图解钢结构的连接方法及构造计算

钢结构的连接图3.1钢结构的连接方法§1钢结构的连接方法图3.22

图3.1b钢结构的连接方法图3.1b螺栓连接焊接：构造简单，节省材料，操作简便省工，生产效率高，在钢结构连接中应用较广。栓接：普通螺栓连接

(Q235钢)精制螺栓连接：A，B级粗制螺栓连接：C级高强度

螺栓连接摩擦型高强度螺栓连接：用于直接承受动力荷载的结构。承压型高强度螺栓连接：用于承受静力或间接动力的结构。铆接：传力可靠，塑性、韧性较好，但制造费工费料，且劳动强度高，目前已使用极少。§2焊缝的形式、质量等级及检查方法一、焊接的形式1.根据焊件的接头位置可分为对接接头–––对接焊缝角接接头搭接接头–––角焊缝T形接头对接焊缝角焊缝图3.2焊接接头及焊缝的形式2.根据施焊的位置可分为平焊立焊横焊仰焊(a)(b)(c)(d)(e)图3.3焊缝的施焊位置二、焊缝的表示方法焊缝符号表3.1hfhf

E50daaaahfhf

hf

hf

aaaad角焊缝单面焊缝双面焊缝安装焊缝相同焊缝型式标注方法对接焊缝塞焊缝三面围缝E50为对焊条的辅助说明三、焊缝的质量等级及检查1.焊缝的缺陷常见的缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等。图3.4焊缝缺陷2.焊缝的质量等级及检查依据标准：《钢结构工程施工及验收规范》(GB502－95)III级：外观检查II级：外观检查+超声波I级：外观检查+超声波+射线质量等级增高（1）对接焊缝正对接焊缝（2）角焊缝T型对接焊缝斜对接焊缝3.3对接焊缝的构造和计算3.3.1焊缝的形式3.3对接焊缝的构造和计算3.3.2对接焊缝的构造（p49）1常见的坡口型式：I型、V型、U型、X型、单边V型、K型、单边U型。2焊件尺寸不同时的处理方法1）板宽不同时2）板厚不同时的处理方法3.3.3对接焊缝的计算2计算的基本假设：2）焊缝中应力分布情况基本与焊件原有相同。1）

焊缝视为焊件截面的延续部分；1对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种；部分焊透不能垂直受力承受动载NNt3.3.3.1轴心力作用式中：lw––焊缝的计算长度，当有引弧板时取

l

无引弧板时取l-2t

t––焊件中较薄焊件的厚度

；

T形连接中为腹板厚度––对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。lNNt当计算不满足时怎么办？当计算不满足时改为斜对接焊缝NNtBθNsinθNcosθlw另:当tanθ≤1.5时,不用验算!NNlwtAtMMmaxmax3.3.3.2弯矩和剪力共同作用时1.矩形截面1）正应力计算2）剪应力计算式中：Ww–––焊缝截面抵抗矩；–––对接焊缝抗剪强度设计值。Sw–––焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩；Iw–––焊缝截面惯性矩；2.“I”字形截面除按矩形截面验算max、max点外，尚须补充：式中为何引用系数1.1？考虑折算应力只在局部发生，因而将焊缝强度提高。MV1焊缝截面σmaxτσ1τ1τmax[例1]两块钢板连接，采用对接焊缝。已知F=950kN(设计值)，板宽600mm，板厚为8mm，钢材Q235，焊条E43系列，手工焊，无引弧板。NNlwtA问焊缝承受的最大应力是多少？3.4.1角焊缝的构造P3.4.1.1角焊缝的形式按焊缝长度与外力作用方向关系不同可侧面角焊缝正面角焊缝3.4角焊缝的构造和计算角焊缝的形式：侧面角焊缝和正面角焊缝按角焊缝截面形式普通型凹面型平坦型(a)普通型(b)平坦型hf

(c)凹面型3.4.1.2角焊缝的构造要求1.最小焊脚尺寸(mm)tmax

–较厚焊件厚度当tmax

4mm时，hf,min=tmax2.最大焊脚尺寸tmin

–较薄焊件的厚度(mm)tmin

6mm：hf,maxtmin对板件边缘角焊缝：tmin

>6mm：hf,maxtmin

–(1~2)mm3.角焊缝最大计算长度和最小计算长度lw,min

8hf

和40mmlw,max

60hf

(静力或间接动力荷载)40hf

(直接动力荷载)3.4.2角焊缝的计算3.4.2.1角焊缝强度表达式假设角焊缝的破坏面均位于45º喉部截面，其焊缝有效面积为Ae

=0.7hflw。应力在截面上是均匀分布的。角焊缝的强度设计值统一采用，不区别抗拉、抗压和抗剪。1基本假设：2角焊缝的应力分析P(b)(c)(a)由Nx

f式中：he

–––焊缝有效厚度，he

=0.7hf。3公式推导过程自学教材P由Ny

ff

–––正面角焊缝的强度增大系数，对于承受静力或间接动力的结构取1.22，对于承受直接动力荷载的结构取1.0。4角焊缝基本计算公式3.4.2.2角焊缝的计算P1.轴心力作用时角焊缝的计算A.正面或侧面角焊缝式中：f

–––正面角焊缝取1.22；

侧面角焊缝取1.0。B.两个方面力综合作用时式中：(对竖直焊缝)(对水平焊缝)C.当用角钢连接时(1)采用两面侧焊时两面侧焊M=0：式中：b

–––角钢肢宽；Z0

–––角钢形心矩；1,2

–––角钢肢背、肢尖焊缝内力分配系数。角钢两侧角焊缝的内力分配系数表3.2角钢类型等边不等边不等边连接情况分配

系数角钢肢背1角钢肢尖20.700.300.750.250.650.35(2)当采用三面围焊时三面围焊假设hf

3，M=0：再假设hf

1，hf

2(通常取hf

1=hf

2=hf

3)，则有图3.16角钢与连接板的角焊缝连接(c)L形围焊(3)采用L围焊时由三面围焊结论：令上式为零，则：[例2]如图所示双角钢支撑拉杆，承受轴心拉力N=700kN(设计值，间接动力荷载)，试设计其与节点板的连接角焊缝。已知钢材为Q235－A·F，焊条E为43型。[分析]设计角钢连接角焊缝的型式，因此有三种不同型式可供采用：

两面侧焊； 三面围焊； L形围焊。通常解此类题型是先假设焊脚尺寸后，再求焊缝的长度。[已知条件]荷载设计值及其性质；

连接板及角钢的尺寸。解：一、按构造要求，确定角焊缝焊脚尺寸范围已知：节点板t=14mm,角钢t1=10mmhf,max

=t1–1=9mm(角钢尖和角钢端部)。二、角焊缝设计1.用侧面角焊缝等边角钢，正反面角焊缝，每面需要：实用角焊缝已标于图中：角钢背：12–200(12190=2280mm2>2188mm2)角钢尖：6–170(6160=960mm2>938mm2)。如题中未给出焊脚尺寸，则设角钢背焊脚尺寸为12mm，长lw1，设角钢尖焊脚尺寸为6mm，长lw2考虑无引弧板：N3=20.78901601.22=196.76kN2.采用三面围焊设全部角焊缝焊脚尺寸为8mm实用：l1=lw1+5=214mm，取215mml2=lw2+5=68mm，取70mml3=b=90mm3.L形围焊因内力较大，需hf3过大，不能采用L形围焊。3.4.2.3弯矩、剪力和轴力共同作用时的角焊缝计算

矩形截面将综合作用分解为各力单独作用之和有：3.4.2角焊缝的计算3.4.2.3弯矩、剪力和轴力共同作用时的角焊缝计算(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用下焊缝强度计算h1σfAσfBτf对于A点：式中：Iw—全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；

h1—两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxhh2BB’Ah1MeFVM对于B点：强度验算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊缝的计算长度；

he,2—腹板焊缝截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVMyeNxVFAOA三、扭矩、剪力和轴力共同作用图3.21扭矩、剪力和轴心力共同作用时搭接接头的角焊缝=yT=VeOxyyxNVO假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。3T、V共同作用下将F向焊缝群形心简化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：该连接的设计控制点为A点和A’点xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A点应力:将其沿x轴和y轴分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下,A点应力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为:A点平行于焊缝长度方向的应力为:强度验算公式：思考:以上计算方法为近似计算，为什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe根据角焊缝强度的基本公式：[例3]试设计图示柱牛腿与柱的连接角焊缝。已知F=250kN(设计值，直接动力荷载)，

e=0.4m，钢材Q235－B，焊条E4316型。图3.20[已知条件]荷载设计值及性质；焊缝形状及尺寸；[求解]焊脚厚度hf

。解：M=Fe=2500.4=100kN·mV=F=250kN一、求等效荷载：二、计算焊缝截面几何特征计算时注意无引弧板If=

0.7hf(23003/12+21901622+4901502)

=15.80106hf

mm4Aw=

20.7hf300mm2设焊缝焊脚尺寸为hfA点：B点：动力荷载Bf=1.0计算假定：N、V由焊缝全截面均匀承担。连接为绝对刚性，焊缝处于弹性工作状态；根据假设，焊缝群最不利点是A点式中：r–––A点的半径IP

=Ix+Iy

–––角焊缝有效截面的极惯性矩。[例4]试设计图示厚度为12mm的支托板和柱搭接的角焊缝，作用力F=100kN(设计值，静力)至柱翼缘边距离为200mm，钢材Q235，焊条E43系列。图3.22–12–20200100F220x0y95假设焊脚尺寸为hf一、计算形心O的位置根据材料力学，在忽略焊脚尺寸的影响后有：[已知条件]：荷载设计值及性质，焊缝形式及尺寸；[求解]：焊脚尺寸。二、计算有效焊缝截面几何特征三、焊脚尺寸计算§3.4残余应力和残余变形3.4.1产生的原因钢结构在焊接过程中，局部区域受到高温作用，引起不均匀的加热和冷却，使构件产生焊接变形焊接残余应力有纵向、横向和沿厚度方向之分。纵向横向焊接残余应力沿厚度方向焊接残余应力3.4.2焊接残余应力影响（1）对结构静力强度的影响。钢材有一定塑性，在静荷载作用下，焊接残余应力不影响结构的静力强度，对承载能力没有影响。（2）对结构刚度的影响。构件上的焊接残余应力会降低结构的刚度。（3）对低温冷脆的影响。焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的，必须引起足够的重视。（４）对疲劳强度的影响。焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。焊接残余变形3.4.4减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法1、合理的焊缝设计合理地选择焊缝的尺寸和形式尽可能减少不必要焊缝合理地安排焊缝的位置尽量避免焊缝的过分集中和交叉尽量避免在母材厚度方向的收缩应力2合理的工艺措施采用合理的焊接顺序和方向采用反变形法减小焊接残余变形或焊接残余应力锤击或辗压焊缝，使焊缝得到延伸，从而降低焊接应力小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火接残余应力和焊接残余变形。§5普通螺栓连接的构造和计算3.5.1普通螺栓连接的构造1普通螺栓的规格表示方法：标准螺栓直径：M12、(14)、16、(18)、20、(22)、24、27、30mm等A、B、级5.6或8.8级do--d＝0.3～0.5mmC级4.6或4.8级do--d＝1～3mmM+公称直径分为:A、B、C三个级别高强度螺栓规格（简介）材料由45号、40B和20MnTiB钢热处理45号－8.8级；40B和20MnTiB－10.9级

（a）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓2螺栓的排列形式1.受力要求2.构造要求3.施工要求3.5.1普通螺栓连接的构造A并列中距中距边距边距端距B错列边距中距中距边距端距中距中距边距边距端距中距acacee2e1e2e1(a)(b)螺栓的排列图3.22

图3.22

3.5.2、普通螺栓连接的受力性能和计算传力方式受剪螺栓连接：靠栓杆受剪，孔壁承压传力。受拉螺栓连接：靠栓杆沿杆轴方向受拉传力。拉剪螺栓连接：兼有两种形式。FNF1受剪螺栓连接破坏形式（1）螺栓杆被剪坏栓杆较细而板件较厚时N/2NN/2NNNN（2）孔壁的挤压破坏栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断截面削弱过多时

以上破坏形式予以计算解决。（4）板件端部被剪坏(拉豁)

端矩过小时；端矩不应小于2dONN（5）栓杆弯曲破坏螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d这两种破坏构造解决N/2NN/2(1)栓杆剪断(2)孔壁挤压坏(3)钢板拉断(4)端部钢板剪断(5)柱杆受弯破坏计算满足构造保证2.计算方法(1)单个受剪螺栓的承载力设计值

抗剪承载力设计值假定：螺栓受剪面上的剪应力为均匀分布式中：nv

–––受剪数目，单剪nv

=1，双剪nv

=2。N/2NN/2(a)(b)t5t3t1t2t4(c)承压承载力设计值假定：承压应力沿螺栓直径的投影面均匀分布式中：t

–––在同一受力方向的承压构件中的较小总厚度。d(2)螺栓群的受剪螺栓连接计算

轴心力作用时图3.25螺栓群受轴心力作用时受剪螺栓NNNNbt1t1l1tIIIIIIIIIIII(a)A.确定螺栓需要数目B.验算钢板净截面强度式中：An–––构件或连接板的净截面积。

并列布置：构件截面：An=(b–n1d0)t连接板截面：An=2(b–n1d0)t1

A并列中距中距边距边距端距

错列布置：IIIeeeee1e1baNNNNt1tt1III(b)1’1’11

受偏心力作用时yeFOxxxT=Feyyx1y1OO假定：刚性，弹性体，受扭所有螺栓均绕螺栓群形心O旋转。TxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F

受剪时1受拉螺栓连接1）受力性能和破坏形式3.5.2、普通螺栓连接的受力性能和计算2.计算方法(1)单个受拉螺栓的承载力设计值式中：Ae,de–––螺栓螺纹处有效面积和直径。

dedndmd受偏心力作用时N1maxN2N3NiN1maxy1y1y2yiFNeMV11刨光顶紧支托OA.小偏心(2)螺栓群的受拉螺栓连接计算受轴心拉力作用时受弯时中和轴位于螺栓群形心O处式中：m–––螺栓列数。受拉时每个螺栓均匀受力：B.大偏心N1maxN2Niynyiy2y1eFO11V中和轴位于最下一排螺栓处，则中和轴位于最下一排螺栓处，则(三)拉剪螺栓连接重要连接–––用支托板承受剪力。次要连接–––满足相关方程。3.5.2、普通螺栓连接的受力性能和计算图3.31[例5]试设计一C级螺栓的搭接接头。作用力设计值F=230kN，偏心距e=300mm。材料Q235钢。图3.27[解]试选M20螺栓，d0=21.5mm，纵向排列，采用比中距最小容许距离3d0稍大的尺寸，以增长力臂。单个受剪螺栓的抗剪和承压承载力设计值：因y1=30cm>3x1=35=15cm，得[例6]试设计一屋架下弦端板和柱翼缘板的C级螺栓连接。竖向剪力V=250kN由支托承受，螺栓只承受水平拉力F=420–200=220kN。420kNN1max580=400e=320e=120320kN250200OO图3.30[解]初选12个M20螺栓，d0=21.5mm。并按图中所示尺寸排列，中距比最小容许距离3d0稍大。e=12cm。先按小偏心情况计算。单个螺栓的抗拉承载力设计值。须改按大偏心情况计算，即假定中和轴在最上一排螺栓轴线O处，e=32cm。§3－6

高强度螺栓连接计算3.6.1、高强度螺栓的工作性能及单栓承载力

1、按受力特征的不同高强度螺栓分为两类：

摩擦型高强度螺栓—通过板件间摩擦力传递内力，

破坏准则为克服摩擦力；

承压型高强度螺栓—受力特征与普通螺栓类似。2、高强度螺栓预拉力的确定

高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数：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。附加安全系数0.9。因此，预拉力：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/mm23、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数μ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μ

；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减小；规范给出了不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数μ,如下表4、高强度螺栓抗剪连接的工作性能和单栓承载力(1)抗剪连接工作性能受力过程与普通螺栓相似，分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。但比较两条N—δ曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段远远大于普通螺栓。abNN/2N/2abNN/2N/2式中：0.9—抗力分项系数γR的倒数(γR=1.111);

nf—传力摩擦面数目;

μ--摩擦面抗滑移系数;P—预拉力设计值.（2）抗剪连接单栓承载力（摩擦型）单栓抗剪承载力：抗剪承载力：承压承载力：（2）抗剪连接单栓承载力（承压型）5、高强度螺栓抗拉连接工作性能和单栓承载力NPCP+△P=PfC-△C=CfNtA、摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉承载力为：B、承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：式中：Ae--螺栓杆的有效截面面积；

de--螺栓杆的有效直径；

ftb—高强度螺栓的抗拉强度设计值。上式的计算结果与0.8P相差不多。（1）高强度螺栓摩擦型连接6、高强度螺栓连接在拉力和剪力共同作用下的工作性能和单栓承载力（2）高强度螺栓承压型连接

对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同。为了防止孔壁的承压破坏，应满足：系数1.2是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。二、高强度螺栓群的抗剪计算1、轴心力作用假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：对于摩擦型连接：对于承压型连接：NNNNbtt1b1

高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算.A、高强度螺栓摩擦型连接主板的危险截面为1-1截面。11考虑孔前传力50%得：1-1截面的内力为：2、扭矩或扭矩、剪力共同作用下

计算方法与普通螺栓相同，即：FTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F剪力F作用下每个螺栓受力：三、高强度螺栓群的抗拉计算1、轴心力作用假定各螺栓均匀受力，故所需螺栓数：N2、弯矩作用下

由于高强度螺栓的抗拉承载力一般总小于其预拉力P，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于紧密接触状态，弹性性能较好，可认为是一个整体,所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。MMM1234y1y2N1N2N3N4受压区中和轴由力学可得：因此，设计时只要满足下式即可：3、偏心拉力作用下

偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于0.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可采用以下方法（叠加法）计算:Ne1234M=N·eNy1y2N1N2N3N4中和轴M作用下N作用下四、高强度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的连接计算NV单个螺栓所受的剪力：单个螺栓所受的拉力：1234NVN作用下V作用下§6高强度螺栓连接的计算·S表示高强度螺栓公称抗拉强度f0.2与fu之比的10倍公称抗拉强度

fu的1/100性能等级按热