门式刚架计算原理和设计实例之七.docx
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门式刚架计算原理和设计实例之七
第七章连接和密封材料
钢结构相对于钢筋混凝土结构的最大优势是施工工期较短，这意味着能节约大笔施工费用，缩短工期，提前投入生产，早日收回投资。
钢结构施工之所以快是因为绝大部分结构构件都是在工厂预制，再在施工现场通过高强螺栓、镀锌螺栓或自攻螺丝等连接件拼装而成。
随着钢结构的发展，对工厂的预制水平和施工速度都提出了更高的要求。
相应地，连接件技术也不能滞后于钢结构的发展，这就对连接件提出了新的要求。
本章主要介绍螺栓、锚栓、自攻螺丝等连接件以及钢结构中常用的密封材料。
第一节螺栓
螺栓连接是轻钢结构现场连接的主要方式。
与现场焊接的连接方式比较，螺栓连接具有施工速度快，不受施工条件、施工天气的限制等优点，且容易保证施工质量。
但螺栓连接也会增加工厂制作和安装的成本。
螺栓的表示方法是采用螺栓杆强度级别,其性能等级中的小数点前的数字表示热处理后的抗拉强度,小数点及其以后数字表示其屈强比。
例如，材料性能等级为8.8级的螺栓，其抗拉强度不小于
，屈强比为0.8。
螺栓分为普通螺栓和高强螺栓两种。
一、普通螺栓
普通螺栓一般采用符合现行国家标准《碳素结构钢》的Q235-A级钢制作。
常用的螺栓直径有12mm、14mm、16mm、18mm、20mm。
普通螺栓分为A级螺栓和B级、C级螺栓。
按材料性能等级可分为4.6级、4.8级、5.6级和8.8级。
C级螺栓表面不经特别加工，螺栓孔的直径一般比螺栓杆直径大1.5～2.0mm。
由于螺栓杆与孔之间存在较大的空隙，当传递剪力时，连接变形较大，故工作性能较差，只宜用于不直接承受动力荷载的次要连接，或安装时的临时固定和可拆卸结构的连接等。
A级、B级螺栓螺杆直径与螺栓孔直径相同，对成孔质量要求较高，因此一般钢结构中很少采用，主要用于机械设备。
二、高强螺栓
高强螺栓一般采用45号钢、40Cr、40B或20MnTiB等钢制作，并须满足现行国家标准的相关规定。
当前使用的高强螺栓等级和材料见下表（表7-1）。
表7-1高强螺栓的等级和材料选用表
螺栓种类
螺栓等级
螺栓材料
螺母
垫圈
适用规格，mm
扭剪型
10.9s
20MnTiB
35号钢
10H
45号钢
HRC35~45
d=16,20,（22）,
24
大六角头型
10.9s
35VB
45号钢
35号钢
15MnVTi
10H
45号钢
35号钢
HRC35~45
d=12,16,20,（22）,
24,（27）,30
20MnTiB
d≤24
40B
d≤24
8.8s
45号钢
35号钢
8H
45号钢
35号钢
HRC35~45
d≤22
35号钢
d≤16
高强螺栓有扭剪型和大六角头型两种，这两种螺栓的性能都是可靠的，在设计中可以通用，但其抗剪受力特性却有所不同。
根据受力特性，高强螺栓也可分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓。
摩擦型高强螺栓通过连接板间的摩擦力来传递剪力，按板层间出现滑动作为其承载能力的极限状态。
摩擦型高强螺栓适用于重要的结构和承受动力荷载的结构，以及可能出现反向内力构件的连接，其孔径比螺栓的公称直径大1.5～2.0mm。
承压型高强螺栓不以连接板间出现滑动作为正常使用的极限状态，而以连接的破坏（螺栓或板件的破坏）作为其承载能力的极限状态。
承压型高强螺栓的计算方法和构造要求与普通螺栓相同，可用于允许产生少量滑移的承受静荷载结构或间接承受动力荷载的构件。
当允许在某一方向产生较大滑移时，可以采用长圆孔；当为圆孔时，其孔径比螺栓的公称直径大1.0～1.5mm。
以上两种高强螺栓，除了在设计计算的考虑和孔径方面有所不同外，其它在材料、预拉力（见表7-2）、接触面的处理以及施工要求等方面均无差异。
高强螺栓按材料性能等级可分为8.8级和10.9级两种，其中10.9级具有更高的受力性能，在钢结构连接中最为常用。
高强度螺栓不宜重复使用，特别是10.9级的螺栓不得重复使用。
表7-2高强度螺栓的设计预拉力P,kN
螺栓的
性能等级
螺栓公称直径，mm
M16
M20
M22
M24
M27
M30
8.8
10.9
70
100
110
155
135
190
155
225
205
290
250
355
高强螺栓所采用的钢材，在热处理后的机械性能见表7-3。
表7-3高强螺栓的性能、等级与所采用的钢号
螺栓种类
性能
等级
所采用
的钢号
抗拉
强度
σb
N/mm2
屈服
强度
σ0.2
N/mm2
伸长率
δ5
（%）
断面收缩率
φ
（%）
冲击韧性值
αkJ/cm2
（kgf·m/cm2）
硬度
不小于
大六角头高强螺栓
8.8
45号钢
35号钢
830～
1030
660
12
45
78（8）
HRC24～31
10.9
20MnTiB
B40
35VB
1040～
1240
940
10
42
59（6）
HRC33～39
三、螺栓构造
螺栓在构件上的布置和排列，应满足受力、构造和施工要求，其中心距和端距应满足表7－4中要求。
高强螺栓的排列、布置、间距等要求，均与普通螺栓相同，但在具体布置时，应考虑使用拧紧工具进行施工的可能性且有以下特别规定：
（1）当环境温度高于150`C时，应采用隔热防护措施；
（2）当不同板厚连接需设置填板时，填板表面应作与母材相同的表面处理；型钢构件的拼接采用高强螺栓连接时，其连接件宜采用钢板；
（3）高强螺栓孔应采用钻孔，不得采用冲孔；
（4）在高强螺栓连接范围内，构件接触面的处理方法及所要求的抗滑移系数值，应在施工图中说明。
表7-4螺栓或铆钉的最大、最小容许距离
名称
位置和方向
最大容许距离（取两者的较小者）
最小容许距离
中心间距
外排（垂直内力方向或顺内力方向）
8d0或12t
3d0
中间排
垂直内力方向
16d0或24t
顺内力方向
压力
12d0或18t
拉力
16d0或24t
沿对角线方向
中心至构件边缘
距离
顺内力方向
4d0或8t
2d0
垂直内力方向
剪切边或手工气割边
1.5d0
轧制边自动精密
气割或锯割边
高强度螺栓
其他螺栓或铆钉
1.2d0
第二节锚栓
锚栓用于上部钢结构与下部基础的连接，承受柱弯矩在柱脚底板与基础间产生的拉力，剪力由柱底板与基础面之间的摩擦力抵抗，若摩擦力不足以抵抗剪力，则需在柱底板上焊接抗剪键以增大抗剪能力。
锚栓一头埋入混凝土中，埋入的长度要以混凝土对其的握裹力不小于其自身强度为原则，所以对于不同的混凝土标号和锚栓强度，所需最小埋入长度也不一样。
为了增加握裹力，对于Φ39以下锚栓，需将其下端弯成L型，弯钩的长度为4D；对于Φ39以上锚栓，因其直径过大不便于折弯，则在其下端焊接锚固板。
锚栓的锚固及构造详见表7-5与表7-6。
表7-5-1Q235钢锚栓选用表
锚栓直径
d
（mm）
锚栓截面
有效面积
A0
（cm）
连接尺寸
锚固长度及细部尺寸
每个螺栓
的受拉承
载力设计
值
（KN）
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
单螺母
双螺母
锚固长度l（mm）
锚板尺寸
a
（mm）
b
（mm）
a
（mm）
b
（mm）
当基础混凝土的强度等级为
C
（mm）
t
（mm）
C15
C20
C15
C20
C15
C20
20
22
24
27
30
33
36
39
42
45
2.448
3.034
3.525
4.594
5.606
6.936
8.167
9.758
11.21
13.06
45
45
50
50
55
55
60
65
70
75
75
75
80
80
85
90
95
100
105
110
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
90
95
100
105
110
120
125
130
135
140
500
550
600
675
750
825
900
1000
400
440
480
540
600
660
720
780
1050
1125
840
900
630
675
505
540
140
140
20
20
34.3
42.5
49.4
64.3
78.5
97.1
114.3
136.6
156.9
182.8
表7-5-2Q235钢锚栓选用表
锚栓直径
d
（mm）
锚栓截面
有效面积
A0
（cm）
连接尺寸
锚固长度及细部尺寸
每个螺栓
的受拉承
载力设计
值
（KN）
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
单螺母
双螺母
锚固长度l（mm）
锚板尺寸
a
（mm）
b
（mm）
a
（mm）
b
（mm）
当基础混凝土的强度等级为
C
（mm）
t
（mm）
C15
C20
C15
C20
C15
C20
48
52
56
60
64
68
72
76
80
14.73
17.58
20.30
23.62
26.76
30.55
34.60
38.89
43.44
80
85
90
95
100
105
110
115
120
120
125
130
135
145
150
155
160
165
110
120
130
140
150
160
170
180
190
150
160
170
180
195
205
215
225
235
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
960
1040
1120
1200
1280
1360
1440
1520
1600
720
780
840
900
960
1020
1080
1140
1200
575
625
670
720
770
815
865
910
960
200
200
200
240
240
280
280
320
350
20
20
20
25
25
30
30
30
40
206.2
246.1
284.2
330.7
374.6
427.7
484.4
544.5
608.2
表7-5-3Q235钢锚栓选用表
锚栓直径
d
（mm）
锚栓截面
有效面积
A0
（cm）
连接尺寸
锚固长度及细部尺寸
每个螺栓
的受拉承
载力设计
值
（KN）
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
单螺母
双螺母
锚固长度l（mm）
锚板尺寸
a
（mm）
b
（mm）
a
（mm）
b
（mm）
当基础混凝土的强度等级为
C
（mm）
t
（mm）
C15
C20
C15
C20
C15
C20
85
90
95
100
49.48
55.91
62.73
69.95
130
140
150
160
180
190
200
210
200
210
220
230
250
260
270
280
2125
2250
2375
2500
1700
1800
1900
2000
1275
1350
1425
1500
1020
1080
1140
1200
350
400
450
500
40
40
45
45
692.7
782.7
878.2
979.3
表7-6-1Q345钢锚栓选用表
锚栓直径
d
（mm）
锚栓截面
有效面积
A0
（cm）
连接尺寸
锚固长度及细部尺寸
每个螺栓
的受拉承
载力设计
值
（KN）
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
单螺母
双螺母
锚固长度l（mm）
锚板尺寸
a
（mm）
b
（mm）
a
（mm）
b
（mm）
当基础混凝土的强度等级为
C
（mm）
t
（mm）
C15
C20
C15
C20
C15
C20
20
22
24
27
30
33
36
39
42
45
2.448
3.034
3.525
4.594
5.606
6.936
8.167
9.758
11.21
13.06
45
45
50
50
55
55
60
65
70
75
75
75
80
80
85
90
95
100
105
110
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
90
95
100
105
110
120
125
130
135
140
600
660
720
810
900
990
1080
1170
500
550
600
675
750
625
900
1000
1260
1350
1050
1125
755
810
630
675
140
140
20
20
44.1
54.6
63.5
82.7
100.9
124.8
147.0
175.6
201.8
235.1
表7-6-2Q345钢锚栓选用表
锚栓直径
d
（mm）
锚栓截面
有效面积
A0
（cm）
连接尺寸
锚固长度及细部尺寸
每个螺栓
的受拉承
载力设计
值
（KN）
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
单螺母
双螺母
锚固长度l（mm）
锚板尺寸
a
（mm）
b
（mm）
a
（mm）
b
（mm）
当基础混凝土的强度等级为
C
（mm）
t
（mm）
C15
C20
C15
C20
C15
C20
48
52
56
60
64
68
72
76
80
14.73
17.58
20.30
23.62
26.76
30.55
34.60
38.89
43.44
80
85
90
95
100
105
110
115
120
120
125
130
135
145
150
155
160
165
110
120
130
140
150
160
170
180
190
150
160
170
180
195
205
215
225
235
1440
1560
1680
1800
1920
2040
2160
2280
2400
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
865
935
1010
1080
1150
1225
1300
1370
1440
720
780
840
900
960
1020
1080
1140
1200
200
200
200
240
240
280
280
320
350
20
20
20
25
25
30
30
30
40
265.1
316.4
365.4
425.2
481.7
549.9
622.8
700.0
781.9
表7-6-3Q345钢锚栓选用表
锚栓直径
d
（mm）
锚栓截面
有效面积
A0
（cm）
连接尺寸
锚固长度及细部尺寸
每个螺栓
的受拉承
载力设计
值
（KN）
Ⅰ型
Ⅱ型
Ⅲ型
单螺母
双螺母
锚固长度l（mm）
锚板尺寸
a
（mm）
b
（mm）
a
（mm）
b
（mm）
当基础混凝土的强度等级为
C
（mm）
t
（mm）
C15
C20
C15
C20
C15
C20
85
90
95
100
49.48
55.91
62.73
69.95
130
140
150
160
180
190
200
210
200
210
220
230
250
260
270
280
2550
2700
2850
3000
2125
2250
2375
2500
1530
1620
1710
1800
1275
1350
1425
1500
350
400
450
500
40
40
45
45
890.6
1006
1129
1259
第三节自攻螺丝
自攻螺丝是一种带有钻头的螺丝，通过专用的电动工具施工，钻孔、攻丝、固定、锁紧一次完成。
自攻螺丝主要用于一些较薄板件的连接与固定，如彩钢板与彩钢板的连接，彩钢板与檩条、墙梁的连接等，其穿透能力一般不超过6mm，最大不超过12mm。
自攻螺丝常常暴露在室外，自身有很强的耐腐蚀能力；其橡胶密封圈能保证螺丝处不渗水且具有良好的耐腐蚀性。
自攻螺丝通常用螺钉直径级数、每英寸长度螺纹数量及螺杆长度三个参数来描述。
螺钉直径级数有10级和12级两种，其对应螺钉直径分别为4.87mm和5.43mm；每英寸长度螺纹数量有14、16、24三种级别，每英寸长度螺纹数量越多，其自钻能力越强。
自攻螺丝的连接形式一般有以下几种（见表7-7）：
表7-7自攻螺丝连接方式
固定方式
螺丝规格
自钻能力（mm）
固定总厚度（mm）
12-14×50
12-14×55
12-14×68
12-24×65
6.5
6.5
6.5
12.5
25-36
31-40
39-53
21-45
12-14×20
12-14×30
12-24×32
6.5
6.5
12.5
＜6
＜16
＜12
12-14×20
12-14×30
12-24×32
6.5
6.5
12.5
＜6
＜16
＜12
10-16×16
4.5
＜5
第四节密封带条和密封膏
在轻型钢结构中，屋面材料一般采用具有轻质、高强、耐久、防水等性能的建筑材料，如：
压型钢板、太空板、石棉水泥瓦和瓦楞铁等。
尽管波形高的压型钢板具有良好的排水性能，但在板材接缝、天沟、山墙、天窗侧壁及一些出屋面的洞口等处仍是屋面漏水的主要部位。
防止屋面漏水的措施除了保证压型钢板之间有足够的搭接长度外，尚需采用彩钢配件和防水密封胶等材料。
本节将介绍几种常用的防水密封胶带、条和密封膏。
一、建筑密封材料的分类
建筑密封材料按形态的不同可分为非定型密封材料和定型密封材料两大类。
非定型密封材料常温下呈膏体状态，又称密封膏，是建筑结构中常用的密封材料。
按密封膏的形态可分为溶剂型、乳液型和多组份反应型。
按组成材料又可分为改性沥青密封膏和合成高分子密封膏。
定型密封材料是指具有特定形状的制品，可按密封工程不同部位的不同要求制成密封条、密封带和密封垫片等。
二、常用的密封胶
1、有机硅建筑密封膏
有机硅建筑密封膏是以有机硅橡胶为基料配制成的一类高弹性高档密封膏。
有机硅密封膏分为双组分和单组分两种。
单组分有机硅建筑密封膏是将有机硅氧烷和硫化剂、填料及其它添加剂混合均匀后制成单包装产品装于密闭的容器中备用。
施工时不需混合，可随时与广泛的气温范围内用一般的打胶枪施工，将密封膏体嵌填于作业缝中，简单易用。
单组分密封膏应用较多。
双组分有机硅建筑密封膏的主剂与单组分的相同，但硫化剂及其机理不同，二者是分开包装的。
施工时，两组分按一定比例搅拌均匀后嵌填于作业缝中。
与单组分密封膏相比，施工时其固化时间较长。
2、聚硫密封材料
聚硫密封材料是以液态聚硫橡胶为主剂，以金属过氧化物为固化剂，加入增韧剂、增塑剂、填充剂及作色剂等材料配制而成的，也分为单组分和双组分。
3、聚氨酯弹性密封膏
聚氨酯弹性密封膏是由多异氰酸酯与聚醚通过加成反应制成预聚体后，加入固化剂、助剂等，在常温下交联固化而成的一类高弹性建筑密封膏。
聚氨酯弹性密封膏对金属、混凝土、玻璃、木材等材料具有良好的粘结性能。
4、氯化丁基定型密封胶
以上前三种密封胶均为非定型密封胶。
氯化丁基定型密封胶是经改性的丁基橡胶的沿体。
主要用于钢板间的侧向搭接、斜面、檐口等处的粘结和密封。
在工程中除了用各种防水密封胶带、密封膏处理一些节点外，有时在一些出屋面的风机和烟囱等地方也使用防水盖片等。
图7-1～7-2为屋面与墙体连接处的节点防水构造。
图7-1屋面天沟与砖墙连接节点
图7-2屋面与山墙连接节点
三、密封胶的选用
按以下原则选用密封胶：
1.与压型钢板或其被粘结的建筑材料表面具有良好的粘结力。
2.可中性固化并对镀锌钢材或混凝土等建筑材料无腐蚀性。
3.具有优良的耐候性，具有高度的耐紫外线、臭氧、大气污染物、潮湿、风雪及恶劣气候的性能。
4.优良的耐久性，固化后在一定温度范围内不剥落、龟裂、干裂或变脆。
在某些情况下，须选择具有良好的抗腐蚀性的密封胶，以避免严重的电解腐蚀问题的发生。
5.良好的弹塑性，能长期经受被粘构件的伸缩和振动，在接缝发生变化时不断裂、剥落。
6.具有良好的抗下垂性，可于垂直或架空的接口施工。
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