钢结构焊接、螺栓、铆钉连接构造要求和计算

焊接连接螺栓连接铆钉连接构造要求和计算焊接连接螺栓连接铆钉连接焊接连接螺栓连接铆钉连接3.1钢结构的连接方法和特点焊接连接

螺栓连接

铆钉铆钉机一、焊接连接

对接焊缝连接优点：构造简单，制作加工方便；不削弱截面；连接刚度大；可实现自动化操作。缺点：材质易脆；存在残余应力；对裂纹敏感。角焊缝连接焊接连接是钢结构中最常用的一种连接方法：焊接方法：电弧焊埋弧焊气体保护焊手工电弧焊自动和半自动1.手工电弧焊原理：利用电弧产生热量熔化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Q235钢E43型焊条(E4300~E4328)；Q345钢E50型焊条(E5000~E5048)；Q390钢Q420钢E55型焊条(E5500~E5518)。注：不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。B、焊条的表示方法：E—焊条(Electrode)第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（MPa)第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。E43型熔融金属的最小抗拉强度为≥420MPa；E50型熔融金属的最小抗拉强度为≥490MPa；E55型熔融金属的最小抗拉强度为≥550MPa；E4300：平、仰、立、横；交流或直流正、反接；特殊性；E4322：平；交流或直流；正接氧化铁型；缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接技术直接影响焊接质量。优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置焊接；C、手工电弧焊的优、缺点：优点：连接刚度大，传力可靠；

二、铆钉连接缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，施工速度慢。铆钉连接是利用铆钉将两个或两个以上的元件(一般为板材或型材)连接在一起的方法，简称铆接。铆钉有空心和实心两大类。铆钉连接包括制孔和打铆两个工序。螺栓连接普通螺栓高强螺栓三、螺栓连接精制螺栓摩擦型连接承压型连接粗制螺栓粗制普通螺栓（C级）:材料的性能等级为4.6或4.8级；4表示fu≥400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；精制普通螺栓（A、B级）:材料的性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu≥500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；1、普通螺栓：（A、B、C三级）摩擦型连接：摩擦型连接依靠被连接板件之间强大的摩擦阻力来承受外力，以摩擦阻力被克服作为承载能力的极限状态。为了提高摩擦阻力，一般要对接触面进行处理，并施加预压力。摩擦型螺栓连接的螺栓孔径比螺栓直径大1.5~2.0mm。摩擦型连接有很大的摩阻力，剪切变形小，特别适用于承受动力荷载的结构中。摩擦型连接承压型连接2、高强度螺栓连接承压型连接：承压型连接允许被连接板件之间接触面发生相对滑移，以栓杆被剪断或承压破坏作为承载能力的极限状态。承压型螺栓连接的螺栓孔径比螺栓直径大1.0~1.5mm。承压型连接的承载力比摩擦型连接高，可节约螺栓，但剪切变形大，故不能用于承受动力荷载的结构中。3.2焊缝和焊接连接的形式一、焊缝的形式（2）对接焊缝正对接焊缝（1）角焊缝T型对接焊缝斜对接焊缝1、角焊缝定义：角焊缝连接不必坡口，焊缝金属直接填充在被连接板件形成的直角或斜角区。角焊缝直角角焊缝斜角角焊缝hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式（1）直角角焊缝hehfhf凹面式一般情况下直接承受动力荷载的结构中焊脚尺寸计算厚度（2）斜角角焊缝对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。直边缝：单边V形缝：双边V形缝：适用板厚δ＜10mm适用板厚δ＝10～20mmU形缝：K形缝：X形缝：适用板厚δ＞20mm2、对接焊缝（坡口焊缝）αα二、焊接连接的形式搭接对接角部连接T型连接平焊横焊仰焊施焊位置：平焊（又称俯焊），施工最方便；横焊和立焊对焊工的操作水平要求较高；仰焊的操作条件是最差的，焊缝质量很难保证，尽量避免采用。3.3焊缝缺陷和质量检验

一、焊缝缺陷

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；焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。裂纹焊瘤烧穿弧坑裂纹气孔夹渣未焊透二、焊缝质量检验质量检验外观检查内部无损检查检查外观缺陷和几何尺寸检查内部缺陷，采用超声波检验，用磁粉、荧光检验等较简单的方法作为辅助；此外还可采用X射线或γ射线透照或拍片，X射线应用较广。超探仪39《钢结构工程施工及验收规范》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。一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。三、焊缝代号图例焊缝代号基本符号指引线表示焊缝的截面形式横线带箭头的斜线焊缝代号3.4角焊缝的构造要求和计算基本概念正面角焊缝：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；斜焊缝：焊缝长度方向与作用力呈一定角度；角焊缝按其与作用力的关系可分为：1、正面角焊缝各面均存在正应力和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。ABCB1C1A1ACBNNσxσy

2、侧面角焊缝主要承受剪应力(沿长度方向)

N注：所取截面为45°斜截面

3、斜焊缝斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。构造要求一、角焊缝构造要求

1、最小焊脚尺寸

注意：1、自动焊熔深较大，最小焊脚尺寸减少1mm；2、T型连接的单面角焊缝，应增加1mm；3、当焊件厚度小于或等4mm时，取焊件厚度相同。2、最大焊脚尺寸

较厚焊件的厚度较薄焊件的厚度

注：焊脚尺寸取整数小结：最小焊脚尺寸1、自动焊：减少1mm2、T型连接的单面角焊缝：增加1mm3、焊件厚度小于等于4mm：取与焊件厚度相同最大焊脚尺寸板件边缘角焊缝：t>6mm时，取t-(1~2)mm；t≤6mm时，取t；几种特殊情况下的最大最小焊脚尺寸的规定：

防止焊缝长度过小，力线弯折大，造成严重的应力集中。正面角焊缝：

侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大中间小，焊缝越长，应力集中越明显；如果长度过长，有可能在焊缝的两端破坏。(1)仅有侧面角焊缝时：（t为较薄焊件的厚度）(2)仅有正面角焊缝时：（t为较薄焊件的厚度），5、搭接连接的构造要求

否则应力分布不均匀，承载力下降6、断续角焊缝的构造要求：角焊缝沿长度方向布置连续角焊缝断续角焊缝主要的焊缝形式应力集中现象明显

4.绕角焊转角处构件存在应力集中现象，如果在此处起、灭弧。可能出现弧坑、咬肉等现象，加大应力集中，故应该采用绕角焊，或者采用三面围焊。7、减少角焊缝应力集中的措施：设计计算直角角焊缝强度计算基本公式：正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时取1.0

直角角焊缝计算公式：有效截面（计算截面）直角角焊缝的极限强度公式：适合于Q235钢其他钢种直角角焊缝的极限强度公式：能适合大部分钢种当作用斜向轴心力F：FNV沿长度方向垂直于长度方向FNVNV将上述应力代入到折算应力公式中：其中，直角角焊缝强度计算基本公式：正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时取1.0

对正面角焊缝：对侧面角焊缝不同受力情况下角焊缝连接计算：轴心力作用弯矩、轴心力和剪力共同作用扭矩和剪力共同作用1、轴心力作用下角焊缝的连接计算只有正面角焊缝时：a.盖板连接的角焊缝只有侧面角焊缝只有正面角焊缝三面围焊b.承受斜向轴力的角焊缝c.承受轴心力的角钢角焊缝a.盖板的角焊缝的连接计算采用三面围焊时：（1）只有侧面角焊缝时：（2）只有正面角焊缝时：（3）采用三面围焊时：先求出正面焊缝所能承受的力然后计算侧面焊缝只有正面角焊缝时：采用三面围焊时：b.承受斜向轴力的角焊缝

分力法令：斜焊缝的计算公式:直接法验算如下角焊缝的强度，已知斜向力F=250KN，角度，焊脚尺寸，焊缝实际长度，钢材Q235B钢，手工焊，E43型焊条。例题3-11、分力法

代入到式（3-8）中，得：

满足要求。2、直接法斜焊缝的计算公式:

最后代入公式：

满足要求。试设计采用拼接盖板的对接连接，已知钢板宽度B=270mm，厚度，拼接盖板厚度，该连接承受的轴心静力荷载设计值N=1400KN,钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。例题3-2

跟焊缝的受力形式有关两面侧焊采用菱形盖板三面围焊1、采用两面侧焊

拼接盖板的宽度b的确定？应满足：在钢材种类相同的情况下，拼接盖板的截面积应大于等于被连接钢板的截面积。

同时需满足构造构造要求：(1)仅有侧面角焊缝时：（t为较薄焊件的厚度）

满足要求，故盖板尺寸为-16×240×6802、采用三面围焊可减少侧面角焊缝长度，继而减少盖板尺寸。假设拼接盖板的宽度和厚度与采用两面侧焊时相同未知量：盖板的长度L

先求出正面焊缝所能承受的力然后计算侧面焊缝

代入式中

3、采用菱形拼接盖板可减小角部的应力集中，继而改善连接的工作性能。设计思路：假定菱形拼接盖板的尺寸，然后进行验算。

正面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝

c.承受轴心力的角钢角焊缝两面侧焊三面围焊L形围焊三面围焊：b已知量：N，e，b未知量：N1

，N2

，N3首先确定正面角焊缝所能承受的最大力：N1

，N2

N1

N2

2、角钢连接的角焊缝计算同理，注：k1，k2称为轴力分配系数，可查表两面侧焊：b即：N3=0(2)两面侧焊(3)L形围焊L形围焊：即：N2=0一桁架的腹杆，截面为2∟140×10，钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。杆件承受静力荷载，由恒荷载标准值产生的,由活荷载标准值产生的。构件与16mm厚的节点板相连接，如图所示，分别设计下列情况时此节点的连接：(1)三面围焊；(2)两面侧焊；(3)L形围焊。例题3-3已知条件：角钢类型：

2∟140×10；外荷载：恒载作用的标准值和活载作用的标准值；节点板厚度：16mm目的：对节点的连接进行设计1、三面围焊：2、两面侧焊：3、L形围焊：

1、采用三面围焊

最大焊脚尺寸最小焊脚尺寸

8mmN1

，N2

，N3N=1.2NGK+1.4NQK=1056KNN1

，N2

，N3

确定焊缝的长度？

将N1、N2代入到下述公式中：=327.1mm=91.4mm由计算长度得实际长度

取340mm取100mm取140mm2、采用两面侧焊缝

=739.2KN=316.8KN将N1、N2代入到下述公式中：=412.5mm=176.8mm由计算长度得实际长度

=428.5mm=192.8mm

3、采用L形围焊=633.6KN=422.4KN正面角焊缝所能承受的最大力为306.1KNN3=633.6KNL形焊缝不满足受力，故不能采用L形焊缝M2、弯矩、剪力和轴心力作用NV弯矩：

在截面上产生的应力大小：最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处：

剪力：V

轴心力：N

弯矩+剪力+轴力：NFeA

控制设计点

一角钢牛腿，截面为1∟125×80×12，短边外伸如图所示，承受静力荷载设计值F=140KN，作用点与柱翼缘板表面的距离e=30mm，钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。试验算此牛腿角钢与柱连接的角焊缝强度。例题3-4已知条件：

角钢尺寸

焊缝的尺寸；

钢材类型及其焊接方法

焊接金属的抗拉强度设计值；

外力

F及偏心距e；解题思路：确定焊缝的形式应力验算假设焊脚尺寸

目的：进行角焊缝强度验算

（1）剪力：V=F=140KN

弯矩：M=Fe=4.2KN·m

剪力F产生的应力：

弯矩产生的最大应力：

工字形或H形截面梁（牛腿）通常承受M、V焊缝截面：翼缘焊缝和腹板焊缝外力：M、VMV全部焊缝承担腹板焊缝承担1、翼缘焊缝应力：M弯曲应力：沿梁高呈三角形分布。翼缘板最外纤维

翼缘焊缝最外纤维处应力应满足：

MV2、腹板焊缝应力:

设计控制点需要验算的应力：1、为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：

2、翼缘板与腹板交点处的应力满足：

例题3-5

10010020

外荷载：N=320KN

M=Ne=112KN·m焊缝：腹板焊缝和翼缘板焊缝作为剪力N——由腹板焊缝承担M——由全部焊缝承担M引起的应力值：翼缘焊缝最外边缘处和翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处

翼缘板焊缝腹板焊缝上下2条长焊缝中间4条短焊缝中间2条竖向焊缝中间2条竖向焊缝

中间4条短焊缝

上下2条长焊缝

M引起的应力值：翼缘焊缝最外边缘处和翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处翼缘最外边缘处应力:

满足要求

满足要求翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处应力:

MN3、扭矩、剪力和轴心力作用（1）扭矩作用环形角焊缝连接计算

r—圆心至焊缝有效截面中线的距离

（2）扭矩作用条形角焊缝连接计算

基本假定：

①被连接构件是绝对刚性的，角焊缝是弹性的；

②角焊缝上应力方向垂直于该点与形心的连线，大小与距离成正比。

设计控制点

（3）扭矩、剪力和轴力共同作用下角焊缝连接计算扭矩作用的应力：

设计控制点剪力作用的应力：

VA

轴力作用的应力：

NA扭矩+剪力+轴力共同作用：

VAN3.5对接焊缝

构造要求和计算构造要求焊缝金属主体金属一、对接焊缝的强度金属强度之间的关系？无缺陷有缺陷焊缝金属强度大于主体金属强度受压和受剪焊缝受拉焊缝焊缝金属强度等于主体金属强度焊缝金属强度等于85%主体金属强度一、二级焊缝三级焊缝焊缝金属强度等于主体金属强度金属强度1、在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度方向和厚度方向制成斜角。二、对接焊缝的构造要求

焊缝的起点和终点，容易出现弧坑等缺陷，形成应力集中，故通常设引弧板，使起弧和灭弧落在引弧板上，焊接后割除。有引弧板

无有引弧板

设计计算三、对接焊缝的计算公式对接焊缝全部焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝一般受力结构中采用受力较小；焊透的对接焊缝强度不能充分发挥1、焊透的对接焊缝的计算计算原则：焊透的对接焊缝是焊件截面的组成部分，计算方法与构件的强度计算方法一致。A轴心力作用的对接焊缝计算B弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算C弯矩、剪力和轴心力共同作用的对接焊缝计算A轴心力作用的对接焊缝计算BtNNNNB弯矩、剪力作用的对接焊缝计算BtMMVV

a钢板连接的对接焊缝最大正应力最大剪应力**所求点以外的图形对中性轴的面积矩**b工字或H型钢连接的对接焊缝

最大正应力最大剪应力腹板与翼缘板交接点1最大正应力最大剪应力

腹板与翼缘板交接点11.1——折算应力局部增大系数

C轴心力、弯矩和剪力作用的对接焊缝计算

++

最大正应力最大剪应力腹板与翼缘板交接点1承受轴拉力的钢板，采用Q235钢，宽度B=200mm，如图所示，恒载标准值，活载标准值，钢板上有一垂直于钢板轴线的对接焊缝，焊条E43型，手工焊。试验算下列三种情况是否满足承载力要求：(1)焊缝质量为二级，采用引弧板施焊，钢板厚度t=12mm；(2)焊缝质量为三级，采用引弧板施焊，钢板厚度t=14mm；(3)焊缝质量为三级，不采用引弧板施焊，钢板厚度t=14mm；[课本例题3-8]例题3-8条件同例题3-5，但牛腿与钢柱采用三级对接焊缝连接，上下翼缘加引弧板施焊，钢材Q235B,焊条E43型，手工焊，静力荷载设计值N=320KN,偏心距e=350mm，试验算此焊缝强度。例题3-5角焊缝图示例题3-9已知条件：V=N=320KNM=112KN·m焊缝形式：工字形对接焊缝需验算的应力：最大正应力：最大剪应力：翼缘与腹板交界处点的折算应力：

最大正应力：最大剪应力：

满足要求满足要求上翼缘板与腹板交界处的折算应力：

折算应力：

满足要求2、部分焊透的对接焊缝的计算受力很小，焊缝主要起联系作用；焊缝受力虽然很大，但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥，可采用部分焊透的对接焊缝。计算方法：