鋼結構設計原理 課件 第3章 鋼結構的連接

第3章鋼結構的連接第3章鋼結構的連接第3章鋼結構的連接主要內容：連接的分類及特點對接焊縫連接設計角焊縫連接設計焊接殘余應力及殘余變形普通螺栓連接設計高強螺栓連接設計學習重點難點：角焊縫連接設計普通螺栓及高強螺栓連接設計第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點按結構材料劃分木結構石結構混凝土結構鋼結構其他材料結構第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點5項原則安全可靠傳力明確構造簡單安裝方便節(jié)約鋼材鉚接栓接焊接第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點主要連接方式a)NNNNc)NNb)螺栓連接鉚釘連接焊接連接第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點連接的要求：足夠的強度、剛度和延性圖3-1鋼結構的連接方法對幾何形體適應性強，構造簡單，不削弱截面，省材省工，易于自動化，工效高焊接殘余應力大且不易控制，焊接變形大對材質要求高，焊接程序嚴格，質量檢驗工作量大傳力可靠，韌性和塑性好，質量易于檢查，抗動力荷載好費鋼、費工,逐漸被高強螺栓取代普通螺栓：裝卸便利，設備簡單普通螺栓：精度低時不宜受剪，精度高時加工和安裝難度較大高強螺栓：加工方便，對結構削弱少，可拆換，承受動荷載，耐疲勞，塑性、韌性好高強螺栓：摩擦面處理，安裝工藝略為復雜，造價略高第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點連接類型焊接對接焊縫角焊縫鉚接栓接普通螺栓高強螺栓承壓型摩擦型第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點對接焊縫沿板厚填充承載面按最小板厚計算板件開坡口疲勞性能好角焊縫按焊腳高度填充承載面按有效高度計算不開坡口疲勞性能差第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點普通螺栓Q2354.6和4.8級螺桿受拉或受剪板件有相對位移施工簡單疲勞性能差高強螺栓承壓型45#鋼、合金鋼8.8和10.9級螺桿受拉、剪板件有相對位移工序復雜疲勞性能差高強螺栓摩擦型45#鋼、合金鋼8.8和10.9級螺桿受拉板件無相對位移工序復雜疲勞性能好第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點3.1.1焊縫連接（welded

connection）

焊條與局部焊件熔化、冷卻，凝結成焊縫。是現代鋼結構最主要的連接方法。（1）焊接方法電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和電阻焊第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點（1）手工電弧焊原理：利用電弧產生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

圖3.1.2手工電弧焊

焊機導線熔池焊條焊鉗保護氣體焊件電弧優(yōu)點：方便，適用于任意空間位置的焊接，特別適用于在高空和野外作業(yè)，小型焊接。缺點：質量波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，生產效率低。第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點A、焊條的選擇：焊條應與焊件鋼材（主體金屬）相適應。Q420鋼、Q460鋼選擇E55E60型焊條Q345鋼、Q390鋼選擇E50E55型焊條Q235鋼選擇E43型焊條B、焊條的表示方法：E—焊條(Electrode)第1、2位數字為熔敷金屬的最小抗拉強度（kgf/mm2)第3、4表示適用焊接位置、電流及藥皮的類型。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強度鋼材相適應的焊條。第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點（2）埋弧焊（自動或半自動）電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊方法。、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件圖3.1.3埋弧自動焊機器優(yōu)點：自動化程度高，焊接速度快，勞動強度低，焊接質量好。缺點：設備投資大，施工位置受限。焊絲的選擇應與焊件等強度。第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點（3）氣體保護焊

利用焊槍噴出的CO2或其他惰性氣體代替焊劑的電弧溶焊方法。直接依靠保護氣體在電弧周圍形成保護層，以防止有害氣體的侵入。

優(yōu)點：沒有熔渣，焊接速度快，焊接質量好。缺點：施工條件受限制，不適用于在風較大的地方施焊。（4）電阻焊

利用電流通過焊件接觸點表面的電阻所產生的熱量來溶化金屬，再通過壓力使其焊合。適用于板疊厚度不大于12ｍｍ的焊接。

*構造簡單，任何形式的構件都可直接相連；*用料經濟，不削弱截面；*制作加工方便，可實現自動化操作；*連接的密閉性好，結構剛度大，整體性好。

焊接的缺點*焊縫附近有熱影響區(qū)，鋼材的金相組織發(fā)生改變，導致局部材質變脆；*焊接的殘余應力使結構易發(fā)生脆性破壞、降低壓桿穩(wěn)定的臨界荷載，殘余變形使結構形狀、尺寸發(fā)生變化；*焊接裂縫一經發(fā)生，便容易擴展到整體；*低溫冷脆問題較為突出。焊接的優(yōu)點3.1連接的分類及特點第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點焊縫連接型式：對接、搭接、T形連接和角接（2）焊縫連接形式和焊縫種類第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點受力特點：對接焊縫和角焊縫焊縫形式角焊縫被連接板件2對接焊縫對接焊縫被連接板件1鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure對接焊縫按受力與焊縫方向分：

1）正對接焊縫(a)：作用力方向與焊縫方向正交。

2）斜對接焊縫(b)：作用力方向與焊縫方向斜交。角焊縫按受力與焊縫方向分：

1）正面角焊縫(c)：作用力方向與焊縫長度方向垂直。

2）側面角焊縫(c)：作用力方向與焊縫長度方向平行。

3）斜焊縫（c）：作用力方向與焊縫方向斜交。3.1連接的分類及特點1）對接焊縫正對接焊縫T型對接焊縫

斜對接焊縫2）角焊縫3.1連接的分類及特點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、滅弧處容易引起應力集中。平焊、立焊、橫焊和仰焊。

焊縫按施工位置分為施焊位置a)焊條平焊d)仰焊b)立焊c)橫焊3.1連接的分類及特點第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點焊縫缺陷：裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透，焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等（3）焊縫缺陷及質量控制

焊縫缺陷指焊接過程中產生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內部的缺陷。第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點焊縫質量檢驗方法：外觀檢查、超聲波探傷檢驗、X射線檢驗。

焊縫質量分三級:一級焊縫需經外觀檢查、超聲波探傷、x射線檢驗都合格；二級焊縫需外觀檢查、超聲波探傷合格；三級焊縫需外觀檢查合格?！朵摻Y構設計規(guī)范GB50017》規(guī)定，焊縫應根據結構的重要性、荷載特性、焊縫形式、工作環(huán)境以及應力狀態(tài)等情況，分別選用不同的質量等級。第三章連接（3）焊縫質量等級及選用

《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017--2017）中，對焊縫質量等級的選用有如下規(guī)定：1）需要進行疲勞計算的構件中，垂直于作用力方向的橫向對接焊縫受拉時應為一級，受壓時應為二級。平行于作用力方向的縱向對接焊縫應為二級。2）在不需要進行疲勞計算的構件中，凡要求與母材等強的受拉對接焊縫應不低于二級；受壓時宜為二級。

3）重級工作制和起重量Ｑ＞50t的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的Ｔ形接頭焊透的對接與角接組合焊縫，質量不應低于二級。4）角焊縫質量等級一般為三級，但對直接承受動力荷載且需要驗算疲勞和起重量Q＞50t的中級工作制吊車梁的角焊縫的外觀質量應符合二級。第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點作用：表明焊縫型式、尺寸和輔助要求表示方法：由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成（4）焊縫的表示方法第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點3.1.2緊固件連接（1）鉚釘連接（riveted

connections）

制造分熱鉚和冷鉚材料有ML2和ML3釘孔分Ⅰ、Ⅱ兩類（2）螺栓連接（bolted

connections）

性能分A、Ｂ、C三級螺栓A5.6級屈強比抗拉強度第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點（3）高強螺栓連接（high-strength

bolted

connections）

采用高強度鋼，45號中碳鋼、20MnTiB低合金鋼制成。高強螺栓等級有8.8級和10.9級高強螺栓按承載能力極限狀態(tài)分為：摩擦型和承壓型鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure精制螺栓粗制螺栓代號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抗剪性能好較差經濟性能價格高價格經濟用途構件精度很高的結構（機械結構）；在鋼結構中很少采用沿螺栓桿軸受拉的連接；次要的抗剪連接；安裝的臨時固定鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure

高強度螺栓是高強螺桿和配套螺母的合稱。由45號、40B和20MnTiB鋼經過熱處理加工而成。

45號－8.8級；40B和20MnTiB－10.9級

（a）大六角頭螺栓（b）扭剪型螺栓鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure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拉力把被連接的部件夾緊，使部件的接觸面間產生很大的摩擦力，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構連接緊湊，但剪切變形大，不得用于承受動力荷載的結構高強度螺栓摩擦型連接和承壓型連接比較連接方法優(yōu)點缺點焊接對幾何形體適應性強，構造簡單，省材省工，易于自動化，工效高。焊接殘余應力大且不易控制，焊接變形大。對材質要求高，質量檢驗工作量大。鉚接傳力可靠，韌性和塑性好，質量易于檢查，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，對結構削弱少，能承受動力荷載，耐疲勞，塑性、韌性好。摩擦面處理，安裝工藝略為復雜，造價略高主要連接方法及優(yōu)缺點對接焊縫分類：

1）正對接焊縫：作用力方向與焊縫方向正交。

2）斜對接焊縫：作用力方向與焊縫方向斜交。3.2對接焊縫設計正對接焊縫T型對接焊縫

斜對接焊縫第3章鋼結構的連接判別標準填充范圍有無坡口承載面對接焊縫角焊縫第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫設計什么是坡口？坡口是根據設計或工藝要求，將焊件待焊部位加工成一定幾何形狀的溝槽。透保證根部焊透清方便清理焊渣調調節(jié)焊縫金屬比例形獲得良好焊縫形狀為什么要開坡口？3.2.1對接焊縫的構造

第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫設計3.2.1對接焊縫的構造

坡口形式I形單V形V形X形K形U形墊板墊板墊板根部加墊板對接焊縫的引弧板引弧板3.2對接焊縫設計3.2.1對接焊縫的構造

用料經濟傳力均勻無明顯的應力集中利于承受動力荷載需開坡口焊件長度要求精確3.2對接焊縫設計第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫設計3.2.1對接焊縫的構造

不同寬度或厚度的鋼板拼接第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫設計3.2.2對接焊縫的計算

計算原則：對接焊縫全截面受力，計算方法與構件強度計算相同對接焊縫的抗壓、抗剪強度與母材相同一、二級對接焊縫的抗拉強度與母材相同受拉力作用的三級焊縫抗拉強度取母材強度的85%不采用引弧板時，焊縫計算長度取實際長度減2倍薄板厚度第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫連接設計3.2.2對接焊縫的計算

（1）軸心受力的對接焊縫第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫連接設計3.2.2對接焊縫的計算

（2）受彎剪作用的對接焊縫第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫連接設計3.2.2對接焊縫的計算

（3）例題NVM

1

1

.1202036010200牛腿與鋼柱間連接的對接焊縫，鋼材Q235BF，焊條E43型，手工焊，焊縫質量三級。驗算焊縫強度。偏心力N=400kN（間接動力荷載引起），e=25cm。第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫連接設計V=N=400kN,M=Ne=400×25=10000kN-cm(2)強度驗算①確定焊縫強度設計值查《規(guī)范》，ftw=185,fvw=125(書p.248,附表1.2)②最大應力驗算

解：（1）計算截面幾何量與外力第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫連接設計③折算應力驗算1點彎曲正應力和剪應力1點折算應力滿足驗算要求。（3）受軸力、彎矩和剪力聯合作用的對接焊縫

軸力和彎矩作用下對接焊縫產生正應力，剪力作用下產生剪應力，其計算公式為：

同樣對于工字形、箱形截面，還要計算腹板與翼緣交界處的折算應力，其公式為：

式中3.2對接焊縫連接設計第三章連接

對于梁柱節(jié)點處的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪應力均勻分布，其計算公式為：Aw——牛腿處腹板的焊縫計算面積。

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對接焊縫連接設計第3章鋼結構的連接3.2對接焊縫連接設計僅用于次要構件或受力較小部位的連接；部分焊透對接焊縫按角焊縫進行計算；3.2.3部分焊透對接焊縫第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計角焊縫形式受力方向端焊縫側焊縫斜焊縫連續(xù)性連續(xù)焊縫間斷焊縫截面形式直角斜角表面形狀凸形坦形凹形第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.1角焊縫的形式

a）端焊縫：作用力方向與焊縫長度方向垂直b）側焊縫：作用力方向與焊縫長度方向平行c)斜焊縫:作用力與焊縫長度方向斜交角焊縫的種類Na)Nb)θNc)按焊縫連續(xù)性：a）連續(xù)焊縫：受力較好b）斷續(xù)焊縫：易發(fā)生應力集中

按焊縫受力方向：第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.1角焊縫的形式

a）直角角焊縫b）斜角角焊縫按焊縫截面形式：按焊縫表面形狀：a）凸形b）坦式c)凹形第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計3.3.2角焊縫的受力特點側面焊縫正面焊縫第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計3.3.2角焊縫的受力特點承受剪應力分布不均勻側面焊縫受力復雜焊根應力集中正面焊縫第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計3.3.2角焊縫的受力特點強度低彈模低塑性好側面焊縫強度高彈模高塑性差正面焊縫第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure

（2）正面角焊縫：焊縫垂直于受力方向，受力后應力狀態(tài)較復雜。焊縫截面各面都有正應力和剪應力，應力集中嚴重，焊縫根部形成高峰應力，易于開裂。破壞強度要高一些，但塑性差，彈性模量大。

（1）側面角焊縫：焊縫長度方向與受力方向平行，應力分布簡單。主要承受剪應力，強度低，彈性模量低，但塑性較好。彈性階段分布并不均勻，剪應力兩端大，中間小。角焊縫的工作性能角焊縫的應力分布破壞形式

角焊縫構造包括三個方面：焊腳尺寸、焊縫長度和減小焊縫應力集中的措施。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生淬硬組織，導致母材開裂

a)最小焊腳尺寸(hf,min)3.3.3角焊縫的構造

b)最大焊腳尺寸(hfmax)

為了避免焊縫局部過熱，燒穿較薄的焊件，減小焊接殘余應力和殘余變形3.3角焊縫連接設計第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.3角焊縫的構造

焊腳尺寸應與焊件的厚度相適應。對手工焊，hf應不小于，t為較厚焊件的厚度（mm），對自動焊，可減小1mm；hf應不大于較薄焊件厚度的1.2倍。第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.3角焊縫的構造

對于板件邊緣的焊縫，當t≤6mm時，hf≤t；當t

>6mm時，hf＝t-(1～2)mm。側焊縫長度lw也不應太長或太短，其計算長度不宜小于8hf或40mm，不宜大于60hf。第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.3角焊縫的構造

鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure（3）減小角焊縫應力集中的措施tblw側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，b≤16t（t>12mm）或200mm（t≤12mm）；a)構件端部僅有兩邊側縫連接時：試驗結果表明，連接的承載力與b/lw有關。為了避免應力傳遞的過分彎折而使構件中應力不均，每條側縫長度b

/lw≤1；b為兩側縫之間的距離；lw為焊縫長度；t為較薄焊件的厚度。鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure

c)直接承受動力荷載的結構中，角焊縫表面應做成直線形或凹形，焊腳尺寸的比例：正面角焊縫宜為1:1.5，長邊與內力方向一致；側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)當焊縫端部在焊件轉角處時，應將焊縫延續(xù)繞過轉角加焊2hf。避開起落弧發(fā)生在轉角處的應力集中。b)2hfa)2hf2hf繞角焊縫鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure第三章連接

e)在次要構件或次要焊接連接中，可采用斷續(xù)角焊縫。斷續(xù)角焊縫的長度不得小于10hf或50mm，斷續(xù)角焊縫之間的凈距，不應大于15t（對受壓構件）或30t（對受拉構件），t為較薄焊件的厚度。以防板件局部凸曲鼓起，而對受力不利或潮氣易于侵入而引起銹蝕。斷續(xù)角焊縫第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計3.3.5角焊縫計算公式將45o喉部截面作為計算截面hfhehh1h2焊根h—焊縫厚度、h1—熔深h2—凸度hf—焊腳尺寸截面有效高度——he＝0.7hf焊趾有效截面上的應力狀態(tài)3.3角焊縫設計τ//τ┴σ┴角焊縫有效截面上的應力直角角焊縫有效截面上有三個應力：

—正應力，與焊縫長度方向（面外垂直）

∥—剪應力，與焊縫長度方向（面內平行）

—剪應力，與焊縫長度方向（面內垂直）Von.mises屈服準則3.3角焊縫設計ffw——角焊縫強度設計值我國《鋼結構設計規(guī)范》采用了折算應力公式，引入抗力分項系數后得角焊縫計算公式為：ffw由角焊縫抗剪條件確定，所以公式右邊相當于角焊縫抗拉強度設計值。第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計3.3.5角焊縫計算公式NyNx第3章鋼結構的連接3.3角焊縫設計3.3.5角焊縫計算公式第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.5角焊縫的計算公式承受軸心力作用時角焊縫連接的計算

僅有側面角焊縫：σf=0

lwNNNNlw’僅有側面角焊縫：τf=0

第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（1）承受軸心力作用時角焊縫連接的計算

用蓋板的對接連接：

lwNNlw’NxNyNθ承受斜向軸向力角焊縫：

第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（1）承受軸心力作用時角焊縫連接的計算

承受軸力的角鋼端部連接：

Ne1e2blw1lw2N1N2兩邊側焊

三邊圍焊

Ne1e2blw1lw2N1N2N3第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（2）彎矩、剪力、軸力共同作用時角焊縫連接計算

偏心軸力作用下：

Fθe第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（2）彎矩、剪力、軸力共同作用時角焊縫連接計算

彎矩及剪力作用下工形截面

eMFxxhh2BB’Ah1h1h2A點：B點：第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（2）彎矩、剪力、軸力共同作用時角焊縫連接計算

彎矩及剪力作用下T形截面

eMFxxy2AA點：第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（3）扭矩或扭矩與剪力共同作用時角焊縫連接計算

環(huán)焊縫受扭矩作用下第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（3）扭矩或扭矩與剪力共同作用時角焊縫連接計算

兩平行直線角焊縫扭矩作用下xFerxxyyAA’ry0τfσTσf鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure第三章連接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旋轉的趨勢，而焊縫本身為彈性。②扭距在角焊縫群上產生的任一點的應力方向垂直于該點與形心的連線，且應力大小與連線長度r成正比。③在軸心力V作用下，焊縫群上的應力均勻分布。（3）扭矩或扭矩與剪力共同作用時角焊縫連接計算

3.3角焊縫連接設計第3章鋼結構的連接3.3角焊縫連接設計3.3.6角焊縫的計算（3）扭矩或扭矩與剪力共同作用時角焊縫連接計算

圍焊受剪力、扭矩和軸力作用xFerxxyyAA’0TVryrNA點：例3.4

驗算圖中梁與鋼柱間的連接角焊縫的強度。鋼材Q235，手工焊，焊條E43型。荷載設計值N=400kN（靜力荷載），e=250mm，焊腳尺寸hf=8mm。NVMa)b)c)例題3.4(角焊縫受偏心剪力)[分析]對于工字梁與鋼柱的角焊縫連接，通常只承受彎矩M和剪力V的作用，荷載情況簡單，但是焊縫采用了周邊圍焊，焊縫截面情況比較復雜。目的：驗算角焊縫的強度（焊腳尺寸hf已知，焊縫長度lw可以根據構造要求確定）計算時可以采用兩種假設：A：腹板焊縫承受全部剪力，彎矩由全部焊縫承擔；B：腹板焊縫承受全部剪力，翼緣焊縫承受全部彎矩。鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure[計算]步驟2：作用在焊縫形心上力素的計算V=N=400kNM=Ne=10000kN·cm

步驟1：確定焊縫強度設計值（ffw）查《規(guī)范》（P382表1.3）得ffw=160N/mm2

采用假設A：腹板焊縫承受全部剪力，彎矩由全部焊縫承擔步驟3：計算焊縫有效截面對中和軸的慣性矩

Iw=2*0.7*8*200*(205.6-5.6/2)2+4*0.7*8*95*(170+5.6/2)2+2*0.7*8*3403/12=19235*104mm2翼緣焊縫的最大正應力

sf1=106.9N/mm2<bf*160=195N/mm2

步驟4：計算控制點應力控制點有兩點：

a)翼緣焊縫的最外纖維處

b)翼緣焊縫與腹板焊縫的交點處

b)腹板焊縫中由彎矩引起的最大正應力sf2=88.4N/mm2剪力V在腹板焊縫中產生的平均剪應力tf=105.0N/mm2（3.3.6）腹板焊縫的強度為127.6N/mm2<160N/mm2

滿足強度要求鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure

采用假設B：腹板焊縫承受全部剪力，翼緣焊縫承受全部彎矩HH

步驟3：翼緣焊縫所承受的水平力（翼緣焊縫承擔全部彎矩，可以將彎矩轉化為一對水平力）

H=M/h=263kN(h值近似取為翼緣中線的距離)翼緣焊縫的強度sf＝120.4N/mm2<195N/mm2腹板焊縫的強度tf＝105.0N/mm2<160N/mm2均滿足要求例3.5

設計牛腿板與鋼柱間的連接角焊縫（三面圍焊），并驗算焊縫強度。板邊長度l1=300mm，l2=400mm，偏心力F=196kN，e1=300mm，承受靜力荷載，鋼材Q235，手工焊，焊條為E43型，鋼板厚t=10mm。ye1MFVAoa)e2l1l2xryrxrb)yoxy0.7hfye1MFVAoa)e2l1l2[分析]該三面圍焊共同承受剪力V和扭距T的作用，將偏心力F移至焊縫計算截面的重心就可以求出相應的V和T。目的：設計牛腿板和鋼柱板之間的角焊縫（焊縫長度可以根據構造要求確定）設計中，l1,l2都緊貼牛腿板一側（并不在焊縫的中線），這樣焊縫的實際長度要比l1,l2稍大，因此計算長度采用l1,l2,不再扣除水平焊縫的端部缺陷。假設焊腳尺寸－－驗算角焊縫的強度鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure[計算]步驟2：焊縫計算截面的重心位置

x0=90mm

步驟1：確定焊縫強度設計值（ffw）查《規(guī)范》（P382表1.3）得ffw=160N/mm2

xyx300400步驟3：焊縫截面的慣性矩

Ix=16.4*107mm4Iy＝5.5*107mm4Ip＝21.9*107mm4步驟4：作用在焊縫上的力素計算

V=F=196kNe=e1+e2=e1+(l1-x0)=510mmT=Fe=109N-mmrMVxyx300400e2e1NA步驟5：控制點A強度計算

sf=96N/mm2

tT=91N/mm2

sF=35N/mm2

（3.3.6）控制點強度為140.8N/mm2<160N/mm2

滿足強度要求第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形不均勻的加熱和冷卻3.4.1焊接殘余應力的分類及其產生的原因（一）焊接殘余應力的分類縱向焊接殘余應力—沿焊縫長度方向;橫向焊接殘余應力—垂直于焊縫長度方向;沿厚度方向的焊接殘余應力(二)焊接殘余應力產生的原因第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形3.4.1焊接殘余應力的分類及其產生的原因焊接殘余應力是內應力，在焊件內自相平衡。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++縱向焊接殘余應力焊縫附近為拉應力，焊縫稍遠區(qū)產生壓應力。第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形3.4.1焊接殘余應力的分類及其產生的原因橫向焊接殘余應力2）后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產生拉應力，而先焊焊縫產生壓應力，因應力自相平衡，更遠處焊縫則產生拉應力；應力分布與施焊方向有關。1）焊縫縱向收縮使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；以上兩種應力的組合即為，橫向焊接殘余應力。第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形(a)焊件反向彎曲變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮產生的橫向應力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx第3章鋼結構的連接σxσyσz3.4焊接殘余應力及殘余變形3.4.1焊接殘余應力的分類及其產生的原因沿厚度方向的焊接殘余應力橫向、縱向和厚度方向的焊接殘余應力，當形成同號(受拉)三向應力時，大大降低連接的塑性。-+-321在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊內部焊縫產生拉應力，外層焊縫產生壓應力。第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形（1）對結構靜力強度的影響3.4.2焊接殘余應力對結構性能的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應力自相平衡，故：當板件全截面達到fy，即N=Ny時：焊接殘余應力對結構的靜力強度沒有影響。+--fyfbBt當焊接殘余應力存在時，因截面的bt部分拉應力已經達到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作用下應變增量為：σ+--bfyNN+--fyσNNbBt△ε1>△ε2當截面上沒有焊接殘余應力時，在N作用下應變增量為：結論：焊接殘余應力使結構變形增大，即降低了結構的剛度。（2）對結構剛度的影響3.4.2焊接殘余應力對結構性能的影響3.4焊接殘余應力及殘余變形鋼結構設計原理DesignPrinciplesofSteelStructure（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，將產生三向焊接殘余拉應力，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力是改善結構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。因此焊接殘余應力對結構的疲勞強度有明顯的不利影響。

對于軸心受壓構件，焊接殘余應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焊接殘余應力及殘余變形第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形3.4.3焊接殘余變形焊接殘余變形包括：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。

第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形3.4.4減少焊接殘余應力及殘余變形的方法采取合理的施焊次序施焊前加相反的預變形焊前預熱，焊后回火第3章鋼結構的連接3.4焊接殘余應力及殘余變形3.4.4減少焊接殘余應力及殘余變形的方法焊接位置要合理，布置應盡量對稱于截面重心焊縫尺寸要適當，采用較小的焊腳尺寸焊縫不宜過分集中應盡量避免三向焊縫交叉考慮鋼板分層問題焊條易達到避免仰焊精制螺栓粗制螺栓代號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抗剪性能好較差經濟性能價格高價格經濟用途構件精度很高的結構（機械結構）；在鋼結構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3.5.1普通螺栓連接構造3.5普通螺栓連接設計第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.1普通螺栓連接構造螺栓排列方式B錯列A并列中距中距邊距邊距端距螺栓的排列應滿足：受力要求構造要求施工要求(1)受力要求

因此規(guī)范從受力的角度規(guī)定了最大和最小容許間距下限：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端距過小端距端距中距邊距線距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0端距邊距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距（2）構造要求

若栓距及線距過大，則構件接觸面不夠緊密，潮氣易侵入縫隙而發(fā)生銹蝕。規(guī)范規(guī)定了螺栓的最大容許間距。（3）施工要求

要保證有一定的空間，以便轉動扳手，擰緊螺母。因此規(guī)范規(guī)定了螺栓的最小容許間距。

根據規(guī)范規(guī)定（P86表3.5.1）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，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造連接中采用。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；其它構造要求直接承受動荷載的普通螺栓連接應采用雙螺帽，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構連接；

③臨時固定構件的安裝連接。型鋼構件拼接采用高強螺栓連接時，為保證接觸面緊密，應采用鋼板而不能采用型鋼作為拼接件；第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.1普通螺栓連接構造1）受力要求任意方向的中距、邊距和端距不能過小，以防止鋼板截面過度削弱而承載力不足；對于受壓構件，中距不能太大，以防止連接板件發(fā)生鼓曲。2）構造要求螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。3）施工要求為了便于扳手擰緊螺母，螺栓中距應不小于3do。第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算FNFA只受剪B只受拉C剪力和拉力共同作用第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算（1）破壞模式N/2NN/2NNNN1）螺栓桿被剪壞2）孔壁的擠壓破壞3）板件被拉斷NN4）板件端部被剪壞N/2NN/25）栓桿彎曲破壞構造解決強度計算第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算摩擦傳力的彈性階段(0~1段)滑移階段(1~2段)栓桿傳力的彈性階段(2~3段)破壞階段(3~4段)NδO1234abNN/2N/2abNN/2N/2（2）工作性能第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算受力狀態(tài)：彈性時兩端大而中間小，進入塑性階段后，因內力重分布使各螺栓受力趨于均勻。為防止“解鈕扣”破壞，當連接長度l1較大時，應將螺栓的承載力乘以折減系數

。N/2Nl1N/2平均值螺栓的內力分布平均值長連接螺栓的內力分布當l1>15d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)后，即使內力重新分布,各個螺栓內力也難以均勻，端部螺栓首先破壞，然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強度折減系數η與l1/d0的關系曲線。連接所需栓數：ECCS試驗曲線8.8級

M22我國規(guī)范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算（3）單栓抗剪計算抗剪承載力設計值：承壓承載力設計值：一個抗剪螺栓的承載力設計值應取上面兩式的較小值d第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計連接長度l1≤15d0：連接長度l1＞15d0：其中，3.5.2普通螺栓抗剪連接計算（3）群栓軸心抗剪計算第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算（3）群栓抗扭計算基本假定：①被連接構件是絕對剛性的，而螺栓則是彈性的；②各螺栓繞螺栓群形心o旋轉，其受力大小與其至螺栓群形心的距離r成正比，力的方向與其至螺栓群形心的連線相垂直。平衡條件：

根據基本假定②：得：第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算（3）群栓在扭矩、剪力及軸力作用下抗剪計算FTTxyN1TN1TxN1Tyr11V1NV1VeN1NN1N第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.2普通螺栓抗剪連接計算（3）群栓在扭矩、剪力及軸力作用下抗剪計算在扭矩作用下，螺栓1受力：在剪力V和軸心力N作用下，螺栓均勻受力：則螺栓1承受的最大剪力N1應滿足：第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計破壞形式：螺栓桿拉斷

為考慮撬力的影響，規(guī)范規(guī)定普通螺栓抗拉強度設計值取同樣鋼號鋼材抗拉強度設計值f的0.8倍3.5.3普通螺栓抗拉連接計算第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.3普通螺栓抗拉連接計算（1）群栓軸心抗拉計算N第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.3普通螺栓抗拉連接計算（2）群栓彎矩作用下抗拉計算M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸按彈性設計，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呈正比。第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.3普通螺栓抗拉連接計算（2）群栓彎矩作用下抗拉計算第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.3普通螺栓抗拉連接計算（3）群栓偏心拉力作用下抗拉計算y1y2y3N1N2N3N4中和軸F刨平頂緊承托(板)M1234F中和軸y1y2NmaxN2N3Nmin小偏心大偏心小偏心：，滿足：，大偏心：第3章鋼結構的連接3.5普通螺栓連接設計3.5.4普通螺栓剪力及抗力聯合作用下連接計算VeM=VeV拉－剪相關曲線：破壞形式：螺桿受剪兼受拉破壞孔壁承壓破壞；“四分之一圓”011ab受剪受拉驗算孔壁承壓驗算第3章鋼結構的連接3.6高強螺栓連接設計3.6.1高強螺栓連接特點高強螺栓承壓型45#鋼、合金鋼8.8和10.9級螺桿受拉、剪板件有相對位移工序復雜疲勞性能差高強螺栓摩擦型45#鋼、合金鋼8.8和10.9級螺桿受拉板件無相對位移工序復雜疲勞性能好高強度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/2第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點施工方法扭矩法轉角法扭剪法第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點第3章鋼結構的連接3.1連接的分類及特點第3章鋼結構的連接第3章鋼結構的連接3.6高強螺栓連接設計3.6.1高強螺栓連接特點（1）高強螺栓預拉力1螺栓材料抗力的變異性，引入折減系數0.92施加預應力時為補償預拉力損失超張拉5%~10%，引入折減系數0.93鋼材由于以抗拉強度為準，引入附加安全系數0.94在扭緊螺栓時，扭矩使螺栓產生的剪力將降低螺栓的抗拉承載力，引入折減系數1/1.2×0.9×0.9×0.91.2第3章鋼結構的連接3.6高強螺栓連接設計3.6.1高強螺栓連接特點（2）高強螺栓的摩擦面對于承壓型連接，只要求清除油污及浮銹對于摩擦型連接，對摩擦面抗滑移系數有要求連接處接觸面處理方法構件的鋼號Q235Q345Q420噴砂噴砂后涂無機富鋅漆噴砂后生赤繡鋼絲刷清除浮銹或未經處理的干凈軋制表面0.450.350.450.300.500.400.500.350.500.400.500.40摩擦面抗滑移系數

值第3章鋼結構的連接3.6高強螺栓連接設計3.6.2摩擦型高強螺栓承載力計算式（1）高強螺栓抗剪計算（2）高強螺栓抗拉計算（3）高強螺栓同時承受剪力和