工学水工钢结构

工学水工钢结构

水 工 钢 结 构 Hydraulic Steel Structures 绪论 (Introduction) § 1 课程的性质和任务 § 2 钢结构的特点 § 3 钢结构的应用 § 4 钢结构设计的要求 § 5 水工钢结构的发展 主要内容 ： 课程概况 钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也是水工、港航、海工、农水等水利类专业的专业基础课。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。 钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工程的主要结构 形式之一。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大部分。不同结构形式都是由基本构件联结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。 本课程为 2 学分 , 计划 授课 32 学时。本课程课堂授课结束后集中安排一周的课程设计。 § 1 课程的性质和任务 课程特点与学习要求 本课程是结构工程中按材料划分出来的一门学科，先修课程有：材料力学、结构力学以及概率统计等。 本课程的主要任务是：着重学习（水工）钢结构的基本理论与基本知识，掌握（水工）钢结构的选材、构造原理、 计算方法与结构布置原则。能设计简单的（水工）钢结构构件，对（水工）钢结构的新发展有一定的了解。 本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）。 多看书，搞清空间构造，加强感性认识；多作题，避免眼高手低。 § 1 课程的性质和任务 平时成绩占 30 ％ 期末考试占 70 ％，其中平时成绩主要包括作业、考勤、课堂表现等方面； 许桂生 水利水电教研室 主楼 B620 TEL : 61772453 E-mail: xu_guisheng@sina.com 课程的意义、成绩评定 § 1 课程的性质和任务 水工 钢结构设计的有关规范 钢结构设计规范 GB50017-2003 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068-2001 建筑结构荷载规范 GB50009-2001 水利水电工程结构可靠度设计统一标准 GB50199 － 94 水工建筑物荷载设计规范 DL5077-1997 水利水电工程钢闸门设计规范 SL74-95 § 1 课程的性质和任务 钢结构基本概念 钢结构： 由钢材通过连接而成的承载结构。 钢材： 通常指型钢和钢板；钢丝绳或钢丝束。 型钢： 具有一定几何尺寸等级规格的轧制钢材，比较常见的角钢、工字钢、槽钢、 T 型钢等 ( P26 ) 。 连接： 焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接等 ( Ch3 ) 。 § 1 课程的性质和任务 钢与铁 钢是一种铁碳合金，为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过 2% 。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。 铁矿石 高炉 生铁 钢 炼钢炉 一般生铁的含碳量大于 2 ％，钢的含碳量小于 2 ％。 § 1 课程的性质和任务 1 承载能力大 钢材强度高，重量轻，在结构重量相同时，钢结构的承载能力更大。 2 稳妥可靠 (1) 钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。 (2) 钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。 § 2 钢结构的特点 3 工业化生产，施工周期短 钢结构构件一般可以在工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。 4 密闭性好 钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。 5 耐热不耐火 钢材在 200 o C 以下时性能变化很小，但在温度超过 300 o C 后强度和弹性模量会显著下降。 6 耐腐蚀性差 新建钢结构，一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防绣涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维护费用较高，这是钢结构的主要缺点。 § 2 钢结构的特点 活动式结构： 闸门、升船机等； 装拆式结构： 钢模板、砼搅拌楼等； 密封结构： 压力管道、贮液罐、贮气罐等； 高耸结构： 电视塔、微波塔等； 大跨度结构： 桥梁、体育馆等； 海工钢结构： 钻井、采油平台等。 § 3 钢结构的应用 泸定桥位于四川省泸定县境内，始建于 1705 ，桥身由 13 根铁索组成，东西桥台之间净跨 100 米、铁索长 101.67 米、桥宽 2.7 米。 泸定桥 玉泉寺在湖北省当阳城西 15 公里的玉泉山东麓，始建于东汉末年，为我国历代著名的佛教寺院之一。 玉泉寺铁塔 艾菲尔铁塔 陕西铜川天然气公司 1000 立方米天然气球罐 大连西太平洋石化有限公司 1500 立方米 CF-62 钢球罐 三峡挡水闸门吊装 桥 武汉长江大桥 武汉长江二桥 汉诺威 AWD 球场 国家体育场 ( 鸟巢 ） 全景效果图 《 建筑结构可靠度设计统一标准 》 (GB50068-2001) 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。 钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求。除 疲劳 计算外， 《 钢结构设计规范 》 (GB50017-2003) 采用以 概率理论为基础的极限状态设计方法 ， 用分项系数 的设计表达式进行计算。 水工钢结构的设计目前仍采用容许应力法。 § 4 钢结构设计的要求 《 钢结构设计规范 》(GB50017-2003) 第 1 章总则第 1.0.1 条明确指出：“为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量，特制定本规范”。也就是说，力求用 最经济 的方法，使所建结构满足下列 基本功能 要求： § 4 钢结构设计的要求 （ 1 ） 安全性 结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。 （ 2 ）适用性 结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。 （ 3 ）耐久性 结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。 结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的 可靠性。 § 4 钢结构设计的要求 我国钢结构的发展概况 根据考古发现，我国在春秋时期已经开始使用人工制铁。 公元前 60 － 70 年，已建成铁链桥。比较著名的铁链桥有云南的沅江桥、贵州的盘江桥、四川的泸定桥。 此外，还建有不少铁塔，如湖北荆州的玉泉寺铁塔、江苏镇江的甘露寺铁塔等。 § 5 钢结构的发展 新中国钢结构的发展 桥梁方面： 1957 年的武汉长江大桥； 1968 年的南京长江大桥； 1992 年的九江长江大桥； 1993 年的上海杨浦大桥； 1996 年的西陵长江大桥等。 公用与民用建筑： 首都体育馆（跨度 99m 平板）；上海体育馆（直径 110m 平板网架结构）；秦俑陈列馆（跨度 70m 的三铰拱钢结构） 。 塔桅结构： 北京环境气象桅杆（ 1977 ， 325m ）；上海东方明珠电视塔（ 1995 ， 468m ）。 水工结构： 葛洲坝 2 号船闸人字钢闸门（ 34×9.7×2.5m ，重 600t ）；三峡永久船闸人字钢闸门（ 38.5×20.2×3.0m ，重 1904t ） ；三峡升船机承船厢 （钢质开口槽形梁格结构， 132×23×10m ，过船吨位 3000t ） 。 § 5 钢结构的发展 钢结构的发展趋势 1. 高性能钢材的研制 2. 设计方法和计算理论的改进 3. 结构形式的革新 § 5 钢结构的发展 钢结构具有的优越特点，使它成为一种比较理想的结构。随着我国现代化建设的发展和钢产量的增加，钢结构的应用将会有很大发展，钢结构工程的科学技术水平也将进一步提高，其发展趋势为： 1. 高性能钢材的研制 钢结构的突出特点就是钢材的强度高，因此特别适用于大跨度和承受大的荷载，采用高强度钢材，更能发挥钢结构这一优势。为保证必要的塑性、韧性和可焊性，钢结构用的高强度钢一般都是低合金钢。 § 5 钢结构的发展 我国高性能钢材的研制和应用 屈服点为 345N/mm 2 的 16 锰钢 —— 南京长江大桥 屈服点为 390N/mm 2 的 15 锰钒钢 屈服点为 410N/mm 2 的 15 锰钒氮钢 —— 九江长江大桥 国外高强度钢的发展 日本、美国、前苏联都已把屈服点为 700N/mm 2 以上的钢列入了规范，如何研制高强度钢并合理应用是一个重要课题。 另外，耐腐蚀钢、宽翼缘工字型钢、方钢管、压型钢板、冷弯薄壁型钢等都能较好发挥钢材的效能，得到较好的经济效果，有着广阔的发展前景。 § 5 钢结构的发展 2. 设计方法和计算理论的改进 《 统一标准 》 和现行 《 钢规 》 都要求采用以概率论为基础的极限状态设计法，这是通过大量理论研究和试验分析取得的成果，但是还有很多问题需要进一步研究和完善，有大量的工作需要继续完成。 例如 实际构件和几何缺陷的统计分析，残余应力的分布，机会缺陷和残余应力对承载力继续状态的影响； 受压构件的极限承载力及其影响因素； 多次重复荷载和动力作用下构件和结构的极限状态； 钢材的塑性利用和板件屈服后的强度问题等等。 § 5 钢结构的发展 3. 结构形式的革新 （ 1 ） 计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为钢结构形式的革新提供了条件。 网架一类的杆件多而超静定结构次数又多的空间结构 大跨度悬索结构和斜拉结构 预应力钢结构 钢和混凝土组合结构 （ 2 ） 结构形式革新的另一种形式是把梁、拱、悬索等不同受力类型的结构融于同一结构。 九江长江大桥 北京北郊综合体育馆 亚运村游泳馆 § 5 钢结构的发展 （ 3 ） 随着高强度螺栓和焊接技术的发展，铆接结构已被栓焊或全焊结构代替。 厂房钢结构、塔桅结构、网架结构中广泛应用了高强度螺栓连接； 西陵长江大桥的箱型加劲梁采用了全焊接结构； 孙口黄河大桥桁梁采用了整体焊接节点、节点外拼接的新的型式。 （ 4 ） 高层建筑钢结构的研究 近年来，我国已建成一批高层建筑，如： 上海锦江饭店分馆 （ 153m ） 深圳发展中心大厦 （ 165m ） 北京京广中心大厦 （ 208m ） 我国钢结构事业发展很快，结构革新在科研、设计、材料、制造加工、安装建设等方面还有许多工作要做。 § 5 钢结构的发展 CH1 绪论 CH2 钢结构的材料和计算方法 CH3 钢结构的连接 CH4 钢梁 CH5 钢柱与钢压杆 CH6 钢桁架 CH7 平面钢闸门 水 工 钢 结 构 Ch2 钢结构的材料和计算方法 §1 钢材的主要性能 §2 影响钢材机械性能的主要因素 §3 钢材的疲劳 §4 建筑钢的种类、牌号及选用 §5 轧成钢材的规格及用途 §6 钢结构的计算方法 §1 钢材的主要性能 一、一次单向拉伸试验曲线 f B A C D 钢材的两种破坏形式： 脆性破坏 —— 在一定条件下，未产生警示性的塑性变形而突然发生的脆性断裂。 塑性破坏 —— 在应力达到抗拉强度 f u 后产生很大的塑性变形而发生的断裂。 §1 钢材的主要性能 二、钢材的主要性能 强度 － f y 强度设计标准值，设计依据； f u 钢材的最大承载强度，安全储备。 塑性 － δu ，钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。 冷弯性能 － 90 o 、 180 o ，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。 韧性 －冲击韧性 α k ， 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（ 20 o ）、零温（ 0 o ） 、负温（ -20 o 、 -40 o ）区分 。 §1 钢材的主要性能 二、钢材的主要性能 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。 抗腐蚀性 －钢材腐蚀速度是研究钢材腐蚀和抗腐蚀的重要指标，一般可按钢材每年腐蚀厚度的毫米数或单位时间内单位面积腐蚀减损的重量来表示。（水工）钢结构常用的防腐措施： (a) 涂料防护 (b) 喷镀保护 (c) 电化学保护 §1 钢材的主要性能 §2 影响钢材性能的主要因素 1 、化学成份 2 、冶炼及轧制 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 F e ，炭钢中含量占 99 ％， C 、 S i 、 M n 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≤ 0.20% 。 S i ：含 S i 适量使强度↑ 其它影响不大，有益，应控制≤ 0.1~0.3% M n ：含 S i 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、冷弯性能、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% §2 影响钢材性能的主要因素 2 、 冶炼与轧制的影响 冶 炼 的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用 M n 为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用 S i 为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。 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。 §2 影响钢材性能的主要因素 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，脆性增加的现象称之为 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 。 §2 影响钢材性能的主要因素 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。 §2 影响钢材性能的主要因素 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 , 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 。 §2 影响钢材性能的主要因素 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 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 600 o 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 300 o 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 300 o 以上时应采取 隔热措施 。 §2 影响钢材性能的主要因素 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。 负温影响 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 。 §2 影响钢材性能的主要因素 钢材在 交变应力 作用下 ， 在远低于抗拉强度时突然发生断裂的现象，称为 疲劳破坏 。 疲劳破坏的特点 ：当 重复荷载 的循环次数 n 达到某定值时，在钢材中的应力虽然低于抗拉极限强度，甚至还低于屈服点，也会提前发生 突然脆性断裂 。破坏时塑性变形极小。 §3 钢材的疲劳 疲劳破坏的机理 钢结构的疲劳断裂是裂纹在 连续重复荷载作用下 不断扩展以至断裂的脆性破坏。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。 与疲劳破坏有关的几个概念 应力集中 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力的现象。 §3 钢材的疲劳 应力循环 连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。 应力幅 应力幅表示应力变化的幅度，用△  =  max -  min 表示，应力幅总是正值。 疲劳寿命（致损循环次数） 疲劳寿命指在连续反复荷载作用下应力的循环次数，一般用 n 表示。 §3 钢材的疲劳 §3 钢材的疲劳 §3 钢材的疲劳 §3 钢材的疲劳 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。 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：碳素结构钢分： 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。 结构用钢宜选碳素结构钢中的 Q235 及低合金钢中的 Q345 、 Q390 、 Q420 四种钢材。 §4 建筑钢的种类、牌号及选用 二、结构用钢的选择 钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度 f u 、屈服强度 f y 、伸长率 δ 5 （ δ 10 ）、冷弯 180 o 及冲击韧性 α k ，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。 一般承重结构应有 f u 、 f y 、 δ 5 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 180 o 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 α k 的不同要求。 §4 建筑钢的种类、牌号及选用 钢板：厚钢板、薄钢板、扁钢。 型钢（热轧成型）：角钢、工字钢、 H 型钢、槽钢、 T 型钢、钢管等。 冷弯薄壁型钢：采用薄钢板冷轧制成。 钢材的规格 §5 轧成钢材的规格及用途 §5 轧成钢材的规格及用途 （ 1 ） 安全性 结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。 （ 2 ） 适用性 结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。 （ 3 ） 耐久性 结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。 结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的 可靠性 。 钢结构的设计要求 §6 钢结构的计算方法 《 统一标准 》 ：结构可靠度 —— 结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的概率。 《 钢规 》 ：除疲劳计算外，应采用以概率理论为基础的极限状态设计法，用分项系数设计表达式进行计算。 《 钢结构设计规范 》 §6 钢结构的计算方法 结构设计准则： 结构由各种作用所产生的 效应 （内力和变形） 不大于 结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所确定的 抗力或规定限值 问题及矛盾： 荷载大小、材料强度、截面尺寸、计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确定，导致 结构效应 与 抗力 均为随机变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定的概率保证。 结构设计概述 §6 钢结构的计算方法 容许应力法 （建国初～ 1957 年） 把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即容许应力法： N —— 构件的内力； S —— 截面几何特性； σ s —— 钢材屈服强度； K —— 总安全系数； σ —— 构件的计算应力 式中： 优点： 简单、明确 缺点： 太笼统 。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取决于可靠度最小的构件 半概率法 （ 1957 年～ 1988 年） 三个系数的极限状态计算方法（ 1957 年～ 1974 年） 以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法（ 1974 年～ 1988 年） 材料强度概率： 荷载概率： —— 材料强度和荷载的标准值 —— 材料强度和荷载的平均值 —— 材料强度和荷载的标准差 —— 材料强度和荷载的保证系数 优点：对结构可靠性的处理有所改进 缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的 研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段 式中： —— 根据标准荷载求得的内力； —— 屈服强度； —— 构件几何特性； 、    、 —— 分别为荷载系数、材料系数和调 整系数 —— 安全系数； —— 钢材的容许应力 半概率法 （ 1957 年～ 1988 年） 水工钢结构 ：钢闸门、压力钢管、拦污栅、升船机等。 《 水利水电工程钢闸门设计规范 》SL74-95 《 船闸总体设计规范 》JTJ305-2001 《 水电站压力钢管设计规范 》SL281-2003 水工钢结构 采用 容许应力法 进行设计，实质上属于半概率、半经验的极限状态设计法。 水工钢结构的设计 半概率法 （ 1957 年～ 1988 年） 概率论为基础 概率极限状态设计方法 结构可靠度研究由以经验为基础的定性分析阶段推进到以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段 近似的概率设计法 （分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，且进行了线性化简化计算 ） 概率极限状态设计 ( 一次二阶矩 ) 法 （ 1988 年～ ） 极限状态 ： 实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”；对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值 两类极限状态 ： （ 1 ） 承载能力极限状态   包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆 （ 2 ） 正常使用极限状态    包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝） 概率极限状态设计法 （ 1988 年～ ） 功能函数                               式中   Z=g (﹒) —— 结构的功能函数； x i ( i =1,2,……n) —— 影响结构或构件可靠度的基本变量 仅有作用效应 S 和结构抗力 R 两个基本变量时结构的功能函数可表为： 荷载效应 S ：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用、温度变化等） 结构或构件的承载力或抗力 R ：取决于材料、构件的几何特性等 概率极限状态设计法 （ 1988 年～ ） 由于 R 和 S 都是随机变量，其函数 Z 也是一个随机变量。三种可能状态： 结构可靠度： 结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率 若以 p s 表示结构的可靠度 则： 若以 p f 表示结构的失效概率 则： 概率极限状态设计法 （ 1988 年～ ） Z 的概率密度 f Z （ Z ） 曲线 定义： 可靠指标 = 均值 / 标准差 概率极限状态设计法 （ 1988 年～ ） β —— 可靠指标或安全指标，与 p f 存在一一对应关系， β 与 p f 变化相反。 若 Z 为正态分布： 由： 有： 由于 β 的计算只采用分布的特征值，即一阶原点矩（均值） μ Z 和 二阶中心矩（方差） σ Z 2 ，对非线性函数只取线性项，而不考虑 Z 的全分布，故称此法为一次二阶矩法。 概率极限状态设计法 （ 1988 年～ ） β 与 p f 对应表格 不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标 β 概率极限状态设计法 （ 1988 年～ ） 设计表达式 《 建筑结构可靠度设计统一标准 》(GB50068-2001) 规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。 简单荷载分项系数设计式： R K —— 抗力标准值 S GK —— 按标准值计算的永久荷载（ G ）效应值 S QK —— 按标准值计算的可变荷载（ Q ）效应值 γ —— 分项系数 式中： 一般情况下荷载分项系数： γ G ＝ 1.2 ； γ Q ＝ 1.4 永久荷载效应对结构有利时： γ G ＝ 1.0 可变荷载大于 4kN/m 2 时： γ Q ＝ 1.3 抗力分项系数： Q235 钢： γ R ＝ 1.087 ； Q345 、 Q390 ； Q420 钢： γ R ＝ 1.111 其中：钢材强度设计值 f —— 钢材强度除以对应的抗力分项系数，即 分项系数 γ 以可靠指标 β 为基础用概率统计方法求出。 设计表达式 可变荷载效应控制的组合： 永久荷载效应控制的组合： 承载能力极限状态 荷载效应的 基本组合 设计表达式 正常使用极限状态 荷载效应的 标准组合 v GK —— 永久荷载标准值产生的变形值 v Q1K —— 起控制作用的第一个可变荷载标准值产生的变形值 v QiK —— 其他第 i 个可变荷载标准值产生的变形值 [ v ] —— 结构或结构构件的容许变形值 式中： 设计表达式 §1 连接的类型 §2 焊接方法和焊缝强度 §3 对接焊缝连接的构造和计算 §4 角焊缝连接的构造和计算 §5 焊接应力和焊接变形 §6 螺栓连接 CH3 钢结构的连接 焊缝连接 铆钉连接 螺栓连接 § 1 连接的类型 铆钉连接 　 　 铆钉连接（ riveted connections ）的制造有热铆和冷铆二种方法。 热铆 是由烧红的钉坯插入构件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成。 冷铆 是在常温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。 铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板阻止住，所以钉杆中产生了 收缩拉应力 ，对钢板则产生 压缩系紧力 。这种系紧力使连接十分紧密。当构件受剪力作用时，钢板接触面上产生很大的摩擦力，因而能大大提高连接的工作性能 。　　 § 1 连接的类型 § 1 连接的类型 § 2 焊接方法和焊缝强度 § 2 焊接方法和焊缝强度 钢结构常用的焊接方法 手工电弧焊 埋弧焊（自动或半自动） 气体保护焊 电阻焊 § 2 焊接方法和焊缝强度 电弧焊 手工电弧焊示意图 § 2 焊接方法和焊缝强度 手工电弧焊 优缺点 ： 设备简单，操作灵活方便，适用于任意空间，工位复杂，形状复杂的焊缝焊接，特别适用于焊接短焊缝 全手动，生产效率低，劳动强度大，焊接质量和焊工的精神状态与技术水平有很大关系 焊条与焊剂 ： 短焊条 (350 － 400mm) ： Q235—E43 型； Q345—E50 型； Q390 与 Q420—E55 焊剂：附于焊条之药皮，保护电弧和溶化金属 § 2 焊接方法和焊缝强度 手工电弧焊 埋弧焊（自动或半自动） 埋弧焊示意图 § 2 焊接方法和焊缝强度 特点 ： 焊丝不涂药皮，施焊端靠由焊剂漏头自动流下的颗粒状焊剂所覆盖电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接 生产率高，工艺条件稳定，焊缝化学成分均匀，焊缝的质量好，质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强，焊件变形小，减小了热影响区的范围 装配精度（如间隙）要求比手工焊高 埋弧焊（自动或半自动） § 2 焊接方法和焊缝强度 利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质，保证了焊接过程的稳定性 速度快，焊缝强度高于手工电弧焊，塑性、抗腐蚀性好 气体保护焊 § 2 焊接方法和焊缝强度 电阻焊 § 2 焊接方法和焊缝强度 焊缝连接形式 焊缝形式（按构造分）： 对接焊缝 角焊缝 § 2 焊接方法和焊缝强度 按受力方向分 ： 对接焊缝 ： 正对接焊缝、斜对接焊缝 角焊缝 ： 正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝 焊缝形式 § 2 焊接方法和焊缝强度 按长度方向的布置分 ： 连续角焊缝 ： 受力性能较好，主要的角焊缝形式 间断角焊缝 ： 容易引起应力集中只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中 连续角焊缝 间断角焊缝 § 2 焊接方法和焊缝强度 焊缝形式 焊缝缺陷 　 焊缝缺陷 指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。 常见的缺陷有 裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透 等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。 裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件（如电流、电压、焊速、施焊次序等）选择不合适；焊件表面油污未清除干净等。 焊缝缺陷： 焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷 常见缺陷： 焊缝缺陷 § 2 焊接方法和焊缝强度 焊缝质量检验 《 钢结构工程施工质量验收规范 》 （ GB50205-2001 ）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； 设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除 外观检查 外，还要求用 超声波探伤 进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用 射线探伤 检验，并应符合国家相应质量标准的要求。 焊缝质量检验方法 ： 外观检查、超声波探伤检验、 X 射线检验 焊缝质量分三级 : 一级焊缝需经外观检查、超声波探伤、 x 射线检验都合格； 二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格； 三级焊缝需外观检查合格； 焊缝质量检查 《 焊缝符号表示方法 》(GB/T324-1988) 规定： 焊缝代号由引出线、图形符号、辅助符号三部分组成。 焊缝符号 焊缝强度 § 2 焊接方法和焊缝强度 焊缝的强度主要决定于焊缝金属和主体金属、并与焊接形式、应力集中程度以及焊接工艺等。 对接焊缝：抗压、抗剪同母材 抗拉 I 、 II 级 —— 同母材， III 级母材抗拉强度的 85% 角焊缝：抗拉、抗压和抗剪统一取最低值，不再区分。 水工钢闸门等水工钢结构，应按 《 水利水电工程钢闸门设计规范 》 的规定采用焊缝容许应力。 焊缝强度设计值（ N/mm 2 ） 焊缝强度设计值（ N/mm 2 ） § 3 对接焊缝连接的构造和计算 对接焊缝的 优点 ：用料经济，传力均匀，无明显的应力集中， 利于承受动力荷载。 缺点 ：需剖口，焊件长度要精确 。 对接焊缝 (butt welds) 的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝 (groove welds) 。 变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于 1 ： 2.5 的斜面，避免应力集中 变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于 1 ： 2.5 的斜边，避免应力集中 起落弧处易有焊接缺陷，用引弧板，采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算每条焊缝长度应则减去 2t （ t 为较薄焊件厚度） 对接焊缝的构造处理 对接焊缝的计算 对接焊缝的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。 受压、受剪的对接焊缝：与母材强度相等； 受拉对接焊缝： 一、二级焊缝与母材强度相等； 三级焊缝为母材强度的 85% 。 对接焊缝中的应力分布与原焊件基本相同，故计算方法与构件的强度计算一样，计算时焊缝中的最大应力（或折算应力）不能超过焊缝的强度设计值。 轴心受力的对接焊缝 直对接焊缝 轴心受力的对接焊缝 当斜焊缝倾角 θ≤56.3° ，即 tgθ≤1.5 时，可认为与母材等强，不用计算。 斜对接焊缝 对接焊缝受弯矩、剪力联合作用 承受轴心力，弯矩和剪力联合作用 　 　当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力和折算应力仍按弯矩和剪力联合作用验算。　　 角焊缝连接的形式 按焊缝长度方向与作用力方向的关系可分为： 垂直 ——— 正面角焊缝 ( 端缝 ) ； 平行 ——— 侧面角焊缝 ( 侧缝 ) 斜焊缝 § 3 角焊缝连接的构造和计算 按截面形式可分为 直角角焊缝 和 斜角角焊缝 角焊缝的形式和强度 直角角焊缝 斜角角焊缝 § 3 角焊缝连接的构造和计算 侧面角焊缝 ： 焊缝长度方向与受力方向平行，主要承受剪应力，其特点为应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。弹模低强度低，但塑性较好 正面角焊缝 ： 焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度要高一些，但塑性差 斜焊缝 ： 受力性能和强度介于两者之间 角焊缝按受力方向分类 角焊缝应力状态 a －侧面角焊缝 b －正面角焊缝 § 3 角焊缝连接的构造和计算 角焊缝的构造要求 有效厚度 h e =0.7h f 为焊缝横截面的内接等腰三角形的最短距离，即不考虑熔深和凸度 直角角焊缝强度计算的基本公式 当角焊缝的两焊脚边夹角为 90° 时，称为 直角角焊缝 ，即一般所指的角焊缝 角焊缝截面 直角角焊缝的破坏常发生在喉部 角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度（喉部尺寸）与计算长度的乘积也即以 45° 方向的最小截面 角焊缝有效截面上的应力 § 3 角焊缝连接的构造和计算 角焊缝极限强度 （ 3.1 ） Q235 — 系数为 1.8 其他钢种 — 系数为 1.7 ～ 3.0 与母材公式一致 统一公式 （ 3.2 ） f u w - 焊缝金属抗拉强度 规范采用折算应力，引入抗力分项系数 ： （ 3.3 ） f f w - 角焊缝强度设计值，由抗剪条件确定 √ 3 f f w - 相当于角焊缝抗拉强度设计值 计算 σ ⊥ 、 τ ⊥ 、 τ ∥ 过于繁琐不方便设计计算 § 3 角焊缝连接的构造和计算 进一步简化 ： （ 3.4 ） 合应力 σ f ： § 3 角焊缝连接的构造和计算 分应力 σ ⊥ 、 τ ⊥ ： 沿焊缝长度方向的分力 N x 引起 τ f = τ ∥ （ 3.5 ） § 3 角焊缝连接的构造和计算 σ f 、 τ f 共同作用计算式 ： （ 3.6 ） 或： 对直接承受动力荷载结构中的角焊缝， β f ＝ 1.0 对正面角焊缝， τ f =0 （ 3.7 ） 对侧面角焊缝， σ f =0 （ 3.8 ） 式 3.6 、 3.7 、 3.8 为角焊缝基本计算式适用于任何受力状态 § 3 角焊缝连接的构造和计算 承受轴心力作用时角焊缝连接计算 各种受力状态下角焊缝的计算 只有侧面角焊缝按式（ 3.8 ）计算 只有正面角焊缝按式（ 3.7 ）计算 用盖板的对接连接承受轴心力（拉力、压力或剪力） 三面围焊： 先按式 3.7 计算正面角焊缝承担的内力 N ’ ： 再由（ N - N ‘ ）计算侧面角焊缝的强度： ∑ l w 为连接一侧的正面角焊缝计算长度总和 ∑ l w 为连接一侧的侧面角焊缝计算长度总和 （ 3.9 ） § 3 角焊缝连接的构造和计算 分力法： 垂直于焊缝分力： N x ＝ Nsin θ 平行于焊缝分力： N y ＝ Ncos θ 承受斜向轴心力的角焊缝连接计算 （ 3.10 ） 验算强度 （ 3.6 ） 直接法： 将公式（ 3.10 ）以及 β f ＝ 1.22 直接代入验算公式（ 3.6 ）中可得： （ 3.11 ） § 3 角焊缝连接的构造和计算 承受轴心力的角钢角焊缝计算 a －两面侧焊 b －三面围焊 c － L 形围焊 腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合 § 3 角焊缝连接的构造和计算 三面围焊情况： 先假定正面角焊缝的焊脚尺寸 h f3 ，正面角焊缝所分担的轴心力 N 3 （ 3.12 ） （ 3.13 ） （ 3.14 ） 式中： N 1 、 N 2 －肢背和肢尖侧面角焊缝所分担的轴力 e －角钢的形心距 K 1 、 K 2 －肢背和肢尖焊缝的内力分配系数 § 3 角焊缝连接的构造和计算 角钢角焊缝内力分配系数 K 设计时也可近似取 K 1 ＝ 2/3 ， K 2 =1/3 两面侧焊情况： N 3 ＝ 0 （ 3.15 ） （ 3.16 ） （ 3.17 ） （ 3.18 ） 例 3.2 试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽 B =270mm ，厚度 t 1 =28mm ，拼接盖板厚度 t 2 =16mm 。该连接承受的静态轴心力 N =1400kN （设计值），钢材为 Q235-B ，手工焊，焊条为 E43 型。 § 3 角焊缝连接的构造和计算 方法一： 先假定焊脚尺寸求得焊缝长度 再由焊缝长度确定拼接盖板的尺寸 方法二： 先假定焊脚尺寸求得焊缝长度 再由焊缝长度确定拼接盖板的尺寸 设计拼接盖板的对接连接两种方法： § 3 角焊缝连接的构造和计算 解： 角焊缝的焊脚尺寸 h f 应根据 板件厚度 确定： 由于此处的焊缝在板件边缘施焊，且拼接盖板厚度 t 2 =16mm ＞ 6mm ， t 2 ＜ t 1 ，则： 取 h f ＝ 10mm ，查附表 1.2 可得角焊缝强度设计值： f f w ＝ 160N/mm 2 § 3 角焊缝连接的构造和计算 (1) 采用两面侧焊时： 连接一侧四条焊缝总长度，按式（ 3.8 ）有： 一条侧焊缝实际长度： § 3 角焊缝连接的构造和计算 § 3 角焊缝连接的构造和计算 当拼接板宽度较大时，采用菱形拼接板可减小角部的应力集中，从而使连接的工作性能得以改善。菱形拼接盖板的连接焊缝由端缝、侧缝和斜焊缝组成。 设计时，一般先假定拼接盖板的尺寸再进行验算。拼接盖板尺寸如图所示。 (1) 采用菱形拼接盖板时： § 3 角焊缝连接的构造和计算 则各部分焊缝的承载力分别为： 轴力 N x 剪力 N y 弯距 M ＝ N x × e 承受弯距、轴心力、剪力联合作用的角焊缝连接计算 A 点应力最大，为控制点 弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接连接角焊缝 § 3 角焊缝连接的构造和计算 弯矩 M 作用下， x 方向应力 （ 3.22 ） 剪力作用下， y 方向应力 轴力 N 作用下 ， x 方向应力 M 和 N 作用下的应力方向相同，可直接叠加，故 A 点垂直于焊缝长度方向的应力 σ f 为 （ 3.6 ） 假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受 弯矩、剪力共同作用下工字梁角焊缝连接计算 弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维 1 处 为焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊缝 翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件 （ 3.23 ） 腹板焊缝承受弯曲应力和剪应力的联合作用： 弯曲应力垂直于焊缝长度方向且沿梁高度呈三角形分布 剪应力平行于焊缝长度方向且沿焊缝截面均匀分布 设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝 2 的交点处 腹板焊缝 2 的端点应按下式验算强度： （ 3.6 ） 方法二 ： 假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩 M 化为一对水平力 H = M / h 1 腹板焊缝 2 的端点应按下式验算强度： 腹板焊缝的强度计算式为： 例 3.4 试验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝强度。钢材为 Q235 ，焊条为 E43 型，手工焊。荷载设计值 N =365kN ，偏心距 e ＝ 350mm ，焊脚尺寸 h f 1 ＝ 8mm ， h f 2 ＝ 6mm ，图 b 为焊缝有效截面。 竖向剪力 V ＝ F 扭距 T ＝ F （ e 1 + e 2 ） 承受扭矩剪力联合作用三面围焊角焊缝计算 按弹性理论假定： 被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心 O 旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性的； 角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度 r 成正比。 扭矩 T 引起的剪应力 τ T 最大在 A 点和 A’ 点最大， A 点和 A’ 点为设计控制点 扭距 T 作用下， A 点（或 A‘ 点）的应力 τ T ： τ T 沿 x 轴和 y 轴的分应力 ： （ 3.25 ） （ 3.26 ） 剪力 V 引起的剪应力 τ V 均匀分布 剪力 V 作用下， A 点（或 A‘ 点）的应力 τ Vy ： A 点垂直于焊缝长度方向的应力 σ f ： A 点沿焊缝长度方向的应力 τ Tx A 点合应力满足的强度条件为： （ 3.27 ） 例 3.6 如图所示钢板长度 l 1 ＝ 400mm ，搭接长度 l ＝ α + γ x =400mm ，钢板厚 t ＝ 12mm ，荷载设计值 F ＝ 200kN ，荷载至柱边距离 e 1 ＝ 540mm ，钢材为 Q235 ，手工焊，焊条为 E43 型，试确定焊脚尺寸并验算该焊缝的强度。 解： 焊缝组成的围焊共同承受剪力 V=F 和扭距 T=F （ e 1 + γ x ）的作用，设焊缝尺寸均为 h f ＝ 10mm §5 焊接应力和焊接变形 一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1 、焊接残余应力的分类 A 、 纵向焊接残余应力 — 沿焊缝长度方向 ; B 、 横向焊接残余应力 — 垂直于焊缝长度方向 ; C 、 沿厚度方向的焊接残余应力。 2 、焊接残余应力产生的原因 （ 1 ）纵向焊接残余应力 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达 1600 o C ，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生 热态塑性压缩 ，焊缝冷却时被 塑性压缩 的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生 拉应力 。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到 屈服强度 。焊接残余应力是无荷载的 内应力 ，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。 + - - 500 o C 800 o C 300 o C 300 o C 500 o C 800 o C 施焊方向 8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm - - - - - + + §5 焊接应力和焊接变形 （ 2 ）横向焊接残余应力 产生的原因 : 1 、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向 弯曲变形 的趋势，导致两焊件在焊缝处 中部受拉，两端受压 ； 2 、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生 横向塑性压缩变形 。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生 压应力 ，因 应力自相平衡 ，更远处焊缝则产生 拉应力 ； 应力分布与施焊方向有关 。 以上两种应力的组合即为 横向焊接残余应力。 (a) 焊缝纵向收缩 时的变形趋势 - + - (b) 焊缝纵向收缩 时的横向应力 x y + - + 施焊方向 (c) 焊缝横向收缩 时的横向应力 x y - + - + (d) 焊缝横向 残余应力 y x 不同施焊方向下 , 焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 : - + + 施焊方向 (e) - + - 施焊方向 ( f ) x y y x （ 3 ）沿厚度方向的焊接残余应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生 塑性压缩变形 。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因 应力自相平衡 ，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力 σ x , σ y 外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力 σ z ，这三种应力形成同号 ( 受拉 ) 三向应力，大大 降低连接的塑性 。 - + - 321 σ x σ y σ z 约束状态下的焊接 应力 焊接残余应力的影响 对结构静力强度的影响 对结构刚度的影响 对压杆稳定的影响 对低温冷脆的影响 对疲劳强度的影响 焊接残余变形 残余变形形式 残余变形形式 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法 采取合理的施焊次序 施焊前加相反的预变形（图 a 、 b ） 焊前预热，焊后回火（图 c ） 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法 合理的焊缝设计 焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心 焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸 焊缝不宜过分集中（图 a ） 应尽量避免三向焊缝交叉（图 b ） 考虑钢板分层问题（图 c ） 焊条易达到（图 d ） 避免仰焊 螺栓由螺杆和螺母组成。 螺栓连接 螺栓 普通螺栓 高强螺栓 锚固螺栓 粗制螺栓 精制螺栓 摩擦型 承压型 1. 普通螺栓 C 级 --- 粗制螺栓，性能等级为 4.6 或 4.8 级； 4 表示 f u ≥400N/mm 2 , 0.6 或 0.8 表示 f y /f u =0.6 或 0.8 ； Ⅱ 类孔，孔径 (d o )- 栓杆直径 (d) ＝ 1 ～ 3mm 。 A 、 B 级 --- 精制螺栓，性能等级为 5.6 或 8.8 级 ; 5 或 8 表示 f u ≥500 或 800N/mm 2 , 0.6 或 0.8 表示 f y /f u =0.6 或 0.8 ； Ⅰ 类孔，孔径 (d o )- 栓杆直径 (d) ＝ 0.3 ～ 0.5mm 。 按其加工的精细程度和强度分为 : A 、 B 、 C 三个级别。 2. 高强度螺栓 由 45 号、 40B 和 20MnTiB 钢加工而成，并经过热处理 45 号－ 8.8 级； 40B 和 20MnTiB － 10.9 级 （ a ）大六角头螺栓 （ b ）扭剪型螺栓 孔、螺栓图例 螺栓连接的排列和构造要求 排列方式： 并列或错列 普通螺栓的构造和计算 排列要求 受力要求： 钢板端部剪断，端距不应小于 2 d 0 ; 受拉时，栓距和线距不应过小； 受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大 构造要求 栓距和线距不宜过大 施工要求 有一定的施工空间 普通螺栓连接受剪、受拉时的性能 传力方式： 抗剪螺栓和抗拉螺栓 1 、抗剪螺栓连接 破坏形式： 螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端被剪断；螺栓杆弯曲 受力状态： 弹性时两端大而中间小，进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。 为防止“解纽扣”破坏，当连接长度 l 1 较大时，应将螺栓的承载力乘以折减系数  ： 当 l 1 ≤15 d 0 时，  = 1.0 当 15 d 0 ＜ l 1 ≤60 d 0 时，  = 1.1 － l 1 /150 d 0 当 l 1 ＞ 60 d 0 时，  = 0.7 一个抗剪螺栓的设计承载力计算 抗剪 承载力设计值： 承压 承载力设计值： ( a ) 单剪 ( b ) 双剪 ( c ) 四剪面 一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的 较小值 ： 2 、抗拉螺栓连接 破坏形式： 螺栓杆拉断 为考虑 撬力 的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值 f t b 取同样钢号钢材抗拉强度设计值 f 的 0.8 倍 ( 即 f t b =0.8 f ) 螺栓群的计算 1 、螺栓在轴心力作用下的抗剪计算 螺栓数目 板件净截面强度 净截面面积和受力 并列 （图 a ） N 1 =N ； N 2 =N － ( n 1 / n )  N ； N 3 = N － ( n 1 + n 2 )/ n  N 对被连接板： A n =t ( b － n 1 d 0 ) 对拼接板： A n = 2 t 1 ( b － n 3 d 0 ) 错 列 （图 b ） 除考虑 1-1 截面破坏外，还要考虑 2-2 截面的破坏，净截面面积为 2 、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算 基本假定 ① 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的； ② 各螺栓绕螺栓群形心 o 旋转，其受力大小与其至螺栓群形心 o 的距离 r 成正比，力的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直。 平衡条件： 根据螺栓受力大小与其至形心 o 的距离 r 成正比条件 则 或 验算 3 、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算 在剪力 V 和轴力 N 作用下，螺栓均匀受力： 则螺栓 1 受的最大剪力 N 1 应满足： 在扭矩 T 作用下，螺栓 1 受力为 4 、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算 5 、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算 假定： 中和轴在最下排螺栓处 则 6 、螺栓群同时受剪力和拉力的计算 支托仅起安装作用： 螺栓群受力为 M = Ve 和剪力 V ，则 螺栓不发生拉剪破坏： 板不发生承压破坏： 支托承受剪力： 螺栓群只承受弯矩 M = Ve 作用，则 支托和柱翼缘的角焊缝验算：  为考虑剪力 V 偏心对角焊缝的影响，取 1.25~1.35 高强度螺栓连接的性能 级别： 10.9 级和 8.8 级 （小数点前为螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后的数字是屈强比） 按受力特征分类： 摩擦型连接、承压型连接 影响承载力的因素： 栓杆预拉力、连接表面抗滑移系数和钢材种类 高强度螺栓连接的性能和计算 1 、高强螺栓连接的预拉力 施加方法： 扭矩法、转角法和扭剪法 预拉力设计值： 高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑： ①螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数 0.9 ； ②施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉 5%~10% ，引入折减系数 0.9 ； ③在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数 1/1.2 ； ④钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数 0.9 。 2 、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数 对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈；对于摩擦型连接，要求见下表： 3 、高强螺栓的排列 要求同普通螺栓，同样要考虑连接长度对承载力的不利影响。 高强度螺栓的抗剪承载力设计值 1 、高强螺栓摩擦型连接  R 为 抗力分项系数  R 的倒数，一般取 0.9 ，最小板厚 t 6mm 的冷弯薄壁型钢结构取 0.8 。 2 、高强螺栓承压型连接 破坏状态同普通螺栓，极限承载力由杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同。 高强度螺栓群的抗剪计算 1 、轴心力作用时 螺栓数： 构件净截面强度： 对于承压型连接，验算与普通螺栓相同；对于摩擦型连接，要考虑孔前传力的影响（占螺栓传力的 50% ） 高强度螺栓摩擦型连接的孔前传力 2 、扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同时 螺栓群受扭矩 T 、剪力 V 和轴心力 N 共同作用的高强度螺栓连接的抗剪计算与普通螺栓相同，只是用高强度螺栓的承载力设计值。 高强度螺栓的抗拉连接计算 抗拉承载力 轴心拉力的螺栓数： 弯矩作用时： （ 1 ）高强度螺栓摩擦型连接 尽管当 N t ≤P 时，栓杆的预拉力变化不大，但由于 μ 随 N t 的增大而减小，且随 N t 的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定在 V 和 N 共同作用下应满足下式： 同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算 （ 2 ）高强度螺栓承压型连接 对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同。 为了防止孔壁的承压破坏，应满足： 系数 1.2 是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。 同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算 例 3.16 如图所示高强度螺栓摩擦型连接。被连接构件钢材为 Q235-B ，螺栓为 10.9 级，直径 20mm ，接触面采用喷砂处理。试验算此连接的承载力。图中内力均为设计值。 Thanks!