钢结构中的梁拼接技巧

梁的拼接分工厂拼接和工地拼接两种。构件因钢材的长度或宽度不够而需接长或加宽，凡在钢结构制造厂进行拼接的称为工厂拼接；因构件的运输条件或吊装条件限制，需将构件分段制作、运到工地后在地面拼接或吊至高空在高空进行拼接的，称为工地拼接。所有钢结构构件包括梁、轴心拉杆和压杆、拉弯构件和压弯构件等均有拼接问题。拼接的构造和设置因构件类型、制造条件、运输及吊装条件等不同而多种多样。但下列设计原则是有普遍意义的:

（1）构件各组成板件都必须有各自的拼接件和拼接连接，使传力均匀直接。

（2）当为工厂拼接时，构件各组成板件宜根据钢材的供应情况错开拼接，如图5.52（a）所示；当为工地拼接时，为了便于分段运输或分段吊装，拼接宜集中在一个截面处或一个截面的附近处，如图5.52（b）、（c）所示。

图5.52　板梁拼接示例

（a）工厂焊接拼接；（b）翼缘焊接、腹板高强度螺栓摩擦型连接的工地拼接；（c）高强度螺栓摩擦型连接的工地拼接

（3）拼接设计的内容包括:拼接位置的确定、拼接件的配置及截面尺寸的选定、拼接连接的布置及计算等。拼接设计有两种方法:一种是按原截面的最大强度进行设计，使拼接截面与原截面等强；另一种是按拼接所在截面的实际最大内力设计值进行设计。一般情况下，工厂拼接常按等强度设计，便于在制造时根据材料的具体情况而移动拼接位置。

（4）拼接的设计应便于制造和安装。例如高空的拼接常因不便于焊接而采用高强度螺栓连接；工地拼接采用焊接连接时，都应考虑安装定位的措施，以保证焊接位置正确。

图5.52（a）所示为翼缘和腹板在不同截面处采用对接焊接的工厂拼接。这种拼接不需要其他拼接件，即节省钢材，传力也明确。当焊缝的质量符合《钢结构工程施工质量验收规范》中的一、二级要求时，拼接部位与原截面等强；当焊缝质量等级为三级时，焊缝位置必须置于受力较小的截面处。当对接斜焊缝与作用力的夹角θ＝45°时（我国设计规范规定符tanθ≤1.5时）可认为与焊件等强，如图5.52（a）所示为翼缘板的拼接斜焊缝。为避免焊缝密集而使钢材性能受到影响，拼接焊缝的位置应避开加劲肋一定距离，一般宜使此距离大于腹板厚度的10倍。

图5.52（b）为一工地拼接示例。翼缘板采用坡口在上的对接焊缝连接，考虑到在工地便于拼接，腹板采用两侧设拼接板的高强度螺栓摩擦型连接。由于工地对接焊缝的质量一般为三级，设计规范中规定焊缝抗拉强度设计值取钢材强度设计值的85%，故拼接缝宜设在弯矩较小截面处。该拼接的计算，只需计算腹板的拼接连接和所需的拼接板。腹板拼接除承受该截面上的全部剪力外，还应同时承担按截面惯性矩比例所分担的弯矩。

焊接组合钢梁的工地拼接也可全部采用对接焊接，此时，设计中要考虑工地拼接时各焊件的定位和各焊缝隙焊接程序。考虑到工地焊接质量难于保证以及拼装困难，较重要或承受动力荷载的焊接组合钢梁，通常采用高强度螺栓摩擦型连接，如图5.52（c）所示。

【例5.7】　图5.53所示为某板梁的工地拼接。拼接所在截面上的弯矩设计值。M＝1410k N·m，剪力设计值V＝275k N。梁截面如图5.53（b）所示，钢材为Q235—B钢，用螺栓摩擦型连接。螺栓性能等级为8.8级，直径为M22，螺栓孔径d0＝23.5mm。接触面处理方法采用喷丸后生赤锈。试设计此拼接。

图5.53　组合钢梁的焊接工地拼接

解:（1）一个高强度螺栓的抗剪承载力设计值

一个8.8级、M22高强度螺栓的预拉力P＝150k N

抗滑移系数　μ＝0.45

摩擦面数目　nf＝2

＝0.9nfμP＝0.9×2×0.45×150＝121.5（k N）

（2）翼缘板的拼接设计。翼缘板截面上有两个螺栓孔。翼缘板拼接按发挥翼缘板净截面的强度计算:

翼缘板净截面面积　Afn＝1.4×（30－2×2.35）＝35.42（cm2）

翼缘板的强度　Nf＝Afnf＝35.42×102×215×10－3＝761.5（k N）

拼接每边需要的高强度螺栓数目

为了与计算腹板拼接板统一，此处未考虑高强度螺栓摩擦型连接的孔前传力，拼接板所需净截面积

Afsn＝Afn＝35.42cm2

采用拼接板

1－8×300　0.8×（30－2×2.35）＝20.24（cm2）

2－8×120　2×0.8（12－2.35）＝15.44（cm2）

Afsn＝35.68（cm2）＞35.42（cm2）

按构造要求排列螺栓如图5.54所示。其中螺栓中心距p＝70mm≈最小容许中心距3d0＝70.5mm，最小端距45mm≈最小容许端距2d0＝47mm，边距60mm＜最小容许边距8t＝64mm。

图5.54　组合钢梁的高强度螺栓摩擦型工地连接

（3）腹板的拼接设计。腹板拼接应承受拼接所在截面的全部剪力和按截面惯性矩分配的弯矩。

腹板拼接承受的剪力

V＝275k N

焊接组合钢梁的截面惯性矩为

翼缘板截面

If＝2×1.4×30×65.72＝363585（cm4）

腹板截面　(www.xing528.com)

梁截面　Ix＝If＋Iw＝545668（cm4）

腹板分担的弯矩

采用腹板拼接板　2－8×1270

按构造要求排列螺栓如图5.54所示:采用的螺栓最小中心距为70mm；采用的螺栓竖向最大中心距为90mm＜最大容许距离12t＝12×8＝96（mm）；横向最大中心距为10mm≈96mm；采用的螺栓最小端距为45mm。

1）高强度螺栓的受力验算。拼接每边的螺栓数为n＝28个。在剪力作用下每个螺栓平均受力

剪力V移至拼接一边螺栓群形心处引起的弯矩增量为

ΔMw＝Ve＝275×（50＋35）×10－3＝23.4（k N·m）

螺栓群受的总弯矩为

Mw＋ΔMw＝473.1＋23.4＝496.59（k N·m）

拼接缝一侧的螺栓群布置为狭长形，只考虑弯矩作用下受力最大位于螺栓群角点的螺栓所受水平剪力，按下式计算

上述验算条件是考虑腹板上的螺栓与翼缘上的螺栓受力应符合直线变化，即

受力最大螺栓所受合理为

从螺栓受力大小看，所用螺栓数还可减少，但图5.54中的螺栓布置在竖向已采用了p＝90mm接近外排螺栓中心距最大容许值的12t＝96mm，即构造要求已不能在减少所用螺栓数。

2）腹板拼接板的强度验算。两块腹板拼接板的净截面惯性矩

拼接板第一列螺栓（靠近拼接缝）处截面的弯矩为

Mw＋Ve′＝473.1＋275×50×10－3＝486.9（k N·m）

受弯时拼接板边缘弯曲正应力

可若两块拼接板厚度各改为6mm，腹板边缘弯曲正应力将增为

可从腹板拼接板的抗弯强度上看，拼接板厚度可以改为6mm。但是，螺栓竖向中心距90mm已超过构造要求的12t＝12×6＝72（mm），必须重新布置螺栓，螺栓的数目将增加。仍采用拼接板厚8mm。

两块拼接板的净截面积为

Awsn＝2×0.8×127－2×14×0.8×2.35＝150.56（cm2）

净截面上平均剪力

（4）梁原净截面的强度验算。截面上螺栓孔的惯性矩为

Ih＝2×2×1.4×2.35×65.72＋2×1.0×2.35×4.52（12＋32＋52＋72＋92＋112＋132）

＝56805＋43305＝100110（cm4）

净截面惯性矩

Inx＝Ix－Ih＝545668－100110＝445558（cm4）

原截面边缘纤维弯曲正应力

注:采用高强度螺栓摩擦型连接的拼接较为费工费料。因此，这种连接的拼接只宜在重要和承受动力荷载的大型钢梁中采用。