钢结构的连接课件

钢结构的连接

第一节钢结构的连接方法

一、结构的连接方法

钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成基本构件，再通过一定的安装连结装配成空间整体结构。连接的构造和计算是钢结构设计的重要组成部分。1、焊缝连接

20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现代钢结构最主要的连接方法之一。优点：不削弱构件截面，构造简单，节约钢材，加工方便，可采用自动化操作，生产效率高。刚度较大、密封性能好。缺点：焊缝附近存在热影响区，由高温快速降到常温，使钢材脆性加大；存在焊接残余应力及残余变形；焊接结构低温冷脆问题也比较突出。2、铆钉连接19世纪20～30年代出现铆钉连接。把铆钉加热到1000～1500oC，用铆钉枪铆合。优点：塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查和保证，可用于承受动载的重型结构。缺点：工艺复杂、噪音大、劳动条件差，用钢量大，现已很少采用。

3、螺栓连接

1）．普通螺栓连接

（1）C级螺栓连接：用圆钢制成，杆身粗糙，尺寸不很准确。主要用于受拉连接和安装螺栓。（2）A、B级螺栓连接：螺杆机加工制成，尺寸准确，孔加工精度高。制造安装费工。A级：d≤24mm，l≤150mm

和10d，B级：d>24mm，l>150mm和10d。

2).高强度螺栓连接

20世纪中钢结构开始采用。

高强度螺栓则用高强度钢材制成并经热处理。拧紧螺栓使板件接触面产生很大摩擦力，依靠摩擦力传力。连接紧密，耐疲劳，承受动载可靠。是现代钢结构最主要的连接方法之一。第二节焊接方法、焊缝类型和质量级别一、钢结构中常用的焊接方法

1．电弧焊

焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热，使焊条和焊件熔化，二者凝结成焊缝。

(1)手工电弧焊

设备简单，操作灵活，适用性和可达性强，适用各种焊缝。生产效率较低，质量变异性大，施焊时弧光外露，电弧光较强。

手工焊采用的是焊条，

焊条应和焊件的强度和性能相适应。Q235钢用E43型焊条(E4300一E4316)，Q345钢用E50型焊条(E5000～E5018)，Q390和Q420钢用E55型焊条(E5500～E5518)。E（Electrode）表示焊条。

(2)自动或半自动埋弧焊属于机械化焊接，电弧埋在焊剂层下。采用盘状连续的光焊丝在散粒状焊剂下燃弧焊接，散粒状焊剂的作用与手工焊焊条的药皮相同。自动焊的引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动都是自动的。埋弧焊节省焊丝和电能，劳动条件好，生产效率高；焊缝质量稳定可靠，塑性和韧性也较好，但不如手工焊灵活。埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配。对Q235钢常用H08A等焊丝，对Q345钢和Q390和Q420钢常用H08MnA，H10Mn2等焊丝。选择焊丝时，尚需同时选用相应的焊剂。焊剂有无锰型及高、中、低锰型焊剂。(3)二氧化碳气体保护焊利用CO2气体作为保护气体，使焊缝金属不与空气接触，电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。CO2气体保护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈能力。2．电阻焊

电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊接，常用电阻点焊，板叠总厚度一般不超过12mm，焊点应主要承受剪力，其抗拉(撕裂)能力较差。二、焊缝连接形式及焊缝类型焊缝连接形式按被连接构件间的相对位置分为对接、搭接、T形连接和角接四种。焊缝按其构造来分，可分为对接焊缝和角焊缝两种类型。焊缝若按其工作性质来分有强度焊缝和密强焊缝两种。强度焊缝只作为传递内力之用，密强焊缝除传递内力外，还须保证不使气体或液体渗漏。焊缝按其施焊位置分为俯焊(平焊)、立焊、横焊和仰焊。设计和施工时应尽量避免采用仰焊焊缝三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别1．焊缝缺陷主要有外观缺陷：①焊缝尺寸偏差；②咬边；③弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；内部缺陷：④未熔合；⑤母材被烧穿；⑥气孔；⑦非金属夹渣；⑧裂纹等缺陷，均会引起应力集中削弱焊缝有效截面，降低承载能力。若发现焊缝有裂纹，应彻底铲除后补焊。

2．焊缝质量检验和焊缝级别

焊缝质量检验分为三级。III级只对全部焊缝做外观检查；Ⅱ级除对全部焊缝做外观检查外，还要用超声波抽查焊缝长度的50％；I级除全部做外观检查外，还须按要求用超声波检查，并用X射线抽查焊缝长度的2％，且部分拍片。各级焊缝的应用见规范要求。四、焊缝符号及标注方法

按《建筑结构制图标准》(GB/T50105-2001)和《焊缝符号表示法》(GB324-88)执行。第三节对接焊缝连接的构造和计算

对接焊缝传力直接、平顺、没有显著的应力集中现象，受力性能良好。但质量要求高，焊件间施焊间隙要求严，一般多用于工厂制造的连接中。一、对接焊缝连接的构造要求

⑴坡口加工：应对板件边缘加工成适当型式和尺寸的坡口(图3-7)，以便焊接时有焊条运转的必要空间。对于手工焊，当板厚超过10mm时，就应开坡口；而对自动焊，则当板厚超过16mm时，开V形坡口即可。⑵对于不同截面尺寸构件的拼接，应采用平缓过度的连接方式（图3-8），以减小应力集中。二、对接焊缝的强度计算1．对接直焊缝承受轴心力N

或式中l

w—焊缝的计算长度，当未采用引弧板时，每条焊缝取实际长度减去2t，当采用引弧板时，取焊缝实际长度，t—为焊缝的计算厚度。2．对接焊缝承受剪力和弯矩对接焊缝承受弯矩M和剪力V作用(图3-10b)时，按下式验算其焊缝强度在正应力和剪应力都较大之处，还应按下式验算该点的折算应力：

3．工字形截面对接焊缝承受弯矩、剪力和轴心力共同作用时（图3-10c），应按下列各式验算焊缝强度：第四节角焊缝连接的构造和计算

角焊缝为沿两直交或斜交焊件的交线焊接的焊缝，可用于对接、搭接以及直角或斜角相交的T形和角接接头中。角焊缝施焊时板边不需要加工坡口，施焊较方便。一、受力情况和构造要求

1、角焊缝的形式和受力情况

侧焊缝----长度方向与作用力方向平行的角焊缝称为侧焊缝

端焊缝----长度方向与作用力方向垂直的角焊缝称为端焊缝。角焊缝两焊脚边的夹角α一般为90。（直角角焊缝），若该夹角大于或小于90。；则称为斜角角焊缝（图3-14）侧焊缝主要承受剪力作用。在弹性阶段，应力沿焊缝长度分布不均，但由于其塑性较好，在出现塑性变形后，将产生应力重分布，在规范规定的焊缝长度范围内，应力分布可趋于均匀。端焊缝的应力状态较复杂，其破坏强度比侧焊缝的高（约高22%左右），但塑性变形要差一些。侧焊缝和端焊缝的受力情况和可能的破坏情况分别如图3-15和图3-16所示。2、角焊缝的构造要求1）焊脚尺寸：如图3-14

，称角焊缝截面直角边的尺寸hf为角焊缝的焊脚尺寸。若hf过小，热量小，易被周围金属快速吸收，从而冷却过快而产生淬硬组织，使金属变脆，容易形成裂纹。hf过大，易使焊件过烧，改变金相组织，且易烧穿较薄焊件。所以hf

不能过大或过小，一般应满足，当焊缝位于板边时，应hf≤t。

2）焊缝长度lw

当hf大而lw过小时，易使焊件局部受热严重，且焊缝起灭弧的弧坑相距太近，起灭弧区段占比例高，加上可能出现的其他缺陷，也使焊缝不够可靠。lw过大，侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀，焊缝两端已达破坏应力，而中部应力还较小。故侧焊缝长度应满足：8hf≤lw≤60hf（承受静力荷载或间接受动力荷载）

8hf≤lw≤40hf（直接承受动力荷载）

3．计算截面二、角焊缝的强度计算角焊缝的计算方法：不同的《规范》有不同的计算方法。折算应力法—考虑焊缝有效截面的应力状态，按第四强度理论计算（GB50017—采用的方法）；单一应力法—不考虑焊缝有效截面的实际应力状态，均按单一剪应力计算（SL74-95钢闸门规范采用）1、角焊缝计算的基本公式如图3-19所示，角焊缝有效截面上同时存在正应力和剪应力，则可按第四强度理论计算其等效应力为：对于比较简单的受力情况，该计算公式可简化为：(2)轴向力垂直于焊缝长度方向作用时（轴向力作用的正面角焊缝）强度可提高22%。(3)平行于焊缝长度方向的应力τf和垂直于焊缝长度方向的应力σf共同作用时(1)轴向力沿焊缝长度方向作用时（轴向力作用的侧面角焊缝）(4)上述公式适用条件适用于非直接动力荷载作用。当直接动力荷载作用时，考虑正面角焊缝塑性性能较差，取它和侧面角焊缝的强度相同，把式中1.22变为1。按容许应力法计算焊接连接时，强度均取角焊缝的容许剪应力，应力根据荷载标准值求得。3.轴心力作用（轴心力通过连接角焊缝群的中心）时的角焊缝计算：取应力是均匀分布的。（1）只采用侧面角焊缝和只采用正面角焊缝时分别按上述公式（3-9）和（3-10）计算。（2）三面围焊时先取hf

值，求出正面角焊缝所能承担的内力N3，再由N-N3，再计算侧面角焊缝。

(3)当用侧面角焊缝连接钢板与角钢时应使焊缝受力合力通过角钢轴线。通过调节焊缝面积来实现。依∑X=0、∑M=0得

焊缝内力N1和N2求得后，再根据构造要求和强度计算确定肢背和肢尖的焊脚尺寸和长度。

为使连接紧凑，可采用围焊缝。先选定正面角焊缝的hf，其承载力N3=0.7hf∑1.22lw3×1.22

，肢背和肢尖焊缝的内力：N1=k1N-N3/2N2=k2N-N3/2

然后按侧焊缝确定肢背和肢尖焊缝尺寸。当受力较小而采用L形焊缝时，由N2=0,可得N3=2k2N，及N1=N-N3，然后可确定各焊缝尺寸。肢背和肢尖可采用不同的焊脚尺寸hf，这样可使肢背和肢尖的焊缝长度lw接近相等。

4．弯矩、剪力和轴心力共同作用时T形接头的角焊缝计算

把荷载向焊缝中心平移，确定受力最大的应力点，依应力性质组合，验算最危险点的强度。5．扭矩T作用(T平面‖焊缝平面)

扭矩T作用(T平面‖焊缝平面)假定（1）被连接件是刚性的，焊缝是弹性的；(2)被连接件绕焊缝形心O点转动，焊缝上任一点应力与该点与焊缝中心距离r的大小成正比，方向与r垂直。按《材力》理论，可得该点应力沿x、y方向的分量为：式中，rx、ry——分别为r在x和y方向上的分量。因此，在扭矩T作用下，距焊缝形心最远的强度验算公式为：6.扭矩、剪力和轴力共同作用下搭接连接的角焊缝计算

把荷载向焊缝中心平移，确定受力最大的应力点，依应力性质组合，验算最危险点的强度。第五节焊接残余应力和焊接残余变形1、纵向残余应力（应力方向‖焊缝长度方向）构件产生纵向残余应力的三个充分必要条件：⑴构件上存在不均匀的温度场；⑵构件进入了热塑性状态；⑶组成构件的各个纵向纤维不能自由纵向变形。

在同时满足上述三个条件的情况下，构件将产生纵向残余应力。构件在焊接、热轧、热切割等热处理时将会同时满足上述三个充分必要条件；因此将会产生纵向残余应力。一、焊接残余应力的种类和产生的原因

焊接残余应力是指焊件冷却后残留在焊件内的应力。

纵向残余应力的分布规律：

构件的纵向残余应力为自相平衡的内应力（合力为零），其分布表现为温度高的焊缝附近区域为拉应力，而远离焊缝区温度较低的区域为压应力。拉压应力的合力为零。纵向残余应力的分布如下图所示。2．横向残余应力

横向残余应力产生的原因有两方面：⑴焊后焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于弯成弓形，但由于焊缝将两块钢板连成整体，于是在焊缝中部和两端分别产生横向拉应力和横向压应力如图（3-10a、b）。⑵施焊时先焊的焊缝先冷却凝固，具有一定的强度，会阻止后焊焊缝在横向的自由变形，从而产生横向应力。

3．沿焊缝厚度方向的残余应力

外边先冷却而受压，中间冷却慢而受拉。

这三种应力可能形成比较严重的同号三轴应力；会大大降低结构连接的塑性。这就是焊接结构易发生脆性破坏的原因之一。

二、焊接残余变形焊接过程中的局部加热和不均匀的冷却收缩，使焊件在产生残余应力的同时还将伴随产生焊接残余变形，如纵向和横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形等。三、焊接残余应力和残余变形的影响

1．焊接残余应力对结构性能的影响

(1)强度方面：残余应力是自平衡力系，不影响结构的强度。

(2)刚度方面：残余应力与荷载应力相加以后，部分材料将提前进入屈服阶段，继续增加的外力将仅由弹性区承担，因此构件变形将加快，刚度降低。

(3)构件的稳定性：荷载引起的压应力与截面残余压应力叠加时，会使部分截面屈服，降低抗弯刚度EI，将降低构件的整体稳定性。

(4)疲劳和低温冷脆：残余应力为三向同号应力状态时，材料易转向脆性，使裂纹容易产生和开展，导致疲劳强度降低，易导致低温脆性断裂。2．焊接残余变形对结构的影响影响结构的尺寸，使装配困难，影响使用质量;过大的变形将显著降低结构的承载能力，甚至使结构不能使用。四、减小焊接残余应力和残余变形的方法。1.合理设计：hf不宜过大；焊缝不宜过分集中和三向交叉。2.合理制造：合理的焊接工艺。3.矫正。第六节普通螺栓连接的构造和计算一、普通螺栓的种类和特性

1.表示方法：普通螺栓为粗牙大六角头型，代号用字母M与公称直径(毫米)表示,如M18，M20，M22，M24。

2.按制作精度分类：分为A、B、C级螺栓。C级采用4.6、4.8级（小数点前的数字代表抗拉强度，单位为MPa，小数部分代表屈强比)材料制作，只要求Ⅱ类孔(在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径的孔)，栓径比孔径小（1.5～3.0）mm。A、B级螺栓采用8.8级材料（45号和35号钢）制作，要求Ⅰ类孔（用钻模钻成或在装配好后钻成或扩钻止设计孔径），栓径比孔径小（0.3～～0.5）mm。常用的孔、螺栓表示方法见图3-36。二、普通螺栓连接的构造要求1、螺栓的直径在同一结构连接中，为便于钻孔及螺栓安装并方便计算，宜采用同一直径的螺栓。其直径大小有受力和构件尺寸综合确定。常用直径为M18、M20、M22、M24等。2、螺栓的排列和间距螺栓的排列应简单、统一而紧凑，既要满足受力要求，又要构造合理便于安装。

三、普通螺栓连接受力性能和强度计算1．分类按螺栓受力方式可分为受剪螺栓连接、受拉螺栓连接和拉剪螺栓连接。2．受剪螺栓连接（1）受力性能：靠栓杆受剪和孔壁承压传力。

（2）破坏形式：a.栓杆剪断；b.孔壁挤压坏；c.钢板拉断；d.端部钢板剪断；e.栓杆受弯破坏。

前三种通过计算来防止。后两种通过限制端距和螺栓的夹紧长度不超过5d来防止。（3）单个螺栓承载力计算a.单个螺栓抗剪承载力设计值b.承压承载力设计值

单个螺栓承载力应为a和b承载力中的较小值，即：

(4)螺栓群受轴心力N作用时的连接计算

①确定所需螺栓数目n

n=N/Nbmin

。

当沿受力方向的螺栓连接长度l1过大时，各螺栓的受力将很不均匀，易发生解扣破坏。需将螺栓的承载力设计值乘以折减系数给予降低。

②净截面强度验算σ=N/An≤f

选择构件或连接板内力大或净截面小的截面。

（5）受扭矩和剪力作用的抗剪螺栓群计算

计算假定：①被连接钢板是刚性的，螺栓是弹性的；②钢板绕螺栓群中心O点转动，螺栓的剪切变形与它到中心O的距离成正比，螺栓所受的剪切力或钢板所受的反作用力与r成正比，方向与r垂直。

根据扭矩平衡条件和计算假定得在T作用下螺栓所受的最大剪力为其水平和竖直分力为V由螺栓平均分担，每个螺栓承受T和V共同作用时，受力最大的螺栓1应满足2.受拉螺栓连接（1）单个受拉螺栓的承载力设计值破坏形式是在被螺纹削弱的截面处栓杆被拉断。普通螺栓（bolt）

锚栓（anchorbolt）（2）螺栓群的受拉连接计算

a.轴心力N作用时n=N/

Ntb

然后按实际确定的螺栓数目n进行布置排列。

b.螺栓群在弯矩M作用下的抗拉计算上部螺栓受拉，压力产生于牛腿和柱的接触面上，精确确定中和轴的位置的计算比较复杂。通常近似地取中和轴在最下边一排螺栓轴线上，并且忽略压力区所产生的弯矩（因力臂很小）。可得螺栓所受最大拉力为：式中m为螺栓的列数。3.拉剪螺栓连接（M、V共同作用）(1)无支托或不考虑支托受力时，螺栓既受拉又受剪，应同时满足(2)考虑支托承受剪力

M由螺栓承受，V由支托承受。支托与柱之间的焊缝引入偏心系数（1.25～1.35）。四、普通螺栓连接问题解法1．验算型问题特点已知尺寸和荷载，问是否满足设计要求。解法①验算是否满足构造条件；②确定荷载作用方式和螺栓受力特征（受剪、受拉、拉剪）及受力最大螺栓；③按相应公式验算。2.设计型问题特点已知荷载和连接构造，需完成连接设计。解法：I．抗剪型i.N作用①初选

d，求出Nbmin

；②求n；③按构造要求排列；④净截面验算，依结果调整d或排列，直至满足要求。ii．其它荷载作用①初选

d、n和排列；②考虑荷载种类，确定受力最大螺栓；③按相应公式验算；④调整（d、n或排列）验算，直至满足要求。II．拉力型

i.N作用

①初选

d，求出Nbt

；②求n；③按构造要求排列。ii．M作用

①初选

d、n和排列；②确定受力最大螺栓；③调整（d、n或排列）验算，直至满足要求。III．拉剪型

i.无支托或不考虑支托受力

①初选

d、n和排列；②确定受力最大螺栓；③调整（d、n或排列）验算，直至满足要求。ii．考虑支托受力

①螺栓按拉力型M作用设计；②支托与柱之间的焊缝按角焊缝设计。第七节高强度螺栓连接的性能和计算一、高强度螺栓连接的性能1.材料：螺栓采用8.8级和10.9级两种强度性能等级的材料制成。2.工作特点：高强度螺栓连接是通过拧紧螺母，靠接触面间的摩擦阻力来承受荷载。普通螺栓连接的拧紧力很小，靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。3.分类：分为高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接。摩擦型连接受剪时，以剪力达到板件间的最大摩擦阻力为极限状态；当超过摩擦阻力时，认为连接已失效。承压型连接在受剪时，允许剪力超过摩擦力，以螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态。两种形式螺栓在受拉时没有区别。

2.高强度螺栓的预拉力

(1)紧固方法：有扭矩法、转角法或扭剪法。(2)预拉力的大小：拧至fy

以获得最大承载力。但设计取值要考虑：①在拧紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力对材料屈服强度的影响(根据试验结果，除以1.2)；②施工要超张拉来弥补拧螺栓先后造成的松弛影响(乘以0.9)；③材料抗力的变异影响(乘以0.9)。预拉力设计值P由下式计算：

P=fy*Ae*0.9*0.9/1.2=0.675fy*Ae

设计预拉力P的取值如表3-2所示。3.摩擦面抗滑移系数μ主要与构件材料和表面处理方法有关，见表3-3。4．螺栓的排列及间距要求同普通螺栓。二、高强度螺栓连接的抗剪承载力

1.摩擦型连接

一个螺栓的抗剪承载力设计值

NVb=nfμP/rR=0.9nfμP式中0.9—抗力分项系数rR的倒数（1/1.111）。2.承压型连接摩擦力只起延缓滑移作用，要求在荷载标准值作用时，不产生滑移，近似取荷载系数为1.3，单个螺栓应有：NV=N设/1.3≤0.9nfμP

。

极限承载力的确定同普通螺栓。三、高强度螺栓群的抗剪计算

1．轴心力N作用

1)被连接构件接缝一侧所需螺栓数n=N/Nbmin式中Nbmin—摩擦型为NVb;承压型为NVb和Ncb中小者.

在确定所需n后，按构造要求布置、排列螺栓。2)构件净截面强度验算

(1)摩擦型:

净截面内力要考虑孔前传力。

N’=N-0.5Nn1/n=(1-0.5n1/n)N。应N’/An≤f0.5—考虑螺栓所分担剪力的50％由螺孔前构件接触面传递到被连接的另一构件中。此外，尚应验算构件的毛截面强度。(2)承压型:

同普通螺栓。

2.受扭矩T作用，或扭矩T、剪力V、轴心力N共同作用

计算方法与普通螺栓连