第4章鋼結(jié)構(gòu)的連接

焊接連接的方法及特性對接焊縫連接的構(gòu)造和計(jì)算角焊縫連接的構(gòu)造和計(jì)算螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算

主要內(nèi)容

焊接連接的構(gòu)造和計(jì)算螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算

重點(diǎn)第4章鋼結(jié)構(gòu)的連接4.1概述鋼結(jié)構(gòu)的連接方法焊縫連接螺栓連接鉚釘連接1.焊接連接優(yōu)點(diǎn)：不削弱截面，加工方便，焊接剛度大，連接的密封性好

缺點(diǎn)：材質(zhì)易脆，存在殘余應(yīng)力，對裂紋敏感。

2.螺栓連接優(yōu)點(diǎn)：安裝方便，易于拆卸缺點(diǎn)：需要開孔，對構(gòu)件截面有一定的削弱，構(gòu)造較繁。3.鉚釘連接連接受力性能較好，但構(gòu)造復(fù)雜，目前已很少采用。一、鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法4.2焊接連接的方法及特性電弧焊電渣焊氣體保護(hù)焊電阻焊常用焊接方法電弧焊原理

在涂有焊藥的焊條和焊件間產(chǎn)生電弧，由電弧提供熱源，使焊條溶化，滴落在焊件上被電弧吹成的小凹槽溶池中，并與焊件溶化部分冷卻后凝結(jié)成焊縫，把構(gòu)件連接成一體。

電渣焊原理

利用電流通過熔渣時(shí)所產(chǎn)生的熱量來熔化金屬的一種方法。焊絲作為電極伸入并穿過渣池，使渣池產(chǎn)生電阻熱將焊件金屬及焊絲熔化，沉積于熔池中，形成焊縫。

氣體保護(hù)焊電阻焊原理

利用二氧化碳?xì)怏w或其它惰性氣體作為保護(hù)介質(zhì)的一種電弧熔焊方法。

原理

電流通過焊件接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻能熱，將被焊金屬加熱到局部熔化或達(dá)到高溫塑性狀態(tài)，在外力的作用下形成牢固的焊接接頭。

鋼結(jié)構(gòu)中常用的焊條型號(hào)有E43、E50和E55系列。不同鋼種的鋼材焊接時(shí)，宜采用與低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊條。說明二、焊縫形式T型連接角接1.按構(gòu)件的相對位置劃分

對接搭接對接焊縫角焊縫正對接焊縫斜對接焊縫2.按受力特性不同劃分平焊橫焊立焊仰焊3.按施焊的相對位置劃分三、焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)1焊縫缺陷2焊縫質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)要求用超聲波或射線檢驗(yàn)每條焊縫全部長度

要求用超聲波檢驗(yàn)每條焊縫長度的20％

一級三級焊縫按檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分三級二級要求通過外觀檢查

四、焊縫表示α.bⅢ指引線基準(zhǔn)線基本符號(hào)五、焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因1焊接升溫時(shí)焊縫附近的應(yīng)力場焊縫冷卻時(shí)，焊縫及附近金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力加熱溫度達(dá)到出現(xiàn)熱塑性

鋼板局部加熱鋼板厚度方向具有一定的剛度

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的條件

縱向焊接殘余應(yīng)力—沿焊縫長度方向

橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長度方向

沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力，在焊件內(nèi)自相平衡。焊縫附近為拉應(yīng)力，焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的分類2（1）對結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響f+--bfy+--bfyNyNy焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度沒有影響。+--fyfbBt焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對結(jié)構(gòu)工作性能的影響44（2）焊接殘余應(yīng)力低結(jié)構(gòu)的剛度。f+--bfyNN+--fyfNNbBt（3）焊接殘余應(yīng)力降低壓桿的穩(wěn)定承載力

對于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力，增加了鋼材低溫脆斷傾向。（4）對低溫冷脆的影響

三向焊接殘余拉應(yīng)力降低材料的塑性，從而疲勞強(qiáng)度降低?。?）對疲勞強(qiáng)度的影響包括：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等，通常是幾種變形的組合。焊接殘余變形5減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的措施36設(shè)計(jì)上的措施：（1）焊接位置的合理安排（2）焊縫尺寸要適當(dāng)（3）焊縫數(shù)量要少，且不宜過分集中（4）應(yīng)盡量避免兩條以上的焊縫垂直交叉（5）應(yīng)盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力加工工藝上的措施：（1）采用合理的施焊順序（2）采用反變形處理（3）小尺寸焊件，應(yīng)焊前預(yù)熱或焊后回火處理一、對接焊縫的構(gòu)造要求4.3對接焊縫連接的構(gòu)造與計(jì)算

1.坡口目的——為了使焊件能夠焊透。坡口形式——根據(jù)板厚的不同采用不同的坡口形式。

2.引弧板目的：為了消除焊口的影響，可加引弧板。焊縫的計(jì)算長度取值：無引弧板時(shí)：每條焊縫的計(jì)算長度等于實(shí)際長度減去2t1，t1—較薄焊件厚度采用引弧板時(shí)：每條焊縫的計(jì)算長度等于實(shí)際長度

3.當(dāng)板件厚度或?qū)挾仍谝粋?cè)相差大于4mm時(shí)，應(yīng)做坡度不大于1:2.5(靜載)或1:4(動(dòng)載)的斜角，以平緩過度，減小應(yīng)力集中?！?:2.5≤1:2.5二、對接焊縫的計(jì)算對接焊縫可視作焊件截面的延續(xù)，故其計(jì)算方法與構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算相同。對接焊縫的抗壓、抗剪強(qiáng)度，以及一、二級對接焊縫的抗拉強(qiáng)度與母材相同，因此若采用引弧板施焊，則可不與計(jì)算。只有三級焊縫受拉力作用才需進(jìn)行計(jì)算?。ㄒ唬┹S心力作用下的對接焊縫計(jì)算NNlwt

N—軸心拉力或壓力設(shè)計(jì)值；t—板件較小厚度；T形連接中為腹板厚度；ftw、fcw

—對接焊縫的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。NNtθNsinθNcosθlw當(dāng)不滿足上式時(shí)，可選擇在受力較小的部位施焊；或者改用斜對接焊縫連接；當(dāng)tanθ≤1.5時(shí),斜焊縫的強(qiáng)度不用驗(yàn)算!（二）M、V共同作用下的對接焊縫計(jì)算lwt

MVστ1.矩形截面

Ww——焊縫截面模量；Sw——焊縫截面面矩積；

Iw——焊縫截面慣性矩。2、工字形截面

對于焊縫的σmax

和τmax

應(yīng)滿足的條件：1.1——考慮最大折算應(yīng)力只在局部出現(xiàn)的強(qiáng)度增大系數(shù)。對于翼緣與腹板交接點(diǎn)（1點(diǎn)）焊縫，其折算應(yīng)力尚應(yīng)滿足下式要求：

角焊縫兩邊夾角90°，稱為直角角焊縫，直角邊長hf稱為焊腳尺寸。hehfhf

1.角焊縫的形式4.4角焊縫連接的構(gòu)造與計(jì)算角焊縫的構(gòu)造和受力性能一

夾角大于135°或小于60°的稱為斜角角焊縫，除鋼管結(jié)構(gòu)外，一般不宜用作受力焊縫。直角角焊縫截面形式有普通焊縫、平坡焊縫、凹焊縫等幾種。2.角焊縫的構(gòu)造要求焊縫長度

焊腳尺寸a.焊腳尺寸hf最大值

hf,max≤1.2t1t1—較薄焊件的厚度。

當(dāng)t2≤4mm時(shí),hf,min

=t2對于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;b.焊腳尺寸hf最小值t2—較厚焊件厚度。說明:

對于埋弧自動(dòng)焊hf,min

可減去1mm;對于T形連接的單面角焊縫：hf≥；當(dāng)焊件厚度等于或小于4mm時(shí)，則hf應(yīng)與焊件厚度相同。tt1hf當(dāng)t≤6mm時(shí)，hf,max≤t當(dāng)t>6mm時(shí)，hf,max

≤t-(1～2)mm

對于板件邊緣的角焊縫：c.角焊縫計(jì)算長度的最大值d.角焊縫計(jì)算長度的最小值t1t2be.搭接連接的構(gòu)造要求為避免應(yīng)力傳遞過分彎折,導(dǎo)致應(yīng)力不均：blw3

為避免焊縫橫向收縮引起的板件拱曲太大：）（或）（mmtmmmmttb111122001216￡>￡b2hflwt1t2f.角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。g.在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，且不得小于25mm。3.角焊縫的受力性能—焊縫長度方向與作用力垂直

正面角焊縫N

—焊縫長度方向與作用力平行側(cè)面角焊縫N

N

側(cè)面角焊縫承受剪力，強(qiáng)度較低，塑性較好。

剪應(yīng)力沿焊縫長度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻。剪應(yīng)力τfNlwN破壞形式

側(cè)面角焊縫受力性能

正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑性較差，但強(qiáng)度較側(cè)面角焊縫高。

正面角焊縫受力性能直角角焊縫的基本計(jì)算公式二

有效截面為平分角焊縫夾角的截面，破壞往往從這個(gè)截面發(fā)生。有效截面的高度he也稱角焊縫有效厚度，

he

＝0.7hf角焊縫的有效截面

1.hehfhfNyNx角焊縫基本計(jì)算公式2.lwhfheτ∥=τfσfσ┻450τ┻450

NxNy∵f

—正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)；—按角焊縫有效截面計(jì)算，垂直焊縫長度方向的正應(yīng)力；—按角焊縫有效截面計(jì)算，沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力；ffw—角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。NNNNlwNNNNlw僅采用側(cè)面角焊縫連接

僅采用正面角焊縫連接σf=0τf=0說明常用連接方式的角焊縫計(jì)算三1.角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接受軸心力作用a.僅采用側(cè)面角焊縫連接

Nlw1lw2由力的平衡關(guān)系可求出各條焊縫的受力：

Nlw1lw2N1N2對于驗(yàn)算的問題驗(yàn)算肢背：驗(yàn)算肢尖：對于設(shè)計(jì)的問題肢背所需焊縫長度：肢尖所需焊縫長度：端焊縫受力：肢背受力：肢尖受力：b.采用三面圍焊連接

Nlw1lw2N1N2N3b肢尖受力：端焊縫受力：肢背受力：C.采用L形圍焊

Nlw1N1N3b2.拼接蓋板的設(shè)計(jì)問題NN蓋板尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：材料與主板相同；蓋板的總截面積不應(yīng)小于被連接鋼板的截面積；同時(shí)滿足構(gòu)造要求。a.采用側(cè)面角焊縫連接NNlwL

蓋板的長度則由側(cè)面焊縫的長度確定?！嗝織l側(cè)面角焊縫的計(jì)算長度

b.采用正面角焊縫連接NNlwLC.采用三面圍焊連接NNL’wLlw正面角焊縫承擔(dān)的力為：側(cè)面角焊縫承擔(dān)的力為：3.承受彎矩M作用

hehet最危險(xiǎn)點(diǎn)A的應(yīng)力計(jì)算：A

M4.承受扭矩T作用

yxx0yT※討論：1)判定危險(xiǎn)點(diǎn)2)T和M的區(qū)別假定:1、T作用下焊縫群上任意點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與焊縫形心的連線；2、應(yīng)力的大小與該點(diǎn)到焊縫形心0的距離r成正比。xxyy.oA代入角焊縫通用公式中得：5.承受M、V共同作用Ahehet最危險(xiǎn)點(diǎn)A：VM..斜角角焊縫及部分焊透的對接焊縫的計(jì)算※

四1.斜角角焊縫的計(jì)算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2為簡化計(jì)算，規(guī)范規(guī)定：對于兩焊腳邊夾角60o≤α≤135o的斜T形連接，其斜角角焊縫采用與直角角焊縫相同的計(jì)算公式，且統(tǒng)一取βf=1.0。2.斜角角焊縫的計(jì)算厚度heα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B式中：b、b1和b2≤5mm說明：b1和b2≤1.5mm時(shí),可取b1、b2=0;b1和b2>5mm時(shí),應(yīng)如圖“B”方式處理，且使b≤5mm。2.部分焊透的對接焊縫計(jì)算一、螺栓連接的形式及特點(diǎn)Ⅰ類孔，孔徑do比栓桿直徑d大0.3～0.5mm；受力性能較好，受剪工作時(shí)變形?。毁M(fèi)用較高。Ⅱ類孔，孔徑比栓桿直徑大1.5～3mm；傳遞剪力時(shí)，變形較大；傳遞拉力的性能較好。4.5螺栓連接的形式和構(gòu)造要求普通螺栓A、B級（精制螺栓）C級（粗制螺栓）高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接—靠板件間摩擦力傳遞剪力；摩擦型連接的剪切變形小，適用于動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)度螺栓承壓型連接—允許板件間摩擦力被克服，出現(xiàn)相對滑移后，依靠螺栓桿的抗剪和孔壁承壓傳遞剪力；承壓型連接的承載力高于摩擦型，但剪切變形大，不適用于承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中。

高強(qiáng)度螺栓螺栓性能等級的含義是小數(shù)點(diǎn)前的數(shù)字表示螺栓熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度；小數(shù)點(diǎn)及小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)字表示其屈強(qiáng)比。以10.9級為例：小數(shù)點(diǎn)前的數(shù)字“10”表示螺栓熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度為，“.9”表示其屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比）為0.9。螺栓性能等級二、螺栓的排列

螺栓的表示

螺栓用M表示，例如M20，工程中常用的螺栓直徑有16、20、22、24等。

B錯(cuò)列A并列中距中距邊距邊距端距螺栓的排列應(yīng)滿足構(gòu)造要求施工要求受力要求螺栓端距過小，鋼板有剪斷的可能；鋼板截面過度削弱，板件承載力不足；防止連接板件發(fā)生鼓曲。以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。為了便于扳手?jǐn)Q緊螺母，螺栓中距應(yīng)不小于3do。螺栓的最大、最小容許距離一、普通螺栓連接計(jì)算按受力情況可分為螺栓受剪、螺栓受拉和螺栓同時(shí)受剪受拉N螺栓受拉F螺栓同時(shí)受剪受拉螺栓受剪NN4.6螺栓連接的計(jì)算1.普通螺栓受剪時(shí)的工作性能NδO1234NNabNN/2N/21）摩擦傳力的彈性階段（0~1段）2）滑移階段（1~2段）3）栓桿傳力的階段（2~3段）4）破壞階段（3~4段）N/2Nl1N/2當(dāng)l1≤15d0時(shí)，假定N由各螺栓均勻承擔(dān)。當(dāng)l1≥15d0

時(shí)，螺栓受力不均，將螺栓的承載力設(shè)計(jì)值折減。

當(dāng)15d0＜l1≤60d0

時(shí)，

=1.1－l1/（150d0）當(dāng)

l1＞60d0

時(shí)，

=0.7N/2NN/2NN①螺栓桿被剪壞②孔壁的擠壓破壞③板件被拉斷④板件端部被剪壞NN⑤栓桿彎曲破壞N/2NN/22.普通螺栓受剪時(shí)的破壞形式NN端矩不應(yīng)小于2d0栓桿長度不應(yīng)大于5d以上1、2、3三種破壞形式通過計(jì)算避免。4、5破壞由構(gòu)造解決。3.單個(gè)普通螺栓的承載力設(shè)計(jì)值公式中：nv—剪切面數(shù)目；

d—螺栓桿直徑；

fvb—螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。①抗剪承載力設(shè)計(jì)值剪切面數(shù)目nv說明：公式中：∑t—連接接頭一側(cè)承壓構(gòu)件總厚度的較小值；

fcb—螺栓孔壁承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。∴單栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值d②承壓承載力設(shè)計(jì)值③抗拉承載力設(shè)計(jì)值公式中：

Ae—螺栓的有效截面面積；

de—螺栓的有效直徑；

ftb—螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。（1）受軸心剪力作用連接所需螺栓數(shù)量：4.普通螺栓群連接計(jì)算NNNN螺栓受力計(jì)算：板件的凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算：NNbtt111A.螺栓并列排列主板的凈截面面積：拼接蓋板的凈截面面積：故：An應(yīng)取較小面積計(jì)算。NNtt1bc2c3c4c1B.螺栓錯(cuò)列排列:2211（2）受扭矩T作用TN1TN1Txr11Txyxy假定：連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動(dòng)，各螺栓剪力與

其至形心距離呈正比，方向與ri垂直。N1Ty假定每個(gè)螺栓均勻受力。N連接所需的螺栓數(shù)：（3）受軸心拉力作用螺栓受力計(jì)算：M刨平頂緊承托(板)M1234y1y2y3N1N2N3N4中和軸M作用下假定：螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處，各螺栓所受拉力與其至中和軸的距離呈正比。（4）受彎矩M作用顯然在M作用下，‘1’號(hào)螺栓所受拉力最大M1234y1y2y3N1N2N3N4中和軸（5）承受拉力和剪力共同作用

在拉力和剪力的共同作用下，可能出現(xiàn)兩種破壞形式：螺桿受剪兼受拉破壞、孔壁的承壓破壞。NVM刨平頂緊承托V連接角焊縫承托與柱翼緣的連接角焊縫計(jì)算：式中：α——考慮剪力對角焊縫偏心影響的增大系數(shù)，一般取α=1.25~1.35。

拉力和剪力共同作用下的普通螺栓連接，當(dāng)有承托時(shí)，如果承托承受全部剪力，則螺栓群按受拉計(jì)算。二、高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的計(jì)算

高強(qiáng)度螺栓分為大六角頭型和扭剪型兩種高強(qiáng)材料經(jīng)熱處理制成，按強(qiáng)度等級分10.9與8.8級。預(yù)拉力的施加方法高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力1.轉(zhuǎn)角法：分初擰和終擰兩步。初擰是用普通搬手?jǐn)Q緊螺栓；終擰就是用特制搬手旋轉(zhuǎn)螺母，擰至預(yù)定的預(yù)拉力數(shù)值。

扭矩法：初擰用力矩扳手?jǐn)Q至終擰力矩的30%-50%，使板件貼緊密；終擰是在初擰基礎(chǔ)上，按100%設(shè)計(jì)終擰力矩?cái)Q緊。扭剪法：用于扭剪型高強(qiáng)度螺栓，初擰擰至終擰力矩的60%-80%；在初擰基礎(chǔ)上，以扭斷螺栓桿尾部為準(zhǔn)。

高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的確定

說明：折減系數(shù)0.9—考慮材料的不均勻性；折減系數(shù)0.9—防止施工時(shí)超張拉導(dǎo)致螺桿破壞；系數(shù)1.2—考慮擰緊螺帽時(shí)，扭矩對螺桿的不利影響；0.9—附加安全系數(shù)。高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接板件間摩擦力的大小取決于板件間的擠壓力（P）和板件間的抗滑移系數(shù)μ

；板件間的抗滑移系數(shù)與接觸面的處理方法和構(gòu)件鋼號(hào)有關(guān)。高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)μ2.單個(gè)高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的抗剪承載力設(shè)計(jì)值公式中：

0.9—抗力分項(xiàng)系數(shù)γR的倒數(shù)(γR=1.111);

nf—傳力摩擦面數(shù)目。高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的承載力設(shè)計(jì)值3.單個(gè)高強(qiáng)螺栓摩擦型連接的抗拉承載力設(shè)計(jì)值①受軸心剪力作用NN假定各螺栓受力均勻。

所需螺栓數(shù)：

螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算：

螺栓群的計(jì)算