钢结构基础知识教程
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第七节 高强度螺栓连接
一、概述
按受力特性分:摩擦型与承压型 抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态;
承压型允许克服最大摩擦力后,以螺杆抗剪与孔壁承压破坏 为承载力极限状态(同普通螺栓)。受拉时两者无区别。 高强螺栓采用Ⅱ级孔,便于施工。 受传力机理的要求,构造上除连接板的边、端距≥1.5d0外 其它同普通螺栓。 高强螺栓的材料与强度等级 由高强材料经热处理制成,按强度等级分10.9与8.8级。 ➢ 10.9级一般为20MnTiB、40Cr等材料,fu≥1000N/mm2, fu/fy≥0.9;8.8级一般为45#钢制成, fu≥800N/mm2, fu/fy≥0.8。
高强螺栓的预拉力(P85表3.9)
P
0.9 0.9 0.9 fu Ae 1.2
0.6075 fu Ae
二、摩擦型高强螺栓连接计算
受剪连接计算
一个螺栓抗剪承载力
N
b V
0.9nf
μ
P
连接所需螺栓数
N
n
N
b V
净截面强度:考虑50%孔前传力
σ= N , =(1 0.5 n1 )N f
2. 一般承重结构应有fu、fy、δ5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180o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αk的不同要求。
第六节 普通螺栓的连接
一、普通螺栓的连接构造 螺栓的规格与表示
钢结构一般选用C级(粗制)六角螺母螺栓,标识用M和 工程直径(mm)表示,例如M16、M20等
螺栓的排列
螺栓的各距应满足规定的要求(P71~72,表3.5~8)
二、受力性能与计算
1、受力分类
螺栓根据作用不同,按螺栓受力可以分为:受剪、受拉及 剪拉共同作用
2、受剪连接 受力性能与破坏形式 五种破坏形式
受力特性:沿受力方向,受力分配不均,两端大中间小,
在一定范围内,靠塑变可以均布内力,过大时,设计计算
时仍按均布,但强度需乘折减系数β,当l1≥15d0时:
β 1.1 l1 0.7 150d0
当l1≥60d0时β=0.7
连接所需螺栓数量:
n
N
N
b min
连接板净截面强度
σ= N f An
扭矩、轴力及剪力共同作用受剪螺栓群计算
• Si:含Si适量使强度↑ 其它影响不大,有益,应控制≤0.1~0.3% • Mn:含Si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、性能冷弯、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%
第三节 钢结构的发展
我国是最早应用钢结构的国家,但是历史的原因致使 现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比,已有 相当大的差距,最大的差距在于建筑钢结构。
97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发 展建筑钢结构,国家相关部门也多次发布文件,要求 扩大钢结构住宅的市场占有率。
96年我国钢产量已开始超亿吨,居世界首位,为钢结 构发展奠定物质基础,对钢材的使用已由“节约使用” 变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。
扭矩作用: T
N1T
r1
N2T
r2
N
T n
rn
N1T
N
T 2
N
T n
r1
r2
rn
N1Tx
T x1 xi2 yi2
N1Tx
T x1 xi2 yi2
轴力及剪力作用
N1Nx
N n
N1Vx
V n
轴力扭矩共同作用下最大受力螺栓
N TNV 1
( N1Tx
N1Nx )2
(N1Ty
N1Vy )2
二、钢结构的应用
1、重型结构及大跨度建筑结构; 2、多层、高层及超高层建筑结构; 3、轻钢结构; 4、塔桅等高耸结构; 5、钢-混凝土组合结构。
第二节 钢结构的设计原理与方法
结构设计首层规范《建筑结构可靠度设计统一标准》 (GB50068)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。
Nt
N
b t
0.8P
三、承压型高强螺栓连接
受力性能同普通螺栓,拉剪作用时以栓杆抗剪及孔壁 承压承力;受拉同摩擦型,计算公式总结如表3.11。
本章重点
1、角焊缝的构造与计算; 2、焊接残余应力与变形的产生机理与影响; 2、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理; 3、高强螺栓连接的构造与计算。
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,增加脆性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。
An
n An
受拉连接高强螺栓计算
由于高强螺栓的基本承载力为摩擦力,而摩擦力预正压力有 关,为保证板件间保留一定的压紧力《规范》规定:
N
b t
0.8P
受弯连接结算(形心轴在中排)
N
M t
M y1 m yi2
N
b t
0.8P
拉、剪共同作用连接计算
V 0.9n fμ(P 1.25Nt )
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(P27,图2.11)
• 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600o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300o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300o以上时应采取隔热措施。
二、建筑结构用钢的选择
1. 钢材的质量和性能,由钢材力学性能中的抗拉强
度fu、屈服强度fy、伸长率δ5(δ10)、冷弯180o 及冲击韧性αk,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。
N5N
N n
• 大偏心:
N
M min
M y5 m yi2
N5N
N n
N1
F n
Fey1 m yi2
(
Fey1, m yi,2
)
拉剪共同作用螺栓连接计算
NV
N
b V
2
Nt
N
b t
2
1
NV
V n
N
b C
NV
F n
Nt
Fey1 m yi2
注:此类连接因无支托板,一般应考虑精制螺栓连接,以减 少连接变形。
● 钢材种类繁多,规格、用途也不相同,对建筑 结构用钢来说,主要有三方面的要求。
1、较高的强度:结构的承载力大,所需的截面小, 结构的自重轻;
2、较好的塑性及韧性:塑性好,不易发生脆性破 坏;韧性好,利于承受动力荷载;
3、良好的加工性能与耐久性:包括可焊性、冷弯 性能以及耐腐性能;
● 据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003 推荐承重结构用钢宜采用:炭素结构钢中的 Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390 和Q420钢四种钢材。
第二节 钢材的主要机械性能
一、单向拉伸试验曲线
根据钢材单向拉伸性能曲线,工程应用中,钢材的性能
按理想弹塑性体考虑,fy定为钢材拉、压强度标准值。
二、钢材的主要机械性能
1. 强度:fy 强度设计标准值,设计依据;fu钢材的最大
承载强度,安全储备。 2. 塑性-δ5(δ10),钢材产生塑变时而不发生脆性断裂
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。
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(P26,图2.10),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(后续章节中将详细介绍)。
2、冶金与轧制的影响
• 冶时间金间慢的快,影,价响价格主格高要 低 ,为,质脱质量氧量好方差。法;:镇沸静腾钢钢用用Si为M脱n为氧脱剂氧,剂时, • 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。
当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构,最缺的人 才也是钢结构专业,发展钢结构以带动其它相关产业 的发展,已成为建筑业发展的重要任务。
第二章 建筑钢材
第一节 建筑结构用钢的基本要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 建筑结构用钢的种类及选择
第一节 建筑结构用钢的基本要求
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:炭素结构钢分: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。 如前所述建筑结构用钢,宜选炭素结构钢中的Q235及 低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。
➢ 螺栓受剪破坏 ➢ 孔壁挤压破坏 ➢ 连接板净截面破坏 ➢ 螺栓受弯破坏 ➢ 连接板冲剪破坏
t 5d
e 2d
t 5d
单个受剪螺栓的承载力计算
螺栓抗剪:
N
b V
nV
πd 2 4
f
b V
孔壁承压: NCb d
t
fLeabharlann Baidu
b C
最大承载力: NV
Nb min
min
N
b V
;
N
b C
轴力作用受剪螺栓群的连接计算
第三节 影响钢材性能的主要因素
1、化学成份 2、冶金及轧制 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Fe,炭钢中含量占99%,C、Si、Mn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≤0.22%,焊 接结构应控制在≤0.20%。
钢 结构
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
概述 建筑钢材 钢结构的连接 轴心受力构件 梁(受弯构件) 拉弯与压弯构件
第一章 绪 论
第一节 钢结构的特点与应用 第二节 钢结构的设计原理与方法 第三节 钢结构的发展
第一节 钢结构的特点及应用
一、钢结构的特点
1、强度高、强重比大;塑性、韧性好; 2、材质均匀,符合力学假定,安全可靠度高; 3、工厂化生产,工业化程度高,施工速度快; 4、钢结构耐热不耐火;易锈蚀,耐腐性差。
负温影响(P27,图2.12)
• 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。
第四节 建筑结构用钢的种类与选择
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。
钢结构和其他建筑结构一样,遵循“统一标准”要求, 采用的也是以概率论为基础,用分项系数表达的极限 状态设j计方法。
极限状态设计方法,在前序课程(如钢混结构、地基 与基础等),对此以作详细介绍,此课就不再讲述, 认真进行复习。
通过复习应掌握以下概念:结构的极限状态;结构的 基本功能要求;结构的可靠度;失效概率;荷载及强 度的标准值与设计值。
的能力,便于内力重分布,吸收能量,重要指标。 3. 冷弯性能-90o、180o,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。
4. 韧性-冲击韧性αk,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(20o)、零温(0o) 、负 温(-20o、-40o)区分 。 5. 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。
N
b min
受拉螺栓连接
受力性能与承载力
N
b t
1πd 4
2 e
f
b t
Nt
N n
N
b t
受弯矩作用螺栓连接计算
M m
N1M y1 N M2
N
M n
N1M
N
M 2
N
M n
y1
y2
yn
N1M
M m
y1 yi2
N
b t
M、N共同作用(偏心受拉)螺栓计算
•
小偏心:
N
M min
M y5 m yi2