钢结构设计：钢结构的连接

钢结构的连接1、焊缝连接：对接焊缝和角焊缝的性能及计算2、螺栓连接：普通螺栓连接和高强度螺栓连接的性能及计算第一节钢结构的连接方法及其应用钢结构的连接方法分为—焊接、螺栓连接、铆接、轻型钢结构用的紧固件连接一、焊接1、焊接—一般通过电弧产生热量使焊条和焊件局部熔化，然后冷却凝结成焊缝，从而使焊件连接成一体。2、焊接的特点优点：①不需要在钢材上打孔钻研，既省工又使材料得到充分应用，节约材料；②任何形状的构件都可以直接焊接，不需要辅助零件，构造简单；③连接的密封性好，刚度大；④易于采用自动化作业，提高焊接的质量。a-焊缝连接；b-铆钉连接；c-螺栓连接;d-紧固件连接

缺点：①施焊时的高温度作用，形成焊缝附近的热影响区，热影响区内的材质有些变脆；②焊接残余应力使焊接结构发生脆性破坏的可能性增大；③焊接结构对裂纹很敏感，尤其在低温下容易发生脆性断裂。3、焊接的应用除少数直接承受动力荷载结构的某些部位，因容易产生疲劳破坏，其它的部位均可普遍应用。二、铆接1、铆接—将一端带半圆形预制钉头的铆钉，经将钉杆烧红后迅速插入被连接的钉孔中，然后将另一端也打铆成钉头。2、特点—传力可靠，塑性、韧性均较好；制造费工费料，且劳动强度大。基本被焊接和高强度螺栓连接所代替。三、螺栓连接1、普通螺栓连接—普通螺栓分为C级螺栓和A级、B级螺栓两种。⑴A级、B级螺栓采用钢材性能等级5.6级或8.8级制造（5.6级抗力强度不小于500N/mm²，=0.6），A级、B级螺栓表面经车床加工，尺寸准确，精度较高。螺杆和螺孔间的最大间隙为0.3~0.5mm，故螺栓受剪性能良好。但制造和安装过于浪费，目前很少采用。⑵C级螺栓—4.6级和4.8级制造。用圆钢冷镦压制而成，表面不加工，尺寸不精确，螺杆和螺孔之间的间隙为1.5~3mm，故空隙较大，加之螺栓强度较低，用于螺栓受剪时板件间产生加大的滑移，产生滑移变形，故其性能较差。受拉性能较好。受剪连接，只用在承受静荷载或间接承受动荷载结构中的次要连接，或临时固定构件的安装连接。2、高强度螺栓连接高强度螺栓连接—一般采用优质碳素钢中的45号钢、40B钢，合金钢中的20MnTiB钢等，性能等级可达8.8级和10.9级。⑴高强度螺栓摩擦型连接—利用板叠间的摩擦力即可有效地传递剪力，以外剪力达到板件接触面间的最大摩擦力为极限状态。其特点变形小、不松动、耐疲劳，因此用于直接承受动荷载的结构最佳。⑵高强度螺栓承压型连接—允许超过板叠间的摩擦力并产生滑动，然后利用栓杆与螺栓孔壁靠紧传递剪力。其特点强度高，剪切变形比摩擦型的大。仅用于承受静荷载或间接动荷载的结构，以能发挥高承载力的优点两类高强螺栓对比：摩擦型高强螺栓：螺杆与螺孔之差1.5～2.0mm剪切变形小，弹性性能好，施工较简单，可拆卸，耐疲劳、抗动力荷载性能好，承载力较承压型低特别适用于承受动力荷载的结构承压型高强螺栓：螺杆与螺孔之差1.0～1.5mm承载力高，连接紧凑，但抗剪变形大一般仅用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的连接（与普通螺栓类似）

第二节焊接方法、焊缝形式和质量等级一、焊接方法⒈手工电弧焊⑴手工电弧焊—它由焊件、焊条、焊钳、电焊机和导线组成电路。施焊时，首先使分接电焊机两级的焊条和焊件瞬间短路打火在焊条和焊件的空隙产生电弧温度达到3000℃使焊条和焊件迅速熔化。熔化的焊条金属与焊件金属结合形成焊缝金属。同时焊条药皮形成的气体和熔渣覆盖熔池保护电弧，隔绝有害气体，熔池中的金属冷却、结晶形成焊缝。⑵特点：电焊设备简单，使用方便；生产效率低，劳动条件差；焊缝的质量取决于焊工水平。⑶应用范围：适应于全方位焊接，尤其适用于工地安装焊缝、短焊缝和曲折焊缝。手工电弧焊示意图注意：①手工电弧焊常用的焊条有碳钢焊条和低合金焊条，其牌号有E43型、E50型E55型。②E表示焊条，其后两位数字表示焊条系列。数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为kgf/mm².E43（＞43kgf/mm²），

E50（＞50kgf/mm²）E55类似。③焊条型号与主体金属强度相适应，Q235钢用E43系列焊条，Q345钢用E50系列焊条，Q390钢和Q420用E55系列焊条，采用不同强度的钢材连接时，采用与低强度钢材相适应的焊条系列。⒉自动或半自动埋弧焊⑴自动或半自动埋弧焊：采用没有涂料的焊丝埋入焊剂层下，通电后由于电弧的作用使焊丝与焊剂熔化，电弧埋在焊剂下，故称为埋弧焊。熔化后的焊剂浮在熔化的金属表面，使之不与外界空气接触，保护了熔化金属。焊剂提供焊缝所需要的合金元素，改善了焊缝的质量。随着焊机的移动，焊剂不断自动从漏斗流下，同时绕转盘上的焊丝也自动地熔化和下降。全过程自动进行时称自动埋弧焊。当电机靠人工移动时称板自动埋弧焊。⑵特点：自动埋弧焊电弧热量大，熔深大，焊缝质量均匀，内部缺陷少，塑性和韧性都好。半自动埋弧焊介于自动埋弧焊和手工电弧焊之间。生产效率高，成本低，劳动条件好。⑶应用范围：焊机须沿顺焊缝的导轨移动，批量拼装焊缝。埋弧焊示意图⒊二氧化气体保护焊⑴二氧化气体保护焊：用喷枪喷出二氧化碳气体作为电弧的保护介质，使熔化金属与空气隔绝，以保护焊接过程稳定。⑵特点：电弧加热集中，焊接速度快，熔深大，故焊缝强度比手工焊高。且塑性和耐腐蚀性好。⑶应用范围：操作必须在室内避风处，适合厚钢板和特厚钢板（t＞100mm)的焊接.二焊接接头及焊缝的形式1焊接接头——被连接构件间的相对位置：对接、搭接、T形和角接。2、焊缝形式按受力方向分：对接焊缝：正对接焊缝、斜对接焊缝角焊缝：正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝按长度方向的布置分：连续角焊缝：受力性能较好，主要的角焊缝形式间断角焊缝：容易引起应力集中只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中连续角焊缝间断角焊缝按施缝位置分：

平焊横焊立焊仰焊三焊缝符号及标注方法序号名称示意图符号说明1带垫板符号1)表示焊缝底部有垫板2三面焊缝符号1)表示三面带有焊缝3周围焊缝符号表示环绕工件周围焊缝4现场符号

表示在现场或工地上进行焊接5尾部符号

可以参照GB5185标注焊接工艺方法等内容示意图标注示例说明表示V形焊缝的背面底部有垫板工件三面带有焊缝，焊接方法为手工电弧焊表示在现场沿工件周围施焊

四焊缝缺陷和焊缝质量检验⒈焊缝的缺陷—焊接过程中，产生焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未焊透等。⒉焊缝的质量检验⑴常用方法①外观检验（焊缝尺寸和外观缺陷符合要求）。②无损探伤检验超声波、x射线或r射线。⑵焊缝的质量检验标准分为三级：①第三级只要求外观满足要求；②第二级除外观满足要求外用超声波检验每条焊缝的20%长度；③第一级除外观满足要求外用超声波检验每条焊缝的100%长度；第三节对接焊缝的构造和计算一、全焊透对接焊缝的构造⒈对接焊缝的坡口的基本形式I形缝：薄板（手工焊t≤6mm，埋弧焊t≤10mm)单边V形、V形或J形坡口：中等板厚焊件（手工焊t＝6~16mm，埋弧焊t＝10~20mm）K形和X形坡口：较厚板件（手工焊t＞16mm，埋弧焊t＞20mm)J形或U形坡口：特厚板（t＞50mm）P为钝边（手工焊0~3mm，埋弧焊2~6mm)b为间隙（手工焊0~3mm，埋弧焊0mm)a为坡口角度，一般45°对接焊缝的图示2、引弧板的设置⑴原因:在对接焊缝的起弧落弧处，常出现缺陷，以致引起应力集中，《钢结构工程施工及验收规范》规定各种接头的对接焊缝均应在焊缝的两端设置引弧板。⑵引弧板的长度：手工电弧焊及气体保护焊＞20mm，埋弧焊＞50mm。⑶某些特殊情况无法采用引弧板时，则应在计算中每条焊缝的长度减去2t(t为较薄板件厚度）。3、不同宽度或厚度的钢板拼接⑴当对接焊缝拼接钢板宽度不同或厚度相差4mm以上，在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度≤1：2.5的斜坡，以使截面平缓过渡，减少应力集中；⑵当厚度不大于4mm可不做斜坡。1.轴心受力作用时对接焊缝的计算⑴当外力作用在对接焊缝的垂直方向，其合力通过焊缝的形心，按下式计算焊缝的强度N—轴心拉力或轴心压力设计值;—焊缝的计算长度，当采用引弧板时取实际长度；未采用引弧板时，每条焊缝取实际长度减去2t;t—在对接焊缝连接板件中的较小厚度;—对接焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度的设计值59页表4—2查；二、焊透对接焊缝的计算⑵当外力作用线与对接焊缝斜交时，其合力通过焊缝的形心时注意：⒈对接焊缝的抗拉强度及抗剪强度设计值均与钢材相同，而抗拉强度设计值只在焊缝质量为三级时为钢材的85%（缺陷太多，受压和受剪时无影响，但受拉时影响显著）⒉对有引弧板的对接焊缝不需计算即可用于任何部位，只在三级焊缝且受拉时才用上式计算⒊如果垂直焊缝不能满足要求，可以采用斜焊缝，以减少焊缝的长度和减小法向应力，但比较浪费材料。当焊缝长度与作用力间的夹角例1

试验算图示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm,t=22mm，轴心力的设计值为N=2500kN。钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板2、弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝计算⑴矩形截面M—焊缝计算截面的弯矩

—焊缝截面抵抗矩

—焊缝截面计算剪应力处的以上部分截面对中和轴的面积矩

—焊缝截面对中和轴的惯性矩

—对接焊缝的抗剪强度设计值⑵工字形、T形截面三、未焊透对接焊缝的计算未焊透的对接焊缝计算同角焊缝的计算（如下文)

1、计算两块钢板对接焊缝。已知钢板截面为460×12mm，承受轴心拉力N=1180KN（静力荷载），钢材为Q235，焊条采用E43型，焊缝质量等级为三级，施工中不采用引弧板。2、简支梁的截面荷载（含梁自重在内的设计值）。在距支座2.4m处有翼缘和腹板的拼接连接，试设计拼接的对接焊缝。已知钢材为Q235，焊条采用E43型，焊缝质量等级为三级，施工中采用引弧板。3、试验算柱和牛腿的对接焊缝连接。已知钢材为Q390，焊条采用E55型，焊缝质量等级为三级，施工中不采用引弧板。第四节角焊缝的构造和计算一直角角焊缝的构造1、按角焊缝长度与受力方向的关系：侧面角焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行，主要承受剪应力，其特点为应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。弹模低强度低，但塑性较好正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态较复杂，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，但塑性差斜焊缝：受力性能和强度介于两者之间2、按焊缝的两焊脚边的夹角分：①直角角焊缝：两焊脚边的夹角为90°特点：受力性能较好，应用广泛。②斜角角焊缝：两焊脚边的不等于夹角为90°特点：两焊脚边的夹角a＞135°或＜60°时，除钢管以外，不易用作受力焊缝。

3、角焊缝按其截面

分：普通型（焊脚尺寸1:1)、平坦型寸（焊脚尺寸1：1.5）凹面型

焊脚尺寸1：1)

焊脚尺寸

3.角焊缝的构造要求1）.最小焊脚尺寸：角焊缝的焊脚尺寸与焊件的厚度有关，当焊件较厚而焊脚又过小时，焊缝内部将冷却过快而产生淬硬组织，容易使焊缝附近主体金属产生裂纹。2）.最大焊脚尺寸：角焊缝的焊脚尺寸也不宜过大，易使焊件形成烧穿，且使焊件产生较大的焊接残余应力和焊接变形。3）.最小计算长度：角焊缝焊脚尺寸大而长度过小，将使焊件局部受热严重，且焊缝的起弧和落弧的弧坑相距太近，加上其它的缺陷，焊缝不够牢靠，角焊缝的计算长度4）.最大计算长度：侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀，两端大中间小，且随焊缝长度与其焊脚之比值增大二差别愈大，当比值过大焊缝两端首先出现裂纹，而中间焊缝未得到充分发挥，故焊缝的计算长度构造要求如下图：二角焊缝的计算㈠角焊缝的应力状态和强度①侧面角焊缝：主要承受平行于焊缝长度方向的剪应力。沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大，中间小，但侧面角焊缝塑性好，在长度适当的情况下，应力经重分布可趋于均匀，沿45°截面方向断裂。②正面角焊缝：正面角焊缝沿焊缝长度方向分布比较均匀，两端比中间略低，两焊脚边均有正应力和剪应力，且分布不均匀，一般从根部开始沿45°咽喉截面破坏。但正面角焊缝刚度大、塑性较差，破坏时变形小，强度较高，其平均破坏强度为侧面角焊缝的1.35~1.55倍。㈡角焊缝强度条件的基本表达式由于角焊缝的应力分布复杂，且正面角焊缝与侧面角焊缝工作差别很大，要精确计算很困难。实际采用简单的计算方法，即假定角焊缝的破坏截面均在最小截面，其面积为角焊缝的计算长度与有效厚度的乘积，此截面为角焊缝的有效截面（角焊缝破坏面均位于45°喉部截面）。并假定截面上的应力沿焊缝计算长度均匀分布。同时不论是正面角焊缝还是侧面角焊缝，均按破坏时计算截面上的平均应力来确定强度，统一采用㈢角焊缝的计算⒈轴心力作用时的角焊缝的计算当作用力通过焊缝群的形心时，认为焊缝长度方向的应力均匀分布。⑴盖板连接时角焊缝的计算：①当只有侧面角焊缝：②只有正面角焊缝：③三面围焊时：设计一双盖板对接接头，已知钢板截面250×14，盖板截面为2-200×10，承受轴向设计值N=700KN，Q235钢材E43手工焊。1焊脚尺寸的确定3采用三面围焊第五节焊接残余应力和残余变形一、焊接残余应力和残余变形的成因钢结构的焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度最高，达1600°以上，其邻近区域则温度急剧下降。不均匀温度场要产生不均匀的膨胀和收缩。而高温处钢材的膨胀和收缩受到两侧温度较低，膨胀较小的钢材的限制，从而使焊件内部产生残存应力并引起变形，此即通称的焊接采用应力和残余变形。二、焊接残余应力和残余变形1、焊接残余应力①纵向残余应力—应力方向与焊缝长度平行（若两块钢板平接连接，焊接时钢板焊缝一边受热，将沿焊缝方向纵向伸长。但伸长量会因钢板的整体性受到钢板两侧未加热区域的限制，由于这时焊缝金属是熔化塑性状态，伸长虽受限，却不产生应力。随后焊缝金属冷却恢复弹性，收缩受限将导致焊缝金属纵向受拉，两侧钢板则因焊缝收缩倾向牵制而受压，它们是自相平衡的内应力。②横向残余应力—应力与焊缝长度方向垂直（焊缝纵向收缩将使两块钢板有相向弯曲变形的趋势。但钢板以焊成一体，弯曲变形将受到约束，因此在焊缝中段将产生横向拉应力，为平衡将在焊缝两侧产生横向压应力。此外，焊缝冷却时，除了纵向收缩外，焊缝横向也将产生收缩，由于施焊是按一定的顺序进行，先焊好的部分冷却凝固恢复弹性较早，将阻碍后焊部分自由收缩，因此，先焊部分就会横向受压，而后焊部分横向受拉，最后形成一组自相平衡的内应力。③厚度方向残余应力—厚度较大的焊缝，外层焊缝因散热较快先冷却，因此，外侧形成压应力，中间形成拉应力。2、焊接残余变形焊接过程中局部加热和不均匀的冷却收缩，在焊件产生残余应力的同时还将伴生焊接残余变形，它的主要形式有纵向和横向收缩、弯曲变形，角变形、波浪变形和扭曲变形。3、焊接残余应力和残余变形的影响⑴、焊接残余应力对结构性能的影响①残余应力对静力强度无影响；②降低了结构的刚度；③降低压杆的稳定承载力；④降低了疲劳强度；在低温下更易形成冷脆断裂。⑵、焊接残余变形对结构的影响焊接残余变形使结构不能保持正确的设计尺寸，是装配困难，易产生初始缺陷，受力时产生附加内力，影响承载力。四、减少焊接残余应力和残余变形的方法1.设计方面：①焊缝尺寸要适当，焊脚尺寸不宜过大，使焊缝金属最少；②焊缝应尽可能对称布置，且不宜过分集中；③当焊缝两向或三向相交，在布置焊缝时尽量错开，不能错开，主焊缝连续，次焊缝断开。2.制造、焊接和工艺方面对焊缝的尺寸收缩应在下料时加收缩余量；在焊接工艺上，应选择使焊缝易于收缩并可减少焊接残余应力的焊接次序；在制造工艺上，可预先反变形。第六节普通螺栓连接的构造的连接一、普通螺栓的连接构造1、螺栓的规格与表示

钢结构一般选用C级（粗制）六角螺母螺栓，代码用M和公称直径（mm）表示，例如M16、M20等，螺栓直径应根据整个结构及其主要连接尺寸和受力情况选定，同时考虑与被连接件的厚度相匹配。建筑中常用M16、M20、M24、M30等。2、螺栓的排列螺栓的排列应遵循简单紧凑、整齐划一和便于安装紧固的原则,常采用并列和错列。螺栓排列应满足下列要求①受力要求：螺栓任意方向的中距及边距和端距均不应过小，以免构件在受拉力作用时加剧孔壁四周的应力集中和钢板过度削弱而承载力过低。当构件承受应力时，顺应力方向的中距不应过大，否则螺栓间钢板可能失稳形成鼓曲。②构造方面：螺栓的中距不应过大，否则钢板不能紧密贴合，外排螺栓的中距以及边距和端距更不应过大，以防止潮气入侵引起锈蚀。③施工方面：螺栓间应有足够距离以便转动扳手，拧紧螺母。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中心至构件边缘距离中间排垂直内力方向顺内力方向外排（垂直内力方向或顺内力方向）顺内力方向垂直内力方向剪切边或手工气割边轧制边、自动气割或锯割边高强度螺栓其他螺栓构件受压力构件受拉力二、受力性能与计算1、受力分类螺栓根据作用不同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及剪拉共同作用2、受剪连接受力性能抗剪螺栓连接受力后：1.当外力不大，依靠构件间的摩擦阻力传力；2.外力超过摩擦力后，构件之间产生相对的滑移，螺杆与孔壁相互挤压，螺杆则受剪和弯曲。破坏形式—五种破坏形式1.螺栓受剪破坏4.螺栓受弯破坏2.孔壁挤压破坏5.连接板冲剪破坏3.连接板净截面破坏计算控制单个受剪螺栓的承载力计算螺栓抗剪：孔壁承压：最大承载力：轴力作用受剪螺栓群的连接计算受力特性：沿受力方向，受力分配不均，两端大中间小，在一定范围内，靠塑性重分布可以均布内力，过大时，设计计算时仍按均布，但强度需乘折减系数β，当l1≥15d0时：

当l1≥60d0时β＝0.7连接所需螺栓数量：连接板净截面强度扭矩、轴力及剪力共同作用受剪螺栓群计算扭矩作用：轴力及剪力作用轴力扭矩共同作用下最大受力螺栓受拉螺栓连接受力性能与承载力受弯矩作用螺栓连接计算M、N共同作用（偏心受拉）螺栓计算小偏心：大偏心:拉剪共同作用螺栓连接计算注：此类连接因无支托板，一般应考虑精制螺栓连接，以减少连接变形。第七节高强度螺栓连接一、概述按受力特性分：摩擦型与承压型抗剪连接时:摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态（同普通螺栓）。受拉时两者无区别。受传力机理的要求，构造上除连接板的边、端距≥1.5d0外其它同普通螺栓。高强螺栓的材料与强度等级由高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。10.9级一般为20MnTiB、40Cr等材料，fu≥1000N/mm2，fu/fy≥0.9；8.8级一般为45＃钢制成，fu≥800N/mm2，fu/fy≥0.8。高强螺栓的预拉力在拧紧螺栓时扭矩使螺栓产生的剪应力将降低螺栓的承拉能力，故对材料的抗拉强度除以系数1.2；施工时补偿螺栓应力松弛所造成的预拉力损失要对螺栓超张拉5%~10%，故需乘以折减系数0.9；螺栓材质的不定性，也需要乘以折减系数0.9；按抗拉强度而不是按屈服强度计算预拉力，再引进一个附加安全系数0.9;预拉力的计算公式为：《规范》规定的预拉力设计值p（KN)按下表查得：螺栓的性能等级螺栓的公称直径（mm)M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级100155190225290355高强度螺栓的紧固方法转角法—先用扳手将螺栓拧到贴紧板面位置（初拧）并作标记线，再有长扳手将螺栓转动一个额定角度（终拧）。终拧的角度与螺栓直径和连接板件厚度有关。扭矩法—先用普通扳手初拧（不小于终拧扭矩值50%），使连接件紧贴，然后用扭矩扳手按施加扭矩值终拧。终拧扭矩值根据预先测定的扭矩和预拉力之间的关系确定。扭剪法—紧固螺栓时采用特制的电动扳手，这种扳手有内外两个套筒，外套筒卡住螺母，内套筒卡住梅花头。接通电源后，两个套筒按相反的方向转动，将梅花卡头扭掉，形成预拉力。高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数高强度螺栓摩擦型连接完全依靠被连接构件之间的摩擦力传力，而摩擦阻力的大小除了螺栓的预拉力外，与被连接构件材料及其接触的表面处理所确定的摩擦面抗滑移系数有关。试验证明：构件摩擦面涂红丹后，抗滑移系数很低；连接在潮湿或淋雨状态下进行拼装也会降低抗滑移系数。摩擦面抗滑移系数按下表查得连接构件接触面的处理方法构件钢号Q235Q345、Q390Q420喷砂（丸）0.450.500.50喷砂（丸）后涂无机富锌漆0.3