钢结构设计原理 课件 第3章 钢结构的连接

第3章钢结构的连接第3章钢结构的连接第3章钢结构的连接主要内容：连接的分类及特点对接焊缝连接设计角焊缝连接设计焊接残余应力及残余变形普通螺栓连接设计高强螺栓连接设计学习重点难点：角焊缝连接设计普通螺栓及高强螺栓连接设计第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点按结构材料划分木结构石结构混凝土结构钢结构其他材料结构第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点5项原则安全可靠传力明确构造简单安装方便节约钢材铆接栓接焊接第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点主要连接方式a)NNNNc)NNb)螺栓连接铆钉连接焊接连接第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点连接的要求：足够的强度、刚度和延性图3-1钢结构的连接方法对几何形体适应性强，构造简单，不削弱截面，省材省工，易于自动化，工效高焊接残余应力大且不易控制，焊接变形大对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工,逐渐被高强螺栓取代普通螺栓：装卸便利，设备简单普通螺栓：精度低时不宜受剪，精度高时加工和安装难度较大高强螺栓：加工方便，对结构削弱少，可拆换，承受动荷载，耐疲劳，塑性、韧性好高强螺栓：摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点连接类型焊接对接焊缝角焊缝铆接栓接普通螺栓高强螺栓承压型摩擦型第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点对接焊缝沿板厚填充承载面按最小板厚计算板件开坡口疲劳性能好角焊缝按焊脚高度填充承载面按有效高度计算不开坡口疲劳性能差第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点普通螺栓Q2354.6和4.8级螺杆受拉或受剪板件有相对位移施工简单疲劳性能差高强螺栓承压型45#钢、合金钢8.8和10.9级螺杆受拉、剪板件有相对位移工序复杂疲劳性能差高强螺栓摩擦型45#钢、合金钢8.8和10.9级螺杆受拉板件无相对位移工序复杂疲劳性能好第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点3.1.1焊缝连接（welded

connection）

焊条与局部焊件熔化、冷却，凝结成焊缝。是现代钢结构最主要的连接方法。（1）焊接方法电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点（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。

图3.1.2手工电弧焊

焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧优点：方便，适用于任意空间位置的焊接，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。Q420钢、Q460钢选择E55E60型焊条Q345钢、Q390钢选择E50E55型焊条Q235钢选择E43型焊条B、焊条的表示方法：E—焊条(Electrode)第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点（2）埋弧焊（自动或半自动）电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件图3.1.3埋弧自动焊机器优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限。焊丝的选择应与焊件等强度。第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点（3）气体保护焊

利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵入。

优点：没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制，不适用于在风较大的地方施焊。（4）电阻焊

利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属，再通过压力使其焊合。适用于板叠厚度不大于12ｍｍ的焊接。

*构造简单，任何形式的构件都可直接相连；*用料经济，不削弱截面；*制作加工方便，可实现自动化操作；*连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。

焊接的缺点*焊缝附近有热影响区，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；*焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏、降低压杆稳定的临界荷载，残余变形使结构形状、尺寸发生变化；*焊接裂缝一经发生，便容易扩展到整体；*低温冷脆问题较为突出。焊接的优点3.1连接的分类及特点第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点焊缝连接型式：对接、搭接、T形连接和角接（2）焊缝连接形式和焊缝种类第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点受力特点：对接焊缝和角焊缝焊缝形式角焊缝被连接板件2对接焊缝对接焊缝被连接板件1钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure对接焊缝按受力与焊缝方向分：

1）正对接焊缝(a)：作用力方向与焊缝方向正交。

2）斜对接焊缝(b)：作用力方向与焊缝方向斜交。角焊缝按受力与焊缝方向分：

1）正面角焊缝(c)：作用力方向与焊缝长度方向垂直。

2）侧面角焊缝(c)：作用力方向与焊缝长度方向平行。

3）斜焊缝（c）：作用力方向与焊缝方向斜交。3.1连接的分类及特点1）对接焊缝正对接焊缝T型对接焊缝

斜对接焊缝2）角焊缝3.1连接的分类及特点角焊缝沿长度方向的布置

1）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。

2）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中。平焊、立焊、横焊和仰焊。

焊缝按施工位置分为施焊位置a)焊条平焊d)仰焊b)立焊c)横焊3.1连接的分类及特点第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透，焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等（3）焊缝缺陷及质量控制

焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点焊缝质量检验方法：外观检查、超声波探伤检验、X射线检验。

焊缝质量分三级:一级焊缝需经外观检查、超声波探伤、x射线检验都合格；二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格；三级焊缝需外观检查合格。《钢结构设计规范GB50017》规定，焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，分别选用不同的质量等级。第三章连接（3）焊缝质量等级及选用

《钢结构设计规范》（GB50017--2017）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：1）需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。2）在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。

3）重级工作制和起重量Ｑ＞50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的Ｔ形接头焊透的对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级。4）角焊缝质量等级一般为三级，但对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q＞50t的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点作用：表明焊缝型式、尺寸和辅助要求表示方法：由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成（4）焊缝的表示方法第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点3.1.2紧固件连接（1）铆钉连接（riveted

connections）

制造分热铆和冷铆材料有ML2和ML3钉孔分Ⅰ、Ⅱ两类（2）螺栓连接（bolted

connections）

性能分A、Ｂ、C三级螺栓A5.6级屈强比抗拉强度第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点（3）高强螺栓连接（high-strength

bolted

connections）

采用高强度钢，45号中碳钢、20MnTiB低合金钢制成。高强螺栓等级有8.8级和10.9级高强螺栓按承载能力极限状态分为：摩擦型和承压型钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure精制螺栓粗制螺栓代号A级和B级C级强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度螺杆与栓孔直径之差为0.25～0.5mm螺杆与栓孔直径之差为1.5～3mm抗剪性能好较差经济性能价格高价格经济用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure

高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母的合称。由45号、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成。

45号－8.8级；40B和20MnTiB－10.9级

（a）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接传力机理利用预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力，外力通过摩擦力来传递允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺孔之间的承压来传力栓孔直径＝螺杆的公称直径+1.5～2.0mm＝螺杆的公称直径+1.0～1.5mm特点剪切变形小，弹性性能好，特别适用于承受动力荷载的结构连接紧凑，但剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较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。焊接残余应力大且不易控制，焊接变形大。对材质要求高，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。目前很少采用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，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，造价略高主要连接方法及优缺点对接焊缝分类：

1）正对接焊缝：作用力方向与焊缝方向正交。

2）斜对接焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。3.2对接焊缝设计正对接焊缝T型对接焊缝

斜对接焊缝第3章钢结构的连接判别标准填充范围有无坡口承载面对接焊缝角焊缝第3章钢结构的连接3.2对接焊缝设计什么是坡口？坡口是根据设计或工艺要求，将焊件待焊部位加工成一定几何形状的沟槽。透保证根部焊透清方便清理焊渣调调节焊缝金属比例形获得良好焊缝形状为什么要开坡口？3.2.1对接焊缝的构造

第3章钢结构的连接3.2对接焊缝设计3.2.1对接焊缝的构造

坡口形式I形单V形V形X形K形U形垫板垫板垫板根部加垫板对接焊缝的引弧板引弧板3.2对接焊缝设计3.2.1对接焊缝的构造

用料经济传力均匀无明显的应力集中利于承受动力荷载需开坡口焊件长度要求精确3.2对接焊缝设计第3章钢结构的连接3.2对接焊缝设计3.2.1对接焊缝的构造

不同宽度或厚度的钢板拼接第3章钢结构的连接3.2对接焊缝设计3.2.2对接焊缝的计算

计算原则：对接焊缝全截面受力，计算方法与构件强度计算相同对接焊缝的抗压、抗剪强度与母材相同一、二级对接焊缝的抗拉强度与母材相同受拉力作用的三级焊缝抗拉强度取母材强度的85%不采用引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减2倍薄板厚度第3章钢结构的连接3.2对接焊缝连接设计3.2.2对接焊缝的计算

（1）轴心受力的对接焊缝第3章钢结构的连接3.2对接焊缝连接设计3.2.2对接焊缝的计算

（2）受弯剪作用的对接焊缝第3章钢结构的连接3.2对接焊缝连接设计3.2.2对接焊缝的计算

（3）例题NVM

1

1

.1202036010200牛腿与钢柱间连接的对接焊缝，钢材Q235BF，焊条E43型，手工焊，焊缝质量三级。验算焊缝强度。偏心力N=400kN（间接动力荷载引起），e=25cm。第3章钢结构的连接3.2对接焊缝连接设计V=N=400kN,M=Ne=400×25=10000kN-cm(2)强度验算①确定焊缝强度设计值查《规范》，ftw=185,fvw=125(书p.248,附表1.2)②最大应力验算

解：（1）计算截面几何量与外力第3章钢结构的连接3.2对接焊缝连接设计③折算应力验算1点弯曲正应力和剪应力1点折算应力满足验算要求。（3）受轴力、弯矩和剪力联合作用的对接焊缝

轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：

同样对于工字形、箱形截面，还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力，其公式为：

式中3.2对接焊缝连接设计第三章连接

对于梁柱节点处的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪应力均匀分布，其计算公式为：Aw——牛腿处腹板的焊缝计算面积。

对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。

3.2对接焊缝连接设计第3章钢结构的连接3.2对接焊缝连接设计仅用于次要构件或受力较小部位的连接；部分焊透对接焊缝按角焊缝进行计算；3.2.3部分焊透对接焊缝第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计角焊缝形式受力方向端焊缝侧焊缝斜焊缝连续性连续焊缝间断焊缝截面形式直角斜角表面形状凸形坦形凹形第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.1角焊缝的形式

a）端焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直b）侧焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行c)斜焊缝:作用力与焊缝长度方向斜交角焊缝的种类Na)Nb)θNc)按焊缝连续性：a）连续焊缝：受力较好b）断续焊缝：易发生应力集中

按焊缝受力方向：第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.1角焊缝的形式

a）直角角焊缝b）斜角角焊缝按焊缝截面形式：按焊缝表面形状：a）凸形b）坦式c)凹形第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计3.3.2角焊缝的受力特点侧面焊缝正面焊缝第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计3.3.2角焊缝的受力特点承受剪应力分布不均匀侧面焊缝受力复杂焊根应力集中正面焊缝第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计3.3.2角焊缝的受力特点强度低弹模低塑性好侧面焊缝强度高弹模高塑性差正面焊缝第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure

（2）正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，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，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度要高一些，但塑性差，弹性模量大。

（1）侧面角焊缝：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。弹性阶段分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。角焊缝的工作性能角焊缝的应力分布破坏形式

角焊缝构造包括三个方面：焊脚尺寸、焊缝长度和减小焊缝应力集中的措施。角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸--hf（1）焊脚尺寸为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂

a)最小焊脚尺寸(hf,min)3.3.3角焊缝的构造

b)最大焊脚尺寸(hfmax)

为了避免焊缝局部过热，烧穿较薄的焊件，减小焊接残余应力和残余变形3.3角焊缝连接设计第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.3角焊缝的构造

焊脚尺寸应与焊件的厚度相适应。对手工焊，hf应不小于，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm；hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.3角焊缝的构造

对于板件边缘的焊缝，当t≤6mm时，hf≤t；当t

>6mm时，hf＝t-(1～2)mm。侧焊缝长度lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm，不宜大于60hf。第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.3角焊缝的构造

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure（3）减小角焊缝应力集中的措施tblw侧焊缝引起焊件拱曲为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，b≤16t（t>12mm）或200mm（t≤12mm）；a)构件端部仅有两边侧缝连接时：试验结果表明，连接的承载力与b/lw有关。为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，每条侧缝长度b

/lw≤1；b为两侧缝之间的距离；lw为焊缝长度；t为较薄焊件的厚度。钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure

c)直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：正面角焊缝宜为1:1.5，长边与内力方向一致；侧面角焊缝可用直角焊缝为1:1。

b)仅用正面角焊缝的搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。

d)当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。b)2hfa)2hf2hf绕角焊缝钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure第三章连接

e)在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝的长度不得小于10hf或50mm，断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。以防板件局部凸曲鼓起，而对受力不利或潮气易于侵入而引起锈蚀。断续角焊缝第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计3.3.5角焊缝计算公式将45o喉部截面作为计算截面hfhehh1h2焊根h—焊缝厚度、h1—熔深h2—凸度hf—焊脚尺寸截面有效高度——he＝0.7hf焊趾有效截面上的应力状态3.3角焊缝设计τ//τ┴σ┴角焊缝有效截面上的应力直角角焊缝有效截面上有三个应力：

—正应力，与焊缝长度方向（面外垂直）

∥—剪应力，与焊缝长度方向（面内平行）

—剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直）Von.mises屈服准则3.3角焊缝设计ffw——角焊缝强度设计值我国《钢结构设计规范》采用了折算应力公式，引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为：ffw由角焊缝抗剪条件确定，所以公式右边相当于角焊缝抗拉强度设计值。第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计3.3.5角焊缝计算公式NyNx第3章钢结构的连接3.3角焊缝设计3.3.5角焊缝计算公式第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.5角焊缝的计算公式承受轴心力作用时角焊缝连接的计算

仅有侧面角焊缝：σf=0

lwNNNNlw’仅有侧面角焊缝：τf=0

第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（1）承受轴心力作用时角焊缝连接的计算

用盖板的对接连接：

lwNNlw’NxNyNθ承受斜向轴向力角焊缝：

第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（1）承受轴心力作用时角焊缝连接的计算

承受轴力的角钢端部连接：

Ne1e2blw1lw2N1N2两边侧焊

三边围焊

Ne1e2blw1lw2N1N2N3第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（2）弯矩、剪力、轴力共同作用时角焊缝连接计算

偏心轴力作用下：

Fθe第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（2）弯矩、剪力、轴力共同作用时角焊缝连接计算

弯矩及剪力作用下工形截面

eMFxxhh2BB’Ah1h1h2A点：B点：第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（2）弯矩、剪力、轴力共同作用时角焊缝连接计算

弯矩及剪力作用下T形截面

eMFxxy2AA点：第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（3）扭矩或扭矩与剪力共同作用时角焊缝连接计算

环焊缝受扭矩作用下第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（3）扭矩或扭矩与剪力共同作用时角焊缝连接计算

两平行直线角焊缝扭矩作用下xFerxxyyAA’ry0τfσTσf钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure第三章连接承受偏心力的三面围焊Fe1rxahl2xxyyAA’0TVre将F向焊缝群形心简化得:

轴心力V＝F扭矩

T=Fe故：该连接的设计控制点为A点和A’点计算时按弹性理论假定:①被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。②扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。③在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。（3）扭矩或扭矩与剪力共同作用时角焊缝连接计算

3.3角焊缝连接设计第3章钢结构的连接3.3角焊缝连接设计3.3.6角焊缝的计算（3）扭矩或扭矩与剪力共同作用时角焊缝连接计算

围焊受剪力、扭矩和轴力作用xFerxxyyAA’0TVryrNA点：例3.4

验算图中梁与钢柱间的连接角焊缝的强度。钢材Q235，手工焊，焊条E43型。荷载设计值N=400kN（静力荷载），e=250mm，焊脚尺寸hf=8mm。NVMa)b)c)例题3.4(角焊缝受偏心剪力)[分析]对于工字梁与钢柱的角焊缝连接，通常只承受弯矩M和剪力V的作用，荷载情况简单，但是焊缝采用了周边围焊，焊缝截面情况比较复杂。目的：验算角焊缝的强度（焊脚尺寸hf已知，焊缝长度lw可以根据构造要求确定）计算时可以采用两种假设：A：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担；B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩。钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure[计算]步骤2：作用在焊缝形心上力素的计算V=N=400kNM=Ne=10000kN·cm

步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw）查《规范》（P382表1.3）得ffw=160N/mm2

采用假设A：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担步骤3：计算焊缝有效截面对中和轴的惯性矩

Iw=2*0.7*8*200*(205.6-5.6/2)2+4*0.7*8*95*(170+5.6/2)2+2*0.7*8*3403/12=19235*104mm2翼缘焊缝的最大正应力

sf1=106.9N/mm2<bf*160=195N/mm2

步骤4：计算控制点应力控制点有两点：

a)翼缘焊缝的最外纤维处

b)翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处

b)腹板焊缝中由弯矩引起的最大正应力sf2=88.4N/mm2剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力tf=105.0N/mm2（3.3.6）腹板焊缝的强度为127.6N/mm2<160N/mm2

满足强度要求钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure

采用假设B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩HH

步骤3：翼缘焊缝所承受的水平力（翼缘焊缝承担全部弯矩，可以将弯矩转化为一对水平力）

H=M/h=263kN(h值近似取为翼缘中线的距离)翼缘焊缝的强度sf＝120.4N/mm2<195N/mm2腹板焊缝的强度tf＝105.0N/mm2<160N/mm2均满足要求例3.5

设计牛腿板与钢柱间的连接角焊缝（三面围焊），并验算焊缝强度。板边长度l1=300mm，l2=400mm，偏心力F=196kN，e1=300mm，承受静力荷载，钢材Q235，手工焊，焊条为E43型，钢板厚t=10mm。ye1MFVAoa)e2l1l2xryrxrb)yoxy0.7hfye1MFVAoa)e2l1l2[分析]该三面围焊共同承受剪力V和扭距T的作用，将偏心力F移至焊缝计算截面的重心就可以求出相应的V和T。目的：设计牛腿板和钢柱板之间的角焊缝（焊缝长度可以根据构造要求确定）设计中，l1,l2都紧贴牛腿板一侧（并不在焊缝的中线），这样焊缝的实际长度要比l1,l2稍大，因此计算长度采用l1,l2,不再扣除水平焊缝的端部缺陷。假设焊脚尺寸－－验算角焊缝的强度钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure[计算]步骤2：焊缝计算截面的重心位置

x0=90mm

步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw）查《规范》（P382表1.3）得ffw=160N/mm2

xyx300400步骤3：焊缝截面的惯性矩

Ix=16.4*107mm4Iy＝5.5*107mm4Ip＝21.9*107mm4步骤4：作用在焊缝上的力素计算

V=F=196kNe=e1+e2=e1+(l1-x0)=510mmT=Fe=109N-mmrMVxyx300400e2e1NA步骤5：控制点A强度计算

sf=96N/mm2

tT=91N/mm2

sF=35N/mm2

（3.3.6）控制点强度为140.8N/mm2<160N/mm2

满足强度要求第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形不均匀的加热和冷却3.4.1焊接残余应力的分类及其产生的原因（一）焊接残余应力的分类纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向;沿厚度方向的焊接残余应力(二)焊接残余应力产生的原因第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形3.4.1焊接残余应力的分类及其产生的原因焊接残余应力是内应力，在焊件内自相平衡。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++纵向焊接残余应力焊缝附近为拉应力，焊缝稍远区产生压应力。第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形3.4.1焊接残余应力的分类及其产生的原因横向焊接残余应力2）后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。1）焊缝纵向收缩使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形(a)焊件反向弯曲变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩产生的横向应力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx第3章钢结构的连接σxσyσz3.4焊接残余应力及残余变形3.4.1焊接残余应力的分类及其产生的原因沿厚度方向的焊接残余应力横向、纵向和厚度方向的焊接残余应力，当形成同号(受拉)三向应力时，大大降低连接的塑性。-+-321在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊内部焊缝产生拉应力，外层焊缝产生压应力。第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形（1）对结构静力强度的影响3.4.2焊接残余应力对结构性能的影响f+--bfy+--bfyNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到fy，即N=Ny时：焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+--fyfbBt当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy

，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：σ+--bfyNN+--fyσNNbBt△ε1>△ε2当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度。（2）对结构刚度的影响3.4.2焊接残余应力对结构性能的影响3.4焊接残余应力及残余变形钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure（3）对低温冷脆的影响（4）对疲劳强度的影响

对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。

在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。

对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。（5）对压杆稳定的影响3.4焊接残余应力及残余变形第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形3.4.3焊接残余变形焊接残余变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。

第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形3.4.4减少焊接残余应力及残余变形的方法采取合理的施焊次序施焊前加相反的预变形焊前预热，焊后回火第3章钢结构的连接3.4焊接残余应力及残余变形3.4.4减少焊接残余应力及残余变形的方法焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸焊缝不宜过分集中应尽量避免三向焊缝交叉考虑钢板分层问题焊条易达到避免仰焊精制螺栓粗制螺栓代号A级和B级C级强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度螺杆与栓孔直径之差为0.25～0.5mm螺杆与栓孔直径之差为1.5～3mm抗剪性能好较差经济性能价格高价格经济用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定3.5.1普通螺栓连接构造3.5普通螺栓连接设计第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.1普通螺栓连接构造螺栓排列方式B错列A并列中距中距边距边距端距螺栓的排列应满足：受力要求构造要求施工要求(1)受力要求

因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距下限：防止孔间板破裂≥3d0上限：防止板间张口和鼓曲。b）螺孔中心距限制a）端距限制——防止孔端钢板剪断，≥2d0

；中心距太大<2d端距过小端距端距中距边距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0端距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距（2）构造要求

若栓距及线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。规范规定了螺栓的最大容许间距。（3）施工要求

要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。

根据规范规定（P86表3.5.1）的螺栓最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓；其它构造要求直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：

①承受静载或间接动载的次要连接；

②承受静载的可拆卸结构连接；

③临时固定构件的安装连接。型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.1普通螺栓连接构造1）受力要求任意方向的中距、边距和端距不能过小，以防止钢板截面过度削弱而承载力不足；对于受压构件，中距不能太大，以防止连接板件发生鼓曲。2）构造要求螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。3）施工要求为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算FNFA只受剪B只受拉C剪力和拉力共同作用第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算（1）破坏模式N/2NN/2NNNN1）螺栓杆被剪坏2）孔壁的挤压破坏3）板件被拉断NN4）板件端部被剪坏N/2NN/25）栓杆弯曲破坏构造解决强度计算第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算摩擦传力的弹性阶段(0~1段)滑移阶段(1~2段)栓杆传力的弹性阶段(2~3段)破坏阶段(3~4段)NδO1234abNN/2N/2abNN/2N/2（2）工作性能第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算受力状态：弹性时两端大而中间小，进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。为防止“解钮扣”破坏，当连接长度l1较大时，应将螺栓的承载力乘以折减系数

。N/2Nl1N/2平均值螺栓的内力分布平均值长连接螺栓的内力分布当l1>15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数η与l1/d0的关系曲线。连接所需栓数：ECCS试验曲线8.8级

M22我国规范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算（3）单栓抗剪计算抗剪承载力设计值：承压承载力设计值：一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值d第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计连接长度l1≤15d0：连接长度l1＞15d0：其中，3.5.2普通螺栓抗剪连接计算（3）群栓轴心抗剪计算第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算（3）群栓抗扭计算基本假定：①被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；②各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群形心的距离r成正比，力的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直。平衡条件：

根据基本假定②：得：第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算（3）群栓在扭矩、剪力及轴力作用下抗剪计算FTTxyN1TN1TxN1Tyr11V1NV1VeN1NN1N第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.2普通螺栓抗剪连接计算（3）群栓在扭矩、剪力及轴力作用下抗剪计算在扭矩作用下，螺栓1受力：在剪力V和轴心力N作用下，螺栓均匀受力：则螺栓1承受的最大剪力N1应满足：第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计破坏形式：螺栓杆拉断

为考虑撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值取同样钢号钢材抗拉强度设计值f的0.8倍3.5.3普通螺栓抗拉连接计算第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.3普通螺栓抗拉连接计算（1）群栓轴心抗拉计算N第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.3普通螺栓抗拉连接计算（2）群栓弯矩作用下抗拉计算M刨平顶紧承托(板)M1234受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴按弹性设计，其假定为：1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.3普通螺栓抗拉连接计算（2）群栓弯矩作用下抗拉计算第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.3普通螺栓抗拉连接计算（3）群栓偏心拉力作用下抗拉计算y1y2y3N1N2N3N4中和轴F刨平顶紧承托(板)M1234F中和轴y1y2NmaxN2N3Nmin小偏心大偏心小偏心：，满足：，大偏心：第3章钢结构的连接3.5普通螺栓连接设计3.5.4普通螺栓剪力及抗力联合作用下连接计算VeM=VeV拉－剪相关曲线：破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏孔壁承压破坏；“四分之一圆”011ab受剪受拉验算孔壁承压验算第3章钢结构的连接3.6高强螺栓连接设计3.6.1高强螺栓连接特点高强螺栓承压型45#钢、合金钢8.8和10.9级螺杆受拉、剪板件有相对位移工序复杂疲劳性能差高强螺栓摩擦型45#钢、合金钢8.8和10.9级螺杆受拉板件无相对位移工序复杂疲劳性能好高强度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/2第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点施工方法扭矩法转角法扭剪法第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点第3章钢结构的连接3.1连接的分类及特点第3章钢结构的连接第3章钢结构的连接3.6高强螺栓连接设计3.6.1高强螺栓连接特点（1）高强螺栓预拉力1螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.92施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%~10%，引入折减系数0.93钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.94在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2×0.9×0.9×0.91.2第3章钢结构的连接3.6高强螺栓连接设计3.6.1高强螺栓连接特点（2）高强螺栓的摩擦面对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈对于摩擦型连接，对摩擦面抗滑移系数有要求连接处接触面处理方法构件的钢号Q235Q345Q420喷砂喷砂后涂无机富锌漆喷砂后生赤绣钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面0.450.350.450.300.500.400.500.350.500.400.500.40摩擦面抗滑移系数

值第3章钢结构的连接3.6高强螺栓连接设计3.6.2摩擦型高强螺栓承载力计算式（1）高强螺栓抗剪计算（2）高强螺栓抗拉计算（3）高强螺栓同时承受剪力和