钢结构的连接和节点构造

1、第7章 钢结构的连接和节点构造7.1钢结构对连接的要求及连接方法钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成构件，各构件再通过一定的安装 连接而形成整体结构。连接部位应有足够的强度、刚度及延性。接连接构件问应 保持正确的相互位置，以满足传力和使用要求。连接的加工和安装比较复杂、费 工，因此选定合适的连接方案和节点构造是钢结构设计中重要的环节。连接设计不合理会影响结构的造价、安全和寿命。设计时应根据连接节点的位置及其所要求的强度和刚度，合理地确定连接方 式及节点的细部构造和计算方法，并应注意以下几点；（1） 连接的设计应与结构内力分析时的假定相一致；（2）结构的荷载，内力组 合应能提供连接的最不利受力

2、工况；（3）连接的构造应传力直接，各零件受力明 确，并尽可能避免严重的应力集中；（4）连接的计算模型应能考虑刚度不同的零 件间的变形协调；（5）构件相互连接的节点应尽可能避免偏心，不能完全避免时应考虑偏心的影响；（6）避免在结构内产生过大的残余应力，尤其是约束造成的 残余应力，避免焊缝过度密集；（7）厚钢板沿厚度方向受力容易出现层间撕裂， 节点设计时应予以充分注意；（8）连接的构造应便于制作、安装，综合造价低。钢结构的连接方法可分为焊接、怫接、普通螺栓连接和高强度螺栓连接（如图 7-1）图7-1钢结构的连接方法 傅缰连接“力牌打连接Me鼻密连接焊接连接是钢结构最主要的连接方法，其优点是构造简单

3、、不削弱构件截面、 节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、连接的密封性好、刚度大。缺点是 焊接残余应力和残余变形对结构有不利影响， 焊接结构的低温冷脆问题也比较突 出。目前除少数直接承受动载结构的某些连接，如重级工作制吊车粱和柱及制动 梁的相互连接、标架式桥梁的节点连接，从目前使用情况看不宜采用焊接外， 焊 接可广泛用于工业与民用建筑钢结构和桥梁钢结构。怫钉连接的优点是塑性和韧性较好， 传力可靠，质量易于检查，适用于直接 承受动载结构的连接。缺点是构造复杂，用钢量多，日前已很少采用。普通螺栓连接的优点是施工简单、拆装方便。缺点是用钢量多。适用于安装 连接和需要经常拆装的结构。普通螺栓又分为

4、C级螺栓和A级、B级螺栓。C级 螺栓一般用Q235钢（用于螺栓时也称为4.6级）制成。A、B级螺栓一般用45号 钢和35号钢（用于螺栓时也称8. 8级）制成。A B两级的区别只是尺寸不同， 其中A级包括dE24,且L <150mm的螺栓，B级包括d > 24或L > 150mm的螺栓， d为螺杆直径，L为螺杆长度。C级螺栓加工租髓，尺寸不够准确，只要求II类 孔，成本低，栓径和孔径之差，设计规范未作规定，通常多取 1.5 2.0mm由于 螺栓杆与螺孔之间存在着较大的间隙，传递剪力时，连接较早产生滑移（7-2）,但传递拉力的性能仍较好，所以C级螺栓广泛用于承受拉力的安装连接，

5、不重要 的连接或用作安装时的临时固定。A、B级螺校需要机械加工，尺寸准确，要求I 类孔，栓径和孔径的公称尺寸相同，容许偏差为 0.18 0.25mm间隙。这种螺拴 连接传递剪力的性能较好，变形很小，但制造和安装比较复杂，价格昂贵，目前 在钢结构中较少采用。I类孔的精度要求为连接板组装时，孔口精确对准，孔壁平滑，孔轴线与板 面垂直。质量达不到I类孔要求的都为II类孔。高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别是：普通螺栓扭紧螺帽时螺栓产 生的预拉力很小，由板面挤压力产生的摩擦力可以忽略不计。 普通螺栓连接抗剪 时是依靠孔壁承压和栓杆抗剪来传力。 高强度螺栓除了其材料强度高之外， 施工 时还给螺栓杆施

6、加很大的预拉力，使被连接构件的接触面之间产生挤压力， 因此 板面之间垂直于螺栓杆方向受剪时有很大的摩擦力。 依靠接触面间的摩擦力来阻 止其相互滑移，以达到传递外力的目的，因而变形较小 （图7-2中3）。高强度螺 栓抗剪连接分为摩擦型连接和承压型连接。前者以滑移作为承载能力的极限状 态，后者的极限状态和普通螺栓连接相同。高强度螺栓摩擦型连接只利用摩擦传力这一工作阶段，具有连接紧密、受力 良好、耐疲劳、可拆换、安装简单以及动力荷载作用下不易松动等优点，目前在 桥梁、工业与民用建筑结构中得到广泛应用。尤其在栓焊衍架桥、重级工作制厂房的吊车梁系统和重要建筑物的支撑连接中已被证明据有明显的优越性。高强度

7、后期则依靠栓杆抗剪和承压传力，它的承载螺栓承压型连接，起初由摩擦传力,能力比摩擦型的高，可以节约钢材，也具有连接紧密，可拆换，安装简单等优点。但这种连接在摩擦力被克服后的剪切变形较大，规范规定高强度螺栓承压型连接不得用于直接承受动力荷载的结构。图7-2抗翦（栓剪力一位移曲线1 一普通检;2-不加预拉力高强度，检;3加质拉力离超度椅7.2焊接连接的特性7.2.1 常用焊接方法钢结构中一般采用的焊接方法有电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。电弧焊的质量比较可靠，是钢结构最常用的焊接方法。电弧焊可分为手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊。手工电弧焊（7-3）是通电后在涂有焊药的焊条与焊件间产生电弧，由电

8、弧提供热源，使焊条熔化，滴落在焊件上被电弧所收成的小凹槽熔池中，并与焊件熔化部分结成焊缝。由焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖熔7-3手工电弧焯L电源;2导线夹具f 4婶条；5药皮;6-焊件图14自动埋弧煌I 浮线转盘；2一筹动灯丝的电动 机门一焊剂漏口消一电源潜一熔化 的焊剂；一牛缝金属；7-悍件;&一理剂汨一移动方向池，防止空气中的氧、氮等有害气体与熔化的液体金属接触而形成脆性易裂的化合物。焊缝质量随焊工的技术水平而变化。手工电弧焊焊条应与焊件金属强度相适应，对Q235钢焊件用43系列型焊条，Q345钠焊件用E50系列型焊条，Q390 钢悍件用E55系列型焊条。对不同钢种的钢材连接时，宜

9、用与低强度钢材相适应 的焊条。自动或半自动埋孤焊是将光焊丝埋在焊剂层下，通电后，由电弧的作用使焊丝和焊剂熔化。熔化后的焊剂浮在熔化金属表面保护熔化金属，使之不与外界空 气接触，有时焊剂还可供给焊缝必要的合金元素，以改善焊缝质量。自动焊的电流大、热量集中而熔深大，并且焊缝质量均匀，塑性好，冲击韧性高。半自动焊 除由人上操作进行外，其余过程与自动焊相同，焊缝质量介于自动焊与手上焊之 问。自动或半自动埋弧焊所采用的焊丝和焊剂要保证其熔敷金属的抗拉强度不低 于相应手工焊焊条的数值，对 Q235钢焊件，可采用H0& H08A等焊丝；对Q345 钢焊件可采用H08A H08MnA口 H10Mn2呈

10、丝。对Q390ffi焊件可采用H08MnAH10Mn2和 H08MnMoA丝。电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻来熔化金属，焊丝作为电极伸人并穿过渣池，使渣他产生电阻热将焊件金属及焊丝熔化， 沉积于熔池中，形成焊缝。电渣焊一般在立焊位置进行，目前多用熔嘴电渣焊，以管状焊条作为熔嘴，焊丝CO从管内递进。气体保护焊是用焊枪中喷出的惰性气体代替焊剂，焊丝可自动送入，如 气体保护焊是以CO作为保护气体，使被熔化的金属不与空气接触，电弧加热集应采取避风措施，否则容易出现焊坑、气孔等 缺陷。中，熔化深度大，焊接连度快，焊缝强度高，塑性好。气体保护焊既可用手工操 作，也可进行自动焊接。气体保护焊在操作时电

11、阻焊（图7-5）是利用电流通过焊件接触过压力使其焊合。在一般钢结构中电阻焊只适点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通用于板叠厚度不大于12mm的焊接。对冷弯薄图7.5电阻辉壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3. 5mm勺构件，如将两个冷弯槽钢或 C形钢组合为I形截面构件。7. 2. 2焊缝连接的优缺点焊缝连接与螺栓连接、怫钉连接比较有下列优点:（1） 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；（ 2）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；（3） 焊缝连接的密封性好，结构刚度大。但是焊缝连接也存在下列问题：（1） 由于施焊时的高温作用，形成焊缝

12、附近的热影响区，使钢材的金属组织和机械性能发生变化，材质变脆；（2） 焊接的残余应力使焊接结构发生脆性破坏的可能性增大，残余变形使其尺寸和形状发生变化，矫正费工；（3） 焊接结构对整体性不利的一面是，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。焊接结构低温冷脆问题比较突出7 2 3 悍缝缺陷焊缝中可能存在裂纹、气孔、烧穿和未焊透等缺陷。裂纹 （ 图 7-6 中a、 b） 是焊缝连接中最危险的缺陷。按产生的时间不同可分为热裂纹和冷裂纹，前者是在焊接时产生的后考是在焊缝冷却过程中产生的。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当，未采用合适的电流、弧长、施焊速度、焊条和施焊次序等。如果采用合理的施焊次序，可以

13、减少焊接应力，避免出现裂纹；进行预热，缓慢冷却或焊后热处理，可以减少裂纹形成。气孔 （ 图 7-6c） 是由空气侵入或受潮的药皮熔化时产生气体而形成的，也可能是焊件金属上的油、锈、垢物等引起的。气孔在焊缝内或均匀分布，或存在于焊缝某一部位，如焊趾或焊跟处。焊缝的其他缺陷有烧穿（ 图 7-6d） ， 夹渣 （ 图 7-6e） ， 未焊透 （ 图 7-6f 、 g、 h），（ 图 7-6i） ，焊瘤 （ 图 7-6j） 等。图7r 6焊缝缺陷睛）热裂纹分布示意；（h）凿裂纹分布承意MG气孔乂的烧穿；）夹着上 ）跟邢耒焊透乂笛）边舞未羯合Mk）理健层间未燃合；（口咬边；0）癖濯焊缝的缺陷将削弱焊缝的

14、受力面积，而且在缺陷处形成应力集中，裂缝往住无从 那里开始，并扩展开裂，成为连接破坏的根源，对结构很为不利。因此，焊缝质 量检查极为重要；钢结构工程施工质量验收规范规定，焊缝质量检查标准分 为三级，其中第三级只要求通过外观检查，即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要 求和有无看得见的裂纹、咬边等缺陷。对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被 焊金属强度的对接焊缝，必须进行一级或二级质量检验，即在外观检查的基础上 再做无损检验。焊缝质量与施焊条件有关，对于施焊条件较差的高空安装焊缝应乘以折减系 数 0.9。7. 2. 4焊缝连接型式及焊缝型式连接型式：焊缝连接型式按被连接构件间的相对位置分为平接、搭接、

15、T形连接和角接四种。这些连接所采用的焊缝型式主要有对接焊缝和角捍缝0图7-7(a)所示为用对接焊缝的平接连接，它的特点是用料经济，传力均匀 平缓，没有明显的应力集中，承受动力荷载的性能较好。但是焊件边缘需要加工， 对接连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。图7-7(b)所示为用拼接板和角焊缝的平接连接，这种连接传力不均匀、费 料，但施工简便，所接两板的间隙大小无需严格控制。图7-7(c)所示为用顶板和角焊缝的平接连接，施工简便，用于受压构件较 好。受拉构件为了避免层间撕裂，不宣采用。图7-7(d)所示为用角焊缝的搭接连接，这种连接传力不均匀，材料较费、 但构造简单，施工方便，目前还广泛应用。图

16、7-7(e)所示为用角焊缝的T形连接，构造简单，受力性能较差，应用也 颇广泛。图7-7 所示为次I透的T形连接，其性能与对接焊缝相同。在重要的结构 中用它代替图7-7(e)的连接。长期实践证明：这种要求焊透的T形连接焊缝.即 使有未焊透现象，但因腹板边缘经过加工、焊缝收缩后使翼缘和腹板顶得十分紧 密，焊缝受力情况大为改善，一般能保证使用要求。图7-7(g)、(h)所示为用角焊缝和对接焊缝的角接连接。097 7焊缝捶接型式焊缝型式:对接焊缝按所受力的方向可分为对接正焊缝和对接斜焊缝（图7-8a、b）。角焊缝长度方向垂直于力作用方向的称为正面角焊缝， 平行于力作用方向的称为侧图7/也缝型式】一对接

17、辉触一正媒缰门一对接焊缝一斜焊里3一角焊缱一正面南焊缝;4 一角焊缝一侧面角焊健焊缝按沿长度方向的分布情况来分，有连缝角焊缝和断缝角焊缝两种型式 （图7-9）。连缝角焊缝受力性能较好，为主要的角焊缝形式。断缝角焊缝容易引 起应力集中，重要结构中应避免采用，它只用于一些次要构件的连接或次要焊缝 中，断缝焊缝的间断距离L不宜太长，以免因距离过大使连接不易紧密， 潮气易 侵入而引起锈蚀。间断距离L 一般在受压构件中不应大于15t,在受拉构件中不 应大于30t , t为较薄构件的厚度。焊缝按施焊位置分，有俯焊（平焊）、立焊、横焊、仰焊几种（图7-10）。俯 焊的施焊工作方便.质量最易保证。立焊、横焊的

18、质量及生产效率比俯焊的差一 些。仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此府尽量避免采用仰焊焊缝7-9连续角焊缝和断续角焊缝 脑）连城角焊缝；马】断然角W缝图7J0焊凝施焊位置精辉43）立悍；（。横焊“心即厚7. 2. 5焊缝代号在钢结构施工图上要用焊缝代号标明焊缝型式、尺寸和辅助要求。焊缝符号表示方法GB32上88规定：焊缝符导由指引线和表示焊缝截面形状的基本符 号组成，必要时可加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。指引线一般由箭头线和基准线（一条为实线，另一条为虚线）所组成。基准线 一般应与图纸的底边相平行，特殊情况也可与底边相垂直，当引出线的箭头指向 焊缝所在的一面时，应将焊缝符号标注在

19、基准线的实线上：当箭头指向对应焊缝 所在的另一面时，应将焊缝符号标注在基准线的虚线上，见图 7-11。图7-11指引线的画法基本符号用以表示焊缝截面形状，符号的线条宜粗于指引线，常用的某些基 本符号如表7-1所示。辅助符号用以表示焊缝表面形状特征， 如对接焊缝表面余 高部分需加工使之与焊件表面齐平，则需在基本符号上加一短划，此短划即为辅 助符号，见表7-2。常用母缰基本符号1 一名秣封宸烟继时挂岸缝用库缝塞焊建与 植蝶金点用转1海岸健1 r单劲V形携缝带钝边的V咫原缝带钝边的1形牌通符号、一士11V7U卜n0注：单边丫形与向婵瞳的量边画在符号的生边口续表2.尾部符号用以标注需说明的作接I.艺方

20、法和相同惮缝数量符号:3）乂 x x y 宜工 x图7.12棚线表示I）正面厚缝；2）背面饵缝;3）安装焊缝补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征而采用的符号.如带有垫板，工面或四面围焊及1地施焊等。钢结构中常用 的辅助符号和补充符号摘录于表7-20当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时, 在标注焊缝代号的同时，可在图形上加栅线表示（图7-12）。7. 3对接焊缝的构造和计算7. 3. 1对接焊缝的构造要求对接焊缝按坡口形式分为I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝，带钝边V形 缝（也叫Y形缝）、带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等，后二者 过去分别称为K形缝和X形缝（图7-13）。

21、4（_17:23Q）（b（f）OC3 EDC3 g（o图743对接辉股城口形式（a） 1形建学（卜）带帏边单边V用缝* （r） Y雍舞；（d）带钝边U形海：带钝边双单边T箔缝3 （f）双Y形缝；（r） （hL ，：i）加垫板的【形、懵钝边单边V形和Y形缝&当焊件厚度t很小（t不大于10mm）可采用不切坡口的I形缝。对于一板厚 度（t =1020mm的焊件，可采用有斜坡口的带钝边单边 V形缝或Y形缝。以便 斜坡口和焊缝跟部共同形成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透。对于较厚的焊件（t>20mm）,应采用带钝边U形缝或带钝边双单边 V形缝.或双Y 形缝。关于坡口的形式与尺寸可

22、参看行业标准建筑钢结构焊接技术规程。在钢板宽度或厚度有变化的连接中，为了减少应力集中，应从板的一侧或两 侧做成坡度不大于1: 2.5的斜坡（图7-14）,形成平缓过渡。如板厚相差不大于 4mnW,可不做斜坡图7-14d。焊缝的计算厚度取较薄板的厚度。对接焊缝的起弧和落弧点，常因不能熔透而出现焊口，形成类裂纹和应力集 中。为消除焊口影响。焊接时可将焊缝的起点和终点延伸至引弧板 （图7-15）上， 焊后将引弧板切除，并用砂轮将表面磨平。对于焊透的T形连接焊缝，其构造要求如图7-16所示。钢板的拼接采用对 接焊缝时，纵横两方向的对接焊缝，可采用十字形交叉或T形交叉。当为T形交 叉时，交叉点间的距离不

23、得小于20mm且拼接料的长度和宽度均不得小于300mm图 7-17）。号工23C4mm图7-14不同宽度或厚度的钢板拼接(a)喇板宽度不冏：(对.(Q蝌板厚度不同；(J)不做斜坡(WiOmrn)图7J5引弧板图716连壬图7-17钢板拼接理健示意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。垂 直于受力方向的焊缝应采用焊透的 对接焊缝，不宜采用部分焊透的对接 焊缝。7. 3. 2对接焊缝的计算对接焊缝的应力分布情况，基本上与焊件原来的情况相同，可用计算焊件的 力法进行计算。对于重要的构件，按一、二级标准检验焊缝质量，焊缝和构件等 强，不必另行计算

24、。(1)轴心受力的对接焊缝(图7-18)应按(7-1)式计算川84图7-18轴心力作用下对接煤缝连接（a）正缝；（B）斜缝a = A'/w q或“（7-D式中 N轴心拉力或压力的设计值；焊缝计算长度，当采用引弧板施焊时，取焊缝实际长度；当未采用 引弧板时，每条焊缝取实际长度减去2八c在对接连接中为连接件的较小厚度，不考虑焊缝的余高；在T形连 接中为腹板厚度；、n对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值，抗压焊缝和一、二级抗拉焊缝同母材，三级抗拉焊缝为母材的85%,可由附表12查得.当正缝连接的强度低于焊件的强度时，为了提高连接的承载能力，可 矫 I 歹 改用斜缝（图7.186）,但用斜缝时 jU

25、 I；T /焊件较费材料。规范规定当斜缝和作 工 V用力间夹角&符合tan&wL5时，可J .不计算煤缝强度。（2）受弯受剪的对接焊缝计算；困79受弯受剪的对接连接矩形截面的对接焊缝，其正应力与剪应力的分布分别为三角形与抛物线形（图7-19）,应分别计算正应力和剪应力,(7-2)(7-3)图受莺、期的工形截面对接烽缝一不忘父焊缝截面的微面模量；焊缝截面对其中和轴的情牲矩；焊缝截面在计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩;对接焊缝的抗剪强度设计值，由附表12查得口I字形，箱形、T形等构件, 在履板与翼缘交接处(图740) 焊建截面同时受有较大的正应力 6和较大的剪应力门口对此类截

26、面构件，除应分别验算焊缝截面 展大正应力和剪应力外，还应按 下式验算折算应力：冷1.1/7(7-4)式中 a、r)验算点处(腹板、翼缘交接点)焊缝截面正应力和剪应力。(3)轴力、有矩、剪力共同作用时.对接焊缝的最大正应力应为轴力和弯矩 引起的应力之和，剪应力按(7-3)式验算，折算应力仍按(7-4)式验算，7.3.3部分焊透的对接焊缝在钢结构设计中，有时遇到板件较厚，而板件间连接受力较小时，可以采用 部分焊透的对接焊缝(图7-21),例如当用四块较厚的钢板焊成的箱形截面轴心 受压柱时，由于焊缝主要起联系作用，就可以用部分焊透的坡口焊缝(图7-21f) o当垂直于焊缝长度方向受力时，因部分焊透处

27、的应力集中带来不利的影响，对于直接承受动力荷裁的连接不宜采用；但当平行于焊缝长度方向受力时，其影响较小可以米用。部分焊透的对接焊缝，由于它们未焊透，只起类似于角焊缝的作用，因此设 计中应按角熄缝的计算公式(7-1). (7-10)和(7-11)进行取d=1.0,仅在 垂直于焊缝长度的压力作用下，可取自=1.22。其有效厚度则取为:V形坡口，当口穿60°时，缸=$当q <60P时，第二0,753单边V形和K形坡口(图7.216, 口, a = 45° ±5%儿=.3U、J形坡口，机=3有效厚度上不得小于1.54, ,为坡口所在焊件的较大厚度(单位mm)&

28、;图7-21不焊遁的对接焊辕 （小），小葭（）t V形地口;U形坡口； h） J密城口；（）焊缝只起联系作用的坡口焊缝其中，：s为坡口根部至焊缝表面（不考虑余高）的最短距离，a为V形坡口的火 角。当熔合线处截面边长等于或接近于最短距离 s时（图7-21中b、e）,其抗剪 强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以 0.9采用。7. 4角焊缝的构造和计算7.4.1房焊缝的构造和强度L角埠缝的应力分布角焊缝两焊脚边的夹角口一般为好（直角角焊缝）（图7-23q.人c，rf）0 夹角片大于135。或小于&P的斜角角焊缝（图72镰、八g）,除铜管结构外，不 宜用作受力焊缝口各种角焊缝的癖脚尺寸乩均示于

29、图，23。图723 （b）的不 等边角埠缝以较小焊脚尺寸为ki力熊J图7-23角焊缝截面图侧面角焊缝主要承受剪力作用。在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大而中间小（图7-24a）。图7-24（b）表示焊缝越长剪应力分布越不均匀。但由于侧面角焊缝的塑性较好，两端出现塑性变形，产生应力重分布，在规范规 定长度范围内，应力分布可趋于均匀。不难理解，在图7-24（a）所示连接范围内， 板的应力分布也是不均匀的。riTTT图73号inm匚五舐皿五胎华-0.B9 _ePTTii fl ri rrn2：（rTrnrnj rri：Vi , 1111 r i i ilTD恻面角焊缝应力分布2Q405

30、0图7-25角爆酷应力一位 移曲线 一胸面角卿籁。一好h %一正面急厚=伊）正面角焊缝的应力状态比侧面角焊缝复杂，其 破坏强度比侧面角焊缝的要高，但塑性变形要差一 些（图7-25）。在外力作用下，由于力线弯折，产生 较大的应力集中，焊缝跟部应力集中最为严重（图7- 26b）,故破坏总是首先在跟部出现裂缝，然后扩展 至整个截面。正面角焊缝焊脚截面 AB和BC上都有 正应力和剪应力（图7-26b）,且分布不均匀，但沿 焊缝长度的应力分布则比较均匀、两端的应力略比中间的为低（图7-26a）。等边角焊缝的最小截面和两边焊脚成支/2角（直 角角焊缝为450）称为有效截面（图7-31中BDEF或计算截面，

31、不计入余高和熔深。实验证明，多数角焊缝破坏都发生在这一截面。计算时假定有效截面上应力均匀分布，并且不分抗拉、抗压或抗剪都采用同一强度设计值ffw2 .角焊缝的尺寸限制在直接承受动力荷载的结构中，为了减缓应力集中，角焊缝表面应做成直线形或凹形（图7-23d, c）。焊缝直角边的比例：对正面角焊缝宜为1: 1. 5,见图7-23 （b）（长边顺内力方向），侧面角焊缝可为1: 1（图7-23a）。图7-27角焊缝焊脚尺寸角焊缝的焊脚尺寸hf不应过小（图7-27）,以保证焊缝的最小承载能力，并 防止焊缝因冷却过快而产生裂纹。焊缝缝的冷却速度和好件的厚度有关，焊件越 厚则焊缝冷却越快，在焊件刚度较大的情

32、况下，焊缝也容易产生裂纹。因此，规 范规定：角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于1.5亚，t为较厚焊件厚度（单位取mm） 对自动焊，最小焊脚尺寸可减小1mm又tT形连接的单面角焊缝，应增加1mm 当焊件厚度小于4mnW,则取与焊件厚度相同。角焊缝的焊脚尺寸hf如果太大，则焊缝收缩时将产生较大的焊接变形，且 热影响区扩大，容易产生脆裂，较薄焊件容易烧穿。因此，规范规定；角焊缝的 焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1 . 2倍（图7-28a）（钢管结构除外）。但板件（厚 度为t）的边缘焊缝最大hf,尚应符合下列要求：（a）当t W6mm时，hf Et （图 7-28c）;（b）当 t>6mm时，hf =

33、 t-（1 2）mm（H 7-28b）。当两焊件厚度相差悬殊，用等焊脚尺寸无法满足最大、最小焊缝厚度要求时, 可用不等焊脚尺寸.按满足图7-27（b）所示要求采用。角焊缝长度lw也有最大和最小的限制：焊缝的厚度大而长度过小时，会图73角焊健最大加使焊件局部加热严重，且起落弧坑相距太近，加上一些可能产生的缺陷，使焊缝 不够可靠。因此，侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm另外，已如图7-24所示：侧面角焊缝的应力7ft其长度分布并不均匀 ，两端大，中间 小；它的长度与厚度之比越大，其差别也就越大；当此比值过大时，焊缝端部应 力就会达到极值而破坏，而中部焊缝还未充分发挥其承载能力

34、。 这种现象对承受 动力荷载的构件尤为不利。因此，侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf。但内力 若沿侧面角焊缝全长分布，其计算长度不受此限。3 .角焊缝的其他构造要求杆件与节点板的连接焊缝（图7-29）, 一般采用两面侧焊，也可采用三面围 焊，对角钢杆件也可用L形围焊（图7-35c）,所有围焊的转角处必须连续施焊。 当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2 h f的绕角焊（图7-29c）,以免起落弧缺陷发生在应力集中较大的转角处，从而改善连接的工作。当板件仅用两条侧焊缝连接时，为了避免应力传递的过分弯折而使板什应力 过分不均，宜使lw之b （图7-29a）,同时为了避免因焊缝横向收缩时

35、引起板件拱 曲太大（图7-29a）,宜使bW16t （t >12mm寸）或200mm（ W 12mm时），t为较簿 焊件厚度。当b不满足此规定时，应加正面角焊缝，或加槽焊（图7-29b）或塞焊 （图 7-29c）。图。" 由槽炸、塞馄防止板件拱曲口3 > ,5i ，=U5 -工5H且如Omm ：一开槽板厚度Jf一开槽长度由设计嘀定；C)d 专 2.5i t £ 200rrm 门 > 4d搭接连接不能只用一条正面角悍缝传力(图7-30a),并且搭接长度不得小于 焊件较小厚度的五倍，同时不得小于25mm士育北及25mm十一 年了H 4 K!为中小苫(rt)ib

36、)图K30搭接连搂赛求7. 4. 2角焊缝计算的基本公式图7.3】(n)所示角作缝连接,在三向轴力作用下，角愧缝所受之力如图7dl (b),在有效截面BDEF上的应力可用#, q、.衰示，其中r为 垂直于倬缝长度方向的正应力和剪应力,7为平行干.缝长度方向的剪应力。 实验证明，角焊缝在复杂应力作用下的强度条件可和母材样用下式表示；S 7-31饱焊稣应力分析(7-5)“尹3(2+司)名国；式中疔是角焊缝的强度设计值，把它看做是蚂切强度，因而乘以后。当% = aly =。时，即只有平行于焊第长度方向的轴心力作用，为侧面角焊缝 受力情况。去掉轴脚标z,其设计公式为rf = N/(hRlO &

37、K(7-7)当。H(或= %=0时，即只有垂直于焊缝长度方向的轴心力作用，为正 面角焊缝受力情况。去掉轴脚标，(或3)，其设计公式为5=N/(hRl.)这 1.22/7。、8)亦即正面角焊缝的承载能力高于侧面角焊缝，这是两者受力性能不同所决定的，当。力(或/I = 0时，即具有平行和垂直于焊缝长度的轴心力同时作用于焊缝 的情况，同理去掉轴脚标式或y)、z,其设计公式为1.22尸 + :石灯(7-9)当作用力不与焊缝长度平行或垂直时，有效截面上的应力可分解为平行和垂 直于焊缝长度方向的两种应力，然后按(79)式进行计算。若用自代1.22,则(78)式和(7-9)式为5 = N/(he±

38、L)W(7-10)和，(/附2 +七(7-11)(7-7). (7-10)、(7-11)各式就是角焊缝的基本设计公式。图7-32 T形接头的根部间隙和焊缝截面式中科正面角焊建的强度设计值增大系数口对承受静力荷载和间接承受动 力荷载的直角角焊缝取由± 1.22;对直接承受动力荷载的直角角焊 缝.翌于正面角焊缝的刚度莪大，变形能力低，杷它和侧面角焊缝 一样看待取用=1.0】时斜角角焊建，不论好力荷载或动力荷载. 一律取（31 = 1,00h,由焊缝的有敦厚度,对于直角角焊缝等于0一7打，其中片为较小焊脚尺寸：对于斜角角焊缝，当60、昨】35。时，A（ = fifcosy （根部 间隙鼠瓦

39、或电w1.5mm）或鼠二（心_“（或3 '叫叫的（A, 6或同I , 5mm但与5nlm）, 我为两焊脚边的夹蔻；b, M和h她 图7必认两焊件间角埠健计算长度总和口每条焊缝取实际长度减去21，以 考虑扣除施煌时起如落瓠处形成的弧坑缺陷口对圆孔或槽孔内的理 缝，取有效厚度中心线实际长度口、 圆钢与平板、圆钢与圆钢之间的焊 工缝（图7.33）,其有效厚度限可按下式 /计算） 圆钢与平板：fee=67与图33圆钢与平板，型钢与圆钢间焊楚 圆钢与圆钢：葭=O.Ki + d2） - a 式中 %, d2大.小圆堀直径（ mm）;口焊缝表面至两个圆钢公切线距离百7. 4. 3常用连接方式的角焊缝

40、计算1 .受轴心力焊件的拼接板连接当焊件受轴心力，且轴力通过连接焊缝群形心时，焊缝有效截面上的应力可 认为是均匀分布的。用拼接板将两焊件连成整体，需要计算拼接板和连接一侧（左 侧或右侧）角焊缝的强度。图7-34（a）所示为矩形拼接板，侧面角焊缝连接。此时，外力与焊缝长度方向平行，可按（7-7）式计算N . 门工鼠”事。式中弁一角焊缝的演度设计值，见附录中附表12:3角焊婕的有效厚度；认连接一侧角焊缝的计算长度之和，图7-34 （&）所示为矩形拼接板.正面角焊缝连接口此时，外力与焊缝长(d)图3M辆心力作用下角焊缝连接矩形拼接板翻焊缝连接；小）矩形拼接板正面角焊建连接；（H矩形骈接板三囱

41、围炜连接* （d）菱形拼接板闱犀连接度方向垂直，可按（7-10）式计算立二a丸苓§我图7-34 （c）所示为矩形拼接板，三面围焊*可先按（7/0）式计算正面 角煽缝所承担的内力M，再由N-M按（7-7）式计算侧面角焊缝c如三面固焊受直接动载由干&=L。，则按轴力由隹接一例角焊缝有效截 面面积平均承担计算/V*选井（工式中2。一连接，侧所有焊缝的计算长度之和口为便传力线平缓过渡，减小矩形拼接板转角处的应力集中，可改用菱形拼 接板（图九34心口菱形拼接板正面角焊缝长度较小，为使计算简化，可忽略正 面角焊缝及斜焊缝的瓦增大系数,不论何种荷载均按（7.12）式计算。2 .受轴心力角钢

42、的连接当用侧面角焊缝连接角钢时，虽然轴心力通过角钢截面形心，但肢背焊缝和肢尖焊缝到形心的距离不相等（图7-35a）,受力大小不等。设肢背焊缝受力为N,肢尖焊缝受力为 电 由平衡条件得：图7 35角钢角焊缝上受力分配(。)两面的燥；(6)三面围悝；(e) L形焊N2 = = K2N(7-14)式中 &,电一角钢肢背、肢尖焊缝内力分配系数，见表7.3。角斜角焊的内力分近东敷米7.3连接情况连接形式分配系数*1凡等肢角钢一股连接于0.703不等股角钢短股连接十0.750.25不等鼓角钢长肢连接T0.65035按(7-7)式验算肢背、肢尖焊缝强度:君T " I ,1 243式中分别为

43、肢背，肢尖焊缝有效厚度；分别为肢背、肢尖焊缝计算长度之和。当采用三面围焊(图7356)时,可选定正面角焊缝的焊脚尺寸储，并算 出它所能承担的内力M = o.一凶再通过平衡关系，可以解得M = £疥/(门 + 与)-川“2 = 局/V -汹/2(7-15<j)NH=与用/(白 + 仃)-刈Z2 = K2N 心/2(7-156)对于L形的角岸继(图7.35c),向理求得修后，可得NN - %(7-16)根据上述方法求得跖，丛以后，再接(7-7)式计算侧面角焊缝口3 .弯矩作用下角焊缝计算当力矩作用平面与焊缝群所在乎面垂直时，焊缝受弯(图7-36)。弯矩在焊缝有效截面上产生和焊缝长度

44、方向垂直的应力山，此弯曲应力呈三角形分布，边缘应力最大，图7-36(b)给出焊缝有效截面，计算公式为的阿7(7-17)式中吸一角焊缝有效截面的截面模量.4 .扭矩作用下角焊缝计算焊缝群受扭当力矩作用平面与焊缝群所在平面平行时，焊缝受扭 (图7-37)。计算时采 取下述假定：被连接件在扭矩作用下绕焊缝有效截面的形心 O旋转，焊缝有效截 面上任一点的应力方向垂直于该点与形心 。的连线，应力大小与其到形心距离r 成正比。按上述假定，焊缝有效截面上距形心最远点应力最大，为图736弯矩作用时角燎域应力图7,37扭矩作用时角焊缝应力7 * r。=-j（7-18）武中 J =八十 %为焊缝有效截面（图7-3

45、7外绕形心0的极惯性矩，儿、（分 别为焊缝有效截面绕八y轴的惯性矩;r距形心最远点到形心的距离；T粗矩设计值。tj T rv TT * tl= rA，caQ = 厂，叫 =rAsin? = j口如图7.37（6）所示口将门二只，*=以代入式（K11）,得设计公式为ft图338环形焊缝矍相式。-18）给出的应力与焊缝长度方向成斜角，记为j只是权宜之计，将 它分解到常轴方向（沿焊筵长度方向）和v轴方向（垂直焊缝长度方向1的分 应力为坏焊缝受扭（国7-38）扭矩作用下环形角焊缝有 效截面只有剪应力沿切线方向 （环向）作用，计算公式为式中J'焊缝环形有效截面极惯性矩，焊缝有效厚度3< 0

46、.1/J时，J0.25 港万彳D可近似地取为管的外径,5 .弯矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝计算将连接（图7-39）所受水平力N,垂直力V平移到焊缝群形心，得到图7-39受弯、受剪、受轴心力的角焊缝应力一弯矩M=V e,剪力V和轴力N=弯矩作用下，焊缝有效截面上的应力为三角形 分布，方向与焊缝长度方向垂直。剪力V在焊缝有效截面上产生沿焊缝长度方向 均匀分布的应力。N力产生垂直于焊缝长度方向，均匀分布的应力。三种应力状 态叠加后，危险点A的受力状态如图7-39所示。N 超_ V F N N吼话了A = E在公式（7-11）中代入二£十£和门=4 .焊缝计算公式为J（安丹 +晨

47、4（7-21）&扭矩，剪力、轴力共同作用下角焊缝汁算 计算步骤期下：求出焊缝有效截面的形心。（图工4CD；图7T）受扭、受剪、受轴心力的菊焊缝应力将连接所受外力平移到形心。，得一扭矩T = Via + Q,剪力匕轴力N; 计算T'、N单技作用下危险点总的应力二- n N 丁 丁 ,1 r * %外.何石1也"七期J J=J ：外=F-验算危除点焊健强度/可二7日 + T：y w 井（7-22）、' pt f7 ,塞焊计算（图7）塞焊设计公式为当"（心feg什 一日江d令1式中J7角焊缝强度设计值：1n塞焊点数； Id孔径37. 4. 4喇叭形焊缝的计

48、算喇叭形焊缝可分为单边喇叭形焊缝（图7-49）和喇叭形焊缝（图7-50）。单边喇叭形焊缝的焊脚尺寸hf不得小于被连接扳件的厚度用49单边剜队形焊缝9 作用力垂直于煌缝轴线方向，仆)作用力串行于灼通箱战方向(1)当连接板的最小厚度不大于4mm时，喇叭形煤缝的强度应符合下列规 定：图/50喇叭形犀摩当通过焊缝形心的作用力垂直于 焊黛轴线方向时，焊缝的抗剪强度计 算公式为=4 W 0+8/(7-24)当通过焊缝形心的作用力平行于 焊缝地线方向时.焊舞的抗剪强度访 算公式为/V工 « W O-V ”3) 式中N轴心拉力或轴心厩力设 计值；£被连接板件的最小厚度; '一焊舞的

49、有效长度:被连接板件钢材的抗拉强度设计值o(2)当连接板的最小厚度大于4mm时，纵向受剪的单边喇叭形焊缱除按式 (7-25)计算其抗弱强度外.尚应按下式进行验算/V(K26)r二号0.76f E1H式中hf焊脚尺寸，如图049 (e)所示：比角焊缝的强度设计值口在组合结构中，组合件间的喇叭形焊缝可采用断续焊缝。断续焊缝的长度和 间距限制和用焊缝相同口7. 4. 5 电阻点焊电阻点焊可用于冷弯薄壁型钢构件的缀合或组合连接， 每个焊点的抗剪承载力设计值按表7-4采用电阻点璋的抗的靠总力设计值疑7Y相焊置件中外层较犀 板件的厚度£出)另个谆点的抗典 承或力设计值 峭(kN)相焊枚件中外层1

50、每个燥点的抗抑按薄板件的厚度隶栽力能计值t (mm)错(kN)J。,42053» 61. L2,5&,00 81.73.010.21,02.J丸512.61,54.07. 5焊接残余应力和焊接残余变形7.5.1焊接残余应力的分类和产生的原因(1) 纵向焊接残余应力：焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊 时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度最高，达16000c以上，其邻近区域则温度急剧下降(图7-51)。不均匀的温度场要求产生不均匀的膨胀。高 温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低，膨胀较小的钢材的限制，产生了 热状态塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋

51、向于缩得比原始长度稍短， 这种缩短变形受到两侧钢材的限制， 使焊缝区产生纵向拉应力。在低碳钢和低合 金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接残余应力是一种没有荷载作 用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡。这就必然在距焊缝稍远区段内产生 压应力(图7-51c)。用三块板焊成的工字形截面，焊接残余应力如图7-51(d)所ttw方向图7-51施焊时焊健及附近的温度场和焊接残余施力(GJb)施焊时加曩及附近的温度痂力制板上料向焊核残余应力Cd)焊接工字形楼面。城上和腹板上骊向肉接残余威力(2)横向残余应力：横向残余应力产生的原因有二，一是由于焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，

52、但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是在焊缝中部产生横向拉应力，而在两端产生横向压应力(图7-52中a、b)。二是焊缝在施焊过程中,先后冷却的时间不同,先焊的焊缝已经凝固, 且具有一定的强度，会因止后焊焊缝在横向的自由膨胀， 使其发生横向的塑性压 缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力。横向收缩引起的横向应力与施焊方向和顺序有关(图7-52中c、d、e)0焊缝的横向残余应力是上述两种原因产 生的应力合成的结果，如图7-52就是图7-52(b)和图7-52(c)应力合成的结 果。El-52横向残余应力产生的原因(Q由

53、于津城飘向收违产生的堂形君号Mb)由于焊缝纵向收埔产生的横向残余应力 由于不同的懒捍方向,横向收缩产生的植向残余应力Mf)理St的横向我余应力，印施 力合成的绐果(3)沿焊缝厚度方向的残余应力：在厚钢板的连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接残余应力 6八by外，还存在着沿钢板厚度方向的焊 接残余应力(Tz (图7-53)。这三种应力形成比较严重的同号三轴应力，大大降低 结构连接的塑性。(4)约束状态下产生的焊接应力：实际焊接接头中，有的焊件并不能自由伸缩，如图7-54(a)所示焊接，在施焊时，焊缝及其附近高温钢板的横向膨胀受到阻碍而产生横向塑性压缩。焊缝冷却后，由于收缩受到约束，

54、便产生了约束应力,7-53厚度方向的#1接应力图7-54(b)、(c)表示这 种接头中残余应力分 布特点：ef截面上有约 束，截面全部是受拉的，如果沿此截面切开，大部分应力得到释放，才呈自相平衡的残余应力分布。当钢板两边的嵌固程度越大，两边约束点间的距离越短时，产生的沿能固切断后，住 鬣面上的横向残余应力约束应力也就越大。因此，设计接头及考虑焊缝的施焊次序时， 要尽可能使焊件 能够自由伸缩，以便减少约束应力图7 54约束焊接接头中的残余应力分布5 )受蚓束的焊接接头；(内截面上的巅向残余应力Hr)横向残余皮力分褥，其中图为图与图相加7. 5. 2焊接残余应力的影响(1)对结构静力强度的影响：对于具有一定塑性的材料，在静力荷载作用下， 焊接残余应力是不会影响结构强度的。 例如图7-55(a)给出了外荷载N=0时纵向 残余应力心的分布情况。当施加轴心拉力时，板中残余应力已达屈服强度fy的塑性区域内的应力不再增大，力N就仅由弹性区域承担，焊缝两侧受压区的应力 由原来的受压逐渐变为受拉，最后应力也达到fyo如图7-55(b)所示。所以有残余应力焊件的承载能力和没有残余应力者完全相同，可见残余应力不影响结构的 静力强度。图-55残余应力对静力强度的影响 对结构刚度的影响：焊接残余应力会降低结构的刚度。如图 7-56所示fr= N/ht图7