槽钢t型钢等钢结构的连接

1、 本章学习要点 基本要求：掌握焊接连接的特性和计算，普通螺栓连接的构造和计算，高强度螺栓连接的性能和计算；理 解钢结构对连接的要求及连接方法， 重点：掌握焊接连接的特性和计算、普通螺栓连接、高强度螺栓连接的性能和计算。 7.1钢结构对连接的要求及连接方法 一、钢结构对连接的要求及连接方法 1.连接的原则： 安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材 钢结构中连接占有重要地位，因为： 构件、结构通过连接来实现； 连接方式影响结构的构造、工艺、造价； 连接质量影响结构的安全、使用寿命。 7.1钢结构对连接的要求及连接方法 2. 连接的方式： 焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接 连接的方式 螺栓连接

2、铆钉连接 焊接连接 缺点 * 构造简单 任何形式的构件都可直接相连； * 用料经济 不削弱截面； * 制作加工方便 可实现自动化操作； * 连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。 * 材质易变脆； * 产生残余应力、残余应变、焊接缺陷 * 降低压杆稳定、影响疲劳强度 * 对裂纹十分敏感 * 低温冷脆问题较为突出。 优点 3. 焊缝连接的特点 现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛。 7.1钢结构对连接的要求及连接方法 4. 铆钉连接及特点 铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆 钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中， 再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达 到紧固。 缺点费工费料、劳动强度

3、高。 目前承重钢结构连接中已很少应用。 优点 传力可靠，塑性、韧性好，动 力性能好 7.1钢结构对连接的要求及连接方法 5. 螺栓连接 缺点 优点 施工简单，拆装方便， 摩擦型高强度螺栓连接动力性能好 耐疲劳，易阻止裂纹扩展 费料、开孔截面削弱 螺栓孔加工精度要求高 7.1钢结构对连接的要求及连接方法 7.1钢结构对连接的要求及连接方法 普通螺栓连接 根据加工精度分A、B、C三级。 A、B级精制螺栓，采用低合金钢或再经热处理后制成，类孔， 孔径比杆径大0.3-0.5mm，抗剪性能好， 制造安装费工，少用。性能 等级5.6级或8.8级。 C级粗制螺栓，一般Q235钢，类孔，孔径比杆径大1.5-2

4、.0mm， 抗剪性能差，但传递拉力性能好，性能等级为4.6级或4.8级。 高强螺栓连接 高强钢材制成：优质碳素钢：35号、45号 合金钢：20MnTiB、40B、35VB 性能等级：8.8级、10.9级。 小数点前8、10螺栓材料经热加工后的最低抗拉强度为800、 1000N/mm2； 小数点后0.8、0.9屈强比 7.1钢结构对连接的要求及连接方法 摩擦型高强螺栓：只靠摩擦阻力传力，以剪力达到接触面的摩擦力作 为承载力极限状态设计准则。 变形小，弹性性能好，耐疲劳，施工较简单，适用于承受动力荷 载的结构。 承压型高强螺栓：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承 载力极限状态设计准则。 承

5、载力高于摩擦型连 接，连接紧凑，剪切变形大，不能用于承 受动力荷载的结构。 7.2焊接连接的特性 一、常用焊接方法 电阻焊电弧焊 1）手工电弧焊 2）自动半自动埋弧焊 气体保护焊 （1）手工电弧焊 原理：利用电弧产生热量熔化涂 有焊药的焊条和母材形成焊缝。 焊机 导线 熔池 焊条 焊钳 保护气体 焊件 电弧 优点：方便，适应性强，特别适 用于在高空和野外作业，小型焊 接，应用最广泛。 缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳 动强度大，生产效率低。 电渣焊 7.2焊接连接的特性 A、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。 Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-E5518)

6、Q345钢选择E50型焊条 (E5001-E5048) Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328) B、焊条的表示方法： E焊条(Electrode) 第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2) 第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。 不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。 7.2焊接连接的特性 （2）埋弧焊（自动或半自动） l 光焊丝埋在焊剂下，通电后电弧使焊丝、焊 件、焊剂熔化形成焊缝。 l 焊剂溶化后形成焊渣浮在溶化金属表面，隔 绝空气接触，供给必要的合金元素。 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 焊丝转盘 送丝

7、器焊剂漏斗 焊剂 熔渣 焊件 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊缝质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限。 7.2焊接连接的特性 （4）电阻焊 （3）气体保护焊 利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。 直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵 入。 优点：没有熔渣，焊接速 度快，焊接质量好。 缺点：施工条件受限制， 不适用于在风较大的地方 施焊。 利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属， 再通过压力使其焊合。适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。 7.2焊接连接的特性 （5）电渣焊 利用电流通过熔渣所产生的电阻来熔化金属，焊丝作为

8、电极伸入 并穿过渣池，使渣池产生电阻热将焊件金属及焊丝熔化，沉积于焊 池中，形成焊缝。电渣焊一般在立焊位置进行。 7.2焊接连接的特性 二、焊缝连接的优缺点 不需要在钢材上打孔钻眼，既省工，又不减损钢材截面，使材料 可以充分利用； 任何形状的构件都可以直接相连，不需要辅助零件，构造简单； 焊缝连接的密封性好，结构刚度大。 施焊的高温作用，形成焊缝附近的热影响区，使钢材的金属组织 和力学性能发生变化，材质变脆； 焊接的残余应力使焊接构件发生脆性破坏的可能性增大，残余变 形使尺寸和形状发生变化，矫正费工； 局部裂缝容易扩展到整体，低温冷脆问题比较突出。 优 点缺 点 7.2焊接连接的特性 三、焊缝

9、缺陷 1.焊缝缺陷：指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材 表面或内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、 夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝 成形不良等。 裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔 夹渣 咬边未熔合未焊透 7.2焊接连接的特性 裂纹 最危险的缺陷，出现在焊缝内部或热影响区内，导致 裂纹尖端应力集中现象严重，易脆断。 产生原因 钢材化学成分不当，含C量过高； 焊接工艺不合适，电流、速度等； 所用焊条不符合要求及施焊次序不恰当。 气孔 气体在焊缝金属冷却前没有逸出而形成。降低塑性、 密实性。 夹渣 是在焊缝金属内部或与母材熔合处形成的非金属夹杂 物。危害同

10、气孔。 裂纹 气孔 夹渣 7.2焊接连接的特性 未熔合 指母材与熔化金属之间局部未熔合的现象。削弱连接 强度，产生应力集中，易脆断。 咬边 未熔合 未焊透 咬边 是在焊缝一侧或两侧与母材交界处形成的凹坑。减少 母材有效面积，造成应力集中。 未焊透 削弱连接强度，产生应力集中 7.2焊接连接的特性 2.焊缝质量等级 钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001规定焊缝按其 检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。 u 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查，检查焊缝尺寸是否符 合设计要求和有无看得见的裂纹、咬边等缺陷。 u 二级焊缝：外观检查+无损检验（超声波探伤）合格，用于受 较大拉应力的重

11、要连接。 u 一级焊缝：外观检查+无损检验（超声波探伤、X射线探伤）合 格，用于抗动力、需要验算疲劳的重要连接。 一、二级对接焊缝金属强度与被焊金属强度相等。 7.2焊接连接的特性 三、 焊接连接型式及焊缝形式 1.连接型式：分为平接、搭接、T形连接和角部连接。 7.2焊接连接的特性 2.焊缝形式：分为对接焊缝和角焊缝。 对接焊缝按受力与焊缝方向分： 1）直对接焊缝 2）斜对接焊缝 角焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。 N 侧面角焊缝 正面角焊缝 7.2焊接连接的特性 1）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角

12、焊缝形式。 2）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中。 不重要或受力小的构件，可采用间断角焊缝连接 3.角焊缝沿长度方向的布置 注意: L不宜过长 在受压构件中L15t 在受拉构件中L30t （t为较薄焊件的厚度） 7.2焊接连接的特性 平焊、立焊、横焊和仰焊。4.施焊位置 施焊方式 平焊立焊 焊条 仰焊横焊 7.2焊接连接的特性 五、焊缝代号 封底焊缝 I形焊缝 V形焊缝 单边V形焊缝 带钝边V形焊缝 7.2焊接连接的特性 对接焊缝 角焊缝 角焊缝 塞焊缝与槽焊缝 点焊缝 带钝边U形焊缝 7.2焊接连接的特性 焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明焊缝形 式、尺寸和辅助要求。 形

13、 式 角焊缝 对接焊缝三面围焊 单面焊缝双面焊缝安装焊缝相同焊缝 标 注 方 法 hf hf hf c c p c c p hf hf 7.2焊接连接的特性 当焊缝分布比较复杂或用上述注标方法不能表达清楚时，可在 标注焊缝代号的同时，在图上加栅线表示焊缝。 (a）正面焊缝（b）背面焊缝(a）正面焊缝（b）背面焊缝 （c）安装焊缝（d)背面安装焊缝 7.3对接焊缝的构造和计算 一、对接焊缝的构造要求 1、坡口形式 对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊缝。 应根据焊件厚度按保证焊缝质量，便于施焊及减小焊缝截面积的原则 选用。 常用的坡口形式有I形缝、带钝边单边V形缝、带钝边V形缝（Y形 缝）

14、、带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝、 双Y形缝。 p p p p p b=0.52mmb=23mmb=23mm b=34mmb=34mm b=34mm t10mm 10mmt20mm t20mm I形缝：适用板厚：t10mm 带钝边单边V形缝： p p p p p b=0.52mmb=23mmb=23mm b=34mmb=34mm b=34mm t10mm 10mmt20mm t20mm p p p p p b=0.52mmb=23mmb=23mm b=34mmb=34mm b=34mm t10mm 10mmt20mm t20mm 带钝边V形缝： 适用板厚： 10mm 20mm 沿焊件厚度方向

15、未开坡口的端面部分p 称为钝边，钝边的作用是防 止根部烧穿。 对于没有条件清根和补焊者，要事先加垫板。 p p p p p b=0.52mmb=23mmb=23mm b=34mmb=34mm b=34mm t10mm 10mmt20mm t20mm p p p p p b=0.52mmb=23mmb=23mm b=34mmb=34mm b=34mm t10mm 10mmt20mm t20mm p p p p p b=0.52mmb=23mmb=23mm b=34mmb=34mm b=34mm t10mm 10mmt20mm t20mm 7.3对接焊缝的构造和计算 2、变截面钢板拼接 1:2.5

16、（ 静 力 荷 载 ） 4mm 1:4（ 计 算 疲 劳 ） 1:2.5（ 静 力 荷 载 ） 1:4（ 计 算 疲 劳 ） 1:2.5（ 静 力 荷 载 ） 1:4（ 计 算 疲 劳 ） （a）钢板宽度不同 （b）钢板厚度不同 1:2.5（静力荷载） 4mm 1:4（计算疲劳） 1:2.5（静力荷载） 1:4（计算疲劳） 1:2.5（静力荷载） 1:4（计算疲劳） 1:2.5（静力荷载） 4mm 1:4（计算疲劳） 1:2.5（静力荷载） 1:4（计算疲劳） 1:2.5（静力荷载） 1:4（计算疲劳） （c）厚差小于4mm时，由焊缝找坡，计算时，焊缝厚度取较薄板厚度。 1:2.5（静力荷载）

17、 4mm 1:4（计算疲劳） 1:2.5（静力荷载） 1:4（计算疲劳） 1:2.5（静力荷载） 1:4（计算疲劳） 7.3对接焊缝的构造和计算 3、对接焊缝的起弧和落弧，常因不能熔透而出现凹形的焊口，焊 口处常产生裂纹和应力集中。施焊时可采用引弧板消除此影响； 焊后将引弧板切除，并用砂轮将表面磨平。 引弧板 4、在直接承受动载的结构中，为提高疲劳强度，应将对接焊缝的 表面磨平，打磨方向应与应力方向平行。 焊透的T形连接焊缝钢板拼接焊缝示意 7.3对接焊缝的构造和计算 二、对接焊缝的计算 1. 轴心受力的对接焊缝 w c w t w ff tl N 或 N轴心拉力或压力设计值； lw焊缝计算长

18、度，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧 板时，取实际长度； t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度 ； ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（由P337附表12查出）。 与构件母材强度计算方法相同，采用材料力学的计算公式 一、二级对接焊缝不需验算。 三级焊缝需验算。 NN l t 要点 7.3对接焊缝的构造和计算 当正缝的连接强度低于焊件的连接强度时，为提高连接的承载 能力，可改用斜缝。 对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心，并与焊缝长度方向呈 夹角，其计算公式为： lw斜焊缝计算长度。加引弧板时，lwb/sin；不加引弧板时，lw b/sin-2t。 fvw对接

19、焊缝抗剪设计强度。 规范规定，当斜焊缝倾角56.3，即tan1.5时，可认为对接斜 焊缝与母材等强，不用计算。 b ww tc w sinN ff l t 或 w v w cosN f l t 7.3对接焊缝的构造和计算 2. 受弯受剪的对接焊缝计算 焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形 分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。 w w maxV w VS f I t w maxt w M f W M焊缝承受的弯矩； Ww焊缝截面模量。 V焊缝承受的剪力； Iw焊缝计算截面惯性矩； Sw焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩。 7.3对接焊缝的构造

20、和计算 对于工字形、箱形、T形等构件除应分别验算最大正应力与 最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力： w t 2 1 2 1 1 . 13f 式中 ： 1、1验算点处（腹板、翼缘交接点）的正应力和剪应力。 2 0 w 1 h I M ww w1 1 tI VS M V 1.1为考虑到最大折算应力只在焊缝局部出现，而将焊缝强度设计 值适当提高的系数。 7.3对接焊缝的构造和计算 3. 轴力、弯矩、剪力共同作用时对接焊缝计算 NN M N w maxMNt ww MN f Wl t w w maxv w VS f I t 2 2w MNt 31.1f 危险点折算应力： 7.3对接焊缝的

21、构造和计算 三、部分焊透的对接焊缝 由于未焊透，连接处存在缝隙，应力集中现象严重，易脆裂。故计 算时采用焊缝的有效厚度he，按角焊缝的公式计算。 （a）、（b）、（c）V形坡口（d）U形坡口 （e）J形坡口 V形坡口：当60，hes；当12mm） 或190mm（t12mm）； a) 构件端部仅有两边侧缝连接时： 试验结果表明，连接的承载力与b / lw有关。为了避免应力传递的 过分弯折而使构件中应力不均，应使： lw b ； b两侧缝之间的距离； lw侧焊缝计算长度； t较薄焊件的厚度。 当b不满足规定时，应加正面焊缝，或加槽焊或塞焊。 7.4角焊缝的构造和计算 b) 仅用正面角焊缝的搭接连接

22、中，搭接长度不得小于焊件较小 厚度的5倍或25mm。 c)所有围焊的转角应连续施焊， 当焊缝 端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转 角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应 力集中。 2hf2hf 绕角焊缝 5t及25mm 搭接连接 7.4角焊缝的构造和计算 二、角焊缝计算的基本公式 he lw hf lw 有效截面 45 分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理: 假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45o； 不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破 坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he， he 0.7hf。有 效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面

23、面积。 7.4角焊缝的构造和计算 Vfz Nfx Vfy fxe 2A fxe 2A fxe A Vfy fye 2A fye 2A fye A A B C D 受力分析 Nfx B C D 7.4角焊缝的构造和计算 在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： fxfy 22 垂直于焊缝有效截面的正应力， fyfx 22 垂直于焊缝长度的剪应力， 平行于焊缝长度方向的剪应力， = fz Vfx Nfx Vfy Nfx fxe 2A fxe 2A fxe A Vfy fye 2A fye 2A fye A 7.4角焊缝的构造和计算 222ww /ff 33ff ，为角焊缝的强度设计值 222

24、w fxfyfxfyfzf 2 3 f 22 2w fxfyfyfxfzf 223223f fxfy 0NV1 当 仅有平行于焊缝长度方向的轴向力，焊缝为侧面角焊缝 w fewf Nhlf fxfy 0 ， 角焊缝在复杂应力作用下的强度条件： 7.4角焊缝的构造和计算 fxfy 0NV3 当或 fxfy 0或 2 2 w fffff 3 21.22f fxfyfz 0NVV2 当或 仅有垂直于焊缝长度方向的轴向力，焊缝为正面角焊缝 w fewf 1.22Nhlf fxfyfz 0或， 同时有平行于、垂直于焊缝的作用力 222w fxfyfxfyfzf 2 3 f 7.4角焊缝的构造和计算 2

25、2w ffff f角焊缝的基本计算公式： 式中： f称为正面角焊缝的强度增大系数。对承受静力荷载或间接承受 动力荷载结构中的正面角焊缝f=1.22；对直接承受动力荷载结构中的 正面角焊缝，考虑其刚度大，韧性差，将其强度降低使用，取f =1.0； 对斜角角焊缝，不论静力荷载或动力荷载，一律取f =1.0 。 he角焊缝有效厚度，对于直角角焊缝等于he=0.7hf， 其中为较小焊 角尺寸。对于斜角角焊缝，当60 135且焊件间隙不超过 1.5mm时， ef cos2hh Slw 两焊件间角焊缝计算长度总和。考虑起、落弧的影响，每条 焊缝的计算长度等于实际长度减去2hf。 7.4角焊缝的构造和计算

26、三、常用连接方式的角焊缝计算 1.受轴心力焊件的拼接板连接 当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的 应力可认为是均匀分布的。 (1）用拼接板的对接连接 A、仅采用侧面角焊缝连接 Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和 w ff e w N f h l 盖板的截面大小由等强度原则确定，即： A被 f被=A盖 f盖 NN NN 7.4角焊缝的构造和计算 B、仅采用正面角焊缝连接 N N N N C、采用三面围焊连接 正面角焊缝承担的内力： 侧面角焊缝的强度： NN NN w fff ew N f hl w 1ffwe Nfl h w 1 ff we NN f l h 若三面围焊受直

27、接动载： w f ew N f hl lw为连接一侧所有焊缝的计算长度之和 7.4角焊缝的构造和计算 d、采用菱形拼接板 正面角焊缝承担的内力： w 1fw1 e Nfl h 斜角焊缝承担的内力： w 2fw2e Nflh 侧面角焊缝承担的内力： w 3fw3e Nfl h 123 NNNN 计算时可忽略正面角焊缝和侧面角焊缝的强度设计值增大系数。 w f ew N f hl 7.4角焊缝的构造和计算 2.受轴心力角钢的连接 在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三 面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避 免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆

28、件的轴线重 合。 桁架腹杆节点板的连接 a) 仅用侧面焊缝连接 NNN 21 1 122 N eN e 解上式得肢背和肢尖的受力为： 2 11 12 e NNK N ee 1 22 12 e NNK N ee 由平衡条件得： N N1 N2 e1e2 角钢的侧缝连接 肢背 肢尖 K1角钢肢背焊缝的内力分配系数 K2角钢肢尖焊缝的内力分配系数 肢背、肢尖焊缝强度： w 1 f e1w1 N f hl w 2 f e2w2 N f hl 7.4角焊缝的构造和计算 角钢角焊缝内力分配系数K 7.4角焊缝的构造和计算 b) 角钢用三面围焊时，可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊 缝的焊脚尺寸h f3

29、 ，并算出它所能承受的内力N3 ： w 3f3w3ff 0.7Nhlf 113 1 2 NK NN 通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为: 223 1 2 NK NN 角钢角焊缝围焊的计算 N e b lw2 lw1 N2 N1 N3 e1e2 肢背、肢尖焊缝强度： w 1 f e1w1 N f hl w 2 f e2w2 N f hl 7.4角焊缝的构造和计算 c) 当采用L形围焊时，令N20，得： L形围焊角焊缝计算公式为： 32 2NK N 13 NNN w 1 f e1w1 N f hl w 3 f fe3w3 N f hl 肢背侧面角焊缝： 正面角焊缝： N1 N3 e1e2 7.4

30、角焊缝的构造和计算 7.4角焊缝的构造和计算 1. w wf ll llh 正面角焊缝 三面围焊： 侧面角焊缝 fw hll2. 2侧面角焊缝两面侧焊： 3. wf wf llh L llh 正面角焊缝 形围焊： 侧面角焊缝 NN l l NN l l NN l l NN f h2 l l 角焊缝的计算长度 lw 和实际长度 l 的关系： 4. 绕角焊：侧面角焊缝 lw=l 3.弯矩作用下角焊缝计算 x lw x 0.7hf0.7hf 有效截面 w fff w M f W Ww：角焊缝有效截面的截面模量。 7.4角焊缝的构造和计算 4.扭矩作用下角焊缝计算 焊缝群受扭： 计算假定：被连接件绕焊

31、缝有效截面形 心o旋转，焊缝上任一点的应力方向垂 直于该点与形心O的连线，应力大小与 其到形心距离r成正比。 A T r TA J 在扭矩 作用下， 点的应力为 J=Ix+Iy焊缝有效截面绕形心O的极惯性矩； r距形心最远点到形心的距离； T扭矩设计值 7.4角焊缝的构造和计算 T x AAT yT AT sin cos T r xy J T r J 将沿 轴和 轴分解： 22 TTw AfAf f 焊缝群受扭的设计公式为： 7.4角焊缝的构造和计算 5.弯矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝计算 M A w M W 2 MN 2 VwAA Af f f 焊缝计算公式为： N A ew N hl V

32、 A ew V hl 危险点A的受力： 7.4角焊缝的构造和计算 6.扭矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝计算 求出焊缝有效截面的形心O； 将所受外力平移到形心O，得扭矩T，剪力 V，轴力N； 计算T、V、N单独作用下危险点A的应力： 2 TV 2 TNwAA AAf f f y VNTTx AAAA ewew T r T rVN hlhlJJ ； 验算危险点的应力： 7.4角焊缝的构造和计算 lw为所有角焊缝的计算长度之和 7.4角焊缝的构造和计算 角焊缝计算步骤 l确定荷载；确定荷载； l进行截面应力状态分析；进行截面应力状态分析； l确定焊脚尺寸，计算截面几何特征值；确定焊脚尺寸，计算截面几

33、何特征值； l强度验算强度验算。 确定最不利位置； w ff we f f lh N w f we f f lh N 端缝 侧缝 2 2w f ff f f 典型问题：工字型牛腿焊缝的计算 第一种方法假设：剪力由腹板焊缝承担弯矩由全部焊缝承担 a）翼缘焊缝最外纤维处的应力满足： M焊缝承担的弯矩Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩 翼缘焊缝仅承受垂 直于焊缝长度方向 的弯曲应力； 工字形梁(或牛腿)的角焊缝连接 1 2 w fff w Mh f I 7.4角焊缝的构造和计算 腹板焊缝既承受垂直于 焊缝长度方向的应力又 承受平行腹板焊缝长度 方向的剪应力 2 f 2 w 2 hM I b）腹板焊

34、缝： )( 22 we f lh V 22w f 2 ff f ()f 腹板焊缝A点的强度： 7.4角焊缝的构造和计算 第二种方法假设： 腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩M可 以化为一对水平力H=M/h1。 腹板焊缝的强度计算公式为： 11 w fff ew H f hl 22 2 w ff ew V f h l 则翼缘焊缝的强度计算公式为： 7.4角焊缝的构造和计算 h1 例：试验算图3.42所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢材为 Q235B，焊条为E43型，手工焊。静态荷载设计值N=365kN，偏 心距e=350mm，焊脚尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。图3.42(b

35、)为焊缝 有效截面的示意图。 348.85.6205.6 100 10 100 380 400 411.2 210 4.2 5.6 205.6 a) 计算翼缘焊缝： 解： V=N=365kN， M= Ne =3650.35=127.8kNm （1）考虑腹板焊缝参加传递弯矩的计算方法 全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为： 3 2 w 0.42 34.88 22 21 0.56 20.28 12 I 24 4 9.5 0.56 17.7219677cm 翼缘焊缝的最大应力： 6 2 f1 4 w 127.8 10411.2 133.5N/mm 219677 102 Mh I w2 ff 1.22

36、160195N/mmf 348.85.6205.6 100 10 100 380 400 411.2 210 4.2 5.6 205.6 b) 计算腹板焊缝： 弯矩M引起的最大应力： 2 f2 174.4 133.5113.2N/mm 205.6 剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力： 3 2 f e2 w2 365 10 124.6N/mm ()2 0.7 6 348.8 V h l S 则腹板焊缝的强度（A点为设计控制点）为： 2 2 222 f2 f f 113.2 124.6155.4N/mm 1.22 w2 f 160N/mmf （2）不考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法 翼缘焊缝所承受的

37、水平力： 6 127.8 10 336.3kN 380 M H h （h值近似取为翼缘中线间距离） 翼缘焊缝的强度： 3 2 f e1 w1 336.3 10 146.5N/mm 0.7 8 (2102 100) H h l 腹板焊缝的强度： 3 2 f e2 w2 365 10 124.6N/mm 22 0.7 6 348.8 V h l w2 ff 1.22 160195N/mmf w2 f 160N/mmf 例：试设计如图所示厚度为12mm支托板与柱翼缘搭接连接的角焊缝。 已知F=100kN(静力荷载），钢材为Q235B，焊条为E43，手工焊。 【解】 采用图示三面围焊 f 10mmh

38、选 F A x=21.1 7.4角焊缝的构造和计算 f max 1212121011mmht （ ）（ ） fminmax 1.51.5 206.7mmht 85 422 x cm237135.11917 . 024 .2317 . 0 12 1 I 4 2 3 2 y cm25311. 235. 0 2 9 917 . 0917 . 0 12 1 2 11. 24 .2317 . 0 I 4 xy 23712532624cmJII o 1. 焊缝有效截面的几何性质 焊缝有效截面的形心位置 1 2 0.7 1 990.35 2 2.11cm 0.7 12 923.4 x y x 86 3 F2

39、 A 2 e w 100 10 35N/mm ()0.7 1 (2 923.4) 10 F h l S 2 w f 22 2 2 f 2 f f N/mm160N/mm4 .156126 22. 1 3578 f F 2. 焊缝强度验算(A点) 100(20100.352.11)2824kN.cmT T F A x=21.1 4 yT2 A 4 p 4 T2 x A 4 p 2824 10117 126N/mm 2624 10 2824 1072.4 78N/mm 2624 10 Tr I Tr I T A T A F A 7.5焊接热效应 纵向焊接应力沿焊缝长度方向 一、焊接残余应力的分类和

40、产生的原因 + - - 500oC 800oC 300oC 300oC 500oC 800oC 施 焊 方 向 8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm 施焊时焊缝附近达1600以上，而邻近区域温度骤降。 焊缝周围 产生不均 匀温度场 l 施焊时焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产生热塑性压 缩； l 焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力； l 拉应力大小可达钢材屈服点 fy； l 远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。 - - - - - + + 7.5焊接热效应 横向焊接应力垂直于焊缝长度方向 l焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处中部受拉，两端受压 l先焊

41、焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷 却，后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先焊焊缝产生压应力； l横向应力是上述两种应力合成。 (a) 焊缝纵向收缩 时的变形趋势 - + - (b) 焊缝纵向收缩 时的横向应力 x y + - + 施 焊 方 向 (c) 焊缝横向收缩 时的横向应力 x y (d) 焊缝横向 残余应力 - + - x y 7.5焊接热效应 l应力分布与施焊方向有关； - + + 施 焊 方 向 (e) x y - + - 施 焊 方 向 ( f ) y x 不同施焊方向下, 焊缝横向收缩时 产生的横向残余 应力 7.5焊接热效应 l在厚钢板的焊接连接中，焊

42、缝需要多层施焊。沿厚度方向先焊焊 缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。 - + - 3 2 1 x y z l冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生沿厚度 方向的拉应力，外部则产生压应力。 因此除了横向和纵向焊接残余应力x ，y外，还存在沿厚度方向 的焊接残余应力z ，这三种应力形成同号三向拉应力，大大降低连 接的塑性。 厚度方向的焊接应力 7.5焊接热效应 约束状态下产生的焊接应力 约束焊接接头中的残余应力分布 a-b截面上纵 向残余应力 7.5焊接热效应 二、焊接残余应力的影响 （1）对结构静力强度的影响 受力前因焊接残余应力自相平衡，故： yyty ftBftbBN

43、N 受力后当板件全截面达到fy，即N=Ny时： 结论： 焊接残余应力 不会影响结构 的静力强度 tbBNftbN)( cyt + - - b fy + - - b fy Ny Ny + - - fy b B t Nc Nt NN 7.5焊接热效应 （2）对结构刚度的影响 当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该部 分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为： EtbB N 1 + - - b fy NN + - - fy NN b B t 1 2 2 N BtE 当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为： 结论：焊接残余应 力使结构变形增大， 即降低了结构的刚

44、 度。 7.5焊接热效应 （4）对低温冷脆的影响 （5）对疲劳强度的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产 生三向焊接残余拉应力，阻碍塑 性的发展，使裂缝容易发生和发 展，增加了钢材低温脆断倾向。 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服 强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余 应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。 对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压 杆的稳定承载力。 （3）对压杆稳定的影响 三轴焊接残余应力 7.5焊接热效应 在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到 热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有： 三、减少焊接残余应力和

45、焊接残余变形的方法 7.5焊接热效应 1.合理的焊缝设计 （1）合理的安排焊缝的位置 （2）合理的选择焊缝的尺寸和形式 （3）尽量避免焊缝的过分集中 （4）尽量避免三向焊缝相交 （5）要考虑钢板的分层问题 7.5焊接热效应 （1）采用合理的施焊顺序和方向； （2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力； （3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理。 2.合理的工艺措施 7.6普通螺栓连接的构造和计算 普通螺栓规格精制螺栓粗制螺栓 分类A级和B级C级 强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级 孔加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成 加工精度 螺杆与栓孔直径之差为 0.250.5mm 螺杆

46、与栓孔直径之差为 1.52mm 受力特点抗剪抗拉均好抗剪差、抗拉好 经济性能价格高价格经济 用途 构件精度很高的结构（机 械结构）；在钢结构中很 少采用 沿螺栓杆轴受拉的连接； 次要的抗剪连接；安装的 临时固定 注：A、B两级的区别只是尺寸不同。 A级用于d24mm, l150mm的螺 栓，B级用于d24mm, l150mm 螺栓。 7.6普通螺栓连接的构造和计算 一、普通螺栓连接的构造计算 1.螺栓的排列和构造要求 规格：形式为大六角头型，其代号用字母M与公称直径表示。常用 M16、M20、M24。 螺栓的排列：并列、错列。 并列错列 7.6普通螺栓连接的构造和计算 螺栓的排列要满足以下三个

47、方面的要求： （1）受力要求：端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方向，中距过 大，鼓曲。 （2）构造要求：螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进入导致腐蚀。 （3）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于安装。 中心距太大 15d0 时，应将螺栓的承载力乘以折减系数。（a）塑性阶段受力状态 （b）弹性阶段受力状态 7.6普通螺栓连接的构造和计算 1 0 1.10.7 150 l d 弹塑性阶段：内力重分布，螺栓受力趋于均匀 10 600.7ld当时： a) A B 栓杆较细而板件较厚时 螺栓杆剪断 b) B A 栓杆较粗而板件较薄时 孔壁挤压 c) A 截面削弱过多时 钢板被拉断 d) 35

48、35 a1 A 端矩过小时；端矩2d0 钢板剪断 e) A 板过厚螺栓杆过长；栓杆长度5d 螺栓弯曲 7.6普通螺栓连接的构造和计算 计算保证 构造保证 剪力螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单 栓抗剪承载力由以下两式决定： 7.6普通螺栓连接的构造和计算 单个剪力螺栓的设计承载力： 受剪承载力设计值： 承压承载力设计值： d b v 2 v b v 4 f d nN b c b c f tdN b v b c b min ,minNNN p 假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布 ； p 假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于 栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布 验算： b vmi

49、n NN 抗剪承载力设计值： b v 2 v b v 4 f d nN 承压承载力设计值： b c b c f tdN t1 t2 ,t= t1 t1 t2 t1 t2 t3 t2 t1+ t3 ,t= t2 d+b3x1时, r1趋近于y1： 1 1Tx 2 i Ty N y S 3.螺栓群在扭矩、剪力、轴心力共同作用下的抗剪计算 x y r1 1 O x y1 4 T 1 N T 1x N T 1y N 1 2 3 4 V V 1y V N n 1 2 3 4 N N 1x N N n 将它分解为水平和竖直分力： TT 11 1x1 22 1ii yTy NN rxy 扭矩T作用下螺栓1、

50、2、3、4所受剪力最大（r1最大），为 T 1 N TT 11 1y1 22 1ii xTx NN rxy 7.6普通螺栓连接的构造和计算 V T N 在剪力V、轴心力N共同作用下，螺栓均匀受力，每个螺栓受力为： V 1y V N n N 1x N N n 以上各力对螺栓来说都是剪力，故受力最大的螺栓1承受的合力 N1应满足下式： NT2VT2b 11x1x1y1ymin ()()NNNNNN 4.螺栓群在轴心力作用下抗拉计算 b t nN N 7.6普通螺栓连接的构造和计算 T 1x N T 1y N V 1y N N 1x N 1 N 当设计拉力通过螺栓群形心时，所需要的 螺栓数目： 5.

51、螺栓群在弯矩作用下抗拉计算 MM 1 2 3 4 受压区 y1 y2 y3 N1 N2 N3 N4 中和轴 假定螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与 其至中和轴的距离成正比。 MMMM 312n 123n NNNN yyyy MMM M 111 2233 111 nn NNN NyNyNy yyy ； 7.6普通螺栓连接的构造和计算 MMM 1122n MM 2222 11 12 1 11 n n ni i MNyNyNy NN yyymy yy Mb 1 1t 2 i My NN my 7.6普通螺栓连接的构造和计算 m螺栓排列的纵列数 6.螺栓群同时承受剪力和拉力的计算

52、同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一 是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。有两种计算方法。 7.6普通螺栓连接的构造和计算 剪拉联合作用的螺栓剪力和拉力的相关曲线 试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独 作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。 规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应 分别符合下列公式的要求： 验算剪-拉联合作用： 1 2 b t t 2 b v v N N N N b vc V NN n 验算孔壁承压： Nvb单个螺栓抗剪承载力设计值； Ncb单个螺栓承压承载力设计值 Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值； Nv 、Nt单个螺栓承

53、受的最大剪力和拉力设计值。 7.6普通螺栓连接的构造和计算 支托和翼缘用角焊缝连接，验算角焊缝： w fewf Vhlf 为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取1.251.35 7.6普通螺栓连接的构造和计算 支托仅起安装作用：螺栓群承受弯矩M和剪力V v NV n 2 11 M ti NNMymy b vc NN 22 1 vt bb vt NN NN 螺栓不发生拉剪破坏： 孔壁不发生承压破坏： 剪力由支托承受，螺栓群承受弯矩M 2b t11t M i NNMymyN 例：设图为短横梁与柱翼缘的连接，剪力V=250kN，e=120mm，螺栓 为M20 ，C级，梁端竖板下有承托。钢材为Q235B，

54、手工焊，焊条 E43型，试按考虑承托传递全部剪力V以及不承受剪力V两种情况设计 此连接。 1、承托传递全部剪力V，螺栓群受弯矩作用 设螺栓为M20（Ae=245mm2），n=8 （1）单个螺栓抗拉承载力 （2）单个螺栓最大拉力 （3）承托焊缝验算，用侧面角焊缝，取 hf =10mm 解： 250kNV 250 0.1230kN mMVe bb tet 245 17041.7kNNA f 3 b 1 t 22222 30 10400 20kN41.7kN 2 (100200300400 ) t i My NN m y S 3 2 f ew 1.351.35 250 10 150.7N/mm 2

55、0.7 10 (1802 10) V hl S w2 f 160N/mmf 4100 （2）一个螺栓受力 （1）一个螺栓承载力 2、不考虑承托传递剪力V （3）剪力和拉力联合作用下 22 bb vvv 3.14 20 114044.0kN 44 d Nnf bb cc 2020 305122kNNd t fS b t 41.7kNN t 20kNN b vc 250 25kN122kN 10 V NN n 22 22 vt bb vt 2520 0.7441 44.041.7 NN NN 一、高强度螺栓连接的性能 7.7高强度螺栓的连接性能和计算 强度等级采用钢材 8.8级45号钢、40B钢

56、10.9级20MnTiB钢、35VB钢 按材料分类 按受力特征分类 受力特征承载力极限状态安装孔径应用特点 摩擦型外力达到板件摩擦力d0=d+1.52 剪切变形小，耐疲劳 ，动载下不易松动 承压型 外力超过摩擦力 栓杆受剪 板件承压 d0=d+1.01.5 承载力比摩擦型大，剪 切变形大，一般不用于 直接动载情况 1.高强度螺栓的预拉力 大六角头螺栓的预拉力控制方法有： a.力矩法 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使板 件贴紧密； 终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。 特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。 为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉力P的准确 控制

57、非常重要。 b.转角法 初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密； 终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度， 一般为120o180o完成终拧。 特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧。 大六角头型 7.7高强度螺栓的连接性能和计算 扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓） 初拧拧至终拧力矩的60%80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。 特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等。 eu 0.9 0.9 0.9 1.2 PA f Ae螺纹处有效截面积； fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2， 10.9级，取fu =1040N/mm2

58、 高强螺栓的预拉力设计值由下式确定： 扭剪型 7.7高强度螺栓的连接性能和计算 考虑材料的不均匀性的折减系数0.9； 为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.9； 考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。 由于高强度螺栓材料无明显的屈服点，用抗拉强度fu代替fy的附加安全系数0.9。 2.高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数 F 摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小取 决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数 ； 连接处接触面 处理方法 构 件 的 钢 号 Q235Q345Q420 喷 砂 喷砂后涂无机富锌漆 喷砂后生赤绣 钢丝刷清除浮锈或

59、未经处理的干净轧制表面 0.45 0.35 0.45 0.30 0.50 0.40 0.50 0.35 0.50 0.40 0.50 0.40 摩擦面抗滑移系数值 F 板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板 件间的挤压力的减小而降低； 7.7高强度螺栓的连接性能和计算 二、高强度螺栓的抗剪承载力设计值 1.高强度螺栓摩擦型连接 一个摩擦型连接高强度螺栓抗剪承载力设计值: b vRf NnP 抗力分项系数 R的倒数一般取0.9； nf传力摩擦面数目； 摩擦面抗滑移系；P预拉力设计值。 R 2.高强度螺栓承压型连接 高强度螺栓承压型连接，受剪时的极限承载力由杆身抗剪和孔壁承

60、压决定， 摩擦力只起延缓滑动的作用。计算方法与普通螺栓相同。 受剪承载力： 单栓抗剪承载力： 承压承载力： 2 bb vvv 4 d Nnf bb cc Ndtf bb minvc min b NNN， 7.7高强度螺栓的连接性能和计算 三、高强度螺栓群的抗剪计算 1.轴心力作用时 设一侧的螺栓数为n，平均受剪，承受外力N。轴力通过螺栓群的 形心，所需螺栓数目： Nbmin单个高强螺栓抗剪承载力 设计值。 对于摩擦型连接： b v N N n 对于承压型连接： b min N N n PnN f b v 9 . 0 螺栓数 7.7高强度螺栓的连接性能和计算 构件净截面强度验算 对于承压型连接，