钢结构的连接(第7.8)角焊缝

第三章钢结构的连接焊缝连接螺栓连接第三章钢结构的连接教学目的、要求教学内容1.掌握全焊透对接焊缝和直角角焊缝的构造与计算；2.理解普通螺栓和高强螺栓的构造与计算；3.了解焊缝的残余应力和残余变形；1.钢结构的连接方法及应用2.全焊透对接焊缝的构造与计算―重点3.角焊缝的构造与计算―重点4.焊缝的残余应力和残余变形5.普通螺栓和高强螺栓的构造与计算―难点教学时间安排16学时1.角焊缝的形式和强度第三章连接3.3角焊缝的构造和计算3.3.1角焊缝的构造角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。

（a）普通型（b）平坡型（c）凹面型图3.10直角角焊缝截面（1）直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。对承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用（b）的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹面式（c）。he

＝hfcos45°=0.7hf第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接（2）斜角角焊缝两焊边的夹角a>90°或a<90°的焊缝。通常用于钢漏斗和钢管结构中。图3.11斜角角焊缝截面（d）斜锐角焊缝（e）斜钝角焊缝（f）斜凹面角焊缝hehehehf—焊脚尺寸；—焊脚边的夹角；

he—有效厚度（破坏面上焊缝厚度）并有，he

＝hfcos(/2)对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接1）侧面角焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行。主要承受剪应力，强度低，弹性模量低，但塑性较好。弹性阶段分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。(3)角焊缝的工作性能第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接图3.12

侧焊缝的应力和破坏截面N剪切破坏面Nτf第三章连接

2）正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，受力后应力状态较复杂。焊缝截面各面都有正应力和剪应力，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度要高一些，但塑性差，弹性模量大。

(3)角焊缝的工作性能第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接caτxy图3.13端焊缝的应力状态NNcb2NacaobτxyσxτyxabτyxcaσxabσyN2N第三章连接3.3.2.构造要求

角焊缝构造包括三个方面：焊脚尺寸、焊缝长度和减小焊缝应力集中的措施。角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸--hf（1）焊脚尺寸为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:

a)最小焊脚尺寸(hf,min)第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接自动焊（温度高而均匀）：手工焊角焊缝：t—较厚焊件的厚度。焊件厚度t≤4mm时：取hfmin=tT形连接单面角焊缝（冷却快）：第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接hftt1t1＜t

取整mm数，小数点以后只进不舍。第三章连接hfmax≤1.2t

t—较薄焊件的板厚。

b)最大焊脚尺寸(hfmax)为了避免焊缝局部过热，烧穿较薄的焊件，减小焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接hftt1t1＜t第三章连接

b)最大焊脚尺寸(hfmax)

板端焊缝：对板件（厚度t

）边缘的角焊缝（贴边焊）

当t≤6mm时，hfmax≤t

； 当t＞6mm时，hfmax≤t-(1～2)mm

。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接焊脚尺寸的取值：hfmin≤hf≤hfmax

若另一焊件厚度t1＜t时，还应满足hf,max≤1.2t1

tt1hf贴边焊缝第三章连接（2）角焊缝计算长度角焊缝计算长度（lw）取值lwmin≤lw

≤lwmax

最小计算长度（lwmin）

为了使焊缝能有一定的承载能力，侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：lwmin≥8hf和40mm

考虑到焊缝两端的缺陷，其实际长度应较前述数值还要大2hflwmax≤60hf

若实际长度超过以上数值，则超过部分不纳入计算长度中。若内力沿侧焊缝全长分布时，计算长度不受此限制。如工字形梁及柱的翼缘与腹板的连接焊缝

b)侧焊缝最大计算长度（lwmax）第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接（3）减小角焊缝应力集中的措施tblw图3.15侧焊缝引起焊件拱曲为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，b≤16t（t>12mm）或190mm（t≤12mm）；a)构件端部仅有两边侧缝连接时：试验结果表明，连接的承载力与b/lw有关。为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，每条侧缝长度b

/lw≤1；t为较薄焊件的厚度。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接

c)直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：正面角焊缝宜为1:1.5，长边与内力方向一致；侧面角焊缝可用凹形直角焊缝为1:1。

b)在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接t1t2

（t1＜t2）搭接图第三章连接

d)当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。b)2hfa)2hf2hf图3.15绕角焊缝第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接

焊角尺寸：hfdcbadcbahehfhf1）焊缝的破坏面3.3.4直角角焊缝的基本计算公式假定：直角角焊缝破坏发生于45°截面上，既有效厚度方向发生。图3.17直角角焊缝截面

有效厚度：he＝0.7hf

焊缝厚度：有效厚度+熔深+凸度

有效截面：有效厚度×计算长度计算时假定有效截面上应力均匀分布。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接（作用力平行于焊缝方向）1、侧面角焊缝NN图3.24侧面角焊缝的应力分布示意图当承受动力荷载时：---正面角焊缝强度增大系数，1.22。2、正面角焊缝（作用力垂直于焊缝方向）NN图3.25正面角焊缝的应力分布示意图3、斜向角焊缝NNy=NcosθNx=Nsinθθ图3.26斜向轴心力作用第三章连接3.3.4角焊缝的计算第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构,设计用钢量4.2万吨，是目前国内外体育场馆中用钢量最多、规模最大、施工难度最大、拥有多项世界顶级施工技术难题的大型钢结构工程。该工程设计使用年限为100年。建筑面25.8万平方米,建筑造价：34亿元人民币。高空全焊接钢结构，焊缝总长30万米。第三章连接3.4.3角焊缝的计算第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接基督教礼拜堂项目，总建筑面积为13484.02m2，地上建筑主体为高底大于24m的单层公共建筑。钢构件间的连接采用全熔透坡口焊接和高强度螺栓连接两种形式，焊缝采用焊脚尺寸均为双面焊8mm角焊缝。

第三章连接3.3.4角焊缝的计算第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接3.3.4角焊缝的计算1、教学内容：角焊缝的连接计算

(1)轴心力作用下角焊缝连接计算

(2)弯矩、轴心力作用下的连接计算

(3)扭矩、剪力作用下的连接计算2、重点：轴心力作用下盖板类、角钢类连接计算第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接3.3.4角焊缝的计算1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算

当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。(1）用盖板的对接连接A、仅采用侧面角焊缝连接NNlwSlw－连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接B、采用三面围焊连接NNlwlw’先计算正面角焊缝承担的内力Slw′－连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和再计算侧面角焊缝的强度Slw－连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接(2）承受斜向轴心力的角焊缝NNxNyθff轴心力作用下的角焊缝平行于焊缝长度方向的分力Ncos垂直于焊缝长度方向的分力Nsin外力N和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力N被分解为：代入公式，得焊缝计算公式：→第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接例题3.1

试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽B＝270mm，厚度t1=28mm，拼接盖板的厚度t2=16mm。该连接承受的静态轴心力N＝1400kN（设计值），钢材为Q235B，手工焊，焊条为E43型第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接[分析]方法一：假定焊脚尺寸----焊缝长度----拼接盖板尺寸步骤1：假定焊脚尺寸（hf）角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的。最大焊脚尺寸：规范规定，当t>6mm时，hf≦t-(1～2)mm，t为较薄焊件的厚度hfmax=14～15mm取hf=10mm,查表可得角焊缝强度设计值：ffw＝160N/mm2最小焊脚尺寸：规范规定，hf≧1.5(t)1/2，t为较厚焊件的厚度hfmin=7.9mm第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接步骤2：计算焊缝长度（lw）假设采用两面侧焊缝，拼接盖板采用上下两块。根据公式算得连接一侧所需四条焊缝总长度拼接盖板的长度L=2lw+10=333×2+10=676mm,取680mm式中，10为两块被连接钢板的间隙一条侧焊缝的实际长度:lw′=1250/4+2×10=333mm验算lwmin=10×hf=10×10=100≦lw′=333≦lwmax=60×hf=60×10=600第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接步骤3：确定拼接盖板的宽度（b）虽然沿拼接盖板的宽度方向没有施焊，但也应该根据强度条件和构造要求确定其宽度。强度条件：假设b=240mm,则一块拼接盖板的横截面积A=3840mm2,根据静态轴力计算的强度值s=N/2A=1.4×106/（2×3840）=182.3N/mm2<f=215N/mm2故选用拼接盖板的尺寸为680mm×240mm×16mm构造要求：当板件端部只有两条侧面角焊缝连接时，要b<lw=333mm。

当t>12mm时，b≤16t=16×16=256,t为较薄焊件的厚度第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接【练习】验算下图所示连接的强度(采用三面围焊)。已知钢板宽B1=400mm，厚t1=18mm,受轴心力N=1425kN（静荷载），钢材Q235B，手工焊，焊条E43型。取hf=8mm。两块矩形盖板宽B2=340mm，厚t2=12mm。NNNN第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接（3）承受轴心力的角钢端部连接

在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊（如图所示）。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。图4.26桁架腹杆节点板的连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接NN1N2eb角钢的侧缝连接

a)仅用侧面焊缝连接解上式得肢背和肢尖的受力为：（4.19）（4.20）在N1、N2作用下，假定肢尖、肢背hf1、hf2，侧缝的计算长度为：由平衡条件得：肢背肢尖K1—角钢肢背焊缝的内力分配系数K2—角钢肢尖焊缝的内力分配系数，查表4.4P72第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接表3.4角钢角焊缝内力分配系数K第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接

b)角钢用三面围焊时，可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3

，并算出它所能承受的内力N3

：通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为:

角钢角焊缝围焊的计算NN1N2ebN3lw2lw1在N1、N2作用下，侧焊缝的长度用公式（3.21、3.22）。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接c)当采用L形围焊时，令N2＝0，得：L形围焊角焊缝计算公式为：若求出得hf3大于hfmax

,则不能采用L形围焊。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接角焊缝的实际长度和计算长度关系：角焊缝：实际长度=计算长度+2hf三面围焊或L型焊缝，因在转角处必须连续施焊，可视为一条焊缝注：焊缝的实际长度取5mm的倍数。便于焊条下料第三章连接例3.2

设计如图所示双面不等边角钢和节点板间的连接角焊缝。受静力荷载N=575kN。长肢相拼，钢材Q235，手工焊，焊条E43型。N=575kN2160×100×10[分析]目标：设计焊缝（包括焊脚尺寸、焊缝长度）方法：假定焊脚尺寸----焊缝长度第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接

步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw）查表：ffw=160N/mm2

步骤2：假定焊脚尺寸（hf）角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的。最大焊脚尺寸：规范规定，当t>6mm时，hf≦t-(1～2)mm，t为较薄焊件的厚度10mmhfmax=8～9mm取hf=6mm最小焊脚尺寸：规范规定，hf≧1.5(t)1/2，t为较厚焊件的厚度14mmhfmin=5.6mm第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接步骤3：计算角钢肢背和肢尖上侧缝分担的轴力（N1,N2）查表得焊缝内力分配系数K1=0.65,K2=0.35肢背角焊缝所承受的内力N1=0.65×575=373.75kN肢尖角焊缝所承受的内N2=0.35×575=201.25kNNk1Nk2Nlw2lw1第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接步骤4：计算角钢肢背和肢尖上侧缝长度（lw1,lw2）利用公式肢背角焊缝侧缝长度lw1′=278mm考虑到起灭弧的影响，肢背和肢尖角焊缝实际长度肢尖角焊缝侧缝长度lw2′=150mmlw2=lw2′+2hf=162mmlw1=lw1′+2hf=290mm第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet（1）受弯矩M

、剪力V

、轴力N联合作用时角焊缝的计算由轴心拉力Nx产生的应力：由弯矩M产生的最大应力：2.复杂受力时角焊缝连接计算第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接A点产生的剪应力：A点控制应力最大为控制设计点A点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力Nx和弯矩M产生的正应力。直接叠加得：代入角焊缝实用计算公式第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接（2）V、M共同作用下焊缝强度计算h1σf1σf2τfxxhh222’1h1MeFVM对于1点：式中：Iw—全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；

h1—两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接弯曲应力沿焊缝截面呈三角形分布剪应力沿腹板焊缝截面均匀分布如图第三章连接h1σf1σf2τfxxhh222’1h1MeFVM对于2点：强度验算公式：h2—腹板焊缝的实际长度；lw2—腹板焊缝的计算长度；he2—腹板焊缝截面有效高度。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure第三章连接工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是使焊缝传递应力近似与材料所承受应力相协调，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M化为一对水平力H=M/h。

(h值近似取为翼缘中线的距离)

腹板焊缝的强度计算式：HH翼缘焊缝的强度计算式：V第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接Chapter4Connectionsofsteelstructures第三章连接（3）三面围焊受扭矩、剪力联合作用时角焊缝的计算图3.3.19承受偏心力的三面围焊Fe1rxahl2xxyyAA’0TVre将F向焊缝群形心简化得:

轴心力V＝F扭矩

T=Fe故：该连接的设计控制点为A点和A’点计算时按弹性理论假定:①被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。②扭距在角焊缝群上产生的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r成正比。③在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接e2x0hl2xxyyAA’0TFrxxyyrrxryA0θheTTfFA’T作用下A点应力:sTIp——为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip=Ix+Iy

Ix，Iy——焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩；

rx、ry——为焊缝形心到焊缝验算点在x、y方向的距离。第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接第三章连接轴力F产生的应力按均匀分布计算，A点应力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为:f，F，平行于焊缝长度方向的应力为:T强度验算公式：F第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接xxyyrrxryA0θheTTfFA’例3.3

验算图中梁与钢柱间的连接角焊缝的强度。钢材Q235，手工焊，焊条E43型。荷载设计值N=400kN（静力荷载），e=250mm，焊脚尺寸hf=8mm。焊缝采用了周边围焊。NVMa)b)c)例题4.3(角焊缝受偏心剪力)第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接[分析]对于工字梁与钢柱的角焊缝连接，通常只承受弯矩M和剪力V的作用，荷载情况简单，但是焊缝采用了周边围焊，焊缝截面情况比较复杂。目的：验算角焊缝的强度（焊脚尺寸hf已知，焊缝长度lw可以根据构造要求确定）计算时可以采用两种假设：A：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担；B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩。第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接[计算]步骤2：作用在焊缝形心上力的计算V=N=400kNM=Ne=100kN·m

步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw）查表4.2（P63）得ffw=160N/mm2

采用假设A：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担步骤3：计算焊缝有效截面对中和轴的惯性矩第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接翼缘焊缝的最大正应力

sf1=106.9N/mm2<bf×160=195N/mm2

步骤4：计算控制点应力控制点有两点：

a)翼缘焊缝的最外纤维处

b)翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处

b)交点处腹板焊缝由弯矩引起的最大正应力sf2=88.4N/mm2剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力tf=105.0N/mm2交点处腹板焊缝的强度为127.6N/mm2<160N/mm2

满足强度要求第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接

采用假设B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩HH

步骤3：翼缘焊缝所承受的水平力（翼缘焊缝承担全部弯矩，可以将弯矩转化为一对水平力）

H=M/h=263kN(h值近似取为翼缘中线的距离)翼缘焊缝的强度sf＝120.4N/mm2<195N/mm2腹板焊缝的强度tf＝105.0N/mm2<160N/mm2均满足要求第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接例4.4

设计牛腿板与钢柱间的连接角焊缝（三面围焊），并验算焊缝强度。板边长度l1=300mm，l2=400mm，偏心力F=196kN，e1=300mm，承受静力荷载，钢材Q235，手工焊，焊条为E43型，钢板厚t=10mm。（见书上例题4.5，P78）ye1TFVAoa)e2l1l2第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接xryrxrb)yoxy0.7hfye1TFVAoa)e2l1l2[分析]该三面围焊共同承受剪力V和扭距T的作用，将偏心力F移至焊缝计算截面的重心就可以求出相应的V和T。目的：设计牛腿板和钢柱板之间的角焊缝（焊缝长度可以根据构造要求确定）假设焊脚尺寸－－验算角焊缝的强度第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接[计算]步骤2：焊缝计算截面的重心位置

x0=90mm

步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw）查《规范》（P382表1.3）得ffw=160N/mm2

xyx300400步骤3：焊缝截面的惯性矩

Ix=16.4×107mm4Iy＝5.5×107mm4Ip＝21.9×107mm4第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接步骤4：作用在焊缝上的力计算

V=F=196kNe=e1+e2=e1+(l1-x0)=510mmT=Fe=109N.mmrTVxyx300400e2e1NA步骤5：控制点A强度计算

sf=96N/mm2

tT=91N/mm2

sF=35N/mm2

（4.3.6）控制点强度为140.8N/mm2<160N/mm2

满足强度要求第三章连接第三章连接第三章连接第三章钢结构的连接角焊缝小结焊脚尺寸应与焊件的厚度相适应。对手工焊，hf应不小于，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm；hf应不