[PPT]钢结构设计原理之钢结构的连接和节点构造

第7章钢结构的连接和节点构造7.1钢结构对连接的要求及连接方法设计时，在选用合理的连接方式时，应考虑以下问题：1、连接设计与结构内力分析时的假定相一致；2、连接设计应选择最不利的荷载工况；3、传力直接、明确，避免应力集中；4、节点的变形协调；5、避免偏心的影响；6、连接的方式应避免在结构中产生过大的残余应力；7、利用厚钢板时，应避免层间撕裂；8、连接的构造简单，便于施工。钢结构的连接分类：冶金连接——焊接连接；铆钉连接机械连接——普通螺栓螺栓连接高强度螺栓焊接连接20世纪20年代发展起来的，是现代钢结构最主要的连接方式。优点：构造简单，加工方便，节省钢材。而且能实现自动化操作，生产效率较高。缺点：焊缝质量易受材料操作的影响，因此对钢材材质要求较高（主要是含碳量），焊接时构件内有残余应力和残余变形，且宜产生裂缝，给疲劳破坏带来隐患。所以，对直接承受动力荷载的结构不宜采用。铆钉连接优点：传力可靠，连接的韧性和塑性较好，质量易于检查。缺点：用钢量大、施工较复杂。在土木工程中很少采用，主要用在飞机制造业。普通螺栓按性能等级分：3.6，4.6，4.8，5.6，5.8，6.8，8.8级。含义：以“4.6”为例：按制作精度分：A、B级和C级。1、A、B级——精制螺栓，栓杆由车床加工而成，表面光滑，尺寸准确，要求螺栓孔为I类孔，允许偏差为0.18～0.25mm。2、C级——粗制螺栓，要求螺栓孔为II类孔，允许偏差为1.5～2.0mm。应用范围：承受拉力的安装连接；可拆卸结构的连接；安装时构件的临时固定。高强度螺栓按性能等级分：8.8级、10.9级、12.9级从外形上分：1、大六角头螺栓(见图1）：连接副：一个螺栓、一个螺母、二个垫圈。有8.8级、10.9级。2、扭剪型螺栓（见图2）：连接副：一个螺栓、一个螺母、一个垫圈。有8.8级、10.9级。按受力状况分：1、摩擦型连接：预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力，外力通过摩擦力来传递。板件之间不允许产生滑移。2、承压型连接：板件之间允许产生滑移。7.2焊接连接的特性一、焊接方法电弧焊电阻焊气体保护焊1.手工电弧焊A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500--5518)Q345钢选择E50型焊条(E5000--5048)不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；Q235钢选择E43型焊条（E4300--E4328)B、优、缺点2.埋弧焊（自动或半自动）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件埋弧自动焊A、焊丝的选择应与焊件等强度。B、优、缺点：优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限等。送丝器机器Q235的焊件——H08、H08A焊丝Q345的焊件——H08A、H08MnA、H10Mn2Q345的焊件——H08MnA、H10Mn2自动焊的焊缝质量均匀，塑性好，冲击韧性高，抗腐蚀性强。半自动焊除人工操作前进外，其余与自动焊相同。适用于焊接受力构件，如：焊接截面中腹板与翼缘的连接等。3.气体保护焊优、缺点：优点：焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制等。4、电阻焊利用电流通过焊件接触点表面产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢（厚度低于3.5mm）的焊接；板叠厚度不超过12mm的焊接。二、焊缝连接的优缺点优点：（1）不需要在钢材上打孔钻眼，既省工省时，又不使材料的截面积受到减弱（2）任何形状的构件都可直接连接，一般不需要辅助零件，使连接构造简单，传力路线短，适应面广；（3）焊接连接的气密性和水密性都较好，结构刚性也较大，结构的整体性较好。缺点：（1）由于高温作用在焊缝附近形成热影响区材质变脆；（2）焊接的残余应力会使结构发生脆性破坏和降低压杆稳定的临界荷载，同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化；（3）焊接结构具有连续性，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。三、焊缝缺陷及焊缝质量检查1.焊缝缺陷2.焊缝质量检查外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷。内部检验主要采用超声波，有时还用磁粉检验荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线或γ射线透照或拍片。《钢结构工程施工及验收规范》规定：焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。《钢结构设计规范》（GB50017--2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：(1)需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。3.焊缝质量等级及选用(2)在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。（３）重级工作制和起重量Ｑ＞５０ｔ的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的Ｔ形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。（４）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Ｑ＞５０ｔ的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。注：一、二级焊缝用于等强连接，其焊缝的拉、压、弯时与母材相等，不必计算焊缝的强度。三级焊缝一般只能达到母材强度的85%，应进行验算。若为高空施焊，焊缝强度设计值应乘折减系数0.9。1.焊接连接形式搭接角部连接对接T型连接四、焊缝连接型式及焊缝型式2.焊缝形式（1）对接焊缝正对接焊缝（2）角焊缝T型对接焊缝斜对接焊缝对接焊缝角焊缝3.焊缝位置4.焊缝代号焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头的斜线组成。1、对接焊缝的坡口形式:一、对接焊缝的构造要求对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。t--焊件厚度(1)当:t6mm(手工焊),t10mm(埋弧焊)时可不做坡口,采用直边缝;(2)t=7~20mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;(3)t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。7.3对接焊缝的构造和计算C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）2、不同板厚与板宽的对接：当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。若板厚相差不大于4mm，则可不做斜坡。3、加引弧板对接焊缝的起点和终点，常因不能熔透而出现凹形的焊口，受力后易出现裂缝及应力集中。为消除这种不利情况，施焊时常将焊缝两端施焊至引弧板上，然后再将多余的部分割掉，并用砂轮将表面磨平。在工厂焊接时可采用引弧板，在工地焊接时，除了受动力荷载的结构外，一般不用引弧板，而是计算时扣除焊缝两端各t（连接件较小厚度）长度。4、T形连接5、钢板拼接焊缝对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。计算时对焊缝截面的应力进行分析，应力为弹性阶段。二、对接焊缝的计算NNt1、轴心力作用下的对接焊缝计算wwtcwNfflt或式中：N—轴心拉力或压力；t—板件较小厚度；ftw、fcw—对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。NNlwtA当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。wvwwcwtwftlNfftlNcossin或另:当tanθ≤1.5时,不用验算!NNtBθNsinθNcosθ2、M、V共同作用下的对接焊缝计算max26wtwwMMfWltmax32wwVwwVSVfItlt因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：故其强度计算公式为：（1）板件间对接连接AστlwtMVlwt（2）工字形截面梁对接连接计算MVA、对于焊缝的σmax和τmax应满足式7-2和7-3要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足下式要求：221131.1wtf1.1—考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。1焊缝截面3.轴力、弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝计算26MwwMMWltmax32wwVwwVSVfItltlwtlwtMVNNσMτσN强度计算公式为：NwNltmaxNMwtf（1）焊缝为矩形截面：（2）焊缝为工字形截面：1焊缝截面MVNNτσMσ1τ1τmaxσNMwMWmax32wwVwwVSVfItlt强度计算公式为：NwNltmaxNMwtf对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足下式要求：221131.1wtf部分焊透对接焊缝的计算主要用于板件较厚，而连接受力较小，且要求焊接结构的外观齐平美观时，可以采用部分焊透的对接焊缝，焊缝只起到联系作用。部分焊透的对接焊缝由于它们未焊透，其工作情况与角焊缝类似，故规定按角焊缝进行计算。