钢结构设计原理 第三章钢结构的连接

1、第三章钢结构的连接第三章钢结构的连接主要内容主要内容3.1 3.1 连接的种类及特点连接的种类及特点3.2 3.2 焊接方法和焊缝连接的型式焊接方法和焊缝连接的型式3.3 3.3 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造和计算3.4 3.4 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算3.5 3.5 焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余应力和焊接残余变形3.6 3.6 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算3.7 3.7 高强螺栓连接的构造和计算高强螺栓连接的构造和计算基本要求基本要求: :1 1、了解钢结构常用的连接方法和特点、了解钢结构常用的连接方法和特点2 2、了解对接焊缝的工作性能、了解对接

2、焊缝的工作性能, ,掌握对接焊缝的计算方法掌握对接焊缝的计算方法3 3、了解角焊缝的工作性能、了解角焊缝的工作性能, ,掌握角焊缝在各种受力情况下的掌握角焊缝在各种受力情况下的计算方法计算方法, ,理解各种构造尺寸限制的意义理解各种构造尺寸限制的意义4 4、了解焊接残余应力和残余变形的形成原因及对结构工作的、了解焊接残余应力和残余变形的形成原因及对结构工作的影响影响, ,了解减少焊接应力与焊接变形的措施了解减少焊接应力与焊接变形的措施5 5、了解普通螺栓的抗剪和抗拉工作性能、了解普通螺栓的抗剪和抗拉工作性能, ,可能的破坏形式可能的破坏形式, ,掌掌握普通螺栓连接在各种受力情况下的计算方法握普

3、通螺栓连接在各种受力情况下的计算方法6 6、了解高强度螺栓连接的抗拉及抗剪工作性能、了解高强度螺栓连接的抗拉及抗剪工作性能, ,掌握摩擦型高掌握摩擦型高强螺栓连接在各种受力情况下的计算方法强螺栓连接在各种受力情况下的计算方法重点及难点重点及难点1 1、角焊缝连接的构造和计算、角焊缝连接的构造和计算2 2、普通螺栓和高强螺栓连接的构造与计算、普通螺栓和高强螺栓连接的构造与计算n铆钉连接铆钉连接 n焊缝连接焊缝连接 n螺栓连接螺栓连接 3-1连接的种类及特点连接的种类及特点支托板一、铆钉连接一、铆钉连接：目前很少采用，因为它费工、费时，但它最大优目前很少采用，因为它费工、费时，但它最大优点是连接的

4、塑、韧性好，传力可靠，对一些重型厂房和经常点是连接的塑、韧性好，传力可靠，对一些重型厂房和经常承受动力荷载的结构，有时仍采用。承受动力荷载的结构，有时仍采用。二、焊缝连接二、焊缝连接：是钢结构最主要的连接方法，构造简单、用钢量是钢结构最主要的连接方法，构造简单、用钢量省，任何形式的构件都可直接相连。省，任何形式的构件都可直接相连。三、螺栓连接三、螺栓连接：分为普通螺栓连接和高强螺栓连接分为普通螺栓连接和高强螺栓连接1 1、普通螺栓连接：材料一般以、普通螺栓连接：材料一般以Q235Q235钢来制作，也称为钢来制作，也称为4.64.6级级（fu=400N/mmfu=400N/mm2 2 fy/fu

5、=0.6) fy/fu=0.6)普通螺栓普通螺栓C C级螺栓级螺栓- -类孔，孔径与杆径相差大类孔，孔径与杆径相差大1.5-1.5-2.0mm 2.0mm ，易于安装，但受剪性能不好。，易于安装，但受剪性能不好。A A、B B级螺栓级螺栓- -类孔，孔径与杆经相差小类孔，孔径与杆经相差小0.18-0.18-0.25mm0.25mm，受力性能较好，但制作、安装复杂。，受力性能较好，但制作、安装复杂。2 2、摩擦型高强螺栓、摩擦型高强螺栓- -与普通螺栓两点不同与普通螺栓两点不同（1 1）材料采用高强度的钢材）材料采用高强度的钢材4545号钢为材料：也称号钢为材料：也称8.88.8级级(fu=80

6、0N/mm(fu=800N/mm2 2 fy/fu=0.8) fy/fu=0.8)40B40B钢钢20MnTiB20MnTiB钢钢为材料：也称为材料：也称10.910.9级级高强螺栓的螺帽和垫圈一般全部采用高强螺栓的螺帽和垫圈一般全部采用4545号钢或号钢或3535号钢号钢（2 2）传力方式不同）传力方式不同普通螺栓传力方式普通螺栓传力方式螺杆的抗剪螺杆的抗剪螺杆和孔壁之间的相互承压螺杆和孔壁之间的相互承压摩擦型高强螺栓传力方式摩擦型高强螺栓传力方式构件之间的摩擦力构件之间的摩擦力PN3 3、承压型高强螺栓、承压型高强螺栓3-23-2焊接方法和焊缝连接的型式焊接方法和焊缝连接的型式一、钢结构常

7、见的焊接方法一、钢结构常见的焊接方法在钢结构中最常采用的焊接方法是电弧焊在钢结构中最常采用的焊接方法是电弧焊电弧焊电弧焊手工电弧焊手工电弧焊自动、半自动埋弧焊自动、半自动埋弧焊气体保护焊气体保护焊各自的焊接原理见教科书各自的焊接原理见教科书P33-34P33-34其中要求大家要清楚两点：其中要求大家要清楚两点：（1 1）手工电弧焊条的型号）手工电弧焊条的型号-E43-E43型、型、E50E50型、型、E55E55型型（2 2）手工电弧焊条应与焊件主体金属相适应）手工电弧焊条应与焊件主体金属相适应 Q235 Q235 E43 E43型型 Q345 (Q345 (16Mn16Mn) ) E43 E

8、43型型 Q390 (Q390 (15MnV15MnV) )、Q420 Q420 E55 E55型型E-E-表示焊条，其后两位数字表示焊缝金属的抗拉强度表示焊条，其后两位数字表示焊缝金属的抗拉强度fufu值值二、不同焊接方法的特点二、不同焊接方法的特点1 1、手工焊、手工焊 设备简单，适应性强，特别适用于焊短焊缝、设备简单，适应性强，特别适用于焊短焊缝、曲折焊缝、高空及安装焊缝，但焊缝质量主要取决于焊工的曲折焊缝、高空及安装焊缝，但焊缝质量主要取决于焊工的技术水平，质量波动大，劳动条件差，但很常用。技术水平，质量波动大，劳动条件差，但很常用。2 2、自动焊、自动焊 质量稳定，比手工电弧焊质量高

9、，适用于焊长焊质量稳定，比手工电弧焊质量高，适用于焊长焊缝，生产效率高。缝，生产效率高。3 3、气体保护焊、气体保护焊 质量比手工电弧焊高，但不适用于野外有质量比手工电弧焊高，但不适用于野外有风的地方风的地方三、焊缝的形式和焊缝连接型式三、焊缝的形式和焊缝连接型式焊缝形式焊缝形式对接焊缝对接焊缝角焊缝角焊缝正面角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝侧面角焊缝 N NN N 正面正面侧面侧面连接型式有连接型式有：平接、搭接、：平接、搭接、T T型连接、角接等等。见书型连接、角接等等。见书P36P36图图3-63-6另焊缝按施焊位置不同又可分为：平焊、横焊、立焊和仰焊。另焊缝按施焊位置不同又可分为：平焊、横焊

10、、立焊和仰焊。角焊缝按长度方向的布置不同分为：连续角焊缝和间断角焊缝。角焊缝按长度方向的布置不同分为：连续角焊缝和间断角焊缝。四、焊缝缺陷、质量检验及焊缝质量级别四、焊缝缺陷、质量检验及焊缝质量级别焊缝缺陷焊缝缺陷 裂纹、气孔、未焊透等。具体见书裂纹、气孔、未焊透等。具体见书P26P26图图3.83.8质量检验质量检验 由于焊缝缺陷不可避免存在，所以焊缝质量检验极为由于焊缝缺陷不可避免存在，所以焊缝质量检验极为重要，对焊缝质量应按其受力性质和所处部位分级检验。重要，对焊缝质量应按其受力性质和所处部位分级检验。钢结构工程施工及验收规范钢结构工程施工及验收规范将焊缝质量检验分为三级见书将焊缝质量检

11、验分为三级见书P38P38焊缝质量级别须在施工图中标注，三级焊缝可不标注焊缝质量级别须在施工图中标注，三级焊缝可不标注焊缝缺陷的控制和处理见国家标准焊缝缺陷的控制和处理见国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级焊缝符号的要求及标注方法应符合焊缝符号的要求及标注方法应符合焊缝符号表示方法焊缝符号表示方法GB324-88GB324-88建筑结构制图标准建筑结构制图标准GBJ105-2001GBJ105-2001焊缝符号通常由焊缝符号通常由引出线、图形符号、辅助符号引出线、图形符号、辅助符号三部分组成三部分组成 。见书见书P39P39表表3-13-1五、焊

12、缝符号及标注方法五、焊缝符号及标注方法在钢结构施工图上，应以在钢结构施工图上，应以焊缝符号焊缝符号标注出标注出焊缝形式焊缝形式、焊缝尺寸焊缝尺寸及及辅助要求辅助要求3-33-3对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造和计算一、构造一、构造 对接焊缝又称对接焊缝又称坡口焊缝坡口焊缝，因为在焊接时，焊件间须有适合于焊条，因为在焊接时，焊件间须有适合于焊条运转的空间。故一般将焊件边缘加工成坡口运转的空间。故一般将焊件边缘加工成坡口, ,斜坡口和根部间隙组斜坡口和根部间隙组成一个焊条能够运转的施焊空间成一个焊条能够运转的施焊空间. .1 1、坡口形式、坡口形式 对接焊缝的坡口型式分为：对接焊缝的坡口型式分为

13、：I I形、单边形、单边V V形、形、V V形、形、U U形、形、X X形等形等 见书见书P41P41图图3.33.3，实际选用何种形式，主要根据焊件厚，实际选用何种形式，主要根据焊件厚t t度来确定。度来确定。C=0.5-2mmC=2-3mmC=2-3mmC=3-4mmt tt tC=3-4mm2 2、厚度或宽度变化时的构件连接要求、厚度或宽度变化时的构件连接要求 在对接焊缝的拼接处，在对接焊缝的拼接处，当焊件宽度不同或厚度相差当焊件宽度不同或厚度相差4mm4mm以上时，应以上时，应分别做成坡度分别做成坡度1/2.56mm h6mm hf ft t1 1-(1-2)mm-(1-2)mm t

14、t1 16mm h6mm hf f t t1 1b.b.h hf f 1.2t 1.2tminmintt1 1,t,t2 2 t t1 1t t2 2t t1 1t t2 2（2 2）最小焊缝厚度）最小焊缝厚度h hfminfmin 限制最小厚度的原因有二：一是为了限制最小厚度的原因有二：一是为了保证焊缝最小承载力；二是防止焊缝因冷却过快而产生裂纹。保证焊缝最小承载力；二是防止焊缝因冷却过快而产生裂纹。规范规范规定：规定：)mmt (t.hmaxf为较厚焊件厚度51自动焊自动焊单面单面t t型焊型焊)mm(t.hmaxf151)mm(t.hmaxf151 角焊缝按外力作用方向又分为角焊缝按外力

15、作用方向又分为正面角焊缝正面角焊缝和和侧面角焊缝侧面角焊缝，对于侧，对于侧面角焊缝来说，其剪应力面角焊缝来说，其剪应力 的分布不均匀，沿焊缝长度方向的剪应的分布不均匀，沿焊缝长度方向的剪应力分布为两头大，中间小。长度愈长，分布愈不均匀。因而需对力分布为两头大，中间小。长度愈长，分布愈不均匀。因而需对侧缝的最大长度进行限制。侧缝的最大长度进行限制。规范规范规定：规定： 静载静载fwhl60动载动载fwhl40（3 3）侧面角焊缝的最大计算长度）侧面角焊缝的最大计算长度maxwl3、搭接连接的构造要求、搭接连接的构造要求（1）搭接长度）搭接长度 当两块钢板搭接连接时，当两块钢板搭接连接时， 为避免

16、焊缝收缩造成的残余应力过大，为避免焊缝收缩造成的残余应力过大， 规定：规定：2hf2hfbt 为较薄焊件厚度为较薄焊件厚度l5tmin且且25mml(2)当板件仅用两条侧缝连接时当板件仅用两条侧缝连接时 试验表明：连接承载力与试验表明：连接承载力与 有关，当有关，当 1时，连接承载力随时，连接承载力随 增大而下降。增大而下降。因而规定：因而规定：wlbwlbwlb且且b 16t (t12mm)b200mm (t 12mm)1wlbmmhlfw408且（4）最小计算长度）最小计算长度 _ 焊缝的长度也不可过短，如果长度焊缝的长度也不可过短，如果长度过小的话，会使焊缝的起弧点和落弧点距离很近，加上

17、一些可过小的话，会使焊缝的起弧点和落弧点距离很近，加上一些可能的缺陷，使质量不能保证。能的缺陷，使质量不能保证。规范规范规定：规定：minwllw（3 3）杆件端部搭接的构造）杆件端部搭接的构造三面围焊三面围焊 转角处不能灭弧，应连续施焊，如果灭弧，会造转角处不能灭弧，应连续施焊，如果灭弧，会造成转角处截面突变，产生应力集中，且灭弧造成的弧坑的缺陷成转角处截面突变，产生应力集中，且灭弧造成的弧坑的缺陷会加大应力集中的影响。会加大应力集中的影响。非围焊非围焊 当角焊缝的端部在构件转角处时当角焊缝的端部在构件转角处时 ，应连续地施行长，应连续地施行长度为度为 2h2hf f的绕角焊。的绕角焊。二、

18、强度二、强度应力分布情况：应力分布情况：侧面角焊缝侧面角焊缝 应力状态比较单纯，应力状态比较单纯，主要承主要承受剪应力受剪应力，其剪应力沿焊缝长度分布不均，其剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大，中间小，焊缝愈长，分布愈匀，两端大，中间小，焊缝愈长，分布愈不均匀。不均匀。所以侧缝的破坏一般在长度的端部先所以侧缝的破坏一般在长度的端部先行破坏，然后扩展到整个长度。行破坏，然后扩展到整个长度。 正面角焊缝正面角焊缝 应力状态比侧缝要应力状态比侧缝要复杂的多，在焊缝各面上，复杂的多，在焊缝各面上，既有既有正应力又有剪应力，且在各个面正应力又有剪应力，且在各个面上分布不均匀上分布不均匀，但沿焊缝长度分但

19、沿焊缝长度分布较均匀，两端略比中间小些。布较均匀，两端略比中间小些。 y y yxyx x x xyxy x x xyxy yxyx y yh hf f从上面可以看出。正面角焊缝根部从上面可以看出。正面角焊缝根部应力集中现象比较严重，因而应力集中现象比较严重，因而破坏破坏时先在根部出现裂纹，而后扩展到时先在根部出现裂纹，而后扩展到整个截面。整个截面。通过试验，可以得到：在破坏时，正面角焊缝的强度高于通过试验，可以得到：在破坏时，正面角焊缝的强度高于侧缝，在同一焊缝厚度下，侧缝，在同一焊缝厚度下，正面角焊缝的强度约为侧缝的正面角焊缝的强度约为侧缝的1.35-1.551.35-1.55倍，但正面角

20、焊缝的塑性比侧缝要差倍，但正面角焊缝的塑性比侧缝要差，因为根部因为根部存在应力集中，使焊缝性质变的硬脆。存在应力集中，使焊缝性质变的硬脆。（1 1）在角焊缝的计算中，实行强度统一，以较低的一方为准。）在角焊缝的计算中，实行强度统一，以较低的一方为准。 f ff fw w 角焊缝的设计强度（实质上是以侧缝角焊缝的设计强度（实质上是以侧缝 的抗剪强度确定的）的抗剪强度确定的）抗拉、抗压、抗剪强度抗拉、抗压、抗剪强度（2 2）计算截面取焊缝的最小截面）计算截面取焊缝的最小截面 有效截面有效截面计算时假定有效截面上应力均匀分布计算时假定有效截面上应力均匀分布 有效厚度：有效厚度： h he e=0.7

21、 =0.7 h hf f 有效截面面积：有效截面面积： A Ae e=0.7 =0.7 h hf fl lw wh hf fh he e三、计算三、计算1 1、角焊缝计算的基本计算公式、角焊缝计算的基本计算公式如图所示的角焊缝连接如图所示的角焊缝连接 / fyfy fxfx4545xNzNyNfh在三向轴力作用下。焊缝有效截面的应力在三向轴力作用下。焊缝有效截面的应力 、 、 /表示表示 ， 垂直于焊缝长度方向的正应力和剪应力垂直于焊缝长度方向的正应力和剪应力 / 平行于焊缝长度方向的剪应力平行于焊缝长度方向的剪应力实践证明：角焊缝在复杂应力作用下的强度条件可和焊件一样实践证明：角焊缝在复杂应

22、力作用下的强度条件可和焊件一样用公式：用公式：换算成抗拉强度设计值所以乘以实质上是抗剪强度，角焊缝的强度设计值。333222_ff)(wfwf/为便于计算，用为便于计算，用 fxfx、 fyfy代替代替 、 ，用用 fzfz代替代替 /（ fzfz= = /）将其代入上述公式中，通过推导计算，公式可写为：将其代入上述公式中，通过推导计算，公式可写为：wffzfyfxfyfxf22232).(上式为三向力作用下强度计算的基本公式。下面分析几种特殊情况上式为三向力作用下强度计算的基本公式。下面分析几种特殊情况 fyfy fxfx4545（1 1）当）当 fxfx= = fyfy=0 =0 时（时（

23、即即NxNx=Ny=0=Ny=0) )wfzwfywfxlhNzlhNfyfyylhNfxfxxNNN.7 . 0/.7 . 0.7 . 0此时只有平行于焊缝长度方向的此时只有平行于焊缝长度方向的轴向力轴向力侧面角焊缝侧面角焊缝侧焊缝受力：侧焊缝受力：侧焊缝设计计算公式）(.wflhNffwe（2 2）当）当 fxfx（或（或 fyfy）= = fzfz =0=0此时只有垂直于焊缝长度方向的轴向力此时只有垂直于焊缝长度方向的轴向力正面角焊缝受力：正面角焊缝受力：（正缝设计计算公式）wflhNffwe22. 1.(3)(3)当当 fxfx（或（或 fyfy）=0=0同时有平行于和垂直于焊缝长度方

24、向的轴心力作用在焊缝上同时有平行于和垂直于焊缝长度方向的轴心力作用在焊缝上其设计公式则为：其设计公式则为：xNzNyNyN一般设计公式）()22.1(22wffff当作用力与焊缝长度方向既不平行又不垂直时，可将它分解当作用力与焊缝长度方向既不平行又不垂直时，可将它分解成两个方向的力，按上式计算。成两个方向的力，按上式计算。若以若以 f f代替各公式中的代替各公式中的1.221.22，最终可得到角焊缝强度计算的三个，最终可得到角焊缝强度计算的三个基本公式如下：基本公式如下：) 1 (.wflhNffwe)2(.wfflhNffwe)3()(22wfffff静载、间接动载：静载、间接动载： f f

25、=1.22=1.22动动载：载： f f=1.0=1.0 正面角焊缝的强度设计值增大系数正面角焊缝的强度设计值增大系数 f2 2、计算、计算（1 1）轴心力作用下的角焊缝计算）轴心力作用下的角焊缝计算a a、钢板与钢板的连接、钢板与钢板的连接N NN N当作用力通过角焊缝群的形心当作用力通过角焊缝群的形心时，可认为焊缝的应力沿焊缝时，可认为焊缝的应力沿焊缝长度为均匀分布长度为均匀分布2wl1wl 角焊缝的有效厚度，直角角焊缝角焊缝的有效厚度，直角角焊缝h he e =0.7 =0.7h hf f( (h hf f较小焊脚尺寸）较小焊脚尺寸） 两焊件间角焊缝计算长度总和，两焊件间角焊缝计算长度总

26、和，每条焊缝取实际长度减每条焊缝取实际长度减去去2 2h hf f，以考虑扣除施焊时起弧、落弧处的弧坑缺陷。以考虑扣除施焊时起弧、落弧处的弧坑缺陷。 ehwl计算拼接板和一侧焊件连接的焊计算拼接板和一侧焊件连接的焊缝时，由构造确定缝时，由构造确定 ，然后进，然后进行强度计算。行强度计算。fhmaxminfffhhh2wl只采用正缝时：只采用正缝时：静载作用）(22. 17 . 021wffwffhlN只采用侧缝时：只采用侧缝时：wffwffhlN7 . 042采用三面围焊时：先计算正缝所负担的力采用三面围焊时：先计算正缝所负担的力wffwfflhN17 . 02则侧缝负担的力为则侧缝负担的力为

27、 NNwfwffflhNN27 . 04如直接受动载，则如直接受动载，则 f f=1.0=1.0计算即可直接由公式：wfweflhN2wl2wlN NN NN N当焊缝方向复杂时，如菱形盖板拼接焊缝，为使计算简化，可当焊缝方向复杂时，如菱形盖板拼接焊缝，为使计算简化，可不考虑应力方向，即偏于安全取不考虑应力方向，即偏于安全取 f f=1.0,=1.0,也按公式也按公式计算wfweflhNN Nb b、钢板与角钢的连接、钢板与角钢的连接两面侧焊：两面侧焊：虽然轴心力通过截面形心，但由虽然轴心力通过截面形心，但由于截面形心到角钢肢背和肢尖距于截面形心到角钢肢背和肢尖距离不等，所以肢背焊缝和肢尖焊离

28、不等，所以肢背焊缝和肢尖焊缝受力不相等。缝受力不相等。e e1 1e e2 2N NN N1 1N N2 2设设N N1 1、N N2 2分别为两焊缝负担力分别为两焊缝负担力由力的平衡由力的平衡 oNx 0MNNN212211eNeN解得解得NNeeeNNNeeeN22112121213132,2121，设计时可近似取缝的内力分配系数角钢肢背焊缝和肢尖焊或由下表查出：或由下表查出：角钢类型角钢类型连接形式连接形式内力分配系数内力分配系数肢背肢背 1 1肢尖肢尖 2 2等肢角钢等肢角钢0.70.70.300.30不等肢角钢不等肢角钢短肢相连短肢相连0.750.750.250.25不等肢角钢不等肢

29、角钢长肢相连长肢相连0.650.650.350.35e e1 1e e2 2N NN N1 1N N2 2三面围焊：三面围焊：N N3 3先选定正面角焊缝的先选定正面角焊缝的h hf f，并算，并算出它所负担的力出它所负担的力wffwfflhN337 . 0通过平衡可解得：通过平衡可解得：22322311NNNNNNN NN N1 1N N3 3算出算出N N3 3 求出求出N N1 1= =N N- -N N3 3L L形焊接：形焊接：上述各种情况的上述各种情况的N N1 1、N N2 2求出以后，根据侧缝强度计算公求出以后，根据侧缝强度计算公式计算强度：式计算强度：wffwwfwefhNl

30、flhN7 . 0211111wffwwfwefhNlflhN7 . 0222222焊缝的实际长度需考虑焊缝的实际长度需考虑起弧和落弧的因素，且起弧和落弧的因素，且取取10mm10mm的倍数。的倍数。角钢和钢板间用侧焊缝搭接连接，当角钢肢背与肢尖焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度都相等时，那么下列说法正确的是 。(A)角钢肢背的侧焊缝与角钢肢尖的侧焊缝受力相等。(B)角钢肢尖侧焊缝受力大于角钢肢背的侧焊缝。(C)角钢肢背侧焊缝受力大于角钢肢尖的侧焊缝。(D)由于角钢肢背和肢尖的侧焊缝受力不相等，因而连接受弯矩 的作用。选择题：弯矩单独作用时弯矩单独作用时M M0.70.7h hf f0.70.7h hf

31、 fl lw w f f焊缝有效截面上的应力如同弯曲焊缝有效截面上的应力如同弯曲应力一样，呈三角形分布，焊缝应力一样，呈三角形分布，焊缝受力属正面角焊缝受力性质。受力属正面角焊缝受力性质。262wewwfwfwflhWWfWM焊缝有效截面的抵抗矩扭矩单独作用时扭矩单独作用时T Tx xy y假定：假定：被连接构件是绝对刚性的，被连接构件是绝对刚性的，而角焊缝是弹性的。而角焊缝是弹性的。被连接构件绕角焊缝有效截面形心被连接构件绕角焊缝有效截面形心旋转，角焊缝任意一点的应力方向垂旋转，角焊缝任意一点的应力方向垂直该点与形心的连线，应力的大小与直该点与形心的连线，应力的大小与其距离其距离r r成正比

32、。成正比。 fxfxT T“A”“A” fyfyT T fAfAT Tr r据此可知最危险点据此可知最危险点A A点产生的应力点产生的应力yxTfAIIJJJrT性矩角焊缝有效截面的极惯将将 fAfAT T分解到分解到x x和和y y轴方向轴方向正缝受力性质侧缝受力性质JrTJrTxTfyyTfx代入基本公式代入基本公式：wfTfxfTfyf22)()(弯、剪、轴心力共同作用下弯、剪、轴心力共同作用下hehehehel lw w fxfxM MV Ve eN NM=VM=Ve e fyfyV V fxfxN N“A A” fyfyT T fAfAT Tr r fxfxT T对角焊缝有效截面上受

33、力最大处的应力进行组合，代入基本公式对角焊缝有效截面上受力最大处的应力进行组合，代入基本公式wfVfyfNfxMfxf22)()(可得：可得：在扭矩、剪力、轴心力共同作用下搭接连接的角焊缝计算在扭矩、剪力、轴心力共同作用下搭接连接的角焊缝计算x xy yx xy y扭矩扭矩T=VT=Ve eN No oo o“A”“A”V Ve eo o fxfxT T fyfyT T fAfAT Tr r fxfxN N fyfyV VV V、N N代入基本公式代入基本公式：wfNfxTfxfVfyTfyf22)()(四、角焊缝设计计算问题求解方法四、角焊缝设计计算问题求解方法1 1、验算型、验算型问题特点

34、：已知焊缝尺寸和荷载情况，验算焊缝是否满足问题特点：已知焊缝尺寸和荷载情况，验算焊缝是否满足 设计要求设计要求求解方法：求解方法：先验算焊缝尺寸是否满足构造要求先验算焊缝尺寸是否满足构造要求? ?荷载向焊缝形心简化荷载向焊缝形心简化 分析焊缝受力性质分析焊缝受力性质 确定危险点（即受力最大点）确定危险点（即受力最大点）求出各单项荷载作用产生的应力，代入相应公求出各单项荷载作用产生的应力，代入相应公式验算式验算2 2、设计型、设计型问题特点：已知荷载情况和连接节点构造，要求进行连接节点问题特点：已知荷载情况和连接节点构造，要求进行连接节点 设计设计求解方法：求解方法：确定连接方式和焊缝布置方式确

35、定连接方式和焊缝布置方式确定焊缝受力特征确定焊缝受力特征 可能危险点位置可能危险点位置依构造确定依构造确定h hf f 由相应公式求出焊缝计算长度由相应公式求出焊缝计算长度l lw w，或由已定出的，或由已定出的l lw w 求出求出h hf f3 3、设计计算中注意事项、设计计算中注意事项b bt th ht tw wIxIx、IyIy及及WxWx、 WyWy时时精确计算精确计算简化计算简化计算x xy y例题例题3-23-2、3-33-3、3-43-4、3-53-5要考虑起弧、落弧的缺陷影响要考虑起弧、落弧的缺陷影响选用设计用数值时，所取选用设计用数值时，所取h hf f应为应为1mm1m

36、m的倍数，的倍数， 应为应为10mm10mm的的倍数，且都不得小于计算所需数值倍数，且都不得小于计算所需数值要统一单位，建议在强度计算时，凡是涉及力的单位选用要统一单位，建议在强度计算时，凡是涉及力的单位选用N N，长度单位选用长度单位选用mmmm代入代入在计算焊缝几何特征时，为便于计算，常作一些简化在计算焊缝几何特征时，为便于计算，常作一些简化如求：如求：wl3.5焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余应力和焊接残余变形一、焊接残余应力的分类和产生的原因一、焊接残余应力的分类和产生的原因1、纵向焊接残余应力、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，在施焊时焊件焊接过程是一个不均匀

37、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，达上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度最高，达1600C以以上，其邻近区域则温度急剧下降，见上，其邻近区域则温度急剧下降，见P45图图3.41300C500C800C1600C+-施焊方向施焊方向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施焊方向施焊方向 不均匀的温度场就会产生不均匀的膨胀，高温处钢材膨胀最不均匀的温度场就会产生不均匀的膨胀，高温处钢材膨胀最大，但由于受到两侧温度较低膨胀较小的钢材的限制，产生了大，但由于受到两侧温度较低膨胀较小的钢材的限制，产生了热塑态压缩，焊缝冷却时，被

38、塑性压缩的焊缝区趋于缩短，而热塑态压缩，焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋于缩短，而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。+-施焊方向钢板上纵向焊接残余应力（沿焊缝长度方向钢板上纵向焊接残余应力（沿焊缝长度方向）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产生压应力。内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段产生压应力。2、横向焊接残余应力、横向焊接残余应力横向残余应力产生的原因有两个横向残余应力产生的原因有两个其一：其一： 是

39、由于焊缝纵向收缩，两块钢板趋向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，但实际上于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，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在两端产生横向压应力-+-+-+=横向残余应力（垂直与焊横向残余应力（垂直与焊缝长度方向的应力）缝长度方向的应力）其二：其二： 是焊缝的横向收缩，在施焊过程中，是焊缝的横向收缩，在施焊过程中，先后冷却的时间不同，先冷却的焊先后冷却的时间不同，先冷却的焊缝已经凝固，且具有一定的强度会缝已经凝固，且具有一定的强度会阻止后焊焊

40、缝在横向的自身膨胀，阻止后焊焊缝在横向的自身膨胀，使其发生横向的塑性压缩变形，当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力，同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力。横向压应力。焊缝的横向残余应力是上述两种原因焊缝的横向残余应力是上述两种原因产生应力合成的结果。产生应力合成的结果。拉拉压压压压3、沿焊缝厚度方向的残余应力、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

41、应力焊接残余应力 x、 y以外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接残以外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接残余应力余应力 z，而这三种应力形成比较严重的同号三向应力，大大，而这三种应力形成比较严重的同号三向应力，大大降低结构连接的塑性。降低结构连接的塑性。+- y x z二、焊接残余应力的影响二、焊接残余应力的影响1、对结构静力强度的影响、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，焊缝残余应对于具有一定塑性的材料，在静力荷载作用下，焊缝残余应力是不会影响结构强度的。力是不会影响结构强度的。图示给出了外荷载N=0时的纵向焊接残余应力的分布情况-+-NhNtfyfyaccdedefab在

42、低碳钢和低合金钢中，这种拉应力常达到钢材的屈服强度。当施加轴心拉力N时，板中残余应力已达到屈服强度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fy。板所承担的外力N = Ny =（Aabca+Aefde)t = hfyt由于焊接残余应力在焊件内部是自相平衡的内力，残余压应力的合力必然等于残余拉应力的合力。即面积Aaac+Aeed=Accdd，所以面积（Aabca+Aefde)与面积hfy相等。而无焊接残余应力构件承担的力而无焊接残余应力构件承担的力N=fy h t因而有残余应力焊件的承载能力和没有残余应力者完全相同，因而有

43、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。可见残余应力不影响结构的静力强度。2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响焊接残余应力会降低结构的刚度焊接残余应力会降低结构的刚度ham/2m/2例如有残余应力的轴拉构件，当加载时，中部塑性区域例如有残余应力的轴拉构件，当加载时，中部塑性区域a逐渐加逐渐加宽，而两侧弹性区域宽，而两侧弹性区域m则逐渐减少。则逐渐减少。有残余应力时对应于拉力增量有残余应力时对应于拉力增量N的拉应变的拉应变 = N/（mtE)无无残余应力时对应于拉力增量残余应力时对应于拉力增量N的拉应变的拉应变 =N/（htE)由于由于m ,即残余应力

44、使构件变形增大，刚度降低。即残余应力使构件变形增大，刚度降低。 fy无残余应力无残余应力有残余应力有残余应力tfy3、对压杆稳定的影响、对压杆稳定的影响 焊接残余应力使压杆的挠曲刚度减少，从而必定降低其稳定焊接残余应力使压杆的挠曲刚度减少，从而必定降低其稳定承载力，承载力，详细分析见轴心受力构件有关内容。详细分析见轴心受力构件有关内容。4、对低温冷脆的影响、对低温冷脆的影响 在厚板和有三向交叉焊缝在厚板和有三向交叉焊缝的情况下，将产生三向焊接的情况下，将产生三向焊接残余应力，阻碍塑性变形，残余应力，阻碍塑性变形，在低温下使裂纹容易发生和在低温下使裂纹容易发生和发展，加速构件脆性破坏。发展，加速

45、构件脆性破坏。 z y x5、对疲劳强度的影响、对疲劳强度的影响焊缝及其近旁的高额残余应力对疲劳强度不利焊缝及其近旁的高额残余应力对疲劳强度不利三、焊接残余变形三、焊接残余变形 在施焊时由于焊缝的纵向和横向收缩，使构件产生一些残余变在施焊时由于焊缝的纵向和横向收缩，使构件产生一些残余变形，如纵向缩短、横向缩短、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，形，如纵向缩短、横向缩短、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，见书见书P47，图，图3.46。这些变形如果超出验收规范的规定，必须加这些变形如果超出验收规范的规定，必须加以矫正，使其不致影响构件的使用和承载能力。以矫正，使其不致影响构件的使用和承载能力。四、减少焊

46、接残余应力和焊接残余变形的方法四、减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法1、采用合理的施焊次序，例如钢板对接时采用分段退焊、厚钢板、采用合理的施焊次序，例如钢板对接时采用分段退焊、厚钢板采用分层焊、工字形截面对角跳焊。采用分层焊、工字形截面对角跳焊。12345钢板分块拼接钢板分块拼接沿厚度分层焊沿厚度分层焊分段退焊分段退焊对角跳焊对角跳焊123451234566877824312、施焊前给构件一个和焊、施焊前给构件一个和焊接变形相反的预变形，使接变形相反的预变形，使构件在焊接后产生的焊接构件在焊接后产生的焊接变形与之正好抵消（类似变形与之正好抵消（类似受弯构件起拱）。受弯构件起拱）。焊接前反变形

47、焊接前反变形3、对于小尺寸焊件，在施焊前预热，或施焊后回火（加热至、对于小尺寸焊件，在施焊前预热，或施焊后回火（加热至600C左右，然后缓慢冷却），可以消除焊接残余应力。左右，然后缓慢冷却），可以消除焊接残余应力。五、合理的焊缝设计五、合理的焊缝设计为了减少焊接应力与焊接变形，设计时在构造上要采用一些措施：为了减少焊接应力与焊接变形，设计时在构造上要采用一些措施：1、焊缝尺寸要适当、焊缝尺寸要适当在容许范围内，可以采用较小的焊脚尺寸，并加大焊缝长度，使在容许范围内，可以采用较小的焊脚尺寸，并加大焊缝长度，使需要的焊缝总面积不变，以免因焊缝厚度过大而引起过大的焊接需要的焊缝总面积不变，以免因焊缝

48、厚度过大而引起过大的焊接残余应力。焊缝厚度过厚，还可能引起施焊时烧穿较薄焊件、过残余应力。焊缝厚度过厚，还可能引起施焊时烧穿较薄焊件、过热等现象。热等现象。2、焊缝不应过分集中、焊缝不应过分集中3、尽量避免三向焊缝相交，为此可使次要焊缝中断，主要焊、尽量避免三向焊缝相交，为此可使次要焊缝中断，主要焊缝缝连续通过。连续通过。横横向向横向加劲肋横向加劲肋横向加劲肋横向加劲肋焊接吊车梁中间横向加劲肋的下端一般在距受拉翼缘焊接吊车梁中间横向加劲肋的下端一般在距受拉翼缘50-100mm处断开，不应与受拉翼缘焊接以改善梁的抗疲劳性能。处断开，不应与受拉翼缘焊接以改善梁的抗疲劳性能。4、要考虑钢板的分层问题

49、（垂直于板面传递拉力是不合理的）、要考虑钢板的分层问题（垂直于板面传递拉力是不合理的）不合理不合理合理合理此外，为了保证焊接结构的质量，还应注意以下问题：此外，为了保证焊接结构的质量，还应注意以下问题：1、要考虑施焊时，焊条是否、要考虑施焊时，焊条是否易于到达。易于到达。焊条焊条030焊条焊条手工焊要求的操作净空手工焊要求的操作净空（焊条直径（焊条直径d=1.65mm，长度，长度250400mm）2、搭接连接不能只用一条正、搭接连接不能只用一条正面角焊缝面角焊缝 传力，并且搭接长传力，并且搭接长度不得小于焊件较小厚度的度不得小于焊件较小厚度的五倍，同时不得小于五倍，同时不得小于25mm。5t且

50、且25mm3、焊缝连接构造要尽可能避、焊缝连接构造要尽可能避免仰焊。免仰焊。焊条焊条不易焊不易焊易焊易焊一、普通螺栓连接的构造一、普通螺栓连接的构造 3-6普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算1、分类、分类类别类别 加工精度加工精度 抗剪抗剪 性能性能 成本成本 使用范围使用范围 精制精制 (A、B)级级 高，栓径高，栓径与孔径之与孔径之差为差为180.25mm类孔类孔 高高 高高 1）构件精度很高的结构，机械结构；）构件精度很高的结构，机械结构；2）连接点仅用一个螺栓或有模具套钻）连接点仅用一个螺栓或有模具套钻的多个螺栓连接的可调节杆件（柔性的多个螺栓连接的可调节杆件（柔性杆）杆

51、） 粗制粗制 (C级级) 较低，栓较低，栓径与孔径径与孔径之差为之差为1.52mm 类孔类孔较低较低 低低 1）抗拉连接；）抗拉连接； 2）静力荷载下抗剪连接；）静力荷载下抗剪连接； 3）加防松措施后受风振作用抗剪；）加防松措施后受风振作用抗剪； 4）可拆卸连接；）可拆卸连接； 5）安装螺栓；）安装螺栓；6）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用 注：注：A级用于级用于M24以下，以下，B级用于级用于M24以上。以上。 规范规范第第8.3.5条：条：C级螺栓宜用于沿杆轴方向受拉的级螺栓宜用于沿杆轴方向受拉的连接，在下列情况下可用于受剪连接：连接，在下列情况下可用于受剪连接：

52、1、承受静力荷载或承受动力荷载结构中的次要连接；、承受静力荷载或承受动力荷载结构中的次要连接；2、承受静力荷载的可拆卸结构的连接；、承受静力荷载的可拆卸结构的连接；3、临时固定构件用的安装连接。、临时固定构件用的安装连接。规范规范第第8.3.6条：对直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连条：对直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺栓或其他能防止螺帽松动的有效措施。接应采用双螺栓或其他能防止螺帽松动的有效措施。（强（强制性条文）制性条文）3、螺栓排列方式、螺栓排列方式 钢结构连接中常用的螺栓规格有：钢结构连接中常用的螺栓规格有：2、普通螺栓的形式和规格尺寸、普通螺栓的形式和规格尺寸钢结构采用的普

53、通螺栓形式为大六角头型，粗牙普通螺纹，钢结构采用的普通螺栓形式为大六角头型，粗牙普通螺纹，代号以代号以M与公称直径表示与公称直径表示M16, M18, M20, M22 ,M245、螺栓的工作性能、螺栓的工作性能 按受力性能分为：剪力螺栓和拉力螺栓。按受力性能分为：剪力螺栓和拉力螺栓。 剪力螺栓靠孔壁剪力螺栓靠孔壁承压、螺杆抗剪传力，拉力螺栓靠螺栓受拉，承压、螺杆抗剪传力，拉力螺栓靠螺栓受拉，有时普通螺栓同时受剪、受拉。有时普通螺栓同时受剪、受拉。 4、螺栓的排列和构造要求、螺栓的排列和构造要求 1）受力要求：）受力要求：a）端距限制）端距限制防止孔端钢板剪断，防止孔端钢板剪断，2d0 ； b

54、）螺孔中距限制）螺孔中距限制 2）构造要求：防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀，限制螺孔中矩最）构造要求：防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀，限制螺孔中矩最 大值；大值； 3）施工要求：为便于拧紧螺栓，留适当间距（不同的工具有不）施工要求：为便于拧紧螺栓，留适当间距（不同的工具有不 同要求同要求）。）。 根据以上要求，根据以上要求，规范规范规定的螺栓容许距离见书规定的螺栓容许距离见书P49-50表表3.4-3.7211号螺栓号螺栓抗剪螺栓抗剪螺栓2号螺栓号螺栓抗拉螺栓（下面设有支托）抗拉螺栓（下面设有支托）支托支托2号螺栓号螺栓拉剪螺栓（下面没有支托）拉剪螺栓（下面没有支托）规范规范第第8.3.5条规定：（条

55、规定：（P82)C级螺栓宜用于沿杆轴方向受拉的连接，在下列情况下级螺栓宜用于沿杆轴方向受拉的连接，在下列情况下可用于受剪连接：可用于受剪连接：1、承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的次要连接；、承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的次要连接；2、承受静力荷载的可拆卸结构的连接；、承受静力荷载的可拆卸结构的连接；3、临时固定构件用的安装连接。、临时固定构件用的安装连接。二、普通螺栓连接的受力性能和计算二、普通螺栓连接的受力性能和计算（一）剪力螺栓连接（一）剪力螺栓连接 1、抗剪连接的几种破坏形式、抗剪连接的几种破坏形式剪力螺栓破坏过程及螺栓受力情况剪力螺栓破坏过程及螺栓受力情况:剪力螺栓受力后

56、，当外力不大时，由构件间的摩擦力来传递外力。当外剪力螺栓受力后，当外力不大时，由构件间的摩擦力来传递外力。当外力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁而受剪，孔壁则受压。而受剪，孔壁则受压。 当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端大，中间小；当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端大，中间小；当外力继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后当外力继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。趋于相等直到破坏。 螺栓破坏形式螺栓破坏形式 ：受剪螺栓连

57、接到达承载力极限状态时，可能受剪螺栓连接到达承载力极限状态时，可能出现五种破坏形式出现五种破坏形式a）螺栓剪断）螺栓剪断 b）钢板孔壁挤压破坏）钢板孔壁挤压破坏 c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断 d）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏 e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏 每个普通螺栓的抗剪承载力每个普通螺栓的抗剪承载力 ： 每个普通螺栓的承压承载力：每个普通螺栓的承压承载力： 式中式中: nv受剪面数受剪面数 d 螺杆直径螺杆直径 同一方向承压构件较小总厚度同一方向承压

58、构件较小总厚度 、 螺栓抗剪、抗压强度设计值螺栓抗剪、抗压强度设计值2、剪力螺栓的计算、剪力螺栓的计算一个螺栓（受剪）的承载力一个螺栓（受剪）的承载力设计承载力按下面两式计算：设计承载力按下面两式计算：一个受剪螺栓的承载力应取两者的较小值一个受剪螺栓的承载力应取两者的较小值教材附表教材附表1.3bNminbcbvbNNMinN;minbvvbvfdnN42bcbctfdN螺栓群的计算螺栓群的计算a、螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算接头一侧所需螺栓个数接头一侧所需螺栓个数)15(/01mindlNNnb0d螺栓孔径螺栓孔径1l当当1l015d连接进入弹塑性阶段后，则螺

59、栓的受力连接进入弹塑性阶段后，则螺栓的受力不易达到均匀，端部螺栓先破坏，然后不易达到均匀，端部螺栓先破坏，然后由外及内依次破坏。由外及内依次破坏。对于长连接，强度要进行折减，对于长连接，强度要进行折减，bNNnmin/折减系数折减系数7 . 01501 . 101dl见书见书P69图图3-62最后进行排列最后进行排列Nb、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算TTN1TyN1TxN11x1y1234假定个数假定个数n，布置螺栓栓，布置螺栓栓计算受力最大螺栓所负担计算受力最大螺栓所负担的力的力验算验算bNNminmax不满足或富裕过多重复步骤重新计算不满足或富裕过多重复步骤重新

60、计算两个假定：见书两个假定：见书P69) 1 (2211nTnTTrNrNrNTnTnTTrNrNrN2211) 1 (111122代入则有TnTnTTNrrNNrrN根据假定根据假定：1212222111)(NTrrNrrrriTnTbTiiiTNNyxrTrrTNmin1221211设计时为便于和其他荷载作用下产生的内力合成，为便于和其他荷载作用下产生的内力合成，TyTxTNNN111和分解为把2211111iiTTxyxyTryNN2211111iiTTyyxxTrxNNTN1TyN1TxN11x1y12341rC、螺栓群在扭矩、剪力、轴力共同作用下的计算螺栓群在扭矩、剪力、轴力共同作用