钢结构连接课件

第三章钢构造连接第一节钢构造连接办法第二节焊接办法、焊缝类型和质量级别第三节对接焊缝连接构造和计算第四节角焊缝连接构造和计算第五节焊接残余应力和焊接残余变形第六节一般螺栓连接构造和计算第七节高强度螺栓连接性能和计算1/106第一节钢构造连接办法

构件+连接=构造传递构件间力和弯矩连接方式直接影响制造工艺、造价连接质量影响构造安全和使用寿命连接主要性2

2/106连接办法焊缝连接螺栓连接铆钉连接3

3/106焊接特点长处：构造简单—任何形状构件可直接连接，无需辅助零配件省工省料—加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面施工迅速—可自动化操作连接密闭性好，刚度大，整体性好对钢材质量要求高局部材质变脆产生残余应力、残余变形、焊接缺陷较多地依赖焊工技能水平缺陷当代钢构造最基本连接方式，应用最广泛4

4/106螺栓连接特点长处：施工简单，装拆方便摩擦型高强度螺栓连接动力性能好摩擦型高强度耐疲劳，易制止裂纹扩展缺陷：费料、开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高适于工地安装连接，也便于拆卸5

5/106铆钉连接特点长处：塑性、韧性好，动力性能好缺陷：费料、加热铆合过程极其费工施工噪音大目前钢构造连接中已很少应用6

6/106连接办法焊缝连接螺栓连接铆钉连接7

7/106钢构造中常用焊接办法第二节焊接办法、焊缝类型和质量级别电弧焊电阻焊熔嘴电渣焊电弧焊

焊条（或焊丝）与焊件间产生电弧热，使焊条（或焊丝）和焊件熔化，二者凝结成焊缝。又分为：手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊。主要焊接方式

冷弯薄壁型钢焊接箱形柱内部横隔板焊接8

8/106手工电弧焊采取涂有药皮焊条通电后，焊条与焊件之间产生电弧热药皮作用：形成气体和熔渣，以避免氧氮侵入；具有合金成份，可改善焊缝性能；提升电弧稳定性。9

9/106焊条强度和性能应与焊件相匹配：Q235钢——E43型焊条(E4300～E4316)Q345钢——

E50型焊条(E5000～E5018)Q390和Q420钢——E55型焊条(E5500～E5518)长处：设备简单，操作灵活。缺陷：生产效率低，劳动强度大，质量波动大；焊接过程不能连续进行；弧光外露有金属飞溅。应用领域：工地采取较多。手工电弧焊焊条型号EXXXX焊条Electrode焊缝强度（kgf/mm2)施焊位置（俯，立，横，仰）药皮和电流类型10

10/106自动或半自动埋弧焊采取无涂层焊药焊丝，埋在焊剂下通电后电弧热使焊丝、焊剂熔化全自动埋弧焊

半自动埋弧焊

在手工电弧焊基础上发展而来：长处：生产效率高，质量稳定焊接可连续进行弧光不外露无金属飞溅缺陷：设备要求高，操作不灵活应用领域：工厂采取较多。11

11/106电阻焊不需要焊接材料电流通过焊件表面电阻，产生热量熔化金属，再加压力而焊合合适板叠总厚度不大于12mm焊接冷弯薄壁型钢连接常采取此焊接办法12

12/106熔嘴电渣焊采取管状焊条(熔嘴)，焊丝从管内进入电流通过熔渣产生电阻热，熔化焊件和焊丝多用于箱形构件横隔板焊接13

13/106焊缝连接形式（被连接构件间相对位置）：对接、搭接、T形连接和角接焊缝连接形式和焊缝类型焊缝类型（按焊缝构造分）：对接焊缝和角焊缝对接搭接T形角接对接角接角接角接对接对接14

14/106强度焊缝——传力密强焊缝——传力+密闭性俯焊横焊竖焊仰焊焊缝连接形式和焊缝类型质量好质量一般质量差焊缝类型（按工作性质分）：焊缝类型（按施焊位置分）：15

15/106焊缝缺陷、质量检查和焊缝级别焊缝缺陷裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透

缺陷会引发应力集中、削弱焊缝有效截面，减少承载能力。16

16/106《钢构造工程施工质量验收规范》（GB50205-2023）根据构造类型和主要性将焊缝质量检查分为三级：焊缝质量检查和焊缝级别III级——用于一般连接所有外观检查Ⅱ级——用于有较大拉应力较主要连接所有外观检查+超声波抽查I级——用于抗动力、疲劳荷载主要连接所有外观检查+超声波+X射线抽查

17

17/106焊缝符号及标注方式

按《建筑构造制图标准》(GB/T50105-2023)和《焊缝符号表达法》(GB324-88)执行18

18/106第三节对接焊缝连接构造和计算传力平顺，动力性能好，可承受动荷载需加工坡口，费工焊件间施焊间隙要求严，多用于工厂制造

对接焊缝构造——坡口坡口形式和尺寸设计准则：

1）确保焊条必要运转空间2）确保足够熔透深度决定原因：板厚度、焊接办法19

19/106I形缝单边V形缝双边V形缝板厚t<10mm板厚t=10~20mmU形缝K形缝X形缝板厚t>20mm

对接焊缝构造——坡口手工焊：20

20/106

对接焊缝构造——平缓过渡

对于不一样截面尺寸构件拼接，应采取平缓过度连接方式，以减小应力集中

对接焊缝构造——引弧板21

21/106对接焊缝强度计算

受力状态及计算办法：与构件母材相同焊缝强度：当对接焊缝为I级、II级时与母材等强，且采取引弧板时可不验算

当对接焊缝为III级时强度比母材低，需验算

22

22/106对接焊缝承受轴心力N直焊缝引弧板N—轴心拉力或压力设计值tw—焊缝厚度（不一样板连接时为较小板厚）lw—焊缝计算长度，有引弧板lw＝L，无引弧板lw＝L－2t（较小板厚）

—对接焊缝抗拉或抗压设计强度式中：23

23/106对接焊缝承受弯矩M和剪力V工字形梁BC正应力最大剪应力最大正应力、剪应力都较大24

24/106对接焊缝承受剪力V、弯矩M和轴心力N正应力最大剪应力最大正应力、剪应力都较大ABC工字形梁25

25/106第四节角焊缝连接构造和计算不需加工坡口，施工方便工厂制造和工地安装均应用较多受力复杂26

26/106直角角焊缝角焊缝截面形式一般型平坡型深熔型直接承受动力荷载27

27/106角焊缝截面形式斜角角焊缝斜角角焊缝截面（d）斜锐角焊缝（e）斜钝角焊缝（f）斜凹面角焊缝hehehe一般用于钢漏斗和钢管构造中。对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管构造外,不宜用作受力焊缝。28

28/106角焊缝形式侧焊缝（与力平行）端焊缝（与力垂直）侧焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行，应力分布简单。主要承受剪应力，强度低，弹性模量低，但塑性较好。端焊缝：焊缝长度方向与受力方向垂直，受力后应力状态较复杂。焊缝截面各面都有正应力和剪应力，应力集中严重。破坏强度要高某些，但塑性差，弹性模量大。

29

29/106角焊缝受力特性－侧焊缝主要受剪应力，剪断面常发生在45°斜平面上剪应力沿长度方向分布不均，两头大中间小强度较低，塑性较好试验成果表白：30

30/106角焊缝受力情况－端焊缝端焊缝应力状态远比侧焊缝复杂正、剪应力都有，且分布很不均匀根部应力集中最厉害，经常是开裂起源点焊缝破坏强度高，但塑性差端焊缝应力分布ABCD试验成果表白：31

31/106侧焊缝与端焊缝比较θ＝90°侧焊缝θ＝0°端焊缝32

32/106焊脚尺寸角焊缝构造要求不应太小——不能焊透，无法达成设计承载力焊缝冷却太快容易形成裂纹最小焊脚尺寸—与焊接厚度有关：自动焊（温度高而均匀）：T形连接单面角焊缝（冷却快）：焊件厚度t≤4mm时：33

33/106焊脚尺寸不应太大——较薄焊件容易烧穿或咬边焊缝冷却后产生较大焊接变形最大焊脚尺寸—与焊接厚度有关：当焊缝位于板边时：34

34/106焊缝计算长度最小计算长度——与焊脚尺寸有关：不应太短——焊缝起、落弧坑太近，焊缝不可靠;局部受热严重不应太长——（侧）焊缝应力分布愈加不均匀最大计算长度——与焊脚尺寸有关：（静载或间接动荷载）（直接动荷载）35

35/106搭接时需注意问题当搭接连接仅有侧焊缝时tblw避免应力过于集中：避免板件拱曲过大：当搭接连接仅有端焊缝时为减小残余应力和传力偏心引发附加应力，搭接长度不得不大于焊件较小厚度5倍及25mm36

36/106角焊缝强度计算角焊缝计算办法：钢构造设计规范（GB50017—2023）

折算应力法—考虑焊缝有效截面实际应力状态，按第四强度理论计算水利水电工程钢闸门设计规范（SL74-1995）

单一应力法—不考虑焊缝有效截面实际应力状态，均按单一剪应力计算37

37/106

基本前提：以为直角焊缝破坏总是沿其最小截面，即450方向有效截面。角焊缝计算基本公式d

c

b

a

dcbahehfhf有效厚度：有效截面：38

38/106角焊缝计算基本公式角焊缝在复杂应力状态下可用第四强度公式：——角焊缝强度设计值，由抗剪条件确定，因此相称于角焊缝抗拉强度设计值。39

39/106（1）侧焊缝（2）端焊缝1.22—端焊缝强度增大系数,

也记作应力均匀分布40

40/106（3）一般情况当直接动力荷载作用时，考虑端焊缝塑性性能较差，取它和侧面角焊缝强度相同，把式中1.22变为1。41

41/106拼接板连接两边侧焊两边端焊验算－端焊缝强度提升系数验算以为焊缝有效截面上应力均匀分布一条单独焊缝，每端扣除hf角焊缝承受轴心力N42

42/106验算：四周围焊当焊缝受直接动力荷载时：由端焊缝1122再验算侧焊缝N1lw1N2，lw2角焊缝承受轴心力N43

43/106减小拼接板角部应力集中四周菱形围焊简化验算－无论静载、动载角焊缝承受轴心力N44

44/106角钢连接肢背焊缝肢尖焊缝blw2lw1两边侧焊N1、N2不均匀分派角焊缝承受轴心力N由平衡条件45

45/106角钢连接焊缝内力分派角钢类型连接形式内力分派系数肢背K1肢尖K2等肢角钢0.700.30不等肢角钢短肢连接0.750.25不等肢角钢长肢连接0.650.3546

46/106blw2lw1三面围焊由端焊缝强度验算确定由平衡得角焊缝承受轴心力N47

47/106角焊缝承受弯矩M、剪力V作用和轴心力N柱子牛腿连接48

48/106柱子牛腿连接角焊缝承受扭矩T、剪力V作用和轴心力N扭矩应力剪力应力轴力应力扭矩产生应力：焊缝为弹性体，板为刚性体；构件绕形心o旋转A点：49

49/106角焊缝承受扭矩T、剪力V作用和轴心力N剪力和轴力产生应力：在有效截面上近似均匀分布+扭矩应力50

50/106

什么是焊接残余应力和焊接残余变形？第五节焊接残余应力和焊接残余变形焊缝周围温度场焊接残余变形

—由焊缝及其周围不均匀热胀冷缩引发焊接残余应力—由焊缝冷却收缩受到制止引发51

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焊接残余应力分类X(横向焊接应力)Y(纵向焊接应力)Z(厚度方向焊接应力)焊缝52

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纵向焊接残余应力高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力能够使钢材达成屈服强度。平板工字形截面53

53/106横向焊接残余应力应力分布

第二部分＋=合成应力第一部分施焊方向收缩第一部分：由焊缝纵向收缩引发第二部分：由焊缝先后冷却时间不一样引发54

54/106厚度方向焊接残余应力由多层施焊引发焊接残余应力特点：板内焊接残余应力自平衡焊接残余应力常形成三向拉应力，易造成脆性破坏焊接残余应力常达成屈服强度55

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焊接残余变形波浪变形56

56/106静力强度

焊接残余应力对构造性能影响残余应力自平衡：当全截面达成屈服强度时：无影响57

57/106

焊接残余应力对构造性能影响（续）刚度当焊接残余应力存在时：当没有焊接残余应力时：△ε1>△ε2残余应力减少刚度58

58/106构件稳定性

焊接残余应力对构造性能影响（续）构件在压应力作用下而丧失整体问题（屈曲）焊接残余应力使构造挠曲刚度减小，减少其稳定承载力疲劳强度和低温冷脆残余应力也许为三向同号应力状态，材料在此应力状态下易转向脆性，疲劳强度也会减少。59

59/106

焊接残余变形对构造性能影响影响构件尺寸和外形美观，还也许减少构造承载力，引发事故；焊接变形若超出验收规范要求，需花许多工时去矫正。60

60/106减少焊接残余应力和变形措施设计措施差好劲板开孔，让主要焊缝通过，次要焊缝中断合理安排焊缝位置焊缝不宜过度集中，避免焊缝立体交错61

61/106减少焊接残余应力和变形措施（续）加工措施合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。施焊前，预加反向变形。焊接次序交替进行

分多道焊缝

预加反变形62

62/10663

63/106螺栓连接特点长处：施工简单，装拆方便摩擦型高强度螺栓连接动力性能好缺陷：费料、开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高适于工地安装连接，也便于拆卸64

64/106第六节一般螺栓连接构造和计算分类钢材强度等级加工孔径d0与栓径d之差(mm)受力特点安装应用C级粗制螺栓一般碳素钢Q2354.64.8粗糙尺寸不准成本低（II类孔）1.5~2.0抗剪差抗拉好方便承拉应用多临时固定A级B级精制螺栓优质碳素钢45号钢35号钢8.8精度高尺寸精确成本高（I类孔）0.3~0.5抗剪抗拉均好精度要求高目前应用减少A级B级区分：仅尺寸不一样，A级d≤24，L≤150mm；B级d＞24，L＞150mmI类孔：孔壁粗糙度小，孔径偏差允许+0.25mm，对应A、B级螺栓II类孔：孔壁粗糙度大，孔径偏差允许+1mm，对应C级螺栓65

65/106一般螺栓连接构造要求螺栓直径标准直径：M16，M18，M20，M22，M24，M27，M30…同一构造连接中，宜用同一种直径螺栓排列和间距标准：排列应简单、统一而紧凑并列排列错列排列受力要求构造要求施工要求间距·66

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受力要求

螺栓间距要求端距最小值——避免孔端钢板剪断

边距、中距最小值——避免应力集中互相影响及对板截面削弱过多构造要求

端距、边距和中距最大值——避免受压凸曲及潮气侵入施工要求

中距最大值——确保有足够操作空间

67

67/106螺栓最大和最小允许间距排列螺栓时宜按最小允许间距取用，且宜取5mm倍数，并按等距离布置，以缩小连接尺寸。最大允许间距一般只在起连系作用构造连接中采取。68

68/106为了确保连接可靠性，每个杆件节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓；直接承受动荷载一般螺栓连接应采取双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；C级螺栓宜用于沿其杆轴方向受拉连接，下列情况可用于抗剪连接：

①承受静载或间接动载次要连接；②承受静载可拆卸构造连接；③临时固定构件安装连接。一般螺栓其他构造要求69

69/106一般螺栓连接受力性能与强度验算

螺栓连接按受力形式分为：拉剪螺栓受剪螺栓受拉螺栓NNFFM70

70/106抗剪试验得到板件上a、b两点相对位移δ和作用力N关系曲线,揭示了抗剪螺栓受力四个阶段：(a)摩擦传力弹性阶段(0~1段)

直线—连接处于弹性状态；较短—摩擦力较小。(b)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间隙，体现在曲线上为水平段。（一）受剪螺栓连接71

71/106(c)栓杆传力弹性阶段(2~3段)该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪，孔壁受压。(d)弹塑性阶段(3~4段)

达成‘3’后，虽然给荷载以很小增量，连接剪切变形迅速增大，直到连接破坏。‘4’点（曲线最高点）即为一般螺栓抗剪连接极限承载力Nu。受剪螺栓连接收力性能单个一般螺栓受剪计算72

72/106（1）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）（2）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）（4）钢板剪坏（螺栓端距过小）（3）钢板拉断（板开孔，截面削弱）避免螺栓破坏措施(2)(3)通过计算处理(4)(5)通过构造处理端距≥2d0螺杆长度≤5d（5）螺栓弯曲破坏（板过厚，螺栓细长）受剪螺栓破坏形式73

73/106受剪螺栓连接强度计算单个螺栓承载力计算抗剪承载力设计值：承压承载力设计值：nv—受剪面数目；d—螺栓杆直径；fvb、fcb—螺栓抗剪和承压强度设计值；∑t—接头一侧承压构件总厚度较小值74

74/106受剪螺栓群—构件受轴心拉力l1弹性阶段受力状态塑性阶段受力状态（1）确定所需螺栓数目75

75/106（2）构件净截面强度验算构件I-I截面连接板III-III截面构件II-II折线截面min受剪螺栓群—构件受轴心拉力（续）76

76/106剪力作用：各螺栓螺栓平均受力剪力作用扭矩作用NvyN1T受剪螺栓群—螺栓群受剪力和扭矩V=F77

77/106基本假设

①被连接构件绝对刚性,螺栓弹性；②T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力方向与它和形心连线垂直，大小与螺栓至形心距离ri成正比。扭矩作用N1TN1xTN1yT在剪力和扭矩共同作用下78

78/106（二）受拉螺栓连接单个螺栓承载力计算产生撬力原因——角钢抗弯刚度不足，水平肢有较大变形对螺栓受力影响——使螺栓拉力增大减小撬力措施——增强角钢抗弯刚度，加大厚度或增设加劲肋螺栓拉力：

Pf=0.5N+P

刚度越小，P越大考虑撬力影响，螺栓抗拉强度设计值：79

79/106单个螺栓承载力计算(续)抗拉承载力设计值：抗拉验算一种螺栓所受拉力Ntb——单个螺栓抗拉承载力；Ae——螺栓螺纹处有效面积；de——螺栓有效直径，附录3(P375)；ftb

——螺栓抗拉强度设计值。80

80/106假定每个螺栓均匀受力：N受拉螺栓群—构件受轴心拉力81

81/106基本假定：①被连接板件绝对刚性，螺栓为弹性，各螺栓所受拉力与其至中和轴距离成正比；VV受拉螺栓群—螺栓群受弯矩作用②螺栓群中和轴位于最下排螺栓形心处。82

82/106受拉螺栓群—螺栓群受弯矩作用（续）83

83/106刨平顶紧承托(板)NeV受拉螺栓群—螺栓群受弯矩和轴力作用N中和轴在哪里？84

84/106（1）小偏心情况M/N较小，所有螺栓均承受拉力作用。假定中和轴在螺栓群形心位置：在轴心拉力N作用下，每个螺栓均匀受力：85

85/106（2）大偏心情况当Nmin<0时，由于M/N较大，近似将中和轴假定在（弯矩指向一侧）最外排螺栓轴线。86

86/106两种也许破坏形式：一是螺栓杆受拉剪联合作用破坏；二是孔壁承压破坏。剪力和拉力有关曲线试验研究成果表白，兼受剪力和拉力螺杆分别除以各自单独作用承载力，所得有关关系近似为圆曲线。刨平顶紧承托(板)NeV（三）拉剪螺栓连接87

87/106验算拉-剪联合作用：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——单个螺栓承受最大剪力和拉力设计值。

（三）拉剪螺栓连接（续）88

88/106螺栓高强度螺栓一般螺栓材料材质好，强度高材质一般，强度低传力方式依靠连接板件摩擦传力螺栓直接传力变形连接变形小，螺栓不易松动连接变形大，螺栓易松动安装需专门扳手施加预拉力一般常用扳手，手感拧紧第七节高强度螺栓连接性能和计算外力N预拉力P挤压力Q摩擦力F拧紧螺母产生预拉力高强度螺栓NδO12341234一般螺栓89

89/106受力特性承载力极限状态安装孔孔径d0（mm)应用特点摩擦型外力达成摩擦力d0＝d＋1.5~2.0剪切变形小，耐疲劳，动载下不易松动承压型外力超出摩擦力螺栓承剪钢板承压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高强螺栓按受力情况分类剪力N变形δNNNN摩擦型螺栓设计准则承压型螺栓设计准则90

90/106高强度螺栓预拉力施加办法大六角头型高强螺栓扭剪型高强螺栓不一样形式高强螺栓预拉力施加办法不一样！这两种形式高强螺栓受力性能及强度计算办法完全相同91

91/106高强度螺栓预拉力施加办法（续）1、大六角头螺栓a.扭矩法根据实现确定扭矩和预拉力之间关系施加扭矩。为避免预拉力损失，一般应当按要求预拉力值超出5%-10%实行。

特点：简单、易实行，但得到预拉力误差较大。b.转角法

初拧——用一般扳手拧至不动，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角度，一般为120o~240o完成终拧。

特点：预拉力建立简单、有效，但要避免欠拧、漏拧和超拧。92

92/106初拧——拧至终拧力矩60%~80%；终拧——初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。特点：施工简单、技术要求低易实行、质量易确保等。高强度螺栓预拉力施加办法（续）2、扭剪型高强度螺栓——扭断螺栓杆尾部法高强度螺栓施工要求：①终拧力矩偏差不应大于±10%；②如发觉欠、漏和超拧螺栓应更换；③拧固次序先主后次，且当天安装，当天终拧完。如工字型梁为：上翼缘→下翼缘→腹板。93

93/106

考虑材料不均匀性折减系数0.9；为避免施工时超张拉造成螺杆破坏折减系数0.9；

考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生剪力反抗拉强度减少除以系数1.2。附加安全系数0.9。高强度螺栓预拉力确定高强螺栓预拉力设计值:Ae—螺纹处有效截面积；fu—螺栓热处理后最抵抗拉强度；8.8级，取fu=830N/mm2，10.9级，取fu=1040N/mm2螺栓性能等级螺栓公称直径（mm）M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级100155190225290355GB50017:高强螺栓预拉力P(kN)94

94/106高强度螺栓摩擦面抗滑移系数

连接处接触面处理措施构件钢号Q235Q345、Q390Q420喷砂喷砂后涂无机富锌漆喷砂后生赤锈钢丝刷清除浮锈或未经处理洁净轧制表面0.450.350.450.300.500.400.500.350.500.400.500.40摩擦面抗滑移系数

值板件间抗滑移系数与接触面处理办法和构件钢号有关95

95/106摩擦型高强螺栓强度计算（一）受剪螺栓摩擦面数摩擦系数预拉力一种螺栓所受剪力验算单个螺栓抗剪承载力

0.9—抗力分项系数