第3章钢结构连接1(2011)

1、 钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接(connections）构成的，各构件再通过安装连接架构成）构成的，各构件再通过安装连接架构成整个结构。因此，连接在钢结构中处于重要的枢纽地位。整个结构。因此，连接在钢结构中处于重要的枢纽地位。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。构造简单、制造方便和节约钢材的原则。 钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连接、螺钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等（图栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等

2、（图3.1.1）。）。 3.1 钢结构的连接方法一、一、焊缝连接焊缝连接 焊接连接焊接连接(welded connection)是现代钢结构是现代钢结构最主要的连接方法。最主要的连接方法。 其优点是：构造简单，任何形式的构件都可直接其优点是：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。现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。 其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力相组织发生改变，导

3、致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。温冷脆问题较为突出。对接焊缝连接对接焊缝连接优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。 角焊缝连接角焊缝连接二、铆钉连接二、铆钉连接 铆钉连接的制造有热铆和冷铆二种方法。热铆是由烧红的钉铆钉连接的制造有热铆和冷铆二种方法。热铆是由烧红的钉坯插入构

4、件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成。冷铆是在常坯插入构件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成。冷铆是在常温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。铆钉的材料应有良好的塑性，通常采用专用钢材铆钉的材料应有良好的塑性，通常采用专用钢材BL2和和BL3号钢制成。号钢制成。铆钉连接的质量和受力性能与钉孔的制法有很大关系。钉孔铆钉连接的质量和受力性能与钉孔的制法有很大关系。钉孔的制法分为的制法分为、两类。两类。类孔是用钻模钻成，或先冲成较小的类孔是用钻模钻成，或先冲成较小的孔，装配时再扩钻而成，质量较好。孔，装配时再扩钻而成，质量较好。类孔是冲成或不用钻模钻类孔

5、是冲成或不用钻模钻成，虽然制法简单，但构件拼装时钉孔不易对齐，故质量较差。成，虽然制法简单，但构件拼装时钉孔不易对齐，故质量较差。重要的结构应该采用重要的结构应该采用B类孔。类孔。 优点：连接刚度大，传力可靠；优点：连接刚度大，传力可靠； 缺点：对施工技术要求很高，劳动缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，强度大，施工条件差， 施工速度慢。施工速度慢。 铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被钉头铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板阻止住，所以钉杆中产生了收缩拉应力，对钢板则产之间的钢板阻止住，所以钉杆中产生了收缩拉应力，对钢板则产生压缩系紧力。这种系

6、紧力使连接十分紧密。当构件受剪力作用生压缩系紧力。这种系紧力使连接十分紧密。当构件受剪力作用时，钢板接触面上产生很大的磨擦力，因而能大大提高连接的工时，钢板接触面上产生很大的磨擦力，因而能大大提高连接的工作性能。作性能。铆钉连接由于构造复杂，费钢费工，现已很少采用。但是铆钉铆钉连接由于构造复杂，费钢费工，现已很少采用。但是铆钉连接的塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，在一些重连接的塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，在一些重型和直接承受动力荷载的结构中，有时仍然采用。型和直接承受动力荷载的结构中，有时仍然采用。三、螺栓连接三、螺栓连接 分为：分为： 普通螺栓连接普通螺栓连接 高强度螺栓

7、连接高强度螺栓连接N螺栓连接分为螺栓连接分为普通螺栓连接（普通螺栓连接（bolted connections）和高强度螺栓连接）和高强度螺栓连接（high-strength bolted connections）两种。）两种。 (1).(1).普通螺栓普通螺栓C级级-粗制螺栓，性能等级为粗制螺栓，性能等级为4.6或或4.8级；级；4表示表示f fu u400N/mm400N/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.8；类孔，孔径类孔，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d) (d) 1 13mm3mm。A、B级级-精制螺栓，性能

8、等级为精制螺栓，性能等级为5.6或或8.8级级; ;5或或8表示表示f fu u500500或或800N/mm800N/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.8；类孔，孔径类孔，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d)(d)mm0.5mm。按其加工的精细程度和强度分为按其加工的精细程度和强度分为: :A、B、C三个级别。三个级别。 C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。由于螺栓表面粗级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。由于螺栓表面粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成的孔（糙，一般采用在单个零件上一次冲成或

9、不用钻模钻成的孔（类孔）。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大类孔）。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大1.53mm。对于采用。对于采用C级螺栓的连接，由于螺杆与栓孔之间有较大的间隙，受剪力级螺栓的连接，由于螺杆与栓孔之间有较大的间隙，受剪力作用时，将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。但安装方作用时，将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。但安装方便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精制而成。级精制

10、螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精制而成。表面光滑，尺寸准确，螺杆直径与螺栓孔径相同，但螺杆直径表面光滑，尺寸准确，螺杆直径与螺栓孔径相同，但螺杆直径仅允许负公差，螺栓孔直径仅允许正公差，对成孔质量要求高。仅允许负公差，螺栓孔直径仅允许正公差，对成孔质量要求高。由于有较高的精度，因而受剪性能好。但制作和安装复杂，价由于有较高的精度，因而受剪性能好。但制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用。格较高，已很少在钢结构中采用。 高强度螺栓分大六角头型（图高强度螺栓分大六角头型（图3.1.9a）和扭剪型（图）和扭剪型（图3.1.9b）两种。）两种。 高强度螺栓一般采用高强度螺栓一般采用45号钢，

11、号钢，40B 钢和钢和20MnTB钢加工制作，钢加工制作，经热处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于经热处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于8 00 n/mm2和和1 000n/mm2 , 且屈强比分别为且屈强比分别为0 . 8 和和0 . 9 ，因此，其性能等级分别，因此，其性能等级分别称为称为8.8 级和级和10 .9级。级。 安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。高强螺栓的预拉力把被连接的部件夹紧，使产生很大的预拉力。高强螺栓的预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的磨擦力，外力通过摩擦力来传递。这部件的接

12、触面间产生很大的磨擦力，外力通过摩擦力来传递。这种连接称为高强度螺栓摩擦型连接。它的优点是施工方便，对构种连接称为高强度螺栓摩擦型连接。它的优点是施工方便，对构件的削弱较小，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性件的削弱较小，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好，包含了普通螺栓和铆钉连接的各自优点，目前已成为代替铆好，包含了普通螺栓和铆钉连接的各自优点，目前已成为代替铆接的优良连接形式。另外，高强度螺钉也可同普通螺栓一样，允接的优良连接形式。另外，高强度螺钉也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力

13、。这种连接称为高强度螺栓承压型连接。接称为高强度螺栓承压型连接。摩擦型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径摩擦型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径d大大1.52.0mm；承压型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径承压型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径d大大1.01.5mm。摩擦。摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，特别适用于随动荷载的结构。型连接的剪切变形小，弹性性能好，特别适用于随动荷载的结构。承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形大，不承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构中。得用于承受动力荷载的结构中。 3.1.3轻钢结构的紧固件连接轻钢结构的紧固件连

14、接在冷弯薄壁型钢结构中经常采用自攻螺钉在冷弯薄壁型钢结构中经常采用自攻螺钉（self drilling screws）、钢拉铆钉（）、钢拉铆钉（steel blind rivets）、射）、射钉（钉（powder-actuated fasteners）等机械式紧固件连接方式）等机械式紧固件连接方式（图（图3.1.10），主要用于压型钢板之间和压型钢板与冷弯型钢等），主要用于压型钢板之间和压型钢板与冷弯型钢等支承构件之间的连接。支承构件之间的连接。 自攻螺钉有两种类型，一类为一般的自攻螺钉（图自攻螺钉有两种类型，一类为一般的自攻螺钉（图3.1.10a），需先行在被连板件和构件上钻一定大小的孔后，

15、再），需先行在被连板件和构件上钻一定大小的孔后，再用电动板子或扭力板子将其拧入连接板的孔中；一类为自钻自用电动板子或扭力板子将其拧入连接板的孔中；一类为自钻自攻螺钉（图攻螺钉（图3.1.10b），无需预先钻孔，可直接用电动板子自行），无需预先钻孔，可直接用电动板子自行钻孔和攻入被连板件。钻孔和攻入被连板件。拉铆钉（图拉铆钉（图3.1.10c）有铝材和钢材制作的二类，为防止电）有铝材和钢材制作的二类，为防止电化学反应，轻钢结构均采用钢制拉铆钉。化学反应，轻钢结构均采用钢制拉铆钉。射钉（图射钉（图3.1.10d）由带有锥杆和固定帽的杆身与下部活动）由带有锥杆和固定帽的杆身与下部活动帽组成，靠射钉枪

16、的动力将射钉穿过被连板件打入母材基体中帽组成，靠射钉枪的动力将射钉穿过被连板件打入母材基体中（见图（见图3.1.1d）。射钉只用于薄板与支承构件（如檩条、墙梁）。射钉只用于薄板与支承构件（如檩条、墙梁等）的连接。等）的连接。 一、钢结构常用焊接方法一、钢结构常用焊接方法1.1.手工电弧焊手工电弧焊A、焊条的选择：、焊条的选择： 焊条应与焊件焊条应与焊件钢材相适应。钢材相适应。原理：利用电弧产生热量原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形熔化焊条和母材形 成焊缝。成焊缝。 3.2 焊接方法和焊接连接形式 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧Q390Q390、Q

17、420Q420钢选择钢选择E55E55型焊条型焊条(E5500-5518)(E5500-5518)Q345Q345钢选择钢选择E50E50型焊条型焊条(E5000-5048)(E5000-5048)B B、焊条的表示方法：、焊条的表示方法：E焊条焊条( (Electrode) )第第1 1、2 2位数字为熔融金属的最小抗拉强度位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2) )第第3 3、4 4适用焊接位置、电流及药皮的类型。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。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，

18、劳动强度大，效率低。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；Q235Q235钢选择钢选择E43E43型焊条（型焊条（E4300-E4328)E4300-E4328)C C、优、缺点、优、缺点、焊丝转盘焊丝转盘送丝器送丝器焊剂漏斗焊剂漏斗焊剂焊剂熔渣熔渣焊件焊件埋弧自动焊埋弧自动焊A A、焊丝的选择应与焊件等强度。、焊丝的选择应与焊件等强度。 B B、优、缺点：、优、缺点： 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。焊接质量好。 缺点：

19、设备投资大，施工位置受限等。缺点：设备投资大，施工位置受限等。 机机器器优、缺点：优、缺点： 优点：焊接速度快，焊接质优点：焊接速度快，焊接质量好。量好。 缺点：施工条件受限制等。缺点：施工条件受限制等。1.1.焊接连接形式焊接连接形式搭接搭接角部连接角部连接对接对接T型连接型连接（1）对接焊缝）对接焊缝正对接焊缝正对接焊缝（2）角焊缝）角焊缝T型对接焊缝型对接焊缝斜对接焊缝斜对接焊缝3. 3. 焊缝位置焊缝位置1.1.焊缝缺陷焊缝缺陷外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷。内部无损检验：检验内部缺陷。 内部检验主要采用超声内部检验主要采

20、用超声 波，有时还用磁粉检验波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方荧光检验等辅助检验方法。还可以采用法。还可以采用X X射线或射线或射线透照或拍片。射线透照或拍片。钢结构工程施工及验收规范钢结构工程施工及验收规范规定：规定： 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。和三级。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；三级质量标准； 一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。 钢结

21、构设计规范钢结构设计规范（GB50017-2003GB50017-2003）中，对焊）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：缝质量等级的选用有如下规定： (1) (1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。 (2) (2) 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。 （）重级工作制和起重量（）重级工作制和起重量 的中级工作

22、制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弦杆与节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形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。低于二级。 （）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷（）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。hehfhf普通式普通式hehf1.5hf平坡式平坡式1 1、角焊缝的形式、角焊缝的形式: :3.3 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算按其截

23、面形式可分为直角角焊缝、斜角角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝、斜角角焊缝（1）直角角焊缝: 当角焊缝的两焊脚边夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝。hehfhf凹面式凹面式按he=0.7hf斜角角焊缝按he=0.7hf(a)hfhfhfhfa）锐角角焊缝；b）钝角角焊缝(b)按he=hf coshfhfhfhf2按he=hf cos2（2）斜角角焊缝对于对于135135o o或或606mmt6mm时，时，h hf,maxf,maxt-(1t-(12)mm2)mm；hf ft t1 1t)(5 . 12min,计算数值只进不舍！计算数值只进不舍！thf fwhl60 注注： 1 1

24、、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑； 2 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。mmhlfw408且不得小于且不得小于 blw ）（或或）（mmtmmmmttb121901216111 t1t2bwlB、为了避免焊缝横向收缩时引、为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲太大，规范规定：起板件的拱曲太大，规范规定：C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2h2hf f的的绕绕 角焊角焊，且转角处必须连续施焊。，且转角处必须连续施焊。bwl2hf f 试验表明，直角角焊

25、缝的破坏常发生在喉部，故长期以来试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故长期以来对角焊缝的研究均着重于这一部位。对角焊缝的研究均着重于这一部位。 通常认为直角角焊缝是以通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面（即有效厚方向的最小截面（即有效厚度也称计算厚度与焊缝计算长度的乘积）作为有效计算截面。度也称计算厚度与焊缝计算长度的乘积）作为有效计算截面。 角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度（喉部尺寸）与计算长角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度（喉部尺寸）与计算长度的乘积，而有效厚度度的乘积，而有效厚度he=0.7hf为焊缝横截面的内接等腰三角形为焊缝横截面的内接等腰三角形的最短距离，即不考虑熔深和凸度（图

26、的最短距离，即不考虑熔深和凸度（图3.3.8）。）。作用于焊缝有效截面上的应力：作用于焊缝有效截面上的应力： 如图如图3 . 3 . 9 所示，这些应力包括：垂直于焊缝有效截所示，这些应力包括：垂直于焊缝有效截面的正应力面的正应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力 ，以及，以及沿焊缝长度方向的剪应力沿焊缝长度方向的剪应力.hfhehh1h2dehel lw wh-h-焊缝厚度、焊缝厚度、h h1 1熔深熔深h h2 2凸度、凸度、dd焊趾、焊趾、ee焊根焊根国家标准化组织（国家标准化组织（ISO）推荐用式（）推荐用式（3.3.1）来确定角焊缝的极限）来确定角焊缝的极限强度

27、：强度： 为了弄清为了弄清， 及及对叫角焊缝的影响对叫角焊缝的影响,许多国家对许多国家对角焊缝进行了大量不同应力状态下的实验角焊缝进行了大量不同应力状态下的实验,根据多国试验结果根据多国试验结果,wuf)( 8 . 1222 上式根据上式根据ST37（相当于国产的（相当于国产的Q235 ）提出的）提出的,式中为焊逢式中为焊逢金属的抗拉强度金属的抗拉强度,对于其他钢种对于其他钢种,公式左边的系数不是公式左边的系数不是l . 8 ，而是，而是在在1 7至至30 之间变化偏于安全，同时也为了与母材的能量之间变化偏于安全，同时也为了与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会将式的强度理论的

28、折算应力公式一致，欧洲钢结构协会将式的l.8 改为改为3 , 即即wuf)( 32223 3、由于我国规范给定的角焊缝强度设计由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的，故上式又可值，是根据抗剪条件确定的，故上式又可表达为：表达为：式中：式中：-焊缝金属的抗拉强度焊缝金属的抗拉强度)23(3)( 3222wfwuffhelw wwufwuf)( 3222NNyNxf= fh he el lw w45O45Oh hf f 采用公式（采用公式（3 , 3 . 3 ）进行计算，即使是在简单外力作用下，）进行计算，即使是在简单外力作用下，都要花费时间都要花费时间 去求有效截面上的应力分量

29、去求有效截面上的应力分量 、 、 ，太，太过繁琐。我国规范采用了下述方法进行了简化。过繁琐。我国规范采用了下述方法进行了简化。现以图现以图3 . 3 .10 （a）所示承受互相垂直的）所示承受互相垂直的Ny和和Nx 两个轴心力作两个轴心力作用的直角角焊缝为例，说明角焊缝基本公式的推导。用的直角角焊缝为例，说明角焊缝基本公式的推导。Ny在焊缝有在焊缝有效截面上引起垂直于焊缝一个直角边的应力效截面上引起垂直于焊缝一个直角边的应力f ,该应力对有效截面该应力对有效截面既不是正应力，也不是剪应力，而是既不是正应力，也不是剪应力，而是和和 的合应力。的合应力。2f fwfffff3232222将将333

30、3、3434式，代入式，代入3232式得：式得：得 1.22整理上式，并令 23f )53(22 wfffff 式式3535即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式f f正面角焊缝强度增大系数；静载时取正面角焊缝强度增大系数；静载时取1.221.22，动载时取，动载时取1.01.0。)43( wexflhN weyweyflhNlhN02022245sin45cosweylhN045cosweylhN045sin由由)63( wffewffhlN 对于正面角焊缝，对于正面角焊缝，f f=0=0，由，由3535式得：式得：对于侧面角焊缝，对于侧面角焊缝，f f

31、=0=0，由，由3535式得：式得：)73( wfewffhlN 以上各式中：以上各式中： h he e=0.7h=0.7hf f； l lw w角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其 实际长度减去实际长度减去2h2hf f。ewwffhlfN 四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算wfwefflhN 1 1、轴心力作用下、轴心力作用下(1)(1)轴心力作用下的盖板对接连接轴心力作用下的盖板对接连接: :A A、仅采用侧面角焊缝连接：、仅采用侧面角焊缝连接：B B、采用三面围焊连接：、采用三面围焊连接：

32、wfewffhlNN NNl lw wl lw w(2)(2)T形角焊缝连接形角焊缝连接)83(cos ewfhlN )93(sin ewfhlN )53(22 wfffff N Nx xN Ny yN N2wl2wlN N代入式代入式3-53-5验算焊缝强度，即验算焊缝强度，即: :( l ）分力法将N 分解为垂直于焊缝长度的分力 , 和沿焊缝长度的分力 , cos NNxsin NNy(3)(3)角钢角焊缝连接角钢角焊缝连接A A、仅采用侧面角焊缝连接、仅采用侧面角焊缝连接)113()103(221121 eNeNNNN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :故故: :)133()123(2

33、211212121 NkeeeNNNkeeeNN肢肢尖尖焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数肢肢背背焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数 2211212121keeekkeeekNe1e2bN1N2xxl lw1w1l lw2w2K1 ，K2一肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，可按表一肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，可按表33 . 1 查查用，也可近似取用，也可近似取K1=2/3, K2=1/3)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题: :)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N

34、2xxl lw1w1l lw2w2B B、采用三面围焊、采用三面围焊)213(2)203(2322311 NNkNNNkN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :)183(333 wffewfhlN )193(3wffefbh余下的问题同情况余下的问题同情况A，即，即: :Ne1e2bN1N2xxN3l lw1w1l lw2w2)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题: :)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxN3l lw1w1l lw2w2)233()223

35、(23123 NNNNkNC C、采用、采用L L形围焊形围焊代入式代入式3-203-20，3-213-21得得: :对于设计问题对于设计问题: :02 N)243(333111 wwfffwfewlfNhfhNl Ne1e2bN1xxN3l lw1w1二、复杂受力时角焊缝连接计算二、复杂受力时角焊缝连接计算 当焊缝非轴心受力时，可以将外力的作用分解为轴力、弯矩、当焊缝非轴心受力时，可以将外力的作用分解为轴力、弯矩、扭矩、剪力等简单受力情况，分别求出具各自的焊缝应力，然扭矩、剪力等简单受力情况，分别求出具各自的焊缝应力，然后利用叠加原理，找出焊缝中受力最大的几个点，利用公式后利用叠加原理，找出

36、焊缝中受力最大的几个点，利用公式（3.3.6）进行验算。）进行验算。1、承受轴力、弯矩、剪力的联合作用时角焊缝的计算、承受轴力、弯矩、剪力的联合作用时角焊缝的计算(N、M、V共同作用下共同作用下)(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算偏心轴力作用下角焊缝强度计算 图图3.3.16所示的双面角焊缝连接承受偏心斜拉力所示的双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N作用，计作用，计算时，可将作用力算时，可将作用力N分解为分解为NX和和Ny两个分力。角焊缝同时承受轴两个分力。角焊缝同时承受轴心力心力NX、剪力、剪力Ny和弯矩和弯矩M=NXe的共同作用。焊缝计算截面上的的共同作用。焊缝计算截面上的应力分布如图应力分布如

37、图3.3.16（b）所示，图中）所示，图中A点应力最大为控制设计点。点应力最大为控制设计点。此处垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成，即由轴心拉力此处垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成，即由轴心拉力NX产生的应力和由弯矩产生的应力和由弯矩M=NXe产生的应力产生的应力,这两部分应力由于在这两部分应力由于在A点处的方向相同，可直接叠加点处的方向相同，可直接叠加.NeNx xNy y2wl2wlMANxNxM MNyNy 2,6weewxAflhMhlN ewyAfhlN , wfAffAff 2,2, h he eh he et t 对于工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接（图对于工字梁（或

38、牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接（图3.3.17），通常只承受弯矩），通常只承受弯矩M和剪力和剪力V的联合作用。由于翼缘的的联合作用。由于翼缘的竖向刚度较差，在剪力作用下，如果没有腹板焊缝存在，翼缘竖向刚度较差，在剪力作用下，如果没有腹板焊缝存在，翼缘将发生明显挠曲。这就说明，翼缘板的抗剪能力极差。因此，将发生明显挠曲。这就说明，翼缘板的抗剪能力极差。因此，计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩则由全部焊缝计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩则由全部焊缝承受。承受。h1fAfAfBfBf fxxh h2BBAh1MeFVMwffwfAfhIM 21对于对于A点：点：式中：式中：I Iw

39、w全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩； h h1 1两翼缘焊缝最外侧间的距离。两翼缘焊缝最外侧间的距离。 为了焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊为了焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊缝，弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝缝，弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维的最外纤维A处，由于翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯处，由于翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处曲应力，为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条

40、件的应力满足角焊缝的强度条件. 腹板焊缝承受两种应力的联合作用，即垂直于焊缝长度方向、腹板焊缝承受两种应力的联合作用，即垂直于焊缝长度方向、且沿梁高度呈三角形分布的弯曲应力和平行于焊缝长度方向、且且沿梁高度呈三角形分布的弯曲应力和平行于焊缝长度方向、且沿焊缝截面均匀分布的剪应力的作用，设计控制点为翼缘焊缝与沿焊缝截面均匀分布的剪应力的作用，设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝腹板焊缝B的交点处，此处的弯曲应力和剪应力分别按下式计算：的交点处，此处的弯曲应力和剪应力分别按下式计算：对于对于B点：点： 2,2,22weffBwfBlhVhIM wffBffBf 22 强度验算公式：强度验算公式：式中：式

41、中：h h2 2、l lw,2w,2腹板焊缝的计算长度；腹板焊缝的计算长度； h he,2e,2腹板焊缝截面有效高度。腹板焊缝截面有效高度。h1f1f1f2f2f fxxh h2BBAh1MVM 工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接的另一种计算工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接的另一种计算方法是使焊缝传递应力与母材所承受应力相协调，即假设腹板方法是使焊缝传递应力与母材所承受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一化为一对水平力对水平力H=M/h1。则翼缘焊缝的强度计算式为：。则翼缘焊缝的强度计算式为：腹板焊

42、缝的强度计算式为：腹板焊缝的强度计算式为：wffwefflhH11wfewffhlV22211welh式中式中 一一一个翼缘上角焊缝的有效截面积之和，一一一个翼缘上角焊缝的有效截面积之和， 一一两条腹饭焊缝的有效截面积一一两条腹饭焊缝的有效截面积222ewhl2、三面围焊承受扭矩、三面围焊承受扭矩、剪力联合作用时角焊缝的计算剪力联合作用时角焊缝的计算(T、V共同作用下共同作用下):图图3.3.19为三面围焊承受偏心力为三面围焊承受偏心力F。此偏心力产生。此偏心力产生轴心力轴心力V和扭矩和扭矩T=Fe。Fe1e2x0l l1l l2xxyyAA0TVr计算时按弹性理论假定：计算时按弹性理论假定：

43、 被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性的；而角焊缝本身是弹性的； 角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度且应力大小与连线长度r成正比。成正比。 在在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。作用下，焊缝群上的应力均匀分布。 图图3.3.19中，中，A点与点与A点距形心点距形心O点最远，故点最远，故A点和点和A点由扭点由扭矩矩T引起的剪应力引起的剪应力T最大，焊缝群其他各处由扭矩最大，焊缝群其他各处由扭矩T引起的剪应力引起的剪应力T均小于均小于

44、A点和点和A点的剪应力。故最危险点为点的剪应力。故最危险点为A或或A点，点， A点和点和A点为设计控制点。点为设计控制点。xxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e)253( yxPTAIIrTIrT T作用下作用下A点应力点应力: :将其沿将其沿x x轴轴和和y y轴分解轴分解: :)273(cos)263(sin rrIrTrrIrTxPTTAyyPTTAx e2x0l l1l l2xxyyAA0TVr剪力剪力V作用下作用下,A,A点应力点应力: : weVVAylhV A A点垂直于焊缝长度方点垂直于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAyVAyf A

45、A点平行于焊缝长度方点平行于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAxf 强度验算公式：强度验算公式：wfffff 22 wfTAxfVAyTAyf 22 即：即：V VxxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e1 12 2h hf1f1h hf1f1h hf2f2h hf2f2h he2e2h he1e1b b1 1b b2 2图图A1 12 2h hf1f1h hf1f1h hf2f2h hf2f2h he2e2h he1e1b b图图B1 1、由于斜角角焊缝的研究不够充分，为简化计算，、由于斜角角焊缝的研究不够充分，为简化计算， 规范规定：对于两焊脚边夹角

46、规范规定：对于两焊脚边夹角60o135o的的 斜斜T T形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相 同的计算公式，且统一取同的计算公式，且统一取f=1.0。 2cossin21iifieibbbhh 、或或式中：式中：b b、b b1和和b b25mm5mm说明：说明：A. bA. b1和和b b21.5mm1.5mm时时, , 可取可取b b1、b b2=0=0B. bB. b1和和b b2 5mm 5mm时时, , 应如图应如图“B”B”方式处方式处 理，且使理，且使b5mmb5mm。1 12 2h hf1f1h hf1f1h hf2f2h hf2f2h

47、he2e2h he1e1b b1 1b b2 2图图A1 12 2h hf1f1h hf1f1h hf2f2h hf2f2h he2e2h he1e1b b图图B1 1、对接焊缝的坡口形式、对接焊缝的坡口形式: :3.4 对接焊缝的构造与计算 对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。施工条件有关。 t-t-焊件厚度焊件厚度(1)(1)当当:t6mm(:t6mm(手工焊手工焊),t10mm(),t20mm(3)t20mm时，宜采用时，宜采用U形、形、K形、形、X形坡口。形坡口。C=0.52mm（a）C=23mm（b）C=23mm（C）p p（

48、d）C=34mmp pC=34mmp p（e）C=34mmp p（f）1:2.51:2.53、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度；较薄焊件厚度；NNt1、轴心力作用下的对接焊缝计算轴心力作用下的对接焊缝计算)283( wcwtwfftlN或 式中：式中： N轴心拉力或压力；轴心拉力或压力； t板件较小厚度；板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；形连接中为腹板厚度； f f

49、t tw w、f fc cw w 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。NNl lw wtA 当不满足上式时，可采用斜对当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图接焊缝连接如图B。wvwwcwtwftlNfftlN cossin或另另: :当当tan1.5tan1.5时时, ,不用验算不用验算! !NNtBNsinsinNcoscosl lw wl lw wtAMV)293(62max wtwwftlMWM )303(23max wVwwwftlVtIVS 因焊缝截面为矩形，因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：共同作用下应力图为：故其强度计算公式为：故其强度计算

50、公式为：式中：式中：W Ww w焊缝截面模量；焊缝截面模量； S Sw w-焊缝截面面积矩；焊缝截面面积矩； I Iw w-焊缝截面惯性矩。焊缝截面惯性矩。（1）板件间对接连接）板件间对接连接MV1焊缝截面焊缝截面A A、对于焊缝的、对于焊缝的maxmax和和maxmax应满足式应满足式3-29和和3-30要求；要求；B B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应点），其折算应 力尚应满足下式要求：力尚应满足下式要求：)313(1 . 132121 wtf 1.11.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。3、承

51、受轴心力，弯矩和剪力联合作用的对接焊缝、承受轴心力，弯矩和剪力联合作用的对接焊缝当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力和弯当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力仍按试矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力仍按试（3.2.5）验算，折算应力仍按试（）验算，折算应力仍按试（3.2.6）验算。）验算。除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。 3.3.3 3.3.3 部分焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝图图7-22 部分焊

52、透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达产生不均匀的温度场，焊缝处可达16001600o oC C，而邻近区域，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊