第4章钢结构的连接

焊接连接的方法及特性对接焊缝连接的构造和计算角焊缝连接的构造和计算螺栓连接的构造和计算

主要内容

焊接连接的构造和计算螺栓连接的构造和计算

重点第4章钢结构的连接4.1概述钢结构的连接方法焊缝连接螺栓连接铆钉连接1.焊接连接优点：不削弱截面，加工方便，焊接刚度大，连接的密封性好

缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。

2.螺栓连接优点：安装方便，易于拆卸缺点：需要开孔，对构件截面有一定的削弱，构造较繁。3.铆钉连接连接受力性能较好，但构造复杂，目前已很少采用。一、钢结构常用焊接方法4.2焊接连接的方法及特性电弧焊电渣焊气体保护焊电阻焊常用焊接方法电弧焊原理

在涂有焊药的焊条和焊件间产生电弧，由电弧提供热源，使焊条溶化，滴落在焊件上被电弧吹成的小凹槽溶池中，并与焊件溶化部分冷却后凝结成焊缝，把构件连接成一体。

电渣焊原理

利用电流通过熔渣时所产生的热量来熔化金属的一种方法。焊丝作为电极伸入并穿过渣池，使渣池产生电阻热将焊件金属及焊丝熔化，沉积于熔池中，形成焊缝。

气体保护焊电阻焊原理

利用二氧化碳气体或其它惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。

原理

电流通过焊件接头的接触面及邻近区域产生的电阻能热，将被焊金属加热到局部熔化或达到高温塑性状态，在外力的作用下形成牢固的焊接接头。

钢结构中常用的焊条型号有E43、E50和E55系列。不同钢种的钢材焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。说明二、焊缝形式T型连接角接1.按构件的相对位置划分

对接搭接对接焊缝角焊缝正对接焊缝斜对接焊缝2.按受力特性不同划分平焊横焊立焊仰焊3.按施焊的相对位置划分三、焊缝缺陷及焊缝质量检查标准1焊缝缺陷2焊缝质量检查标准要求用超声波或射线检验每条焊缝全部长度

要求用超声波检验每条焊缝长度的20％

一级三级焊缝按检验方法和质量要求分三级二级要求通过外观检查

四、焊缝表示α.bⅢ指引线基准线基本符号五、焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余应力产生的原因1焊接升温时焊缝附近的应力场焊缝冷却时，焊缝及附近金属产生拉应力，距焊缝稍远区段内产生压应力

焊接残余应力加热温度达到出现热塑性

钢板局部加热钢板厚度方向具有一定的刚度

焊接残余应力产生的条件

纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向

横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向

沿厚度方向的焊接残余应力焊接残余应力是内应力，在焊件内自相平衡。焊缝附近为拉应力，焊缝稍远区产生压应力。焊接残余应力的分类2（1）对结构静力强度的影响f+--bfy+--bfyNyNy焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+--fyfbBt焊接残余应力和残余变形对结构工作性能的影响44（2）焊接残余应力低结构的刚度。f+--bfyNN+--fyfNNbBt（3）焊接残余应力降低压杆的稳定承载力

对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，增加了钢材低温脆断倾向。（4）对低温冷脆的影响

三向焊接残余拉应力降低材料的塑性，从而疲劳强度降低！（5）对疲劳强度的影响包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。焊接残余变形5减小焊接残余应力和残余变形的措施36设计上的措施：（1）焊接位置的合理安排（2）焊缝尺寸要适当（3）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉（5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力加工工艺上的措施：（1）采用合理的施焊顺序（2）采用反变形处理（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理一、对接焊缝的构造要求4.3对接焊缝连接的构造与计算

1.坡口目的——为了使焊件能够焊透。坡口形式——根据板厚的不同采用不同的坡口形式。

2.引弧板目的：为了消除焊口的影响，可加引弧板。焊缝的计算长度取值：无引弧板时：每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1—较薄焊件厚度采用引弧板时：每条焊缝的计算长度等于实际长度

3.当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。≤1:2.5≤1:2.5二、对接焊缝的计算对接焊缝可视作焊件截面的延续，故其计算方法与构件强度计算相同。对接焊缝的抗压、抗剪强度，以及一、二级对接焊缝的抗拉强度与母材相同，因此若采用引弧板施焊，则可不与计算。只有三级焊缝受拉力作用才需进行计算！（一）轴心力作用下的对接焊缝计算NNlwt

N—轴心拉力或压力设计值；t—板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；ftw、fcw

—对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。NNtθNsinθNcosθlw当不满足上式时，可选择在受力较小的部位施焊；或者改用斜对接焊缝连接；当tanθ≤1.5时,斜焊缝的强度不用验算!（二）M、V共同作用下的对接焊缝计算lwt

MVστ1.矩形截面

Ww——焊缝截面模量；Sw——焊缝截面面矩积；

Iw——焊缝截面惯性矩。2、工字形截面

对于焊缝的σmax

和τmax

应满足的条件：1.1——考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。对于翼缘与腹板交接点（1点）焊缝，其折算应力尚应满足下式要求：

角焊缝两边夹角90°，称为直角角焊缝，直角边长hf称为焊脚尺寸。hehfhf

1.角焊缝的形式4.4角焊缝连接的构造与计算角焊缝的构造和受力性能一

夹角大于135°或小于60°的称为斜角角焊缝，除钢管结构外，一般不宜用作受力焊缝。直角角焊缝截面形式有普通焊缝、平坡焊缝、凹焊缝等几种。2.角焊缝的构造要求焊缝长度

焊脚尺寸a.焊脚尺寸hf最大值

hf,max≤1.2t1t1—较薄焊件的厚度。

当t2≤4mm时,hf,min

=t2对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;b.焊脚尺寸hf最小值t2—较厚焊件厚度。说明:

对于埋弧自动焊hf,min

可减去1mm;对于T形连接的单面角焊缝：hf≥；当焊件厚度等于或小于4mm时，则hf应与焊件厚度相同。tt1hf当t≤6mm时，hf,max≤t当t>6mm时，hf,max

≤t-(1～2)mm

对于板件边缘的角焊缝：c.角焊缝计算长度的最大值d.角焊缝计算长度的最小值t1t2be.搭接连接的构造要求为避免应力传递过分弯折,导致应力不均：blw³

为避免焊缝横向收缩引起的板件拱曲太大：）（或）（mmtmmmmttb111122001216£>£b2hflwt1t2f.角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊。g.在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。3.角焊缝的受力性能—焊缝长度方向与作用力垂直

正面角焊缝N

—焊缝长度方向与作用力平行侧面角焊缝N

N

侧面角焊缝承受剪力，强度较低，塑性较好。

剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。剪应力τfNlwN破坏形式

侧面角焊缝受力性能

正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较侧面角焊缝高。

正面角焊缝受力性能直角角焊缝的基本计算公式二

有效截面为平分角焊缝夹角的截面，破坏往往从这个截面发生。有效截面的高度he也称角焊缝有效厚度，

he

＝0.7hf角焊缝的有效截面

1.hehfhfNyNx角焊缝基本计算公式2.lwhfheτ∥=τfσfσ┻450τ┻450

NxNy∵f

—正面角焊缝的强度设计值增大系数；—按角焊缝有效截面计算，垂直焊缝长度方向的正应力；—按角焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；ffw—角焊缝的强度设计值。NNNNlwNNNNlw仅采用侧面角焊缝连接

仅采用正面角焊缝连接σf=0τf=0说明常用连接方式的角焊缝计算三1.角钢与节点板连接受轴心力作用a.仅采用侧面角焊缝连接

Nlw1lw2由力的平衡关系可求出各条焊缝的受力：

Nlw1lw2N1N2对于验算的问题验算肢背：验算肢尖：对于设计的问题肢背所需焊缝长度：肢尖所需焊缝长度：端焊缝受力：肢背受力：肢尖受力：b.采用三面围焊连接

Nlw1lw2N1N2N3b肢尖受力：端焊缝受力：肢背受力：C.采用L形围焊

Nlw1N1N3b2.拼接盖板的设计问题NN盖板尺寸的设计应满足：材料与主板相同；盖板的总截面积不应小于被连接钢板的截面积；同时满足构造要求。a.采用侧面角焊缝连接NNlwL

盖板的长度则由侧面焊缝的长度确定。∴每条侧面角焊缝的计算长度

b.采用正面角焊缝连接NNlwLC.采用三面围焊连接NNL’wLlw正面角焊缝承担的力为：侧面角焊缝承担的力为：3.承受弯矩M作用

hehet最危险点A的应力计算：A

M4.承受扭矩T作用

yxx0yT※讨论：1)判定危险点2)T和M的区别假定:1、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；2、应力的大小与该点到焊缝形心0的距离r成正比。xxyy.oA代入角焊缝通用公式中得：5.承受M、V共同作用Ahehet最危险点A：VM..斜角角焊缝及部分焊透的对接焊缝的计算※

四1.斜角角焊缝的计算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2为简化计算，规范规定：对于两焊脚边夹角60o≤α≤135o的斜T形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相同的计算公式，且统一取βf=1.0。2.斜角角焊缝的计算厚度heα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b图B式中：b、b1和b2≤5mm说明：b1和b2≤1.5mm时,可取b1、b2=0;b1和b2>5mm时,应如图“B”方式处理，且使b≤5mm。2.部分焊透的对接焊缝计算一、螺栓连接的形式及特点Ⅰ类孔，孔径do比栓杆直径d大0.3～0.5mm；受力性能较好，受剪工作时变形小；费用较高。Ⅱ类孔，孔径比栓杆直径大1.5～3mm；传递剪力时，变形较大；传递拉力的性能较好。4.5螺栓连接的形式和构造要求普通螺栓A、B级（精制螺栓）C级（粗制螺栓）高强度螺栓摩擦型连接—靠板件间摩擦力传递剪力；摩擦型连接的剪切变形小，适用于动荷载的结构。高强度螺栓承压型连接—允许板件间摩擦力被克服，出现相对滑移后，依靠螺栓杆的抗剪和孔壁承压传递剪力；承压型连接的承载力高于摩擦型，但剪切变形大，不适用于承受动力荷载的结构中。

高强度螺栓螺栓性能等级的含义是小数点前的数字表示螺栓热处理后的最低抗拉强度；小数点及小数点后面的数字表示其屈强比。以10.9级为例：小数点前的数字“10”表示螺栓热处理后的最低抗拉强度为，“.9”表示其屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）为0.9。螺栓性能等级二、螺栓的排列

螺栓的表示

螺栓用M表示，例如M20，工程中常用的螺栓直径有16、20、22、24等。

B错列A并列中距中距边距边距端距螺栓的排列应满足构造要求施工要求受力要求螺栓端距过小，钢板有剪断的可能；钢板截面过度削弱，板件承载力不足；防止连接板件发生鼓曲。以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。螺栓的最大、最小容许距离一、普通螺栓连接计算按受力情况可分为螺栓受剪、螺栓受拉和螺栓同时受剪受拉N螺栓受拉F螺栓同时受剪受拉螺栓受剪NN4.6螺栓连接的计算1.普通螺栓受剪时的工作性能NδO1234NNabNN/2N/21）摩擦传力的弹性阶段（0~1段）2）滑移阶段（1~2段）3）栓杆传力的阶段（2~3段）4）破坏阶段（3~4段）N/2Nl1N/2当l1≤15d0时，假定N由各螺栓均匀承担。当l1≥15d0

时，螺栓受力不均，将螺栓的承载力设计值折减。

当15d0＜l1≤60d0

时，

=1.1－l1/（150d0）当

l1＞60d0

时，

=0.7N/2NN/2NN①螺栓杆被剪坏②孔壁的挤压破坏③板件被拉断④板件端部被剪坏NN⑤栓杆弯曲破坏N/2NN/22.普通螺栓受剪时的破坏形式NN端矩不应小于2d0栓杆长度不应大于5d以上1、2、3三种破坏形式通过计算避免。4、5破坏由构造解决。3.单个普通螺栓的承载力设计值公式中：nv—剪切面数目；

d—螺栓杆直径；

fvb—螺栓抗剪强度设计值。①抗剪承载力设计值剪切面数目nv说明：公式中：∑t—连接接头一侧承压构件总厚度的较小值；

fcb—螺栓孔壁承压强度设计值。∴单栓抗剪承载力设计值d②承压承载力设计值③抗拉承载力设计值公式中：

Ae—螺栓的有效截面面积；

de—螺栓的有效直径；

ftb—螺栓的抗拉强度设计值。（1）受轴心剪力作用连接所需螺栓数量：4.普通螺栓群连接计算NNNN螺栓受力计算：板件的净截面强度验算：NNbtt111A.螺栓并列排列主板的净截面面积：拼接盖板的净截面面积：故：An应取较小面积计算。NNtt1bc2c3c4c1B.螺栓错列排列:2211（2）受扭矩T作用TN1TN1Txr11Txyxy假定：连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与

其至形心距离呈正比，方向与ri垂直。N1Ty假定每个螺栓均匀受力。N连接所需的螺栓数：（3）受轴心拉力作用螺栓受力计算：M刨平顶紧承托(板)M1234y1y2y3N1N2N3N4中和轴M作用下假定：螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。（4）受弯矩M作用显然在M作用下，‘1’号螺栓所受拉力最大M1234y1y2y3N1N2N3N4中和轴（5）承受拉力和剪力共同作用

在拉力和剪力的共同作用下，可能出现两种破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔壁的承压破坏。NVM刨平顶紧承托V连接角焊缝承托与柱翼缘的连接角焊缝计算：式中：α——考虑剪力对角焊缝偏心影响的增大系数，一般取α=1.25~1.35。

拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托时，如果承托承受全部剪力，则螺栓群按受拉计算。二、高强度螺栓摩擦型连接的计算

高强度螺栓分为大六角头型和扭剪型两种高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。预拉力的施加方法高强螺栓的预拉力1.转角法：分初拧和终拧两步。初拧是用普通搬手拧紧螺栓；终拧就是用特制搬手旋转螺母，拧至预定的预拉力数值。

扭矩法：初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%-50%，使板件贴紧密；终拧是在初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。扭剪法：用于扭剪型高强度螺栓，初拧拧至终拧力矩的60%-80%；在初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。

高强度螺栓预拉力的确定

说明：折减系数0.9—考虑材料的不均匀性；折减系数0.9—防止施工时超张拉导致螺杆破坏；系数1.2—考虑拧紧螺帽时，扭矩对螺杆的不利影响；0.9—附加安全系数。高强度螺栓摩擦型连接板件间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。高强度螺栓摩擦面抗滑移系数μ2.单个高强螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值公式中：

0.9—抗力分项系数γR的倒数(γR=1.111);

nf—传力摩擦面数目。高强螺栓摩擦型连接的承载力设计值3.单个高强螺栓摩擦型连接的抗拉承载力设计值①受轴心剪力作用NN假定各螺栓受力均匀。

所需螺栓数：

螺栓连接强度计算：

螺栓群的计算