第七章钢结构的连接

第七章钢结构的连接7.1钢结构对连接的要求及连接方法7.3对接焊缝的构造和计算7.2焊接连接的特性7.5焊接热效应7.4角焊缝的构造和计算7.6普通螺栓连接的构造和计算7.7高强度螺栓连接的性能和计算本章学习要点基本要求：掌握焊接连接的特性和计算，普通螺栓连接的构造和计算，高强度螺栓连接的性能和计算；理解钢结构对连接的要求及连接方法，重点：掌握焊接连接的特性和计算、普通螺栓连接、高强度螺栓连接的性能和计算。

7.1钢结构对连接的要求及连接方法一、钢结构对连接的要求及连接方法1.连接的原则：安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材钢结构中连接占有重要地位，因为：①构件、结构通过连接来实现；②连接方式影响结构的构造、工艺、造价；③连接质量影响结构的安全、使用寿命。7.1钢结构对连接的要求及连接方法2.连接的方式：焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接连接的方式螺栓连接铆钉连接焊接连接缺点*构造简单任何形式的构件都可直接相连；*用料经济不削弱截面；*制作加工方便可实现自动化操作；*连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。

*材质易变脆；*产生残余应力、残余应变、焊接缺陷*降低压杆稳定、影响疲劳强度*对裂纹十分敏感*低温冷脆问题较为突出。优点3.焊缝连接的特点现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛。7.1钢结构对连接的要求及连接方法4.铆钉连接及特点

铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达到紧固。缺点费工费料、劳动强度高。目前承重钢结构连接中已很少应用。优点传力可靠，塑性、韧性好，动力性能好7.1钢结构对连接的要求及连接方法5.螺栓连接缺点优点施工简单，拆装方便，摩擦型高强度螺栓连接动力性能好耐疲劳，易阻止裂纹扩展费料、开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高7.1钢结构对连接的要求及连接方法7.1钢结构对连接的要求及连接方法①普通螺栓连接根据加工精度分A、B、C三级。

A、B级精制螺栓，采用低合金钢或再经热处理后制成，Ⅰ类孔，孔径比杆径大0.3-0.5mm，抗剪性能好，制造安装费工，少用。性能等级5.6级或8.8级。

C级粗制螺栓，一般Q235钢，Ⅱ类孔，孔径比杆径大1.5-2.0mm，抗剪性能差，但传递拉力性能好，性能等级为4.6级或4.8级。②高强螺栓连接高强钢材制成：优质碳素钢：35号、45号合金钢：20MnTiB、40B、35VB

性能等级：8.8级、10.9级。小数点前8、10——螺栓材料经热加工后的最低抗拉强度为800、1000N/mm2；小数点后0.8、0.9——屈强比7.1钢结构对连接的要求及连接方法摩擦型高强螺栓：只靠摩擦阻力传力，以剪力达到接触面的摩擦力作为承载力极限状态——设计准则。变形小，弹性性能好，耐疲劳，施工较简单，适用于承受动力荷载的结构。承压型高强螺栓：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承载力极限状态——设计准则。承载力高于摩擦型连接，连接紧凑，剪切变形大，不能用于承受动力荷载的结构。7.2焊接连接的特性一、常用焊接方法电阻焊电弧焊1）手工电弧焊2）自动半自动埋弧焊气体保护焊（1）手工电弧焊原理：利用电弧产生热量熔化涂有焊药的焊条和母材形成焊缝。

焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧优点：方便，适应性强，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接，应用最广泛。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。电渣焊7.2焊接连接的特性A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500--E5518)Q345钢选择E50型焊条(E5001--E5048)Q235钢选择E43型焊条（E4300--E4328)B、焊条的表示方法：E—焊条(Electrode)第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。7.2焊接连接的特性（2）埋弧焊（自动或半自动）光焊丝埋在焊剂下，通电后电弧使焊丝、焊件、焊剂熔化形成焊缝。焊剂溶化后形成焊渣浮在溶化金属表面，隔绝空气接触，供给必要的合金元素。、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊缝质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限。7.2焊接连接的特性（4）电阻焊（3）气体保护焊利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵入。

优点：没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制，不适用于在风较大的地方施焊。利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属，再通过压力使其焊合。适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。

7.2焊接连接的特性（5）电渣焊利用电流通过熔渣所产生的电阻来熔化金属，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，沉积于焊池中，形成焊缝。电渣焊一般在立焊位置进行。

7.2焊接连接的特性二、焊缝连接的优缺点不需要在钢材上打孔钻眼，既省工，又不减损钢材截面，使材料可以充分利用；任何形状的构件都可以直接相连，不需要辅助零件，构造简单；焊缝连接的密封性好，结构刚度大。施焊的高温作用，形成焊缝附近的热影响区，使钢材的金属组织和力学性能发生变化，材质变脆；焊接的残余应力使焊接构件发生脆性破坏的可能性增大，残余变形使尺寸和形状发生变化，矫正费工；局部裂缝容易扩展到整体，低温冷脆问题比较突出。优点缺点7.2焊接连接的特性三、焊缝缺陷

1.焊缝缺陷：指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。

裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透7.2焊接连接的特性①裂纹最危险的缺陷，出现在焊缝内部或热影响区内，导致裂纹尖端应力集中现象严重，易脆断。产生原因钢材化学成分不当，含C量过高；焊接工艺不合适，电流、速度等；所用焊条不符合要求及施焊次序不恰当。②气孔气体在焊缝金属冷却前没有逸出而形成。降低塑性、密实性。③夹渣是在焊缝金属内部或与母材熔合处形成的非金属夹杂物。危害同气孔。裂纹气孔夹渣7.2焊接连接的特性④未熔合指母材与熔化金属之间局部未熔合的现象。削弱连接强度，产生应力集中，易脆断。咬边未熔合未焊透⑤咬边是在焊缝一侧或两侧与母材交界处形成的凹坑。减少母材有效面积，造成应力集中。⑤未焊透削弱连接强度，产生应力集中7.2焊接连接的特性2.焊缝质量等级

《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。

三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查，检查焊缝尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹、咬边等缺陷。

二级焊缝：外观检查+无损检验（超声波探伤）合格，用于受较大拉应力的重要连接。一级焊缝：外观检查+无损检验（超声波探伤、X射线探伤）合格，用于抗动力、需要验算疲劳的重要连接。一、二级对接焊缝金属强度与被焊金属强度相等。7.2焊接连接的特性三、焊接连接型式及焊缝形式1.连接型式：分为平接、搭接、T形连接和角部连接。7.2焊接连接的特性2.焊缝形式：分为对接焊缝和角焊缝。对接焊缝按受力与焊缝方向分：

1）直对接焊缝

2）斜对接焊缝角焊缝按受力与焊缝方向分：

1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。

2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。7.2焊接连接的特性

1）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。

2）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中。不重要或受力小的构件，可采用间断角焊缝连接3.角焊缝沿长度方向的布置注意:

L不宜过长在受压构件中L≤15t

在受拉构件中L≤30t

（t为较薄焊件的厚度）7.2焊接连接的特性平焊、立焊、横焊和仰焊。4.施焊位置施焊方式平焊立焊焊条仰焊横焊7.2焊接连接的特性五、焊缝代号①封底焊缝②I形焊缝③V形焊缝⑤单边V形焊缝⑥带钝边V形焊缝7.2焊接连接的特性⑧角焊缝⑨塞焊缝与槽焊缝⑩点焊缝⑦带钝边U形焊缝7.2焊接连接的特性焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明焊缝形式、尺寸和辅助要求。形式角焊缝对接焊缝三面围焊单面焊缝双面焊缝安装焊缝相同焊缝标注方法7.2焊接连接的特性当焊缝分布比较复杂或用上述注标方法不能表达清楚时，可在标注焊缝代号的同时，在图上加栅线表示焊缝。7.3对接焊缝的构造和计算一、对接焊缝的构造要求

1、坡口形式

对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊缝。应根据焊件厚度按保证焊缝质量，便于施焊及减小焊缝截面积的原则选用。

常用的坡口形式有I形缝、带钝边单边V形缝、带钝边V形缝（Y形缝）、带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝、双Y形缝。I形缝：适用板厚：t≤10mm带钝边单边V形缝：带钝边V形缝：适用板厚：10mm

<

t≤20mm7.3对接焊缝的构造和计算带钝边U形缝：带钝边双单边V形缝：双Y形缝：适用板厚：t>20mm沿焊件厚度方向未开坡口的端面部分p称为钝边，钝边的作用是防止根部烧穿。对于没有条件清根和补焊者，要事先加垫板。7.3对接焊缝的构造和计算2、变截面钢板拼接（a）钢板宽度不同（b）钢板厚度不同（c）厚差小于4mm时，由焊缝找坡，计算时，焊缝厚度取较薄板厚度。7.3对接焊缝的构造和计算3、对接焊缝的起弧和落弧，常因不能熔透而出现凹形的焊口，焊口处常产生裂纹和应力集中。施焊时可采用引弧板消除此影响；焊后将引弧板切除，并用砂轮将表面磨平。引弧板4、在直接承受动载的结构中，为提高疲劳强度，应将对接焊缝的表面磨平，打磨方向应与应力方向平行。焊透的T形连接焊缝钢板拼接焊缝示意7.3对接焊缝的构造和计算二、对接焊缝的计算1.轴心受力的对接焊缝N——轴心拉力或压力设计值；lw——焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度；t——连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度

；ftw、fcw——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（由P337附表12查出）。与构件母材强度计算方法相同，采用材料力学的计算公式一、二级对接焊缝不需验算。三级焊缝需验算。

NNlt要点7.3对接焊缝的构造和计算当正缝的连接强度低于焊件的连接强度时，为提高连接的承载能力，可改用斜缝。

对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心，并与焊缝长度方向呈夹角，其近似计算公式为（没考虑共同作用）：lw——斜焊缝计算长度。加引弧板时，lw＝b/sinq；不加引弧板时，lw′＝b/sinq-2t。

fvw——对接焊缝抗剪设计强度。规范规定，当斜焊缝倾角≤56.3°，即tan≤1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。b7.3对接焊缝的构造和计算2.受弯受剪的对接焊缝计算焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。

M——焊缝承受的弯矩；Ww——焊缝截面模量。V——焊缝承受的剪力；Iw——焊缝计算截面惯性矩；Sw——焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩。7.3对接焊缝的构造和计算对于工字形、箱形、T形等构件除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力：式中：1、1——验算点处（腹板、翼缘交接点）的正应力和剪应力。1.1为考虑到最大折算应力只在焊缝局部出现，而将焊缝强度设计值适当提高的系数。

7.3对接焊缝的构造和计算3.轴力、弯矩、剪力共同作用时对接焊缝计算NN危险点折算应力：7.3对接焊缝的构造和计算三、部分焊透的对接焊缝由于未焊透，连接处存在缝隙，应力集中现象严重，易脆裂。故计算时采用焊缝的有效厚度he，按角焊缝的公式计算。（a）、（b）、（c）V形坡口（d）U形坡口（e）J形坡口V形坡口：当α≥60°，he＝s；当α<60°，he＝0.75s；单边V形和K形坡口：当α＝45°±5°，he＝s-3U形和J形坡口：he＝s各种坡口情况he≥，t为厚板厚度。s为坡口根部至焊缝表面（不考虑余高）的最短距离。7.3对接焊缝的构造和计算注意：①受动荷结构，垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。下列情况可采用部分焊透的对接焊缝：连接焊缝受力很小甚至不受力（图a），图c图b焊缝受力较大，采用焊透的对接焊缝，强度富余较多；若用角焊缝，焊角又过大，此时采用“对接与角接组合焊缝”。(图c)图aNN焊缝只起联系作用（图b），7.3对接焊缝的构造和计算②部分焊透的对接焊缝受垂直于焊缝长度方向的压力时，强度设计值提高1.22倍，其它情况βf=1.0③当熔合线处焊缝截面边长等于s时，抗剪强度设计值乘以0.9。如单边V形和J形。7.3对接焊缝的构造和计算对接焊缝计算步骤确定荷载；确定最不利位置；强度验算。不同作用情况下对接焊缝计算（矩形、I形、T形）计算截面几何特征值；进行截面应力状态分析；7.3对接焊缝的构造和计算例1：验算如图所示牛腿与柱的对接焊缝连接。F=150kN，钢材Q345，E50焊条，手工焊，质量等级为三级，不采用引弧板。1061012190F150—130×12—200×10ba【解】：施焊时未采用引弧板，翼缘焊缝的计算长度为106mm，腹板焊缝的计算长度为190mm。1.荷载计算2.截面几何特征值计算集中力F对焊缝形心产生剪力V和弯矩M：F150baxy1y210610121903.焊缝强度验算翼缘上边缘焊缝拉应力：腹板下端焊缝压应力：腹板下端正应力、剪应力均较大，需验算折算应力：190x66.5135.510610127.4角焊缝的构造和计算一、角焊缝的构造和强度角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。对承受动力荷载的结构中，常用（c）、（d）形式的角焊缝；正面角焊缝的截面通常采用（b）形式的角焊缝；侧面角焊缝的截面做成（c）形式的角焊缝。（a）（b）（c）（d）直角角焊缝7.4角焊缝的构造和计算斜角角焊缝的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝7.4角焊缝的构造和计算（1）侧面角焊缝：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；出现塑性变形后，产生应力重分布，在规范规定长度范围内，应力分布可趋于均匀。破坏面通常在焊缝的最小截面（45o斜截面）。破坏起点在侧缝两端，该处出现裂缝后，迅速蔓延扩展，使焊缝断裂。1.角焊缝的应力分布侧面角焊缝应力分布角焊缝应力-位移曲线7.4角焊缝的构造和计算

（2）正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，应力状态较复杂。焊缝截面各面都有正应力和剪应力，分布不均匀，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度高，但塑性差，弹性模量大。

正面角焊缝应力分布7.4角焊缝的构造和计算2.角焊缝的尺寸限制不计熔深和余高hf,min、hfmax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。a)最小焊脚尺寸(hf,min)手工焊角焊缝：t—较厚焊件的厚度。自动焊（熔深较大）：焊件厚度t≤4mm时：取hfmin=tT形连接单面角焊缝：（1）焊脚尺寸hfmax≤1.2t

t—较薄焊件的板厚。

b)最大焊脚尺寸(hfmax)

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。

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:t≤6mmt＞6mm7.4角焊缝的构造和计算贴边焊7.4角焊缝的构造和计算a)最小计算长度（lwmin）（2）焊缝长度(lw)

为了使焊缝能有一定的承载能力，根据使用经验，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。b)侧焊缝最大计算长度（lwmax）lwmax≤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。

角焊缝计算长度（lw）取值lwmin≤lw

≤lwmax

焊脚尺寸的取值hfmin≤hf≤hfmax7.4角焊缝的构造和计算2.角焊缝的其他构造要求tblw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，两侧面角焊缝距离不宜过大。

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，应使：

lw

≥b

；b—两侧缝之间的距离；lw—侧焊缝计算长度；t—较薄焊件的厚度。当b不满足规定时，应加正面焊缝，或加槽焊或塞焊。7.4角焊缝的构造和计算

b)仅用正面角焊缝的搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。

c)所有围焊的转角应连续施焊，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。2hf2hf绕角焊缝≥5t及25mm搭接连接7.4角焊缝的构造和计算二、角焊缝计算的基本公式分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理:①假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45o；②不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he，he

＝0.7hf。有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积。7.4角焊缝的构造和计算Vfz∥NfxVfyVfyABCD受力分析NfxBCD7.4角焊缝的构造和计算在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：

—垂直于焊缝有效截面的正应力，

—垂直于焊缝长度的剪应力，∥—平行于焊缝长度方向的剪应力，∥=

fzVfx∥NfxVfyNfxVfy7.4角焊缝的构造和计算角焊缝在复杂应力作用下的强度条件：7.4角焊缝的构造和计算7.4角焊缝的构造和计算式中：βf——称为正面角焊缝的强度增大系数。对承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的正面角焊缝βf=1.22；对直接承受动力荷载结构中的正面角焊缝，考虑其刚度大，韧性差，将其强度降低使用，取βf

=1.0；对斜角角焊缝，不论静力荷载或动力荷载，一律取βf

=1.0。

he——角焊缝有效厚度，对于直角角焊缝等于he=0.7hf，其中为较小焊角尺寸。对于斜角角焊缝，当60°≤α≤135°且焊件间隙不超过1.5mm时，Slw

——两焊件间角焊缝计算长度总和。考虑起、落弧的影响，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2hf。7.4角焊缝的构造和计算三、常用连接方式的角焊缝计算1.受轴心力焊件的拼接板连接

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）用拼接板的对接连接A、仅采用侧面角焊缝连接Slw－连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和

盖板的截面大小由等强度原则确定，即：

A被f被=A盖f盖7.4角焊缝的构造和计算B、仅采用正面角焊缝连接C、采用三面围焊连接正面角焊缝承担的内力：侧面角焊缝的强度：若三面围焊受直接动载：∑lw为连接一侧所有焊缝的计算长度之和7.4角焊缝的构造和计算d、采用菱形拼接板正面角焊缝承担的内力：斜角焊缝承担的内力：侧面角焊缝承担的内力：计算时可忽略正面角焊缝和侧面角焊缝的强度设计值增大系数。7.4角焊缝的构造和计算2.受轴心力角钢的连接

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。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。桁架腹杆节点板的连接a)仅用侧面焊缝连接解上式得肢背和肢尖的受力为：由平衡条件得：NN1N2e1e2角钢的侧缝连接肢背肢尖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肢背、肢尖焊缝强度：7.4角焊缝的构造和计算角钢角焊缝内力分配系数K7.4角焊缝的构造和计算

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Neblw2lw1N2N1N3e1e2肢背、肢尖焊缝强度：7.4角焊缝的构造和计算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：肢背侧面角焊缝：正面角焊缝：N1N3e1e27.4角焊缝的构造和计算7.4角焊缝的构造和计算角焊缝的计算长度lw

和实际长度l的关系：4.绕角焊：侧面角焊缝

lw=l3.弯矩作用下角焊缝计算xlwx0.7hf0.7hf有效截面Ww：角焊缝有效截面的截面模量。7.4角焊缝的构造和计算4.扭矩作用下角焊缝计算①焊缝群受扭：计算假定：被连接件绕焊缝有效截面形心o旋转，焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心O的连线，应力大小与其到形心距离r成正比。J=Ix+Iy——焊缝有效截面绕形心O的极惯性矩；

r——距形心最远点到形心的距离；

T——扭矩设计值7.4角焊缝的构造和计算7.4角焊缝的构造和计算5.弯矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝计算危险点A的受力：7.4角焊缝的构造和计算6.扭矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝计算①求出焊缝有效截面的形心O；②将所受外力平移到形心O，得扭矩T，剪力V，轴力N；③计算T、V、N单独作用下危险点A的应力：④验算危险点的应力：7.4角焊缝的构造和计算∑lw为所有角焊缝的计算长度之和7.4角焊缝的构造和计算角焊缝计算步骤确定荷载；进行截面应力状态分析；确定焊脚尺寸，计算截面几何特征值；强度验算。确定最不利位置；端缝侧缝典型问题：工字型牛腿焊缝的计算第一种方法假设：①剪力由腹板焊缝承担②弯矩由全部焊缝承担a）翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：M—焊缝承担的弯矩Iw—全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩翼缘焊缝仅承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力；工字形梁(或牛腿)的角焊缝连接7.4角焊缝的构造和计算腹板焊缝既承受垂直于焊缝长度方向的应力又承受平行腹板焊缝长度方向的剪应力b）腹板焊缝：腹板焊缝A点的强度：7.4角焊缝的构造和计算第二种方法假设：腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩M可以化为一对水平力H=M/h1。腹板焊缝的强度计算公式为：则翼缘焊缝的强度计算公式为：7.4角焊缝的构造和计算h1[例]：试验算图3.42所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢材为Q235B，焊条为E43型，手工焊。静态荷载设计值N=365kN，偏心距e=350mm，焊脚尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。图3.42(b)为焊缝有效截面的示意图。

a)计算翼缘焊缝：[解]：V=N=365kN，

M=Ne=365×0.35=127.8kN·m（1）考虑腹板焊缝参加传递弯矩的计算方法全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为：翼缘焊缝的最大应力：b)计算腹板焊缝：弯矩M引起的最大应力：剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力：则腹板焊缝的强度（A点为设计控制点）为：（2）不考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法翼缘焊缝所承受的水平力：（h值近似取为翼缘中线间距离）翼缘焊缝的强度：腹板焊缝的强度：例：试设计如图所示厚度为12mm支托板与柱翼缘搭接连接的角焊缝。已知F=100kN(静力荷载），钢材为Q235B，焊条为E43，手工焊。【解】采用图示三面围焊FAx=21.17.4角焊缝的构造和计算86o1.焊缝有效截面的几何性质焊缝有效截面的形心位置yx872.焊缝强度验算(A点)

TFAx=21.17.5焊接热效应①纵向焊接应力——沿焊缝长度方向一、焊接残余应力的分类和产生的原因+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm施焊时焊缝附近达1600℃以上，而邻近区域温度骤降。焊缝周围产生不均匀温度场

施焊时焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩；焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力；拉应力大小可达钢材屈服点fy；

远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。-----++7.5焊接热效应②横向焊接应力——垂直于焊缝长度方向焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处中部受拉，两端受压先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先焊焊缝产生压应力；横向应力是上述两种应力合成。(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy(d)焊缝横向残余应力-+-xy7.5焊接热效应应力分布与施焊方向有关；-++施焊方向(e)xy-+-施焊方向(f)yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力7.5焊接热效应在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。-+-321σxσyσz冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。因此除了横向和纵向焊接残余应力x

，y外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力z

，这三种应力形成同号三向拉应力，大大降低连接的塑性。③厚度方向的焊接应力7.5焊接热效应④约束状态下产生的焊接应力约束焊接接头中的残余应力分布a-b截面上纵向残余应力7.5焊接热效应二、焊接残余应力的影响（1）对结构静力强度的影响受力前因焊接残余应力自相平衡，故：受力后当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力不会影响结构的静力强度σ+--bfy+--bfyNyNy+--fyσbBtNcNtNN7.5焊接热效应（2）对结构刚度的影响当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy

，故该部分刚度为零（屈服），这时在△N作用下应变增量为：σ+--bfyNN+--fyσNNbBt1>

2当截面上没有焊接残余应力时，在△N作用下应变增量为：结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度。7.5焊接热效应（4）对低温冷脆的影响（5）对疲劳强度的影响

对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。

在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。

对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。（3）对压杆稳定的影响三轴焊接残余应力7.5焊接热效应在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：三、减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法7.5焊接热效应1.合理的焊缝设计（1）合理的安排焊缝的位置（2）合理的选择焊缝的尺寸和形式（3）尽量避免焊缝的过分集中（4）尽量避免三向焊缝相交（5）要考虑钢板的分层问题7.5焊接热效应（1）采用合理的施焊顺序和方向；（2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力；（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理。2.合理的工艺措施7.6普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓规格精制螺栓粗制螺栓分类A级和B级C级强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级孔加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度螺杆与栓孔直径之差为0.25～0.5mm螺杆与栓孔直径之差为1.5～2mm受力特点抗剪抗拉均好抗剪差、抗拉好经济性能价格高价格经济用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定注：A、B两级的区别只是尺寸不同。A级用于d≤24mm,l≤150mm的螺栓，B级用于d>24mm,l>150mm螺栓。

7.6普通螺栓连接的构造和计算一、普通螺栓连接的构造计算1.螺栓的排列和构造要求☆规格：形式为大六角头型，其代号用字母M与公称直径表示。常用M16、M20、M24。☆螺栓的排列：并列、错列。并列错列7.6普通螺栓连接的构造和计算螺栓的排列要满足以下三个方面的要求：（1）受力要求：端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方向，中距过大，鼓曲。（2）构造要求：螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进入导致腐蚀。（3）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于安装。中心距太大<2d端距过小7.6普通螺栓连接的构造和计算

根据规范规定的螺栓最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。端距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距端距中距边距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0边距7.6普通螺栓连接的构造和计算型钢的螺栓(铆钉)排列7.6普通螺栓连接的构造和计算为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓；螺栓的其它构造要求：直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：

①承受静载或间接动载的次要连接；

②承受静载的可拆卸结构连接；

③临时固定构件的安装连接。沿杆轴方向受拉螺栓连接的端板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。7.6普通螺栓连接的构造和计算螺栓及其孔眼图例7.6普通螺栓连接的构造和计算

螺栓连接的受力形式分为：只受剪力，只受拉力。有时受剪力和拉力的共同作用。

N（B）拉力螺栓F（C）剪力和拉力共同作用F（A）剪力螺栓受力垂直螺杆，承剪、承压。连接件有错动趋势受力平行螺杆，承拉连接件有脱开趋势二、普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能7.6普通螺栓连接的构造和计算NδO1234NNabNN/2N/2对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移δ与作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段1.抗剪螺栓连接

(1)摩擦传力的弹性阶段(0~1段)

直线段—连接处于弹性状态；该阶段较短—摩擦力较小。(2)滑移阶段(1~2段)

克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表现在曲线上为水平段。抗剪螺栓连接受力后，首先由构件间的摩擦力来传递外力。当外力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁而受剪，孔壁则受压。单个螺栓抗剪试验结果7.6普通螺栓连接的构造和计算NδO1234abNN/2N/2(3)栓杆传力的弹性阶段(2~3段)

该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-δ关系以曲线状态上升。

(4)弹塑性阶段(3~4段)

达到‘3’后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。‘4’点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。7.6普通螺栓连接的构造和计算栓杆传力的弹性阶段：外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，内力分布不均；为防止“解钮扣”破坏，当连接长度l1>15d0时，应将螺栓的承载力乘以折减系数。（a）塑性阶段受力状态（b）弹性阶段受力状态7.6普通螺栓连接的构造和计算弹塑性阶段：内力重分布，螺栓受力趋于均匀a)AB栓杆较细而板件较厚时螺栓杆剪断b)BA栓杆较粗而板件较薄时孔壁挤压c)A截面削弱过多时钢板被拉断d)35º35ºa1A端矩过小时；端矩≥2d0钢板剪断e)A板过厚螺栓杆过长；栓杆长度＜5d螺栓弯曲7.6普通螺栓连接的构造和计算计算保证构造保证螺栓连接的破坏情况剪力螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定：7.6普通螺栓连接的构造和计算单个剪力螺栓的设计承载力：受剪承载力设计值：承压承载力设计值：d假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布；假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布验算：抗剪承载力设计值：承压承载力设计值：t1<t2

,Σt=t1t1t2t1t2t3t2<t1+t3

,Σt=t2d+b<a+c+e

,Σt=b+d螺栓直径承压设计强度剪面数目螺栓抗剪设计强度承压构件一侧总厚度的较小值一个抗剪螺栓的承载力设计值：7.6普通螺栓连接的构造和计算2.抗拉螺栓连接一个拉力螺栓的承载力设计值：de—螺栓的有效直径，取值见附表7；—螺栓抗拉强度设计值。7.6普通螺栓连接的构造和计算a)螺栓受拉时，连接板件有被撬开的趋势，螺杆中的拉力Pf=N+Qb)撬力大小难以确定，规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20％来考虑撬力的影响，取ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗拉强度设值）。dedndmd三、螺栓群的计算1.螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算轴力N由每个螺栓平均分担，连接一侧所需螺栓数为：N/2Nl1N/27.6普通螺栓连接的构造和计算螺栓孔削弱了受拉钢板的截面面积，因此还需对板件进行强度验算，强度计算公式为：截面1-1受力为：N截面2-2受力为：截面3-3受力为：截面1-1受力最大，其净截面面积为：对拼接板件来说，截面3-3受力最大为N，其净截面面积为：7.6普通螺栓连接的构造和计算截面2-2受力为截面1-1受力为螺栓排列为错列时：危险截面1-1（正交截面）、2-2（折线截面）An=min{A1-1，A2-2}7.6普通螺栓连接的构造和计算n1为危险截面1-1（正交截面）上的螺栓数、n2为危险截面2-2（折线截面）上的螺栓数。拼接板的净截面面积计算与板件相同。7.6普通螺栓连接的构造和计算例：设计两角钢用C级普通螺栓的拼接，已知角钢型号为：∟90×6，所承受轴心拉力的设计值为N=175kN，采用拼接角钢型号与构件的相同，钢材为Q235，螺栓直径d=20mm，孔径d0=21.5mm。解：①计算螺栓数一个螺栓的承载力设计值为：抗剪承载力设计值：承压承载力设计值：连接一边所需螺栓数：取5个，连接构造如图示。②构件净截面强度验算角钢的毛截面面积为A=10.6cm2；将角钢按中线展开，截面1-1（正交截面）净面积为：截面2-2（折线截面）净面积为：7.6普通螺栓连接的构造和计算故角钢的净截面应力为：2.螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算基本假设：①连接件绝对刚性，螺栓弹性；②

T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离ri成正比，方向与它和形心的连线垂直。T设螺栓1、2、3…n至螺栓群中心O点的距离为r1、r2、r3…rn；各螺栓承受的剪力分别为：xyr11O2345x1y1y26n7.6普通螺栓连接的构造和计算根据平衡条件及几何条件得：由于螺栓受力大小与其距O点的距离成正比，于是：于是：确定了螺栓所受的最大剪力，即可验算连接是否可靠，其强度条件是：不大于螺栓的抗剪承载力：xyr11O2345x1y1y26n7.6普通螺栓连接的构造和计算当y1>3x1时,r1趋近于y1：3.螺栓群在扭矩、剪力、轴心力共同作用下的抗剪计算xyr11Oxy141234V1234N将它分解为水平和竖直分力：扭矩T作用下螺栓1、2、3、4所受剪力最大（r1最大），为7.6普通螺栓连接的构造和计算VTN在剪力V、轴心力N共同作用下，螺栓均匀受力，每个螺栓受力为：以上各力对螺栓来说都是剪力，故受力最大的螺栓1承受的合力N1应满足下式：4.螺栓群在轴心力作用下抗拉计算7.6普通螺栓连接的构造和计算当设计拉力通过螺栓群形心时，所需要的螺栓数目：5.螺栓群在弯矩作用下抗拉计算MM1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴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成正比。7.6普通螺栓连接的构造和计算7.6普通螺栓连接的构造和计算m——螺栓排列的纵列数螺栓群承受偏心拉力，如何计算？当偏心不大时，按小偏心计算，即假定连接的旋转中心在螺栓群计算截面的形心o处。全部螺栓受拉，计算结果方为有效，否则，按大偏心情况计算，即假定旋转中心在最下或最上一排螺栓轴线处。6.螺栓群同时承受剪力和拉力的计算同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。有两种计算方法。7.6普通螺栓连接的构造和计算剪－拉联合作用的螺栓剪力和拉力的相关曲线试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：

验算剪-拉联合作用：验算孔壁承压：Nvb——单个螺栓抗剪承载力设计值；Ncb——单个螺栓承压承载力设计值Ntb——单个螺栓抗拉承载力设计值；Nv

、Nt——单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。7.6普通螺栓连接的构造和计算支托和翼缘用角焊缝连接，验算角焊缝：为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取1.25~1.357.6普通螺栓连接的构造和计算①支托仅起安装作用：螺栓群承受弯矩M和剪力V螺栓不发生拉剪破坏：孔壁不发生承压破坏：②剪力由支托承受，螺栓群承受弯矩M例：设图为短横梁与柱翼缘的连接，剪力V=250kN，e=120mm，螺栓为M20，C级，梁端竖板下有承托。钢材为Q235B，手工焊，焊条E43型，试按考虑承托传递全部剪力V以及不承受剪力V两种情况设计此连接。1、承托传递全部剪力V，螺栓群受弯矩作用设螺栓为M20（Ae=245mm2），n=10（1）单个螺栓抗拉承载力（2）单个螺栓最大拉力（3）承托焊缝验算，用侧面角焊缝，取hf=10mm[解]：4×100（2）一个螺栓受力（1）一个螺栓承载力2、不考虑承托传递剪力V（3）剪力和拉力联合作用下一、高强度螺栓连接的性能7.7高强度螺栓的连接性能和计算强度等级采用钢材8.8级45号钢、40B钢10.9级20MnTiB钢、35VB钢按材料分类按受力特征分类受力特征承载力极限状态安装孔径应用特点摩擦型外力达到板件摩擦力d0=d+1.5~2剪切变形小，耐疲劳，动载下不易松动承压型外力超过摩擦力栓杆受剪板件承压d0=d+1.0~1.5承载力比摩擦型大，剪切变形大，一般不用于直接动载情况1.高强度螺栓的预拉力①大六角头螺栓的预拉力控制方法有：

a.力矩法初拧——用力矩扳手拧至终拧力矩的30%~50%，使板件贴紧密；终拧——初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。

特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要。b.转角法

初拧——用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；

终拧——初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120o~180o完成终拧。

特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧。大六角头型7.7高强度螺栓的连接性能和计算②扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）初拧——拧至终拧力矩的60%~80%；终拧