1、,第19章 钢结构用材概况19.1 钢结构用钢性能19.2 钢结构用钢的种类及选用,钢结构Steel Structure,建筑用钢应符合的条件：1、具有较高的强度2、具有较高的塑性、韧性、耐疲劳性能3、具有良好的工艺性,19.0.1 钢结构用材的力学性能,主要力学性能有：强度、塑性、韧性、可焊性、冷弯性能、耐久性等。,强度：有屈服强度fy和抗拉强度fu两个指标fy作为钢材强度标准值的取值依据；fu作为一种安全储备，使构件在弹塑性工作阶段具有较大的承载力。,第四篇 钢结构 19 钢结构用材概况,一 静力单向拉伸时的性能 1.工作条件 标准试件（GB22863），常温（20）下缓慢加载，一次完成。
2、含碳量为0.1%0.3%。 标准试件：lo/d=5、10；lo-标距； d -直径,钢材的工作性能,d,2.阶段划分,A.有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：,(1)弹性阶段(OB段),OA段材料处于纯弹性，即:,AB段有一定的非弹性变形, 但整个OB段卸载时，=0；E=206103N/mm2,（2）弹塑性阶段（BC) 该段很短,表现出钢材的非弹性性质; B屈服上限; C屈服下限(屈服点),（3）屈服阶段（CD) 该段基本 保持不变（水 平), 急剧 增大,称为屈 服台阶或流 幅段,变形模 量 E = 0,（4）强化阶段(DE段),极限抗拉强度fu,（5）颈缩阶段(EF段),随荷载的增加缓慢增
3、大,但增加较快,B.对无明显屈服点的钢材,该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。,设计时取相当于 残余变形为0.2% 时所对应的应力 作为屈服点条件屈服点,3.单向拉伸时钢材的机械性能指标,（1）屈服点fy-应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度fu-应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率,（4）断面收缩率,它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。,当l0/d=5时，用5表示，当l0/d=10时，用10表示。,1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy2.较好的塑性：主要采用伸长率表
4、达3.良好的冲击韧性 衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。,钢结构对材料性能的要求,(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口,由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性， 单位：J。Cv受温度的影响,冲击韧性试验装置,4.合格的冷弯性能,衡量钢材塑性性能和质量优劣的综合指标。,5.良好的可焊性,主要取决于钢材的成分，尤其是碳和其它杂质的含量，可通过试验评定。,一、塑性破坏 破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。 二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然
5、，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。,二 钢材的破坏形式,（一）、化学成分 普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%； 普通低合金钢中合金元素5%。 1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在0.22%以下， 在0.2以下时，可焊性良好。,二、 影响钢材性能的主要因素,2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金
6、元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。,7.氧（O）：有害杂质，与S相似。8.氮（N）：有害杂质，与P相似。9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,（二）冶金缺陷,常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；气孔；裂纹等。,（三）、钢材的硬化,冷作硬化当荷载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，也称“应变硬化”。 时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的
7、同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,（四）、温度影响,1正温范围,200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。,250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。 260320产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。,（五）、应力集中,1.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,2.应力集中的影响,应力集中对应力-应变关系的影响,3.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时
8、，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。,（六）、钢材的疲劳,在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。,疲劳破坏的机理,疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷微观裂纹宏观裂纹。,疲劳破坏的特征,属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。,19.2 钢种钢号,碳素钢：按质量等级将钢分为A、B、C、D四级 A级钢最差，只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时也可附加冷弯试验的要求。 B、C、D级钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性(分别为+20，0，-20)等力学性能。,钢结构中常用普通低碳钢和普通低合金钢：,第四篇 钢结构 19 钢结构用材
9、概况,11.0.2 钢种钢号,如：Q235A 表示屈服强度为235 N/mm2的A级镇静碳素结构钢；Q235D 表示屈服强度为235 N/mm2的D级特殊镇静碳素结构钢。,钢的牌号由屈服点中屈字汉语拼音的字首Q，屈服点数值（N/mm2）质量等级代号（A、B、C、D）脱氧方法代号（F、b、Z、TZ）沸腾、半镇静、镇静、特殊镇静钢；等四个部分按顺序组成。镇静钢（Z）特殊镇静钢（TZ）代号Z、TZ可以省略，C 级为镇静钢，D级为特殊镇静钢。,第八章 钢结构 11.0 钢结构用材概况,11.0.2 钢种钢号,A、B、C、D、E四个等级A级无需冲击韧性试验B级20 的冲击韧性 C级0 的冲击韧性 D级-
10、20 的冲击韧性 E级-40 的冲击韧性,低合金钢分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。,Q345B屈服强度为345 N/mm2，B级镇静钢；Q390D屈服强度为390 N/mm2，D级特殊镇静钢。,第八章 钢结构 11.0 钢结构用材概况,（二）钢材选择建议,1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。,2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保
11、证。,3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证； 对于Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。 当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证； 对Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,5、重要的受拉或受弯的焊接构件
12、中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。,6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313的规定。,8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢GB/T4172的规定。,7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15，Z25，Z35，分别对应其允许值。,19.3 钢结构常用型材,1）钢板和钢带,钢带、钢板区别在成品形状,如500102100，50010,2）热轧型
13、材（工、槽、角钢）,20号以上的工字钢分a、b或a、b、c三类，其中a类腹板最薄、翼缘最窄，c类最厚最宽,如I32a、I32b、I32c,第四篇 钢结构 19 钢结构用材概况,19.3 钢结构常用型材,2）热轧型材（工、槽、角钢）,从14开始，亦有a、b或a、b、c规格的区分,如32a、 32b、 32c,2）热轧型材（工、槽、角钢）,不等边角钢“长肢宽短肢宽厚度”,如100638,等边角钢“肢宽厚度”,如1008,第四篇 钢结构 19 钢结构用材概况,19.3 钢结构常用型材,3）H型钢和T型钢,H型钢与普通工字钢的区别:翼缘宽，故早期有宽翼缘工字钢一说；翼缘内表面无斜度、上下表面平行，便于
14、与其它构件连接；从材料分布形式来看，工字钢材料主要集中在腹板附近，愈向两侧延伸，钢材愈少，而在轧制H型钢中，材料分布侧重在翼缘部分。 所以，H型钢的截面特性要明显优越于传统的工、槽、角钢及它们的组合截面。,H型钢和T型钢均分为三类：宽翼缘：HW TW；中翼缘：HM TM；窄翼缘：HN TN。,如HW3003001015,第四篇 钢结构 19 钢结构用材概况,19.3 钢结构常用型材,4）冷弯薄壁型钢,其截面形式有等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢等开口截面以及方形和矩形闭口截面的管材。,5）钢管,有热轧无缝钢管和焊接钢管两大类，焊接钢管分为直缝焊、螺旋焊两种，用符号“”
15、后加“外径厚度”,如1025,螺旋焊管,第四篇 钢结构 9 钢结构用材概况,三、钢材的规格,热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。,（一）热轧钢板,（表示方法 宽厚度长度 ）,分为:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm),扁钢： 厚度4-60mm， 宽度20-200mm。,(二）热轧型钢,1.工字钢,2.槽钢,工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),3.角钢,4.H型钢,分为：宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HN,5.钢管,（三）冷弯薄壁型钢,壁厚1.55mm,压型钢板壁厚0.41.5mm,与Q235钢相当的国外钢
16、材（fy=235255 N/mm2） ：A36美国） ，43A、43B（英国）， St37（德国），SM41（日本），Fe360（ISO）等。,与Q345钢、Q390钢和Q420钢相当的国外钢种为： A242，A440，A441（美国）； 50AD，55CE（英国） St52，St70（德国）； SM50，SM53，SM58（日本）。,本章小结,1.钢材的工作性能,2.钢结构对材料性能的要求,3.影响钢材性能的主要因素,4.钢材疲劳的概念和计算方法,5.结构用钢材的种类和规格,认真考虑思考题！,20.1 钢结构的连接方法,连接方法有焊接、螺栓和铆钉连接三种,1、焊缝连接Welding conn
17、ection,焊接连接是通过电弧产生热量，使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成一体。,优点：任何形式的构件一般都可直接相连，不削弱构件截面，用料经济，构造简单，加工方便，连接刚度大，密封性能好，可采用全自动或半自动作业，生产效率高。缺点：焊缝附近钢材，在高温作用下形成热影响区，其金相组织和力学性能发生变化，导致局部材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的加温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定的影响。,第四篇 钢结构 20 钢结构的连接,三、螺栓连接,优点：连接刚度大，传力可靠；,分为： 普通螺栓连接 高强度螺栓连接,二、铆钉连接,缺点
18、：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差， 施工速度慢。,优点：拆装方便 缺点：板件有削弱,20.1.1 焊接连接,1. 焊接原理,钢结构常用的焊接方法是电弧焊,包括手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊及气体保护焊等。,手工电弧焊电路由焊条、焊钳、焊件、电焊机与导线组成。通电引弧后，在涂有焊药的焊条端与焊件间产生电弧，使焊条熔化，熔滴滴入被电弧吹成的焊接溶池中，焊药燃烧在熔池周围形成保护气体，稍冷后在焊缝熔化金属表面形成熔渣，以隔绝熔池中液体金属与氧、氮等气体的接触，避免形成脆性易裂化合物，焊缝金属冷却后与焊件熔成一体。,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,手工电弧焊操作及电弧焊机,直流手工
19、电弧焊-氩弧焊多功能焊机,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,手工电弧焊焊条,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,焊条有碳钢焊条和低合金钢焊条。其牌号为E43、E50和E55型等，E表示焊条，数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值（单位为Kgf/mm2）。,上图为XWJ422是钛钙型药皮的优质低碳钢电焊条。,一般情况下，焊条与母材的对应关系如下：Q235钢材，采用E43焊条；Q345钢材，采用E50焊条；Q390、Q420钢材，采用E55焊条。,自动或半自动埋弧焊,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,自动或半自动埋弧焊主要设备是自动电焊机，沿轨道按设定速度移动，通电引弧后，使埋于焊剂下的
20、焊丝和附近的焊剂熔化，熔渣浮在熔化的焊缝金属上面，使融化金属不与空气接触，并供给焊缝金属以必要的合金元素，随焊机的移动，颗粒状焊剂不断从料斗漏下，电弧完全被埋在焊剂之内，同时焊丝自动地边熔化边下降，称为自动埋弧焊。 (沿轨道推移过程由人工控制时，称为半自动埋弧焊),手工电弧直流/直流脉冲氩弧焊两用机,自动或半自动埋弧焊,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,门式全自动埋弧焊机,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,H型钢柱上的焊缝,气体保护焊,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,设备来自上海怡宾机电,气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。直接依靠保护气体
21、在电弧周围形成局部的保护层，以防止有害气体侵入，从而保持焊接过程的稳定，气体保护焊又称气电焊。(最常用的惰性气体是氩气),二氧化碳气体保护焊,气体保护焊现场实例,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,西湖国际大厦施工现场采用二氧化碳气体保护施焊,气体保护焊现场实例,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,杭州广播电视新楼施工现场采用二氧化碳气体保护施焊,焊缝的形式与构造,第四篇 钢结构 20.1 钢结构的连接,连接方式分为：对接连接、搭接连接、形连接、角接连接四种,二、焊接连接形式和焊缝形式,1.焊接连接形式,对接,搭接,2.焊缝形式,（1）对接焊缝,（2）角焊缝,3. 焊缝位置,三、焊缝缺
22、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
23、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。,（）重级工作制和起重量 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形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。,（）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的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,4.焊缝代号,详细参见表3-1，图3-13,1、对接焊缝的坡口形式:,（一）、对接焊缝的构造,三、对接焊缝的构造与计算,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:t
24、6mm(手工焊),t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度；4、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。,对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种；动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；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
25、一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。,（二）、对接焊缝的计算,1、轴心力作用下的对接焊缝计算,式中： N轴心拉力或压力； t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度； ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。,当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。,另:当tan1.5时,不用验算!,2、M、V共同作用下的对接焊缝计算,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：,式中：Ww焊缝截面模量； Sw-焊缝截面面积矩； Iw-焊缝截面惯性矩。,（1）板件间对接连接,（2）工字形截面梁对接连接计算,A、对于焊缝的max和max应满足式3-2和3-3要求；,B、对于翼缘与
26、腹板交接点焊缝（1点），其折算应 力尚应满足下式要求：,1.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。,1、角焊缝的形式:,（一）、角焊缝的形式和受力分析,四 角焊缝的构造与计算,直角角焊缝、斜角角焊缝,（1）直角角焊缝,（2）斜角角焊缝,对于135o或6mm时，hf,maxt-(12)mm；,2、最小焊脚尺寸hf,min,为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:,式中: t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 当t24mm时, hf,min=t2,3.侧面角焊缝
27、的最大计算长度,侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：,注： 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑； 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。,4.侧面角焊缝的最小计算长度,对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：,5. 搭接连接的构造要求,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时： A、为了避免应力传递的过
28、分弯折而使构件中应力 不均，规范规定：,B、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲 太大，规范规定：,D. 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的5倍，且不得小于25mm。,C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕 角焊，且转角处必须连续施焊。,对于正面角焊缝，f=0，可得：,对于侧面角焊缝，f=0，可得：,以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其 实际长度减去2hf。,四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算,1、轴心力作用下,(1)轴心力作用下的盖板对接连接:,A、仅采用侧面角焊缝连接：,B、采用三面围焊连接：,(3)角钢角焊缝
29、连接,A、仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得:,故:,对于校核问题:,对于设计问题:,B、采用三面围焊,由力及力矩平衡得:,余下的问题同情况A，即:,对于校核问题:,对于设计问题:,C、采用L形围焊,由平衡条件可得:,对于设计问题:,2、N、M、V共同作用下,(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算,(2) V、M共同作用下焊缝强度计算,对于A点：,式中：Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩； h1两翼缘焊缝最外侧间的距离。,对于B点：,强度验算公式：,式中：h2、lw,2腹板焊缝的计算长度； he,2腹板焊缝截面有效高度。,20.1 钢结构的连接方式,连接方法有焊接、螺栓和铆钉连接三种,2、螺
30、栓连接,分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接,优点：施工工艺简单，安装方便，特别适用于工地安装连接，工程进度和质量易得到保证。缺点：因开孔对构件截面有一定的削弱，且被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角钢等连接件，因而比焊接连接用材较多，构造也较繁。,第四篇 钢结构,3.6 普通螺栓连接构造与计算,一、普通螺栓的种类和构造要求,（一）普通螺栓种类,C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级；4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) 13mm。,A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu500或800N/mm
31、2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。,按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,20.1 钢结构的连接方式,1）普通螺栓连接,螺栓连接施工简单，固定可靠，无需专用设备，广泛用于临时固定构件及可拆卸结构的安装。,分为A、B、C三级 A、B级螺栓(旧称精制螺栓)，C级螺栓(旧称粗制螺栓)。钢结构采用的普通螺栓形式为大六角头型，粗牙普通螺栓，其代号用字母M和公称直径的毫米数表示。建筑工程中常用M16、M20、M22、M24等。,第四篇 钢结构,A、B级螺栓加工精制，精度高要求I类孔，孔径与栓径相同，栓杆和螺孔间空隙仅为0.
32、3mm左右。在钢结构中已很少采用 C级螺栓由圆钢压制成，表面粗糙，要求类孔，孔径比螺栓杆径大1.53mm。 传递剪力时，变形大，但传递拉力时性能尚好，且成本低，故多用于承受拉力的安装螺栓连接、次要结构中。,20.1 钢结构的连接方式,2）高强度螺栓连接,优点是施工简便、受力好、耐疲劳、可拆换、工作安全可靠。已广泛用于钢结构连接中，尤其适用于承受动力荷载的结构中。,第四篇 钢结构,按传力方式分为摩擦型和承压型两种。摩擦型高强螺栓靠被连接板件间的强大摩擦阻力传递剪力，以摩擦阻力刚被克服作为连接承载力的极限状态。承压型高强螺栓靠被连接板件间的摩擦力和螺栓杆共同传递剪力，以螺栓杆被剪坏或被压（承压）坏
33、作为承载力的极限。承压型的承载力比摩擦型高，可节约螺栓。但承压型的剪切变形比摩擦型的大，故只适用于承受静力荷载和对结构变形不敏感的结构中，不得用于直接承受动力荷载的结构中。,高强度螺栓连接传递剪力的机理和普通螺栓连接不同，普通螺栓连接靠螺栓杆承压和抗剪来传递剪力，高强度螺栓连接靠被连接板件间的强大摩擦阻力来传递剪力。,高强度螺栓连接,第四篇 钢结构,10.9S 高强度扭剪型螺栓,扭剪型螺栓特制机动扳手,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20MnTiB10.9级,大六角高强螺栓,扭剪型高强螺栓,一、高强度螺栓的工作性能及单栓承载力
34、 按受力特征的不同高强度螺栓分为两类： 摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力， 破坏准则为克服摩擦力； 承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。1、高强度螺栓预拉力的建立方法 通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法： A、转角法 施工方法： 初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；,终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的 角度，一般为120o180o完成终拧。,特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧 和超拧；B、扭矩法 施工方法： 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使 板件贴紧密； 终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,
35、C、扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）,施工方法： 初拧拧至终拧力矩的60%80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等高强度螺栓的施工要求： 由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格：1）终拧力矩偏差不应大于10%；2）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换；3）拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。 如工字型梁为：上翼缘下翼缘腹板。,（二）螺栓的排列,1.并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大；,2.错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小；,3.螺栓排列的要求,（1）受力要求: 垂
36、直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小； 顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小； 对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。（2）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。,（3）施工要求,为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。,（三）螺栓连接的构造要求,为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓，但组合构件的缀条除外；直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；C级螺栓宜用于沿杆轴
37、方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接： 1、承受静载或间接动载的次要连接； 2、承受静载的可拆卸结构连接； 3、临时固定构件的安装连接。,二、螺栓连接的受力形式,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,三、普通螺栓抗剪连接,（一）工作性能和破坏形式 1.工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,即： (1)摩擦传力的弹性阶段(01段) 直线段连接处于弹性状态； 该阶段较短摩擦力较小。,(2)滑移阶段(12段) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上
38、为水平段。,(3)栓杆传力的弹性阶段(23段) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。,(4)弹塑性阶段(34段) 达到3后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。 4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。,2.破坏形式,（1）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断 截面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。,（4）板件端部被剪坏(拉豁) 端矩过小时；端矩不应小于2dO,（5）栓杆弯
39、曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d,（二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值,由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:,nv剪切面数目； d螺栓杆直径；fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值；t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,剪切面数目nv,（三）普通螺栓群抗剪连接计算,1、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算,试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。,所以，连接所需螺栓数为：,（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能,四、普通螺栓的抗拉连接,抗拉螺栓连接在外力作用
40、下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。,（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,式中：Ae-螺栓的有效截面面积； de-螺栓的有效直径； ftb-螺栓的抗拉强度设计值。,(三）普通螺栓群的轴拉设计,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：,(四）普通螺栓群在弯炬作用下,M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各 螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。,显然1号螺栓在M作用下所受拉力最大,由力学及假定可得：,同前可得:,强度要求为：,(五）普通螺栓群在偏心拉力作
41、用下,偏心力作用下普通螺栓连接，可采用偏于安全的设计方法，即叠加法。,五、普通螺栓拉、剪联合作用,因此：,2、由试验可知，兼受剪力和拉力 的螺杆，其承载力无量纲关系 曲线近似为一“四分之一圆”。,1、普通螺栓在拉力和剪力的共同 作用下，可能出现两种破坏形 式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔 壁的承压破坏；,3、计算时，假定剪力由螺栓群均 匀承担，拉力由受力情况确定。,规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：,为了防止孔壁的承压破坏，应满足：,2、高强度螺栓预拉力的确定,高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数：考虑材料的不均匀性的折减系数0.9
42、；为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9；考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。附加安全系数0.9。 因此，预拉力：,Ae螺纹处有效截面积；fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2， 10.9级，取fu =1040N/mm2,3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数,摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数 ；板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而减小；,规范给出了预拉力值和不同钢材在不同接触面处理方法下的抗滑移系数,如下表,A、摩
43、擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为：,上式未考虑橇力的影响，当考虑橇力影响时，螺栓杆的拉力Pf与Nt的关系曲线如图：Nt0.5P时，橇力Q=0；Nt0.5P后，橇力Q出现，增加速度先慢后快。橇力Q的存在导致连接的极限承载力由Nu降至Nu。所以，如设计时不考虑橇力的影响,应使Nt0.5P或增加连接板件的刚度（如设加劲肋）。,B、承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：,式中：Ae-螺栓杆的有效截面面积； de-螺栓杆的有效直径； ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值。上式的计算结果与0.8P相差不多。,（1）高强度螺栓摩擦型连接 尽管当NtP时，栓杆
44、的预拉力变化不大，但由于随Nt的增大而减小，且随Nt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：,6、高强度螺栓连接在拉力和剪力共同作用下的工作性能和单栓承载力,（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。,二、高强度螺栓群的抗剪计算,1、轴心力作用 假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,对于摩擦型连接：,对于承压型连接：,高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算.,A、高强度螺栓摩擦型连接,主板的危险截面为1-1截面。,考虑孔前传力50%得：,1-1截面的内力为：,拼接板的危险截面为2-2截面。,考虑孔前传力50%得：,2-2截面的内力为：,B、高强度螺栓承压型连接的净截面验算与普通螺栓的净截面验算完全相同。,2、扭矩或扭矩、剪力共同作用下,计算方法与普通螺栓相同，即：,剪力F作用下每个螺栓受力：,
