第3章钢结构连接

钢结构原理与设计李章政博士教授少而寡欲颜常好，老不求官梦亦闲宋词诉衷情陆游

当年万里觅封侯，匹马戌梁州。关河梦断何处？尘暗旧貂裘。胡未灭，鬓先秋，泪空流。此生谁料，心在天山，身老沧州！2023/2/13第3章钢结构的连接3.1钢结构的连接方法3.2焊缝连接的特性和构造要求3.3焊缝连接计算3.4普通螺栓连接3.5高强度螺栓连接3.6轻钢结构紧固件连接2023/2/143.1钢结构的连接方法连接的概念通过一定的手段将板材或型材组合成构件，或将若杆构件组合成整体结构保证共同工作对连接的要求安全可靠，传力明确构造简单，制造方便节约钢材2023/2/15对接头的要求有足够的强度有适宜于施行连接手段的足够空间常用连接方法焊缝连接螺栓连接铆钉连接2023/2/163.1.1焊缝连接将钢材连接处金属加热熔化，待冷却后形成焊缝，将缝两侧钢材连成一体。目前钢结构连接的主要方法。2023/2/17常用焊接方法手工电弧焊通电后，涂有药皮的焊条与焊件之间产生电弧，温度可达3000C金属熔化，与焊丝液结合冷却后即成焊缝焊条与焊件材料相适应：Q235钢E43型焊条，Q345钢E50型焊条，Q390、Q420钢E55型焊条不同强度材料连接时，配与低强度材料相适应的焊条2023/2/18手工电弧焊的特点：

设备简单操作灵活方便适宜于任何空间位置的焊接但效率低，劳动强度大，质量与焊工有关埋弧焊（自动或半自动）电弧在焊剂层下燃烧的一种焊接方法自动埋弧焊：焊丝送进和电弧移动由专门机构半自动埋弧焊：焊丝送进专门机构,电弧移动靠人工焊丝、焊剂要保证熔敷金属抗拉强度不低于相应手工焊条的数值。2023/2/19埋弧焊的特点（1）工艺条件稳定，与大气隔离、保护效果好，电弧热量集中；（2）熔深大，焊缝的化学成分均匀；（3）焊缝质量好，塑性和韧性较高；（4）生产效率高。自动埋弧焊只适合于焊接较长的直线焊缝。气体保护焊（气电焊）利用CO2或其他惰性气体作为保护介质防止有害气体侵入，保证焊接过程中稳定性焊缝强度比手工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置的焊接不适用于在风较大的地方施焊2023/2/110焊缝连接的主要优缺点主要优点不削弱构件截面，节约钢材构造简单，加工方便连接的刚度大，密封性能好易于采用自动化作业主要缺点焊缝热影响区材质变脆残余应力（应变）使构件受到不利影响焊接结构对裂纹敏感冷却不均匀收缩产生焊接残余应力，部分受拉、部分受压自平衡。纵向残余应力横向残余应力厚度方向残余应力承载力下降变形能力下降易疲劳2023/2/1113.1.2螺栓连接连接方法和特点连接方法螺栓、螺帽通过螺栓孔将钢材连接成整体紧固连接（拧紧螺帽）螺栓连接的特点施工简单，安装方便进度和质量易于保证开孔对截面有削弱需要辅助连接件，增加用钢量2023/2/112螺栓连接的类型普通螺栓连接C级为粗制螺栓，4.6级、4.8级A、B级为精制螺栓，8.8级高强度螺栓连接摩擦型连接：剪切变形小，弹性好，可拆卸耐疲劳可用于承受动力荷载的结构承压型连接：剪切变形大不能用于承受动力荷载的结构螺栓等级8.8级、10.9级。2023/2/1133.1.3铆钉连接铆钉连接方法铆钉圆柱形一端预制钉头铆合构件上开铆钉孔烧红的铆钉插入铆钉孔后用铆钉枪或压铆机进行铆合（压制另一钉头）2023/2/114铆钉连接优缺点铆接的优点塑性和韧性好传力可靠质量易于检查铆接的缺点构造复杂费钢费工适合于承受动力荷载作用、荷载较大和跨度较大的结构。目前采用较少已被高强度螺栓连接所替代2023/2/1153.2焊缝连接的特性和构造要求焊缝连接形式对接连接搭接连接T形连接角部连接3.2.1焊缝连接形式和焊缝形式2023/2/116焊缝形式对接焊缝正对接焊缝斜对接焊缝角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝斜向角焊缝连续角焊缝间断角焊缝：受压构件l15t受拉构件l30t2023/2/117焊缝缺陷缺陷类型裂纹，焊瘤，烧穿，弧坑，气孔，夹渣，咬边，未熔合，未焊透焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良缺陷影响削弱受力面积，引起应力集中对强度、塑性、韧性产生不利影响3.2.2焊缝缺陷和质量等级2023/2/118焊缝质量等级一级焊缝外观检查符合要求100%焊缝超声波检查，且符合要求二级焊缝外观检查符合要求20%以上焊缝超声波检查，且符合要求三级焊缝全部焊缝外观检查符合三级质量标准2023/2/119质量等级选用需要进行疲劳计算的构件，作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T形对接焊缝与角接组合焊缝受拉时应为一级受压时应为二级不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝受拉时不应低于二级受压时宜为二级2023/2/120重级工作制和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝要求焊透焊缝形式为对接与角接的组合焊缝质量等级不应低于二级不要求焊透的T形接头焊缝对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的的结构和吊车起重量50t的中级工作制吊车梁，焊缝质量等级二级其他结构，焊缝质量等级可为三级2023/2/1213.2.3焊缝符号及标注方法2023/2/1223.2.4焊缝连接的构造要求对接焊缝的构造要求坡口形式与焊件厚度有关焊件厚度小(手焊6mm，埋弧焊10mm)：直边一般厚度：单边V或V形坡口焊件较厚(>20mm)：U、K、X形坡口2023/2/123板件拼接厚度或宽度尽量相同当相差超过4mm时，应做成坡度不大于1:2.5的斜角，以减小应力集中厚度不同时，焊缝坡口形式应按较薄厚度焊件选用2023/2/124引弧板和引出板施焊时的起点和终点，常因起弧和灭弧（落弧）出现弧坑缺陷采用引弧板和引出板可避免该缺陷发生在构件上焊接完毕后用气割切除，打磨平整无法采用引弧板（引出板）施焊时，计算每条焊缝的长度时，应取实际长度-2t焊件的较小厚度2023/2/125角焊缝构造焊脚尺寸最大焊脚尺寸，较薄焊件厚度的1.2倍

hfmax

=1.2t

板件边缘应符合当t6mm时，hfmax

t

当t>6mm时，hfmaxt–(1~2)mm2023/2/126最小焊脚尺寸

hfmin

=1.5t1/2(t为较厚焊件厚度mm)

当t4mm，hfmin=

t

计算时，焊脚尺寸取mm的整数，小数点后都进为1。

自动焊熔深较大，最小焊角尺寸可可减小1mm；对于T形连接的单面角焊缝，应增加1mm；当焊件厚度小于或等于4mm，则取与焊件厚度相同。2023/2/127角焊缝的计算长度不得小于8hf

和40mm侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf

，若大于此值，超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限搭接连接的构造要求板件端部有两条侧面角焊缝时，间距b和每条焊缝的长度lw应满足t—较薄板件厚度搭接长度不小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm2023/2/128采用正面角焊缝时，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm采用三面围焊时，转角处必须连续施焊；对于非围焊的情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2hf的绕角焊。2023/2/1293.3焊缝连接计算对接焊缝轴心受力正对接焊缝轴心受力3.3.1对接焊缝计算未作引弧施焊时，每条焊缝减去2t

作为lw2023/2/130斜对接焊缝轴心受力当焊缝与作用力方向夹角满足tan1.5时，斜焊缝的强度不低于母材的强度，可不对焊缝进行强度计算。2023/2/131弯曲变形中对接焊缝计算截面边缘正应力强度工字形构件腹翼交界处综合应力中和轴上的剪应力强度2023/2/132例题3.1

两块Q235钢板用对接焊缝连接，如图所示。采用普通手工电弧焊，焊条E43型，施焊时未能采用引弧板，焊缝质量为一级。已知钢板宽450mm，厚10mm，承受轴向拉力设计值N=900kN，试验算焊缝强度。2023/2/133未用引弧板解答：mm查附表1.2N/mm2N/mm2N/mm2满足要求解毕2023/2/134例题3.2

计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度。截面尺寸如图所示。集中力F=550kN（设计值），偏心距e=300mm。钢材为Q235-B，焊条为E43型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上下翼缘加引弧板施焊。2023/2/135解答：查附表1.2N/mm2对焊缝的计算截面与牛腿的截面相同mm4mm3mm3内力设计值kN.mkN.mN/mm22023/2/136最大正应力（上下翼缘）N/mm2N/mm2最大剪应力（中性轴）N/mm2N/mm22023/2/137腹翼交界“1”点复合受力正应力N/mm2剪应力N/mm2等效应力N/mm2N/mm2焊缝强度满足要求解毕2023/2/1383.3.2直角角焊缝计算直角角焊缝基本公式正面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度方向）he—角焊缝计算厚度，直角角焊缝he=0.7hf

f

—强度增大系数，静力荷载和间接动力荷载

1.22，动力荷载1.0lw—角焊缝计算长度，每条缝取实际长度减2hf

2023/2/139侧面角焊缝（作用力//于焊缝长度方向）在各种力综合作用下2023/2/140轴心受力直角角焊缝应用计算加盖板的对接连接（承受轴心力）

假定焊缝应力均匀分布只有正面角焊缝时正面角焊缝承担内力侧面角焊缝强度三面围焊时2023/2/141例题3.3

试设计用拼接盖板的对接连接，分别考虑两面侧焊和三面围焊两种情况。已知钢板宽B=270mm，厚t1=28mm，拼接盖板厚t2=16mm。该连接承受静态轴心力设计值为N=1400kN，钢材为Q235-B，焊条为E43型，手工焊。焊缝为二级检验标准。钢板间隙10mm2023/2/142解答：查附表1.2N/mm2确定焊缝焊脚尺寸t2=16mm>6mm，t2<t1=28mmmm取mm则mm2023/2/143（1）两面侧焊连接一侧所需焊缝总长度取等号计算mm上下两块拼接盖板，共4条侧焊缝。一条侧焊缝的实际长度为mmmm2023/2/144所需盖板长度mm被连接钢板间隙取L=680mm盖板宽度由强度条件和构造要求确定钢材种类相同，盖板截面面积不小于被连接钢板截面面积取b=240mmmm2mm22023/2/145mmmmmmmmmm满足要求盖板尺寸为：680mm240mm16mm2023/2/146（2）三面围焊可减小侧面角焊缝的，从而减小拼接盖板尺寸正面角焊缝承担的内力mmN所需一侧侧面角焊缝总长度mm2023/2/147连接一侧共4条侧面角焊缝。一条侧面角焊缝的长度为mm采用lw=180mm拼接盖板长度为mm此时盖板尺寸为：370mm240mm16mm解毕2023/2/148直接法：N不分解角焊缝承受斜向轴心力作用分力法：分解N2023/2/149双角钢组成的T形截面三面围焊，两面侧焊（N3=0）正面角焊缝分担的力由平衡条件得承受轴心力作用的角钢角焊缝内力分配系数k1、k2见表3.32023/2/150肢背、肢尖的焊缝计算长度L形围焊（N2=0）可计算正面角焊缝的焊脚尺寸2023/2/151例题3.4

试确定图示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢为2Ⅼ12510，与厚度为8mm的节点板连接，其搭接长度为300mm，焊脚尺寸hf=8mm，钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型。2023/2/152解答：查表N/mm2焊缝有效厚度mm内力分配系数正面角焊缝长度等于相连角钢肢的宽度mm正面角焊缝承受的内力N3NkN2023/2/153肢背角焊缝所承受的内力N1NkN因为所以kN2023/2/154解毕肢尖焊缝承担的内力N2kN肢尖焊缝长度为mm可取mm2023/2/1553.4普通螺栓连接螺栓的排列钢板螺栓排列齐列错列3.4.1螺栓连接的构造尺寸满足表3.5体现：受力要求构造要求施工要求2023/2/156型钢螺栓排列排列图式尺寸要求表3.6~表3.82023/2/157螺栓连接的构造要求每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性的螺栓不宜少于2个。对组合构件的缀条，其端部连接可采用1个螺栓。高强度螺栓孔应采用钻成孔。摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径d大1.5~2.0mm，承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径d大1.0~1.5mm。在高强度螺栓连接范围内，构件接触面的处理方法应在施工图中说明。2023/2/158C级螺栓宜用于沿其杆轴方向受拉的连接，下列情况下可用于受剪连接：

（1）承受静力荷载或间接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（3）临时固定构件用的安装连接对直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应双螺帽或其他能防止螺帽松动的有效措施2023/2/159当型钢构件拼接采用高强度螺栓连接时，其拼接件宜采用钢板沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板），应适当增强其刚度（如加设加劲肋），以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。2023/2/1603.4.2普通螺栓连接计算受剪螺栓连接受拉螺栓连接同时受拉、受剪螺栓连接2023/2/161受剪连接计算破坏形式受剪破坏承压破坏（挤压破坏）构件强度破坏冲剪破坏受弯破坏强度计算端距保证限制叠板厚度5d受剪连接计算2023/2/162抗剪承压单个普通螺栓抗剪承载力普通螺栓群抗剪所需螺栓个数2023/2/163此时，所需螺栓数抗剪连接承载力折剪（长连接，剪力分布不均匀）

杆件的节点处或拼接接头的一端，螺栓沿轴向受力方向的连接长度l1大于15倍孔径（l1>15d0

），螺栓承载力设计值可以折减2023/2/164下列情况下螺栓数目应予以增加一个构件借助填板或其他中间板件与另一构件连接的螺栓（摩擦型连接的高强度螺栓除外）数目，应按计算增加10%。当采用搭接或拼接板的单面连接传递轴心力，因偏心引起连接部位发生弯曲时，螺栓（摩擦型连接的高强度螺栓除外）数目，应按计算增加10%。在构件端部连接中，当利用短角钢连接型钢的外伸肢以缩短连接长度时，在短角钢两肢中的一肢上，所用螺栓数目应按计算增加50%。2023/2/165偏心受剪螺栓群需要计算1号螺栓的剪力合力2023/2/166例题3.5

设计两块钢板用普通螺栓的盖板拼接。钢板宽360mm，厚8mm；盖板厚6mm。已知轴心拉力设计值N=325kN，钢材为Q235-B，粗制螺栓M20。2023/2/167解答：查附表1.3N/mm2N/mm2一个螺栓承载力（双面剪切）NNNkN2023/2/168连接一侧所需螺栓数取n=8，布置如图解毕2023/2/169例题3.6

验算图示普通螺栓连接的承载力。柱翼缘厚度10mm，连接板厚度8mm，钢材Q235-B，荷载设计值F=150kN，偏心距e=250mm，粗制螺栓M22。解答：查表：N/mm2N/mm2螺栓直径22mm，一个螺栓承载力NkN2023/2/170NkNkN螺栓群偏心受剪，以中心为坐标原点mm2kN.mm离中心最远的1号螺栓受力kN2023/2/171满足要求kNkN承载力kNkN解毕2023/2/172受拉螺栓连接单个螺栓抗拉承载力普通螺栓在螺纹处的有效直径普通螺栓在螺纹处的有效面积，表3.9螺栓群轴心受拉所需螺栓个数2023/2/173螺栓群弯曲受拉可取中和轴位于下排螺栓o处，剪力通过承托板传递2023/2/174普通螺栓剪拉组合受力栓杆受剪、受拉承载力孔壁承压承载力2023/2/175例题3.7

试验算图示普通螺栓连接的强度。粗制螺栓M20，孔径21.5mm，钢材为Q235-B。解答：螺栓同时受剪和受拉kNkN一个螺栓承受的剪力和拉力分别为kNkN2023/2/176一个螺栓受剪受拉承载力N/mm2N/mm2N/mm2NkN螺纹处有效面积，可查表格d16182022242730Ae156.7192.5244.8303.4352.5459.4560.6NkNNkN2023/2/177满足要求承载力验算kNkN解毕2023/2/1783.5高强度螺栓连接高强度螺栓的预拉力控制方法力矩法转角法取值规定表3.103.5.1高强度螺栓连接的性能2023/2/179摩擦面抗滑移系数影响因素接触面的处理方法（1）喷砂（丸）（2）喷砂（丸）后涂无机富锌漆（3）喷砂（丸）后生赤锈（4）钢丝刷清除浮锈（5）未经处理轧制表面钢材牌号（强度等级）取值规定：表3.112023/2/180抗剪承载力抗拉承载力拉剪共同作用3.5.2摩擦型高强度螺栓

连接计算传力摩擦面数目2023/2/181抗剪连接杆轴受拉连接剪力、拉力共同作用时3.5.3承压型高强度螺栓

连接计算承载力计算与普通螺栓相同2023/2/182例题3.8

一双盖板拼接的钢板连接，已知盖板厚度12mm、被连接钢板厚20mm，钢材Q235-B，高强度螺栓为8.8级的M20，连接处构件接触面用喷砂处理，作用在螺栓群形心处的轴心拉力设计值为N=800kN，试确定螺栓数目（分别采用摩擦型和承压型连接）。解