钢结构连接计算及构造

钢结构连接计算及构造钢结构连接计算及构造3.1钢结构的连接方法、形式、表示及特点3.2对接焊缝计算3.3角焊缝计算3.4焊接残余应力及残余变形3.5螺栓连接3.6普通螺栓连接3.7高强螺栓连接3.1钢结构的连接方法、形式、表示及特点钢材→构件→整体结构钢结构的连接方法选择的原则：传力明确简捷、强度可靠、保证安全，同时还须构造简单、材料节约、施工简便、造价降低。常用的连接方法一般采用焊接、栓接和铆接。(a)焊缝连接；(b)铆钉连接；(c)螺栓连接；(d)紧固件连接钢结构的连接方法连接方法优点缺点焊接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力焊接优点：任何形式的构件一般都可直接相连，不削弱构件截面，用料经济，构造简单，加工方便，连接刚度大，密封性能好，可采用全自动或半自动作业，生产效率高。缺点：焊缝附近钢材，在高温作用下形成热影响区，其金相组织和力学性能发生变化，导致局部材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的加温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定的影响。常用的连接方法一般采用焊接、栓接和铆接。焊接原理钢结构常用的焊接方法是电弧焊,包括手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊及气体保护焊等。手工电弧焊电路由焊条、焊钳、焊件、电焊机与导线组成。

通电引弧后，在涂有焊药的焊条端与焊件间产生电弧，使焊条熔化，熔滴滴入被电弧吹成的焊接溶池中，焊药燃烧在熔池周围形成保护气体，稍冷后在焊缝熔化金属表面形成熔渣，以隔绝熔池中液体金属与氧、氮等气体的接触，避免形成脆性易裂化合物，焊缝金属冷却后与焊件熔成一体。手工电弧焊直流手工电弧焊—氩弧焊多功能焊机直流手工电弧焊施焊适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝所采用的焊条型号应与主体金属相适应P26当不同强度钢材焊接时应选用与强度较低钢材相适应的焊条。自动或半自动埋弧焊自动或半自动埋弧焊主要设备是自动电焊机，沿轨道按设定速度移动，通电引弧后，使埋于焊剂下的焊丝和附近的焊剂熔化，熔渣浮在熔化的焊缝金属上面，使融化金属不与空气接触，并供给焊缝金属以必要的合金元素，随焊机的移动，颗粒状焊剂不断从料斗漏下，电弧完全被埋在焊剂之内，同时焊丝自动地边熔化边下降，称为自动埋弧焊。

(沿轨道推移过程由人工控制时，称为半自动埋弧焊)手工电弧直流/直流脉冲氩弧焊两用机1—焊丝转盘；2—转动焊丝的电动机；3—焊剂漏斗；4—电源；5—熔化的焊剂；6—焊缝金属；7—焊件；8—焊剂；9—移动方向埋弧自动电弧焊原理图门式全自动埋弧焊机H型钢柱上上

的焊焊缝气体保护护焊设备来自自上海怡怡宾机电电气体保护护焊是利利用惰性气体体或二氧氧化碳气体作为为保护介介质的一一种电弧弧熔焊方方法。直直接依靠靠保护气气体在电电弧周围围形成局局部的保保护层，，以防止止有害气气体侵入入，从而而保持焊焊接过程程的稳定定，气体体保护焊焊又称气气电焊。。(最常用的的惰性气气体是氩气)二氧化碳碳气体保保护焊塑性和抗抗腐蚀性性好，适适用于全全位置的的焊接。。但不适适用于在在风较大大的地方方施焊气体保护护焊现场场西湖国际际大厦施施工现场场采用二氧氧化碳气气体保护护施焊杭州广播播电视新新楼施工工现场采用二氧氧化碳气气体保护护施焊电阻焊电阻焊是是利用电电流通过过焊件接接触点表表面电阻阻所产生生的热来来熔化金金属，再再通过加加压使其其焊合。。电阻焊焊只适用用于板叠叠厚度不不大于12mm的焊接。。对冷弯弯薄壁型型钢构件件，电阻阻焊可用用来缀合合壁厚不不超过3.5mm的构件。。气焊焊缝的形形式与构构造1.按构件的的相对位位置分：：对接连接接、搭接连接接、Ｔ形连接接、角接连接接四种对接焊缝缝直缝斜缝角焊缝端缝侧缝斜焊缝2.按焊缝的的种类分分3.按施焊焊位置置分俯焊立焊横焊仰焊(a)对接连连接；；(b)用拼接接盖板板的对对接连连接；；(c)搭接连连接；；(d)、(e)T型连接接；(f)、(g)角部连连接焊缝连连接的的形式式焊缝的的表示示在钢结结构施施工图图中的的焊缝缝，应应遵照照《焊缝符符号表表示法法》（GB324——88）和《建筑结结构制制图标标准》（GB/T50105）的规规定予予以标标注。。焊缝符号:主要由图形符号、、辅助符号号和引出线线等部分组成成。图形符号:表示焊缝截截面的基本本形式。引出线:由横线、斜斜线及箭头头组成，而而横线由两两条平行的的实线与虚虚线组成，，可在实线线侧或虚线线侧标注符符号，斜线线和箭头则则将整个焊焊缝符号指指向图形的的有关焊缝缝处。连续角焊缝缝和间断角角焊缝<=30t(受拉)<=15t(受压)t当焊缝分布布不规则时时，在标注注焊缝符号号的同时，，宜在焊缝缝处加粗线线（表示可可见焊缝））或栅线（（表示不可可见焊缝）），工地安安装焊缝加加×号，如如图下图。(a)可见焊缝(b)不可见焊缝缝(c)工地安装焊焊缝焊缝标注方方法见教材P43焊缝缺陷(a)裂纹；(b)焊瘤；(c)烧穿；(d)弧坑；(e)气孔；(f)夹渣；(g)咬边；(h)未熔合；(i)未焊透焊缝缺陷焊缝质量检检验《钢结构工程程施工质量量验收规范范》（GB50205-2001）规定焊缝缝按其检验验方法和质质量要求分分为一级、二级级和三级。三级焊缝只要求对全全部焊缝作作外观检查且符合三级级质量标准准；设计要要求全焊透透的一级、二级级焊缝则除外观检查外，还要求求用超声波探伤伤进行内部缺陷的检验，超超声波探伤伤不能对缺缺陷作出判判断时，应应采用射线探伤检验，并应应符合国家家相应质量量标准的要要求。一级焊缝超声波和射射线探伤的的比例均为为100%，二级焊缝超声波探伤伤和射线探探伤的比例例均为20％且均不小小于200mm。当焊缝长长度小于200mm时，应对整整条焊缝探探伤。钢结构中一般采用三三级焊缝，可满足通通常的强度度要求，但但其中对接接焊缝的抗拉强度有有较大的变异性，，其设计值值仅为主体体钢材的85%左右。因而而对有较大大拉应力的的对接焊缝缝，以及直直接承受动动力荷载的的重要焊缝缝，可部分分采用二级焊焊缝，对抗动力和疲疲劳性能有较高要求求处可采用用一级焊缝。焊缝质量量等级须在在施工图中中标注，但但三级焊缝不不需标注。螺栓连接优点：施工工艺简简单，安装装方便，特特别适用于于工地安装装连接，工工程进度和和质量易得得到保证。。缺点：因开孔对构构件截面有有一定的削削弱，且被被连接的板板件需要相相互搭接或或另加拼接接板或角钢钢等连接件件，因而比比焊接连接接用材较多多，构造也也较繁。常用的连接接方法一般般采用焊接接、栓接和铆接。铆钉连接常用的连接接方法一般般采用焊接接、栓接和和铆接。对接焊缝的的计算对接焊缝的的焊件常需需做成坡口，故又叫坡坡口焊缝坡坡口形式与与焊件厚度度有关。当当焊件厚度度很小（手工焊6mm，埋弧焊10mm）时，可用用直边缝。对于一般厚厚度（6~20mm）的焊件可可采用具有有斜坡口的单单边V形或V形焊缝。斜坡口和和根部间隙隙c（离缝）共共同组成一一个焊条能能够运转的的施焊空间间，使焊缝缝易于焊透透；对于较较厚的焊件件（（t>20mm），则采用用U形、K形和X形坡口。(a)直边缝；(b)单边V形坡口；(c)V形坡口；(d)U形坡口；(e)K形坡口；(f)X形坡口对接焊缝的的坡口形式式在对接焊缝缝的拼接处处，当焊件件的宽度不不同或厚度度相差4mm以上时，应应分别在宽宽度方向或或厚度方向向从一侧或或两侧做成成坡度不大大于1:2.5的斜角（图图3.11），以使截截面过渡和和缓，减小小应力集中中。（a）改变宽度度；（（b）改变厚度度用引弧和引引出板焊接接钢板拼接对接焊缝的的强度与所所用钢材的的牌号、焊焊条型号及及焊缝质量量的检验标标准等因素素有关。抗压、抗剪剪强度:与母材强度度相同。抗拉强度:由于三级检验的焊缝允许许存在的缺缺陷较多，，故其抗拉拉强度为母材强度的的85%，而一、二级检检验的焊缝的抗抗拉强度可可认为与母材强度相相等。1、轴心受力力的对接焊焊缝的计算算式中lw—焊缝计算长度；

t—连接件的较小厚度，对T形接头为腹板厚度； 、—对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。当加引弧板板较为困难难而未加时时，焊缝长长度应减去去2t。因此，在一般加引引弧板施焊焊的情况下下，所有受受压、受剪剪的对接焊焊缝以及受受拉的一、、二级焊缝缝，均与母母材等强，，不用计算，只有受拉的的三级焊缝缝才需要进进行计算。2、斜向受力的对接的焊接接分别验证证正应力、、剪应力，，有一定的的近似性式中lw—焊缝的计算长度；加引弧板时，；不加引弧板时，；

—对接焊缝抗剪强度设计值。例3-1P46GOGO3、承受弯矩矩和剪力联联合作用的的对接焊缝缝对接接头受受弯矩和剪剪力的联合合作用，由由于焊缝截截面是矩形形，正应力力与剪应力力图形分别别为三角形形与抛物线线形，其最最大值应分分别满足下下列强度条条件。对接焊缝受受弯矩和剪剪力联合作作用

(3.2)

(3.3)式中，WW—焊缝截面模模量；SW—焊缝截面面面积矩；IW—焊缝截面惯惯性矩。工字形截面面梁的接头头，采用对对接焊缝，，除应分别别验算最大大正应力和和剪应力外外，对于同同时受有较较大正应力力和较大剪剪应力处，，例如腹板板与翼缘的的交接点处处，还应按按下式验算算折算应力力：（3-4）例3-2P474.承受弯、剪剪、轴力共共同作用的的对接焊缝缝对称工字形形截面当工字型钢钢梁同时承承担弯矩、、剪力、轴轴力共同作作用时：弯矩、轴力力由全截面面共同承担担，剪力由腹板板承担角焊缝的构构造一、角焊缝缝的形式直角角焊缝缝普通型深熔直角焊焊缝平坡凸形斜角角焊缝缝斜锐焊缝斜钝焊缝斜凹角焊缝缝大量试验结结果表明，，侧面角焊焊缝主要承承受剪应力力。塑性较较好，弹性性模量低（（N/mm²²），强度也也较低。正正面角焊缝缝的静力强强度高于侧侧面角焊缝缝，但塑性性差。二、最小焊焊角尺寸三、最大焊焊角尺寸四、角焊缝缝最小计算算长度五、侧面角角焊缝最大大计算长度度每条侧焊缝缝的长度不宜小于两两侧面角焊焊缝之间的的距离。两侧面角角焊缝之间间的距离b也不宜大于于16t(t＞12mm)或190mm（t≤12mm）,t为较薄焊件件的厚度。。在搭接连接接中，当仅仅采用正面角焊缝缝时，其搭接接长度不得小于焊焊件较小厚厚度的5倍，也不得小小于25mm。焊缝长度及及两侧焊缝缝间距搭接连接杆件与节点点板的焊缝缝连接(a)两面侧焊（（b）三面围焊焊（（c）L形围焊角焊缝的计计算单焊缝的三三种破坏形形式焊缝剪坏焊缝拉坏焊缝断裂直角角焊缝缝：计算截面为为450斜截面普通形平平坡凸凸形等等边凹形形斜角角焊缝缝1、当平行于于焊缝长度度方向时，，（侧面焊焊缝）2、当垂直于于焊缝长度度方向时，，(正面焊缝)3、在其它力力和各种力力综合作用用时例：3-3P514.承受轴心力角角钢的角焊接接连接（1）侧面焊接连连接时设N1N2分别为角钢肢肢背，肢尖承受的内内力（2）角钢用三面面围焊时N3作用在正面角角焊缝的中间间，所以N1、N2个分一半（3）角钢用L形围焊5、弯矩、轴力力、剪力共同同作用顶接连接角焊焊缝计算3.4焊接残余应力力和焊接变形形(a）、(b）纵横向收缩缩；(c)面内弯曲变形形；(d)角变形；(e)变曲变形；(f)扭曲变形；(g)薄板失稳翘曲曲变形图3.27焊接残余变形形类别示意图图焊接残余应力力和焊接变形形的危害1、焊接应力的的影响对结构静力强强度无影响降低结构的刚刚度对低温冷脆的的影响是决定定性的对结构的疲劳劳强度有明显显不利影响2、焊接变形的的影响焊接变形不但但影响结构的的尺寸和外形形美观，而且且有可能降低低结构的承载载能力，引起起事故。焊接残余应力力和焊接变形形的防止措施施（1）合理的焊缝缝设计合理的选择焊焊缝的尺寸和和形式，尽量量采用较小的的焊缝尺寸。。尽可能能减少少不必要的焊焊缝——不适当地大量量采用加劲肋肋。合理地安排焊焊缝的位置——尽量对称于中中性轴，或接接近中性轴尽量避免焊缝缝的过分集中中和交叉——加劲肋进行切切角尽量避免在母母材厚度方向向的收缩应力力（2）合理的工艺艺措施采用合理的焊焊接顺序和方方向——先焊工作时受受力较大的焊焊缝或收缩量量较大的焊缝缝。采用反变形法法锤击或辗压焊焊缝——在刚焊完时进进行。锤击应应保持均匀、、适度，避免免锤击过分产产生裂纹。对于小尺寸焊焊件焊前预热热returnGOGO3.5螺栓连接普通螺栓连接接按受力情况况可分为抗剪连接和抗拉连接，也有同时抗抗剪和抗拉的的。抗剪连接接又有单面受受剪和双面受受剪以及多面面受剪等不同同情况。普通螺栓抗剪剪连接通普普通螺栓抗抗拉连接1、螺栓的排列列螺栓在构件上上排列应简单单、统一、整整齐而紧凑，，通常分为并列和错列两种形式。螺栓的排列return2、螺栓在构件件上的排列应应满足受力、构造和和施工要求：（1）受力要求：：在受力方向向螺栓的端距距过小时，钢钢材有剪断或或撕裂的可能能。各排螺栓栓距和线距太太小时，构件件有沿折线或或直线破坏的的可能。对受受压构件，当当沿作用方向向螺栓距过大大时，被连板板间易发生鼓鼓曲和张口现现象。（2）构造要求：：螺栓的中矩矩及边距不宜宜过大，否则则钢板间不能能紧密贴合，，潮气侵入缝缝隙使钢材锈锈蚀。（3）施工要求：：要保证一定定的空间，便便于转动螺栓栓板手拧紧螺螺帽。GO3、螺栓的其他他构造要求螺栓连接除了了满足上述螺螺栓排列的容容许距离外，，根据不同情情况尚应满足足下列构造要要求：（1）为了使连接接可靠，每一杆件在节节点上以及拼拼接接头的一一端，永久性性螺栓数不宜宜少于两个。但根据实践践经验，对于于组合构件的的缀条，其端端部连接可采采用一个螺栓栓。（2）对直接承受受动力荷载的的普通螺栓连连接应采用双双螺帽或其他他防止螺帽松动动的有效措施。。例如采用弹弹簧垫圈，或或将螺帽或螺螺杆焊死等方方法。（3）由于C级螺栓与孔壁壁有较大间隙隙，只宜用于于沿其杆轴方方向受拉的连连接。承受静静力荷载结构构的次要连接接、可拆卸结结构的连接和和临时固定构构件用的安装装连接中，也也可用C级螺栓受剪。。但在重要的的连接中，不不得采用C级螺栓。应优优先采用高强强度螺栓。（4）沿杆轴方向向受拉的螺栓栓连接中的端端板（法兰板板），应适当当加强其刚度度（如加设加加劲肋），以以减少撬力对对螺栓抗拉承承载力的不利利影响。4、孔、螺栓图图例普通螺栓连接接计算抗剪螺栓----依靠螺杆抗剪剪和螺杆对孔孔壁的承压，，传递垂直于于螺栓的外力力抗拉螺栓----依靠螺杆受拉拉传递平行于于螺杆的外力力1、抗剪普通螺螺栓连接构造造破坏形式主要要有a）螺栓剪