钢结构设计原理

1、.1 钢 结 构 基 本 原 理 .2 3 钢结构的连接 本章内容：本章内容：(1) 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 (2) 焊接方法和焊接连接形式焊接方法和焊接连接形式 (3) 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算 (4) 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算 (5) 螺栓连接的构造螺栓连接的构造 (6) 普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算 (7) 高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算 本章重点：本章重点：角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计 算，高强度螺栓连接的计算。算，高强度螺栓连接的计算。 本章难点

2、：本章难点：如何运用相关公式进行各种连接计算。如何运用相关公式进行各种连接计算。 .3 2、铆接铆接 1、焊接焊接 对接焊缝对接焊缝 角角 焊焊 缝缝 焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接 3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 3.1.1 钢结构连接种类钢结构连接种类 图图3.1 3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 (a) (a) 、(b)(b)焊缝连接；焊缝连接；(c)(c)铆钉连接铆钉连接 (a) (b) (c)(a) (b) (c) .4 3、螺栓连接螺栓连接 普通螺栓：普通螺栓： 高强螺栓高强螺栓 靠螺栓杆承压和靠螺栓杆承压和 受剪传递荷载受剪传递荷载 图

3、图3.2 3.2 螺栓连接螺栓连接 .5 优点：优点：（1 1）构造简单，制造省工；）构造简单，制造省工； （2 2）不削弱截面，经济；）不削弱截面，经济； （3 3）连接刚度大，密闭性能好；）连接刚度大，密闭性能好； （4 4）易采用自动化作业，生产效率高。）易采用自动化作业，生产效率高。 缺点：缺点：（1 1）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆；）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆； （2 2）产生焊接残余应力和残余应变；）产生焊接残余应力和残余应变； （3 3）裂缝易扩展，低温下易脆断。）裂缝易扩展，低温下易脆断。 1 1、焊缝连接、焊缝连接 3.1.2 连接特点连接特点 .6 优点：优点：

4、安装拆卸方便。安装拆卸方便。 缺点：缺点：构造复杂，削弱截面，不经济。构造复杂，削弱截面，不经济。 2 2、螺栓连接、螺栓连接 1 1、普通螺栓连接、普通螺栓连接 由由235235钢制成，根据加工精度分钢制成，根据加工精度分A A、B B、C C三级。三级。 A A、B B级精制螺栓级精制螺栓,类孔，孔径比杆径大类孔，孔径比杆径大0.3-0.3- 0.5mm0.5mm，抗剪性能好，抗剪性能好, , 制造安装费工，少用。制造安装费工，少用。 C C 级粗制螺栓级粗制螺栓,类孔，孔径比杆径大类孔，孔径比杆径大1.5-2.0mm1.5-2.0mm， 抗剪性能差，但传递拉力性能好，性能等级为抗剪性能差

5、，但传递拉力性能好，性能等级为4.64.6级级 或或4.84.8级。级。 .7 （1 1）性能等级）性能等级 高强钢材制成：优质碳素钢：高强钢材制成：优质碳素钢：3535号、号、4545号号 合合 金金 钢：钢：20MnTiB20MnTiB、40B40B、35VB35VB 性能等级：性能等级：8.88.8级、级、10.910.9级。级。 小数点前小数点前8 8、1010螺栓材料经热加工后的最低抗拉螺栓材料经热加工后的最低抗拉 强度为强度为800800、1000N/mm1000N/mm2 2； 小数点后小数点后0.80.8、0.90.9屈强比屈强比 u ff / 2 . 0 2、高强螺栓连接高强

6、螺栓连接 .8 摩擦型：摩擦型：只靠摩擦阻力传力，以只靠摩擦阻力传力，以剪力达到接触面的摩擦力剪力达到接触面的摩擦力 作为承载力极限状态作为承载力极限状态设计准则。设计准则。 （2 2）按抗剪性能分）按抗剪性能分 承压型：承压型：以以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承作为承 载力极限状态载力极限状态设计准则。设计准则。 摩擦型螺栓连接：摩擦型螺栓连接：变形小，弹性性能好，耐疲劳，施工较变形小，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。简单，适用于承受动力荷载的结构。 承压型螺栓连接：承压型螺栓连接：承载力高于摩擦型连接，连接紧凑，剪承载

7、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。切变形大，不能用于承受动力荷载的结构。 .9 3.2 焊接方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式 3.2.1 钢结构常用焊接方法钢结构常用焊接方法 1.1.手工电弧焊手工电弧焊 打火引弧打火引弧-电弧周围的金属液化电弧周围的金属液化(溶池溶池)焊条熔化焊条熔化 滴入溶池滴入溶池与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。 电弧焊：电弧焊： 手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。 优点：优点：方便，特别在高空和野外作业；方便，特别在高空和野外作业；

8、 缺点：缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大， 效率低。效率低。 .10 焊条焊条：焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。 Q235Q235E43E43焊条；焊条； Q345Q345E50E50焊条；焊条； Q390Q390（Q420Q420）E55E55焊条。焊条。 E E焊条；型号由四部分组成焊条；型号由四部分组成 E E 前两位数前两位数 焊缝金属最小抗拉强度焊缝金属最小抗拉强度(43kg/mm(43kg/mm2 2) )； 后两位数后两位数 焊接位置、电流及药皮类型。焊接位置、电流及药皮类型。 不同钢

9、种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适 应的焊条。 手工电弧焊手工电弧焊 .11 2. 2. 自动（半自动）埋弧焊自动（半自动）埋弧焊 电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。 优点：优点：质量好，效率高；质量好，效率高； 缺点：缺点：需要专用设备。需要专用设备。 3. 3. 气体保护焊气体保护焊 利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为 保护介质的一种方法。保护介质的一种方法。 优点：优点：质量好；质量好； 缺点：缺点：对环境要求高。对环境要求高。 .12 （ 被连接钢材的相互位置） 对接连接 搭接连接 T型连接 角部连接 焊缝连接形式

10、3.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式焊缝连接形式及焊缝形式 1.1.焊缝连接形式焊缝连接形式 图图3.3 T3.3 T形连接形连接 图图3.4 3.4 搭接连接搭接连接 .13 焊缝连接形式焊缝连接形式 图图3.5 3.5 焊缝连接的形式焊缝连接的形式 (a)(a)对接连接；对接连接；(b)(b)用拼接盖板的对接连接；用拼接盖板的对接连接；(c)(c)搭接连接；搭接连接；(d)(d)、(e) T(e) T形连接；形连接；(f)(f)、(g)(g)角部连角部连 接接 .14 (1)(1)按焊缝的截面形式分按焊缝的截面形式分 对接焊缝对接焊缝 角角 焊焊 缝缝 2.2.焊缝形式焊缝形式 图图3.6

11、3.6 焊缝形式焊缝形式 (a) (a)正对接连接；正对接连接；(b)(b)斜对接焊缝；斜对接焊缝；(c)(c)角焊缝角焊缝 .15 按受力方向划分按受力方向划分 正正对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 对接焊缝对接焊缝 斜斜对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝倾斜倾斜于力线于力线 正面正面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 角焊缝角焊缝 侧面侧面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝平行平行于力线于力线 斜斜角焊缝角焊缝: 焊缝焊缝倾斜倾斜于力线于力线 .16 (2)(2)焊缝沿长度方向的布置焊缝沿长度方向的布置 注意注意: : L L不宜过长不宜过长 在受压构件中在受压构件中 L15t

12、L15t 在受拉构件中在受拉构件中 L30t L30t （t t为较薄焊为较薄焊 件的厚度）件的厚度） 图图3.7 3.7 连接角焊缝和断续角焊缝连接角焊缝和断续角焊缝 .17 （3 3）焊缝的施焊方位）焊缝的施焊方位 平焊（俯焊）平焊（俯焊） 横焊横焊 立焊立焊 仰焊仰焊 图图3.8 3.8 焊缝施焊位置焊缝施焊位置 (a) (a)平焊；平焊；(b)(b)横焊；横焊；(c)(c)立焊；立焊；(d)(d)仰焊仰焊 .18 3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷及焊缝质量检验 1 1、焊缝缺陷：、焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊缝金属或附近热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

13、的缺陷影响区钢材表面或内部的缺陷 图图3.9 3.9 焊缝缺陷焊缝缺陷 (a)(a)裂纹；裂纹；(b)(b)焊瘤；焊瘤；(c)(c)烧穿；烧穿；(d)(d)弧坑；弧坑；(e)(e)气孔；气孔；(f)(f)夹渣；夹渣；(g)(g)咬边；咬边；(h)(h)未熔合；未熔合；(i)(i)未焊缝未焊缝 .19 2.2.焊缝质量检验焊缝质量检验 三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸）三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸） 二级：除外观检查，超声波抽检二级：除外观检查，超声波抽检 一级：同二级一级：同二级 3.3.焊缝质量等级的选用焊缝质量等级的选用 （1 1）需要进行疲劳计算的构件，凡

14、是对接焊缝均应）需要进行疲劳计算的构件，凡是对接焊缝均应 焊透。其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或焊透。其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或T T形对形对 接与角接组合焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级；接与角接组合焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级； 作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。 .20 （2 2）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母 材等强的对接焊缝应焊透。母材等强的受拉对接焊材等强的对接焊缝应焊透。母材等强的受拉对接焊 缝应不低于二级；受压时宜为二级。缝应不低于二级；受压时宜为二级

15、。 （3 3）重级工作制和起重量）重级工作制和起重量Q500kNQ500kN的中级工作的中级工作 制吊车梁的腹板与上翼缘板之间，以及吊车桁架上制吊车梁的腹板与上翼缘板之间，以及吊车桁架上 弦杆与节点板之间的弦杆与节点板之间的T T形接头均要求焊透，质量等级形接头均要求焊透，质量等级 不应低于二级。不应低于二级。 （4 4）不要求焊透的）不要求焊透的T T形接头采用的角焊缝或部分形接头采用的角焊缝或部分 焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的 角焊缝，一般仅要求外观质量检查，具体规定如下角焊缝，一般仅要求外观质量检查，具体规定如下: : 三级检验

16、三级检验; ;承受动力荷载且需要验算疲劳和承受动力荷载且需要验算疲劳和Q500kNQ500kN 的中级吊车梁，二级。的中级吊车梁，二级。 .21 3.2.4 焊缝代号、螺栓及其孔眼图例焊缝代号、螺栓及其孔眼图例 焊缝符号表示法焊缝符号表示法规定：焊缝符号一般由规定：焊缝符号一般由基本基本 符号符号与与指引线指引线组成，必要时还可加上组成，必要时还可加上补充符号补充符号和和焊缝焊缝 尺寸尺寸。 基本符号：基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用表示焊缝的横截面形状，如用“ ”“ ”表示表示 角焊缝角焊缝, ,用用“V”V”表示表示V V形坡口听对接焊缝；形坡口听对接焊缝； 补充符号：补充符号：补充说

17、明焊缝的某些特征，如用补充说明焊缝的某些特征，如用“ ”“ ”表表 示现场安装焊缝，用示现场安装焊缝，用“ ”“ ”表示焊件三面带有焊缝；表示焊件三面带有焊缝； 指引线指引线 ：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指 向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符 号和焊缝尺寸等。号和焊缝尺寸等。 .22 表表3.1 3.1 焊缝符号焊缝符号 .23 表表3.1 3.1 焊缝符号焊缝符号 续表续表 .24 当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚 时时, ,在标注

18、焊缝符号的同时在标注焊缝符号的同时, ,可在图形上加栅线表示。可在图形上加栅线表示。 图图3.10 3.10 用栅线表示焊缝用栅线表示焊缝 (a)(a)正面焊缝；正面焊缝；(b)(b)背面焊缝；背面焊缝；(c)(c)安装焊缝安装焊缝 表表3.2 3.2 螺栓及其孔眼图例螺栓及其孔眼图例 .25 3. 3 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算 f h 角焊缝的角焊缝的焊脚尺寸焊脚尺寸 e h 角焊缝的角焊缝的计算厚度计算厚度，对直角角焊缝：，对直角角焊缝： fe hh7 . 0 按截面形式划分按截面形式划分 3.3.1 角焊缝的形式与强度角焊缝的形式与强度 图图3.11 3.11 直角角焊缝截面

19、直角角焊缝截面 角焊缝角焊缝 直角角焊缝直角角焊缝 斜角角焊缝斜角角焊缝 角焊缝一般用直角角焊缝。角焊缝一般用直角角焊缝。 夹角夹角 或或 的斜角角焊缝，的斜角角焊缝，不宜不宜用作用作 受力焊缝受力焊缝( (钢管结构除外钢管结构除外).). 图图3.12 3.12 斜角角焊缝截面斜角角焊缝截面 135 60 .26 侧面角焊缝强度低、塑性好；应力沿长度方向分布不均侧面角焊缝强度低、塑性好；应力沿长度方向分布不均 匀，呈两端大而中间小的状态。匀，呈两端大而中间小的状态。 1 1、侧面角焊缝侧面角焊缝平行于力的作用方向平行于力的作用方向 N N NN t b LL a N 按角焊缝与作用力的关系分

20、按角焊缝与作用力的关系分:侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝 图图3.13 3.13 侧面角焊缝受力示意图侧面角焊缝受力示意图图图3.14 3.14 侧焊缝的应力侧焊缝的应力 .27 正面角焊缝受力复杂，截面中的各面均存在正应力正面角焊缝受力复杂，截面中的各面均存在正应力 和剪应力；强度高，塑性差。和剪应力；强度高，塑性差。 2 2、正面角焊缝正面角焊缝垂直于力的作用方向垂直于力的作用方向 3 3、斜焊缝、斜焊缝受力性能和强度值介于正面角焊缝受力性能和强度值介于正面角焊缝 和侧面角焊缝之间。和侧面角焊缝之间。 图图3.15 3.15 正面角焊缝应力状态正面角焊缝应力状

21、态 .28 minmax 2.1th f （1 1）最大焊脚尺寸）最大焊脚尺寸 对边缘角焊缝对边缘角焊缝 thmmt f max ,6 )21 (,6 max mmthmmt f 为避免焊缝区基本金属为避免焊缝区基本金属“过热过热”，减少焊件，减少焊件 的残余应力和残余变形。的残余应力和残余变形。 3.3.2 角焊缝构造要求角焊缝构造要求 图图3.16 3.16 最大焊脚尺寸最大焊脚尺寸 .29 焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度 快而产生淬硬组织。快而产生淬硬组织。 maxmin 5.1th f 对自动焊对自动焊: : mmhf1 min 对对T

22、 T型连接的单面角焊缝：型连接的单面角焊缝：mmhf1 min 当焊件厚度当焊件厚度 thmmt f min ,4 maxffminf hhh 设计设计： （2 2）最小焊脚尺寸要求）最小焊脚尺寸要求 .30 （3 3）不等焊脚尺寸的构造要求）不等焊脚尺寸的构造要求 当焊件的厚度相差较大且当焊件的厚度相差较大且 等焊脚尺寸不能符合要求时，等焊脚尺寸不能符合要求时， 可采用不等焊脚尺寸。可采用不等焊脚尺寸。 （4 4）侧面角焊缝的最大计算长度）侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝沿长度受力不均匀，两端大中间小侧面角焊缝沿长度受力不均匀，两端大中间小, , 所以一般均规定其最大计算长度。所以一般均

23、规定其最大计算长度。 w l 6060hf 静力荷载静力荷载 4040hf 动力荷载动力荷载 注：若内力沿角焊缝注：若内力沿角焊缝全长分布全长分布，则计算长度，则计算长度不不受此限受此限 注意注意：焊脚尺寸和焊缝计算长度：焊脚尺寸和焊缝计算长度取取mmmm的整数，小数点的整数，小数点 以后都进为以后都进为1 1。 图图3.17 3.17 不等焊脚尺寸的构造要求不等焊脚尺寸的构造要求 .31 )40,8max( min mmhl fw 设计：设计： maxminwww lll 防止局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距防止局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距 太近，及其他缺陷，使得焊缝不可

24、靠。太近，及其他缺陷，使得焊缝不可靠。 在搭接连接中，搭接长度在搭接连接中，搭接长度L5t L5t min min ，且 且25mm25mm。 为了减少收缩应力为了减少收缩应力 以及因偏心在钢板与连以及因偏心在钢板与连 接件中产生的次应力接件中产生的次应力 （5 5）角焊缝的最小计算长度）角焊缝的最小计算长度 （6 6）搭接连接的构造要求）搭接连接的构造要求 图图3.18 3.18 搭接连接搭接连接 .32 围焊的围焊的转角处转角处 必须必须连续施焊连续施焊. . 非围焊，可在非围焊，可在 构件转角处作构件转角处作 长度长度2 2h f 的绕的绕 角焊。角焊。 为了避免焊缝为了避免焊缝 横向收

25、缩时引横向收缩时引 起板件的拱曲起板件的拱曲 大。大。 当板件端部仅有两侧面角焊缝时，当板件端部仅有两侧面角焊缝时，lwb ( (b b为两侧焊缝距离为两侧焊缝距离) ) 同时同时或或16 (12mm)bt t 190mm(12mm)t 图图3.19 3.19 焊缝长度及两侧焊缝间距焊缝长度及两侧焊缝间距 .33 fw w hll ll 侧面角焊缝 正面角焊缝 三面围焊：. 1 fw hll2. 2侧面角焊缝两面侧焊： fw fw hll hll L 侧面角焊缝 正面角焊缝 形围焊：. 3 NN l l NN l l NN l l NN f h2 l l 焊缝实际长度焊缝实际长度 取为取为5m

26、m的倍数，如的倍数，如192mm取为取为195mm， 196mm取为取为200mm。 l 角焊缝的计算长度角焊缝的计算长度 lw 和实际长度和实际长度 l 的关系：的关系： 4.绕角焊：侧面角焊缝 lw=l (绕角焊的2hf不在内) 图图3.20 3.20 角焊缝长度的计算角焊缝长度的计算 .34 fe h.h70（1 1）侧面角焊缝的破坏大多在）侧面角焊缝的破坏大多在4545o o截面；截面； 受力特点：受力特点： 3.3.3 直角角焊缝强度计算的基本公式直角角焊缝强度计算的基本公式 图图3.21 3.21 侧焊缝破坏形式侧焊缝破坏形式 (a)(a)实际剪坏面；实际剪坏面；(b)(b)计算剪

27、坏面计算剪坏面 图图3.22 3.22 角焊缝截面角焊缝截面 h焊缝厚度；焊缝厚度； hf焊缝厚度；焊缝厚度；he焊缝有效厚度焊缝有效厚度(焊焊 喉部位喉部位)；h1熔深；熔深；h2凸度；凸度；d焊趾；焊趾；e焊跟焊跟 .35 （3 3）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差。）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差。 （2 2）正面角焊缝应力状态复杂，可能沿）正面角焊缝应力状态复杂，可能沿4545o o截面破截面破 坏，也可能沿溶合边破坏；坏，也可能沿溶合边破坏； fe h.h70 f h e h 图图3.23 3.23 焊脚尺寸及有效焊脚厚度焊脚尺寸及有效焊脚厚度 .36 计算步骤：计算步骤：

28、 （1 1）求出同一平面焊缝群的形心；）求出同一平面焊缝群的形心； （2 2）将荷载向）将荷载向形心形心简化，找出简化，找出最不利位置；最不利位置； （3 3）分别求出）分别求出各荷载分量各荷载分量在最不利位置产生在最不利位置产生 的的应力应力； （4 4）区分区分正面角焊缝正面角焊缝受力和受力和侧面角焊缝侧面角焊缝受力，受力， 视视荷载种类荷载种类（静荷或动荷）代入角焊缝（静荷或动荷）代入角焊缝 的基本计算公式进行计算。的基本计算公式进行计算。 （5 5）验算是否满足）验算是否满足构造要求构造要求。 .37 （作用力平行于焊缝方向）（作用力平行于焊缝方向） f N N N N 1 1、侧面角

29、焊缝、侧面角焊缝 图图3.24 3.24 侧面角焊缝的应力分布示意图侧面角焊缝的应力分布示意图 w ff e w N f h l .38 w f w ff we f ff lh N 22. 1 当承受动力荷载时：当承受动力荷载时： f N NN N -正面角焊缝强度增大系数，正面角焊缝强度增大系数，1.22 。 f 2 2、正面角焊缝、正面角焊缝 （作用力垂直于焊缝方向）（作用力垂直于焊缝方向） 图图3.25 3.25 正面角焊缝的应力分布示意图正面角焊缝的应力分布示意图 1.0 f .39 f f N N N Ny y= Ncos = Ncos f N Nx x=Nsin=Nsin 3 3、

30、斜向角焊缝、斜向角焊缝 2 2w f ff f f y f e w N h l 图图3.26 3.26 斜向轴心力作用斜向轴心力作用 x f e w N h l .40 两两 面面 侧侧 焊焊 ( (由构造确定由构造确定hf ) ) N N NN t b LL a (1) (1) 用盖板的对接连接承受轴心力时用盖板的对接连接承受轴心力时 1.1.承受轴心力作用时角焊缝连接计算承受轴心力作用时角焊缝连接计算 w f we f f lh N w ff w fh N l 7 . 0 f w w h l l2 4 盖板长度：盖板长度：alL w 2 板 由由 得得 3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝

31、连接计算各种受力状态下直角角焊缝连接计算 图图3.27 3.27 受轴心力的盖板连接受轴心力的盖板连接 ( (只有侧面角焊缝只有侧面角焊缝) ) .41 we w ff lhfN blw NNN1 ( (由构造确定由构造确定hf ) ) N N NN t b LL a w ff we f lh N 由由 得得 )( 1 NNN 三三 面面 围围 焊焊 (a)(a)端面角焊缝承担端面角焊缝承担 N (b)(b)侧面角焊缝承担侧面角焊缝承担 N1 1 图图3.28 3.28 受轴心力的盖板连接受轴心力的盖板连接 ( (三面围焊三面围焊) ) .42 盖板长度盖板长度： N N NN b t LL

32、a N N 由由 N1 得得 (c)(c)焊缝长度计算焊缝长度计算 图图3.28 3.28 受轴心力的盖板连接受轴心力的盖板连接 ( (三面围焊三面围焊) ) 1 w ff e w N f h l 1 0.7 w w ff N l h f 4 w wf l lh 2 w Lla 板 .43 解解 查附表查附表1.2 2 /160mmNf w f mm thf 9 . 7 285 . 1 5 . 1 maxmin mmh f 10 min 取mmh f 1415)21(16 max 例例3.13.1试设计用拼接盖板的对接连接试设计用拼接盖板的对接连接( (图图3.29)3.29)。 已知钢板宽已

33、知钢板宽B=270mmB=270mm，厚度，厚度t t1 1=28mm=28mm，拼接盖板厚度，拼接盖板厚度t t2 2=16mm=16mm。 该连接承受静态轴心力该连接承受静态轴心力N=1400kN(N=1400kN(设计值设计值) )，钢材为，钢材为Q235BQ235B， 手工焊，焊条为手工焊，焊条为E43E43型。型。 图图3.29 3.29 例例3.13.1图图 (a)(a)两面侧焊时两面侧焊时 .44 (1) (1) 两面侧焊两面侧焊 N N NN t b LL a 盖板长度盖板长度 mm alL w 676103332 2 板 一条焊缝的实际长度一条焊缝的实际长度 取取680680

34、mm 焊缝总长度焊缝总长度 3 w w ef 1400 10 1250mm 0.7 10 160 N l h f w wff 1250 220333mm20mm20mm，U U形、形、K K形或形或X X 形形坡口。坡口。 3.4 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算 3.4.1 对接焊缝的构造对接焊缝的构造 1 1、坡口形式、坡口形式 图图3.40 3.40 对接焊缝的坡口形式对接焊缝的坡口形式 (a)(a)直边缝；直边缝；(b)(b)单边单边V V形坡口；形坡口； (c)(c) V V形坡口；形坡口； (d)(d) U U形坡口；形坡口； (e)(e) K K形坡口；形坡口； (f)(

35、f) X X形坡口形坡口 .75 拼接处，当焊件的宽度或厚度相差拼接处，当焊件的宽度或厚度相差4mm4mm以上时，从一侧或以上时，从一侧或 两侧做坡度不大于两侧做坡度不大于1 1：2.5 2.5 （承受动力荷载且需要进行疲劳（承受动力荷载且需要进行疲劳 计算的结构不大于计算的结构不大于1 1：4 4）的斜角，平缓过渡。的斜角，平缓过渡。 静力荷载作用时允许不设。静力荷载作用时允许不设。当不设引弧板时，每条焊缝当不设引弧板时，每条焊缝 计算长度等于实际长度减计算长度等于实际长度减2 t（t为较薄焊件厚度）。为较薄焊件厚度）。 起落弧处起落弧处, ,宜加引弧板宜加引弧板( (引出板引出板) )。

36、2 2、截面的改变、截面的改变 3 3、引弧板、引弧板 图图3.41 3.41 钢板拼接钢板拼接 图图3.42 3.42 用引弧板和引出板焊接用引弧板和引出板焊接 (a)(a)改变宽度；改变宽度；(b)(b)改变厚度改变厚度 .76 焊缝强度与钢材强度比较： -质量检验为一、二级时质量检验为一、二级时, ,焊缝强度与钢材强度相等；焊缝强度与钢材强度相等； -质量检验为三级时质量检验为三级时, , 抗压强度、抗剪强度与钢材强度相等，抗压强度、抗剪强度与钢材强度相等， 抗拉强度等于抗拉强度等于0.85%0.85%的母材强度。的母材强度。 受拉连接受拉连接, ,三级检验时三级检验时, ,进行焊缝强度

37、验算。进行焊缝强度验算。 对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。 焊缝可视为构件的组成部分；焊缝可视为构件的组成部分； 焊缝中应力分布基本同构件。焊缝中应力分布基本同构件。 3.4.2 对接焊缝的计算对接焊缝的计算 1 1、焊透的对接焊缝的计算、焊透的对接焊缝的计算 .77 (1)(1)轴心受力对接焊缝轴心受力对接焊缝 时时, ,强度可不进行验算。强度可不进行验算。 N 轴心拉力或压力；轴心拉力或压力； lw 焊缝的计算长度，未采用引弧板焊缝的计算长度，未采用引弧板, ,实际长度减实际长度减2 2t t 。 t t 对接连接中对接连接中, ,连接件较小厚度

38、；连接件较小厚度；T T形连接中形连接中, , 腹板厚度。腹板厚度。 注：当注：当 ww tc w N ff l t 或 图图3.43 3.43 对接焊缝受轴心力对接焊缝受轴心力 tan1.5 .78 (2)(2)承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 图图3.44 3.44 对接焊缝受弯矩和剪力联合作用对接焊缝受弯矩和剪力联合作用 (a) (a) 钢板对接接头；钢板对接接头；(b)(b)工字形截面梁的对接接头工字形截面梁的对接接头 .79 Ww-焊缝截面模量焊缝截面模量 Sw-焊缝截面面积矩焊缝截面面积矩Iw-焊缝截面惯性矩焊缝截面惯性矩 -焊缝抗剪强度设计值焊缝抗

39、剪强度设计值 t l lw w M V a) a)矩形截面矩形截面 截面正应力截面正应力 w maxt 2 ww 6MM f Wl t w w maxv ww 3 2 VSV f I tl t 截面剪应力截面剪应力 w v f 图图3.45 3.45 对接焊缝矩形截面对接焊缝矩形截面 .80 w t f1 . 13 2 1 2 1 h h0 max1 在腹板与翼缘交接处，验算折算应力在腹板与翼缘交接处，验算折算应力 tI VS w w1 1 t t1 1 Sw1 w1-翼缘对中和轴的面积矩 翼缘对中和轴的面积矩, , b b b) b)工字形截面工字形截面 最大正应力最大正应力: : w ma

40、xt 2 ww 6MM f Wl t w w maxv ww 3 2 VSV f I tl t 最大剪应力最大剪应力: : 01 w11 22 ht Sbt , h0 0为腹板高度腹板高度 图图3.46 3.46 工字形截面工字形截面 .81 例例 3.43.4计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度( (图图 3.50)3.50)。 F=550=550kN( (设计设计值值) )，偏心距，偏心距e e=300mm=300mm。钢材为。钢材为Q235BQ235B， 焊条为焊条为E43E43型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上、下翼缘加型，手工焊。焊缝为

41、三级检验标准，上、下翼缘加 引弧板和引出板施焊。引弧板和引出板施焊。 图图3.47 3.47 例例3.43.4图图 .82 a a）最大正应力）最大正应力 解解 ： 截面几何特征值和内力截面几何特征值和内力: : 324 x 1 1.2 382 1.6 26 19.838105cm 12 I 3 x1 26 1.6 19.8824cmS 550kNVF550 0.30165kN mM 6 2 max 4 x 165 10206 89.2N/mm 238105 10 Mh I w2 t 185N/mmf .83 c c）“1”1”点的折算应力点的折算应力 b b）最大剪应力）最大剪应力 3 x

42、max 4 x 550 10190 (260 16 198 190 12 38105 10122 VS I t 2w2 v 125.1N/mm125N/mmf 2 1max 190 82.3N/mm 206 33 2 x1 1 4 x 550 10824 10 99.1N/mm 38105 1012 VS I t 22222 11 382.33 99.1190.4N/mm 2 1.1 185203.5N/mm .84 3.5 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形 3.5.1 焊接应力的分类和产生的原因焊接应力的分类和产生的原因 1 1、纵向焊接应力、纵向焊接应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向 图

43、图3.48 3.48 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力 (a)(a)、(b)(b)施焊时焊缝及附近的温度场施焊时焊缝及附近的温度场(c)(c)钢板上纵向焊接应力钢板上纵向焊接应力 .85 2 2、横向焊接应力、横向焊接应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向 3 3、厚度方向的焊接应力、厚度方向的焊接应力 图图3.49 3.49 焊缝的横向焊接应力焊缝的横向焊接应力 图图3.50 3.50 厚板中的焊接残余应力厚板中的焊接残余应力 .86 3.5.2 焊接应力对结构性能的影响焊接应力对结构性能的影响 1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响

44、没有影响没有影响 2 2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响会降低结构的刚度会降低结构的刚度 3 3、对低温工作的影响、对低温工作的影响 会增加钢材在低温下的脆断倾向会增加钢材在低温下的脆断倾向 4 4、对疲劳强度的影响、对疲劳强度的影响有明显的不利影响有明显的不利影响 .87 3.5.3 焊接变形焊接变形 焊接变形是焊接构件经局部加热冷却后产生的不可回复变焊接变形是焊接构件经局部加热冷却后产生的不可回复变 形，包括纵向收缩、形，包括纵向收缩、 横收缩、角变形、弯曲变形或扭曲变形横收缩、角变形、弯曲变形或扭曲变形 等，通常是几种变形的组合。等，通常是几种变形的组合。 3.5.4 减小焊接应力和

45、焊接变形的措施减小焊接应力和焊接变形的措施 1 1、设计上的措施、设计上的措施 （1 1）焊接位置的安排要合理；）焊接位置的安排要合理； （2 2）焊缝尺寸要适当；）焊缝尺寸要适当； （3 3）焊缝的数量宜少，且不宜过分集中；）焊缝的数量宜少，且不宜过分集中； （4 4）应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉；）应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉； （5 5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。 .88 图图3.51 3.51 减小焊接应力和焊接变形影响的设计措施减小焊接应力和焊接变形影响的设计措施 (a)(a)、(c)(c)、(e)(e)、(g) (g) 、(i)(

46、i)推荐；推荐；(b)(b)、 (d)(d)、(f)(f)、(h)(h)、(j)(j)不推荐不推荐 .89 2 2、工艺上的措施、工艺上的措施 （1 1）采用合理的施焊次序；）采用合理的施焊次序； （2 2）采用反变形；）采用反变形； （3 3）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火 加热加热600600左右，然后缓慢冷却，可以部左右，然后缓慢冷却，可以部 分消除焊接应力和焊接变形。也可采用刚分消除焊接应力和焊接变形。也可采用刚 性固定法将构件加以固定来限制焊接变形，性固定法将构件加以固定来限制焊接变形， 但增加了焊接残余应力。但增加了焊接残余应力。 图图3

47、.52 3.52 合理的施焊次序合理的施焊次序 (a)(a)分段退焊；分段退焊；(b)(b)沿厚度分层焊；沿厚度分层焊；(c)(c)对角跳焊；对角跳焊；(d)(d)钢板分块拼接钢板分块拼接 图图3.53 3.53 焊接前反变形焊接前反变形 .90 规格：规格：形式为大六角头型，其代号用字母形式为大六角头型，其代号用字母M M与公称与公称 直径表示。常用直径表示。常用M1616、M2020、M2424。 螺栓的排列：螺栓的排列：并列、错列。并列、错列。 螺栓的排列要满足以下三个方面的要求：螺栓的排列要满足以下三个方面的要求： （1 1）受力要求：）受力要求：端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方向，

48、端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方向， 中距过大，鼓曲。中距过大，鼓曲。 （2 2）构造要求：）构造要求：螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进入螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进入 导致腐蚀。导致腐蚀。 （3 3）施工要求：）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于 安装。安装。 3.6 螺栓连接的构造螺栓连接的构造 3.6.1 螺栓的排列螺栓的排列 .91 规范规范制定出螺栓排列最大、最小容许距离制定出螺栓排列最大、最小容许距离 （书中表（书中表3-43-4）, ,在型钢上排列的螺栓还应符合各在型钢上排列的螺栓还应符合各 自线距和最大孔径的要求（书中表

49、自线距和最大孔径的要求（书中表3-53-53-73-7）。）。 图图3.54 3.54 钢板的螺栓钢板的螺栓( (铆钉铆钉) )排列排列 (a) (a) 并列；并列；(b)(b)错列错列 .92 图图3.55 3.55 型钢的螺栓型钢的螺栓( (铆钉铆钉) )排列排列 .93 1 1、每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数、每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数 不宜少于两个；不宜少于两个； 2 2、直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或、直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或 其他防止螺帽松动的有效措施；其他防止螺帽松动的有效措施； 3 3、由于、由于

50、C C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向 受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结 构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C C级级 螺栓受剪。螺栓受剪。 4 4、当采用高强螺栓连接时，拼接件不能采用型钢，只能采、当采用高强螺栓连接时，拼接件不能采用型钢，只能采 用钢板。用钢板。( (型钢抗弯刚度大，不能保证摩擦面紧密结合型钢抗弯刚度大，不能保证摩擦面紧密结合) ) 5 5、沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板，应适当增强其刚、沿杆轴方向受

51、拉的螺栓连接中的端板，应适当增强其刚 度，以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。度，以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。 3.6.2 螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求 .94 剪力螺栓（抗剪螺栓）：螺栓杆剪力螺栓（抗剪螺栓）：螺栓杆垂直于垂直于力线力线 按受力情况分为按受力情况分为 拉力螺栓（抗拉螺栓）：拉力螺栓（抗拉螺栓）： 螺栓杆螺栓杆平行于平行于力线 力线 既受剪又受拉的螺栓既受剪又受拉的螺栓 N N NN N N F 3.7 普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算 图图3.56 3.56 普通螺栓连接普通螺栓连接 .95 抗剪连接抗拉连接 抗剪连接抗剪连接板件之

52、间有板件之间有相互错动相互错动的趋势的趋势 抗拉连接抗拉连接板件之间有板件之间有相互脱开相互脱开的趋势的趋势 图图3.57 3.57 抗剪连接与抗拉连接抗剪连接与抗拉连接 .96 普通螺栓按加工精度可分为： 普通螺栓按加工精度可分为： 1. 1. 粗制螺栓（粗制螺栓（C C级）级） 级、级8 . 4)6 . 0,/400(6 . 4 0 . 35 . 1 2 0 uyu ffmmNf mmdd 螺杆直径 螺孔直径 d d0 优点优点：安装简单，便于拆装；：安装简单，便于拆装； 缺点缺点：螺杆与钢板孔壁不够紧密，传递剪力时，连接变形较大。：螺杆与钢板孔壁不够紧密，传递剪力时，连接变形较大。 宜用

53、于宜用于承受拉力承受拉力的连接中，或用于的连接中，或用于次要结构次要结构和 和可拆卸结构可拆卸结构 的受剪连接及安装时的的受剪连接及安装时的临时固定临时固定。 2. 2. 精制螺栓（精制螺栓（ A A、B B级）级） 级、级6 . 5)8 . 0,/800(8 . 8 5 . 03 . 0 2 0 uyu ffmmNf mmdd 优点优点：受力性能好；：受力性能好； 缺点缺点：安装费时费工，且费用较高。：安装费时费工，且费用较高。 目前建筑结构中已较少使用。目前建筑结构中已较少使用。 .97 3.7.1 普通螺栓的抗剪连接（受剪螺栓连接）普通螺栓的抗剪连接（受剪螺栓连接） 1 1、抗剪连接的工

54、作性能、抗剪连接的工作性能 N 图图3.58 3.58 单个螺栓抗剪试验结果单个螺栓抗剪试验结果 高强度螺栓高强度螺栓 普通螺栓普通螺栓 .98 从加载至破坏经历以下四个阶段：从加载至破坏经历以下四个阶段： （1 1）弹性阶段（）弹性阶段（0101段）段） 加载初，荷载小，连接中剪力小，荷载靠构件间接触加载初，荷载小，连接中剪力小，荷载靠构件间接触 面的摩擦力传递，栓杆与孔壁之间的间隙保持不变。面的摩擦力传递，栓杆与孔壁之间的间隙保持不变。 （2 2）滑移阶段（）滑移阶段（1212段）段） 剪力达到摩擦力最大值，板件间产生相对滑移，直至剪力达到摩擦力最大值，板件间产生相对滑移，直至 栓杆与孔壁

55、接触。栓杆与孔壁接触。 （3 3）栓杆直接传力的弹性阶段）栓杆直接传力的弹性阶段 外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，曲线上升，外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，曲线上升， 3 3点，螺栓或连接板达到弹性极限。点，螺栓或连接板达到弹性极限。 （4 4）弹塑性阶段）弹塑性阶段 在此阶段即使荷载增量很小，连接的剪切变形迅速加在此阶段即使荷载增量很小，连接的剪切变形迅速加 大，直至连接破坏。大，直至连接破坏。4 4点点-极限荷载。极限荷载。 .99 受剪螺栓的破坏形式受剪螺栓的破坏形式 1 1）栓杆被剪断）栓杆被剪断 2 2）钢板被挤压破坏（螺栓承压破坏）钢板被挤压破坏（螺栓承压破坏） 3 3

56、）钢板被拉断）钢板被拉断 4 4）钢板被剪坏）钢板被剪坏 b) a) 35 d) 35 c) 图图3.59 3.59 抗剪螺栓连接的破坏形式抗剪螺栓连接的破坏形式 .100 针对以上破坏形式，应采取以下措施针对以上破坏形式，应采取以下措施: : 1 1）通过计算保证螺栓抗剪）通过计算保证螺栓抗剪 2 2）通过计算保证螺栓抗挤压）通过计算保证螺栓抗挤压 3 3）通过计算保证板件有足够的拉压强度）通过计算保证板件有足够的拉压强度 4 4）螺栓端距）螺栓端距2 2d d 0 0 避免钢板被拉豁避免钢板被拉豁 .101 抗剪承载力设计值抗剪承载力设计值 b vv b v f d nN 4 2 4 2

57、d nv -受剪面数目受剪面数目, 单剪单剪nv =1.0 , 双剪双剪nv=2.0 , 四剪四剪nv=4.0 。 d -螺栓杆直径螺栓杆直径 。 N N NN N N F N N 2 2、单个普通螺栓抗剪连接的承载力、单个普通螺栓抗剪连接的承载力 N/2 N N/2 图图3.60 3.60 抗剪螺栓连接抗剪螺栓连接 .102 单个螺栓承载力设计值单个螺栓承载力设计值 b c b v b NNN,min min 承压承载力设计值承压承载力设计值 b c b c ftdN t -同一受力方向承压板同一受力方向承压板 较小总厚度。较小总厚度。 N/2 N/2 N 图图3.61 3.61 螺栓承压螺

58、栓承压 .103 单个螺栓所受的力单个螺栓所受的力N1 b N n N N min1 01 15dl 时，对承载力进行修正：时，对承载力进行修正： 所需螺栓数所需螺栓数n:n: b N N n min b N n N N min1 7 . 0 150 1 . 1 0 1 d l 强度折减系数 b N N n min 3 3、普通螺栓群抗剪连接、普通螺栓群抗剪连接 普通螺栓群轴心受剪普通螺栓群轴心受剪 图图3.62 3.62 长接头螺栓的内力分布长接头螺栓的内力分布 l1 .104 普通螺栓群普通螺栓群轴心受剪轴心受剪的计算流程的计算流程 b c b V NN 、计算 b c b V b NNN

59、，min min 01 15dl b N N n min b N N n min 7 . 0 150 1 . 1 0 1 d l ）排列螺栓取整数按规定（表 4 . 3 是否 .105 例例 3.53.5设计两块钢板用普通螺栓的盖板拼接设计两块钢板用普通螺栓的盖板拼接( (图图3.60)3.60)。已知。已知 轴心拉力的设计值轴心拉力的设计值N=325=325kN，钢材为，钢材为Q235AQ235A，螺栓直径，螺栓直径d d=20mm=20mm （粗制螺栓）。（粗制螺栓）。 图图3.63 3.63 例例3.53.5图图 .106 受剪承载力设计值受剪承载力设计值 kNNf d nN b vv

60、b v 9 .8787900140 4 2014. 3 2 4 22 承压承载力设计值承压承载力设计值 kNNftdN b c b c 8 .4848800305820 一侧所需螺栓数一侧所需螺栓数n:n: 7 .6 8 .48 325 min b N N n 取取8 8个。个。 解解 ： .107 假定：假定：板件绝对刚性；板件绝对刚性；螺栓弹性；螺栓弹性； 扭矩作用下螺栓受力与螺栓到旋转中心距离成正比。扭矩作用下螺栓受力与螺栓到旋转中心距离成正比。 V=F (V=F (剪力剪力) ) T=Fe (T=Fe (扭矩扭矩) ) b NN min1 满足满足: : 普通螺栓群偏心受剪普通螺栓群偏