钢结构的连接计算及构造

关于钢结构的连接计算及构造第一页，共九十七页，2022年，8月28日钢结构连接计算及构造3.1钢结构的连接方法、形式、表示及特点3.2对接焊缝计算3.3角焊缝计算3.4焊接残余应力及残余变形3.5螺栓连接3.6普通螺栓连接3.7高强螺栓连接第二页，共九十七页，2022年，8月28日3.1钢结构的连接方法、形式、表示及特点钢材→构件→整体结构钢结构的连接方法选择的原则：传力明确简捷、强度可靠、保证安全，同时还须构造简单、材料节约、施工简便、造价降低。常用的连接方法一般采用焊接、栓接和铆接。(a)焊缝连接；(b)铆钉连接；(c)螺栓连接；(d)紧固件连接钢结构的连接方法第三页，共九十七页，2022年，8月28日连接方法优点缺点焊接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力第四页，共九十七页，2022年，8月28日焊接优点：任何形式的构件一般都可直接相连，不削弱构件截面，用料经济，构造简单，加工方便，连接刚度大，密封性能好，可采用全自动或半自动作业，生产效率高。缺点：焊缝附近钢材，在高温作用下形成热影响区，其金相组织和力学性能发生变化，导致局部材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的加温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定的影响。常用的连接方法一般采用焊接、栓接和铆接。第五页，共九十七页，2022年，8月28日焊接原理钢结构常用的焊接方法是电弧焊,包括手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊及气体保护焊等。手工电弧焊电路由焊条、焊钳、焊件、电焊机与导线组成。

通电引弧后，在涂有焊药的焊条端与焊件间产生电弧，使焊条熔化，熔滴滴入被电弧吹成的焊接溶池中，焊药燃烧在熔池周围形成保护气体，稍冷后在焊缝熔化金属表面形成熔渣，以隔绝熔池中液体金属与氧、氮等气体的接触，避免形成脆性易裂化合物，焊缝金属冷却后与焊件熔成一体。第六页，共九十七页，2022年，8月28日手工电弧焊直流手工电弧焊—氩弧焊多功能焊机直流手工电弧焊施焊适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝所采用的焊条型号应与主体金属相适应当不同强度钢材焊接时应选用与强度较低钢材相适应的焊条。第七页，共九十七页，2022年，8月28日自动或半自动埋弧焊自动或半自动埋弧焊主要设备是自动电焊机，沿轨道按设定速度移动，通电引弧后，使埋于焊剂下的焊丝和附近的焊剂熔化，熔渣浮在熔化的焊缝金属上面，使融化金属不与空气接触，并供给焊缝金属以必要的合金元素，随焊机的移动，颗粒状焊剂不断从料斗漏下，电弧完全被埋在焊剂之内，同时焊丝自动地边熔化边下降，称为自动埋弧焊。

(沿轨道推移过程由人工控制时，称为半自动埋弧焊)手工电弧直流/直流脉冲氩弧焊两用机第八页，共九十七页，2022年，8月28日1—焊丝转盘；2—转动焊丝的电动机；3—焊剂漏斗；4—电源；5—熔化的焊剂；6—焊缝金属；7—焊件；8—焊剂；9—移动方向埋弧自动电弧焊原理图第九页，共九十七页，2022年，8月28日门式全自动埋弧焊机第十页，共九十七页，2022年，8月28日H型钢柱上

的焊缝第十一页，共九十七页，2022年，8月28日气体保护焊设备来自上海怡宾机电气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成局部的保护层，以防止有害气体侵入，从而保持焊接过程的稳定，气体保护焊又称气电焊。

(最常用的惰性气体是氩气)二氧化碳气体保护焊塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置的焊接。但不适用于在风较大的地方施焊第十二页，共九十七页，2022年，8月28日气体保护焊现场西湖国际大厦施工现场采用二氧化碳气体保护施焊第十三页，共九十七页，2022年，8月28日杭州广播电视新楼施工现场采用二氧化碳气体保护施焊第十四页，共九十七页，2022年，8月28日电阻焊电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面电阻所产生的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。电阻焊只适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3.5mm的构件。第十五页，共九十七页，2022年，8月28日第十六页，共九十七页，2022年，8月28日气焊第十七页，共九十七页，2022年，8月28日第十八页，共九十七页，2022年，8月28日焊缝的形式与构造1.按构件的相对位置分：对接连接、搭接连接、Ｔ形连接、角接连接四种第十九页，共九十七页，2022年，8月28日第二十页，共九十七页，2022年，8月28日对接焊缝直缝斜缝角焊缝端缝侧缝斜焊缝2.按焊缝的种类分第二十一页，共九十七页，2022年，8月28日3.按施焊位置分俯焊立焊横焊仰焊第二十二页，共九十七页，2022年，8月28日(a)对接连接；(b)用拼接盖板的对接连接；(c)搭接连接；(d)、(e)T型连接；(f)、(g)角部连接焊缝连接的形式第二十三页，共九十七页，2022年，8月28日焊缝的表示在钢结构施工图中的焊缝，应遵照《焊缝符号表示法》（GB324—88）和《建筑结构制图标准》（GB/T50105）的规定予以标注。焊缝符号:主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。图形符号:表示焊缝截面的基本形式。引出线:由横线、斜线及箭头组成，而横线由两条平行的实线与虚线组成，可在实线侧或虚线侧标注符号，斜线和箭头则将整个焊缝符号指向图形的有关焊缝处。

第二十四页，共九十七页，2022年，8月28日连续角焊缝和间断角焊缝<=30t(受拉)<=15t(受压)t第二十五页，共九十七页，2022年，8月28日当焊缝分布不规则时，在标注焊缝符号的同时，宜在焊缝处加粗线（表示可见焊缝）或栅线（表示不可见焊缝），工地安装焊缝加×号，如图下图。(a)可见焊缝(b)不可见焊缝(c)工地安装焊缝焊缝标注方法第二十六页，共九十七页，2022年，8月28日第二十七页，共九十七页，2022年，8月28日第二十八页，共九十七页，2022年，8月28日焊缝缺陷第二十九页，共九十七页，2022年，8月28日(a)裂纹；(b)焊瘤；(c)烧穿；(d)弧坑；(e)气孔；(f)夹渣；(g)咬边；(h)未熔合；(i)未焊透焊缝缺陷第三十页，共九十七页，2022年，8月28日焊缝质量检验《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且符合三级质量标准；设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。一级焊缝超声波和射线探伤的比例均为100%，二级焊缝超声波探伤和射线探伤的比例均为20％且均不小于200mm。当焊缝长度小于200mm时，应对整条焊缝探伤。第三十一页，共九十七页，2022年，8月28日钢结构中一般采用三级焊缝，可满足通常的强度要求，但其中对接焊缝的抗拉强度有较大的变异性，其设计值仅为主体钢材的85%左右。因而对有较大拉应力的对接焊缝，以及直接承受动力荷载的重要焊缝，可部分采用二级焊缝，对抗动力和疲劳性能有较高要求处可采用一级焊缝。焊缝质量等级须在施工图中标注，但三级焊缝不需标注。第三十二页，共九十七页，2022年，8月28日螺栓连接优点：施工工艺简单，安装方便，特别适用于工地安装连接，工程进度和质量易得到保证。缺点：因开孔对构件截面有一定的削弱，且被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角钢等连接件，因而比焊接连接用材较多，构造也较繁。常用的连接方法一般采用焊接、栓接和铆接。第三十三页，共九十七页，2022年，8月28日铆钉连接常用的连接方法一般采用焊接、栓接和铆接。第三十四页，共九十七页，2022年，8月28日对接焊缝的计算对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊6mm，埋弧焊10mm）时，可用直边缝。对于一般厚度（6~20mm）的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或V形焊缝。斜坡口和根部间隙c（离缝）共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；对于较厚的焊件（t>20mm），则采用U形、K形和X形坡口。第三十五页，共九十七页，2022年，8月28日(a)直边缝；(b)单边V形坡口；(c)V形坡口；(d)U形坡口；(e)K形坡口；(f)X形坡口对接焊缝的坡口形式第三十六页，共九十七页，2022年，8月28日在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角（图3.11），以使截面过渡和缓，减小应力集中。（a）改变宽度；（b）改变厚度

用引弧和引出板焊接钢板拼接第三十七页，共九十七页，2022年，8月28日对接焊缝的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。抗压、抗剪强度:与母材强度相同。抗拉强度:由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。第三十八页，共九十七页，2022年，8月28日1、轴心受力的对接焊缝的计算第三十九页，共九十七页，2022年，8月28日式中lw—焊缝计算长度；

t—连接件的较小厚度，对T形接头为腹板厚度； 、—对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。当加引弧板较为困难而未加时，焊缝长度应减去2t。因此，在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算，只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。第四十页，共九十七页，2022年，8月28日2、斜向受力的对接的焊接分别验证正应力、剪应力，有一定的近似性第四十一页，共九十七页，2022年，8月28日式中lw—焊缝的计算长度；加引弧板时，；不加引弧板时，；

—对接焊缝抗剪强度设计值。例GOGO第四十二页，共九十七页，2022年，8月28日3、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝对接接头受弯矩和剪力的联合作用，由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形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。对接焊缝受弯矩和剪力联合作用第四十三页，共九十七页，2022年，8月28日

(3.2)

(3.3)式中，WW—

焊缝截面模量；

SW—

焊缝截面面积矩；

IW—

焊缝截面惯性矩。工字形截面梁的接头，采用对接焊缝，除应分别验算最大正应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力处，例如腹板与翼缘的交接点处，还应按下式验算折算应力：（3-4）例3-2P47第四十四页，共九十七页，2022年，8月28日4.承受弯、剪、轴力共同作用的对接焊缝对称工字形截面当工字型钢梁同时承担弯矩、剪力、轴力共同作用时：弯矩、轴力由全截面共同承担，剪力由腹板承担第四十五页，共九十七页，2022年，8月28日第四十六页，共九十七页，2022年，8月28日第四十七页，共九十七页，2022年，8月28日角焊缝的构造一、角焊缝的形式直角角焊缝普通型深熔直角焊缝平坡凸形斜角角焊缝斜锐焊缝斜钝焊缝斜凹角焊缝第四十八页，共九十七页，2022年，8月28日大量试验结果表明，侧面角焊缝主要承受剪应力。塑性较好，弹性模量低（N/mm²），强度也较低。正面角焊缝的静力强度高于侧面角焊缝，但塑性差。第四十九页，共九十七页，2022年，8月28日二、最小焊角尺寸第五十页，共九十七页，2022年，8月28日三、最大焊角尺寸第五十一页，共九十七页，2022年，8月28日四、角焊缝最小计算长度五、侧面角焊缝最大计算长度第五十二页，共九十七页，2022年，8月28日每条侧焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离。两侧面角焊缝之间的距离b也不宜大于16t(t＞12mm)或190mm（t≤12mm）,t为较薄焊件的厚度。在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm。焊缝长度及两侧焊缝间距

搭接连接第五十三页，共九十七页，2022年，8月28日杆件与节点板的焊缝连接(a)两面侧焊（b）三面围焊（c）L形围焊第五十四页，共九十七页，2022年，8月28日角焊缝的计算单焊缝的三种破坏形式焊缝剪坏焊缝拉坏焊缝断裂

第五十五页，共九十七页，2022年，8月28日直角角焊缝：计算截面为450斜截面普通形平坡凸形等边凹形第五十六页，共九十七页，2022年，8月28日斜角角焊缝第五十七页，共九十七页，2022年，8月28日1、当平行于焊缝长度方向时，（侧面焊缝）第五十八页，共九十七页，2022年，8月28日2、当垂直于焊缝长度方向时，(正面焊缝)第五十九页，共九十七页，2022年，8月28日3、在其它力和各种力综合作用时第六十页，共九十七页，2022年，8月28日4.承受轴心力角钢的角焊接连接（1）侧面焊接连接时设N1N2分别为角钢肢背，肢尖承受的内力第六十一页，共九十七页，2022年，8月28日第六十二页，共九十七页，2022年，8月28日（2）角钢用三面围焊时N3作用在正面角焊缝的中间，所以N1、N2个分一半第六十三页，共九十七页，2022年，8月28日（3）角钢用L形围焊第六十四页，共九十七页，2022年，8月28日5、弯矩、轴力、剪力共同作用顶接连接角焊缝计算第六十五页，共九十七页，2022年，8月28日第六十六页，共九十七页，2022年，8月28日3.4焊接残余应力和焊接变形(a）、(b）纵横向收缩；(c)面内弯曲变形；(d)角变形；(e)变曲变形；(f)扭曲变形；(g)薄板失稳翘曲变形图3.27焊接残余变形类别示意图第六十七页，共九十七页，2022年，8月28日焊接残余应力和焊接变形的危害1、焊接应力的影响

对结构静力强度无影响降低结构的刚度对低温冷脆的影响是决定性的对结构的疲劳强度有明显不利影响2、焊接变形的影响焊接变形不但影响结构的尺寸和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，引起事故。第六十八页，共九十七页，2022年，8月28日焊接残余应力和焊接变形的防止措施（1）合理的焊缝设计合理的选择焊缝的尺寸和形式，尽量采用较小的焊缝尺寸。尽可能能减少不必要的焊缝——不适当地大量采用加劲肋。合理地安排焊缝的位置——尽量对称于中性轴，或接近中性轴尽量避免焊缝的过分集中和交叉——加劲肋进行切角尽量避免在母材厚度方向的收缩应力（2）合理的工艺措施采用合理的焊接顺序和方向——先焊工作时受力较大的焊缝或收缩量较大的焊缝。采用反变形法锤击或辗压焊缝——在刚焊完时进行。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过分产生裂纹。对于小尺寸焊件焊前预热returnGOGO第六十九页，共九十七页，2022年，8月28日3.5螺栓连接普通螺栓连接按受力情况可分为抗剪连接和抗拉连接，也有同时抗剪和抗拉的。抗剪连接又有单面受剪和双面受剪以及多面受剪等不同情况。普通螺栓抗剪连接通普通螺栓抗拉连接第七十页，共九十七页，2022年，8月28日1、螺栓的排列螺栓在构件上排列应简单、统一、整齐而紧凑，通常分为并列和错列两种形式。

螺栓的排列return第七十一页，共九十七页，2022年，8月28日2、螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求：（1）受力要求：在受力方向螺栓的端距过小时，钢材有剪断或撕裂的可能。各排螺栓距和线距太小时，构件有沿折线或直线破坏的可能。对受压构件，当沿作用方向螺栓距过大时，被连板间易发生鼓曲和张口现象。（2）构造要求：螺栓的中矩及边距不宜过大，否则钢板间不能紧密贴合，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。（3）施工要求：要保证一定的空间，便于转动螺栓板手拧紧螺帽。第七十二页，共九十七页，2022年，8月28日GO第七十三页，共九十七页，2022年，8月28日3、螺栓的其他构造要求螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：（1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。但根据实践经验，对于组合构件的缀条，其端部连接可采用一个螺栓。（2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。例如采用弹簧垫圈，或将螺帽或螺杆焊死等方法。第七十四页，共九十七页，2022年，8月28日（3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。但在重要的连接中，不得采用C级螺栓。应优先采用高强度螺栓。（4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板），应适当加强其刚度（如加设加劲肋），以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。第七十五页，共九十七页，2022年，8月28日4、孔、螺栓图例第七十六页，共九十七页，2022年，8月28日普通螺栓连接计算抗剪螺栓----依靠螺杆抗剪和螺杆对孔壁的承压，传递垂直于螺栓的外力抗拉螺栓----依靠螺杆受拉传递平行于螺杆的外力第七十七页，共九十七页，2022年，8月28日1、抗剪普通螺栓连接构造破坏形式主要有

a）螺栓剪断

b）钢板孔壁挤压破坏

c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断

d）构件端部被剪坏

e）螺栓弯曲破坏通过计算避免通过构造避免第七十八页，共九十七页，2022年，8月28日第七十九页，共九十七页，2022年，8月28日螺栓剪断第八十页，共九十七页，2022年，8月28日第八十一页，共九十七页，2022年，8月28日第八十二页，共九十七页，2022年，8月28日第八十三页，共九十七页，2022年，8月28日当构件上的螺孔端距大于2d0，就可避免第八十四页，共九十七页，2022年，8月28日当螺栓的夹紧长度不超过直径的5倍，就可避免第八十五页，共九十七页，2022年，8月28日普通受剪螺栓受力状态：