鋼結(jié)構(gòu)焊接、螺栓連接計算及實例

1、. .第一節(jié) 鋼構(gòu)造的連接方法 鋼構(gòu)造是由鋼板、型鋼通過必要的連接組成根本構(gòu)件，如梁、柱、桁架等；再通過一定的安裝連結(jié)裝配成空間整體構(gòu)造，如屋蓋、廠房、鋼閘門、鋼橋等?？梢姡B接的構(gòu)造和計算是鋼構(gòu)造設計的重要組成局部。好的連接應當符合平安可靠、節(jié)約鋼材、構(gòu)造簡單和施工方便等原那么。鋼構(gòu)造的連接方法可分為焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接三種(詳見附圖十三)。一、焊縫連接焊接是現(xiàn)代鋼構(gòu)造最主要的連接方法。其優(yōu)點是不削弱構(gòu)件截面不必鉆孔，構(gòu)造簡單，節(jié)約鋼材，加工方便，在一定條件下還可以采用自動化操作，生產(chǎn)效率高。此外，焊縫連接的剛度較大密封性能好。 焊縫連接的缺點是焊縫附近鋼材因焊接的高溫作用而形成熱影

2、響區(qū)，熱影響區(qū)由高溫降到常溫冷卻速度快，會使鋼材脆性加大，同時由于熱影響區(qū)的不均勻收縮，易使焊件產(chǎn)生焊接剩余應力及剩余變形，甚至可能造成裂紋，導致脆性破壞。焊接構(gòu)造低溫冷脆問題也比較突出。二、鉚釘連接 鉚接的優(yōu)點是塑性和韌性較好，傳力可靠，質(zhì)量易于檢查和保證，可用于承受動載的重型構(gòu)造。但是，由于鉚接工藝復雜、用鋼量多，因此，費鋼又費工。現(xiàn)已很少采用。三、螺栓連接 螺栓連接分為普通螺栓連接和高強度螺栓連接兩種。普通螺栓通常用Q235鋼制成，而高強度螺栓那么用高強度鋼材制成并經(jīng)熱處理。高強度螺栓因其連接嚴密，耐疲勞，承受動載可靠，本錢也不太高，目前在一些重要的永久性構(gòu)造的安裝連接中，已成為代替鉚接

3、的優(yōu)良連接方法。螺栓連接的優(yōu)點是安裝方便，特別適用于工地安裝連接，也便于拆卸，適用于需要裝拆構(gòu)造和臨時性連接。其缺點是需要在板件上開孔和拼裝時對孔，增加制造工作量；螺栓孔還使構(gòu)件截面削弱，且被連接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角鋼等連接件，因而比焊接連接多費鋼材。第二節(jié) 焊接方法、焊縫類型和質(zhì)量級別一、鋼構(gòu)造中常用的焊接方法 焊接方法很多，鋼構(gòu)造中主要采用電弧焊，薄鋼板的連接有時也可以采用電阻焊或氣焊。1電弧焊 電弧焊是利用焊條或焊絲與焊件間產(chǎn)生的電弧熱，將金屬加熱并熔化的焊接方法。其原理是采用低電壓一般為5070V、大電流幾十到幾百安引燃電弧，使焊件與焊條或焊絲之間產(chǎn)生很大熱量和強烈的弧光

4、，利用電弧熱來熔化焊件的邊緣金屬和焊條絲進展焊接。根據(jù)操作的自動化程度和焊接時用以保護熔化金屬的物質(zhì)種類，電弧焊可分為手工電弧焊，自動和半自動埋弧焊及CO2氣體保護焊等。(1)手工電弧焊是鋼構(gòu)造制造中最常用的焊接方法，設備簡單，操作靈活，適用性和可達性強，對各種施焊位置和分散或曲折短焊縫均適用。缺點是生產(chǎn)效率比自動、半自動焊低，質(zhì)量稍低并且變異性大，施焊時電弧光較強(詳見附圖十四)。手工焊所采用的焊條，其外表都敷有一層11.5mm厚度的藥皮。藥皮的作用：穩(wěn)定電??；施焊時產(chǎn)生氣體保護熔融金屬與大氣隔離，以防止空氣中氧氮侵入而使焊縫變脆；造成熔渣(清理焊縫時鏟除)覆蓋于熔成焊縫外表，使與大氣隔離，

5、并使焊縫冷卻緩慢以便混入熔融金屬中的氣體和有害雜質(zhì)溢出外表；另外，藥皮中的合金成份還可以改善焊縫性能。焊條選用應和焊件鋼材的強度和性能相適應。在手工焊時，對Q235鋼用E43型焊條E4300E4316Q345鋼(16Mn鋼)用E50型焊條(E5000E5018)，Q390(15MnV)鋼和Q420鋼均用E55型焊條(E5500E5518)。其中E表示焊條；前兩位數(shù)字表示焊縫熔敷金屬或?qū)雍缚p的抗拉強度分別為420N/mm2，490N/mm2，540N/mm2，(折合43kgf/mm2，50kgf/mm2，55kgf/mm2)；第3位數(shù)字表示適用的焊接位置，0和1表示適用于人與全位置施焊(平、橫

6、、立、仰)，2表示適用于平焊及水平角焊，4表示適用于向下立焊；第3位和第4位數(shù)字組合表示藥皮類型和適用的電流種類(交、直流電源)。第3位和第4位數(shù)字為15、16、18的焊條為低氫型焊條，其所得焊縫具有較好的塑性、韌性和抗裂性，故直接承受動力荷載的重要構(gòu)造以及處于低溫條件下工作的構(gòu)造，一般指定采用上述型號。而非低氫型焊條，可用于其他構(gòu)造。當不同強度的鋼材連接時，可采用低強度鋼材相適應的焊接材料。(2)焊劑層下自動或半自動埋弧焊 焊劑層下自動或半自動埋弧焊是焊接過程機械化的一種主要方法。它所采用的是盤狀連續(xù)的光焊絲在散粒狀焊劑下燃弧焊接，散粒狀焊劑的作用與手工焊焊條的藥皮一樣。自動焊的引弧、焊絲送

7、下、焊劑堆落和焊絲沿焊縫方向的移動都是自動的。而半自動焊的焊接前進方式仍是依靠手持焊槍移動(詳見附圖十五)。埋弧焊的優(yōu)點是與大氣隔離保護效果好，且無金屬飛濺，弧光不外露；可采用較大電流使熔深加大，相應可減小對接焊件間隙和坡口角度；節(jié)省焊絲和電能，勞動條件好，生產(chǎn)效率高；焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可靠，塑性和韌性比較好。其缺點是焊前裝配要求嚴格，施焊位置受限制，較適用于長直的水平俯焊縫或傾角不大的斜面焊縫，不如手工焊靈活。埋弧焊所采用的焊絲和焊劑應與焊件鋼材相匹配，焊絲一般采用專用的焊接用鋼絲。對Q235鋼，可采用H08A、H08MnA、H08E等焊絲，相應的焊劑分別為HJ431、HJ430和SJ401。對低

8、合金高強度構(gòu)造鋼尚應根據(jù)坡口情況相應選用。對Q345鋼，不開坡口的對接焊縫，可用H08A焊絲，中厚板開坡口對接可用H08MnA、H10Mn2和H10MnSi焊絲，焊劑可用HJ350。對Q390鋼和Q420鋼，不開坡口的對接焊縫用H08A、H08MnA焊絲，中厚板開坡口對接時用H10Mn2、H10MnSi；焊劑用HJ430或HJ431；而厚板深坡口對接時常用H08MnMoA焊絲，焊劑為HJ350或HJ250。2.電阻焊電阻焊是利用電流通過焊件接觸點外表的電阻所產(chǎn)生的熱量來熔化金屬，再通過壓力使其焊合。冷彎薄壁型鋼的焊接，常用電阻點焊，板疊總厚度一般不超過12mm，焊點應主要承受剪力，其抗拉撕裂能

9、力較差。二、焊縫連接形式及焊縫類型焊縫連接形式按被連接構(gòu)件間的相對位置分為對接、搭接、T形連接和角接四種(詳見附圖十六)。所采用的焊縫按其構(gòu)造來分，主要有對接焊縫和角焊縫兩種類型。T形連接和角連接根據(jù)板厚、焊接方法、焊縫受力情況，可采用角焊縫或開坡口的對接焊縫。焊縫按其工作性質(zhì)來分有強度焊縫和密強焊縫兩種。強度焊縫只作為傳遞內(nèi)力之用，密強焊縫除傳遞內(nèi)力外，還須保證不使氣體或液體滲漏。 焊縫按施焊位置分，有俯焊平焊、立焊、橫焊和仰焊四種(詳見附圖十七)。俯焊的施焊工作方便，質(zhì)量好，效率高；立焊和橫焊是在立面上施焊的豎向和水平焊縫，生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量比俯焊的差一些；仰焊是仰望向上施焊，操作條件最差

10、，焊縫質(zhì)量不易保證，因此應盡量防止采用仰焊焊縫。三、焊縫缺陷、質(zhì)量檢驗和焊縫級別1.焊縫缺陷焊縫缺陷是指焊接過程中，產(chǎn)生于焊縫金屬或鄰近熱影響區(qū)鋼材外表或內(nèi)部的缺陷。常見的缺陷有：焊縫尺寸偏差；咬邊，如焊縫與母材交界處形成凹坑；弧坑，起弧或落弧處焊縫所形成的凹坑；未熔合，指焊條熔融金屬與母材之間局部未熔合；母材被燒穿；氣孔；非金屬夾渣；裂紋。以上這些缺陷，一般都會引起應力集中削弱焊縫有效截面，降低承載能力，尤其裂紋對焊縫受力的危害最大。它會產(chǎn)生嚴重的應力集中，并易于擴展引起斷裂，按規(guī)定是不允許發(fā)生裂紋的。因此，假設發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋，應徹底鏟除后補焊。 2.焊縫質(zhì)量檢驗和焊縫級別 根據(jù)構(gòu)造類型和重

11、要性，"鋼構(gòu)造工程施工質(zhì)量驗收標準"GB50205-2001將焊縫質(zhì)量檢驗級別為三級。級檢驗工程規(guī)定只對全部焊縫做外觀檢查，即檢驗焊縫實際尺寸是否符合要求和有無看得見的裂紋、咬邊和氣孔等缺陷；級焊縫超聲波和射線探傷的比例均為100%，級焊縫超聲波和射線探傷的比例均為20%，且均不小于200mm。當焊縫長度小于200mm時，應對整條焊縫探傷。探傷應符合"鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷構(gòu)造分級法"GB11345或"鋼熔化焊對接接頭射線照像和質(zhì)量分級"GB3323的規(guī)定。鋼構(gòu)造中一般采用級焊縫，可滿足通常的強度要求，但其對接焊縫的抗拉強度有

12、較大的變異性，"鋼構(gòu)造設計標準"GB50017-送審稿規(guī)定，其設計值僅為主體鋼材的85%左右。因而對有較大拉應力的對接焊縫，以及直接承受動力荷載構(gòu)件的較重要的焊縫，可局部采用級焊縫，對動力和疲勞性能有較高要求處可采用級焊縫。四、焊縫符號及標注方法在鋼構(gòu)造施工圖上縫應采用焊縫符號表示，焊縫符號及標注方法應按"建筑構(gòu)造制圖標準"GB/T50105-2001和"焊縫符號表示法"GB324-88執(zhí)行。 焊縫符號由指引線和兩條相互平行的根本符號組成，必要時還可加上輔助符號、補充符號和焊縫尺寸符號。(1)指引線一般由單箭頭的指引和兩條相互平行的基

13、準線所組成。一條基準線為實線，另一條為虛線，均為細線，(詳見附圖十八)。虛線的基準線可以畫在實線基準線的上側(cè)或下側(cè)?；鶞示€一般應與圖紙的底邊相平行，但在特殊條件下也與底邊相垂直。為引線的方便，允許箭頭彎折一次。(2)根本符號用以表示焊縫的形狀。下表中摘錄了一些常用的焊縫根本符號。根本符號與基準線的相對位置應按以下規(guī)那么表示：- 優(yōu)選. .根本符號名 稱對 接 焊 縫角 焊 縫塞焊縫與 槽焊縫點 焊縫I形焊縫V形焊縫單邊V形焊縫帶鈍邊的 V形焊縫帶鈍邊的 U形焊縫符 號名 稱示 意 圖符 號示 例輔助符號平面符號凹面符號補充符號三面圍焊縫符號周邊焊縫符號工地現(xiàn)場焊縫符號焊縫符號中的根本符號、輔助

14、符號和補充符號摘錄如果焊縫在接頭的箭頭側(cè)，根本符號應標在基準線的實線側(cè)；如果焊縫在接頭的非箭頭側(cè)，根本符號應標在基準線的虛線側(cè)；當為雙面對稱焊縫時，基準線可只畫實線一條；當為單面的對接焊縫如V形焊縫、U形焊縫，那么箭頭線應指向有坡口一側(cè)。. .word.zl. .(3)輔助符號是表示焊縫外表形狀特征的符號，如對接焊縫外表余高的局部需加工，使其與焊件外表齊平，那么可在對接焊縫符號上加一短畫，此短畫即為輔助符號。 (4)當焊縫分面比較復雜時，在標準焊縫代號的同時，可在圖形邊的焊縫處加粗線、柵線等強調(diào)焊縫的重要性(詳見附圖十九)。 第三節(jié) 焊接剩余應力和焊接剩余變形焊接構(gòu)件在未受荷載時，由于施焊時在

15、焊件上產(chǎn)生局部高溫所形成的不均勻溫度場而引起的內(nèi)應力和變形，稱為焊接應力和焊接變形。它會直接影響到焊接構(gòu)造的制造質(zhì)量、正常使用，并且是形成各種焊接裂紋的因素之一，應在設計、制造和焊接過程中加以控制和重視。一、焊接剩余應力的種類和產(chǎn)生的原因焊接應力有暫時應力與剩余應力之分。暫時應力只在焊接過程中一定的溫度條件下存在，當焊件冷卻至常溫時，暫時應力即行消失。焊接剩余應力是指焊件冷卻后殘留在焊件內(nèi)的應力。從構(gòu)造的使用要求來看，焊接剩余應力有著重要意義。剩余應力按其方向可分為縱向、橫向和沿厚度方向的應力三種。1.縱向焊接剩余應力焊接過程一個不均勻加熱和冷卻的過程。在施焊時，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫

16、及附近溫度最高，可達1600以上，其鄰近區(qū)域那么溫度急劇下降。不均勻的溫度場將產(chǎn)生不均勻的膨脹。焊縫及附近高溫處的鋼材膨脹最大，由于受到兩側(cè)溫度較低，膨脹較小的鋼材的限制，產(chǎn)生了熱狀態(tài)塑性壓縮。焊縫冷壓時，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮得比原始長度稍短，這種縮短變形受到焊縫兩側(cè)鋼材的限制，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向拉應力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應力以常到達鋼材的屈服強度。焊接剩余應力是荷載未作用時的內(nèi)應力，因此會在焊件內(nèi)部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠區(qū)域應力。用三塊剪切下料的鋼板焊成的工字形截面，縱向焊接剩余應力分布(詳見附圖二十)。2.橫向剩余應力橫向剩余應力產(chǎn)生的原因有：由于焊縫縱向收縮，兩塊鋼

17、板趨向于外彎成弓形的趨勢，但在實際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，于是在焊縫中部將產(chǎn)生橫向拉應力，而在兩端產(chǎn)生橫向壓應力。焊縫在施焊過程中，先后冷卻的時間不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，且具有一定的強度，會阻止后焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其產(chǎn)生橫向的塑性壓縮變形。當焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受到已凝固焊縫的限制而產(chǎn)生橫向拉應力，同時在先焊局部的焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應力。橫向收縮引起的橫向應力與施焊方向及先后次序有關，焊縫的橫向剩余應力是上述兩種原因產(chǎn)生的應力的合成詳見附圖二十一。3.沿焊縫厚度方向的剩余應力在厚鋼板的連接中，焊縫需要多層施焊。因此，除有縱向和橫向剩余應力()之外，沿厚度方向還存在著剩

18、余應力()(詳見附圖二十二)。這三種應力可能形成比較嚴重的同號三軸應力；會大大降低構(gòu)造連接的塑性。這就是焊接構(gòu)造易發(fā)生脆性破壞的原因之一。以上分析是焊件在無外加約束情況下的焊接剩余應力。假設焊件施焊時處在約束狀態(tài)，如采用強大夾具或焊件本身剛度較大等，焊件將因不能自由伸縮變形而產(chǎn)生更大的焊邊剩余應力，且隨約束程度增加而增大。二、焊接剩余變形如前所述，焊接過程中的局部加熱和不均勻的冷卻收縮，使焊件在產(chǎn)生剩余應力的同時還將伴隨產(chǎn)生焊接剩余變形，如縱向和橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形等(詳見附圖二十三)。三、焊接剩余應力和剩余變形的影響1.焊接應力對構(gòu)造性能的影響(1)靜力強度 對于具

19、有一定塑性的鋼材，在靜力荷載作用下，因焊接剩余應力是自相平衡力系，它不影響構(gòu)造的靜力強度。(2)剛度 當剩余應力與外加荷載的應力同號相加以后，該局部材料將提前進入屈服階段，局部形成塑性區(qū)而剛度降為零，繼續(xù)增加的外力將僅由彈性區(qū)承擔，因此構(gòu)件變形將加快，剛度降低。(3)構(gòu)件的穩(wěn)定性 軸心受壓、受彎和壓彎構(gòu)件等可能在荷載引起的壓應力作用下，而喪失整體穩(wěn)定(即發(fā)生屈曲)。這些構(gòu)件中荷載引起的壓應力與截面剩余壓應力疊加時，會使局部截面提前到達受壓屈服強度而進入塑性受壓狀態(tài)。這局部截面喪失了繼續(xù)承受荷載的能力，降低了剛度，對保證構(gòu)件穩(wěn)定也不再起作用，因而將降低構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。(4)疲勞強度和低溫冷脆

20、由于剩余應力可能為三向號應力狀態(tài)，材料在這種應力狀態(tài)下易轉(zhuǎn)向脆性，使裂紋容易產(chǎn)生和開展，疲勞強度也因而降低。尤其在低溫動載作用下，更易導致低溫脆性斷裂。2.焊接剩余變形對構(gòu)造的影響焊接剩余應力不僅影響構(gòu)造的尺寸，使裝配困難，影響使用質(zhì)量，而且過大的變形將顯著降低構(gòu)造的承載能力，甚至使構(gòu)造不能使用。因此，在設計和制造時必須采取適當措施來減小剩余應力和剩余變形的影響。如果剩余變形超出驗收標準的規(guī)定，必須加以矯正，使其不致影響構(gòu)件的使用和承載能力。四、減小焊接剩余應力和焊接剩余變形的方法剩余應力和剩余變形在焊接構(gòu)造中是相互關連的。假設為了減小剩余變形，在施焊時對焊件加強約束，那么剩余應力將隨之增大。

21、反之那么相反。因此，隨意加強約束并不盡合理。正確的方法應從設計和制造、焊接工藝上采取一些有效措施。1.合理的焊縫設計(1) 焊縫尺寸要適當，焊腳尺寸不宜過大，在構(gòu)造容許范圍內(nèi)，宜用細長焊縫，不宜采用較粗短焊縫。(2) 焊縫不宜過分集中，并應盡量防止三向焊縫穿插。當不可防止時，應采取措施加以改善，也可使主要焊縫連續(xù)通過，而使次要焊縫中斷(詳見附圖二十四)。2.合理安排焊接及制造工藝(1)在焊接工藝上，應選擇使焊件易于收縮并可減小剩余應力的焊接次序，如分段退焊、分層焊、對角跳焊和分塊拼焊等(詳見附圖二十五)。(2)在制造工藝上，可采用預先反變形、對厚鋼板焊前預熱(在焊道兩側(cè)各80100mm范圍均勻

22、加熱到100150)及焊后退火(加熱至600后緩冷)或錘擊法(用手錘輕擊焊縫外表使其延伸，以減小焊縫中局部剩余拉應力)等。(3) 對焊件尺寸收縮，應在下料時預加收縮余量。當焊接剩余變形過大時，可采用機械方法頂壓進展冷矯正或局部加熱后冷縮進展矯正。但對于低合金鋼不宜使用錘擊方法進展矯正。第四節(jié) 焊接連接的構(gòu)造和計算在鋼構(gòu)造的焊接連接較多的采用對接焊接和角接焊接，對接焊接傳力直接、平順、沒有顯著的集力集中現(xiàn)象。角焊縫構(gòu)造簡單，施工方便，但靜力性能特別是動力性能較差。一、對接焊縫的計算1在與其長度方向垂直的軸心拉力或軸心壓力作用下：式中 軸心拉力或壓力；焊縫長度；焊縫厚度，在對接接頭中為連接件的較小

23、厚度，在T形接頭中為腹板的厚度；、對接焊縫的抗拉、抗壓強度設計值。2.在正應力和剪應力作用時：式中 對接焊縫的抗剪強度設計值。在同時受有較大正應力和剪應力處，尚應按下式的折算應力計算其強度： 注：1.當承受軸心力的板件用斜焊縫對接，焊縫與作用力間的夾角符合時，其強度可不計算。 2當對接焊縫無法采用引弧板施焊時，計算中應將每條焊縫的長度各減去10mm。3.在對接焊縫連接中，外力在各條對接焊縫中的分配以及對接焊縫中應力的分布和大小，與連接的形式和焊縫所在部位的那么度等因素有關，計算時應予以充分考慮。下表列出了幾種常用對接焊縫連接的焊縫強度計算公式。對接焊縫連接的強度計算方式項次連接形式及受力情況計

24、算內(nèi)容計算公式備注1拉應力或壓應力2正應力剪應力3正應力剪應力折算應力在正應力和剪應力都較大的地方才需要計算折算應力，如圖中a點處4正應力剪應力折算應力如連接在翼緣處無橫向加勁肋加強，那么計算正應力時也不應計入翼緣水平焊縫，即表中：、作用于連接處的軸心力、彎矩和剪力；焊縫的計算長度；焊縫的厚度；、焊縫截面的面積和抵抗矩；所求剪應力處以上的焊縫截面對中和軸的面積矩；焊縫截面的慣性矩； a點到中和軸的距離；計算a點剪應力所用的焊縫截面的面積矩；豎直焊縫的截面積，；豎直焊縫的長度即牛腿截面高度。二、角焊縫的計算角焊縫分直角焊縫和斜角角焊縫兩大類。1.直角角焊縫的強度應按以下情況進展計算：(1)直接承

25、受動力荷載構(gòu)造中的直角角焊縫計算：a.在通過焊縫形心的拉力、壓力或剪力作用下：式中 角焊縫的有效厚度，對直角角焊縫取0.7hf，hf為較小焊腳尺寸；角焊縫的計算長度，對每條焊縫取其實際長度減去10mm；角焊縫的強度設計值。b.在其它力或各種力綜合作用下，式中 按角焊縫的有效截面計算，垂直于焊縫長度方向的應力；按角焊縫的有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應力。(2)承受靜力荷載和間接承受動力荷載構(gòu)造中的直角角焊縫計算：a.在與焊縫長度方向垂直的軸心力作用下：b.在與焊縫長度方向平行的軸心力作用下：c.在其它力或各種力綜合作用下，的共同作用處：4在角焊縫連接中，外力在各條角焊縫中的分配與連接的形式和

26、角焊縫所在部位的剛度等因素有關，計算時應予充分考慮。下表列出了幾種常用角焊縫連接的直角角焊縫強度計算公式。直角角焊縫連接的強度計算公式項次連接形式及受力情況計算公式備注1234如連接在翼緣無橫向加勁肋加強，那么只有豎直焊縫傳力；這時，應按3計算56焊縫“1點處：焊縫“2點處：表中：、角焊縫的較小焊腳尺寸；連接一邊的焊縫計算長度；、焊縫有效截面對1點和2點的抵抗矩；腹板連接焊縫豎直焊縫的有效截面面積；焊縫有效截面面積；焊縫有效截面對其形O級慣矩，其值為：(4)角鋼與鋼板連接的角焊縫項次連接形式計算公式備注123L型圍焊一般只宜用于內(nèi)力較小的桿件，并使表中：、一個角鋼肢背側(cè)焊縫的焊腳尺寸和計算長度

27、；、一個角鋼肢尖側(cè)焊縫的焊腳尺寸和計算長度；、一個角鋼端焊縫的焊腳尺寸和計算長度；、角鋼肢背和肢尖的焊縫內(nèi)力分配系數(shù)，按下表確定：和項次角鋼類型連接形式焊縫內(nèi)力分配系數(shù)肢背肢尖1等邊角鋼0.700.302不等邊角鋼短邊相連0.750.253不等邊角鋼長邊相連0.650.35(5)圓鋼與平板、圓鋼與圓鋼之間的焊縫，應按下式計算抗剪強度：式中 作用在圓鋼上的軸心力；焊縫的計算長度之和；焊縫的有效厚度：對圓鋼與平板的連接，；對圓鋼與圓鋼的連接，應接下式計算：式中 大圓鋼直徑；小圓鋼直徑；焊縫外表至兩個圓鋼公切線的距離。第五節(jié) 普通螺栓連接的構(gòu)造和計算一、普通螺栓的種類和特性鋼構(gòu)造采用的普通螺栓形式為

28、大六角頭型，粗牙普通螺栓，其代號用字母M與公稱直徑(毫米)表示。工程中常用M18、M20、M22、M24。根據(jù)螺栓的加工精度，普通螺栓又分為C級螺栓(原粗制螺栓)和A級及B級螺栓(原精制和半精制螺栓)兩種。C級螺栓4.6級或4.8級鋼制作，而A級和B級螺栓采用8.8級鋼材制作；C級螺栓加工粗糙，尺寸不夠準確，只要求類孔(在單個零件上一次沖成或不用鉆模鉆成設計孔徑的孔)，本錢低，栓徑比孔徑小1.52.0mm。A級和B級螺栓須以機床車削加工，精度較高，要求類孔，孔徑與栓徑相等，只分別允許其有正和負公差，因此栓桿和螺孔間的空隙為僅為0.3mm左右。由此可見，A級和B級螺栓與螺孔為緊配合，受剪性能較好

29、，變形很小，但制造和安裝過于費工，價格昂貴。目前在鋼構(gòu)造中應用較少。C級螺栓由于與螺栓孔的空隙較大，當傳遞剪力時，連接變形大，工作性能差，但傳遞拉力的性能仍較好，所以C級螺栓廣泛用于需要裝拆的連接承受拉力的安裝連接，不重要的連接或作安裝時的臨時固定等。對直接承受動力荷載的普通螺栓連接應采用雙螺帽或其它能防止螺帽松動的有效措施。在鋼構(gòu)造施工圖上需將螺栓及螺孔的施工要求，用圖形表示清楚，以免引起混淆詳見附圖二十六。詳細表示方法參見"建筑構(gòu)造制圖標準"(GB/T 50105-2001)。二、普通螺栓連接的構(gòu)造要求1.螺栓的直徑在同一構(gòu)造連接中，無論是臨時安裝螺栓還是永久螺栓，為了

30、便于制造，宜用一種直徑d。螺栓直徑d的選擇根據(jù)連接構(gòu)件的尺寸和受力大小而定。常用的標準螺栓直徑是M16，M18，M20，M22，M24等規(guī)格。螺栓直徑選得適宜與否，將影響到螺栓數(shù)目及連接節(jié)點的構(gòu)造尺寸。2.螺栓的排列及間距螺栓的排列應簡單、統(tǒng)一而緊湊，滿足受力要求，構(gòu)造合理又便于安裝。排列方式有并列排列和錯列兩種，并列較簡單，錯列較緊湊詳見附圖二十七。(1)受力要求 螺栓孔()的最小端距(沿受力方向)為2，以免板端被剪掉；螺栓孔的最小邊距(垂直于受力方向)為1.5(切割邊)或1.2軋成邊。在型鋼上，螺栓應排列在型鋼孔距規(guī)線上。中間螺孔的最小間距(栓距和線距)為3，否那么螺孔周圍應力集中的相互影

31、響較大，且對鋼板的截面削弱過多，從而降低其承載能力。(2)構(gòu)造要求 螺栓的間距也不宜過大，尤其是受壓板件當栓距過大時，容易發(fā)生凸曲現(xiàn)象。板和剛性構(gòu)件(如槽鋼、角鋼等)連接時，栓距過大不易嚴密接觸，潮氣易于侵入縫隙而銹蝕。按標準規(guī)定，栓孔中心最大間距受壓時為12或18(為外層較薄板件的厚度)，受拉時為16d0或24tmin,中心構(gòu)件邊緣最大距離為4d0或8tmin。(3)施工要求 螺栓應有足夠距離，以便于轉(zhuǎn)動扳手，擰緊螺母。根據(jù)上述螺栓的最大、最小容許距離，排列螺栓時宜按最小容許距離取用，且宜取5mm的倍數(shù)，并按等距離布置，以縮小連接的尺寸。最大容許距離一般只在起連系作用的構(gòu)造連接中采用。三、普

32、通螺栓連接的受力性能和強度計算普通螺栓連接，按螺栓傳力方式可分為受剪螺栓連接、受拉螺栓連接和拉剪螺栓連接三種。受剪螺栓連接是靠栓桿受剪和孔壁承壓傳力；受拉螺栓連接是靠沿栓桿軸方向受拉傳力；拉剪螺栓連接那么同時兼有上述兩種傳力方式。(一)受剪螺栓連接1.受力性能和破壞形式單個螺栓受剪情況。在開場受力階段，作用力主要靠鋼板之間的摩擦力來傳遞。由于普通螺栓穩(wěn)固的預拉力很小，即板件之間的摩擦力也很小，當外力逐漸增長到抑制摩擦力后，板件發(fā)生相對滑移，而使栓桿和孔壁靠緊，此時栓桿受剪，而孔壁承受擠壓。隨著外力的不斷增大，連接到達其極限承載能力而發(fā)生破壞詳見附圖十二八。受剪螺栓連接在到達極限承載力時可能出現(xiàn)

33、如下五種破壞形式詳見附圖二十九；(1)栓桿剪斷 當螺栓直徑較小而鋼板相對較厚時，可能發(fā)生。(2)孔壁擠壓壞 當螺栓直徑較大鋼板相對薄時，可能發(fā)生。(3)鋼板拉斷 當鋼板因螺孔削弱過多時，可能發(fā)生。(4)端部鋼板剪斷 當順受力方向的端距過小時，可能發(fā)生。(5)栓桿受彎破壞 當螺栓過于細長時，可能發(fā)生。上述破壞形式中的后兩種在選用最小容許端矩2和使螺栓的夾緊長度不超過5d的條件下，均不會發(fā)生。前三種形式的破壞，那么需通過計算來防止的。2.強度計算如前所述，受剪螺栓連接按承載能力極限狀態(tài)需計算栓桿受剪和孔壁承壓載力，以及鋼板受拉或受壓承載力計算然后按實際確定的螺栓數(shù)目n進展布置排列。螺栓群在彎矩M作

34、用下的抗拉計算普通C級螺栓在彎矩作用下，上部螺栓受拉。與螺栓群拉力相平衡的壓力產(chǎn)生于牛腿和柱的連接面上，準確確定中和軸的位置的計算比較復雜。通常近似地假定中和軸在最下邊一排螺栓軸線上詳見附圖三十，并且忽略壓力所產(chǎn)生的彎矩(因力臂很小)。因此從而可得螺栓所受最大拉力式中 m螺栓排列的縱列數(shù)；距中和軸x-x最遠的螺栓距離。螺栓群受偏心力作用時的受拉螺栓計算為鋼構(gòu)造中常見的一種普通螺栓連接形式(如屋架下弦端部與柱的連接)，螺栓受偏心拉力F(與圖中所示的等效)和剪力V作用。剪力V由焊在柱上的支托承受，螺栓群只承受偏心拉力的作用詳見附圖三十一。在進展螺栓計算時需根據(jù)偏心距離的大小，區(qū)分以下兩種情況：小偏

35、心情況 因偏心距e較小，故彎矩M不大，連接以承受軸心拉力N為主。在此種情況下，螺栓群將全部受拉，板端不出現(xiàn)受壓區(qū)，故在計算M產(chǎn)生的螺栓內(nèi)力時，中和軸x-x應取在螺栓群中心處，螺栓內(nèi)力按三角形分布，由彎矩平衡條件得那么在彎矩作用下受力最大的螺栓所受拉力為式中m螺栓列數(shù)；第 i只螺栓到中和軸x-x的垂直距離。在軸心拉力N作用下，每個螺栓均勻受力因此在連接中受最大拉力和最小拉力的螺栓所受拉力為當是最不利螺栓“1需滿足的強度條件；是采用此方法必須滿足的前題條件，它表示全部螺栓均受拉。假設或，那么表示最下一排螺栓受壓(實際是板端部受壓)，此時應按大偏心情況計算。 大偏心情況 因偏心距較大，故彎矩也較大，

36、此時，端板底部會出現(xiàn)受壓區(qū)，中和軸應下移。為簡化計算，可近似地將中和軸假定在(彎矩指向一側(cè))最外排螺栓軸線處。按小偏心情況相似方法，可由力的平衡方程重最不利螺栓“1所受的拉力及應滿足的強度條件。式中 偏心力F到中和軸的距離；各螺栓到中和軸的距離。(三)拉剪螺栓連接如前所述，C級螺栓的抗剪能力差，故對重要連接一般均應在端板下設置支托，以承受剪力。對次要連接，假設端板下不設支托，那么螺栓將同時承受剪力和沿桿軸方向的拉力作用。根據(jù)試驗，這種螺栓應滿足下面的相關公式：及 式中，單個普通螺栓的抗剪、抗拉及承壓承載能力設計值。是為了防止當板件較薄時，可能因承壓強度缺乏而產(chǎn)生破壞。例題3-8 詳見附圖三十一

37、所示，鋼梁用普通C級螺栓與柱翼緣連接，連接承受設計值剪力V=258kn，彎矩,梁端豎板下設支托。鋼材Q235A·F，螺栓為M20，焊條E43系列型，手工焊，試設計此連接。解 (1)假定構(gòu)造為可拆卸的，且支托只在安裝時起作用。那么螺栓同時承受拉力和剪力。設螺栓群繞最下一排螺栓轉(zhuǎn)動，螺栓排列及彎矩作用下螺栓受力分布。剪力由10個螺栓平均分擔。M20螺栓的有效面積為單個螺栓的承載力設計值為作用于一只螺栓的最大拉力為作用于一只螺栓的剪力為因此，滿足強度要求。(2)假定構(gòu)造為永久的，剪力V由支托承擔，螺栓只承受彎矩M，那么支托和柱翼緣用鍘焊縫連接，角焊縫厚度那么式中為考慮剪力V對焊縫的偏心影響

38、系數(shù)，取值1.251.35。第六節(jié) 高強度螺栓連接的性能和計算一、高強度螺栓連接的構(gòu)造和性能高強度螺栓的形狀、連接構(gòu)造(如構(gòu)造原那么、連接形式、直徑選擇及螺栓排列要求等)和普通螺栓根本一樣。高強度螺栓的螺桿、螺母和墊圈均采用高強度鋼材制成，這些制品再經(jīng)熱處理以進一步提高強度。目前，我*用8.8級和10.9級兩種強度性能等級的高強度螺栓。級別劃分的小數(shù)點的前的數(shù)字8和10分別代表材料以熱處理后的最低抗拉強度(實際為)或(實際為)。小數(shù)局部代表屈強比(屈服強度與最低抗拉強度的比值/)。如10.9級螺栓材料的抗拉強度=，/=0.9，那么=0.9=。推薦采用的鋼號：大六角高強度螺栓8.8級的有45號和

39、35號鋼。10.9級的有20MnTiB、40B和35VB鋼。扭剪型高強度螺栓只有10.9級，推薦鋼號為20MnTiB鋼。墊圈常用45號或35號鋼制造，并經(jīng)過熱處理。高強度螺栓應采用鉆成孔。摩擦型高強度螺栓的孔徑比螺栓公稱直徑d大1.52.0mm；承壓型高強度螺栓的孔徑比d大1.01.5mm。高強度螺栓和普通螺栓連承受力的主要區(qū)別是：普通螺栓連接的螺母擰緊的預應力很小，受力后全靠螺桿承壓和抗剪來傳遞剪力。而高強度螺栓是靠擰緊螺母，對螺桿施加強大而受控制的預拉力，此預拉力將被連接的構(gòu)件夾緊，這種靠構(gòu)件夾緊而使接觸面間的摩擦阻力來承受連接內(nèi)力是高強度螺栓連承受力的特點。高強度螺栓連接按設計和受力要求

40、可分為摩擦型和承壓型兩種。高強度螺栓摩擦型連接在承受剪切時，以外剪力到達板件間可能發(fā)生的最大摩擦阻力為極限狀態(tài)；當超過時板件間發(fā)生相對滑移，即認為連接已失效而破壞。高強度螺栓承壓型連接在受剪時，那么允許摩擦力被抑制并發(fā)生板件間相對滑移，然后外力可以繼續(xù)增加，并以此后發(fā)生的螺桿剪切或孔壁承壓的最終破壞為極限狀態(tài)。兩種形式螺栓在受拉時沒有區(qū)別。我國目前主要采用高強度螺栓摩擦型連接，其有較高的傳力可靠性和連接整體性，承受動力荷載和疲勞的性能也較好，對工地現(xiàn)場連接尤為適宜。高強度螺栓承壓型連接的承載力比摩擦型的高，可減少螺栓用量。但這種螺栓連接剪切變形較大，假設用于動載連接中，這種剪切反復滑動可能導致

41、螺栓松動，故"標準"規(guī)定其只允許用在承受靜力或間接動力荷載構(gòu)造中允許發(fā)生一定滑移變形的連接中。二、高強度螺栓的預拉力和緊固方法1.高強度螺栓的預拉力高強度螺栓的預拉力P是通過擰緊螺母實現(xiàn)的，施工中一般采用扭矩法、轉(zhuǎn)角法或扭剪法來控制預拉力。(1)扭矩法 用直接顯示扭矩大小的特制扳手，根據(jù)事先測定的螺栓中予拉力和扭矩之間的關系施加扭矩。為了防止預拉力的損失，一般應按規(guī)定的P值超過(510)%施加扭矩。(2)轉(zhuǎn)角法 分初擰和終擰兩步。初擰是選用普通扳手使被連接構(gòu)件想到嚴密貼合，終擰是以初擰的帖緊位置為起點，根據(jù)按螺栓直徑和板疊厚度所確定的終擰角度，用強有力的板手旋轉(zhuǎn)螺母圈(12

42、0°240°)，即達所需預拉力。(3)扭剪法 此法適用于扭剪型高強度螺栓。扭剪型高強度螺栓的尾部連有一個截面較小的溝槽和梅花頭，用特制電動扳手的兩個套筒分別套住螺母和梅花卡頭，操作時，大套筒正轉(zhuǎn)施加緊固扭矩，小套筒那么反轉(zhuǎn)施加緊固反扭矩，將螺栓緊固后，進而沿尾部溝槽將梅花頭擰掉，即可到達規(guī)定的預拉力值。這種螺栓施加預拉力簡單、準確，曾在寶鋼工程鋼構(gòu)造連接中廣泛使用。高強度螺栓的設計預拉力值由材料強度和螺栓有效截面確定，并考慮了：在擰緊螺栓時，扭剪使螺栓產(chǎn)生的剪力將降低螺栓的承載能力，故對材料屈服強度除以系數(shù)1.2；施工時補償預拉力的松弛，要對螺栓超X拉(510)% ，故乘以

43、系數(shù)0.9；材料抗力的變異等影響，乘以系數(shù)0.9。這樣，預拉力設計值由正式計算：式中高強度螺栓的屈服強度；高強度螺栓的有效截面面積。根據(jù)公式的計算結(jié)果，并取為5kn的倍數(shù)，即得標準規(guī)定的預拉力設計值P見下表。每個高強度螺栓的設計預拉力P值(kn)螺栓的性能等級螺栓公稱直徑d(mm)M16M20M22M24M27M308.8級7011013515520525010.9級1001551902252903552.高強度螺栓連接的摩擦面抗滑移系數(shù)應用高強度螺栓時，構(gòu)件的接觸面通常要以特殊處理，使其潔靜并粗糙，以提高其抗滑移系數(shù)。常用的處理方法和規(guī)定應到達抗滑移系數(shù)值。其中涂無機富鋅漆可提高抗銹能力，但

44、將降低抗滑移系數(shù)。接觸面涂紅丹或在潮濕、淋雨狀態(tài)下拼接，將嚴重降低抗滑移系數(shù)，故應嚴格防止，并保證連接外表枯燥。摩擦面的抗滑移系數(shù)值連接處構(gòu)件接觸面的處理方法構(gòu)件的鋼號Q235鋼Q345鋼、Q390鋼Q420鋼噴砂(丸)0.450.500.50噴砂(丸)后涂無機富鋅漆0.350.400.40鋼絲刷消除銹浮銹或未以處理的干凈軋制外表0.300.350.40噴砂(丸)后生赤銹0.450.500.50三、高強度螺栓連接的強度計算與普通螺栓連接一樣，高強度螺栓連接按傳力方式亦可分為受剪螺栓連接、受拉螺栓連接和拉剪螺栓連接三種。現(xiàn)分別按摩擦型和承壓型兩種類型對其計算加以表達。(一)高強度螺栓連接的強度計

45、算1.受剪螺栓的抗剪承載力設計值(1)單個螺栓的抗剪承載力設計值高強度螺栓磨擦型連接承受剪力時的設計準那么是外力不得超過摩阻力。每個螺栓的摩阻力即極限抗剪承載力為，除以螺栓材料的抗力分項系數(shù)1.111后，可得其抗剪承載力設計值 式中P高強度螺栓的預拉力設計值；傳力摩擦面數(shù)，單剪時=1，雙剪=2；摩擦面的抗滑移系數(shù)，見表3-3。(2)受軸心力N作用時的抗剪連接計算計算步驟如下：1)被連接構(gòu)件接縫一側(cè)所需螺栓數(shù)確定所需螺栓數(shù)目n，并按構(gòu)造要求布置排列。2)驗算構(gòu)件凈截面強度式中所驗算的構(gòu)件凈截面(第一列螺孔處)所受的軸力；所驗算的構(gòu)件凈截面面積(第一列螺孔處)；所驗算截面(第一列)上的螺栓數(shù)；連接

46、接縫一側(cè)的螺栓總數(shù)； 0.5系數(shù)，是考慮高強螺栓的傳力特點，由于摩阻力作用，假定所驗算的靜截面上每個螺栓所分擔的剪力的50%，已由螺孔的前構(gòu)件接觸面?zhèn)鬟f到被連接的另一構(gòu)件中。(3)受扭矩作用，或扭矩、剪力、軸心力共同作用的抗剪連接計算此種連承受力的計算方法與普通螺栓連接一樣，只是在計算時用高強度螺栓的抗剪承載力設計值取代即可。例題一 將例題一中鋼板拼接改用8.8級M22的摩擦型高強度螺栓，連接處理接觸面用噴砂處理。試求所需螺栓數(shù)。解 預拉力P=135kn，抗滑移系數(shù)=0.45。雙剪=2。每個螺栓的抗剪承載力設計值拼接縫每側(cè)采用6只，拼接縫每側(cè)采用6只，。鋼板凈截面強度驗算(第一列處)，而構(gòu)件毛截面強度為由上述計算可見，對于摩擦型高強度螺栓，開孔對構(gòu)件截面強度的削弱影響比普通螺栓連接為小，有時甚至沒有影響，這也是節(jié)約鋼材的一個途徑。2.受拉螺栓連接計算(1)單個高強度螺栓的抗拉承載力設計值高強度螺栓連接的受力特點是依靠預拉力使被連接件壓緊傳力，當連接在沿螺栓桿軸方向再承受外拉力時，以試驗和計算分析，只要螺栓所受的外拉力設計值不超過其預拉力P時，螺栓的內(nèi)拉力增加很少。但當>P時，那么螺栓可能到達材料屈服強度，在卸荷后使連接產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，預拉力降低。因此，標準