建筑力学与结构_11钢结构.ppt
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1、1,主 编:胡兴福副主编:武鲜花 鲁 维主 审:李 辉,11 钢结构,2,11.1 钢结构的连接,11 钢结构,目 录,11.2 钢屋盖,3,11 钢结构,1.理解钢结构连接的主要构造要求;2.理解普通钢屋架和轻钢屋架的节点要求;3.了解檩条的种类和支撑的布置。,,4,11.1钢结构的连接,5,钢结构是由型钢或钢板通过连接组成的结构或构件。连接的方法有焊接、铆接和螺栓连接,其中焊接是最重要的连接形式,其次是螺栓连接,铆接由于劳动强度大,生产效率低。,11.1 钢结构的连接,6,焊接连接是通过电弧产生的热量使焊条、焊件局部熔化,经冷却连为一体。焊接的方法有手工电弧焊、自动或半自动电弧焊、气体保护
2、焊。,11.1.1 焊接连接,11.1 钢结构的连接,7,11.1.1.1 焊接的基本知识(1)手工电弧焊及焊条 手工电弧焊是手工焊接中最常用的方法,它是由电焊机、电线、焊钳、焊条、焊件组成。打火引弧后,手持焊钳夹紧的焊条与焊件很快接触形成短路,强大的电流激发电弧,电弧温度很高(6000左右),使焊条与焊件熔化,焊条金属液滴落在电弧吹成的焊件熔池中,冷却后熔为一体,如图11.1所示。,11.1 钢结构的连接,8,图11.1 手工电弧焊原理,11.1 钢结构的连接,9,手工电弧焊设备简单,操作灵活方便,适应性强,在工程中广泛应用,但是焊接质量波动性大,要求具有一定的焊接水平,而且劳动强度大,劳动
3、条件差。 焊接质量还与焊条的质量、牌号有关。焊条是由外层药皮和内部焊芯组成。药皮的作用是提高电弧燃烧的稳定性,形成保护性气体和熔渣,脱氧以及向焊缝金属掺加必要的化学元素,提高焊接质量,改善机械性能。与其匹配的焊条见表11.1。,11.1 钢结构的连接,10,表11.1 主体金属与焊条匹配表,11.1 钢结构的连接,11,(2)焊接的特点 焊接的优点是不必打孔,省工省时;任何形状构件可直接连接,构造简单,施工方便;密闭性好,结构刚度大,整体性好。其缺点是焊缝附近热影响区材质变脆;焊接残余应力使结构变脆,焊接残余变形使结构形状发生变化;焊接裂缝一旦形成,很容易扩展。,11.1 钢结构的连接,12,
4、11.1.1.2 焊缝的构造按焊缝本身截面形式不同,焊缝分为对接焊缝和角焊缝。(1)对接焊缝 按焊缝金属充满母材的程度分为焊透的对接焊缝和未焊透的对接焊缝。未焊透的对接焊缝受力很小,而且有严重的应力集中。焊透的对接焊缝简称对接焊缝。 为了便于施工,保证施工质量,保证对接焊缝充满母材缝隙,根据钢板厚度采取不同的坡口形式,如表11.2所示。,11.1 钢结构的连接,13,表11.2 对接焊缝坡口形式,11.1 钢结构的连接,14,当间隙过大(36mm)时,可在V形缝及单边V形缝、I形缝下面设一块垫板(引弧板),防止熔化的金属流淌,并使根部焊透。为保证焊接质量,防止焊缝两端凹槽,减少应力集中对动荷载
5、的影响,焊缝成型后,若不影响其使用,两端可留在焊件上,否则焊接完成后应切去。见图11.2。,11.1 钢结构的连接,15,图11.2 引弧板,11.1 钢结构的连接,16,焊缝内部的缺陷(未焊透、裂痕、凹凸等)使得构件在外力作用下,经过该处的传力很不平顺,在局部应力突然增大,甚至形成高峰,这种现象叫钢材的应力集中,其结果导致材料脆性增加,塑性降低,对动力荷载特别敏感,除采用引弧板外,还可以采取如表11.3中所示的措施。,11.1 钢结构的连接,17,表11.3 厚度及宽度变化时减少应力集中措施,11.1 钢结构的连接,18,(2)角焊缝角焊缝的类型 角焊缝连接板件板边不必精加工,板件无缝隙,焊
6、缝金属直接填充在两焊件形成的直角或斜角的区域内。按角焊缝本身的截面形式分为直角焊缝(图11.3(a)、(b))、斜角焊缝(图11.3(c)、(d)),常用直角焊缝;按角焊缝长度与外力作用方向分为侧焊缝(焊缝长度与外力作用方向平行)、端焊缝(也叫正面焊缝,焊缝长度与外力作用方向垂直)、斜焊缝(焊缝长度与外力作用方向倾斜)。,11.1 钢结构的连接,19,图11.3 角焊缝截面形式,11.1 钢结构的连接,20,由两种及两种以上的角焊缝(侧焊缝、端焊缝、斜焊缝)组成的焊缝叫混合焊缝,例如围焊缝、L形焊缝如图11.4所示。,图11.4 混合焊缝1侧面焊缝;2正面焊缝;3斜焊缝,11.1 钢结构的连接
7、,21,角焊缝的构造要求 直角焊缝中直角边的尺寸称为焊脚尺寸(图11.5),其中较小边的尺寸用hf表示。为保证焊缝质量,宜选择合适的焊脚尺寸。如果焊脚尺寸过小,则焊不牢,特别是焊件过厚,易产生裂纹;如果焊脚尺寸过大,特别是焊件过薄时,易烧伤穿透。另外当贴边焊时,易产生咬边现象。为此,规范给出了最大焊脚尺寸hfmax和最小焊脚尺寸hfmin、焊缝计算长度及其他构造要求,见表11.4。,11.1 钢结构的连接,22,图11.5 角焊缝计算高度,11.1 钢结构的连接,23,表11.4 角焊缝构造要求,11.1 钢结构的连接,24,续表11.4,11.1 钢结构的连接,25,(3)对接焊缝与角焊缝比
8、较 对接焊缝与角焊缝的比较见表11.5。,表11.5 对接焊缝与角焊缝的比较,11.1 钢结构的连接,26,(4)焊接残余变形及焊接残余应力 焊接是一个局部加热,然后再冷却的过程。在焊接过程中形成一个很不均匀的温度场,热变形很不均匀,加之冷却后散热速度不均匀,收缩也不一致,这样钢材各纤维变形不能恢复原状,这种变形叫焊接残余变形。在产生残余变形的同时,钢材各纤维之间形成相互制约的作用力,叫焊接残余应力。见图11.6。 焊接残余变形、残余应力的危害及其消除或减小措施见表11.6。,11.1 钢结构的连接,27,图11.6 焊接变形,11.1 钢结构的连接,28,表11.6 焊接残余变形、残余应力的
9、危害及减小措施,11.1 钢结构的连接,29,按制作螺栓的材料强度大小及传力机理不同,螺栓连接分为普通螺栓连接和高强螺栓连接,其比较如表11.7。,11.1.2 螺栓连接,11.1 钢结构的连接,30,普通螺栓连接,高强螺栓连接,表11.7 普通螺栓连接和高强螺栓连接比较,11.1 钢结构的连接,31,(1)普通螺栓连接构造 普通螺栓连接按加工的精确程度分为精制螺栓连接和粗制螺栓连接,其比较见表11.8。,表11.8 精制螺栓连接和粗制螺栓连接比较,孔精确,内壁光滑,孔轴垂直于被连接件接触面,要求I类孔。,11.1 钢结构的连接,32,螺栓的排列有并列式和错列式,如图11.7所示。其中并列式简
10、单整齐,设计方便,较常用。,图11.7 螺栓的排列(a)并列;(b)错列,11.1 钢结构的连接,33,螺栓的排列应符合下列要求:受力要求端距不能太小,否则孔端前的钢板被撕坏,要求端距2d0;边距不能太小,否则边距前钢板也被撕坏,要求边距1.2d0(或1.5d0,视具体情况而定);中距不能过小,否则两孔间的钢板被挤坏,要求中距3d0,但中距也不能过大,否则受压构件两孔间的钢板被压屈鼓肚。构造要求中距、端距、边距不能过大,否则板翘曲后浸入潮气、水而腐蚀。施工要求为了便于拧紧螺栓,所以应留适当的间距,不同的施工工具有不同的要求。,11.1 钢结构的连接,34,钢结构工程质量验收规范根据螺栓孔的直径
11、、钢材板边加工情况及受力方向,规定了螺栓最大、最小容许距离,见表11.9。,11.1 钢结构的连接,35,表11.9 螺栓或铆钉的最大、最小容许距离,注: d0为螺栓孔或铆钉孔直径,t为外层较薄板件的厚度; 钢板边缘与刚性构件(如槽钢、角钢等)相连的螺栓或铆钉的最大间距,可按中间排的数值采用; 角钢或工字钢等型钢上的螺栓排列见有关书籍。,11.1 钢结构的连接,36,(2)高强螺栓连接 高强螺栓连接按抗剪传力途径分为摩擦型高强螺栓连接和承压型高强螺栓连接,见表11.10。,d0d=1.52mm,d0d=1.01.5mm,表11.10高强螺栓连接按抗剪传力途径分类及比较,11.1 钢结构的连接,
12、37,11.2钢屋盖,38,钢屋盖通常由屋面板或轻型屋面材料、檩条、屋架、托架、天窗架和屋面支撑材料等组成,屋架的跨度和间距取决于柱网布置,而柱网布置则取决于建筑物的工艺要求和经济要求;当屋架跨度较大时,为了采光和通风的需要,屋盖上常设天窗;当由于某种需要(例如设备基础及其他设备)柱距较大超出屋面板长度时,应设置中间屋架和柱间托架,中间屋架荷载通过托架传给柱子;屋架和屋架之间应设置支撑,以增加屋架的侧向刚度,传递水平荷载和保证屋盖的整体稳定。,11.2.1 钢屋盖的组成和布置,11.2 钢屋盖,39,根据屋面材料和屋面布置情况不同,屋盖可分为无檩体系和有檩体系。无檩体系屋面板长度通常为6m,屋
13、架的间距也是6m,这种屋面板上常采用卷材防水屋面,屋面坡度i=18112。无檩体系具有屋盖横向刚度好、整体性好、构造简单、施工方便等优点,但自重大,水平地震作用大,对抗震不利,多用于有桥式吊车的单层房屋的屋盖中。有檩体系屋架间距与屋面布置灵活,自重轻,用料省,运输方便,但整体性差,构件种类多,构造较复杂。,11.2 钢屋盖,40,屋盖中屋架是组成房屋横向平面承重结构(屋架、柱、基础)的主要承重构件,屋面大部分荷载通过它传给柱和基础;而屋架在平面外(纵向)的刚度、稳定性相当差,所以还需要设置屋盖支撑以形成一个空间的几何不变体系,保证具有传递纵向水平荷载的能力,同时也保证施工中的安全。其种类及布置
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