Chapter 5 Steel Structure

5.1 Steel Connections

5.1.1Introduction

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, cheats and stiffeners, consumes much of the work content in the fabrication shop. The ease with 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.

5.1.2Components of Connections

Connections in steel structures are normally made by using welding, riveting or bolting or both (see Figure 5.10.

1.Welding

Welding is the process of joining metal parts by fusing them and filling in with

molten ,metal form 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 form 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 od 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 structures is formed by the process of fusing the member 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 connenctions.

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 uality 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 5.1a 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 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 main problem in plates.

Faulty welding peocedure can lead to the following defects in the welds, all of which reduce the strength (see Figure 5.3b):

1. Over-reinforcement an

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   5.1钢结构连接

   5.1.1概述

   节点是用来连接框架结构不同构件的一种结构元素。连接是框架上的不同构件的相连的地方。在钢框架建筑中，每一个结构部件需要和整个结构中与其相邻部分进行可靠连接。连接有很多种，可按如下进行分类：

   （1）按连接方式分类：螺栓连接、焊缝连接、栓-焊混合连接、铆钉连接；

   （2）按连接所传递的内力分类：普通螺栓连接(半刚性、简易连接)、高强度螺栓连接；

   （3）按形成连接的结构元素分类：单板角钢托架连接、双腹板角钢托架连接、上下角钢托架连接、坐梁连接；

   （4）按构件之间连接类型分类：梁连接、柱连接、梁柱连接、吊环连接。

   节点连接是钢结构中的重要组成部分，其力学性能将影响着结构的强度、刚度以及稳定性。节点连接的数量以及复杂程度对结构的分析和设计所花费的时间起着决定性的作用。此外，在车间制造节点连接的过程中，主要构件板、连接板以及加劲肋的剪切、钻孔、焊接等将消耗大量的劳动量。实际上现场连接的简易性是建造过程中的关键因素。因此，节点连接的选择、设计和细节将对建筑造价有着很大影响。为了合理设计连接，设计者必须充分理解在荷载的作用下节点连接的工作性能。在荷载作用下，节点连接有着不用的破坏形式，这主要取决于节点连接的几何特征以及组成节点构部件的相对强度以及刚度。为了确保连接能够支撑所承受的荷载，设计者必须查验每个组成节点的相关构件以及整个连接可能出现的破坏形式。

   5.1.2连接的组成部分

   钢结构的连接一般有焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接和任意两者的混合连接（见图5.1）。

   1.焊接

   焊接是通过电极熔化金属部件并在其中填充熔融金属来接合金属部件的过程。这种方法广泛用于连接节点板、加劲肋和端板，以及用于制造类似于板梁的构件。焊接不同与其他利用摩擦或者内力连锁等原理的铆接、栓接连接方式。焊接是最悠久、最可靠的连接方式之一。

   焊接相对于栓接和铆接有很多的优点。它能够直接传递构件之间的应力，消除螺栓结构所需的节点板和拼接板。因此，节点的重量达到最小。在受拉构件中，无孔可以提高截面的利用率。由于只需处理更少的构件和不需要类似于钻孔和冲孔的操作，故相对于其他连接方式，焊接的制作费用更少。此外，焊接密封隔绝水与空气，是储油罐和船舶的理想选择。焊接结构外观整洁，可形成形状复杂的节点。焊接结构的刚度也比栓接和铆接的结构刚度更大。在现实生活中，一个真实的连续的结构是由融和构件在一起的过程。通常，焊接节点的强度能够达到或超过母材的强度，因此对节点是没有限制的。在焊接节点中，应力集中也更小。

   焊接的缺点是需要一定技术水平的工人进行焊接和检查。此外，还需进行非破坏性评估以检查焊接缺陷。考虑到施工位置或环境，现场施焊有可能是很困难的。在疲劳荷载作用下，焊接节点很有可能产生裂缝，有会产生较大的残余应力和变形。

   焊接方式主要是电弧焊接，具体细分为一下两种：

   （1）手工电弧焊：使用带有助焊剂的手持焊条进行熔融金属的焊接和保护。 焊接质量很大程度上取决于焊工的熟练程度。

   （2）自动电弧焊：在焊接时连续地向熔池提供电极丝。助熔剂涂在电极丝上或者由料斗提供。在另一种焊接方式中，我们吹入惰性气体以提供保护。

   焊缝形式共有两种，分别是对接焊缝和角焊缝，如图5.2a、5.2b所示。单U型、双U型和双V型焊缝如图5.2c所示。相对于V型焊缝，双U型焊缝所需的焊接金属较V型焊缝而言更少。焊缝尺寸主要是由焊脚尺寸确定。其他种类的焊缝——部分对接焊缝、部分对接和角焊缝和全焊透角焊缝如图5.2d所示。在全焊透角焊缝中，埋弧焊或者类似熔合钢板超出焊材边界的焊接方式需使用更大的电流。

   裂缝一般出现在焊缝及其附近的母材上，主要形式如图5.3a所示。冷却收缩是导致焊缝开裂的原因。当板沿着夹渣产生层状撕裂时，吸氢是热影响区的氢致裂纹产生的主要原因。

   不正确的焊接过程将导致焊缝产生缺陷，这些都会降低焊缝的强度（如图5.3b所示）：

   （1）焊瘤和咬边

   （2）未焊透和未熔合

   （3）夹渣和气孔

   当焊材冷却成型时，焊缝和母材就会承受残余应力。在制造完成后用热处理的方式消除残余应力是不经济的，故在设计需要考虑残余应力。

   焊接也会导致变形，因此必须采取预防措施保持构件平直，避免弯曲。焊接操作正确、细节处理妥当可以使变形效应达到最小，可以预调整、预防和预热以减小变形。

   当连接厚度不同的钢板时，厚钢板应当按坡度1:5进行削尖。较小角焊缝应避免穿过类似于梁的受拉翼缘的部件，尤其当构件受到脉动荷载时，将会导致疲劳或脆性破坏。当坡口加工、电极选择、焊缝加工均良好的情况下，焊缝连接是可靠的。

   2.栓接

   安装在标准或更大孔径里的非预紧螺栓、预紧摩擦型螺栓是钢结构连接中的两种主要的栓接方式。对于非预紧螺栓，带有螺母和垫圈的六角头普通螺栓是最常见的结构紧固件。螺栓的强度等级分为：4.6,4.8和10.9。小数点前的数字表示螺栓材料的抗拉强度，比如4表示抗拉强度为400MPa，小数点及其后数字共同表示螺栓材料的屈强比。因此，对于强度等级为4.6 的螺栓，其屈服强度为240MPa。

   预紧摩擦型螺栓是由高强度钢材制成，在预紧时其栓杆可以达到很大的应力。连接板中的剪力是由摩擦力传递而普通非预紧螺栓是由栓杆受剪进行传力的。摩擦型螺栓用于高强度连接中，主要是用在框架的刚节点上，其必须配合使用硬化钢垫圈以防止连接部分破坏。接触表面必须无磨垢，锈蚀，油漆，油脂等，这样可以避免接触表面的固化作用和滑动系数的降低。此外，必须拧紧螺栓至所需的拉力，否则将会产生滑移，变成普通的非预紧型螺栓。达到所需预拉力的方法如下：

   （1）转角法：先初拧螺栓，再终拧1/3~1/2圈。终拧角度取决于取决于螺栓的长度和直径。

   （2）扭矩法：用电动或手动扭矩扳手对螺母施拧，电动扳手必须定期校准。

   （3）示荷垫圈和螺栓：（ ） 这套装置配有当螺栓被扭紧就向下移动的激光，塞尺用于测量间隙是否达到尺寸要求。

   5.1.3连接设计

   1. 焊缝设计

   角焊缝沿横向的承载力大于沿纵向的承载力。受纵向剪力和受横向力的焊缝如图5.4所示。对接焊缝的强度是通过焊喉厚度进行计算的，如图5.5所示。焊喉厚度取为0.7倍的焊脚尺寸。

   对接焊缝的设计依赖于焊接质量。通常，其设计强度取母材的设计强度。焊条的抗拉强度、屈服强度、破坏时的伸长率以及夏比试验值都应该优于母材的这些性能。通过确认焊缝是否由两面构成抑或是背板也出现了正面的制作材料来判断是否实现全焊透。通过使用背板也可以达到全焊透的目标。当焊缝是由一边开始形成的时候，焊喉厚度可能会减小。部分焊透对接焊缝的焊喉尺寸取为焊入深度的最小值，如图5.6所示。如果焊缝的强度没有超过母材的相关强度，那么部分焊透对接焊缝的承载力就无需折减。

   2.螺栓设计

   螺栓连接的形状和位置不同，螺栓就有可能受到拉力、剪力或者二者的共同作用，如图5.7、5.8所示。

   对于非预紧螺栓，它可能是单剪或双剪，如图5.9所示。受剪节点有如下的四种破坏方式：

   （1）栓杆剪断；

   （2）孔壁挤压坏；

   （3）端部钢板剪断；

   （4）钢板拉断。

   受剪连接的典型的破坏方式如图5.10所示。可通过如下方法防止破坏：

   （1）对于破坏情况1、2，可使用足够多的适当直径的螺栓；

   （2）对于破坏情况3，可增加端距；

   （3） 对于破坏情况4，增大受拉钢板有效面积。

   对于受拉螺栓节点，我们可用简易的或更精确的方法进行计算。简易方法就是考虑撬动作用，对螺栓强度进行折减；精确方法就是在没有撬力的地方或者是允许施加一些荷载来利用螺栓的全部抗拉能力计算。简易方法不需计算撬力，而精确方法则需计算撬力。撬力大小取决于螺栓和构件翼缘的刚度，如图5.11所示。我们可以利用弹塑性理论分析确定撬力，如果翼缘很厚、螺栓间距不大以及端距较大，那么撬力很小，可以忽略。实际上，由于撬力计算十分复杂，我们推荐使用折减螺栓强度的简易方法，中国规范使用的也是这种方法。

   3.结构构件/连接的基本要求

   结构构件/连接的基本要求主要考虑到强度、刚度和变形能力。

   （1）强度

   为了确定连接处力的大小，我们必须采用静力分析的办法。静力分析包括设计荷载的确定以及模型的建立。连接包括刚接、铰接以及半铰接。构件（梁和柱）和连接的变形能力决定了结构中的力的分布。

   （2）刚度

   连接刚度影响着设计荷载的等级。转动刚度较小的连接不能承受弯矩，因此在结构图示化过程中被认为是铰接。

   连接刚度影响着梁的变形，尤其在无支撑的框架中，连接刚度将主要影响了整个结构的变形与稳定性。

   结构静力分析时，如果模型中连接是刚接，那么结构中荷载的分布和结构整体的变形对节点的变形的影响很小。

   另一方面，如果模型中连接是铰接，那么节点就可以自由转动，不会产生引起连接和构件的提前破坏的弯矩。

   （3）变形能力

   我们对强度和刚度的要求十分清楚，强度和刚度都可以通过静力计算确定，而对变形能力的要求则更偏向于定性分析。实际上，有时候很难检查是否能达到变形能力的要求。当超载时，在保持结构安全的情况下，塑性连接的结构可产生很大的变形。这种连接设计在某些情况下可以采用，比如在塑性设计中的塑性铰设计。

   5.1.4建筑中的铰接

   铰接是连接构件的不传递弯矩的节点，其主要优点是能够在构件间直接传力，不会产生附加的力，比如梁柱间和梁之间的连接可传递竖向剪力，井字梁主管连接、柱脚或者柱间连接可传递轴向拉力或压力。假设结构为铰接时，只有在支撑足够的情况下，结构才能产生足够的抗力。矩形框架中，常见结构布置包括井字梁、支撑体系以及梁柱的连接，这些可以通过例如剪力墙、核心筒以及支撑托架的刚度系统来承受水平荷载。

   如图5.12a、5.12所示，说明了在多层框架中，铰接可以用作6种不同的构件连接部分，如图5.12种A—E。因此，用于表示结构中内力分布的结构简化图如图5.12c、5.12d所示，其中所有的水平力均由支撑或者剪力墙承受。当考虑框架承受竖向荷载的设计时，若节点为铰接，那么整个结构的受力分析将更加明确，因为荷载可以通过楼板传递到梁、柱，最终传到基础。

   铰接更加易于制作和建造，因此，很有可能生产出最具有成本效益的钢框架。以梁柱连接为例，铰接：

   （1）可以把剪力由梁传到柱上；

   （2）有足够的柔度，只会把梁上的很小的弯矩传达柱子上，且这主要是偏心作用引起的力的传递；

   （3）可以灵活转动，故梁的变形形状比较简单。

   因此， 这种连接的弯矩承载能力小以及转动刚度小，可以当作铰接。荷载传递的唯一形式是通过竖向剪力进行传递。

   正常情况下铰接是完全用螺栓连接的，例如角钢连接板的布置，有时也会涉及工厂焊接和现场螺栓连接的组合，例如肋板和端板的布置。除了承受振动作用的连接，例如承受移动机械荷载的基础或者支撑结构的起重机，还应使用螺栓固定在间隙孔中的无螺纹连接。

   5.1.5框架中的刚接

   弯矩节点同时也被称为刚节点，刚接点可以承担构件中的部分乃至全部力矩，因此可以限制构件端部的转动。

   设计、建造框架时，我们可以不用刚接。在铰接框架体系中，横向承载力就是由支撑系统提供的，这样既经济又常用。

   其实许多实际结构中都用到了刚接，常见的就是无支撑系统的框架。然而一些支撑体系框架也需要悬臂梁或跨中梁的拼接。在高层框架中，结构的连续对于控制水平方向的位移有着有利的影响。

   刚性连接通常需要传递剪力，有时也需传递轴力。然而实际上更多考虑的是传递弯矩。

   弹性分析的连续框架包含了刚性和局部强度的连接（假设连接可以承载分析算出的全部力矩）。

   类似的，塑性分析的连续框包含了半刚度和等强度的连接（当考虑连接的工作性能和稳定性时，可能也需考虑连接的柔性）。

   1.等强度连接

   焊接可以实现等强度连接，有时候也需要用到加劲肋。实际上，我们建议焊接应当设计为等强度连接，因为由不均匀沉降引起的超过承载能力的力矩会导致尺寸较小的焊缝产生脆性破坏。

   栓接不能在梁高范围内形成等强度连接。受拉翼缘外的螺栓，例如外伸式端板，可在梁高的一半范围内（一般是400~500mm）形成等强度连接，这主要取决于梁和螺栓的强度。在此范围外，则需要焊接拉伸节点板或梁腋以增加力臂，其中梁腋一般与梁同高（通常是是由同一截面切割而来），但是梁腋高度一般不需这么大。

   2.刚接

   刚节点的连接有什么特征？从相反的方向接近它或许更有启发性，思考哪些特征涉及到了柔韧性。节点整体的柔韧性是组成构件的柔韧性，一个到两个过度构件的过度柔韧以致可以忽略其他的构件。

   直接明确的传力路径其实是最好的，也就是构件中的轴向拉力或压力而非力矩的传递。因此，实际上普遍的焊接都是刚性连接。而螺栓连接的柔度是不可避免的。

   当非预紧螺栓受到剪力时，连接处就会产生一定的滑移。当螺栓连接承受弯矩时，就不能认为其是刚接的。因此，当必须刚性连接的时候，就必须预紧受到轴力和剪力作用的螺栓。

   一个螺栓作为一个向下弯曲的板中的受拉主体时（例如板的端部和柱子的翼緣），为了最小化柔度，可按如下建议：

   （1）紧密布置螺栓，例如与梁的腹板和翼缘一样紧密；

   （2）使用和螺栓一样紧密的加劲肋；

   （3）使力臂最大化，例如利用梁腋

   实际上，假如螺栓紧密布置，板厚与螺栓直径相同，那么一般认为所有的利用梁腋进行的连接和大多数的外伸式端板连接是刚性的。

   5.1.6形成连接的方法

   大多数建筑框架由竖向柱和水平梁组成。节点设计者需要面对一个事实，构件需在梁柱铰接

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