第19講第六章第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)連接2013年新版

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制圖標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50105-2010）。（4）焊縫尺寸在基準(zhǔn)線上的注法是：1）有關(guān)焊縫橫截面的尺寸如角焊縫的焊腳尺寸hf；等一律標(biāo)在焊縫基本符號(hào)的左側(cè)2）有關(guān)焊縫長(zhǎng)度方向的尺寸如焊縫長(zhǎng)度等一律標(biāo)在焊縫基本符號(hào)的右側(cè)。當(dāng)箭頭線的方向改變時(shí)，上述原則不變。3）對(duì)接焊縫的坡口角度、根部間隙等尺寸標(biāo)在焊縫基本符號(hào)的上側(cè)或下側(cè)。3．對(duì)接焊縫的計(jì)算和構(gòu)造一般情況下，對(duì)接焊縫的有效截面與所焊接的構(gòu)件截面相同，焊縫的受力情況與構(gòu)件相似，焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值又與母材相等（一、二級(jí)焊縫時(shí)），因此當(dāng)構(gòu)件已滿(mǎn)足強(qiáng)度要求時(shí)，對(duì)接焊縫的強(qiáng)度就沒(méi)有必要再進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)焊縫質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)時(shí)，其抗拉和抗彎曲受拉的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftw=0.85f；當(dāng)對(duì)接焊縫不用引弧板施焊時(shí)，每條焊縫的有效長(zhǎng)度應(yīng)較實(shí)際長(zhǎng)度減小2t；對(duì)施工條件較差的高空安裝焊縫，由于焊接質(zhì)量較地面上施焊時(shí)難以保證，設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.9；對(duì)無(wú)墊板的單面施焊對(duì)接焊縫，由于不易焊滿(mǎn)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.85。對(duì)接焊縫的強(qiáng)度計(jì)算方法與構(gòu)件截面強(qiáng)度計(jì)算相同。構(gòu)件截面強(qiáng)度的計(jì)算除少數(shù)情況外都是直接利用材料力學(xué)公式，因而焊縫強(qiáng)度也就完全可利用材料力學(xué)中的計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行，這里就不一一提及。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足有關(guān)構(gòu)造要求，具體見(jiàn)規(guī)范第7.2.1條及第8.2.1-8.2.5條。4．直角角焊縫的計(jì)算和構(gòu)造（l）基本概念1）直角角焊縫的截面形狀：如圖6-18所示，因工程應(yīng)用中多數(shù)屬此，故常簡(jiǎn)稱(chēng)角焊縫。絕大多數(shù)角焊縫的兩焊腳尺寸相等均為hf，焊縫表面略凸如圖6-18（a）所示，少數(shù)因需要而采用不等焊腳尺寸或?yàn)榘济嫒鐖D6-18（b）和圖6-18（c）所示。2）角焊縫的有效截面Ae：計(jì)算時(shí)不計(jì)及余高和熔深，假定焊縫截面為一等邊直角三角形如圖6-18所示（圖中未示出熔深），取每條角焊縫的有效截面為Ae=helw=0.7hflw。這里，hf為焊腳尺寸（圖6一18),0.7hf為焊縫的計(jì)算厚度（或稱(chēng)有效厚度）記作he;lw是焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，對(duì)每條焊縫取其實(shí)際長(zhǎng)度l減去2hf，即取lw=l一2hf，以考慮焊接時(shí)起弧和熄弧處焊縫有缺陷的不利影響。3）側(cè)面角焊縫：焊縫長(zhǎng)度（軸線）與外力作用方向一致（平行）的焊縫稱(chēng)為側(cè)面角焊縫，如圖6-19所示。試驗(yàn)研究表明：側(cè)面截面角焊縫主要受剪，強(qiáng)度較低，破壞通常發(fā)生在沿45°方向的有效截面，因此強(qiáng)度較低，但塑性性能好；沿焊縫長(zhǎng)度在有效截面上的剪應(yīng)力分布不均勻，兩端大，中間較小，焊縫愈長(zhǎng)，不均勻分布的程度愈大，但由于塑性變形，在破壞前分布可逐漸趨向均勻。4）正面角焊縫：焊縫長(zhǎng)度與外受力作用方向相垂直的焊縫稱(chēng)為正面角焊縫，如圖6-19所示。試驗(yàn)研究表明：正面角焊縫多軸受力（復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)），破壞通常不發(fā)生在45°方向的有效截面，因此強(qiáng)度較側(cè)面角焊縫為高，一般可高1/3左右，且剛度較大；沿焊縫長(zhǎng)度在有效截面上的應(yīng)力分布較均勻。（2）基本假定角焊縫中的應(yīng)力分布較復(fù)雜，側(cè)面角焊縫和正面角焊縫的受力性能不同，很難精確計(jì)算。因此，目前我國(guó)和國(guó)際上許多國(guó)家（地區(qū)）對(duì)角焊縫采用簡(jiǎn)化計(jì)算法，即計(jì)算時(shí)采用以下簡(jiǎn)化假定：1）每條角焊縫計(jì)算時(shí)的破壞截面為沿45°方向的有效截面，即為helw=0.7hflw。2）角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取相同數(shù)值，規(guī)范中記作ffw。3）在軸心力（通過(guò)焊縫形心的拉力、壓力或剪力）作用下，沿焊縫長(zhǎng)度有效截面上的應(yīng)力均勻分布；彈性分析時(shí)，力矩（彎矩或扭矩）作用下焊縫有效截面上的應(yīng)力按材料力學(xué)公式計(jì)算。大量試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，上述三個(gè)基本假定是安全可靠的。（3）基本計(jì)算公式l）在通過(guò)焊縫形心的拉力、壓力或剪力作用下：正面角焊縫（作用力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向）:側(cè)面角焊縫（作用力平行于焊縫長(zhǎng)度方向）:2）在各種力綜合作用下，σf和τf共同作用處：式中σf―按焊縫有效截面（helw）計(jì)算，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力；τf―按焊縫有效截面（helw）計(jì)算，沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力；βf―正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)：對(duì)承受靜力荷載和間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)βf=1.22；對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，βf=1.0。其他符號(hào)意義同前。（4）角焊縫的尺寸限制和構(gòu)造要求角焊縫的尺寸包括焊腳尺寸和焊縫計(jì)算長(zhǎng)度等。在設(shè)計(jì)角焊縫連接時(shí)，除滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還必須符合對(duì)其尺寸的限制和構(gòu)造上的要求，見(jiàn)規(guī)范8.2.7-8.2.13.三、螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算1．螺栓的排列（1）排列要求1）制造要求：螺栓在連接中的排列要考慮便于制造，例如螺栓應(yīng)排列成行，如圖6-22所示，以便利用多頭鉆床鉆孔。2）施工要求：相鄰螺栓孔的中心應(yīng)保證為擰緊螺栓置放扳手所需的最小間距。3）受力要求：端距過(guò)小時(shí)，構(gòu)件端部鋼材易剪壞（見(jiàn)圖6-23d)，因而要規(guī)定一個(gè)最小端距。螺栓線上的螺栓距過(guò)小，則受力后兩螺栓孔間的鋼材也易剪壞；而螺栓間距過(guò)大，當(dāng)構(gòu)件為受壓時(shí)，兩螺栓中心間的板件易局部屈曲。因此，需規(guī)定最小螺栓間距和最大螺栓間距。4）構(gòu)造要求：線距和螺栓距過(guò)大時(shí)，連接中板件間接觸不密實(shí)，潮氣易侵入而使鋼材銹蝕；端距過(guò)大，端部板材易翹起等等。因此，需規(guī)定最大螺栓間距和最大螺栓端距。規(guī)范8.3.4條給出了螺栓或鉚釘?shù)淖畲?、最小容許距離，設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循。（2）規(guī)范規(guī)定規(guī)范綜合考慮上述要求，根據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定了排列螺栓時(shí)的最大和最小容許距離要求，例如：螺栓的最小中心距（P和g）=3d0，最小端距a=2d0和最小邊距（高強(qiáng)度螺栓）c=1.5d0，這里d0是螺栓的孔徑。具體規(guī)定見(jiàn)規(guī)范第8,3,4條，設(shè)計(jì)時(shí)必須遵照采用。熱軋型鋼上排列螺栓的要求可參閱有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)和鋼結(jié)構(gòu)教科書(shū)。（2）螺栓和螺栓孔的表示方法螺栓和螺栓孔的表示方法見(jiàn)表6-3（摘自《建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50105-2001）。2．普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的工作性能（1）抗剪螺栓連接中的六種破壞形式普通螺栓連接螺帽的擰緊程度為一般，沿螺栓桿產(chǎn)生的軸向拉力不大，因而在抗剪連接中雖然連接板件接觸面有一定的摩擦力，但其值甚小，摩擦力會(huì)迅速被克服而主要依靠孔壁承壓和螺桿受剪傳遞荷載；高強(qiáng)度螺栓承壓型連接以摩擦力被克服、使螺桿受剪和孔壁承壓破壞為承載力極限狀態(tài)。因此在計(jì)算中都不考慮摩擦力的存在。圖6-23和圖6-24給出了抗剪螺栓連接六種可能的破壞形式。l）螺栓桿被剪斷（螺栓直徑較小而板件較厚時(shí)，圖6-23a和b）。2）鋼板孔壁承壓破壞（螺栓直徑較大而板件較薄時(shí)，圖6-23c）。3）構(gòu)件被拉斷或壓壞（螺栓孔對(duì)構(gòu)件截面的削弱過(guò)大時(shí)，圖6-23d）。4）板件塊狀拉、剪撕裂。5）鋼板受剪撕裂（螺栓端距或螺栓孔間距過(guò)小時(shí)，圖6——23e）。6）螺栓彎曲變形（板疊連接厚度∑t過(guò)大，圖6-23f）。（2）抗拉螺栓連接中的撬力抗拉螺栓連接必須通過(guò)T形連接件（或由雙角鋼組成的T形連接件）傳力，如圖6-26（a）所示。由于連接件的相對(duì)柔性，受力后連接件的翼緣板將發(fā)生彎曲變形，如圖6-26（b)所示，使螺栓桿承受軸心拉力N，同時(shí)連接件翼緣板趾部與橫梁下翼緣間產(chǎn)生壓力Q。由杠桿作用產(chǎn)生的此壓力Q稱(chēng)為撬力。由圖6-26（b）可見(jiàn)螺栓所受軸心拉力不是N＝F而為N=F+Q，即螺栓拉力大于所受荷載值設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與考慮。3．普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的計(jì)算螺栓連接的計(jì)算通常按下列“四步曲”進(jìn)行：（l）計(jì)算單個(gè)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值；（2）按螺栓最大內(nèi)力確定所需螺栓數(shù)量；（3）按構(gòu)造要求排列需要的螺栓，這里需注意，每一構(gòu)件在結(jié)點(diǎn)上以及拼接接頭的一端，永久性的螺栓數(shù)不宜少于兩個(gè)；（4）進(jìn)行構(gòu)件的凈截面強(qiáng)度和塊狀拉剪破壞驗(yàn)算（必要時(shí)）。在受力較復(fù)雜的螺栓連接中，也可先假定需要的螺栓數(shù)進(jìn)行排列后驗(yàn)算受力最大的螺栓是否小于其承載力設(shè)計(jì)值；相差過(guò)大時(shí)，重新假定螺栓數(shù)進(jìn)行排列和驗(yàn)算。螺栓內(nèi)力分析、構(gòu)件凈截面強(qiáng)度和塊狀拉剪破壞的驗(yàn)算均可利用材料力學(xué)公式進(jìn)行，不再贅述。因此，對(duì)抗剪螺栓連接和抗拉螺栓連接只需介紹單個(gè)螺栓承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法。（l）抗剪螺栓連接中的螺栓承載力設(shè)計(jì)值Nb取受剪承載力設(shè)計(jì)值和孔壁承壓承載力設(shè)計(jì)值中的較小者。一個(gè)螺栓的受剪承載力設(shè)計(jì)值為：式中nv―受剪面數(shù)目，圖6-23（a）所示為單剪，取nv=1，圖6=23（b）所示為雙剪，取nv=2;fvb―螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（見(jiàn)規(guī)范表3.4.1-4)，其值與螺栓的類(lèi)別有關(guān)；d―螺栓桿直徑，對(duì)高強(qiáng)度螺栓承壓型連接，當(dāng)剪切面處于螺紋處時(shí)應(yīng)取螺紋處的有效直徑進(jìn)行計(jì)算，但對(duì)普通螺栓，不論剪切面是否處在螺紋處，一律取螺桿的直徑進(jìn)行計(jì)算。一個(gè)螺栓的孔壁承壓承載力設(shè)計(jì)值為：式中∑t―在同一受力方向承壓的構(gòu)件較小總厚度；fcb―螺栓的孔壁承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（見(jiàn)規(guī)范表3.4.1~4)，其值與連接件的鋼材牌號(hào)及螺栓的類(lèi)別有關(guān)。抗剪螺栓連接中一個(gè)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值為：式中，ηb是螺栓承載力設(shè)計(jì)值的折減系數(shù)，用于考慮當(dāng)螺栓沿受力方向的連接長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，螺栓受力不均勻（圖6-27）的不利影響。折減系數(shù)ηb按下列公式計(jì)算：式中l(wèi)1―從連接一端的第一個(gè)螺栓到最末一個(gè)螺栓的中心距離； d0―螺栓孔直徑。（2）抗拉螺栓連接中的螺栓承載力設(shè)計(jì)值Ntb一個(gè)螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)按下式計(jì)算：式中de―螺栓在螺紋處的有效直徑；ftb―螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（見(jiàn)規(guī)范表3.4.1-4)，其值與螺栓的性能等級(jí)有關(guān)。4．高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的計(jì)算計(jì)算步驟與前面普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓承壓型連接計(jì)算中所述“四步曲”相同，但第一步和第四步中的計(jì)算方法不同，即計(jì)算單個(gè)螺栓承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法和構(gòu)件凈截面強(qiáng)度的驗(yàn)算方法兩者不同，還有螺栓受彎時(shí)的內(nèi)力分析也不盡相同，其余兩者完全相同。（1）高強(qiáng)度螺栓中的預(yù)拉力和摩擦面的抗滑移系數(shù)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接主要是依靠擰緊螺帽使螺桿中產(chǎn)生較高的預(yù)拉力，從而使連接處的板疊間產(chǎn)生較高的預(yù)壓力，而后依靠板件間的摩擦力傳遞荷載，并以摩擦力將要被克服時(shí)作為連接的承載能力極限狀態(tài)。因此，螺栓中的預(yù)拉力值和連接處板件間接觸面的摩擦系數(shù)產(chǎn)（規(guī)范中稱(chēng)為抗滑移系數(shù)）是決定高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接承載能力的兩大關(guān)鍵因素。螺栓中的預(yù)拉力是通過(guò)專(zhuān)用工具擰緊螺帽產(chǎn)生的。規(guī)范中規(guī)定了每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)拉力值P，其大小取決于螺栓的性能等級(jí)和螺栓的直徑如表6-4所列。表中所示一個(gè)螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)拉力值P同時(shí)適用于摩擦型連接和承壓型連接?？够葡禂?shù)μ的大小主要取決于摩擦面的平整度、清潔度和粗糙度。為了增加摩擦面的清潔度和粗糙度，需對(duì)連接處構(gòu)件的接觸面進(jìn)行處理。為了避免板件接觸面的不平整，高強(qiáng)度螺栓摩擦連接不應(yīng)采用沖成孔。μ值的大小除與摩擦面的狀況有關(guān)外，還與鋼材的牌號(hào)有關(guān)。規(guī)范規(guī)定的連接處構(gòu)件接觸面的處理方法和摩擦面的抗滑移系數(shù)μ值見(jiàn)表6-5所列。（2）高強(qiáng)度螺栓群的摩擦型抗剪連接計(jì)算每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值Nvb在抗剪連接中，每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)按下式計(jì)算：式中nf―傳力摩擦面數(shù)目；μ、P―摩擦面的抗滑移系數(shù)（表6-5）和每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力（表6-4）。當(dāng)螺栓沿受力方向的連接長(zhǎng)度11>15d0時(shí)，式（6-15）確定的螺栓承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘于折減系數(shù)ηb。式（6——15）右邊的系數(shù)0.9為抗力分項(xiàng)系數(shù)γR的倒數(shù)，即取γR=1.111。（3）高強(qiáng)度螺栓群的抗拉連接計(jì)算每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值Ntb為了避免發(fā)生螺栓的