Chapter 5 Steel Structure

5.1 Steel Connections

5. 1. 1 Introduction

Connections are structural elements used for joining different members of a Framework. In steel frame buildings, each structural element has to be properly attached to the neighboring parts of the whole structure. This will involve the use of several forms of connections. Connections can be classified according to:

(1) The type of connecting medium used: bolted connections, welded connections, bolted-welded connections and riveted connections.

(2) The type of internal forces transmitted: shear (semi-rigid, simple) connections, and moment (rigid) connections.

(3) The type of structural elements that made up the connections: single plate angle connections, double web angle connections, top and seated angle connections, seated beam connections, etc.

(4) The type of members the connections are joining: beam-to-beam connections (beam splices), column-to-column connections (column splices), beam-to-column connections, hanger connections, etc.

Connections are important parts of steel structure. The mechanical properties of the connections are of great influence on the strength, stiffness and stability of the whole structure. The number and the complexity of the connections have a decisive influence on the time for structural analysis and design. Additionally, production of connections, i.e., cutting, drilling and welding of main members, plates, cleats and stiffeners, consumes much of the work content in the fabrication shop. The ease with which the site connections can actually be made is a key factor in erection. Thus the selection, design and detailing of the connections in a building frame has a very significant influence on costs. To properly design a connection, a designer must have a thorough understanding of the behavior of the joint under loads. Different modes of failure can occur depending on the geometry of the connection and the relative strengths and stiffness of the various components of the connection. To ensure that the connection can carry the applied loads; a designer must check for all perceivable modes of failure pertinent to each component of the connection and the connection as a whole.

5. 1. 2 Components of Connections

Connections in steel structures are normally madeby using welding, riveting or bolting or both (see Figure 5. 1).

l. Welding

Welding is the process of joining metal parts by fusing them and filling in with molten metal from the electrode. The method is used extensively to join parts and members, attach cleats, stiffeners, end plates, and to fabricate complete elements such as plate girders. Welding is distinguished from other forms of mechanical connections such as riveting or bolting, which are formed by friction or mechanical interlocking. It is one of the oldest and reliable methods of joining.

Welding offers many advantages over bolting and riveting. Welding enables direct transfer of stress between members eliminating gusset and splice plates necessary for bolted structures. Hence, the weight of the joint is minimum. In the case of tension members, the absence of holes improves the efficiency of the section. It involves less fabrication cost compared to other methods due to handling of fewer parts and elimination of operations like drilling and punching. Welding offers air tight and water tight joining and is ideal for oil storage tanks, ships, etc. Welded structures also have a neat appearance and enable the connection of complicated shapes. Welded structures are more rigid compared to structures with riveted and bolted connections. A truly continuous structure is formed by the process of fusing the members together. Generally, welded joints are as strong as or stronger than the base metal, thereby placing no restriction on the joints. Stress concentration effect is also considerably less in a welded connection.

Some of the disadvantages of welding are that it requires skilled labor for welding as well as inspection. Also, non-destructive evaluation may have to be carried out to detect defects in welds. Welding in the field may be difficult due to the location or environment. Welded joints are highly prone to cracking under fatigue loading. Large residual stresses and distortion are developed in welded connections.

Arc welding is the main system used, and the two main processes in structural steel welding are:

(1) Manual arc welding, using a hand-held electrode coated with a flux which melts and protects the molten metal. The weld quality depends very much on the skill of the welder.

(2) Automatic arc welding. A continuous wire electrode is fed to the weld pool. The wire may be coated with flux or the flux can be supplied from a hopper. In another process an inert gas is blown over the weld to give protection.

The two main types of welds, butt and fillet, are shown in Figure 5. 2a and 5.2b. Single U, double U and double V welds are shown in Figure 5. 2c. The double U welds require less weld metal than the V types. The weld size is specified by the leg length. Some other types of welds--the partial butt weld, partial butt weld and fillet weld, and deep penetration fillet weld are shown in Figure 5.2d. In the deep penetration fillet weld a higher current is necessary using submerged arc welding or similar processes to fuse the plates beyond the limit of the weld metal.

Cracks can occur in welds and adjacent parts of the members being joined. The main types are shown in Figure 5. 3a Contraction on cooling causes cracking in the weld. Hydrogen absorption is the main cause of hydrogen-induced cracking in the heat-affected zone while lamellar tearing along a slag inclusion is the main problem in plates.

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第五章 钢结构

5.1 钢连接

5.1.1 简介

连接是一个用于联系框架不同构件的结构元件。在钢架建筑中，整个结构的每个构件都必须跟相邻的构件连接得当。这将涉及到几个连接形式的使用。连接的类型可以分为：

1. 根据连接使用的介质进行分类：螺栓连接、焊接连接、螺栓连接、铆钉连接焊接。
2. 根据内力传递的方式进行分类：剪切（半刚性，简单）连接，和力矩（刚性）连接。
3. 根据构成连接的构件进行分类：单板角连接，双腹板角连接，顶部和连接角连接，梁连接等。
4. 根据所连接的结构构件类型进行分类：梁梁连接（梁接头）、柱柱连接（柱接头）、梁柱连接，吊杆连接等。

连接是钢结构的重要组成部分。连接的力学性能对整个结构的强度、刚度和稳定性都有很大的影响。连接的数量和复杂性在结构分析和设计时有决定性的影响。此外，连接的生产，即主要构件、板、夹板、加劲肋的切割、钻孔、焊接大大占用了制造车间的工作内容。场地连接的易用性，可以是安装的一个关键因素。因此，建筑框架连接的设计和细节对成本有着非常显著的影响。要正确设计一个连接，设计者必须彻底全面地了解节点在荷载作用下的行为。根据连接的几何形状以及连接各部件的相对强度和刚度，可以产生不同的故障模式。为了确保连接能够承受施加的载荷，设计师必须检查相关连接的每个组件和作为整体的连接失败的所有感知模式。

5.1.2 组件的连接

钢结构的连接方式通常为焊接、铆接、螺栓或两种方式一起使用。

1. 焊接

焊接是将金属件与金属件进行熔化，并用熔融金属填充的过程中的一部分。该方法被广泛用于连接部位和构件，连接夹板，加劲肋、端板、和制造等完整的板梁单元。焊接与其它形式的机械连接，例如铆接或螺栓连接，是由摩擦或机械互锁形成的。这是连接的最古老的和可靠的方法之一。

与螺栓连接和铆接相比，焊接有许多的优点。焊接使连接件之间直接传递应力，取消了螺栓结构中所必需的节点和拼接板。因此，连接的重量最小。在受拉构件中，由于没有孔的存在，所以单元的效率有所提高。与其他方法相比，由于只需要处理更少的部分以及没有钻孔和冲孔等操作，它的制造成本更少。焊接提供了气密和水密连接，是储油罐，轮船等的理想连接方式。焊接结构也有一个整洁的外观，能够用于复杂形状的连接。相比于铆接和螺栓连接结构，焊接结构更为坚固。一个真正的连续结构是由部件熔合在一起的过程中形成的。一般情况下，焊接接头的强或强于母材，从而对接头没有任何限制。应力集中的影响在焊接连接也很少被考虑。

焊接的缺点是，它需要有经验的焊工和检验人员。此外，非破坏性评估可能必须进行焊缝缺陷的检测。因为场所和环境的限制，在现场焊接是比较困难的。焊接接头非常容易在疲劳载荷下开裂。比较大的残余应力和变形都在连接焊接中发展。

弧焊是主要使用的焊接方式，结构中钢焊接的两个主要工序是：

（1）手工电弧焊接，使用一种用以熔覆及保护熔融金属的焊剂的手持式电极。焊接质量很大程度上取决于焊接的技巧。

（2）自动电弧焊接。一个连续的导线电极被输送到熔池。焊剂可以涂在电线上或从料斗提供。另外，一种惰性气体被吹在焊缝处给予保护。

两种主要类型的焊缝，对接焊缝和角焊缝，如图5.2a及5.2b所示。单边U型焊缝、双边U型焊缝以及双边V型焊缝如图5.2c所示。采用双边U形焊缝要求的金属比V型焊缝少。焊缝大小由焊脚的长度确定。其他一些类型的焊接——部分对接焊缝、对接焊缝、角焊缝以及深熔角焊缝如图5.2d所示。在深熔角焊缝中，需要使用埋弧焊或类似的方法，以熔化该板的焊接金属的限制。焊缝及相邻的部件会发生裂纹。主要类型如图.3a所示。在焊接中冷却会引起开裂。氢的吸收是氢致裂纹在热影响区出现的主要原因，而板层裂带是板内的主要问题。

有缺陷的焊接工艺可导致焊缝中出现以下缺陷，从而降低强度（见图5..b）：

1. 加强及削弱
2. 未焊透及内侧未熔合
3. 夹渣和气孔

当焊缝金属冷却和凝固，会收缩并在构建中产生残余应力。在制作后利用热处理减小这些应力是不经济的，所以在设计时就对残余应力进行补偿。

焊接也会造成变形，必须采取特殊的预防措施，以确保制造的构件是正方形的，不受扭曲。良好的详细说明和使用正确的焊接程序也可以使变形的影响最小化。可以通过预设，预变形以及预热的方法来抵消变形。

当连接不同厚度的板时，较厚的板应给予五分之一的锥度以满足薄板。小角焊缝不应跨部件制成，例如在张力梁凸缘，尤其是构件经受变化的负荷，可以会因疲劳或脆性断裂导致失败。在正确的接边加工、整理、电极选择和适当控制焊接工艺下，焊接是完全可靠的。

1. 铆接

标准间隙或特大型孔的非预紧螺栓和预紧或摩擦型螺栓是钢结构连接的两种常见形式。在非预紧螺栓中，带有螺母和垫圈的六角头普通螺栓是最常用的结构紧固件。螺栓有三种常用的强度等级：4.6、8.8以及10.9。小数点之前的数字表示螺栓成品的拉伸强度，即数字4代表400MPa，小数点及小数点后的数字表示屈强比。因此，对于强度等级4.6，螺栓的屈强比为240MPa。

预紧螺栓由高强度钢制成，因此他们可以收紧并给予很高的柄张力。板的连接是通过摩擦型连接而不通过螺栓抗剪，可以作为普通的非预紧螺栓。这些螺栓用于需要的强度较大的连接中，一个主要的用途是在刚性连续框架的连接处。螺栓必须与硬化钢垫圈一起使用，以防止损坏连接件。接触的表面必须是自由的氧化皮、铁锈、油漆、油脂等，这会防止表面之间的固体接触，并降低滑动系数。必须注意确定螺栓拧紧所需的张力，否则会发生滑移，这样连接就会变成一个普通的非预紧螺栓连接。实现正确的柄张力的方法有：

（1）零件车削。螺母拧紧后，根据螺栓的长度和直径，再旋紧半圈到三圈。

（2）转矩控制。利用电动或手动的扳手给螺母加上一个特定的扭矩。机械扳手必须定期校准。

（3）负载指示垫圈和螺栓。当螺栓拧紧时会有显示。利用塞尺测量间隙是否已达到所要求的尺寸。

5.1.3 连接设计

1. 焊缝的设计

在横向方向上的角焊缝比其纵向方向更强大。纵向剪切力和横向力的焊缝如图5.4所示。用焊喉厚度计算出一个角焊缝的强度，如图5.5所示。焊喉厚度是0.7倍的焊脚尺寸或焊脚长度。

对接焊缝的设计取决于焊接质量。一般情况下，设计强度应取为等于母材所提供的匹配电极。一个匹配的电极应具有相当于或优于母材规定的抗拉强度、屈服强度、扯断伸长率和夏比冲击值。如果是双面焊缝或者一侧的对接焊缝，全熔透深度是可以保证的（见图5.6）。通过使用一个支持板实现了完全渗透。如果是单面焊缝，焊喉厚度可能会变小。部分熔透对接焊缝的焊脚尺寸应取为最小熔深，焊缝中的最小熔深如图5.6所示。如果整个焊接过程中的应力不超过母材的相关强度，应采取局部渗透对接焊缝的能力。

1. 螺栓的设计

根据连接的形状和螺栓的位置，它们被受拉、受剪或受拉力和剪力的联合作用，如图5.7和5.8所示。

非预紧螺栓，他们可能被设置为单面或面剪切，如图5.9所示。剪切破坏有以下四种方式：

（1）在螺栓杆上受剪；

（2）螺栓承压破坏；

（3）在该成员的末端受剪切；

（4）板件被冲剪破坏。

典型的剪切破坏形式如图5.10所示。这些破坏可以采取以下措施防止：

（1）为第1和2种破坏方式时，保证足够适当直径的螺栓。

（2）为第3种破坏方式时，保证足够的端距。

（3）为第4种破坏方式时，在有效面积内增加足够的强度。

在直拉接头的情况下，简便的或更准确的方法都可以使用。简便的方法包括降低螺栓撬力作用的强度，而更精确的方法是利用全螺栓抗拉承载力，使撬力为零或在允许的载荷范围内。在简便的方法中，不需要计算撬力。在更精确的方法，需要计算撬力。撬力的大小取决于螺栓的刚度和突缘（见图5.11）。理论分析基于弹塑性理论可确定这些撬力值。如果突缘较厚，间距不过度和边缘距离足够大的螺栓，撬力很小，可以忽略不计。在可能的情况下，建议的简便方法包括降低螺栓的强度，因为实际的撬力计算可能较为麻烦，这种方法采用的是中国规范。

1. 结构元件及连接的基本要求

结构元件及连接的基本要求涉及到强度，刚度和变形能力的要求。

（1）强度

要确定连接上的荷载，必须进行静态分析。这样的分析包括设计荷载的确定和结构的建模。连接可以被假定为刚性铰或具有刚度这两者之间。构件的变形能力（梁、柱）和连接件的变形能力在结构的极限分布中起着重要的作用。

（2）刚度

连接的刚度会影响其设计的负载水平。低转动刚度的连接不吸引大弯矩，因此在结构模型中可以假设为一个固定的连接。

节点的刚度影响梁的挠度。特别是在无支撑框架，连接的刚度可能会对整体结构的挠度和稳定性有一个重大的影响。

如果在结构模型中假定连接是刚性的，那么，连接的形式应该是，它们的变形受一个可以忽略不计的负载分布和结构的变形的影响。

另一方面，如果连接被假定为固定的连接，他们应该有足够的灵活性，以适应旋转而不引起一个显着的弯矩导致（部分）连接或连接的板过早失效。

（3）变形能力

强度和刚度的要求是明确的。他们的结果从静态计算。对变形能力的要求比较高。在实践中，有时很难检验这一要求。有一个变形能力较强的韧性连接有利于在连接过载时维持结构的整体安全性，连接变得超载。这种连接也可能是在某些情况下的设计要求，例如，在塑形设计中采用塑性铰形成的连接。

5.1.4 建筑物的简单连接

简单连接的定义是没有被设计成传输重要力矩的构件之间的连接。它们的目的是将荷载通过基本上只有直接力参与的方式从传力构件传向受力构件，例如，梁中的垂直剪切力传向柱或梁的连接，轴向拉压的框架梁、柱基础或柱接头连接。他们可能只被用于在足够的支撑的情况下，且连接被假定作为引脚，或有足够的整体结构阻力的存在。常用的设置包括在格构梁和支撑系统中或刚性系统如剪力墙、核心筒或支撑托架承受横向荷载的框架中的梁和柱之间的连接。

图5.12a及5.12b表示5.12中列举的5种不同情况A到E下，多层框架中简单连接的可能使用情况。因此，结构理想化适合测定构件的力的分布将如图5. 12c及5.12d所示，所有荷载被抵制的支撑或剪力墙。当考虑重力荷载作用下的框架设计时，固接的假设使整体结构分析变得更为明了，因为负载可以由一个简单的静态过程从板到梁、柱并且最终传至基础。

简单的连接也会更容易制造和安装，因此，有可能使钢框架变得最经济。以一个梁柱节点为例，简单的连接必须：

（1）将梁的应力转变为柱的剪力

（2）有足够的灵活性，只传输给柱小力矩，例如，荷载传输线上的一些小的偏心距；

（3）具有足够的转动能力，确保梁能进行“简单”的变形。

因此，连接应在弯矩承载力和转动刚度上为“铰接”，并且荷载传递的唯一形式为垂直切变。

简单的连接通常会完全固接，如安排使用角度夹板或将涉及相结合的车间焊接现场锚杆支护，如鳍板和端板的安排。除了连接受到振动，如在移动机械或起重机支撑结构的基础，应利用螺栓的间隙孔。

5.1.5 连续框架的受弯连接

受弯连接也成为刚性连接。受弯连接携带承受的构件的一部分或全部的弯曲承载力，从而防止构件的旋转。建筑框架可以设计成没有弯矩连接的形式。“简单的施工”，在这个前提下连接是“铰接”的，横向阻力由某种形式的支撑提供，是经济的和常用的形式。

然而，在许多实际的结构中，抗弯连接是必要的。无支撑框架是一个明显的例子，但即使在支撑框架中，也可能需要悬臂或跨中梁的接头。在高层框架中，连续性对横向控制侧向挠度可能是有利的。

抗弯连接通常需要传递剪切力，有时也需要传递轴向力，但在实际中弯矩往往是最需要关注的。

连续框架的弹性分析可以形成刚性和部分承载力的连接（当然前提是他们是强大到足以抵抗分析得出的弯矩结果）。

同样，连续框架的塑性分析可以形成满载和半刚性的连接（虽然可能有必要在考虑承载能力和稳定性时考虑连接的柔度）。

1. 满载连接

一个满载连接一般可以通过焊接，并且必须采用加劲肋。事实上，这是明智的，因为焊接连接时一般应设计为满载，因为尺寸过小的焊缝在不均匀沉降时无法承受过大的弯矩而可能发生脆性破坏。

在螺栓连接，在梁高范围内实现一个满载连接是不可能的。抗拉法兰外的螺栓，如在外伸式端板，可以传递满载到中等深度梁；极限取决于梁和螺栓的强度，但通常在400-500mm之间。超过这个深度有必要增加杠杆臂，焊接在腰部和根部扩展。加腋通常几乎与梁本身同高（他们经常也是在同一部分），但这样的深腋并不总是必要的。

1. 刚性连接

什么样的特征使连接是“刚性”的？或许从相反的方向，并考虑什么特点介绍灵活性是更具指导性的方法。连接的柔度是构件的柔度之和，一个或两个过于灵活的构件可以使其他构件的柔度忽略不计。

在构件中最好的路径是直接负载，涉及轴向拉伸或压缩，而不是弯曲。由于这个原因，几乎所有常用的焊接连接，当然是所

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