第4章 鋼結(jié)構(gòu)的連接

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理DesignPrinciplesofSteelStructure第3章連接

Chapter3Connections焊縫連接螺栓連接主要內(nèi)容（50分）鋼結(jié)構(gòu)的連接對接焊縫的構(gòu)造和計算（大題）角焊縫的構(gòu)造和計算（大題）焊接殘余應(yīng)力和焊接變形普通螺栓的構(gòu)造和計算高強度螺栓的構(gòu)造和計算§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接連接的方式焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接連接的原則安全可靠、構(gòu)造簡單、制造方便和節(jié)約鋼材圖3.1.1連接的方式a)NNNNc)NNb)螺栓連接鉚釘連接焊接連接§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接缺點第三章連接Chapter3Connections*構(gòu)造簡單任何形式的構(gòu)件都可直接相連；*用料經(jīng)濟不削弱截面；*制作加工方便可實現(xiàn)自動化操作；*連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好。

*焊縫附近有熱影響區(qū)，材質(zhì)易變脆；*產(chǎn)生殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變、焊接缺陷*

對裂紋十分敏感*低溫冷脆問題較為突出。優(yōu)點1.焊縫連接的特點現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最基本的連接方式，應(yīng)用最廣泛?！?.1鋼結(jié)構(gòu)的連接鋼結(jié)構(gòu)連接用螺栓性能等級分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余個等級，其中8.8級及以上螺栓材質(zhì)為低碳合金鋼或中碳鋼并經(jīng)熱處理（淬火、回火），通稱為高強度螺栓，其余通稱為普通螺栓。螺栓性能等級標(biāo)號有兩部分數(shù)字組成，分別表示螺栓材料的公稱抗拉強度值和屈強比值。例如：性能等級：8.8級、10.9級。小數(shù)點前8、10——螺栓材料經(jīng)熱加工后的最低抗拉強度為800、1000N/mm2；小數(shù)點后0.8、0.9——屈強比(1).普通螺栓連接

由235鋼制成，根據(jù)加工精度分A、B、C三級。

A、B級精制螺栓,Ⅰ類孔，孔徑比桿徑大0.25-0.5mm，抗剪性能好,制造安裝費工，少用。

C級粗制螺栓,Ⅱ類孔，孔徑比桿徑大1.5-3.0mm，抗剪性能差，但傳遞拉力性能好，性能等級為4.6級或4.8級。(2).高強度螺栓連接高強度螺栓是高強螺桿和配套螺母、墊圈的合稱。由45號、40B和20MnTiB鋼經(jīng)過熱處理加工而成。

45號－8.8級；40B和20MnTiB－10.9級（a）大六角頭螺栓（b）扭剪型螺栓§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接（a）大六角頭螺栓（b）扭剪型螺栓高強度螺栓摩擦型連接和承壓型連接比較高強度螺栓摩擦型連接高強度螺栓承壓型連接傳力機理利用預(yù)拉力把被連接的部件夾緊，使部件的接觸面間產(chǎn)生很大的摩擦力，外力通過摩擦力來傳遞允許接觸面滑移，依靠螺栓桿和螺孔之間的承壓來傳力栓孔直徑＝螺桿的公稱直徑+1.5～2.0mm＝螺桿的公稱直徑+1.0～1.5mm特點剪切變形小，彈性性能好，特別適用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)連接緊湊，但剪切變形大，不得用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接

鉚釘連接是用一端帶有半圓形預(yù)制釘頭的鉚釘，將釘桿燒紅迅速插入被連接件的釘孔中，再用鉚釘槍將另一端也打鉚成釘頭，使連接達到緊固。缺點費工費料、勞動強度高。目前承重鋼結(jié)構(gòu)連接中已很少應(yīng)用。優(yōu)點傳力可靠，塑性、韌性好，動力性能好連接方法優(yōu)點缺點焊接對幾何形體適應(yīng)性強，構(gòu)造簡單，省材省工，易于自動化，工效高。焊接殘余應(yīng)力大且不易控制，焊接變形大。對材質(zhì)要求高，質(zhì)量檢驗工作量大。鉚接傳力可靠，韌性和塑性好，質(zhì)量易于檢查，抗動力荷載好。費鋼、費工。目前很少采用普通螺栓連接裝卸便利，設(shè)備簡單螺栓精度低時不宜受剪，螺栓精度高時加工和安裝難度較大。高強螺栓連接加工方便，對結(jié)構(gòu)削弱少，能承受動力荷載，耐疲勞，塑性、韌性好。摩擦面處理，安裝工藝略為復(fù)雜，造價略高主要連接方法及優(yōu)缺點§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接B、焊條的型號和牌號

1、焊條的牌號

以結(jié)構(gòu)鋼為例：牌號,編制法。結(jié)XXX,結(jié)為結(jié)構(gòu)鋼焊條,第1、2數(shù):代表焊縫金屬抗拉強度；第3個數(shù)字,代表藥皮類型,焊接電流要求。J 5 0 7結(jié)構(gòu)鋼焊條焊縫金屬抗拉強度不低于490MPa低氫型藥皮、直流

2、焊條的型號

以結(jié)構(gòu)鋼為例，型號編制法為字母“E”表示焊條，第一、二位表示熔敷金屬最小抗拉強度，第三位數(shù)字表示焊條的焊接位置，(“0”和”1”表示適用于全位置焊接，“2”適用平焊及橫角焊，“4”向下立焊；第三、四位數(shù)字表示焊接電流種類及藥皮類型。E 43 1 5表示焊條適用于全位置焊接表示焊條表示熔敷金屬抗拉強度的最小值（kgf/mm2)表示焊條藥皮為低氫鈉型，并可采用直流反接焊接C、焊條的選擇：焊條應(yīng)與焊件鋼材（主體金屬）相適應(yīng)。Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--E5518)Q345鋼選擇E50型焊條(E5001--E5048)Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強度鋼材相適應(yīng)的焊條。§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接2.焊接接頭及焊縫形式（1）按構(gòu)件的相對位置分：分為對接、搭接、和頂接?！?.1鋼結(jié)構(gòu)的連接（2）焊縫形式：分為對接焊縫和角焊縫。對接焊縫按受力與焊縫方向分：

1）直對接焊縫

2）斜對接焊縫角焊縫按受力與焊縫方向分：

1）正面角焊縫：作用力方向與焊縫長度方向垂直。

2）側(cè)面角焊縫：作用力方向與焊縫長度方向平行?！?.1鋼結(jié)構(gòu)的連接對接與角接組合焊縫角焊縫沿長度方向的布置

1）連續(xù)角焊縫：受力性能較好，為主要的角焊縫形式。

2）間斷角焊縫：在起、滅弧處容易引起應(yīng)力集中?！?.1鋼結(jié)構(gòu)的連接不重要或受力小的構(gòu)件，可采用間斷角焊縫連接≥50或10hf平焊、立焊、橫焊和仰焊。施焊方式圖3.1.6施焊方式平焊立焊a)焊條d)仰焊b)c)橫焊§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量好質(zhì)量一般質(zhì)量差3.焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量等級（1）焊縫缺陷

焊縫缺陷指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等；以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。

§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接裂紋焊瘤燒穿弧坑氣孔夾渣咬邊未熔合未焊透（2）焊縫質(zhì)量等級

《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205-2001規(guī)定焊縫按其檢驗方法和質(zhì)量要求分為一級、二級和三級。三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，適用于一般連接。§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接外觀檢查（肉眼）—尺寸偏差、表面缺陷；無損檢驗（儀器）—檢驗內(nèi)部缺陷（超聲波探傷、X射線探傷、磁粉探傷、滲透探傷）。二級焊縫：外觀檢查+無損檢驗（抽檢比例大于20%，超聲波探傷）合格，用于受較大拉應(yīng)力的重要連接。一級焊縫：外觀檢查+無損檢驗（超聲波探傷、X射線探傷）合格，用于抗動力、需要驗算疲勞的重要連接。1.對接焊縫的坡口形式§3.3對接焊縫的構(gòu)造和計算3.3.1對接焊縫的構(gòu)造對接焊縫的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊縫。坡口形式與焊件厚度有關(guān)。

§3.3對接焊縫的構(gòu)造和計算板厚t

＝10～20mm板厚t>20mm

板厚t

10mm

3.對接焊縫的構(gòu)造處理2.對接焊縫的優(yōu)缺點優(yōu)點：用料經(jīng)濟、傳力均勻、無明顯的應(yīng)力集中，利于承受動力荷載。缺點：需剖口，焊件長度要求精確。

墊板墊板墊板§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算1）為防止熔化金屬流淌必要時可在坡口下加墊板。2）在焊縫的起滅弧處，常會出現(xiàn)弧坑等缺陷，故焊接時可設(shè)置引弧板和引出板，焊后將它們割除。3）在對接焊縫的拼接處，當(dāng)焊件的寬度不同或厚度相差4mm以上時，應(yīng)分別在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面過渡和緩，減小應(yīng)力集中。a)改變厚度b)改變寬度≤1:2.5≤1:2.5§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算引弧板4.對接焊縫的強度

1）受壓、受剪的對接焊縫與母材強度相等。

2）三級質(zhì)量的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉強度為母材強度的85%。

3）一、二級質(zhì)量的焊縫的抗拉強度可認為與母材強度相等。(不必另行計算）§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算3.3.2對接焊縫的計算1.軸心受力的對接焊縫N——軸心拉力或壓力值lw——焊縫計算長度，無引弧板時，焊縫計算長度取實際長度減去2t；有引弧板時，取實際長度。t——連接件的較小厚度，對T形接頭為腹板的厚度

;ftw、fcw——對接焊縫的抗拉、抗壓強度設(shè)計值。與構(gòu)件母材強度計算方法相同，采用材料力學(xué)的計算公式一、二級對接焊縫不需計算。三級焊縫需驗算。

§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算NNlt要點斜向受力的對接焊縫

對接焊縫斜向受力是指作用力通過焊縫重心，并與焊縫長度方向呈夾角，其計算公式為：l’w——斜焊縫計算長度。加引弧板時，l’w＝b/sinq；不加引弧板時，l’w＝b/sinq－2t。

fvw——對接焊縫抗剪設(shè)計強度。（重點）規(guī)范規(guī)定，當(dāng)斜焊縫傾角≤56.3°，即tan≤1.5時，可認為對接斜焊縫與母材等強，不用計算?！?.2對接焊縫的構(gòu)造和計算b【例題3.1】【例題3.2】

已知Q235鋼板,截面用對接直焊縫拼接，采用手工焊焊條E43型，用引弧板，按Ⅲ級焊縫質(zhì)量檢驗，試求焊縫所能承受的最大軸心拉力設(shè)計值。解：查附表得：則鋼板的最大承載力為：lwtAMVστ因焊縫截面為矩形，M、V共同作用下應(yīng)力圖為：故其強度計算公式為：式中：Ww—焊縫截面模量；

Sw--焊縫截面計算剪應(yīng)力處以上部分對中和軸的面矩。

Iw--焊縫計算截面慣性矩。（1）板件間對接連接2.承受彎距和剪力聯(lián)合作用的對接焊縫（2）工字形截面梁對接連接計算MV1焊縫截面A、對于焊縫的σmax和τmax應(yīng)滿足要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、對于翼緣與腹板交接點焊縫（1點），其折算應(yīng)力尚應(yīng)滿足下式要求：1.1—考慮最大折算應(yīng)力只在局部出現(xiàn)的強度增大系數(shù)。3.受軸力、彎矩和剪力聯(lián)合作用的對接焊縫軸力和彎矩作用下對接焊縫產(chǎn)生正應(yīng)力，剪力作用下產(chǎn)生剪應(yīng)力，其計算公式為：（3.2.4*）（3.2.5*）（3.2.6*）式中：§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算12

對于梁柱節(jié)點處的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪應(yīng)力均勻分布，其計算公式為：Aw——牛腿處腹板的焊縫計算面積。（3.2.5**）對接焊縫的計算除考慮焊縫長度是否減少，焊縫強度要否折減外，對接焊縫的計算方法與母材的強度計算完全相同。

§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算對接焊縫計算步驟確定荷載；進行截面應(yīng)力狀態(tài)分析；計算截面幾何特征值；強度驗算。確定最不利位置；不同作用情況下對接焊縫計算（矩形、I形）§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算驗算如圖所示的鋼板對接焊縫的連接。M=1008kN.m，V=240KN，鋼材Q235，E43焊條，手工焊，質(zhì)量等級為三級，采用引弧板。1.截面幾何特征值計算【例題3.3】【解】2501016161000MV1§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算2.焊縫強度計算驗算如圖所示牛腿與柱的對接焊縫連接。F=170kN，鋼材Q390，E55焊條，手工焊，質(zhì)量等級為三級，不采用引弧板。【例題3.4】961012190F160—120×12—200×10ba§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算9610121902.荷載計算F160ba1.截面幾何特征值計算【解】xx0961219010yc§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算3.焊縫強度驗算§3.2對接焊縫的構(gòu)造和計算1.角焊縫的形式3.4.1角焊縫的構(gòu)造§3.4角焊縫的構(gòu)造和計算角焊縫按截面形式（兩焊腳邊的夾角）可分為直角角焊縫和斜角角焊縫?！?.3角焊縫的構(gòu)造和計算

圖3.4.1直角角焊縫截面普通型平坡型凹面型直角角焊縫hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式hehfhf凹面式斜角角焊縫兩焊邊的夾角>90°或<90°的焊縫。通常用于鋼漏斗和鋼管結(jié)構(gòu)中。圖3.4.2斜角角焊縫截面（d）斜銳角焊縫（e）斜鈍角焊縫（f）斜凹面角焊縫hehehehf—焊腳尺寸；—焊腳邊的夾角；

he—有效厚度（破壞面上焊縫厚度）并有，he

＝hfcos/2§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算

（2）正面角焊縫：焊縫垂直于受力方向，應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜。焊縫截面各面都有正應(yīng)力和剪應(yīng)力，分布不均勻，焊縫根部形成高峰應(yīng)力，易于開裂。破壞強度高，但塑性差，彈性模量大。

（1）側(cè)面角焊縫：焊縫長度方向與受力方向平行，應(yīng)力分布簡單。主要承受剪應(yīng)力，彈性階段分布并不均勻，剪應(yīng)力兩端大，中間?。粡姸鹊?，彈性模量低，但塑性較好。角焊縫的工作性能圖3.3.3角焊縫的應(yīng)力分布§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算圖3.3.4角焊縫荷載與變形關(guān)系斜焊縫的受力性能和強度介于正面角焊縫和側(cè)面角焊縫之間。

q為試驗焊縫與試件水平方向的夾角。正面角焊縫的破壞強度比側(cè)面角焊縫高?！?.3角焊縫的構(gòu)造和計算2.構(gòu)造要求角焊縫的焊腳尺寸是指焊縫根腳至焊縫外邊的尺寸--hf（1）焊腳尺寸為了保證焊縫的最小承載能力以及防止焊縫由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂。a)最小焊腳尺寸(hf,min)§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算焊腳尺寸的限制焊縫計算長度的控制減小焊縫應(yīng)力集中的措施。手工焊角焊縫：t—較厚焊件的厚度。自動焊（溫度高而均勻）：焊件厚度t≤4mm時：取hfmin=tT形連接單面角焊縫（冷卻快）：hfmax≤1.2t

t—較薄焊件的板厚。

b)最大焊腳尺寸(hfmax)

對板件（厚度t

）邊緣的角焊縫（貼邊焊）

當(dāng)t≤6mm時，hfmax≤t

； 當(dāng)t＞6mm時，hfmax≤t-(1～2)mm

。

為了避免焊縫局部過熱，燒穿較薄的焊件，減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形。hf,max應(yīng)滿足以下要求:§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（2）角焊縫計算長度角焊縫計算長度（lw）取值lwmin≤lw

≤lwmax

焊腳尺寸的取值hfmin≤hf≤hfmax最小計算長度（lwmin）為了使焊縫能有一定的承載能力，根據(jù)使用經(jīng)驗，側(cè)面角焊縫和正面角焊縫的計算長度均不得小于：lwmin≥8hf

和40mm

考慮到焊縫兩端的缺陷，其實際長度應(yīng)較前述數(shù)值還要大2hflwmax≤60hf

若實際長度超過以上數(shù)值，則超過部分不納入計算長度中。若內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長分布時，計算長度不受此限制。

b)側(cè)焊縫最大計算長度（lwmax）§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（3）減小角焊縫應(yīng)力集中的措施tblw圖3.3.5側(cè)焊縫引起焊件拱曲為了避免焊縫橫向收縮引起板件的拱曲太大，兩側(cè)面角焊縫距離不宜過大。

b≤16t（t>12mm）或190mm（t≤12mm）；a)構(gòu)件端部僅有兩邊側(cè)縫連接時：試驗結(jié)果表明，連接的承載力與b/lw有關(guān)。為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，應(yīng)使：b

/lw≤1；b—兩側(cè)縫之間的距離；lw—側(cè)焊縫計算長度；t—較薄焊件的厚度。§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算

c)直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，角焊縫表面應(yīng)做成直線形或凹形，焊腳尺寸的比例：正面角焊縫宜為1:1.5，長邊與內(nèi)力方向一致；側(cè)面角焊縫可用直角焊縫為1:1。

b)僅用正面角焊縫的搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍或25mm。

d)當(dāng)焊縫端部在焊件轉(zhuǎn)角處時，應(yīng)將焊縫延續(xù)繞過轉(zhuǎn)角加焊2hf。避開起落弧發(fā)生在轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中。b)2hfa)2hf2hf圖3.3.7繞角焊縫§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算5t25圖3.3.6搭接連接§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算破壞面常發(fā)生在45°斜面上。側(cè)焊縫端焊縫3.4.2直角焊縫的基本計算公式1.焊縫的破壞面圖3.3.8直角角焊縫截面計算截面均取焊縫45°處有效截面（有效厚度×計算長度）焊縫有效高度he

＝0.7hf焊縫計算長度lw=每條焊縫長度-2hf2.有效截面上的應(yīng)力狀態(tài)圖3.3.9角焊縫有效截面上的應(yīng)力國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）推薦用式（3.3.1）確定角焊縫的極限強度dadacche

∥在外力作用下，直角角焊縫有效截面上有三個應(yīng)力：

—垂直于焊縫有效截面的正應(yīng)力

—垂直于焊縫長度的剪應(yīng)力

∥—平行于焊縫長度方向剪應(yīng)力

上式相當(dāng)于國產(chǎn)Q235鋼提出，其它鋼種公式左邊系數(shù)（1.7～3.0）式中：

fuw

--焊縫金屬的抗拉強度§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（3.3.3）ffw——角焊縫強度設(shè)計值我國《規(guī)范》采用了折算應(yīng)力公式，引入抗力分項系數(shù)后得角焊縫計算公式為：

出于偏于安全考慮，且與母材的能量強度理論的折算應(yīng)力公式一致，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（ECCS），將（3.3.1）的1.8改為3即：ffw由角焊縫抗剪條件確定，所以公式右邊相當(dāng)于角焊縫抗拉強度設(shè)計值?！?.3角焊縫的構(gòu)造和計算圖3.3.10直角角焊縫的計算

如圖所示承受互相垂直的Ny、Nx兩個軸心力作用的直角角焊縫，Ny垂直于焊縫長度方向產(chǎn)生平均應(yīng)力f，其在有效截面上引起的應(yīng)力值為：（3.3.4）

f

對于有效截面既不是正應(yīng)力也不是剪應(yīng)力，但可分解為

和。對直角角焊縫：3.實用計算方法§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算圖3.3.10直角角焊縫的計算沿焊縫長度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)力f。（3.3.5）§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算則直角角焊縫在各種應(yīng)力綜合作用下的計算公式為：（3.3.3）（3.3.6）f

——正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)。靜載時f

＝1.22，對直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，f

＝1.0

。

§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算正面角焊縫

f＝0，力N與焊縫長度方向垂直。側(cè)面角焊縫

f＝0，力N與焊縫長度方向平行。（3.3.7）（3.3.8）以上各式中：

he=0.7hf；lw—角焊縫計算長度，考慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其實際長度減去2hf?！?.3角焊縫的構(gòu)造和計算計算公式3.4.3角焊縫的計算1.軸心力（拉力、壓力和剪力）作用時角焊縫的計算

當(dāng)焊件受軸心力，且軸心力通過連接焊縫群的中心，焊縫的應(yīng)力可認為是均勻分布的。(1）用蓋板的對接連接A、僅采用側(cè)面角焊縫連接NNlwSlw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算B、采用三面圍焊連接NNlwlw’先計算正面角焊縫承擔(dān)的內(nèi)力Slw′－連接一側(cè)的正面角焊縫計算長度的總和再計算側(cè)面角焊縫的強度Slw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算(2）承受斜向軸心力的角焊縫NNxNyθff圖3.3.12軸心力作用下的角焊縫平行于焊縫長度方向的分力Ncos垂直于焊縫長度方向的分力Nsin

（3.3.9a）（3.3.9b）外力N和焊縫長度方向斜交，焊縫受到的力N被分解為：代入（3.3.6），得焊縫計算公式：→§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（3.3.10）取得：令：則斜焊縫的計算公式為：0°20°30°40°50°60°70°80～90°f1.001.021.041.081.121.141.201.22將f（斜角焊縫強度增大系數(shù)）作成表格§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（3）承受軸心力的角鋼端部連接

在鋼桁架中，角鋼腹桿與節(jié)點板的連接焊縫常用兩面?zhèn)群?，或三面圍焊，特殊情況也允許采用L形圍焊（如圖所示）。腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，焊縫所傳遞的合力的作用線應(yīng)與角鋼桿件的軸線重合。圖3.3.13桁架腹桿節(jié)點板的連接§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算NN1N2eb角鋼的側(cè)縫連接

a)僅用側(cè)面焊縫連接解上式得肢背和肢尖的受力為：（3.3.14）（3.3.15）

在N1、N2作用下，側(cè)縫的計算長度為：由平衡條件得：肢背肢尖K1—角鋼肢背焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)K2—角鋼肢尖焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)（3.3.16）（3.3.17）§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算表3.3.1角鋼角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)K對于校核問題:對于設(shè)計問題:§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算

b)角鋼用三面圍焊時，可減小角鋼的搭接長度?？上燃俣ㄕ娼呛缚p的焊腳尺寸hf3

，并算出它所能承受的內(nèi)力N3

：（3.3.11）（3.3.12）通過平衡關(guān)系得肢背和肢尖側(cè)焊縫受力為:（3.3.13）角鋼角焊縫圍焊的計算NN1N2ebN3lw2lw1§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（3.3.16*）（3.3.17*）c)當(dāng)采用L形圍焊時，令N2＝0，得：L形圍焊角焊縫計算公式為：（3.3.19）若求出的hf3大于hfmax

,則不能采用L形圍焊。（3.3.18）（3.3.20）§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算例題3.3

試設(shè)計用拼接蓋板的對接連接。已知鋼板寬B＝270mm，厚度t1=28mm，拼接蓋板的厚度t2=16mm。該連接承受的靜態(tài)軸心力N＝1400kN（設(shè)計值），鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算設(shè)計拼接蓋板的對接連接有兩種方法。一種方法是假定焊腳尺寸求得焊縫長度，再由焊縫長度確定拼接蓋板的尺寸；另一方法是先假定焊腳尺寸和拼接蓋板的尺寸，然后驗算焊縫的承載力。如果假定的焊縫尺寸不能滿足承載力要求時，則應(yīng)調(diào)整焊腳尺寸，再行驗算，直到滿足承載力要求為止。

[解]方法一

角焊縫的焊腳尺寸hf應(yīng)根據(jù)板件厚度確定：

由于此處的焊縫在板件邊緣施焊，且拼接蓋板厚度t2=16mm＞6mm，t2＜t1，則：

hfmax≤t-(1～2)mm=14～15mm取hf=10mmhfmin≥1.5(t)1/2，hfmin=7.9mm§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算方法2：采用菱形拼接蓋板。當(dāng)拼接板寬度較大時，采用菱形拼接蓋板可以減小角部的應(yīng)力集中，從而使連接的工作性能得以改善。設(shè)計時一般先假定拼接蓋板的尺寸再進行驗算。蓋板尺寸如圖所示：仍取hf=10mm§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算正面角焊縫：解：側(cè)面角焊縫：§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算斜角焊縫：此焊縫與作用力夾角連接一側(cè)焊縫所能承受的內(nèi)力：連接設(shè)計滿足要求例題3.4

試確定圖3.3.15所示承受靜態(tài)軸心力的三面圍焊連接的承載力及肢尖焊縫的長度。已知角鋼2∟125×10，與厚度為8mm的節(jié)點板連接，其搭接長度為300mm，焊腳尺寸hf=8mm，鋼材為Q235-B，手工焊，焊條為E43型。

解：角焊縫設(shè)計強度值K1=0.7，K2=0.3，lw3=b=125mm§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算正面角焊縫所能承受的內(nèi)力N3為：§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算

當(dāng)焊縫非軸心受力時，可以將外力作用分解為軸力、彎矩、剪力、扭矩等簡單受力情況，分別求出具各自的焊縫應(yīng)力，然后利用疊加原理，找出焊縫中受力最大的幾個點進行驗算。2.復(fù)雜受力時角焊縫連接計算§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet（1）受彎矩M

、剪力V

、軸力N聯(lián)合作用時角焊縫的計算——T形連接由軸心拉力Nx產(chǎn)生的應(yīng)力：由彎矩M產(chǎn)生的最大應(yīng)力：§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算A點產(chǎn)生的剪應(yīng)力：A點控制應(yīng)力最大為控制設(shè)計點A點產(chǎn)生的正應(yīng)力由兩部分組成：軸心拉力Nx和彎矩M產(chǎn)生的正應(yīng)力。直接疊加得：代入角焊縫實用計算公式（3.3.6）：xlwx0.7hf0.7hf有效截面§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（2）V、M共同作用下焊縫強度計算h1σf1σf2τfxxhh222’1h1MeFVM對于1點：假設(shè)：腹板焊縫承受全部剪力，全部焊縫承受彎矩（3.3.21）2點處：式中：Iw—全部焊縫有效截面對中性軸的慣性矩；

h1—兩翼緣焊縫有效截面最外纖維間的距離§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算工字梁（或牛腿）與鋼柱翼緣角焊縫的連接另一種計算方法是使焊縫傳遞應(yīng)力近似與材料所承受應(yīng)力相協(xié)調(diào)，即假設(shè)腹板焊縫只承受剪力，翼緣焊縫承擔(dān)全部彎矩，并將彎矩M化為一對水平力H=M/h。腹板焊縫的強度計算式：HH翼緣焊縫的強度計算式：V§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（3）三面圍焊受扭矩、剪力聯(lián)合作用時角焊縫的計算——搭接連接圖3.3.19承受偏心力的三面圍焊

Fe1rxahl2xxyyAA’0TVre將F向焊縫群形心簡化得:

軸心力V＝F扭矩

T=Fe故：該連接的設(shè)計控制點為A點和A’點計算時按彈性理論假定:①被連接件絕對剛性，它有繞焊縫形心O旋轉(zhuǎn)的趨勢，而焊縫本身為彈性。②扭距在角焊縫群上產(chǎn)生的任一點的應(yīng)力方向垂直于該點與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長度r成正比。③在軸心力V作用下，焊縫群上的應(yīng)力均勻分布?！?.3角焊縫的構(gòu)造和計算TxxyyrrxryA0θheTTfFA’T作用下A點應(yīng)力:Ip——為焊縫計算截面對形心的極慣性矩，Ip=Ix+IyIx，Iy——焊縫計算截面對x、y軸的慣性矩；rx、ry——為焊縫形心到焊縫驗算點在x、y方向的距離。軸力F產(chǎn)生的應(yīng)力按均勻分布計算，A點應(yīng)力:FA點垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力為:f，F(xiàn)，平行于焊縫長度方向的應(yīng)力為:T強度驗算公式：角焊縫計算步驟確定荷載；進行截面應(yīng)力狀態(tài)分析；確定焊腳尺寸，計算截面幾何特征值；強度驗算。確定最不利位置；§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算（3.3.7）（3.3.8）端縫側(cè)縫【解】例3.5計算圖示雙面角焊縫連接中的hf。已知連接承受動荷載，鋼材為Q235BF，焊條為E43。將外力F1，F(xiàn)2移向焊縫形心O，得：解得：hf

≥5.82mm，取

hf=6mm連接承受動力荷載：構(gòu)造要求：F1=180kNF2=240kN12090240t=8t=10§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算例3.6如圖所示鋼板與工字形柱的角焊縫T形連接，hf＝8mm，鋼板受斜向拉力F。鋼材為Q235B鋼，E43型焊條。求圖中e=0和e=5cm時，兩條角焊縫各能傳遞的靜載設(shè)計值F。oF435e2002001.焊縫有效截面的幾何性質(zhì)焊縫的有效截面面積：慣性矩：【解】焊縫的計算長度：截面模量：§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算2.焊縫截面上的有效應(yīng)力（e=5cm）把F分解成兩個分力并移至焊縫形心O處，焊縫實際受力為：水平軸心力剪力彎矩焊縫有效截面上應(yīng)力分量為：§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算當(dāng)e=5cm，焊縫強度應(yīng)滿足：可見當(dāng)連接存在偏心時將較大的降低其承載力3.求角焊縫所能傳遞的F當(dāng)e=0，M=0，焊縫強度應(yīng)滿足：§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算例3.6試設(shè)計如圖a所示牛腿和柱連接的角焊縫。已知F=420kN(靜力荷載），鋼材為Q235B，焊條為E43，手工焊。【解】采用如圖b所示沿牛腿周邊圍焊的角焊縫，且再轉(zhuǎn)角處連續(xù)施焊。為避免焊縫相交的不利影響，將牛腿的上下角切去r＝15mm的弧形缺口，因此可取焊縫的有效截面如圖c所示。力F在角焊縫形心處引起的剪力：V=420kN彎矩：M=Fe=420×0.3=126kN.m，由于牛腿翼緣豎向剛度低，故一般考慮剪力由腹板上兩條豎向焊縫承受，彎矩則由全部焊縫承受。fBfAfB(a)(b)(c)F1.焊縫有效截面的幾何性質(zhì)取兩條豎向焊縫的有效截面面積：全部焊縫有效截面對x軸的慣性矩：全部焊縫有效截面模量：§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算2.焊縫強度驗算B點，承受由彎矩和剪力共同作用滿足A點承受由彎矩產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力滿足§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算例3.7試設(shè)計如圖所示厚度為12mm支托板與柱翼緣搭接連接的角焊縫。已知F=100kN(靜力荷載），鋼材為Q235B，焊條為E43，手工焊。【解】采用圖示三面圍焊

TffFFAX=21.1§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算A1.焊縫有效截面的幾何性質(zhì)焊縫有效截面的形心位置§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算

TffFA2.焊縫強度驗算(A點)滿足§3.3角焊縫的構(gòu)造和計算§3.5焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.5.1焊接殘余應(yīng)力和變形的原因1.焊接殘余應(yīng)力的分類

▲縱向焊接應(yīng)力：長度方向的應(yīng)力▲橫向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力；▲厚度方向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。

§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm施焊時焊縫附近達1600℃以上，而鄰近區(qū)域溫度驟降。焊縫周圍產(chǎn)生不均勻溫度場焊縫處鋼材受熱伸長，但受兩側(cè)低溫區(qū)域的限制產(chǎn)生熱塑性壓縮；焊縫冷卻時收縮又受到限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力；拉應(yīng)力大小可達鋼材屈服點fy;

遠離焊縫區(qū)域產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力，焊件內(nèi)應(yīng)力自相平衡。（1）縱向焊接殘余應(yīng)力2.焊接殘余應(yīng)力的成因-----++（2）橫向焊接殘余應(yīng)力焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形的趨勢，在焊縫處中部受拉，兩端受壓；先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性壓縮變形；焊縫冷卻，后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生拉應(yīng)力，先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)；橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成?！?.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx-++施焊方向(e)xy-+-施焊方向(f)yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。-+-321σxσyσz冷卻時外圍焊縫散熱快先冷固，內(nèi)層焊縫收縮受限制產(chǎn)生沿厚度方向的拉應(yīng)力，外部則產(chǎn)生壓應(yīng)力?！?.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形因此除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力x

，y外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力z

，這三種應(yīng)力形成同號三向拉應(yīng)力，大大降低連接的塑性。在施焊時，由于不均勻的加熱和冷卻，焊區(qū)的縱向和橫向受到熱態(tài)塑性壓縮，使構(gòu)件產(chǎn)生變形。表現(xiàn)主要有：圖3.4.4焊接變形§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形橫向收縮彎曲變形角變形波浪變形扭曲變形3.焊接殘余變形的產(chǎn)生（1）對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響σ+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達到fy，即N=Ny時：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力不會影響結(jié)構(gòu)的靜力強度+--fyσbBt3.5.2焊接應(yīng)力和變形對結(jié)構(gòu)工作性能的影響1.焊接應(yīng)力的影響§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形NcNtNN（2）對結(jié)構(gòu)剛度的影響當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作用下應(yīng)變增量為：σ+--bfyNN+--fyσNNbBt1>

2當(dāng)截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時，在N作用下應(yīng)變增量為：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)變形增大，即降低了結(jié)構(gòu)的剛度?！?.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（3）對低溫冷脆的影響（4）對疲勞強度的影響

對于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力，阻礙塑性的發(fā)展，使裂縫容易發(fā)生和發(fā)展，增加了鋼材低溫脆斷傾向。所以，降低或消除焊接殘余應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要措施。

在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達到鋼材的屈服強度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞強度有明顯的不利影響。

對于軸心受壓構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力。（5）對壓桿穩(wěn)定的影響§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接應(yīng)力的影響

▲常溫下不影響結(jié)構(gòu)的靜力強度；

▲增大結(jié)構(gòu)的變形，降低結(jié)構(gòu)的剛度；

▲降低疲勞強度；

▲在厚板或交叉焊縫處產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，阻礙了塑性 變形，在低溫下使裂紋易發(fā)生和發(fā)展；

▲降低壓桿的穩(wěn)定性。2.焊接變形的影響▲焊接變形若超出驗收規(guī)范規(guī)定，需花許多工時去矯正；▲影響構(gòu)件的尺寸和外形美觀，還可能降低結(jié)構(gòu)的承載力，引起事故。§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.5.3減少焊接應(yīng)力和變形的措施1.合理的焊縫設(shè)計（1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式（2）合理的安排焊縫的位置（3）盡量避免焊縫的過分集中和交叉（4）盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形圖3.4.5減小焊接殘余應(yīng)力的設(shè)計措施（1）采用合理的施焊順序和方向;（2）采用反變形法減小焊接變形或焊接應(yīng)力;（3）錘擊或碾壓焊縫使焊縫得到延伸;（4）小尺寸焊件，應(yīng)焊前預(yù)熱或焊后回火處理。2.合理的工藝措施§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形圖3.4.5減小焊接殘余變形的工藝措施螺栓規(guī)格精制螺栓粗制螺栓分類A級和B級C級強度等級5.6級和8.8級4.6級和4.8級加工方式車床上經(jīng)過切削而成單個零件上一次沖成加工精度螺桿與栓孔直徑之差為0.25～0.5mm螺桿與栓孔直徑之差為1.5～3mm受力特點抗剪差、抗拉好抗剪抗拉均好經(jīng)濟性能價格高價格經(jīng)濟用途構(gòu)件精度很高的結(jié)構(gòu)（機械結(jié)構(gòu)）；在鋼結(jié)構(gòu)中很少采用沿螺栓桿軸受拉的連接；次要的抗剪連接；安裝的臨時固定§3.6普通螺栓連接的構(gòu)造和計算注：A、B兩級的區(qū)別只是尺寸不同。A級用于d≤24mm,l≤150mm的螺栓，B級用于d>24mm,l>150mm

螺栓。

§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算常用螺栓直徑為d=16，20，24mm，用M表示，如M16。螺栓符號螺栓孔為d0=d+1.5～3mmM12、M16大1.5mm，M18、M20、M22

、M24大2mm，M27、M30大3mm3.6.1螺栓的排列和構(gòu)造要求

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。排列的方式有并列排列和錯列排列兩種。圖3.5.1螺栓的排列方式1.螺栓的排列并列比較簡單整齊，所用連接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，對構(gòu)件截面的削弱較大；錯列可以減小螺栓孔對截面的削弱，但螺栓空排列不如并列緊湊，連接板尺寸較大?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算(1)受力要求

下限：防止孔間板破裂≥3d0上限：防止板間張口和鼓曲。b）螺孔中心距限制a）端距限制——防止孔端鋼板剪斷，≥2d0

；中心距太大<2d端距過?。?）構(gòu)造要求

螺栓的中距及邊距過大，則構(gòu)件接觸面不夠緊密，潮氣易侵入縫隙而發(fā)生銹蝕。（3）施工要求

要保證有一定的空間，以便轉(zhuǎn)動扳手，擰緊螺母?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算端距邊距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距端距中距邊距線距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0邊距

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的螺栓最大、最小容許間距，排列螺栓時宜按最小容許間距取用，且宜取5mm的倍數(shù)，并按等距離布置，以縮小連接的尺寸。最大容許間距一般只在起連系作用的構(gòu)造連接中采用?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算為了保證連接的可靠性，每個桿件的節(jié)點或拼接接頭一端不宜少于兩個永久螺栓；2.螺栓的其它構(gòu)造要求直接承受動荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽，或其他措施以防螺帽松動；C級螺栓宜用于沿桿軸方向的受拉連接，以下情況可用于抗剪連接：

①

承受靜載或間接動載的次要連接；

②

承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接；

③

臨時固定構(gòu)件的安裝連接。沿桿軸方向受拉螺栓連接的端板，應(yīng)適當(dāng)加大剛度，以減小撬力對螺栓抗拉承載力的不利影響?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算3.6.2普通螺栓的受剪連接

螺栓連接的受力形式分為：只受剪力，只受拉力。有時受剪力和拉力的共同作用。

FNFA

剪力螺栓B

拉力螺栓C剪力和拉力共同作用受力垂直螺桿，承剪、承壓。連接件有錯動趨勢受力平行螺桿，承拉連接件有脫開趨勢§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算NNabNN/2N/21.受剪連接的工作性能抗剪螺栓連接受力后，首先由構(gòu)件間的摩擦力來傳遞外力。當(dāng)外力增大超過極限摩擦力后，構(gòu)件間相對滑移，螺桿開始接觸構(gòu)件的孔壁而受剪，孔壁則受壓。圖3.5.2單個螺栓抗剪試驗結(jié)果§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算圖3.5.3受剪螺栓的破壞情況螺桿被剪斷；b)連接件孔壁擠壓破壞；c)鋼板拉斷；d)鋼板沖剪破壞；e)螺桿彎曲破壞。2.受剪螺栓的破壞形式a)AB栓桿較細而板件較厚時b)BA栓桿較粗而板件較薄時c)A截面削弱過多時d)35o35oa1A端矩過小時；端矩≥2d0e)A板過厚螺栓桿過長；栓桿長度＜5da)、b)、c)通過計算解決d)、e)通過構(gòu)造解決§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算單個剪力螺栓的設(shè)計承載力：受剪承載力設(shè)計值：承壓承載力設(shè)計值：d3.單個普通螺栓的受剪計算剪力螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況，故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定:（3.5.1）（3.5.2）假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力均勻分布；假定擠壓力沿栓桿直徑平面（實際上是相應(yīng)于栓桿直徑平面的孔壁部分）均勻分布驗算：§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算受剪承載力設(shè)計值：承壓承載力設(shè)計值：t1<t2

,Σt=t1t1t2t1t2t3t2<t1+t2

,Σt=t2d+b<a+c+e

,Σt=b+d圖3.5.4剪力螺栓的剪面數(shù)和承壓厚度§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算螺栓直徑承壓設(shè)計強度剪面數(shù)目螺栓抗剪設(shè)計強度承壓構(gòu)件一側(cè)總厚度的較小值N/2Nl1N/2試驗證明,栓群在軸力作用下各個螺栓的內(nèi)力沿螺栓群長度方向不均勻，兩端大,中間小。

當(dāng)l1≤15d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)后，內(nèi)力重新分布，各個螺栓內(nèi)力趨于相同，故設(shè)計時假定N由各螺栓平均分擔(dān)。4.普通螺栓群抗剪連接計算（1）普通螺栓群軸心受剪計算

連接一側(cè)所需螺栓數(shù)為：(3.5.3)§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算平均值螺栓的內(nèi)力分布彈性階段塑性階段ECCS我國規(guī)范試驗曲線8.8級

M221.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長連接螺栓的內(nèi)力分布當(dāng)連接長度l1>15d0(d0為孔徑)時，各個螺栓內(nèi)力難以均勻，端部螺栓受力最大首先破壞，然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強度折減系數(shù)與l1/d0的關(guān)系曲線。則連接所需栓數(shù)：(3.5.5)§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算因此《規(guī)范》采用承載力折減系數(shù)考慮螺栓群受力不均。NNbtt1b1普通螺栓群軸心力作用下，為了防止板件被

拉斷尚應(yīng)進行板件的凈截面驗算。拼接板的危險截面為2-2截面:A、螺栓采用并列排列時:主板的危險截面為1-1截面:1122NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用錯列排列時:主板的危險截面為1--1和1’--1’截面:111’1’NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險截面為2--2和2’--2’截面:222’2’FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F（2）普通螺栓群在扭矩作用下F作用下每個螺栓受力：基本假設(shè)

①連接件絕對剛性,螺栓彈性；

②

T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動，各螺栓剪力大小與螺栓至形心的距離ri成正比，方向與它和形心的連線垂直?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算V=FT=Fe（a）TxyN1TN1TxN1Tyr11顯然，T作用下‘1’號螺栓所受剪力最大（r1最大）?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算根據(jù)平衡條件得：（c）

將（c）式代入（a），得用N1T表達的T式：

由各螺栓剪力與r成正比：（b）由各剪力都用N1表示：螺栓1離形心最遠是危險螺栓,最大剪力N1T:將N1T它分解為水平和豎直分力：（3.5.8）xi—第i個螺栓中心的x坐標(biāo)，yi—第i個螺栓中心的y坐標(biāo)yoxx11r1y1(3.5.7)yoxx11r1y1如果y1≥3x1，則可假定xi=0

。由此得N1Ty=0，§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算如果x1≥3y1，則可假定yi=0

。由此得N1Tx=0，則計算式為：FeTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F（3）普通螺栓群在扭矩，剪力，軸心力作用下§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算V=FT=FeNN例3.10設(shè)計如圖普通螺栓連接。柱翼緣板厚度為10mm，連接板厚度為8mm，鋼材為Q235-B，荷載設(shè)計值F=150kN，偏心距e＝250mm。若螺栓排列為豎向排距2x1＝120mm，豎向行距y1＝80mm，豎向端距為50mm，試選C級螺栓規(guī)格。為求螺栓直徑，首先確定C級螺栓的抗剪和承壓強度設(shè)計值。由附表得：fvb＝140N/mm2,fcb=305N/mm2則分別由公式求出所需螺栓直徑：3.5.3普通螺栓的受拉連接1.普通螺栓受拉的工作性能b)試驗證明影響撬力的因素較多，其大小難以確定，規(guī)范將螺栓的抗拉強度設(shè)計值降低20％來考慮撬力的影響，取ftb=0.8f（f—螺栓鋼材的抗拉強度設(shè)值）。a)

螺栓受拉時，一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞，即螺桿并非軸心受拉，當(dāng)連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開的趨勢（杠桿作用），使螺桿中的拉力增加（撬力Q）并產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。連接件剛度越小撬力越大。圖3.5.6受拉螺栓的撬力§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算c)

在構(gòu)造上可以通過加強連接件的剛度的方法，來減小杠桿作用引起的撬力，如設(shè)加勁肋，可以減小甚至消除撬力的影響?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算加勁肋圖3.5.7翼緣加強的措施§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算dedndmd2.單個普通螺栓受拉承載力（3.5.11）Ntb——單個螺栓抗拉承載力；Ae

——螺栓螺紋處的有效面積；de——螺栓有效直徑；

ftb

——螺栓的抗拉強度設(shè)計值。假定拉應(yīng)力在螺栓螺紋處截面上均勻分布，則一個拉力螺栓的承載力設(shè)計值：（1）栓群軸心受拉

當(dāng)外力通過螺栓群形心時，一般假定每個螺栓均勻受力，因此連接所需的螺栓數(shù)目為：（3.5.13）（3.5.11）3.普通螺栓群受拉N§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸(2）栓群承受彎矩作用M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計，其假定為：

①連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；

②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成正比?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸顯然‘1’號螺栓在M作用下所受拉力最大由力學(xué)及假定可得：§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算將式(c)代入式(b)得:由式(a)得:因此，設(shè)計時只要滿足下式即可：螺栓i的拉力:

即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超過一個螺栓的抗拉承載力設(shè)計值§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算M1234圖3.5.10螺栓群偏心受拉刨平頂緊承托(板)NeV(3）在彎矩和軸力共同作用下①

當(dāng)M/N較小時，所有螺栓均承受拉力作用，構(gòu)件B繞螺栓群的形心O轉(zhuǎn)動。螺栓群的最大和最小螺栓受力為：（3.5.15a）（3.5.15b）當(dāng)

Nmin>0

，則表示所有螺栓受拉，螺栓群繞形心軸旋轉(zhuǎn)。②

當(dāng)Nmin<0

時，由于M/N較大，構(gòu)件B繞A點（底排螺栓）旋轉(zhuǎn)趨勢，偏于安全取中和軸位于最下排螺栓O’處，受拉力最大的螺栓要求滿足：§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算O’3.5.4剪－拉螺栓群的計算同時承受剪力和拉力作用的普通螺栓有兩種可能破壞形式：一是螺栓桿受剪受拉破壞；二是孔壁承壓破壞。圖3.5.12剪－拉聯(lián)合作用的螺栓圖3.5.13剪力和拉力的相關(guān)曲線試驗研究結(jié)果表明，兼受剪力和拉力的螺桿分別除以各自單獨作用的承載力，所得的相關(guān)關(guān)系近似為圓曲線。§3.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算規(guī)范規(guī)定：同時承受剪力和桿軸方向拉力的普通螺栓，應(yīng)分別符合下列公式的要求：

驗算剪-拉聯(lián)合作用：（3.5.17）（3.5.18）驗算孔壁承壓：Nvb——單個螺栓抗剪承載力設(shè)計值；Ncb——單個螺栓承壓承載力設(shè)計值Ntb——單個螺栓抗拉承載力設(shè)計值；Nv

、Nt——單個螺栓承受的最大剪力和拉力?！?.5普通螺栓連接的構(gòu)造和計算例3.7驗算如圖所示，普通螺栓連接。N=349.5kN，M=17.475kN.m。M22，B級，鋼材Q235。單個螺栓抗拉承載力【解】支托505075757575

506010NM強度驗算先假設(shè)小偏心，以眾栓形心計例3.8

驗算如圖所示，普通螺栓連接。V=233kN，

N=349.5kN，M=17.475kNm。M22，B級，鋼材Q235。單個螺栓抗拉承載力【解】強度驗算支托505075757575

6010NMV50支托505075757575

6010NMV50先假設(shè)小偏心，以眾栓形心計例3.10

驗算如圖所示端板和柱翼緣間普通螺栓的連接強度。普通螺栓4.6級，M22，孔徑24mm。NMoN1N=245kNa)N=245kNo’柱翼緣節(jié)點板端板N1b)

計算模型可為（a圖）或（b圖）。

a圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在螺栓群的形心處稱小偏心；b圖彎曲轉(zhuǎn)動中心在端板上1號螺栓處，稱大偏心。

§3.5高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算[計算]

1.內(nèi)力計算N=245kN，e=13cm，M=Ne=245×13=3185kN-cm2.單個螺栓的抗拉承載力：查P383附表1.4，ftb=170N/mm2查P455附表9.2，Ae=303mm2（M22螺栓有效截面面積）

3.算危險螺栓拉力設(shè)每排螺栓有兩列，m=2一共6排螺栓，螺栓總數(shù)12，n=12

判斷大小偏心：§3.5高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算此連接屬大偏心受拉，構(gòu)件應(yīng)繞頂排螺栓轉(zhuǎn)動。N=245kNo’柱翼緣節(jié)點板端板N1b)滿足例3.11

驗算如圖所示普通螺栓連接強度。螺栓M20，孔徑21.5mm，材料為Q235。

步驟1計算螺栓上的力

N=100×3/5=60kN

V=100×4/5=80kN

分析螺栓受力狀態(tài)荷載P通過螺栓截面形心O，分解后得剪力V和拉力N，螺栓處于既受拉又受剪的狀態(tài)。P=100kN543o[計算]Nv=V/n=80/4=20kNNt=N/n=60/4=15kN

步驟3用相關(guān)公式驗算強度

步驟2計算螺栓抗拉、抗剪承載力設(shè)計值V=80N=60Nv=20kN＜Ncb=20×20×305×10-3=122kN滿足設(shè)計要求

Ntb=Aeftb=244.8×170×10-3=41.6kN

Nvb=nv×(d2/4)×fvb=1×3.14×202/4×130×10-3=31.9kN§3.6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算3.6.1高強度螺栓的工作性能和構(gòu)造要求§3.6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算強度等級采用鋼材8.8級45號鋼、40B鋼10.9級20MnTiB鋼、35VB鋼按材料分類按受力特征分類受力特征承載力極限狀態(tài)安裝孔徑應(yīng)用特點摩擦型外力達到板件摩擦力d0=d+1.5~2剪切變形小，耐疲勞，動載下不易松動承壓型外力超過摩擦力栓桿受剪板件承壓d0=d+1.0~1.5承載力比摩擦型大，剪切變形大，一般不用于直接動載情況1.高強度螺栓連接工作性能1)按受力特征的不同高強度螺栓分為兩類由于高強度螺栓連接有較大的預(yù)拉力，從而使被連接件中有很大的預(yù)壓力，當(dāng)連接受剪時，主要依靠摩擦力傳力的高強度螺栓連接的抗剪承載力可達到1點。通過1點后，連接產(chǎn)生了滑移，當(dāng)栓桿與孔壁接觸后，連接又可繼續(xù)承載直到破壞。高強度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/2對于高強度螺栓摩擦型連接，其破壞準(zhǔn)則為板件發(fā)生相對滑移，因此其極限狀態(tài)為1點，所以1點的承載力即為一個高強度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力。對于高強度螺栓承壓型連接，允許接觸面發(fā)生相對滑移，破壞準(zhǔn)則為連接達到其極限狀態(tài)4點，所以高強度螺栓承壓型連接的單栓抗剪承載力計算方法與普通螺栓相同?！?.6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算（1）高強度螺栓預(yù)拉力的建立方法2.高強度螺栓連接的構(gòu)造要求①大六角頭螺栓的預(yù)拉力控制方法有：

a.力矩法

初擰——用力矩扳手擰至終擰力矩的30%~50%，使板件貼緊密；終擰——初擰基礎(chǔ)上，按100%設(shè)計終擰力矩擰緊。

特點：簡單、易實施，但得到的預(yù)拉力誤差較大。為了保證通過摩擦力傳遞剪力，高強度度螺栓的預(yù)拉力P的準(zhǔn)確控制非常重要。b.轉(zhuǎn)角法

初擰——用普通扳手擰至不動，使板件貼緊密；

終擰——初擰基礎(chǔ)上用長扳手或電動扳手再擰過一定的角度，一般為120o~180o完成終擰。

特點：預(yù)拉力的建立簡單、有效，但要防止欠擰、漏擰和超擰?！?.6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算②

扭斷螺栓桿尾部法（扭剪型高強度螺栓）初擰——擰至終擰力矩的60%~80%；終擰——初擰基礎(chǔ)上，以扭斷螺栓桿尾部為準(zhǔn)。特點：施工簡單、技術(shù)要求低易實施、質(zhì)量易保證等。高強度螺栓的施工要求：由于高強度螺栓的承載力很大程度上取決于螺栓桿的預(yù)拉力，因此施工要求較嚴格：①終擰力矩偏差不應(yīng)大于±10%；②如發(fā)現(xiàn)欠、漏和超擰螺栓應(yīng)更換；③擰固順序先主后次，且當(dāng)天安裝，當(dāng)天終擰完。如工字型梁為：上翼緣→下翼緣→腹板?！?.6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算Ae—螺紋處有效截面積；fu—螺栓熱處理后的最抵抗拉強度；8.8級，取fu=830N/mm2，

10.9級，取fu=1040N/mm2（2）高強度螺栓預(yù)拉力的確定高強螺栓的預(yù)拉力設(shè)計值由下式確定

考慮材料的不均勻性的折減系數(shù)0.9；為防止施工時超張拉導(dǎo)致螺桿破壞的折減系數(shù)0.9；

考慮擰緊螺帽時，螺栓桿上產(chǎn)生的剪力對抗拉強度的降低除以系數(shù)1.2?！?.6高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算由于高強度螺栓材料無明顯的屈服點，用抗拉強度fu代替fy的附加安全系數(shù)0.9。螺栓的性能等級螺栓公稱直徑（mm）M16M20M22M24M27M308.8級8012515017523028010.9級100155190225290355表3.9高強螺栓的預(yù)拉力