第二章 钢结构的连接2008

第二章

钢结构的连接2024/5/102.1连接的类型1、焊接2、螺栓连接2024/5/10焊接优点：不削弱截面，无需拼接板，密封性能好，结构简单，制造方便，便于实现自动化操作。缺点：形成热影响区，存在焊接缺陷，影响连接区域的材质和连接质量。2024/5/10螺栓连接优点：安装方便，特别适合于工地安装和需拆卸结构的连接。缺点：需在构件上开孔、对孔，削弱构件截面和增加制造、安装的工作量，并且连接时需要拼接板，钢材耗费量大。2024/5/102.2焊接方法和焊接强度一、焊接方法1、熔化焊2、电阻焊二、焊条焊条与焊件的钢材和焊接技术相适应，一般可按焊件钢材的强度选用：E43(Q235)，E50(Q345)，E55(Q390)。2024/5/10三、焊缝的缺陷及质量检验1、焊缝缺陷（1）尺寸偏差（2）咬边（3）弧坑（4）未熔合（5）母材被烧穿（6）气孔（7）夹渣（8）裂纹2024/5/102、质量检验Ⅰ级：外观检验、超声波检验、局部X射线检验Ⅱ级：外观检验、超声波检验Ⅲ级：外观检验2024/5/10四、焊接连接型式和焊缝类型

1、连接型式（1）对接连接（2）搭接连接2024/5/10（3）顶接连接2024/5/102、焊缝类型（1）按构造分类a.对接焊缝b.角焊缝（2）按工作性质分类a.强度焊缝b.密强焊缝（3）按焊缝位置分类a.俯焊b.立焊（竖直、水平）c.仰焊（4）按焊接地点分类

a.工厂焊缝b.安装焊缝2024/5/102024/5/10五、焊缝强度焊缝强度取决于：（1）焊缝金属和主体金属的强度（2）焊接形式（3）应力集中程度（4）焊接工艺（5）加工条件2024/5/101、对接焊缝焊缝强度由焊缝质量和主体钢材强度决定（1）抗压强度fcw、抗剪强度fvw

与主体钢材强度f、fv一致（2）抗拉、抗弯强度ftw

Ⅰ、Ⅱ级焊缝：ftw

=f

Ⅲ级焊缝：ftw

≈0.85f2024/5/102、角焊缝

按其与外力方向的不同分为侧面焊缝（与外力平行）、正面焊缝（又称端焊缝，与外力垂直）和斜焊缝。

应力分布较复杂，焊缝强度由抗剪能力最低的平均剪应力决定，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度采用统一的设计强度ffw

。2024/5/10Q235Q345Q3902024/5/10水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95Q235Q3452024/5/102.3对接焊缝连接的构造和计算

对接焊缝传力直接、平顺，无显著的应力集中现象，受力性能良好，适用范围广。但对连接处施焊坡口尺寸要求严格，对焊缝质量要求高，多用于工厂制造的连接中。2024/5/10一、构造要求1、坡口Ⅰ、V、半V、U、K、X2024/5/102、坡度板的厚度、宽度按≤1:4的坡度刨剪为一致2024/5/103、计算长度有引弧板：lw=l

无引弧板：lw=l–2

×

5

mm2024/5/10二、强度计算1、承受轴心力①②2024/5/10可不验算静力强度的情况：（1）采用Ⅰ、Ⅱ级直焊缝，且焊缝两端加引弧板（2）采用坡度≤1.5:1的斜焊缝2024/5/102、承受弯矩和剪力

弯应力剪应力折算应力2024/5/103、承受弯矩、剪力和轴心力2024/5/10Page43例题2-1、例题2-2

2024/5/102.4角焊缝连接的构造和计算角焊缝位于构件边缘，传力线曲折，受力较复杂，引起应力集中和受力不均匀，但对尺寸要求稍低，不作坡口，制造、施焊方便。2024/5/102024/5/10一、受力情况1、直角角焊缝

=90°有效厚度he=hf

cos45°≈0.7hf

2024/5/102、斜角角焊缝60°≤

≤

120°

≤90°，有效厚度he=0.7hf

>90°，有效厚度he=hf

cos

/22024/5/103、侧焊缝受力方向平行于焊缝，受纵向剪切力，破坏面在三角形焊缝截面的最小厚度平面上，与焊脚边成

/2的角，应力沿焊缝长度分布很不均匀。2024/5/10侧焊缝应力沿焊缝长度分布不均匀2024/5/104、端焊缝受力方向垂直于焊缝，受正应力和剪切力，在焊缝根部形成严重的应力集中，破坏形式为拉断或剪断，应力沿焊缝长度分布较均匀。

端焊缝和侧焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度都采用统一的设计强度ffw

。2024/5/10端焊缝的受力情况2024/5/10二、角焊缝的构造要求

主要是焊脚尺寸hf和焊缝计算长度lw1、计算长度lw=l-10mm2、最小焊脚尺寸2024/5/103、最大焊脚尺寸

常用的焊脚尺寸hf

有6、8、10、12mm2024/5/104、最小焊缝计算长度lw≥40mm及8hf侧焊缝长度lw≥侧焊缝间距b，并且

tmin

>12mm，b≤16tmin

tmin

≤12mm，b≤200mm2024/5/105、最大焊缝计算长度lw≤40hf

（直接承受动载）lw≤60hf

（承受静载或间接承受动载）

力沿侧焊缝全长作用时，不受此限制6、当在次要构件或次要焊缝中采用间断焊缝时，间断净距e≤15tmin（受压板）或间断净距e≤30tmin（受拉板）2024/5/107、搭接长度≥5tmin及25mm8、承受动载的焊件应尽量采用围焊缝，且在转角处应连续施焊9、较重要的侧焊缝和端焊缝的端部宜绕角额外施焊，绕角长度≥

hf

2024/5/10三、角焊缝的符号2024/5/10四、角焊缝的强度计算（一）基本计算公式角焊缝的有效截面为he

lw=0.7hf

lw

，并沿着该面发生破坏。外力Nx作用下产生垂直于焊缝的σ

、τ

外力Ny作用下产生平行于焊缝的τ

2024/5/102024/5/10根据第四强度理论计算折算应力2024/5/102024/5/101、承受垂直焊缝方向力Nx的端焊缝2、承受平行焊缝方向力Ny的侧焊缝2024/5/103、承受斜向力N的斜焊缝(θ是N与焊缝的夹角)2024/5/102024/5/104、斜角焊缝2024/5/105、按容许应力法时，采用统一的角焊缝容许剪应力[τfw]2024/5/10（二）轴心力作用时的连接计算1、对称焊件（1）侧焊缝2024/5/10（2）端焊缝2024/5/10（3）围焊缝a.静载端焊缝主要承载：N’=hel’w×1.22ffw侧焊缝补充承载：（N-N’）2024/5/10

b.动载荷载由围焊缝中的侧焊缝、端焊缝平均承担∑lw

是拼接缝一侧的角焊缝计算长度2024/5/102、不对称焊件（1）侧焊缝由于重心线不在对称线上，两侧的侧焊缝所承受的荷载大小不同。角钢的肢背承担的荷载：N1=k1

N角钢的肢尖承担的荷载：N2=k2

Nk1、k2

是内力分配系数，k1>k2

2024/5/102024/5/10肢背焊缝尺寸：∑hf1lw1=k1

N/0.7ffw肢尖焊缝尺寸：∑hf2lw2=k2

N/0.7ffw单肢角钢的偏心对焊缝强度的影响较严重，将焊缝强度降低为0.85ffw肢尖、肢背焊缝可采用不同的焊脚尺寸hf

，而使两部分的焊缝长度lw

接近。2024/5/10（2）围焊缝端焊缝承担荷载：N3=βf×hf

3b

ffw肢背焊缝承担荷载：N1=

k1

N–N3/2肢尖焊缝承担荷载：N2=

k2

N–N3/22024/5/10肢背焊缝尺寸：∑hf1lw1=N1/0.7ffw

=

k1

N/0.7ffw–βf

hf3

lw3/2肢尖焊缝尺寸：∑hf2lw2=N2/0.7ffw=

k2

N/0.7ffw–βf

hf3

lw3/22024/5/10（三）弯矩、剪力和轴心力作用的T型连接计算2024/5/10（1）弯矩产生端焊缝性质的应力：

σfM

=M/Ww，Ww

=he∑lw2

/6（2）剪力产生侧焊缝性质的应力

τfV

=V/Aw，Aw

=he∑lw（3）轴心力产生端焊缝性质的应力：

σfN

=N/Aw（4）折算应力2024/5/10牛腿与柱顶接时，角焊缝受弯矩、剪力作用2024/5/10（四）扭矩和剪力作用的T型连接计算

T型搭接时，角焊缝受扭矩、剪力作用牛腿与柱的搭接板与板的搭接2024/5/10假定:(1)构件是刚性的，焊缝是弹性的(2)构件绕焊缝形心转动，焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，应力大小与形心距离成正比2024/5/102024/5/10侧焊缝受力性质端焊缝受力性质2024/5/10折算应力2024/5/10勿忘国耻奋发图强1931年9月18日，驻中国东北的日本关东军炮击中国东北军的北大营并向沈阳进攻，制造了震惊中外的“九·一八”事变。2024/5/102.5焊接应力和焊接变形一、焊接残余应力和变形焊接构件在未受到荷载时，由于施焊的电弧高温作用，焊件冷却后残余在构件内部的应力和变形，是结构体系内自呈平衡的结果。2024/5/102024/5/10（1）纵向和横向焊接残余应力2024/5/10（2）沿焊缝厚度方向的焊接残余应力（3）残余变形2024/5/10二、残余应力和变形的影响1、残余应力对结构的静力强度影响不大2、降低结构的刚度

3、降低结构的稳定性4、降低疲劳强度5、使材料易变脆6、残余变形使构件受力时产生了附加荷载2024/5/10三、减小焊接残余应力和变形的措施1、设计措施（1）减小焊缝的数量和尺寸，避免焊缝过分集中（2）焊缝尽量对称布置（3）连接过度要平滑，避免截面突变和应力集中（4）保证足够的搭接长度，且不能只采用一条端焊缝来承受荷载（5）焊缝布置在易于施焊的部位，避免仰焊2024/5/102、工艺措施（1）采用适当的焊接顺序和方向2024/5/10（2）采用反变形措施（3）做好焊接前的预热和焊接后的保温工序（4）对焊接变形进行矫正2024/5/102.6螺栓连接一、螺栓连接的种类和形式1、螺栓的种类（1）普通螺栓

a.粗制螺栓：抗拉连接、临时连接、不重要的抗剪连接b.精制螺栓：抗剪连接2024/5/10（2）锚栓：只承受拉力，不承受剪力（3）高强螺栓

a.摩擦型：靠接触面的摩擦传力

b.承压型：靠接触面的摩擦和螺栓杆传力2、螺栓连接的形式（1）对接、搭接、顶接（2）受力情况区分：抗剪、偏心抗剪、抗拉、抗拉与抗剪组合2024/5/102024/5/10二、普通螺栓连接的构造1、同一结构连接中宜采用一种螺栓直径常用的螺栓直径有M16、M20、M22、M242、排列应简单、统一、紧凑（1）排列方式：并列、交错（2）型钢上的螺栓应排列在准线上2024/5/102024/5/102024/5/10（3）螺孔的最小端距为2d0（4）最小边距：1.5d0（切割边）

1.2d0（轧成边）（5）最小中间距：3d0（6）最大边距：4d0或8tmin（7）最大中间距：12d0或18tmin板端剪穿应力集中板件凸曲、接触不紧密2024/5/10螺栓的排列间距2024/5/10三、普通螺栓连接的计算1、单个螺栓的承载力设计值（1）抗剪螺栓（剪切和承压作用）nv=1nv=22024/5/10a.抗剪承载力设计值或容许值b.承压承载力设计值或容许值2024/5/10（2）抗拉螺栓抗拉承载力设计值或容许值2024/5/102024/5/102024/5/102024/5/102、受轴心力作用的抗剪螺栓连接计算（1）计算一个螺栓的承载力设计值（2）确定所需螺栓数量（假定受力均匀）2024/5/10a.当布置螺栓较多，接头长度l1>15d0时，螺栓承载力设计值的折减系数为：当l1>60d0时，强度折减系数为0.7b.接头一侧的永久螺栓数≥2c.搭接或单面拼接时，螺栓数目增加10%d.单角钢单面拼接时，螺栓数目增加15%2024/5/10（3）验算构件净截面强度拼接板的净截面面积应大于构件的净截面面积2024/5/102024/5/103、受扭矩和剪力作用的抗剪螺栓连接计算牛腿与柱搭接2024/5/10假定：（1）构件是刚性的，螺栓是弹性的；（2）构件绕螺栓群的中心转动，螺栓承受的剪切力N与它到中心的连线的距离r成正比，方向与连线垂直；（3）剪力矩的总和与扭矩平衡。2024/5/102024/5/10a.扭矩的作用最远的螺栓承受最大的剪力N1，每个螺栓承受的剪力可用N1表示：剪力矩的总和与扭矩平衡2024/5/10螺栓所受的最大剪力：2024/5/10b.剪力的作用c.合成剪力对y1>3x1的狭长连接，近似令x1=0，N1y=02024/5/104、受拉力和剪力共同作用的螺栓连接计算（1）单纯受拉2024/5/10（2）受剪力和拉力（或弯矩）A.剪力较小，由螺栓承担，而支托不受力2024/5/10a.受剪力和拉力2024/5/10b.受剪力和弯矩弯矩作用下接触面不是紧密贴合，转动中心在螺栓群的边缘上2024/5/10B.剪力较大，由支托承受剪力，螺栓承担拉力螺栓承受的最大拉力2024/5/10四、高强螺栓连接的构造和性能（一）高强螺栓的构造高强螺栓的形状、构造与普通螺栓基本相同（二）高强螺栓的性能1、级别（1）8.8级：[fu]min=800MPa，屈强比=0.8（2）10.9级：[fu]min=1000MPa，屈强比=0.92024/5/102、受力特点（1）对螺杆施加较大的预应力，靠构件之间的摩擦阻力来承受内力控制预应力的方法：a.扭矩法b.转角法c.扭剪法2024/5/10202