鋼結(jié)構(gòu)焊接、螺栓連接計算及實例講解

1、第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接方法鋼結(jié)構(gòu)是由鋼板、型鋼通過必要的連接組成基本構(gòu)件，如梁、柱、桁架等；再通過一 定的安裝連結(jié)裝配成空間整體結(jié)構(gòu)，如屋蓋、廠房、鋼閘門、鋼橋等?？梢姡B接的構(gòu)造 和計算是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分。好的連接應(yīng)當符合安全可靠、節(jié)約鋼材、構(gòu)造簡單 和施工方便等原則。鋼結(jié)構(gòu)的連接方法可分為焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接三種（詳見附圖十三）。一、焊縫連接焊接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法。其優(yōu)點是不削弱構(gòu)件截面（不必鉆孔），構(gòu)造簡單，節(jié)約鋼材，加工方便，在一定條件下還可以采用自動化操作，生產(chǎn)效率高。此外， 焊縫連接的剛度較大密封性能好。焊縫連接的缺點是焊縫附近鋼材因焊接的高溫作用而形成熱影響

2、區(qū)，熱影響區(qū)由高溫降到常溫冷卻速度快，會使鋼材脆性加大，同時由于熱影響區(qū)的不均勻收縮，易使焊件產(chǎn) 生焊接殘余應(yīng)力及殘余變形，甚至可能造成裂紋，導致脆性破壞。焊接結(jié)構(gòu)低溫冷脆問題 也比較突出。二、鉚釘連接鉚接的優(yōu)點是塑性和韌性較好，傳力可靠，質(zhì)量易于檢查和保證，可用于承受動載的 重型結(jié)構(gòu)。但是，由于鉚接工藝復雜、用鋼量多，因此，費鋼又費工?，F(xiàn)已很少采用。三、螺栓連接螺栓連接分為普通螺栓連接和高強度螺栓連接兩種。普通螺栓通常用Q235鋼制成，而高強度螺栓則用高強度鋼材制成并經(jīng)熱處理。高強度螺栓因其連接緊密，耐疲勞，承受動 載可靠，成本也不太高，目前在一些重要的永久性結(jié)構(gòu)的安裝連接中，已成為代替鉚接

3、的 優(yōu)良連接方法。螺栓連接的優(yōu)點是安裝方便，特別適用于工地安裝連接，也便于拆卸，適用于需要裝 拆結(jié)構(gòu)和臨時性連接。其缺點是需要在板件上開孔和拼裝時對孔，增加制造工作量；螺栓 孔還使構(gòu)件截面削弱，且被連接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角鋼等連接件，因而 比焊接連接多費鋼材。第二節(jié)焊接方法、焊縫類型和質(zhì)量級別一、鋼結(jié)構(gòu)中常用的焊接方法焊接方法很多，鋼結(jié)構(gòu)中主要采用電弧焊，薄鋼板（t乞3mm）的連接有時也可以采用電阻焊或氣焊。1電弧焊電弧焊是利用焊條或焊絲與焊件間產(chǎn)生的電弧熱，將金屬加熱并熔化的焊接方法。其原理是采用低電壓（一般為5070V）、大電流（幾十到幾百安）引燃電弧，使焊件與焊條或焊絲之間

4、產(chǎn)生很大熱量和強烈的弧光， 利用電弧熱來熔化焊件的邊緣金屬和焊條 （絲） 進行焊接。根據(jù)操作的自動化程度和焊接時用以保護熔化金屬的物質(zhì)種類，電弧焊可分為 手工電弧焊，自動和半自動埋弧焊及CO氣體保護焊等。（1）手工電弧焊是鋼結(jié)構(gòu)制造中最常用的焊接方法，設(shè)備簡單，操作靈活，適用性和 可達性強，對各種施焊位置和分散或曲折短焊縫均適用。缺點是生產(chǎn)效率比自動、半自動 焊低，質(zhì)量稍低并且變異性大，施焊時電弧光較強 （詳見附圖十四 ） 。手工焊所采用的焊條，其表面都敷有一層11.5m m厚度的藥皮。藥皮的作用：穩(wěn)定電??；施焊時產(chǎn)生氣體保護熔融金屬與大氣隔離，以防止空氣中氧氮侵入而使焊縫變脆； 造成熔渣 （

5、清理焊縫時鏟除 ） 覆蓋于熔成焊縫表面，使與大氣隔離，并使焊縫冷卻緩慢以便 混入熔融金屬中的氣體和有害雜質(zhì)溢出表面；另外，藥皮中的合金成份還可以改善焊縫性 能。焊條選用應(yīng)和焊件鋼材的強度和性能相適應(yīng)。在手工焊時，對Q235鋼用E43型焊條（E4300 E4316） Q345 鋼（16 Mn 鋼）用 E50 型焊條（E5000 E5018） , Q390（15MnV）鋼和 Q420 鋼均用E55型焊條（E5500E5518）。其中E表示焊條；前兩位數(shù)字表示焊縫熔敷金屬或?qū)?接焊縫的抗拉強度分別為420N/mm2， 490N/mm2， 540N/mm2， （ 折合 43kgf/m m 2 ， 50

6、kgf/mm2，55kgf/mm2） ；第 3位數(shù)字表示適用的焊接位置，0和 1 表示適用于人與全位置施焊 （平、橫、立、仰 ）， 2表示適用于平焊及水平角焊， 4表示適用于向下立焊；第 3位和第 4位數(shù)字組 合表示藥皮類型和適用的電流種類 （交、直流電源 ）。第 3 位和第 4 位數(shù)字為 15、 16、 18 的焊條為低氫型焊條，其所得焊縫具有較好的塑性、韌性和抗裂性，故直接承受動力荷載 的重要結(jié)構(gòu)以及處于低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，一般指定采用上述型號。而非低氫型焊條， 可用于其他結(jié)構(gòu)。當不同強度的鋼材連接時，可采用低強度鋼材相適應(yīng)的焊接材料。（2）焊劑層下自動或半自動埋弧焊 焊劑層下自動或半自

7、動埋弧焊是焊接過程機械化的一種主要方法。它所采用的是盤狀連續(xù)的光焊絲在散粒狀焊劑下燃弧焊接，散粒狀焊劑 的作用與手工焊焊條的藥皮相同。自動焊的引弧、焊絲送下、焊劑堆落和焊絲沿焊縫方向 的移動都是自動的。而半自動焊的焊接前進方式仍是依靠手持焊槍移動（詳見附圖十五 ）。埋弧焊的優(yōu)點是與大氣隔離保護效果好，且無金屬飛濺，弧光不外露；可采用較大電 流使熔深加大，相應(yīng)可減小對接焊件間隙和坡口角度；節(jié)省焊絲和電能，勞動條件好，生 產(chǎn)效率高；焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可靠，塑性和韌性比較好。其缺點是焊前裝配要求嚴格，施焊位 置受限制，較適用于長直的水平俯焊縫或傾角不大的斜面焊縫，不如手工焊靈活。埋弧焊所采用的焊絲和焊劑應(yīng)

8、與焊件鋼材相匹配，焊絲一般采用專用的焊接用鋼絲。對Q235鋼，可采用H08A H08MnAH08E等焊絲，相應(yīng)的焊劑分別為 HJ431、HJ430和SJ4O1。 對低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼尚應(yīng)根據(jù)坡口情況相應(yīng)選用。對Q345 鋼，不開坡口的對接焊縫，可用H08A焊絲，中厚板開坡口對接可用H08MnAH10Mn2和H10MnSi焊絲，焊劑可用HJ350。對Q390鋼和Q420鋼，不開坡口的對接焊縫用H08A H08MnA旱絲，中厚板開坡口對接時H08 MnMoA絲,再通過壓力12mm焊點應(yīng)主用H10Mn2 H10MnS；焊劑用HJ430或HJ431;而厚板深坡口對接時常用 焊劑為HJ350或HJ250

9、。2. 電阻焊 電阻焊是利用電流通過焊件接觸點表面的電阻所產(chǎn)生的熱量來熔化金屬， 使其焊合。冷彎薄壁型鋼的焊接，常用電阻點焊，板疊總厚度一般不超過 要承受剪力，其抗拉（撕裂）能力較差。二、焊縫連接形式及焊縫類型焊縫連接形式按被連接構(gòu)件間的相對位置分為對接、 搭接、T形連接和角接四種（詳見 附圖十六）。所采用的焊縫按其構(gòu)造來分， 主要有對接焊縫和角焊縫兩種類型。 T形連接和 角連接根據(jù)板厚、焊接方法、焊縫受力情況，可采用角焊縫或開坡口的對接焊縫。焊縫按其工作性質(zhì)來分有強度焊縫和密強焊縫兩種。強度焊縫只作為傳遞內(nèi)力之用， 密強焊縫除傳遞內(nèi)力外，還須保證不使氣體或液體滲漏。焊縫按施焊位置分，有俯焊（

10、平焊） 、立焊、橫焊和仰焊四種 （詳見附圖十七 ）。俯焊 的施焊工作方便，質(zhì)量好，效率高;立焊和橫焊是在立面上施焊的豎向和水平焊縫，生產(chǎn) 效率和焊接質(zhì)量比俯焊的差一些;仰焊是仰望向上施焊，操作條件最差，焊縫質(zhì)量不易保 證，因此應(yīng)盡量避免采用仰焊焊縫。三、焊縫缺陷、質(zhì)量檢驗和焊縫級別1. 焊縫缺陷焊縫缺陷是指焊接過程中，產(chǎn)生于焊縫金屬或鄰近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。常見的缺陷有：焊縫尺寸偏差；咬邊，如焊縫與母材交界處形成凹坑；弧坑，起弧 或落弧處焊縫所形成的凹坑；未熔合，指焊條熔融金屬與母材之間局部未熔合；母材 被燒穿；氣孔；非金屬夾渣；裂紋。以上這些缺陷，一般都會引起應(yīng)力集中削弱焊 縫有效

11、截面， 降低承載能力， 尤其裂紋對焊縫受力的危害最大。 它會產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中， 并易于擴展引起斷裂，按規(guī)定是不允許發(fā)生裂紋的。因此，若發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋，應(yīng)徹底鏟 除后補焊。2. 焊縫質(zhì)量檢驗和焊縫級別根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和重要性，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB50205-2001 ）將焊縫質(zhì)量檢驗級別為三級。川級檢驗項目規(guī)定只對全部焊縫做外觀檢查，即檢驗焊縫實際尺寸是 否符合要求和有無看得見的裂紋、咬邊和氣孔等缺陷；I級焊縫超聲波和射線探傷的比例 均為100% H級焊縫超聲波和射線探傷的比例均為20%且均不小于200mm當焊縫長度小于200mm時，應(yīng)對整條焊縫探傷。探傷應(yīng)符合鋼焊縫手工超聲波探傷方法

12、和探傷結(jié)構(gòu) 分級法GB11345或鋼熔化焊對接接頭射線照像和質(zhì)量分級GB3323的規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)中一般采用川級焊縫，可滿足通常的強度要求，但其對接焊縫的抗拉強度有較 大的變異性，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017-）送審稿規(guī)定，其設(shè)計值僅為主體鋼材的85%左右。因而對有較大拉應(yīng)力的對接焊縫，以及直接承受動力荷載構(gòu)件的較重要的焊縫，可 部分采用H級焊縫，對動力和疲勞性能有較高要求處可采用I級焊縫。四、焊縫符號及標注方法 在鋼結(jié)構(gòu)施工圖上縫應(yīng)采用焊縫符號表示，焊縫符號及標注方法應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)制圖標準(GB/T50105-2001 )和焊縫符號表示法(GB324-88)執(zhí)行。焊縫符號由指引線和兩條相互平行的

13、基本符號組成，必要時還可加上輔助符號、補充 符號和焊縫尺寸符號。(1) 指引線一般由單箭頭的指引和兩條相互平行的基準線所組成。一條基準線為實線，另一條為虛線，均為細線， ( 詳見附圖十八 )。虛線的基準線可以畫在實線基準線的上側(cè)或 下側(cè)?；鶞示€一般應(yīng)與圖紙的底邊相平行，但在特殊條件下也與底邊相垂直。為引線的方 便，允許箭頭彎折一次。(2) 基本符號用以表示焊縫的形狀。下表中摘錄了一些常用的焊縫基本符號?；痉?號與基準線的相對位置應(yīng)按下列規(guī)則表示：- 23 -焊縫符號中的基本符號、輔助符號和補充符號摘錄 如果焊縫在接頭的非箭頭側(cè)，基本符號應(yīng)標在基準線的虛線側(cè)； 當為雙面對稱焊縫時，基準線可只畫

14、實線一條； 當為單面的對接焊縫如 V形焊縫、U形焊縫，則箭頭線應(yīng)指向有坡口一側(cè)-# -（3）輔助符號是表示焊縫表面形狀特征的符號，如對接焊縫表面余高的部分需加 工，使其與焊件表面齊平，則可在對接焊縫符號上加一短畫，此短畫即為輔助符號。（4）當焊縫分面比較復雜時，在標準焊縫代號的同時，可在圖形邊的焊縫處加粗線、柵線等強調(diào)焊縫的重要性（詳見附圖十九）。第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形焊接構(gòu)件在未受荷載時，由于施焊時在焊件上產(chǎn)生局部高溫所形成的不均勻溫度 場而引起的內(nèi)應(yīng)力和變形，稱為焊接應(yīng)力和焊接變形。它會直接影響到焊接結(jié)構(gòu)的制造 質(zhì)量、正常使用，并且是形成各種焊接裂紋的因素之一，應(yīng)在設(shè)計、制造和焊

15、接過程中 加以控制和重視。一、焊接殘余應(yīng)力的種類和產(chǎn)生的原因焊接應(yīng)力有暫時應(yīng)力與殘余應(yīng)力之分。暫時應(yīng)力只在焊接過程中一定的溫度條件 下存在，當焊件冷卻至常溫時，暫時應(yīng)力即行消失。焊接殘余應(yīng)力是指焊件冷卻后殘留 在焊件內(nèi)的應(yīng)力。從結(jié)構(gòu)的使用要求來看，焊接殘余應(yīng)力有著重要意義。殘余應(yīng)力按其 方向可分為縱向、橫向和沿厚度方向的應(yīng)力三種。1. 縱向焊接殘余應(yīng)力焊接過程一個不均勻加熱和冷卻的過程。在施焊時，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場， 焊縫及附近溫度最高，可達 1600 C以上，其鄰近區(qū)域則溫度急劇下降。不均勻的溫度場 將產(chǎn)生不均勻的膨脹。焊縫及附近高溫處的鋼材膨脹最大，由于受到兩側(cè)溫度較低，膨 脹較小的

16、鋼材的限制，產(chǎn)生了熱狀態(tài)塑性壓縮。焊縫冷壓時，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向 于縮得比原始長度稍短，這種縮短變形受到焊縫兩側(cè)鋼材的限制，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向拉 應(yīng)力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應(yīng)力以常達到鋼材的屈服強度。焊接殘余應(yīng)力是 荷載未作用時的內(nèi)應(yīng)力，因此會在焊件內(nèi)部自相平衡， 這就必然在距焊縫稍遠區(qū)域應(yīng)力。用三塊剪切下料的鋼板焊成的工字形截面，縱向焊接殘余應(yīng)力分布（詳見附圖二十）。2. 橫向殘余應(yīng)力橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有：由于焊縫縱向收縮，兩塊鋼板趨向于外彎成弓形的 趨勢，但在實際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，于是在焊縫中部將產(chǎn)生橫向拉 應(yīng)力，而在兩端產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。焊縫在施焊過程中，先

17、后冷卻的時間不同，先焊的 焊縫已經(jīng)凝固，且具有一定的強度，會阻止后焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其產(chǎn)生橫向 的塑性壓縮變形。當焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受到已凝固焊縫的限制而產(chǎn)生橫向拉 應(yīng)力，同時在先焊部分的焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。橫向收縮引起的橫向應(yīng)力與施焊方向 及先后次序有關(guān)，焊縫的橫向殘余應(yīng)力是上述兩種原因產(chǎn)生的應(yīng)力的合成（詳見附圖二十一）。3. 沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力在厚鋼板的連接中，焊縫需要多層施焊。因此，除有縱向和橫向殘余應(yīng)力（；=y） 之外，沿厚度方向還存在著殘余應(yīng)力 (；z)(詳見附圖二十二)。這三種應(yīng)力可能形成比較 嚴重的同號三軸應(yīng)力；會大大降低結(jié)構(gòu)連接的塑性。這就是焊接結(jié)構(gòu)易發(fā)

18、生脆性破壞的 原因之一。以上分析是焊件在無外加約束情況下的焊接殘余應(yīng)力。若焊件施焊時處在約束狀 態(tài)，如采用強大夾具或焊件本身剛度較大等，焊件將因不能自由伸縮變形而產(chǎn)生更大的 焊邊殘余應(yīng)力，且隨約束程度增加而增大。二、焊接殘余變形如前所述，焊接過程中的局部加熱和不均勻的冷卻收縮，使焊件在產(chǎn)生殘余應(yīng)力的 同時還將伴隨產(chǎn)生焊接殘余變形，如縱向和橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形和 扭曲變形等(詳見附圖二十三)。三、焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的影響1. 焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響(1) 靜力強度 對于具有一定塑性的鋼材，在靜力荷載作用下，因焊接殘余應(yīng)力是 自相平衡力系，它不影響結(jié)構(gòu)的靜力強度。(2) 剛度

19、當殘余應(yīng)力與外加荷載的應(yīng)力同號相加以后，該部分材料將提前進入屈 服階段，局部形成塑性區(qū)而剛度降為零，繼續(xù)增加的外力將僅由彈性區(qū)承擔，因此構(gòu)件 變形將加快，剛度降低。(3) 構(gòu)件的穩(wěn)定性 軸心受壓、受彎和壓彎構(gòu)件等可能在荷載引起的壓應(yīng)力作用下， 而喪失整體穩(wěn)定(即發(fā)生屈曲)。這些構(gòu)件中荷載引起的壓應(yīng)力與截面殘余壓應(yīng)力疊加時， 會使部分截面提前達到受壓屈服強度而進入塑性受壓狀態(tài)。這部分截面喪失了繼續(xù)承受 荷載的能力，降低了剛度，對保證構(gòu)件穩(wěn)定也不再起作用，因而將降低構(gòu)件的整體穩(wěn)定 性。(4) 疲勞強度和低溫冷脆由于殘余應(yīng)力可能為三向號應(yīng)力狀態(tài)，材料在這種應(yīng)力狀態(tài)下易轉(zhuǎn)向脆性，使裂紋容易產(chǎn)生和開展，

20、疲勞強度也因而降低。尤其在低溫動載作 用下，更易導致低溫脆性斷裂。2. 焊接殘余變形對結(jié)構(gòu)的影響焊接殘余應(yīng)力不僅影響結(jié)構(gòu)的尺寸，使裝配困難，影響使用質(zhì)量，而且過大的變形 將顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至使結(jié)構(gòu)不能使用。因此，在設(shè)計和制造時必須采取適 當措施來減小殘余應(yīng)力和殘余變形的影響。如果殘余變形超出驗收規(guī)范的規(guī)定，必須加 以矯正，使其不致影響構(gòu)件的使用和承載能力。四、減小焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的方法殘余應(yīng)力和殘余變形在焊接結(jié)構(gòu)中是相互關(guān)連的。若為了減小殘余變形，在施焊時 對焊件加強約束，則殘余應(yīng)力將隨之增大。反之則相反。因此，隨意加強約束并不盡合 理。正確的方法應(yīng)從設(shè)計和制造、焊接工藝上

21、采取一些有效措施。1. 合理的焊縫設(shè)計(1)焊縫尺寸要適當，焊腳尺寸不宜過大，在構(gòu)造容許范圍內(nèi)，宜用細長焊縫，不宜采用較粗短焊縫。（2）焊縫不宜過分集中，并應(yīng)盡量避免三向焊縫交叉。當不可避免時，應(yīng)采取措施 加以改善，也可使主要焊縫連續(xù)通過，而使次要焊縫中斷（詳見附圖二十四）。2. 合理安排焊接及制造工藝（1）在焊接工藝上，應(yīng)選擇使焊件易于收縮并可減小殘余應(yīng)力的焊接次序，如分段退焊、分層焊、對角跳焊和分塊拼焊等（詳見附圖二十五）。（2）在制造工藝上，可采用預先反變形、對厚鋼板焊前預熱（在焊道兩側(cè)各80100mm范圍均勻加熱到 100C150C ）及焊后退火（加熱至600C后緩冷）或錘擊法（用手錘

22、輕 擊焊縫表面使其延伸，以減小焊縫中部分殘余拉應(yīng)力）等。（3）對焊件尺寸收縮，應(yīng)在下料時預加收縮余量。當焊接殘余變形過大時，可采用 機械方法頂壓進行冷矯正或局部加熱后冷縮進行矯正。但對于低合金鋼不宜使用錘擊方 法進行矯正。第四節(jié)焊接連接的構(gòu)造和計算在鋼結(jié)構(gòu)的焊接連接較多的采用對接焊接和角接焊接，對接焊接傳力直接、平順、 沒有顯著的集力集中現(xiàn)象。角焊縫構(gòu)造簡單，施工方便，但靜力性能特別是動力性能較 差。、對接焊縫的計算1 在與其長度方向垂直的軸心拉力或軸心壓力作用下:N式中 N 軸心拉力或壓力;lw 焊縫長度;tw 焊縫厚度，在對接接頭中為連接件的較小厚度,在T形接頭中為腹板的厚度;wft 、對

23、接焊縫的抗拉、抗壓強度設(shè)計值。-35 -2.在正應(yīng)力二和剪應(yīng)力作用時：常或Tcw式中 f：對接焊縫的抗剪強度設(shè)計值。v符合tgr乞1.5時，其強度在同時受有較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力處，尚應(yīng)按下式的折算應(yīng)力計算其強度:注：1.當承受軸心力的板件用斜焊縫對接，焊縫與作用力間的夾角可不計算。2 當對接焊縫無法采用引弧板施焊時，計算中應(yīng)將每條焊縫的長度各減去10mm3在對接焊縫連接中，外力在各條對接焊縫中的分配以及對接焊縫中應(yīng)力的分布和 大小，與連接的形式和焊縫所在部位的則度等因素有關(guān)，計算時應(yīng)予以充分考慮。下表 列出了幾種常用對接焊縫連接的焊縫強度計算公式。對接焊縫連接的強度計算方式連接形式及受力情況計算

24、內(nèi)容計算公式拉應(yīng)力或壓應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力折算應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力折算應(yīng)力6MiWtwlwtfv二-N_M_ 常或 fwAwWwt CVSwIwtfvWWww ftw 或 fcw在正應(yīng)力 和剪應(yīng)力 都較大的 地方才需 要計算折 算應(yīng)力，如 圖中a點處如連接在 翼緣處無 橫向加勁 肋加強，則 計算正應(yīng)力二1時也 不應(yīng)計入 翼緣水平 焊縫，即表中：N、M、V 作用于連接處的軸心力、彎矩和剪力; lw 焊縫的計算長度； t焊縫的厚度；A、Ww 焊縫截面的面積和抵抗矩；Sw 所求剪應(yīng)力處以上的焊縫截面對中和軸的面積矩; I w 焊縫截面的慣性矩； y1 a點到中和軸的距離；Swi 計算a點剪應(yīng)力所

25、用的焊縫截面的面積矩；Aw 豎直焊縫的截面積，Aw = ht ；h 豎直焊縫的長度（即牛腿截面高度）。、角焊縫的計算角焊縫分直角焊縫和斜角角焊縫兩大類。1. 直角角焊縫的強度應(yīng)按下列情況進行計算：（1）直接承受動力荷載結(jié)構(gòu)中的直角角焊縫計算：a在通過焊縫形心的拉力、壓力或剪力作用下：式中ho角焊縫的有效厚度，對直角角焊縫取0.7hf，hf為較小焊腳尺寸;lw 角焊縫的計算長度，對每條焊縫取其實際長度減去10mm ；ffW角焊縫的強度設(shè)計值。b在其它力或各種力綜合作用下， 式中匚f按角焊縫的有效截面（helw ）計算，垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力;t按角焊縫的有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力。（

26、2）承受靜力荷載和間接承受動力荷載結(jié)構(gòu)中的直角角焊縫計算:a. 在與焊縫長度方向垂直的軸心力作用下：Nhe1 w 1.22 fb. 在與焊縫長度方向平行的軸心力作用下:c. 在其它力或各種力綜合作用下，二f和f的共同作用處:1.22（4）在角焊縫連接中，外力在各條角焊縫中的分配與連接的形式和角焊縫所在部位 的剛度等因素有關(guān)，計算時應(yīng)予充分考慮。下表列出了幾種常用角焊縫連接的直角角焊 縫強度計算公式。直角角焊縫連接的強度計算公式項次連接形式及受力情況計算公式2B13田F-r-可!-Lc-表中:0.7hf lw ff0.7 ： f hfihf2 lw6M2 0.7hflw 2 0.7htl；w f

27、fw2 V20.7hftw|.5M乞 f ffwWw12. Vi：2 Ww2AwAwW-ff焊縫“1”點處:焊縫“ 2”點處:如連接在翼緣 無橫向加勁肋 加強，則只有豎 直焊縫傳力；這 時，應(yīng)按3計算hf （hf1、hf2）角焊縫的較小焊腳尺寸;x lw 連接一邊的焊縫計算長度;Ww1 Wv2 焊縫有效截面對1點和2點的抵抗矩；Aw 腹板連接焊縫（豎直焊縫）的有效截面面積；A焊縫有效截面面積；lwp 焊縫有效截面對其形 o級慣矩，其值為：Iwp = Iwx Twy（4）角鋼與鋼板連接的角焊縫hfi、lwi一個角鋼肢背側(cè)焊縫的焊腳尺寸和計算長度； hf2、lw2 一個角鋼肢尖側(cè)焊縫的焊腳尺寸和計

28、算長度； hf3、lw3 一個角鋼端焊縫的焊腳尺寸和計算長度；k2 角鋼肢背和肢尖的焊縫內(nèi)力分配系數(shù)，按下表確定:項次角鋼類型連接形式焊縫內(nèi)力分配系數(shù)ki （肢背）k.2 （肢尖）1等邊角鋼i h0.700.302不等邊角鋼 短邊相連10.750.253不等邊角鋼 長邊相連0.650.35(5)圓鋼與平板、圓鋼與圓鋼之間的焊縫，應(yīng)按下式計算抗剪強度:N 十ffhe lw式中N 作用在圓鋼上的軸心力；X lw 焊縫的計算長度之和；he 焊縫的有效厚度：對圓鋼與平板的連接，he =0.77ht ；對圓鋼與圓鋼的連接，he應(yīng)接下式計算：he = 0.1 d1 2d2 - a式中 di 大圓鋼直徑；d

29、2 小圓鋼直徑；a焊縫表面至兩個圓鋼公切線的距離。第五節(jié)普通螺栓連接的構(gòu)造和計算一、普通螺栓的種類和特性鋼結(jié)構(gòu)采用的普通螺栓形式為大六角頭型，粗牙普通螺栓，其代號用字母M與公稱直徑（毫米）表示。工程中常用 M18 M20 M22、M24根據(jù)螺栓的加工精度，普通螺栓又 分為C級螺栓（原粗制螺栓）和A級及B級螺栓（原精制和半精制螺栓）兩種。C級螺栓4.6 級或4.8級鋼制作，而 A級和B級螺栓采用8.8級鋼材制作；C級螺栓加工粗糙，尺寸 不夠準確，只要求H類孔（在單個零件上一次沖成或不用鉆模鉆成設(shè)計孔徑的孔），成本低，栓徑比孔徑小 1.52.0mm。A級和B級螺栓須以機床車削加工，精度較高，要求I

30、 類孔，孔徑與栓徑相等，只分別允許其有正和負公差，因此栓桿和螺孔間的空隙為僅為 0.3mm左右。由此可見，A級和B級螺栓與螺孔為緊配合，受剪性能較好，變形很小，但 制造和安裝過于費工，價格昂貴。目前在鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。C級螺栓由于與螺栓孔的空隙較大，當傳遞剪力時，連接變形大，工作性能差，但傳遞拉力的性能仍較好，所以 C級螺栓廣泛用于需要裝拆的連接承受拉力的安裝連接，不重要的連接或作安裝時的臨 時固定等。對直接承受動力荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽或其它能防止螺帽松動的 有效措施。在鋼結(jié)構(gòu)施工圖上需將螺栓及螺孔的施工要求，用圖形表示清楚，以免引起混淆（詳見附圖二十六）。詳細表示方法參見建筑結(jié)構(gòu)制

31、圖標準（GB/T 50105-2001）。二、普通螺栓連接的構(gòu)造要求1. 螺栓的直徑在同一結(jié)構(gòu)連接中，無論是臨時安裝螺栓還是永久螺栓，為了便于制造，宜用一種 直徑d。螺栓直徑d的選擇根據(jù)連接構(gòu)件的尺寸和受力大小而定。常用的標準螺栓直徑 是M16, M18 M2Q M22, M24等規(guī)格。螺栓直徑選得合適與否，將影響到螺栓數(shù)目及連 接節(jié)點的構(gòu)造尺寸。2. 螺栓的排列及間距 螺栓的排列應(yīng)簡單、統(tǒng)一而緊湊，滿足受力要求，構(gòu)造合理又便于安裝。排列方式 有并列排列和錯列兩種，并列較簡單，錯列較緊湊 （詳見附圖二十七） 。（1）受力要求 螺栓孔（d0）的最小端距（沿受力方向）為2d。，以免板端被剪掉；螺栓

32、孔的最小邊距 （垂直于受力方向 ）為 1.5 d0 （切割邊）或 1.2 d0 （軋成邊）。在型鋼上， 螺栓應(yīng)排列在型鋼孔距規(guī)線上。中間螺孔的最小間距（栓距和線距）為3d。，否則螺孔周圍應(yīng)力集中的相互影響較大，且對鋼板的截面削弱過多，從而降低其承載能力。（2）構(gòu)造要求 螺栓的間距也不宜過大， 尤其是受壓板件當栓距過大時， 容易發(fā)生凸曲現(xiàn)象。板和剛性構(gòu)件 （如槽鋼、角鋼等 ）連接時，栓距過大不易緊密接觸，潮氣易于侵 入縫隙而銹蝕。按規(guī)范規(guī)定，栓孔中心最大間距受壓時為12 d0或18tmin （ tmin為外層較薄板件的厚度），受拉時為16do或24t min,中心構(gòu)件邊緣最大距離為 4do或8t

33、min。（3）施工要求 螺栓應(yīng)有足夠距離，以便于轉(zhuǎn)動扳手，擰緊螺母。 根據(jù)上述螺栓的最大、最小容許距離，排列螺栓時宜按最小容許距離取用，且宜取5mm的倍數(shù)，并按等距離布置，以縮小連接的尺寸。最大容許距離一般只在起連系作用 的構(gòu)造連接中采用。三、普通螺栓連接的受力性能和強度計算 普通螺栓連接，按螺栓傳力方式可分為受剪螺栓連接、受拉螺栓連接和拉剪螺栓連 接三種。受剪螺栓連接是靠栓桿受剪和孔壁承壓傳力；受拉螺栓連接是靠沿栓桿軸方向 受拉傳力；拉剪螺栓連接則同時兼有上述兩種傳力方式。（一）受剪螺栓連接1. 受力性能和破壞形式單個螺栓受剪情況。在開始受力階段，作用力主要靠鋼板之間的摩擦力來傳遞。由 于普

34、通螺栓堅固的預拉力很小，即板件之間的摩擦力也很小，當外力逐漸增長到克服摩 擦力后，板件發(fā)生相對滑移，而使栓桿和孔壁靠緊，此時栓桿受剪，而孔壁承受擠壓。 隨著外力的不斷增大，連接達到其極限承載能力而發(fā)生破壞 （詳見附圖十二八） 。受剪螺栓連接在達到極限承載力時可能出現(xiàn)如下五種破壞形式 （詳見附圖二十九） ；（1）栓桿剪斷 當螺栓直徑較小而鋼板相對較厚時，可能發(fā)生。（2）孔壁擠壓壞 當螺栓直徑較大鋼板相對薄時，可能發(fā)生。（3）鋼板拉斷 當鋼板因螺孔削弱過多時，可能發(fā)生。（4）端部鋼板剪斷 當順受力方向的端距過小時，可能發(fā)生。（5）栓桿受彎破壞 當螺栓過于細長時，可能發(fā)生。上述破壞形式中的后兩種在選

35、用最小容許端矩2 d0和使螺栓的夾緊長度不超過5d的條件下，均不會發(fā)生。前三種形式的破壞，則需通過計算來防止的。2. 強度計算如前所述，受剪螺栓連接按承載能力極限狀態(tài)需計算栓桿受剪和孔壁承壓載力，以及鋼板受拉或受壓承載力計算n = N/N；然后按實際確定的螺栓數(shù)目 n進行布置排列。螺栓群在彎矩M作用下的抗拉計算普通C級螺栓在彎矩作用下，上部螺栓受拉。與螺栓群拉力相平衡的壓力產(chǎn)生于牛 腿和柱的連接面上，精確確定中和軸的位置的計算比較復雜。通常近似地假定中和軸在 最下邊一排螺栓軸線上 （詳見附圖三十），并且忽略壓力所產(chǎn)生的彎矩 （因力臂很?。?因此 M = m（Nyjy2 川 NJ yn）二 m

36、二：NJ yi從而可得螺栓所受最大拉力MNiM y1m y2P時，則螺栓可能達到材料屈服強度，在卸荷后使連接產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，預拉力降低。因此，規(guī)范偏安全地規(guī)定單個高強度螺栓的抗拉承載力設(shè)計值為Ntb =0.8P(2) 受軸心力N作用的抗拉高強度螺栓連接計算受軸心力作用時的高強度螺栓連接，其受力的分析方法和普通螺栓一樣，先按 n=N/0.8P確定連接所需螺栓數(shù)目，然后進行布置排列。(3) 螺栓群在彎矩作用下的抗拉連接計算連接承受彎矩 M作用，若采用摩擦型高強度螺栓，在彎矩M作用下，由于高強度螺栓預拉力較大，被連接構(gòu)件的接觸面一直保持著緊密配合，中和軸保持在螺栓群形心軸線0-0。最外面的螺栓所受最大

37、拉力Nt1，其強度條件為N1t忙2 Yi Ntb =0.8P式中Yi 螺栓至中和軸(過螺栓群形心)的垂直距離;Y1 受拉力最大螺栓“ 1”至中和軸的距離。3. 拉剪高強度螺栓連接的強度計算(1)單個拉剪高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值當高強度螺栓隨沿桿軸方向的外拉力Nt作用時，不但構(gòu)件摩擦面間的壓緊力將由P減至P-Nt，且根據(jù)試驗，此時摩擦面抗滑移系數(shù)J亦隨之降低，故螺栓在承受拉力時以作為補償。因此，單個拉剪高強度應(yīng)滿足下式要求:Nv 4.9n卜i(P -1.25NJ式中Nt應(yīng)滿足Nt空0.8P。也可按正式等價地計算：NtbNt式中Nv，Nt 一個高強螺栓所承受的剪力和拉力;N , Ntb 單個高強度螺栓的受剪、受拉承載力設(shè)計值，分別按式(3-43)和(3-44) 計算。(2)拉剪高強度螺栓連接計算(詳見附圖三十二)。為一受偏心力F作用的高強度螺栓連接的頂接，將力F向螺栓群形心簡化后，或得等效荷載V=F，M =F e。因此，在形心軸0-0以上螺栓為同時承受外拉力M yNti2和剪力Nvi =V/n的拉剪螺栓。計算時可采有下列兩個公式:m yiNv1 空0.9nfP 1.25Nt1Nv1Nt1NJN?1n或V 乞 0.9nf八P1.25Ntii =1以上兩式中 山、Nti均應(yīng)滿足Nt1 (Nti)豈0.8P。僅計算不利拉剪螺栓“ 1”在承受拉力Nt1后，降