钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.4.1焊接剩余接剩余应力和力和变形的成因形的成因一一.焊接剩余接剩余应力的成因力的成因焊接剩余接剩余应力力简称称焊接接应力力1.景象景象2.成因成因钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 1焊缝出现不均匀温度场 焊缝附近温度最高，可高达1600度以上 在焊缝区以外，温度那么急剧下降钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2焊缝区受区受热而而纵向膨向膨胀，但，但这种膨种膨胀因因变形的平形的平截面截面规律律(变形前的平截面，形前的平截面，变形后仍形后仍坚持平面持平面)而遭到其相而遭到其相邻较低温度区的低温度区的约束，使束，使焊缝区区产生生纵向向压应力。力。热应力相互妨碍力相互妨碍钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3由于由于钢材在材在600以上以上时呈塑性形状呈塑性形状(热塑性状塑性状态)，因此高温区的，因此高温区的这种种压应力使力使焊缝区的区的钢材材产生生塑性塑性紧缩变形，塑性形，塑性变形当温度下降、形当温度下降、压应力消逝力消逝时不能恢复不能恢复应力当力当焊件完全冷却后仍残留在件完全冷却后仍残留在焊缝区区钢材内，故名材内，故名焊接剩余接剩余应力。力。Q235钢等低合金等低合金钢焊接后的剩余拉接后的剩余拉应力常可高达其屈力常可高达其屈服点。服点。剩余剩余应力是构件未受荷力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面作用而早已残留在构件截面内的内的应力，因此截面上的剩余力，因此截面上的剩余应力自相平衡。力自相平衡。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1纵向向焊接接应力力3.分分类纵向向焊接接应力力横向横向焊接接应力力沿厚度方向的沿厚度方向的焊接接应力力2横向横向焊接接应力力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计两部分两部分组成：成：其一是由其一是由焊缝区的区的纵向收向收缩所引起。如把所引起。如把钢板假想沿板假想沿焊缝切开，由于切开，由于焊缝的的纵向收向收缩，两，两块钢板板产生如生如图(a)中虚中虚线所示的弯曲所示的弯曲变形。形。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计因此可因此可见在在焊缝长度的中度的中间部分必然部分必然产生横向拉生横向拉应力，力，而在而在焊缝的两瑞那么的两瑞那么产生横向生横向压应力，力，应力分布如力分布如图(b)所示。所示。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计其二是由其二是由焊缝的横向收的横向收缩所引起。施所引起。施焊时，焊缝的构成有的构成有先有后，先先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却区限制了后冷却焊缝区的横向收区的横向收缩，使，使产生横向生横向焊接剩余接剩余应力如力如图(c)所示。所示。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计最后的横向最后的横向焊接剩余接剩余应力当力当为两者即两者即图(b)和和图(c)的叠加，的叠加，如如图(d)所示。所示。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3厚度方向的厚度方向的焊接接应力力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二. . 焊接剩余接剩余变形的成因形的成因1. 1. 焊接不均匀的加接不均匀的加热 焊接区接区产生生热塑性塑性紧缩变形形 冷却冷却时焊接区要在接区要在纵向和横向收向和横向收缩 构件构件产生部分鼓曲、弯曲、歪曲和改生部分鼓曲、弯曲、歪曲和改动2. 2. 焊接剩余接剩余变形形 纵、横横向向收收缩、弯弯曲曲变形形、角角变形形和和扭扭曲曲变形形等等焊接后剩余在构造的变形叫做焊接剩余变形。焊接后剩余在构造的变形叫做焊接剩余变形。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计纵向收向收缩变形和横向收形和横向收缩变形形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计焊缝纵向收向收缩所引起的弯曲所引起的弯曲变形形焊缝横向收横向收缩所引起的角所引起的角变形形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计减小减小钢构造的构造的焊接剩余接剩余变形是形是设计和施工制造和施工制造时必需必需共同思索的共同思索的问题，必需从，必需从设计和工和工艺两方面来两方面来处理。理。波浪式波浪式变形形扭曲扭曲变形形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计后冷后冷处构成剩余拉构成剩余拉应力力后冷后冷处构成收构成收缩变形形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.4.2焊接接应力和力和变形形对构造任构造任务性能的影响性能的影响一一.焊接接应力的影响力的影响1.对构造静力构造静力强度的影响度的影响钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计焊接应力自相平衡焊接应力自相平衡受拉区应力面积受拉区应力面积At受压区应力面积受压区应力面积Ac即即At=Ac=btfy。截面到达屈服点截面到达屈服点fy时所接受的外力时所接受的外力焊接应力不影响构造的强度焊接应力不影响构造的强度2.对构造构造刚度的影响度的影响焊接接应力降低构造的力降低构造的刚度。度。剩余剩余应力的拉杆的抗拉力的拉杆的抗拉刚度度为B-btE，而无剩余而无剩余应力的一力的一样截面的拉杆的抗拉截面的拉杆的抗拉刚度度为BtE3.剩余剩余应力影响力影响压杆杆稳定性定性有效面有效面积、有效、有效惯性矩性矩钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计4. 4. 对低温冷脆的影响低温冷脆的影响 焊接剩余接剩余应力力对低温冷脆影响低温冷脆影响 厚板和具有厚板和具有严重缺陷的重缺陷的焊缝中，中， 以以及及在在交交叉叉焊缝的的情情况况下下，产生生了了妨妨碍碍塑塑性性变形形 的三的三轴拉拉应力，使裂力，使裂纹容易容易发生和开展。生和开展。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计5.对疲疲劳强度的影响度的影响在在焊缝及及其其附附近近的的主主体体金金属属剩剩余余拉拉应力力通通常常到到达达钢材材屈屈服服点点，此此部部位位正正是是构构成成和和开开展展疲疲劳裂裂纹最最为敏敏感感的的区区域域。因此，因此，焊接剩余接剩余应力力对构造的疲构造的疲劳强度有明度有明显不利影响。不利影响。多多轴剩余效剩余效应力将力将进一步降低疲一步降低疲劳应力力.二二.焊接接变形的影响形的影响构件安装困构件安装困难矫正正影响尺寸和外形影响尺寸和外形初偏心初偏心初弯曲初弯曲能能够降低构造的承降低构造的承载才干才干附加内力附加内力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.4.3减少减少焊接接应力和力和变形的措施形的措施设计和和焊接工接工艺一一.合理的合理的焊缝设计1合理的合理的选择焊缝的尺寸和方式的尺寸和方式满足最小足最小焊脚尺寸的条件下，普通用脚尺寸的条件下，普通用较小的小的hf加大加大焊缝长度。度。不要因思索不要因思索“平安而恣意加大超越平安而恣意加大超越计算所需求的算所需求的焊缝尺寸。尺寸。2尽能尽能够能减少不用要的能减少不用要的焊缝采用薄板，不适当地大量采用加采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，不但添加了肋，不但添加了装配和装配和焊接的任接的任务量，易引起大的量，易引起大的焊接接变形。形。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3合理地安排合理地安排焊缝的位置的位置安排安排焊缝时尽能尽能够对称于截面中性称于截面中性轴，4尽量防止尽量防止焊缝的的过分集中和交叉。分集中和交叉。焊缝不不宜宜过分分集集中中并并尽尽量量对称称布布置置焊缝以以消消除除焊接接剩剩余余变形和尽量防止三向形和尽量防止三向焊缝相交。相交。三向三向焊缝相交相交时，中断次要，中断次要焊缝使主要使主要焊缝坚持延持延续钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计5尽量防止在母材厚度方向的收尽量防止在母材厚度方向的收缩应力。力。6肋板不宜肋板不宜带锐角角焊缝不宜不宜过分集中分集中板板宽不同不同防止仰防止仰焊钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二. .合理的工合理的工合理的工合理的工艺艺措施措施措施措施1 1采用合理的采用合理的采用合理的采用合理的焊焊接接接接顺顺序和方向。序和方向。序和方向。序和方向。先先焊收收缩量量较大的大的焊缝，后，后焊收收缩量量较小的小的焊缝，先，先焊错开的短开的短焊缝，后，后焊直通的直通的长焊缝，使，使焊缝有有较大的横大的横向收向收缩余地。余地。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计采用适当的采用适当的焊接接顺序和方向。序和方向。例如采用例如采用对称称焊，分段退，分段退焊(即分段即分段焊接，每段施接，每段施焊方向与方向与焊接推接推进的的总方向相反方向相反)、跳、跳焊、多、多层多道多道焊等，使各次等，使各次焊接的接的剩余剩余应力和力和变形的方向相反和相互抵消。形的方向相反和相互抵消。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3锤击或或辗压焊缝4对于于小小尺尺寸寸焊件件，焊前前预热，或或焊后后回回火火加加热至至600左右，然后左右，然后缓慢冷却，可以消除慢冷却，可以消除焊接接应力和力和焊接接变形。形。2采用反采用反变形法减小形法减小焊接接变形或形或焊接接应力。力。5部分加部分加热6退火法退火法钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.5.1螺栓的螺栓的陈列和其他构造要求列和其他构造要求一一.螺栓的螺栓的陈列列螺螺栓栓在在构构件件上上的的陈列列应满足足受受力力、构构造造和和施工要求：施工要求：1受受力力要要求求2构构造造要要求求3施施工工要求要求钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计l11受力要求：端距与栓距受力要求：端距与栓距过大大过小都不好，受小都不好，受压时栓距栓距过大板件易大板件易发生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉时端距或栓端距或栓距距过小板件易剪切破坏。小板件易剪切破坏。2构造要求：栓距构造要求：栓距过大那么构件接触面不大那么构件接触面不够严密，潮气易密，潮气易于侵入于侵入缝隙而隙而发生生锈蚀。3施工要求：保施工要求：保证一定空一定空间转动扳手。扳手。螺栓和螺栓和铆钉的最大、最小允的最大、最小允许间隔隔查表确定。表确定。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二. .螺栓的其他构造要求螺栓的其他构造要求螺栓的其他构造要求螺栓的其他构造要求1 1为为了了了了使使使使衔衔接接接接可可可可靠靠靠靠，每每每每一一一一杆杆杆杆件件件件在在在在节节点点点点上上上上以以以以及及及及拼拼拼拼接接接接接接接接头头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。2 2对对直直直直接接接接接接接接受受受受动动力力力力荷荷荷荷载载的的的的普普普普通通通通螺螺螺螺栓栓栓栓衔衔接接接接应应采采采采用用用用双螺帽或其他防止螺帽松双螺帽或其他防止螺帽松双螺帽或其他防止螺帽松双螺帽或其他防止螺帽松动动的有效措施。的有效措施。的有效措施。的有效措施。弹弹簧簧簧簧垫垫圈圈圈圈3 3由由由由于于于于C C级级螺螺螺螺栓栓栓栓与与与与孔孔孔孔壁壁壁壁有有有有较较大大大大间间隙隙隙隙，只只只只宜宜宜宜用用用用于于于于沿沿沿沿其其其其杆杆杆杆轴轴方方方方向向向向受受受受拉拉拉拉的的的的衔衔接接接接。接接接接受受受受静静静静力力力力荷荷荷荷载载构构构构造造造造的的的的次次次次要要要要衔衔接接接接、可可可可装装装装配配配配构构构构造造造造的的的的衔衔接接接接和和和和暂暂时时固固固固定定定定构构构构件件件件用用用用的的的的安安安安装装装装衔衔接中，也可用接中，也可用接中，也可用接中，也可用C C级级螺栓受剪。螺栓受剪。螺栓受剪。螺栓受剪。4 4沿沿沿沿杆杆杆杆轴轴方方方方向向向向受受受受拉拉拉拉的的的的螺螺螺螺栓栓栓栓衔衔接接接接中中中中的的的的端端端端板板板板法法法法兰兰板板板板 加肋板加肋板加肋板加肋板减少撬力减少撬力减少撬力减少撬力 加加加加强刚强刚度度度度钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.5.2普通螺栓的受剪普通螺栓的受剪衔接接按受力情况可分按受力情况可分为三三类：螺螺栓栓只只接接受受剪剪力力；螺螺栓栓只只接接受受拉拉力力；螺螺栓接受拉力和剪力作用。栓接受拉力和剪力作用。一一一一. .受剪受剪受剪受剪衔衔接的任接的任接的任接的任务务性能性能性能性能1.1.四个四个四个四个阶阶段：段：段：段：1 1摩擦摩擦摩擦摩擦传传力的力的力的力的弹弹性性性性阶阶段段段段 2 2滑移滑移滑移滑移阶阶段段段段 3 3栓杆栓杆栓杆栓杆传传力力力力弹弹性性性性阶阶段段段段4 4弹弹塑性塑性塑性塑性阶阶段段段段钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计留意受剪螺栓与受拉螺栓的区留意受剪螺栓与受拉螺栓的区别：螺栓受拉螺栓受拉螺栓受拉且受剪螺栓受拉且受剪螺栓受剪螺栓受剪钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.抗剪螺栓抗剪螺栓衔接根据被接根据被衔接接钢板的板的组合情况，通常有合情况，通常有单剪剪和双剪两种受力型式。和双剪两种受力型式。(1)当螺栓直径当螺栓直径较细而被而被衔接接钢材材较厚厚时，能，能够发生螺栓生螺栓杆剪切破坏。杆剪切破坏。3.破坏方式破坏方式钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(2)当螺栓直径当螺栓直径较粗而被粗而被衔接接钢材材较薄薄时，孔壁能，孔壁能够在螺栓杆部分承在螺栓杆部分承压或或挤压下下产生生较大大挤压应力和塑性力和塑性变形，最形，最终导致螺栓孔拉致螺栓孔拉长，称，称为挤压破坏。破坏。(3)当螺栓孔距板端当螺栓孔距板端间隔隔较小小时，导致板端沿最大剪致板端沿最大剪应力方向剪断。称力方向剪断。称为冲剪破坏。冲剪破坏。(4)当构件开孔当构件开孔较多使截面减弱多使截面减弱较大大时，能，能够发生构件生构件沿沿净截面的截面的强度破坏。度破坏。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计破坏方式有：破坏方式有：栓杆直径栓杆直径较小，板件小，板件较厚厚时，栓杆被剪断；，栓杆被剪断；当当栓栓杆杆直直径径较大大，板板件件较薄薄时，板板件件能能够先先被被挤坏坏，栓栓杆和板件杆和板件挤压是相是相对的，叫做螺栓承的，叫做螺栓承压破坏；破坏；端距太小，端距范端距太小，端距范围内的板件有能内的板件有能够被栓杆冲剪破坏；被栓杆冲剪破坏；板件能板件能够因螺栓孔减弱太多而被拉断。因螺栓孔减弱太多而被拉断。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计通常情况下，采用构造措施防止端板被剪坏。构造措施通常情况下，采用构造措施防止端板被剪坏。构造措施如下：如下：螺栓孔端距螺栓孔端距满足足l12d0，以免板端被剪坏。，以免板端被剪坏。对抗剪普通螺栓抗剪普通螺栓衔接普通接普通应计算算a.螺栓杆抗剪螺栓杆抗剪强度度b.孔壁承孔壁承压强度度c.验算构件的算构件的净截截面面强度度钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计计算假定：算假定：栓杆受剪栓杆受剪计算算时，螺栓受剪面上的剪，螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布；力是均匀分布；孔壁承孔壁承压计算算时，挤压力沿栓杆直径平面均匀分布。力沿栓杆直径平面均匀分布。二二二二. .单单个普通螺栓的受剪个普通螺栓的受剪个普通螺栓的受剪个普通螺栓的受剪计计算算算算 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一个抗剪普通螺栓的承一个抗剪普通螺栓的承载力力设计值Nvbmin应按抗剪承按抗剪承载力力设计值Nvb和承和承压承承载力力设计值Ncb的的较小小值采用，即：采用，即：受剪承受剪承载力力设计值： 承承压承承载力力设计值： 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计其其中中螺螺栓栓抗抗剪剪强度度设计值fvb只只取取决决于于螺螺栓栓钢材材，普普通通用用Q235钢孔孔壁壁承承压强度度设计值fcb只只取取决决于于构构件件钢材材，其其值按按螺螺栓端距等于栓端距等于2倍孔径倍孔径(构造要求最小构造要求最小值)控制确定控制确定式中式中:nv螺栓受剪面数目取螺栓受剪面数目取nv1(单剪剪)或或2(双剪双剪)；t同一受力方向承同一受力方向承压构件的构件的较小小总厚度，厚度，单剪剪时取取min(t1，t2)，双剪，双剪时取取min(2t1，t2)。每每个个螺螺栓栓所所受受的的实践践剪剪力力应不不超超越越其其抗抗剪剪的的承承载力力(均均按按设计值)，即，即NvNvbmin。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三三三. .普通螺栓群受剪普通螺栓群受剪普通螺栓群受剪普通螺栓群受剪衔衔接接接接计计算算算算1.1.普通螺栓群普通螺栓群普通螺栓群普通螺栓群轴轴心受剪心受剪心受剪心受剪与与与与侧焊缝侧焊缝的受力的受力的受力的受力类类似，似，似，似， 螺螺螺螺栓栓栓栓受受受受力力力力是是是是不不不不均均均均匀匀匀匀的的的的，两两两两端端端端受受受受力力力力大大大大，中中中中间间受受受受力小。力小。力小。力小。1)1)当当当当衔衔接接接接长长度度度度时时，钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计螺栓数目确螺栓数目确实定：定：外力外力N(设计值)经过螺栓群形心使螺栓受剪螺栓群形心使螺栓受剪时，假定一，假定一切螺栓受力相等。切螺栓受力相等。l1n =N / Nvb min 杆件在杆件在节点点处或拼接每或拼接每侧的受力螺栓至少用的受力螺栓至少用2个。个。详细陈列列应符合构造要求。符合构造要求。所需螺栓数目所需螺栓数目为:假定成立的根据：只需尺寸假定成立的根据：只需尺寸l1不是非常非常大，螺栓受不是非常非常大，螺栓受力可以力可以经过内力重分布予以内力重分布予以调理。理。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计当构件在当构件在节点点处或接或接头一一侧的螺栓沿受力方向的的螺栓沿受力方向的衔接接长度度l1太太长时，各螺栓受力将，各螺栓受力将严重不均匀，即重不均匀，即衔接两端的螺栓接两端的螺栓受力大于中受力大于中间螺栓而能螺栓而能够首先到达极限承首先到达极限承载力引起破坏。力引起破坏。l1钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2)当当l115d0时d0为螺栓孔径，螺栓承裁力螺栓孔径，螺栓承裁力设计值应按下式按下式系数折减。系数折减。适用于普通螺栓、高适用于普通螺栓、高强度螺栓和度螺栓和铆钉衔接。接。l1钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3)构件构件净截面截面强度度计算：算：构件上开构件上开设螺栓孔后，螺栓孔后，应验算其算其净截面截面强度能否度能否满足足设计要求。要求。对错列列陈列的螺栓，要思索板件有两个破坏截面。列的螺栓，要思索板件有两个破坏截面。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.2.普通螺栓群偏心受剪普通螺栓群偏心受剪普通螺栓群偏心受剪普通螺栓群偏心受剪 螺螺螺螺栓栓栓栓群群群群接接接接受受受受偏偏偏偏心心心心剪剪剪剪力力力力的的的的情情情情形形形形，剪剪剪剪力力力力F F的的的的作作作作用用用用线线至螺栓群中心至螺栓群中心至螺栓群中心至螺栓群中心线线的的的的间间隔隔隔隔为为e e。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(1)扭矩作用下螺栓群计算扭矩作用下螺栓群计算接受扭矩接受扭矩T，每个螺栓接，每个螺栓接受扭矩引起的剪力。受扭矩引起的剪力。假定：假定：a.被被衔接件接件为绝对刚性性;b.螺栓受力均在螺栓受力均在弹性性阶段。段。c.扭矩使每个螺栓扭矩使每个螺栓i产生生绕螺栓群形心螺栓群形心o点旋点旋转的切的切线方向方向(即垂直于即垂直于该螺栓到螺栓到o点点连线的方向的方向)的的变形以及相形以及相应的的剪力剪力Ni，其大小与，其大小与连线间隔隔ri成正比。成正比。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计扭矩平衡条件扭矩平衡条件:钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计设计时要求最大受力螺栓的剪力不超越一个螺栓的承要求最大受力螺栓的剪力不超越一个螺栓的承载力力设计值：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(2)扭矩和剪力共同作用下的螺栓群的扭矩和剪力共同作用下的螺栓群的计算算钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计竖向剪力向剪力Fy假定由全部假定由全部(n个个)螺栓均匀分担，每个螺栓接螺栓均匀分担，每个螺栓接受的剪力受的剪力为:扭矩扭矩产生的剪力：生的剪力：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计当螺栓群当螺栓群为一狭一狭长形布置形布置时，例如，例如满足条件足条件ymax3xmax时，为了了计算方便，公式可近似地改写算方便，公式可近似地改写为受力最大的螺栓外，受力最大的螺栓外，其他螺栓均有潜力。其他螺栓均有潜力。F作作用下的螺栓内力用下的螺栓内力时，长度度15d0，也不思索，也不思索。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.5.3普通螺栓的受拉普通螺栓的受拉衔接接一一.普通螺栓受拉的任普通螺栓受拉的任务性能性能1.翼翼缘的的弯弯曲曲，使使螺螺栓栓遭遭到到撬撬力力的的附附加加作作用用，杆力添加到：杆力添加到：Nt=N+Q，式中，式中Q称称为撬力。撬力。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.规范将螺栓的抗拉范将螺栓的抗拉强度度设计值降低降低20%来思索撬力影响来思索撬力影响钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二. .单单个普通螺栓的受拉承个普通螺栓的受拉承个普通螺栓的受拉承个普通螺栓的受拉承载载力力力力单单个螺栓的受拉承个螺栓的受拉承个螺栓的受拉承个螺栓的受拉承载载力的力的力的力的设计值为设计值为：式中式中式中式中AeAe为为螺栓有效截面螺栓有效截面螺栓有效截面螺栓有效截面积积；dede为为螺螺螺螺纹处纹处的有效直径的有效直径的有效直径的有效直径三三三三. .普通螺栓群受拉普通螺栓群受拉普通螺栓群受拉普通螺栓群受拉1.1.栓群栓群栓群栓群轴轴心受拉心受拉心受拉心受拉由于垂直于由于垂直于由于垂直于由于垂直于衔衔接板的肋板接板的肋板接板的肋板接板的肋板刚刚度很大，螺栓平均受拉。度很大，螺栓平均受拉。度很大，螺栓平均受拉。度很大，螺栓平均受拉。式中，式中，Ntb为螺栓抗拉承螺栓抗拉承载力力设计值。此此时所需螺栓数目所需螺栓数目n的的计算公式算公式为：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计图示示T形形衔接件与大梁下翼接件与大梁下翼缘的螺拴的螺拴衔接，当荷接，当荷载N(即即图中的中的2F)的作用的作用线经过螺栓群的形心螺栓群的形心时，每个螺栓均匀每个螺栓均匀轴心受拉。心受拉。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计式中，式中，Ntb为螺栓抗拉承螺栓抗拉承载力力设计值。此此时所需螺栓数目所需螺栓数目n的的计算公式算公式为：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.栓群接受弯矩作用栓群接受弯矩作用根本假定根本假定(1)被被衔接件接件为绝对刚性性;(2)螺栓受力均在螺栓受力均在弹性性阶段。段。按按弹性性设计法法，在在弯弯矩矩作作用用下下，离离中中和和轴越越远的的螺螺栓栓所所受拉力越大；受拉力越大；压力力那那么么由由部部分分受受压的的端端板板接接受受，设中中和和轴至至端端板板受受压边缘的的间隔隔为c。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计A.预拉力不大，不计衔接板件间预压力；预拉力不大，不计衔接板件间预压力；B.梁端剪力梁端剪力V经过端板与焊接于柱上的托板端部刨平顶经过端板与焊接于柱上的托板端部刨平顶紧传给柱身；紧传给柱身；C.梁端弯矩梁端弯矩M经过焊于梁端的端板用粗制螺栓经过焊于梁端的端板用粗制螺栓(即即C级级螺栓螺栓)与柱的翼缘板相连而传送。与柱的翼缘板相连而传送。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在在弹性分析中假定：性分析中假定：Ni的大小呈的大小呈线性性变化，化，实践践计算算时可近似并偏平安地取中和可近似并偏平安地取中和轴位于最下排螺栓位于最下排螺栓o处，即以，即以为衔接接变形形为绕o处程度程度轴转动，螺栓拉力与螺栓拉力与o点算起的点算起的纵坐坐标y成成正比。正比。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计那么那么：螺栓螺栓i的拉力为：的拉力为：设设计计时时要要求求受受力力最最大大的的最最外外排排螺螺栓栓1的的拉拉力力不不超超越越一一个个螺栓的抗拉承载力设计值：螺栓的抗拉承载力设计值：列平衡方程列平衡方程如如何何判判别作作用用弯弯矩矩还是扭矩？是扭矩？m列数列数钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.栓群偏心受拉栓群偏心受拉N和和M作用。螺栓不受压作用。螺栓不受压1小偏心受拉小偏心受拉2大偏心受拉大偏心受拉钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计A.螺栓接受拉力作用，端板与柱有脱开分螺栓接受拉力作用，端板与柱有脱开分别趋势B.轴心力心力N由各螺栓均匀接受由各螺栓均匀接受C.M引起以螺栓群形心引起以螺栓群形心O为中和中和轴的三角形分布的三角形分布上部螺栓受拉，下部螺栓受上部螺栓受拉，下部螺栓受压D.叠加后全部螺栓均受拉叠加后全部螺栓均受拉1小偏心受拉小偏心受拉可得可得时的偏心距的偏心距令令为螺栓有效截面螺栓有效截面组成的中心距，成的中心距，那么当那么当时为小偏心受拉。小偏心受拉。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2大偏心受拉大偏心受拉近似取中和近似取中和轴位于最下排螺栓位于最下排螺栓O处钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 3.5.4 3.5.4 普通螺栓受剪力和拉力的普通螺栓受剪力和拉力的结协作用作用 两种能两种能够破坏方式：破坏方式：螺栓杆受剪受拉破坏螺栓杆受剪受拉破坏孔壁承孔壁承压破坏破坏 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计不用承托不用承托螺栓同螺栓同时受剪和受拉受剪和受拉由于未用承托，由于未用承托，竖向力向力Ny使使衔接接受剪力接接受剪力VNy钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计如有如有轴心外拉力心外拉力Nx，其使各个螺栓均匀受拉，每个接受，其使各个螺栓均匀受拉，每个接受拉力拉力Nt=Nx/n。偏心外拉力偏心外拉力Nx或弯矩或弯矩M使各个螺栓不均匀受拉，使各个螺栓不均匀受拉，应求出求出最大受拉螺栓所受拉力最大受拉螺栓所受拉力Nt。通常假定剪力由全部螺栓均匀分担，那么每个螺栓所接通常假定剪力由全部螺栓均匀分担，那么每个螺栓所接受的剪力受的剪力为：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计应验算最大受力螺栓同算最大受力螺栓同时接受剪力接受剪力Nv和拉力和拉力Nt时满足足强度要求。度要求。其中其中Nv引起螺栓杆受剪和螺栓杆与构件孔壁引起螺栓杆受剪和螺栓杆与构件孔壁间承承压，Nt引起螺栓杆受拉。引起螺栓杆受拉。应同同时满足以下两个足以下两个验算公式：算公式：螺栓受拉受剪的相螺栓受拉受剪的相关方程关方程规范范规定定钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计根据根据实验结果，把果，把Nv/Nvb和和Nt/Ntb的相关关系近似的相关关系近似地用一地用一圆曲曲线表示的表示的阅历公式。公式。C级普通螺栓的抗剪性能普通螺栓的抗剪性能较差，除剪力差，除剪力较小的情况外，小的情况外，应尽量尽量设置承托来接受剪力置承托来接受剪力V。Nv / NvbNt / Ntb11钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.6.1任务性能和构造要求任务性能和构造要求一一.衔接的任务性能衔接的任务性能1.普通和高强度螺栓主要区别普通和高强度螺栓主要区别2.高强度螺栓分类高强度螺栓分类摩擦型摩擦型承压型承压型钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计螺栓本身、螺母和螺栓本身、螺母和垫圈均采用高圈均采用高强度度钢材，再材，再经热处置以置以进一步提高一步提高强度；度；目前我国采用目前我国采用8.8和和10.9两种两种强度性能等度性能等级；其中整数部分其中整数部分“8或或“10表示螺栓表示螺栓经热处置后的最低置后的最低抗拉抗拉强度度fu属于属于800Nmm2(实践践为830Nmm2)或或1000Nmm2(实践践为1040Nmm2)这一一级；小数点和后面数字一同即小数点和后面数字一同即“.8或或“.9表示螺栓表示螺栓经热处置后的屈置后的屈强比比fyf；8.8级和和10.9级螺栓螺栓经热处置后的最低屈服置后的最低屈服强度度0.8830660Nmm2和和0.91040940Nmm2。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计8.8级螺栓常用螺栓常用45号号钢或或35号号钢；10.9级螺栓常用螺栓常用20MnTiB钢、40B(40硼硼)钢或或35VB(35钒硼硼)钢；而其螺母常用；而其螺母常用45号号钢、35号号钢或或15MnVB(15锰钒硼硼)钢；垫圈常用圈常用45号号钢或或35号号钢；螺栓、螺母和；螺栓、螺母和垫圈制圈制废品品均均经热处置以到达置以到达规定目的要求；定目的要求；45号号钢和和40B钢制成的制成的较大直径螺栓的大直径螺栓的热处置淬透性置淬透性较差，只用在差，只用在d24mm的螺栓。的螺栓。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.高高强度螺栓的抗剪性能度螺栓的抗剪性能较大的大的预拉力，板叠有很大的拉力，板叠有很大的预压力；力；当当衔接接受受剪剪时，依依托托摩摩擦擦力力传力力的的螺螺栓栓的的抗抗剪剪承承载力力可可达达1点点。经过1点点后后，产生生滑滑移移，栓栓杆杆与与孔孔壁壁接接触触，衔接接又可又可继续承承载直到破坏；直到破坏；衔接承接承载力用到力用到1点，高点，高强度螺栓摩擦型度螺栓摩擦型衔接；接；衔接承接承载力用到力用到4点，高点，高强度螺栓承度螺栓承压型型衔接。接。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(1)摩擦型高摩擦型高强度螺栓度螺栓衔接：接：受剪受剪时以外剪力到达扳件接触面以外剪力到达扳件接触面间由螺栓由螺栓拧紧力力(使板件使板件压紧)所提供的能所提供的能够最大摩擦力最大摩擦力为极限形状，保极限形状，保证外剪力不超外剪力不超越最大摩擦力；越最大摩擦力；(2)承承压型高型高强度螺栓度螺栓衔接：接：以杆身剪切或孔壁承以杆身剪切或孔壁承压破坏，即到达破坏，即到达衔接的最大承接的最大承载力，力，作作为衔接受剪的极限形状。接受剪的极限形状。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计A.接受外拉力前，螺杆中有接受外拉力前，螺杆中有P，板，板层之之间压力力C，而，而P与与C平衡平衡B.外拉力外拉力Nt，螺杆拉力添加，板件拉松，螺杆拉力添加，板件拉松，C减少；减少；C.计算算阐明明，Nt为预拉拉力力P的的80%时，螺螺杆杆内内拉拉力力添添加加很很少少，根本不根本不变；D.外外加加拉拉力力大大于于螺螺杆杆预拉拉力力，卸卸荷荷后后螺螺杆杆中中的的预拉拉力力会会变小小，即即发生松弛景象；生松弛景象；E.外拉力小于外拉力小于预拉力的拉力的80%时，无松弛景象，无松弛景象发生。生。4.高高强度螺栓的抗拉性能度螺栓的抗拉性能直直接接接接受受动载构构造造，高高强度度螺螺栓栓衔接接受受拉拉时疲疲劳强度度较低低，高高强度度螺螺栓栓的的外外拉拉力不宜超越力不宜超越0.5P。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二. .高高高高强强度螺栓度螺栓度螺栓度螺栓衔衔接的构造要求接的构造要求接的构造要求接的构造要求1.1.预预拉力建立拉力建立拉力建立拉力建立 1 1大六角大六角大六角大六角头头螺栓的螺栓的螺栓的螺栓的预预拉力：拉力：拉力：拉力：力矩法力矩法力矩法力矩法 转转角法角法角法角法2 2扭剪型高扭剪型高扭剪型高扭剪型高强强度螺栓度螺栓度螺栓度螺栓2.预拉力拉力值确确实定定P由下式由下式计算：算：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计式中：式中：Ae有效面有效面积；fu抗拉抗拉强度。度。A.螺栓同螺栓同时遭到拉遭到拉应力和剪力和剪应力作用。力作用。思索思索拧紧螺栓螺栓时扭矩扭矩对螺杆的不利影响系数螺杆的不利影响系数，取，取1.2；B.施工施工时预拉力松拉力松驰，思索超，思索超张拉系数拉系数0.9；C.思索材思索材质不定性系数不定性系数0.9；D.用用fu而不是而不是fy作作为规范范值的系数的系数0.9。3.抗滑移系数抗滑移系数接接触触面面处置置：喷砂砂、喷砂砂后后涂涂无无机机富富锌漆漆、喷砂砂后后生生赤赤锈和和钢丝刷消除浮刷消除浮锈或外表不作或外表不作处置。置。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.6.2高高强度螺栓摩擦型度螺栓摩擦型衔接接计算算1.受剪受剪衔接承接承载力力一个螺栓受剪承一个螺栓受剪承载力力设计值为2.受拉受拉衔接承接承载力力使被板使被板间坚持一定的持一定的压紧力；力；单个高个高强度螺栓受拉承度螺栓受拉承载力力设计值为：式中式中nf为传力摩擦面数目；力摩擦面数目；为摩擦面的抗滑移系数。摩擦面的抗滑移系数。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.3.同同同同时时接受剪力和拉力接受剪力和拉力接受剪力和拉力接受剪力和拉力衔衔接的承接的承接的承接的承载载力力力力 当当当当螺螺螺螺栓栓栓栓所所所所受受受受外外外外拉拉拉拉力力力力 时时，虽虽然然然然螺螺螺螺杆杆杆杆中中中中的的的的预预拉力拉力拉力拉力P P根本不根本不根本不根本不变变，规规范范范范规规定，承定，承定，承定，承载载力按下式：力按下式：力按下式：力按下式：某螺栓所接受的剪力和拉力某螺栓所接受的剪力和拉力设计值； 一个受剪、受拉承一个受剪、受拉承载力力设计值。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计受剪承受剪承载力力设计值 承承压承承载力力设计值 3.6.3高高强度螺栓承度螺栓承压型型衔接接计算算1.受剪受剪衔接承接承载力力与普通螺栓与普通螺栓衔接一接一样；应采采用用承承压型型衔接接高高强度度螺螺栓栓的的强度度设计值。螺螺纹处抗剪承抗剪承载力力应按螺按螺纹处有效截面有效截面计算。算。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.2.受拉受拉受拉受拉衔衔接承接承接承接承载载力力力力 承承承承压压型型型型衔衔接接接接高高高高强强度度度度螺螺螺螺栓栓栓栓沿沿沿沿杆杆杆杆轴轴方方方方向向向向受受受受拉拉拉拉时时，规规范范范范给给出出出出了了了了相相相相应应强强度度度度级级别别的的的的螺螺螺螺栓栓栓栓抗抗抗抗拉拉拉拉强强度度度度设设计计值值、抗抗抗抗拉承拉承拉承拉承载载力的力的力的力的计计算公式与普通螺栓一算公式与普通螺栓一算公式与普通螺栓一算公式与普通螺栓一样样： 3.3.同同同同时时接受剪力和拉力接受剪力和拉力接受剪力和拉力接受剪力和拉力衔衔接的承接的承接的承接的承载载力力力力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.6.4高强度螺栓群的计算高强度螺栓群的计算一一.高强度螺栓群受剪高强度螺栓群受剪1.轴心受剪轴心受剪1衔接所需螺栓数目：衔接所需螺栓数目：2构造构造在求出所需求的螺栓数目在求出所需求的螺栓数目之后之后,即可按照与普通螺栓一即可按照与普通螺栓一样的要求的要求陈列螺栓。列螺栓。NN钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3截面截面强度度验算算NNN 螺栓数目螺栓数目n1所所计算截面上算截面上(即最外列螺栓即最外列螺栓处)高高强度螺栓的数目度螺栓的数目An构件的构件的净截面面截面面积A 构件的毛截面面构件的毛截面面积钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计4根本计算步骤根本计算步骤(1)计算算单个螺栓的承个螺栓的承载力力设计值；(2)求所需螺栓数目；求所需螺栓数目；(4)验算截面算截面强度。度。(3)陈列螺栓；列螺栓；NN钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计摩擦型高摩擦型高强度螺栓度螺栓衔接依托摩擦面上的摩擦力接依托摩擦面上的摩擦力传送荷送荷载的，摩擦力那么分布在每个螺栓中心附近的有效摩擦面上，的，摩擦力那么分布在每个螺栓中心附近的有效摩擦面上，根据根据实验，有效摩擦面的直径，有效摩擦面的直径为3d以上。以上。有效摩擦面均匀受力，有效摩擦面均匀受力，验算板件最外列螺栓算板件最外列螺栓处的的净截面截面强度度时，一部分力在孔前已由有效摩擦面上的摩擦力，一部分力在孔前已由有效摩擦面上的摩擦力传给另另一板件。一板件。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计0.5称称为孔前孔前传力系数。力系数。思索孔前思索孔前传力的影响。由于力的影响。由于满足了上式后并不能保足了上式后并不能保证一定一定满足构件的毛截面足构件的毛截面强度，需度，需验算毛截面算毛截面强度：度：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.高高强度螺栓群的非度螺栓群的非轴心受剪心受剪在扭矩或扭矩、剪力共同作用在扭矩或扭矩、剪力共同作用计算与普通螺栓群一算与普通螺栓群一样。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计根本假定根本假定扭矩平衡条件扭矩平衡条件钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二. .高高高高强强度螺栓群受拉度螺栓群受拉度螺栓群受拉度螺栓群受拉1.1.轴轴心受拉心受拉心受拉心受拉衔衔接所需螺栓数目：接所需螺栓数目：接所需螺栓数目：接所需螺栓数目：杆杆杆杆轴轴方向受拉方向受拉方向受拉方向受拉时时，摩擦型或承，摩擦型或承，摩擦型或承，摩擦型或承压压型螺栓的型螺栓的型螺栓的型螺栓的承承承承载载力力力力设计值设计值。2.2.高高高高强强度螺栓群受弯矩作用度螺栓群受弯矩作用度螺栓群受弯矩作用度螺栓群受弯矩作用钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计y2y1使螺栓沿栓杆方向受力使螺栓沿栓杆方向受力时，接触面，接触面坚持持严密密贴合，以合，以为中和中和轴在螺栓群的形心在螺栓群的形心轴上，最外排螺栓受力最大。上，最外排螺栓受力最大。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.高高强度螺栓群偏心受拉度螺栓群偏心受拉最最大大拉拉力力不不超超越越0.8P，可可以以保保证板板层之之间一一直直坚持持严密密贴合，端板不会拉开；合，端板不会拉开；摩摩擦擦型型衔接接高高强度度螺螺栓栓和和承承压型型衔接接高高强度度螺螺栓栓均均可可按按普通螺栓小偏心受拉普通螺栓小偏心受拉计算，即：算，即：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三三三. .接受拉力、弯矩和剪力的作用接受拉力、弯矩和剪力的作用接受拉力、弯矩和剪力的作用接受拉力、弯矩和剪力的作用1.1.摩擦型摩擦型摩擦型摩擦型衔衔接的接的接的接的计计算算算算 将将将将代入上式得：代入上式得：代入上式得：代入上式得： 式式式式中中中中的的的的 是是是是同同同同时时作作作作用用用用剪剪剪剪力力力力和和和和拉拉拉拉力力力力时时，单单个个个个螺螺螺螺栓栓栓栓所能接受的最大剪力所能接受的最大剪力所能接受的最大剪力所能接受的最大剪力设计值设计值。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在弯矩和拉力共同作用下，栓群的拉力各不一在弯矩和拉力共同作用下，栓群的拉力各不一样；V的的验算算应满足下式：足下式：或或钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计螺栓最大拉力应满足：螺栓最大拉力应满足：2.承压型衔接的计算承压型衔接的计算对承压型衔接高强度螺栓，验算拉剪的共同作用。即：对承压型衔接高强度螺栓，验算拉剪的共同作用。即：