第三章 钢结构的连接1焊缝连接

第3章钢结构的连接钢结构是由钢构件经连接而成的结构,因此连接在钢结构总占有很重要的位置,它直接关系钢结构的安全和经济。在受力过程中，连接应有足够的强度，被连接构件之间应保持正确的相互位置。一、钢结构连接的基本方法焊接连接连接方式备注缺点优点构造简单省工省料施工快速连接的密闭性好受材料和操作的影响大对钢材材性要求较高最基本最广泛施工简单装拆方便费料开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高费料费工很少应用塑性韧性好动力性能好传力可靠螺栓连接铆钉连接二、各连接方式的特点3.1焊接方法和焊接连接形式3.2角焊缝的构造和计算3.3

对接焊缝的构造和计算3.4

焊接残余应力和焊接残余变形3.5螺栓连接的构造3.6C级普通螺栓连接的工作性能和计算3.7高强螺栓连接的工作性能和计算

手工电弧焊1.电弧焊

焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧3.1

焊接方法和焊接连接形式一、焊接方法原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。

手工电弧焊Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500--5518)Q345钢选择E50型焊条(E5000--5048)B、焊条的表示方法第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)第3、4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。Q235钢选择E43型焊条（E4300--E4328)

A、焊条的选择缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；C、优、缺点

自动、半自动埋弧焊、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件埋弧自动焊A、焊丝的选择应与焊件等强度。B、优、缺点：优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限等。2.气体保护焊焊接速度快，熔化深度大

可手工焊，也可自动化操作

目前工厂很常用的焊接方法

室外施焊要有避风措施，防止气孔、焊接缺陷二、焊缝连接的形式

1、按焊缝的构造分角焊缝被连接板件2对接焊缝对接焊缝被连接板件1对接焊缝,角焊缝2、按两焊件的相对位置分

3、对接焊缝按受力与焊缝方向分a）直缝：作用力方向与焊缝方向正交b）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交

4、角焊缝按受力与焊缝方向分a）端缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直b）侧缝：作用力方向与焊缝长度方向平行c)斜缝:作用力与焊缝长度方向斜交角焊缝的种类Na)Nb)θNc)5、按焊缝连续性a）连续焊缝：受力较好b）断续焊缝：易发生应力集中

6、按施工位置俯焊、立焊、横焊、仰焊其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差。a)焊条俯焊d)仰焊b)立焊c)横焊三、焊缝的缺陷及焊缝质量检验1.焊缝缺陷2.焊缝质量检验四、焊缝代号作用表明焊缝型式、尺寸和辅助要求表示方法

由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成一、角焊缝的形式和构造1.分类一正面角焊缝（端缝）侧面角焊缝（侧缝）斜向角焊缝3.2

角焊缝的构造和计算直角角焊缝斜角角焊缝2.分类二一般采用（a）。但（a）应力集中较严重，在承受动力荷载时采用（b）、（c）。直角角焊缝hehfhf(a)普通型hehf1.5hf(b)平坦型hehfhf(c)凹面型ab45°BACEDhfhfhe图中

hf—焊脚尺寸（焊缝根角至焊缝外边的尺寸），

he—焊缝有效厚度。并有

he=0.7hf，

he—总是450斜面上的最小高度。直角角焊缝斜角角焊缝

主要用于钢管连接中我们主要讨论直角焊缝（d）斜锐角焊缝d)e)（e）斜钝角焊缝f)（f）斜凹面角焊缝

1）最大焊脚尺寸hf,max为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:

hf,max≤1.2tmin（钢管结构除外）式中:tmin---较薄焊件厚度。t1tminhf对于板件边缘的角焊缝,则应满足以下要求：

当t1≤6mm时，hf,max≤t1；当t1>6mm时，hf,max≤t1-(1~2)mm；hftmint13.角焊缝的构造要求2）最小焊脚尺寸hf,min

为了避免在焊缝金属中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:

式中:tmax----较厚焊件厚度

另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm;

对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;

当tmax≤4mm时,hf,min=t3）侧面角焊缝的最大计算长度受静力荷载受动力荷载

侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：4）侧面角焊缝的最小计算长度

对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：5）搭接连接的构造要求

当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：

A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范规定：B、为了避免横向收缩时引起板件的拱曲太大，规范规定：t1t2bD.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。

C.当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。b2hf

焊缝是一块体，应力状态复杂，计算时把直角三角形以外的部分去掉，按有效厚度he确定最危险截面（顺着焊缝方向的平面），通常称为有效截面，对有效截面进行验算。hfdcbadcbahehfhfhfhe有效截面——焊缝两焊脚面交线（aa）与有效厚度he组成的截面（下图中adda）。二、角焊缝的工作性能及强度（1）侧焊缝

这些剪应力实际分布不均。试验表明两头大中间小。考虑到出现塑性后应力重分布，规范规定在焊缝长度范围内按均匀分布计算。NNN

N

有效截面上只有与焊缝长度方向平行的剪应力

。（2）端（正面）焊缝N/2B2NAB1N/2abcN/2B2NAN/2N/2⊥⊥有效截面上与焊缝长度方向垂直的正应力⊥和剪应力⊥。正面角焊缝刚度大，破坏时变形小，强度比侧缝高，但塑性变形能力比侧缝小，常呈脆性破坏。复杂应力状态下，强度条件计算：ffw—角焊缝的设计强度。=/=/∥=代入上式得(f)2仅侧面角焊缝（图a）仅正面角焊缝（图b）1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用下角焊缝的计算

三、角焊缝的计算三面围焊时（图c）先计算计算正面角焊缝受力N1，剩余的N－

N1由侧面角焊缝承担。菱形拼接板（图d）简化计算不计正面及斜焊缝的f：A、仅采用侧面角焊缝连接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw22.轴心力作用下，角钢与节点板连接的角焊缝计算

对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面围焊由力及力矩平衡得:余下的问题同情况‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形围焊对于设计问题:Ne1e2bN1xxN3lw1a)形心MNVo1有效截面AABB焊缝受M、V、N作用3.弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接连接角焊缝b)1VNM剪力V与焊缝轴线平行，在有效截面上产生均匀分布剪应力。

轴力N与焊缝轴线垂直，形成垂直于焊缝方向的均匀分布应力fNa)形心MNVo1有效截面c)XXlwf=在M作用下，有效截面上产生垂直于焊缝方向且按三角形分布的应力fMa)形心MNVo1有效截面AABBc)XXlw有效截面b)1

We—角焊缝有效截面绕x轴的抵抗矩在1点处，有垂直于焊缝长度方向的最大应力f，且

角焊缝计算的一般公式牛腿在弯矩、剪力共同作用下的角焊缝连接4.承受扭矩剪力轴心力作用三面围焊角焊缝计算按弹性理论假定：被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性的；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。

扭矩T引起的剪应力最大在A点最大，A点为设计控制点NC=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）3.4

对接焊缝的构造和计算一、对接焊缝的构造应用：板厚为tt≤10mm

时，用a）、b)、

工字形

t=10～20mm时，用c）、d)单边V、V字形

t＞20mm时，用e)、f)

X、K、U字形垫板垫板垫板加垫板的坡口为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板（1）起落弧处易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算时将焊缝长度两端各减去t(t为较薄焊件的厚度)。对接焊缝的构造处理引弧板b（2）变厚度板或变宽度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：2.5的斜面，避免应力集中。对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种；动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。二、对接焊缝的计算NNtN（1）直焊缝

1、受轴心力作用的对接焊缝

（2）斜焊缝

2、受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝

MMVVlwtlwt验算截面

分别验算、（1）矩形截面（2）工字形截面MMVV验算截面.1

问题特点：在腹板和翼缘连接处（1点），、均较大。还要用最大折算应力进行检算。

1、1—受拉区1点的正应力、剪应力。系数1.1考虑折算应力发生在焊缝局部，设计强度提高10%。

折算应力验算公式：规范规定：在对接接头和T形接头中，承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或角接组合焊缝，其正应力和剪应力应分别进行计算，但在同时受有较大正应力和剪应力处，应计算折算应力。与构件母材强度计算方法相同采用一般的材料力学、弹性力学计算公式一级、二级检验的对接焊缝强度可与母材等强，可不验算小结§3.4

焊接应力和焊接变形一、焊接残余应力的分类及其产生的原因

1.焊接残余应力的分类

A、纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;B、横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面;C、沿厚度方向的焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面。

2.焊接残余应力产生的原因（1）纵向焊接残余应力焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++（2）横向焊接残余应力产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。

以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。(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yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接残余应力

在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力σx,σy

外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力σz，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接残余应力对结构性能的影响1、对结构静力强度的影响f+--bfy+--bfyNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力对结构的静力强度没有影