哈工大土木工程专业考研钢结构讲义

哈工大土木工程专业考研钢结构讲义第一页，共100页。第二页，共100页。第三页，共100页。第四页，共100页。第五页，共100页。鸟巢节点第六页，共100页。§3.1连接的种类和特点钢结构中连接占用重要地位，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。焊接连接螺栓连接铆钉连接对接连接搭接连接垂直连接一焊接连接焊接连接是钢结构最主要的连接方法连接型式连接方法第七页，共100页。①不削弱截面、经济；②构件间可直接焊接、构造简单、制造省工；③连接的密封性好、刚度大。①焊缝热影响区材料变脆；②产生焊接残余应力和焊接残余变形；③对裂缝敏感，局部裂纹发生易扩展到整体。

1.钢结构常用的焊接方法①手工电弧焊采用焊条，操作灵活方便，特别适于短焊缝。

Q235→E43Q345→E50

Q390、Q420→E55

不同钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案，即宜采用与低强度钢材相适应的焊条。优点缺点焊条型号应与主体金属的强度相适应第八页，共100页。

焊条型号E××××

前两位数字表示熔敷金属的抗拉强度；kgf/mm2

第三位数字表示适用的施焊方位

0、1全方位施焊；2平焊；4立焊。第四位数字表示药皮种类和电流，药皮的作用：在焊接过程中产生气体，保护电弧和熔化金属，并形成熔渣覆盖着焊缝，防止空气中的氧气、氮气与熔化金属接触形成易脆的化合物。

②埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法，电弧完全被埋在焊剂之内。自动埋弧电弧焊半自动埋弧电弧焊分为第九页，共100页。

自动埋弧电弧焊：焊丝送进和电弧移动由专门机构控制。半自动埋弧电弧焊：焊丝送进由专门机构控制，而电弧的移动由人工操作。焊接时，要采用与被焊钢材强度相应的焊丝、焊剂。③气体保护焊气体保护焊是利用二氧化碳或其它惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。气体代替焊剂，是由焊枪中喷出的，在电弧周围形成局部的保护层，防止有害气体的侵入。电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，结果是焊缝强度高，塑性好。气体保护焊既可手工操作，也可进行自动焊接。适用全方位施焊，施焊时应采取避风措施。第十页，共100页。

2.焊缝形式和焊接连接的型式①焊缝的形式对接焊缝角焊缝②焊接连接的型式对接连接：传力平顺、厚板时开坡口、费工。搭接连接：

省工、费料、力线弯折、应力集中较严重。省工、省料、截面有突变、应力集中较严重，用在不承受动力荷载结构中。

开K形坡口，减小应力集中，可承受动载。称为：对接与角接组合焊缝。板厚时开坡口垂直连接：第十一页，共100页。

③焊缝的施焊方位根据所持焊条与焊件间的相互位置，施焊方位分为平焊(俯焊)、立焊、横焊、仰焊四种，按照文字所述顺序操作渐难，质量保证渐难。

3.焊缝的缺陷①裂纹：

最危险缺陷，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。第十二页，共100页。

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。焊接工艺不当；焊接材料不符合要求。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。产生原因

产生原因第十三页，共100页。

⑤咬肉：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。⑥未焊透削弱连接强度，产生应力集中4.焊缝质量检验

焊缝质量检验分为三级：三级：只要求做外观检查，即检查焊缝尺寸、有无裂纹、咬肉等现象。通过此检查的焊缝称三级质量焊缝。二级：三级基础上+超声波检查，通过此检查的焊缝称二级质量焊缝。一级：二级基础上+X射线检查，通过此检查的焊缝称一级质量焊缝。第十四页，共100页。

5.焊缝的表示方法二螺栓连接粗制螺栓连接精制螺栓连接高强螺栓摩擦型连接高强螺栓承压型连接单面角焊缝双面角焊缝三面围焊缝围焊缝现场安装焊缝对接焊缝普通螺栓连接高强螺栓连接螺栓连接（坡口角度）（对接间隔）（P：钝边高度）第十五页，共100页。

由未经加工的圆钢压制而成，螺栓粗糙，螺杆直径比螺孔小3～1.5mm，要求Ⅱ类孔，栓孔间隙大，受剪时易产生滑移，导致螺栓群中各个螺栓受力不均，故宜用于受拉，不宜用于受剪。采用冲孔或不用钻模钻成的孔。采用钻模钻孔或冲孔后扩孔，孔壁平滑，质量高。切削加工而成，孔径等于杆径，Ⅰ类孔，抗剪性能好，但成本高，现较少采用。高强螺栓安装时使用特别的扳手，以较大的扭矩拧紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。预拉力把连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力。粗制普通螺栓：（C级螺栓）Ⅰ类孔：Ⅱ类孔：精制普通螺栓：（A、B级螺栓）第十六页，共100页。

传力机理靠板件间的摩擦阻力传力，以摩擦阻力被克服为承载力的极限状态。孔径大于螺栓公称直径1.5～2.0mm，Ⅱ类孔，受力好，耐疲劳，用于受动力荷载结构。靠摩擦阻力和栓杆共同传力，以栓杆被剪断或板件被挤压破坏为承载力的极限状态。承载力较前者高。

Ⅱ类孔，孔径大于螺栓公称直径1.0~1.5mm

受剪变形大，只适用于承受静载。螺栓的性能统一用螺栓的性能等级表示，如4.6级、8.8级、10.9级。小数点前的数字表示螺栓材料的最低抗拉强度，小数点及后面的数字表示屈强比。

承压型连接：

摩擦型连接：

第十七页，共100页。

4.6级、8.8级、10.9级螺栓最低抗拉强度分别属于400N/mm2、800N/mm2

、1000N/mm2级。

C级螺栓为4.6级或4.8级，由Q235钢制造。

A、B级螺栓为5.6级或8.8级，采用低合金钢或再经热处理后制成。高强螺栓为8.8级或10.9级，材料为45号钢、40B钢、20MnTiB钢制成。螺栓表示方法：三铆钉连接铆钉通常采用BL2和BL3钢制成。铆钉孔的质量影响连接的质量和受力性能，重要结构采用I类孔。永久螺栓高强度螺栓安装螺栓第十八页，共100页。

铆钉连接分为热铆和冷铆两种，热铆由烧红的钉坯插入构件的孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成，冷铆是在常温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板阻止，故钉杆中产生了收缩拉紧力，拉紧力使连接十分紧密，钢板接触面上产生了很大的摩擦力。当构件受剪力作用时，可大大提高连接性能。铆钉连接制造工艺复杂，费工费料，现已很少采用。§3.2角焊缝的构造、工作和计算一角焊缝的构造角焊缝分为直角角焊缝和斜角角焊缝。直角角焊缝：

hf：焊脚尺寸

he：有效厚度，he＝0.7

hf第十九页，共100页。

斜角角焊缝：

主要用于钢管，非钢管中，α<60°，α>135°，不宜用于受力。直角角焊缝的截面型式：普通焊缝二角焊缝的焊脚尺寸与计算长度热量小，冷却快，焊缝易产生裂纹不易焊透传力平顺，改善应力集中，可受动荷。

平坡焊缝

深熔焊缝hf

小→→力线弯折，应力集中。第二十页，共100页。

hfmin≥1.5≥4mm

t：较厚焊件厚对埋弧自动焊，hfmin减小1mm，对T形连接的单面角焊缝，hfmin增加1mm。薄焊件易烧穿，冷却后，焊接变形大热影响区大，容易脆裂

hfmax≤1.2tt：薄焊件厚贴边角焊缝还应满足：

hfmax＝t(t≤6mm)hfmax＝t–(1~2)mm(t>6mm)

故：hfmin≤hf≤hfmax

角焊缝的计算长度(并非几何长度)

起落弧太近，影响焊缝的可靠性局部过热，材质变脆

hf大→→过短→→贴边第二十一页，共100页。

lw过长→应力分布不均→

多余长度不计入lw，但焊接工字梁翼缘与腹板连接处的焊缝、加劲肋与腹板的焊缝，不受此限。故：

搭接：

t：薄焊件厚度目的：减小附加弯矩引起的应力

要求：

(减小力线弯折程度)

b<16t(t>12mm)b≤190mm(t≤12mm)

目的防止横向收缩、起拱。b且：第二十二页，共100页。

转角处构件应力集中，如在此处起弧、落弧，可能出现弧坑和咬肉现象，加大应力集中程度，故采用绕角焊，减小应力集中程度。或围起来。（受压）

t：薄件厚，但转角处不能断焊。三角焊缝连接的基本计算公式焊缝长度方向和受力方向平行的焊缝为侧面焊缝，焊缝长度方向和受力方向垂直的焊缝为正面焊缝，焊缝长度方向和受力方向既不平行又不垂直的焊缝为斜焊缝。间断角焊缝的间断距离绕角焊：（受拉）第二十三页，共100页。试验表明：侧面焊缝的破坏截面多在45°截面；正面焊缝的破坏截面多不在45°截面；正面焊缝的破坏强度大，也认为在45°截面破坏。

1.侧面焊缝的受力分析将N转化为剪力V和弯矩M＝Ne，

M产生垂直于轴向方向的σ⊥

，较小，忽略。

V产生沿轴向的τ∥(τf)，

τ∥沿轴向分布不均，

«规范»规定在规定的计算长度范围内是均匀分布的。

第二十四页，共100页。式中：he＝0.7

hf

ffw：角焊缝的设计强度（实际为抗剪设计强度）2.正面焊缝的受力分析将N转化为V和M＝Ne(小、忽略)V作用下，应力分布较复杂，计算时按均布。将应力σf

分解为：（*）第二十五页，共100页。

3.一般情况

N分解为Nx和Nz

，

Nz产生τf（τ∥），

Nx产生σf

，即σ⊥，τ⊥，

焊缝计算截面上产生剪应力τf

，正应力

σ⊥

，剪应力τ⊥

，处于复杂应力状态。相当于角焊缝的抗拉强度设计值。采用上式，需求截面上的应力分量，繁琐。折算应力第二十六页，共100页。

βf

：正面焊缝强度设计值增大系数分析：①当θ＝0°，即侧面焊缝，此时βf

＝1.0

③当0°<θ<90°，即斜焊缝，得出：正面焊缝的强度设计值是侧面焊缝强度设计值的1.22倍，试验也注明了此点。式中：（**）代入上面折算应力公式，整理得：

将②当θ＝90°，即正面焊缝，此时βf

＝1.22第二十七页，共100页。考虑正面焊缝的强度较大，易脆性破坏，«规范»规定：正面焊缝承受动力荷载时，按式计算；正面焊缝承受静力荷载时，按式计算。应用折算应力公式，需求截面上的应力分量τf、

σ⊥、

τ⊥，比较繁，«规范»将其简化，得：即：即：将

此即为受静载或间接受动载的计算公式，

若承受动力荷载，取βf

=1.0代入折算应力公式（*）（**）第二十八页，共100页。四角焊缝连接的计算

1.用盖板的对接连接承受轴心力作用时盖板的截面大小，要满足即：A被f被＝A盖f盖

由A盖的大小确定采用一块或两块盖板。

仅采用侧面焊缝时：

为盖板缝一侧焊缝总计算长度，一条焊缝计算长度为，n：焊缝条数盖板长＝

10mm：表示两块被连接板之间的缝隙。

仅采用正面焊缝时：或据此式求出等强度要求，（受静载或间接动载）第二十九页，共100页。

采用三面围焊时：先求出正面焊缝所能承受的力：

2.角钢连接的角焊缝的计算

①承受轴心力作用的角钢采用侧面焊缝连接角钢截面重心到肢尖、肢背的距离不等，因而肢背、肢尖焊缝所承担的内力不等。对肢尖取矩：N1（e1+e2）＝Ne2（直接受动载）或然后计算侧面焊缝：第三十页，共100页。

式中：k1、k2

分别是肢背、肢尖的内力分配系数（查表）②承受轴心力作用的角钢采用三面围焊缝连接先求出正面焊缝（充分发挥作用）所承担的内力，分别对肢背、肢尖取矩，可得：因而肢背、肢尖焊缝的计算长度分别为：同理：第三十一页，共100页。

③承受轴心力作用的角钢采用L形围焊缝连接令肢尖焊缝受力N2=0

求得：N3=2k2N

则：N1=N-N3=(1-2k2)N

端部的正面焊缝、肢背焊缝的计算长度分别为：即：或或第三十二页，共100页。3.在轴心力、弯矩、剪力作用下T形连接角焊缝的计算

σNf

、τVf已学过找出角焊缝上的危险点＝++M作用下：或

危险点第三十三页，共100页。

4.搭接连接的角焊缝在扭矩和剪力共同作用下的计算

通常将N移到焊缝群的形心处，如此焊缝群受剪力V=N和扭矩T=Ne。

分析角焊缝在扭矩作用下的应力时，采用以下假设：①被连接的板件为绝对刚性的，而焊缝则是弹性的；

②焊缝群绕形心旋转，角焊缝群上任一点处的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力的大小与该点距形心的距离成正比。

如图A、B点离形心最远，那么A、B点由T引起的应力最大。＝+第三十四页，共100页。

式中：Ｉ0

：角焊缝群计算截面对形心的极惯性矩Ｉx、Ｉy：分别是角焊缝群计算截面对x、y轴的惯性矩

σvAy、

σTAy，相当于正面焊缝受力

τTAx

，相当于侧面焊缝受力以A点为例将τTA分解为：剪力V在A点引起的应力为：则A点受力为：第三十五页，共100页。注：此种焊缝也可采用近似计算方法：将N移至竖直焊缝处，则扭矩为：

扭矩的承担分两种情况：①两水平焊缝承担的扭矩为：若T′≤T1，则扭矩完全由翼缘两水平焊缝承受即可②若T2=T′-T1>0，即两水平焊缝不能完全承担扭矩，则T2由竖直焊缝承担A点应力应满足：剪力V=N由竖直焊缝承受：第三十六页，共100页。五关于斜角角焊缝

1.60°≤α≤135°的T形接头，斜角角焊缝的计算同直角角焊缝，取βf

=1.0。

要求bi≤5mm，若bi>5mm，改为图（b）形式

2.当bi≤1.5mm时，当1.5<bi≤5mm时，第三十七页，共100页。

3.当α<60°，α>135°时，斜角角焊缝不用作受力焊缝（钢管除外）。4.对于斜T形接头的角焊缝，在设计图中应绘制大样，详细标明斜角角焊缝的焊脚尺寸。§3.3对接焊缝的构造、工作和计算一对接焊缝的构造对接焊缝往往设坡口，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。坡口形式：直边缝：单边V形缝：双边V形缝：适用板厚δ＜10mm适用δ＝10～20mm第三十八页，共100页。

p称为钝边，有拖住熔化金属的作用，

p取大了或角度取小了，导致焊不透，

p取小了或角度取大了，导致焊条和工时的浪费，

p、c常取2mm。也可由施工单位据«建筑钢结构焊接技术规程»并结合实际情况确定。当间隙c较大时，可采用垫板，施焊后，垫板可保留，也可除去。U形缝：K形缝：X形缝：适用δ＞20mm第三十九页，共100页。

焊缝的起点和终点，不易焊透而出现凹陷的焊口，易引起裂纹和应力集中，故设引弧板，使起弧、落弧在引弧板上发生。若设引弧板困难而没设，则计算长度为：(t：薄板厚度)

变截面钢板拼接：

厚差小于4mm时，由焊缝找坡，计算时，焊缝厚度取薄板厚度。改变宽度：改变厚度：第四十页，共100页。二对接焊缝的工作和计算焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝焊透：是指焊缝金属充满整个连接截面并与母材熔合成一体。（一）焊透的对接焊缝的计算焊缝有缺陷，«规范»规定：对接焊缝的抗压设计强度与母材相同。受拉的对接焊缝对焊缝的缺陷敏感，降低静力强度和疲劳强度，«规范»规定：通过一、二级质量检验标准的焊缝，其抗拉设计强度与母材的抗拉设计强度相同，质量属于三级的焊缝，焊缝的抗拉设计强度等于母材抗拉设计强度的0.85倍。对接焊缝往往做成加高形式，取计算厚度时不计加高部分，承受动力荷载时需磨平。对接焊缝分第四十一页，共100页。1.受轴心拉力对接焊缝的计算（三级质量焊缝受拉）

t：两块对接板较小厚度，

T形连接腹板厚度

lw：焊缝的计算长度，用引弧板时，取实际长度，不设引弧板时，取实际长度减2t。

f

tw：对接焊缝抗拉强度设计值。当焊缝中应力大于焊缝的强度时，采用斜焊缝增加焊缝长度，降低焊缝中应力，以提高连接承载力。

焊缝中应力：fvw：抗剪强度设计值第四十二页，共100页。

以上公式是近似的，没有考虑共同作用。若取tgθ=a/b≤1.5，焊缝强度不低于母材强度，不必计算。2.对接焊缝在弯矩和剪力共同作用下的计算

式中：fcw：对接焊缝抗压强度设计值；三级质量焊缝fcw≠ftw

Iw：计算截面对中和轴的惯性矩；

Wx：计算截面最外边缘对中和轴的抵抗矩；

SW：计算截面某点以外处截面面积对中和轴的面积矩。计算点处的折算应力＝+或或第四十三页，共100页。

1.1：考虑最大折算应力只发生在焊缝的局部而将设计强度提高的系数。注意工字形截面特点：3.对接焊缝在弯矩、剪力和轴力共同作用下的计算

M作用下，产生σM

，V作用下，产生τ。危险点为1点N作用下：危险点折算应力：＝++危险点或第四十四页，共100页。（二）部分焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝的截面型式：

S：坡口根部至焊缝表面（不考虑余高）的最短距离。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

，按角焊缝计算，上节公式适用。

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≥1.5t：厚板厚度第四十五页，共100页。

下列情况可采用部分焊透的对接焊缝（a）连接焊缝受力很小甚至不受力（图a），或者要求外观平齐(图b)。

（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)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；②重级和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，上翼缘与腹板间的焊缝采用焊透的对接焊缝；第四十六页，共100页。③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

=1.0；④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。三焊缝质量等级的选择

1.在需要进行疲劳计算结构中的对接焊缝，均应焊透，其质量等级为：

①作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T

形对接与角接组合焊缝，受拉时为一级，受压时应为二级；②作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝为二级；第四十七页，共100页。

2.不需计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝，应焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级；受压时宜为二级；

3.不要求焊透的T形接头采用的角焊缝、不焊透的对接与角接组合焊缝以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为：①对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，外观质量应符合二级；

②对其它结构，焊缝的外观质量可为三级；

4.重级和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁上翼缘与腹板之间的焊缝及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形连接应予焊透，形式一般为对接与角接组合焊缝，质量等级不低于二级。第四十八页，共100页。

§3.4焊接残余应力和焊接残余变形一焊接残余应力和焊接残余变形的现象和成因

焊件在焊接时产生的变形△1，称热变形，产生的应力称热应力。焊件冷却后产生的变形△2，称焊接残余变形，此时焊件中的应力称焊接残余应力。刚焊好焊好冷却后焊透的对接与角接组合焊缝吊车桁架上弦杆与节点板之间的T

形连接第四十九页，共100页。得到概念：在施焊过程中，焊件局部区域加热熔化，随后又冷却凝固，由于这不均匀的温度场导致焊件不均匀的膨胀和收缩，产生应力和变形，残存于焊件内部，即称为焊接残余应力和焊接残余变形。简化分析产生原因，作如下假设：①焊件—钢板是无数互相联系的钢纤维组成的整体，因为纤维的自由变形受到约束，变形时截面保持平面。②钢材的弹性模量随温度变化如图：第五十页，共100页。

施焊前，板上边缘处于O~O线，若纤维互不联系，施焊时加热，变形应达2'3'

线，对应3点温度∆t＝600℃。

变形实际达到O1~O1线。某点1处在拉压变形的临界位置上，应力σ＝0，纤维3压缩了a，称为热塑变形。

温度∆t≥600℃的区域，E＝0，处于热塑状态，应力σ＝0。

找到∆t＝500℃的位置4，在∆t≤500℃范围内，找到某纤维5，正好其压应变为εy，产生应力fy

。

4点温度高于5点，只能产生应力fy

，压应变为εy+ε0

，

ε0为不可恢复的塑性变形，称冷塑变形。

4～3之间，∆t≥500℃，应力按E的规律变化，应力为4'3线。第五十一页，共100页。

纤维2的温度变形为ε2

，应达到2'点，但被其它纤维强迫拉至O1~O1线的2点，被迫拉长ε2'。

因σ＝Eε，故产生的拉应力变化规律同应变。所以，2～5间的拉压变形是弹性的。

5～6间，折线5'4'36以下的变形是弹性的，折线5'4'36以上的变形是塑性的。阴影区域即热应力分布。冷却时，焊件收缩，缩至O~O线时，2～5间的变形消失，应力也随之消失。第五十二页，共100页。

根据热学原理：升温∆t时，材料伸长多少，降温∆t时，材料就应收缩多少。

因5～6间纤维升温时，发生了冷塑和热塑压缩变形，所以纤维从O~O线起还要继续向下收缩。

纤维3升温时压缩了a，应向下收缩a，达3''点。

纤维4升温时压缩了ε0

，应向下收缩ε0

，达4''点。

2''5''4''3''就是可组成纤维的自由收缩曲线，实际上焊件将回缩到O2~O2线处。第五十三页，共100页。

焊缝及附近母材纤维某点7产生拉应力fy，对应的应变εy，

7点右侧纤维只能产生拉应力fy，而应变为εy+ε'0其中ε'0是冷塑变形，不同点ε'0不同。

左侧受压纤维被压缩了∆2即焊接残余变形，因∆2«εy，所以应力按应变规律变化，受压，弹性的。

中部受拉，应力为fy。这就是焊接残余应力（纵向的）。拉、压应力大小相等，即残余应力是自相平衡的。第五十四页，共100页。

产生焊接残余应力和焊接残余变形的原因：①施焊时，焊件上温度分布不均匀；②各组成纤维的自由变形受到阻碍；③施焊时，部分区域产生了塑性变形。

三者缺一不可。若温度相同，只产生热变形，而无热应力；若纤维不联系，产生按温度曲线分布的自由变形，无应力；若无塑性变形，仅产生拉压弹性变形，即只有热应力和热变形。焊接后，除形成纵向焊接残余应力，同时还形成横向焊接残余应力，产生横向焊接残余应力的原因二：冷却后复原第五十五页，共100页。

一是纵向收缩引起的横向应力：因中间收缩大，两块钢板焊后有向外弯曲形成弓形的趋势，中段受拉，两端受压。二是横向收缩引起的横向应力：后焊焊缝的横向收缩受到已凝固焊缝的限制，而引起横向拉应力，同时先焊部分产生横向压应力。

横向收缩所引起的横向应力与施焊的方向和先后次序有关，不同的施焊方向和施焊次序将产生不同的应力分布。更远处的焊缝受拉应力第五十六页，共100页。

最后得到的横向焊接残余应力是横向收缩和纵向收缩所引起的横向焊接残余应力的叠加。厚度方向焊接残余应力：如右图所示若焊件厚度较大时，外侧先冷却，中间后冷却，先冷却的外侧凝固后限制内部焊缝的收缩，形成焊缝的中间层受拉。正如前面所述，在焊缝中，纵向形成焊接残余拉应力，沿焊缝长度方向局部形成横向焊接残余拉应力，在焊缝厚度的中间区域形成厚度方向的焊接残余拉应力。如此，焊缝的某些部位出现双向受拉或三向受拉的同号应力场，这就是焊接结构易脆性破坏的原因之一。

第五十七页，共100页。

对接焊缝（0.15～0.3）mm/m

角焊缝（0.2～0.4）mm/m

靠下料时预加收缩余量来解决横向收缩靠下料时预加收缩余量来解决弯曲变形

角变形扭曲变形二焊接残余应力和焊接残余变形对结构的影响

1.焊接残余应力对结构的影响纵向收缩焊接残余变形靠合理设计、合理制造和合理的焊接工艺来减小第五十八页，共100页。①静力强度

残余应力自相平衡，对受静力的结构无影响

证明：假定残余拉、压应力均达fy

由于自相平衡，有bδfy=(B-b)δfy

施加外拉力N后，N只能由压应力区承担，先抵消残余压应力fy，然后受拉达fy。

N＝(B-b)δ(fy+fy)

＝(B-b)δ

fy+

(B-b)δfy

＝(B-b)δ

fy+

bδfy

＝Bδfy

若无残余应力，能承受外力N1＝Bδfy＝N∴与无残余应力时相同。

第五十九页，共100页。②刚度

降低刚度

当无残余应力时，全截面受拉：比较两式ε1>ε'1

，即有残余应力时，变形大，刚度小。③降低压杆的稳定承载力

如图，残余压应力区不能承压，仅拉应力区bδ部分参加工作，有效截面和有效惯性矩减小了。∴降低Ncr如图，外拉力作用下压杆的临界力：第六十页，共100页。④降低疲劳强度残余拉应力加快疲劳裂纹开展的速度。⑤加剧低温冷脆危险存在双向、三向同号拉应力场，不能发展塑性。

2.焊接残余变形对结构的影响①影响构件尺寸②构件产生初弯曲和初偏心，受荷时产生附加弯矩。三防止或减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施

1.设计方面①适宜的hf、lw

，应细长，免短粗。②焊缝应尽可能对称布置，不宜过分集中。③避免三向焊缝相交，以免形成同号拉应力场。④要便于施焊，以保证质量。⑤板厚、板宽不同时，要平缓过渡。第六十一页，共100页。2.制造和焊接工艺方面①减小焊接残余应力的方法ⓐ焊件预热法ⓑ锤击法ⓒ退火法：将钢构件加热到一定温度，保温一段时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却。适用小构件。

②减小焊接残余变形的方法ⓐ反变形法ⓑ合理施焊次序

ⓒ变形后校正热校正—局部加热法冷校正—顶压第六十二页，共100页。§3.5普通螺栓连接的构造和计算一螺栓（高强螺栓、铆钉）的排列和构造要求简单整齐，连接板尺寸小，栓孔对构件截面削弱大。布置松散，连接板尺寸大，栓孔对构件截面削弱小。螺栓的排列要求：

a.受力要求：

端矩≥2d0，否则顺力方向剪坏；中矩过大，受压时起拱；中矩过小，则截面削弱大。d0：孔径

b.构造要求：中距不能过大，否则连接件接触不紧密，潮汽易侵入缝隙，造成锈蚀。并列排列：错列排列：第六十三页，共100页。

c.施工要求：中距≥3d0，否则无转动扳手的空间。据a、b、c综合考虑，得出螺栓容许距离。

表螺栓或铆钉的最大、最小距离注：t：为外层较薄板件的厚度

名称

位置和方向

最大容许距离（取两者的较小值）最小容许距离

中心间距

外排（垂直内力方向或顺内力方向）8d0或12t3d0中间排

垂直内力方向16d0或24t

顺内力方向

构件受压力12d0或18t

构件受拉力16d0或24t

沿对角线方向中心至构件边缘距离

顺内力方向4d0或8t2d0

垂直内力方向

剪切边或手工气割边1.5d0轧制边、自动气割或锯割边

高强度螺栓其它螺栓或铆钉1.2d0第六十四页，共100页。

螺栓的其它构造要求：

a.连接时，螺栓数一般不能少于2个，对组合构件的缀条，其端部连接可采用1个螺栓。

b.对直接受动荷的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其它能防止螺帽松动的措施，如采用弹簧垫圈，或将螺帽与螺杆焊死等措施。二螺栓受剪、受拉时的工作性能（包括高强螺栓）抗剪连接抗拉连接

1.螺栓抗剪连接的工作性能

a.弹性工作阶段在此阶段依靠板间的摩擦阻力传力，摩擦阻力的大小决定于拧紧螺栓时栓杆中初拉力的大小。螺栓连接第六十五页，共100页。

弹性工作阶段即01直线段，c级螺栓初拉力很小，故01段很短，而高强螺栓初拉力很大，故01段很高。

b.相对滑移阶段即12段，外力超过了板件间的摩擦力后，板件间产生相对滑移。

c.弹塑性工作阶段到2点后，栓杆和孔壁开始接触，栓杆受剪切，孔壁受挤压，同时栓杆受到弯曲和轴向拉伸作用，因而使栓杆产生拉力，增大了板间的摩阻，工作曲线的坡度又开始上升，达3点后，随外力的增加，变形迅速增大，曲线逐渐平缓，最后破坏。

c级螺栓靠栓杆承剪和孔壁承压传力，以栓杆被剪断或孔壁被挤压破坏为承载力的极限状态。即3点。第六十六页，共100页。

摩擦型高强螺栓依靠板间的摩擦阻力传力，以摩擦阻力被克服为承载力的极限状态。即图中1点。

承压型高强螺栓依靠板间的摩擦阻力和栓杆共同传力，以栓杆被剪断或孔壁被挤压破坏为承载力的极限状态。即3点。摩擦只起到延缓滑移的作用。螺栓受剪时的破坏形式：

栓杆被剪断板件被挤压破坏板件被拉断破坏（栓孔削弱截面）板件被冲剪破坏（端矩太小造成）提问：摩擦型连接会出现以上破坏形式吗？⇒抗剪承载力验算⇒承压承载力验算⇒危险截面验算⇒构造防范计算防范第六十七页，共100页。

单个螺栓的受剪计算：

式中：d：螺栓杆公称直径

fcb

：螺栓承压强度设计值

fvb

：螺栓抗剪强度设计值

nv：螺栓受剪面数，单剪nv

＝1，双剪nv

＝2

：在同一受力方向承压构件的较小总厚度，或取小值抗剪承载力设计值：承压承载力设计值：

取小值，即Nbmin承压面受力简化如图：第六十八页，共100页。2.螺栓抗拉连接的工作性能单个螺栓抗拉承载力设计值为：式中：ftb：螺栓抗拉强度设计值

de：螺栓螺纹处的有效直径注意：螺栓净直径dn（扣出螺纹后）平均直径dm=(d+dn)/2，有效直径de=(dn+dm)/2

左图中，螺栓产生Pf的拉力，

Pf=N吗？通常角钢肢刚度较小，受拉后会产生右图的变形趋势，在角钢肢的端部产生撬力。故螺栓的实际受力为：Pf=N+Q

角钢肢的刚度越小，Q力越大，但确定Q力复杂，通常用降低螺栓抗拉强度设计值的办法来解决。第六十九页，共100页。

«规范»规定：普通螺栓抗拉强度设计值ftb取

ftb＝0.8f

f：螺栓所用钢材的抗拉强度设计值。注意：ftb可直接查表，不用取钢材强度后换算。以上简化，只要取翼缘板厚度t≥20mm，且螺栓间距b不要过大，简化是可靠的；若翼缘板过薄，用加劲肋加强翼缘。三螺栓群的计算开始阶段，各螺栓受力不均，如虚线，随N增大，连接进入弹塑性阶段，内力重分布，最后趋于相等，如实线。若连接区域l1

过大，即使进入弹塑性，各螺栓受力也不易相等，«规范»规定：若l1>15d0（d0：螺孔直径）螺栓承载力设计值Nbmin应乘以折减系数η。第七十页，共100页。

这是因为各螺栓受力不均，防止端部螺栓破坏。

1.抗剪螺栓群在轴心力作用下的计算被连接板缝一侧所需螺栓数：

Nbmin为Nvb、Ncb的小值

另外需验算构件净截面的强度，以防止构件在净截面处被拉断，

An：构件的净截面面积An=A-nd0tn：危险截面螺栓数危险截面1－1，2－2An取A1-1、A2-2小值

若

l1>60d0，取η＝0.7第七十一页，共100页。2.螺栓群承受扭矩时的计算分析螺栓群受扭时采用假设：

Ⅰ被连接构件为绝对刚性体，螺栓为弹性体；

Ⅱ各螺栓绕螺栓群形心旋转，其受力大小与至螺栓群形心的距离r成正比，力的方向与该螺栓和螺栓群形心的连线相垂直。在T作用下，每个螺栓均受剪，设螺栓至形心的距离分别为r1、r2……rS，

相应各螺栓所受剪力分别N1、N2……NS，则：T=N1r1+N2r2+……+NSrS

据假设有：N1/r1=N2/r2=……=NS/rs

周围四个螺栓受力最大，假定其中一个为1号，

则：N2=N1r2/r1、

N3=N1r3/r1……

NS=N1rS/r1第七十二页，共100页。

若N1≤Nvb、N1≤Ncb

，则螺栓安全。将N1分解为N1x、N1y

若y1>3x1，则≫，可取≈0，x1≈0

设计时，先按构造布置好螺栓，然后求受力最大螺栓所受的力，其满足既不承压破坏又不剪切破坏为安全。∴公式简化为：同理，若x1>3y1

，故：第七十三页，共100页。3.螺栓群在扭矩、剪力和轴心力共同作用下的抗剪计算在V作用下，各螺栓受力相等，向下。在N作用下，各螺栓受力相等，向右。在T作用下，四角螺栓受力大小相等，但方向不同。考虑叠加，

1号螺栓受力最大，在V作用下，N1yV＝V/n

在N作用下，N1xN＝N/n1号螺栓所受合力应满足：在T作用下，第七十四页，共100页。

下列情况可用于受剪：

a.承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的次要连接；

b.承受静力荷载的可拆卸结构的连接；

c.临时固定构件用的安装连接。其它受剪情况怎么办？？？采用高强螺栓。4.螺栓群在轴心力作用下抗拉螺栓连接的计算在N作用下，所需螺栓数为：

Ntb：单个螺栓抗拉承载力设计值C级螺栓不宜受剪第七十五页，共100页。5.螺栓群在弯矩作用下的计算

M作用下，上部螺栓受拉，使上部连接有分离的趋势，螺栓群的旋转中心下移。经计算，受压区高度较小（阴影区），中和轴在受压侧最外排螺栓附近的某个位置，实际计算时，近似取中和轴即旋转中心位于最下排螺栓处。各螺栓受力大小与该螺栓距中和轴的距离成正比所以1号螺栓受力最大。

同时N1/y1＝N2/y2＝···＝＝···＝Nn/yn第七十六页，共100页。

假定螺栓承受偏心拉力，怎么办？？？