钢结构设计规范》规定的角焊缝设计方法进行计算认为直角角焊缝的破坏总是沿其最小截面，即45°方向的有效截面有效截面上的应力状态：ABCDwlfffnztNzNtNnN0.7nfetfeewfwezfeNANAhlhlANA将三个应力fff、、近似采用折算应力feq表达22233wfeqfffftf焊缝熔敷金属抗拉强度设计值四、高强螺栓连接高强螺栓连接的构造1螺栓的直径与孔径粗制、精制、高强螺栓等钢种、直径、孔径等同一结构中同类型螺栓宜采用一种统一规格当结构螺栓数众多且各部分杆件截面和受力相差较大时，可考虑用2~3种螺栓直径标准螺栓直径为M12、14、16、18、20、22、24、27、30mm。常用考虑螺纹对螺栓杆截面的削弱，受拉时一般按螺纹处的有效截面面积2:4eeedAd螺栓有效直径，参见表2-5-1螺栓的长度高强度螺栓的长度应为紧固连接板厚度加上一个螺母和螺栓连接副垫圈的厚度。按下式计算，并取5mm的整倍数3ltllmnSptlmnSp连接板层总厚度附加长度。当高强螺栓公称直径确定后，可查表2-5-2高强度螺母公称厚度垫圈个数高强度垫圈公称厚度螺纹螺距螺栓的排列和间距0d为孔径为外层较薄板件的厚度mint02d03d03d端距中距边距两种情况01.5d02d切割边或高强度螺栓普通螺栓或铆钉、轧制边并列错列0minmin12,18dt0minmin16,24dt构件受压力构件受拉力内排和有边缘型钢外排的中距0minmin8,12dt外排中距0minmin4,8dt边距端距高强螺栓的受力性能和承载力2摩擦型高强螺栓（1）抗剪性能和承载力需要计算一个螺栓的抗剪承载力设计值（2）抗拉性能和承载力需要计算一个螺栓的抗拉承载力设计值（3）同时抗剪和抗拉的承载力需要计算一个螺栓同时承受拉力和剪力时的抗剪承载力设计值外拉力使构件接触面的夹紧力降低，直接降低了摩擦力，因而高强螺栓的抗剪承载力降低受剪受拉承压型高强螺栓（1）抗剪性能和承载力需要计算一个螺栓的抗剪承载力设计值（2）抗拉性能和承载力需要计算一个螺栓的抗拉承载力设计值，计算方法与摩擦型相同（3）同时抗剪和抗拉的承载力需要计算一个螺栓同时承受拉力和剪力时的承载力设计值规范规定，承压型高强螺栓只适用于承受静力或间接动力荷载结构中的连接高强螺栓连接的设计计算3螺栓的直径和数量，根据接头承载力的要求确定。根据接头设计承载力的不同要求，有全承载力、最小承载力、综合承载力三种设计方法全承载力设计方法（全强设计法）要求接头的设计承载力≥母材构件的承载力。受压构件的连接，上述能满足。受拉构件的连接，接头的设计承载力母材构件的承载力。当母材构件的实际应力很小时，此法很不经济。最小承载力设计方法要求接头的设计承载力≥杆件实际承受的荷载大小。此法最为经济。当母材构件的实际应力很小时，接头承载力有可能与母材构件的承载力相差悬殊，接头成为整体构件的薄弱点，对构件整体受力产生不利影响。综合承载力设计方法既不使得接头承载力降低过多，又不过分追求接头承载力。此法同时考虑母材构件的承载力和构件的实际受力大小，综合确定接头承载力。美国AASHTO规定：构件实际受力构件承载力的75%时，接头承载力按母材构件承载力的75%设计；构件实际受力≥构件承载力的75%时，接头承载力按母材构件承载力与实际受力的平均值设计。我国《铁路桥梁钢结构设计规范》规定（1）主桁杆件及板梁翼板用高强螺栓或铆接时，其螺栓数量应按连接杆件的承载力计算，即：主桁杆件及板梁翼板的连接强度≥被连接杆件的承载力。全承载力设计方法（全强设计法）（2）桁梁腹杆，当内力较小、由构造要求的最小截面控制设计时，其螺栓数量可按1.1倍的杆件内力与75%的杆件净截面积强度的较大值进行计算。综合承载力设计方法（3）板梁腹板螺栓群的强度≥拼接处腹板净截面抗弯强度与该处最大剪力的组合强度。即：对于弯矩来讲，按腹板的全强设计；对于剪力来讲，按拼接所在位置的最大剪力考虑。钢桥典型受力构件的摩擦型高强螺栓连接的设计计算（1）轴心受力构件的高强螺栓连接0.9bvfNnP101100101.0151.115601500.760ldllddld钢桥中，代表性的轴心受力构件主要有：桁架杆件、主梁横向联系平联构件、各种横撑与斜撑构件、两端铰接的柱受力较大的钢桥构件连接，通常需要采用多根螺栓的螺栓群；受力较小时，往往采用角钢、T型钢、槽钢等型钢结构。接头设计必须考虑螺栓群各螺栓受力的不均匀性和接头偏心的影响。123受力方向的连接长度为1l，高强螺栓承载力为：4，孔径为0dN/2N/2N1l00.250.50.751.02040608010/ld长连接抗剪螺栓的强度折减系数我国规范欧洲规范试验曲线长接头螺栓假设杆件截面积为A，轴向应力为，母材的容许应力为高强螺栓的根数m可按下式计算：5单根螺栓的单面摩擦承载力传力摩擦面数目全承载力设计法：bfvAmnN最小承载力设计法：bfvAmnN（2）弯剪受力构件的高强螺栓连接弯剪受力构件的高强螺栓连接计算：钢梁桥中较为典型的弯剪受力构件：主梁、横梁12翼板的螺栓数量计算与拼接板厚与尺寸的设计腹板的螺栓数量计算与拼接板厚与尺寸的设计全承载力设计方法（全强设计法）板梁翼板的连接螺栓数量应按连接杆件的承载力计算，即：主桁杆件及板梁翼板的连接强度≥被连接杆件的承载力翼板连接的拼接板设计时，应该使得拼接板的净面积比被拼接部分翼板净面积大10%拼接板布置于翼板两侧（高强螺栓为双面摩擦n=2），在有腹板或加劲肋的一侧，拼接板可分为多块，在翼板外侧通常做成与翼板同宽单块拼接板全承载力设计法：最小承载力设计法：ffbfvbtmnNffbfvbtmnN单根螺栓的单面摩擦承载力传力摩擦面数目高强螺栓的根数m可按下式计算：假设翼板的宽度×厚度=ffbt，母材的容许应力为，弯曲应力为板梁腹板螺栓群的强度≥拼接处腹板净截面抗弯强度与该处最大剪力的组合强度对于弯矩来讲，按腹板的全强设计；对于剪力来讲，按拼接所在位置的最大剪力考虑。拼接板应该对称布置于腹板的两侧；拼接板的总厚度应大于被拼接腹板的厚度；拼接板的净面积抵抗矩应该大于被拼接腹板的净面积抵抗矩。腹板的螺栓数量计算与拼接板厚与尺寸的设计例题45205201234302400230052024012411159根据我国《铁路桥梁钢