最后.钢结构的连接-1

第3章钢结构的连接Connections

3.1钢结构的连接3.2对接焊缝的构造和计算3.3角焊缝的构造与计算3.4焊接残余应力和焊接变形3.5普通螺栓连接的构造和计算3.6高强度螺栓连接的构造与计算3.7轻钢结构紧固件连接的构造和计算板件构件连接的重要性连接连接的重要性构件结构连接还有：工程造价，

结构安全。3.1钢结构的连接Connections钢结构的连接方法：

焊接连接螺栓连接铆钉连接钢结构的连接原则：安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便、节约钢材。焊缝连接weldedconnections画1；铆钉连接rivetedconnections;

螺栓连接boltedconnections画2。3.1.1焊缝连接WeldedConnections1、焊接连接的特点①对几何形体适应性强，构造简单；②用料经济，不削弱截面；③连接的密封性好，刚度大，④易于自动化，工效高，制作加工方便。优点：缺点：①焊缝热影响区材质变脆；②产生残余应力和变形；降低稳定承载力；③焊接结构对裂纹敏感，低温冷脆严重。2、钢结构常用焊接方法3.1.1焊缝连接WeldedConnections方法：手工电弧焊、

埋弧焊（自动或半自动）

气体保护焊。焊接：将被焊金属局部加热呈液体状态时分子结合过程3.焊缝连接形式及焊缝形式⑴焊缝连接形式Typesofweldedjoints3.1.1焊缝连接WeldedConnections按被连接钢材的相互位置可分为：

对接连接ButtJoint

、搭接连接LapJoint

、T形连接TeeJoint和角部连接CornerJoint四种。3.1.1焊缝连接WeldedConnections对接焊缝（坡口焊缝）buttwelds：完全焊透的对接焊缝：焊缝金属充满整个连接截面并与母材熔合为一体。部分焊透的对接焊缝：焊缝金属未充满整个连接截面，存在未施焊的一段。角焊缝（贴角焊缝）filletwelds：焊缝金属直接填充在被连接板件形成的直角或斜角区域内。焊缝形式：指焊缝本身的截面形式。最常用的有两种：对接焊缝、角焊缝。3.焊缝连接形式及焊缝形式⑵焊缝形式

3.1.1焊缝连接WeldedConnections⑵焊缝形式按受力方向分为：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、斜焊缝。按焊缝沿长度方向布置分：连续角焊缝、断续角焊缝。3.1.1焊缝连接WeldedConnections按施焊位置分：平焊Flat（俯焊）、横焊Horizontal、

立焊Vertical、仰焊Overhead。

断续⑵焊缝形式3.1.1焊缝连接WeldedConnections4.焊缝缺陷及焊缝质量检验

焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未溶合、未焊透。焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良。3.1.1焊缝连接WeldedConnections《钢结构工程施工及验收规范》焊缝质量分三级:

一级焊缝需外观检查、超声波探伤合格。X射线探伤补充；

二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格。X射线探伤补充；

三级焊缝需外观检查合格。与母材等强的对接焊缝≥二级

直接承受动荷载的焊缝≥二级

一般焊缝——三级

外观检查——外观缺陷、几何尺寸。

超声波探伤检验、X射线检验——内部缺陷。4.焊缝缺陷及焊缝质量检验

焊缝质量检验方法分：3.1.2铆钉连接RivetedConnections

铆钉连接的施工打铆{Ⅰ类孔：按设计孔径钻成的孔。质量好，强度高Ⅱ类孔：单个零件上一次冲成、不用钻模钻孔。制孔{2.铆钉连接的优缺点缺点：构造复杂，费钢费工。热铆：温度900~1000°铆合。降温时铆钉受拉，连接板件受压，连接紧密；冷铆：常温下铆合。

优点：传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好。3.1.3螺栓连接BoltedConnections1.普通螺栓连接普通螺栓连接高强度螺栓连接螺栓连接优缺点：优点：C级螺栓制作简单，装卸便利；A、B级螺栓工作性能好

。分类：

A级—5.6级、8.8级；d≤24mm，l≤min(10d,150mm)；

B级—5.6级、8.8级；d＞24mm，l＞min(10d,150mm)；C级—4.6级、4.8级；受拉、受剪(次要连接)、安装。缺点：C级螺栓精度低，受剪性能差；

A、B级螺栓精度高，加工和安装难度大，价高。摩擦型连接：螺栓预拉力摩擦力传递外力；适用于承受动荷载的结构。承压型连接：允许滑移螺栓杆与孔壁承压传力。不得用于承受动荷载的结构。2.高强度螺栓连接

优点：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。3.1.3螺栓连接BoltedConnections

等级：8.8级、10.9级。缺点：摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高。优缺点3.1.4焊缝代号、螺栓图例《焊缝符号表示法》规定：

焊缝代号由引出线、图形符号、辅助符号三部分组成。1、焊缝代号螺栓与孔眼图例：3.1.4焊缝代号、螺栓图例2、螺栓图例3.2对接焊缝的构造与计算3.2.1对接焊缝的构造坡口形式：a）直边缝：适合板厚t10mm；b）单边V形：适合板厚t＝10～20mmc）双边V形：适合板厚t＝10～20mmd）U形：适合板厚t>20mme）K形：适合板厚t>20mmf）X形：适合板厚t>20mm几点说明：2.对接焊缝的构造处理（1）起落弧处易有焊接缺陷，所以应采用引弧板。对承受静荷载的结构，设置引弧板有困难时可不设，计算焊缝长度时取焊缝实际长度减去2t（t为较薄焊件厚度）。1.对接焊缝的优缺点

优点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。

缺点：需加工坡口，焊件长度要精确。2.对接焊缝的构造处理

（2）变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1:2.5的斜面（验算疲劳时为1：4），避免应力集中。

（3）变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1:2.5的斜边（验算疲劳时为1：4），

避免应力集中。

几点说明：3.对接焊缝的强度

有引弧板的对接焊缝在受压与受剪时与母材等强，但焊缝的抗拉强度焊缝质量等级有关。4.对接焊缝的破坏形式正常破坏不正常破坏3.2.2完全焊透的对接焊缝的计算——无引弧板，每条焊缝实际长度－2t；有引弧板，焊缝实际长度。1.轴心受力的对接焊缝

⑴正对接焊缝：——一、二级焊缝：与母材等强；三级焊缝：抗压与母材等强，抗拉为母材强度85%。对接焊缝的应力分布焊件的应力分布焊缝中最大应力（或折算应力）焊缝的强度设计值。当tg

1.5，即

56.3时，可不验算焊缝强度。

1.轴心受力的对接焊缝

⑵斜对接焊缝：正对接焊缝强度不满足母材强度不能充分利用①加长焊缝，②加引弧板和二级质量检验措施复习：截面(组合截面)几何性质：形心y、静矩Sw、惯性矩Iw和截面模量(抗弯系数)Ww。2.承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝腹板与翼缘的交接点，还应按下式验算折算应力：局部应力，强度提高系数3.承受轴力、弯矩和剪力联合作用的对接焊缝腹板与翼缘的交接点，还应按下式验算折算应力：局部应力，强度提高系数3.3.1角焊缝的构造1、角焊缝的形式和强度⑴按与作用力的关系可分为：正面角焊缝、——焊缝长度方向⊥作用力。侧面角焊缝、——焊缝长度方向∥作用力斜焊缝——焊缝长度方向∠作用力3.3角焊缝的构造与计算⑵按其截面形式可分为：

斜角角焊缝——两焊脚边夹角大于或小于90°的焊缝。he有效厚度

喉部尺寸hf焊脚尺寸O焊根3.3.1角焊缝的构造1、角焊缝的形式和强度直角角焊缝——两焊脚边夹角为90°的焊缝。o⑶直角角焊缝截面形式普通焊缝平坡焊缝（坦式）深熔焊缝（凹面式）3.3.1角焊缝的构造1、角焊缝的形式和强度一般采用(a),但(a)应力集中较严重,在承受动荷载时采用(b)、(c)。

≥60°≤135°≤135°⑷斜角角焊缝截面形式(α<90º或α>90º)⑸焊缝的工作性能：受力特点：受力较复杂，受拉、受弯为主、受剪为次。截面应力：正应力、剪应力，分布不均，焊根形成高峰应力；沿焊缝长度的分布较均匀。强度高(抗拉＞抗剪)，刚度大(抗拉＜抗剪)，塑性差。正面角焊缝：焊缝长度方向与作用力垂直。

侧面角焊缝：焊缝长度方向与作用力平行。受力特点：受剪为主，受弯为次；计算忽略弯矩。应力分布：剪应力沿焊缝长度方向分布不均，两端大,中间小。性能：塑性较好，弹性模量低，强度较低。⑸焊缝的工作性能：受力性能、强度介于正面角焊缝与侧面角焊缝之间。

角焊缝的破坏形式：一般发生在45°的喉部截面。⑸焊缝的工作性能：斜焊缝：焊缝长度方向与作用力成角度。3.3.1角焊缝的构造2、角焊缝的构造要求3.3角焊缝的构造与计算⑴最大焊脚尺寸⑵最小焊脚尺寸避免焊件出现过烧现象减少焊接应力与变形保证焊缝最小承载力防止冷却过快产生裂纹Ⅰ.焊脚尺寸3.3.1角焊缝的构造2、角焊缝的构造要求⑴侧面角焊缝的最大计算长度角焊缝计算长度=实际焊缝长度—Ⅱ.

焊缝长度记住：焊缝太长了

没用！Why?两端已经破坏了。3.3.1角焊缝的构造2、角焊缝的构造要求Ⅱ.焊缝长度⑵角焊缝的最小计算长度为什么限制角焊缝的最小计算长度？防止缺陷影响→焊缝工作不可靠防止力线弯折过大→应力集中严重避免局部加热严重3.3.1角焊缝的构造2、角焊缝的构造要求Ⅲ.

搭接连接的构造要求⑴仅采用两条侧面角焊缝两条焊缝间距：每条焊缝长度：⑵搭接连接的最小搭接长度Ⅳ.其它构造要求：

3.3.1角焊缝的构造2、角焊缝的构造要求⑴焊接材料的匹配（适用于各种焊接）构件Q235Q345Q390、Q420异钢种焊接焊条E43E50E55与低强度匹配⑵角焊缝的围焊和绕角焊转角处必须连续施焊！三面围焊绕角焊3.3.2直角角焊缝的基本计算公式1、直角角焊缝的截面—垂直于焊缝有效截面的正应力—垂直于焊缝长度方向的剪应力—沿焊缝长度方向的剪应力2、角焊缝有效截面上的应力3.3.2直角角焊缝的基本计算公式经验公式欧洲钢结构协会(ECCS)角焊缝的极限强度公式：我国《钢结构设计规范》：国际标准化组织(ISO)角焊缝的极限强度公式：能量理论与母材相同能量理论角焊缝抗剪强度设计值3、基本计算公式3.3.2直角角焊缝的基本计算公式4、我国对直角角焊缝计算公式的简化3.3.2直角角焊缝的基本计算公式将和代入引入系数：简化公式→正面角焊缝：侧面角焊缝：

基本计算公式基本计算公式推导：3.3.3各种受力状态下直角角焊缝连接的计算1.承受轴力作用时角焊缝连接计算①

当只有侧面角焊缝时：每条焊缝计算长度：（1）用盖板的对接连接承受轴力（拉力、压力）焊件受轴力、轴力通过连接焊缝中心→焊缝应力均分直角角焊缝有效厚度：注意：∑——对连接一侧焊缝求和。②当采用三面围焊时：

当一侧正面角焊缝的有效厚度均相同时，∑helw=he∑lw

；式中：∑lw

为连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。由力(N—N´)，计算侧面角焊缝的强度：当一侧的侧面角焊缝的有效厚度均相同时，∑helw=he∑lw

；式中：∑lw

为连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和。（1）用盖板的对接连接承受轴力（拉力、压力）对矩形拼接板，先计算正面角焊缝承担的内力：（2）承受斜向轴力的角焊缝连接计算（斜焊缝）——简化公式①分力法3.3.3各种受力状态下直角角焊缝连接的计算1.承受轴力作用时角焊缝连接计算N分解

垂直于焊缝的分力

平行于焊缝的分力②直接法（2）承受斜向轴力的角焊缝连接计算（斜焊缝）将式和代入：②直接法（2）承受斜向轴心力的角焊缝连接计算（斜焊缝）斜焊缝强度增大系数：正面角焊缝侧面角焊缝（3）承受轴力的角钢端部连接3.3.3各种受力状态下直角角焊缝连接的计算1.承受轴力作用时角焊缝连接计算特点：因为外力作用线与角钢杆件轴线重合，故焊缝所传递的合力作用线应与角钢杆件轴线重合。两面侧焊三面围焊L形围焊在角钢连接轴受力时,要注意外力在每条焊缝上的分配。解得：K1、K2为角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数；∑X=0N1+N2+N3=N→

N2=N–N1–N3

（3）承受轴力的角钢端部连接由力的平衡条件：∑M=0N1e=N2(b-e)+N3(b/2-e)1.三面围焊：先假定正面角焊缝hf3，然后计算：角钢焊缝的内力分配系数N1、N2；hf1、hf2→lw1、lw22.两面侧焊：N3=0，N1=K1N；N2=K2N；3.Ｌ形围焊:N2=0，N3=2K2N；N1=N—N3；3.3.3各种受力状态下直角角焊缝连接的计算2.复杂受力时的角焊缝连接计算

复杂受力分解为简单受力情况→求出各自应力分布；应用叠加原理→找出焊缝最不利的受力点；计算焊缝最不利的受力点的强度。分析方法：轴力Nx：弯矩M=Nx·e：A点垂直于焊缝长度方向应力：A点平行于焊缝长度方向应力：焊缝强度计算公式：⑴承受N、M和V联合作用时的角焊缝连接计算⑵工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接通常承受弯矩M和剪力V的联合作用：(1)腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承受；(2)腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，将弯矩M化为一对水平力H=M/h两种假设：①腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承受翼缘焊缝最外纤维应力应满足角焊缝强度条件：翼缘焊缝与腹板焊缝交点A处弯曲应力和剪应力：腹板焊缝在A的强度验算式为：②腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩例题3.4中，采用（1）种方法：采用（2）种方法：将弯矩M化为一对水平力H=M/h翼缘焊缝腹板焊缝3.三面围焊承受剪力和扭矩联合作用时的角焊缝计算假定：3.3.3各种受力状态下直角角焊缝连接的计算(1)被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性；(2)角焊缝群上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。在T作用下，A点应力：剪力V在焊缝群引起均布剪应力，A点应力：A点受到垂直与焊缝长度方向的应力：A点合应力满足的强度条件：x轴、y轴分力：3.3.4斜角角焊缝和部分焊透的对接焊缝的计算自学：P77~P793.3.5喇叭形焊缝的计算自学：P79~P80已知：钢板宽度B=270mm，厚度t1=28mm，钢材的钢号Q235-B;

承受静态轴心拉力N=1400kN(设计值);手工焊,焊条为E43型。试设计：采用拼接盖板的对接连接1、采用拼接盖板的对接连接有三种方法：①仅采用侧面角焊缝②采用正面、侧面角焊缝（三面围焊）③采用正面、侧面角焊缝和斜焊缝（有斜焊缝的围焊）例题3.2(P70)2、传力过程和传力方式沿m-m截面假想把连接分成两部分3、拼接钢板的设计原则：盖板的承载力≥被连接构件的承载力①盖板宽度b确定：b=被连接板宽度—2×(10~15mm)=270—2×15=240mm施焊要求别咬边！②盖板厚度t确定：盖板的承载力≥被连接构件的承载力取板材规格③构造要求：两条侧面角焊缝间距(盖板宽度)应满足4、焊脚尺寸的确定加正面角焊缝不满足怎么办？①小焊脚尺寸的强度>大焊脚尺寸的强度②焊脚尺寸越大，焊接残余应力越大③浪费材料。强度与成正比，焊缝金属量与成正比④小焊缝可1~2次焊成,大焊缝需多层施焊,焊接速度↘确定原则：满足构造要求，焊缝尽可能小而长。5、计算连接一侧焊缝所需的长度（确定连接盖板的长度）⑴仅采用侧面角焊缝一侧焊缝实长构造要求：①②

连接盖板长度

l

：⑵采用三面围焊缝①正面角焊缝传力：侧面角焊缝传力：②连接一侧所需的侧面角焊缝长度:③构造要求：连接盖板长度

l

：与第①种连接方法比较：盖板长度缩短了750—430=320mm⑶采用有斜焊缝围焊缝（菱形盖板）②正面角焊缝传力：①确定盖板尺寸(最好正面、侧面和斜焊缝的长度为同一数量级)取正面角焊缝长：斜焊缝坡角：则斜焊缝长：③斜焊缝传力：侧面角焊缝传力：③构造要求：连接盖板长度

l

：与第①种连接方法比较：盖板长度缩短了750—600=150mm②连接一侧所需的侧面角焊缝长度:与第②种连接方法比较：盖板长度长了600—430=170mm习题3.3已知：角钢2∟90×8，节点板厚t=10㎜，钢材Q235-B,焊条E43型，手工焊，连接受静载轴心拉力N=500kN。试设计双角钢和节点板间的角焊缝连接。①侧焊缝；②围焊缝传力过程和传力方式：肢背焊缝：

hfmax=1.2tthin=1.2×8=9.6㎜hfmin=1.5√tthick=1.5×√10=4.74㎜肢尖焊缝：

hfmax=1.2t

=1.2×10=12㎜hfmax=t－(1~2)=8－(1~2)=7~6㎜（板边焊t>6㎜）

hfmin=1.5√t

=1.5×√10=4.74㎜hf2=

5㎜

（hfmin<hf2<hfmax）

2.仅采用侧焊缝时焊脚尺寸的确定：

hf1

=8㎜（hfmin<hf1<hfmax）因角钢肢背和肢尖焊缝传力的比例不同，故采用不同焊脚尺寸。3.侧焊缝计算肢背侧焊缝分担的轴力：N1=K1N=0.7×500=350kN肢尖侧焊缝分担的轴力：N2=K2N=0.3×500=150kN肢背侧焊缝所需的计算长度（绕角焊）：肢尖侧焊缝所需的计算长度（绕角焊）：构造要求：l

w1max=60hf1=60×8=480㎜l

w1min=8hf1=8×8=64㎜lw2max=60hf2=60×5=300㎜lw2min=8hf2

=8×5=40㎜lwmin<lw1<lwmaxlwmin<lw2<lwmax肢尖焊缝长度虽比肢背焊缝长度短，但施焊时均满焊。lwmin

≥b=90㎜（仅有侧焊缝）4.采用围焊缝时焊脚尺寸的确定：肢背焊缝：hfmax=1.2tthin=1.2×8=9.6㎜hfmin=1.5√tthick=1.5×√10=4.74㎜肢尖焊缝：hfmax=1.2t

=1.2×10=12㎜正面焊缝：hfmax=t－(1~2)=8－(1~2)=7~6㎜（板边焊t>6㎜）

hfmin=1.5√t

=1.5×√10=4.74㎜正面角焊缝传力：肢背焊缝分担力；N1=K1

N－N3/2=0.7×500－123/2=288.5kN肢尖焊缝分担力：N2=K2

N－N3/2=0.3×500－123/2=88.5kN三面围焊可利用正面角焊缝的强度提高系数，节约材料。5.围焊缝计算:三面围焊：（hfmin<hf<hfmax）hf1=hf2=hf3=hf=5㎜也可采用不同的焊脚尺寸，施焊时先按最小焊脚尺寸施焊，对较大焊脚尺寸再分层施焊，薄厚分界处的起落弧点磨光过渡。lwmin<lw1<lwmax，lwmin<lw2<lwmax

OK肢背侧焊缝所需的计算长度lw1：肢尖侧焊缝所需的计算长度lw2：构造要求：l

wmax=60hf=60×5=300㎜l

wmin=8hf=8×5=40㎜实际施焊时，

大于计算所需的焊缝长度，这并不能增加肢尖焊缝所传内力N2，只是降低了它的应力值τ。原因：由力的平衡条件，肢背和肢尖焊缝所传内力的合力必须和角钢的内力大小相等方向相反，作用在同一直线上。结果分析：①侧焊缝比②围焊缝的连接长度增加:①侧焊缝比②围焊缝的焊缝体积减少：①侧焊缝:V1=[82×(205+2×8)/2+52×(205+2×5)/2]×2=19520㎜3②围焊缝：V2=[52×(265+265+90)/2]×