《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》講義教案

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》講義教案

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法和材料

一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

(1)強(qiáng)度高，塑性和韌性好

強(qiáng)度高，適用于建造跨度大、承載重的結(jié)構(gòu)。

塑性好，結(jié)構(gòu)在一般條件下不會(huì)因超載而突然破壞。韌

性好，適宜在動(dòng)力荷載下工作。

(2)重量輕

(3)材質(zhì)均勻，和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合

鋼材內(nèi)部組織比較均勻，接近各向同性，實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合。

(4)鋼結(jié)構(gòu)制作簡(jiǎn)便，施工工期短

鋼結(jié)構(gòu)加工制作簡(jiǎn)便，連接簡(jiǎn)單，安裝方便，施工周期短。

(5)鋼結(jié)構(gòu)密閉性較好

水密性和氣密性較好，適宜建苣密閉的板殼結(jié)構(gòu)。

(6)鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差

容易腐蝕，處于較強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)內(nèi)的建筑物不宜采用鋼結(jié)構(gòu)。

(7)鋼材耐熱但不耐火

溫度在200c以內(nèi)時(shí)，鋼材主要力學(xué)性能降低不多。溫度超過(guò)200C后，不僅強(qiáng)度逐步降

低，還會(huì)發(fā)生蘭脆和徐變現(xiàn)象。溫度達(dá)600c時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)不能繼續(xù)承載。

(8)在低溫和其他條件下，可能發(fā)生脆性斷裂。

二、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)表達(dá)式

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》除疲勞計(jì)算外，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，用分明

系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。

I極限狀態(tài)

當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定狀

態(tài)就稱(chēng)為該功能的極限狀態(tài)。

0)承載能力極限狀態(tài)包括構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和因過(guò)度變形而不適于

繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系和結(jié)構(gòu)傾覆。

0正常使用極限狀態(tài)包括影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用或外觀的變形，影

響正常使用的振動(dòng)，影響正常使用或耐久性能的局部損壞(包括混凝土裂建)。

以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)5和抗力R這兩個(gè)隨機(jī)變量來(lái)表達(dá)結(jié)構(gòu)的功能困數(shù)，則

Z=g(R,5)=R~S(1)

在實(shí)際工程中，可能出現(xiàn)下列三種情況：

Z>o結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

0結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)；

z=

ZvO結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

按照概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)的可靠度定義為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件

下，完成預(yù)定功能的概率。這里所說(shuō)“完成預(yù)定功能”就是對(duì)于規(guī)定的某種功能來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)不失效

00)o這樣結(jié)構(gòu)的失效概率表示為

Pf

P=ru<o)⑵

f

可靠指標(biāo)夕與存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，增大，減??；夕減小，P增大。

PfpPff

2分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式

對(duì)于承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式中最K利值確定

可變荷載效應(yīng)控制的組合：為八+YA,,、⑤

1/=2)

永久荷載效應(yīng)控制的組合：y\rAAY(pAQ2f⑷

GGKQic

式中/o-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)

件，不應(yīng)小于14；對(duì)安全等級(jí)為二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年及結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小

于1。；對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于09;

(y——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)的應(yīng)力；

GK

cty——起控制作用M第一人可變荷載標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)的應(yīng)力

QK

(該值使計(jì)算結(jié)果為最大)；

口07其他Mi力；

個(gè)可變荷我標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)牛.的應(yīng)

2

y——永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力k利時(shí)取1.2,但對(duì)

G

式（4）則取1.35。當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力有利時(shí)取1.0;驗(yàn)算結(jié)

構(gòu)傾覆、滑移或漂浮時(shí)取0.9;

Yq、y-第I+旗倩才可翊齡觴a.輛情健激寸斟崛牛W

XQi

承載力不利時(shí)取14（當(dāng)樓面活荷載大于4.0kN/nn時(shí)，取1.3）;有利時(shí)，

取為0；

（P——第7個(gè)可變荷載組合值系數(shù)，可按荷載規(guī)范的規(guī)定采取。

ci

對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡(jiǎn)化式計(jì)算。.由

可變荷載效應(yīng)控制的組合：

九（九％緲⑸

由永久荷載效應(yīng)控制的組合，仍按式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中（P—簡(jiǎn)化式中采用的荷載組合值系數(shù)，一般情況下可采用0.9;當(dāng)只有1個(gè)可變荷

載時(shí)，取為L(zhǎng)0

O

對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使變形等設(shè)計(jì)不超過(guò)相應(yīng)

的規(guī)定限值。設(shè)計(jì)式為：

UqJ%+2LpcPqX—'（6）

Q1=2

式中u——永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；

GK

V——起控制作用的第一個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)&的變形值

QXK

（該值使計(jì)算結(jié)果為最大）；

O其他第冷可力荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)的變形

QiKffi：

[A]——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)容許變形值。

三、鋼結(jié)構(gòu)的材料

L對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求

（1）較高的抗拉強(qiáng)度人和屈服點(diǎn)f：

y

⑵較高的塑性和韌性；

⑶良好的工藝性能；

3

。根據(jù)具體工作條件，有時(shí)還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫和腐蝕性環(huán)境的能力。

2鋼材的主要性能

(1)強(qiáng)度性能

比例極限：0P段為直線，表示鋼材具有完全彈性性質(zhì)，P點(diǎn)應(yīng)力/A稱(chēng)為比例極限。屈

服點(diǎn)：隨著荷載的博加，曲線出現(xiàn)ES段，S點(diǎn)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服點(diǎn)。

A

抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度：超過(guò)屈服臺(tái)階，材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，曲線上升，直至曲線最高處

的B點(diǎn).這點(diǎn)的應(yīng)力人稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。

當(dāng)以屈服點(diǎn)的應(yīng)力作為強(qiáng)度限值國(guó)，抗拉強(qiáng)度人成為材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

(2)塑性性能,

伸長(zhǎng)率：試件被拉斷時(shí)的絕對(duì)變形值與試件原標(biāo)距之比的百分?jǐn)?shù)，稱(chēng)為伸長(zhǎng)率。伸長(zhǎng)率代

表材料在單向拉伸時(shí)的塑性應(yīng)變的能力。

(3)冷彎性能

冷鑾性能由冷彎試驗(yàn)確定。試驗(yàn)時(shí)使試件彎成180。，如試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層，即

為合格。冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。

(4)沖擊韌性

韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。

由于低溫對(duì)鋼材的脆性破壞有顯著影響，在寒冷地區(qū)建造的結(jié)構(gòu)不但要求鋼材具有常溫(20。

沖擊韌性指標(biāo)，還要求具有負(fù)溫(0C、-20c或4)C)沖擊韌性指標(biāo)，以保證結(jié)

構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞能力。

3各種因素對(duì)鋼材主要性能的影響

⑴化學(xué)成分

碳直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性等。碳含量增加，鋼的強(qiáng)度提高，而塑性、

4

韌性和疲勞強(qiáng)度下降，同時(shí)惡化鋼的可焊性和抗腐蝕性。

硫和磷是鋼中的有害成分，它們降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度。在高溫時(shí)，硫

使鋼變脆，稱(chēng)之熱脆；在低溫時(shí)，磷使鋼變脆，稱(chēng)之冷脆。

(2)冶金缺陷

常見(jiàn)的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。

(3)鋼材硬化

冷加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，從而提高了鋼的屈服點(diǎn)，同時(shí)降低了鋼的塑性和韌性，這

種現(xiàn)象稱(chēng)為冷作硬化(或應(yīng)變硬化)。

在一般鋼結(jié)構(gòu)中，不利用硬化所提高的強(qiáng)度，以保證結(jié)掏具有足夠的抗脆性破壞能力。另

外，應(yīng)將局部硬化部分用刨邊或擴(kuò)鉆予以消除。

(4)溫度影響

鋼材性能隨溫度變動(dòng)而有所變化c總的趨勢(shì)是溫度升高，鋼材強(qiáng)度降低，應(yīng)變?cè)龃螅环粗?/p>

溫度降低，鋼材強(qiáng)度會(huì)略有增加，塑性和韌性卻會(huì)降低而變脆。

在250c左右，鋼材的強(qiáng)度略有提高，同時(shí)塑性和韌性均下降，材料有轉(zhuǎn)脆的傾向，鋼

材表面氧化膜呈現(xiàn)藍(lán)色，稱(chēng)為藍(lán)脆現(xiàn)象。鋼材應(yīng)避免在藍(lán)脆溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工。

當(dāng)溫度在260c320c時(shí)，在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種

現(xiàn)象稱(chēng)為徐變現(xiàn)象。

當(dāng)溫度從常溫開(kāi)始下降，特別是在負(fù)溫度范圍內(nèi)時(shí)，鋼材強(qiáng)度雖有提高，但其塑性和韌性

降低，材料逐漸變脆，這種性質(zhì)稱(chēng)為低溫冷脆。

(5)應(yīng)力集中

構(gòu)件中有時(shí)存在著孔洞、槽口、凹角、截面突然改變以及鋼材內(nèi)部缺陷等。此時(shí)，構(gòu)件

中的應(yīng)力分布將不再保持均勻，而是在某些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，在另外一些區(qū)域則應(yīng)力降

低，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。

承受靜力荷載作用的構(gòu)件在常溫下工作時(shí),在計(jì)算中可不考慮應(yīng)力集中的影響。但在負(fù)溫

或動(dòng)力荷載作用下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不利影響揩十分突出，往往是引起脆性破壞的根源,

故在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施避免或減小應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼材。

(6)反復(fù)荷載作用

在直接的連續(xù)反復(fù)的動(dòng)力荷載作用下，鋼材的強(qiáng)度將降低，低于一次靜力荷載作用下的拉

伸試驗(yàn)的極限強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為鋼材的疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。

材料總是有“缺陷”的，在反復(fù)荷載作用下，先在其缺陷發(fā)生塑性變形和硬化而生成一些

5

極小的裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，試件截面削弱，而在裂紋根部出現(xiàn)應(yīng)力

集中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，塑性變形受到限制，當(dāng)反復(fù)荷載達(dá)到一定的循環(huán)次

數(shù)時(shí)，材料終于破壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。

4鋼材的破壞形式

塑性破壞：變形超過(guò)了材料或噸件可能的應(yīng)變能力而產(chǎn)生的，而且僅在構(gòu)件的應(yīng)力達(dá)到

了鋼材的抗拉強(qiáng)度的發(fā)生。塑性破壞前，由于總有較大的塑性變形發(fā)生，目變形持續(xù)

的時(shí)間較長(zhǎng).很容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)而采取措施予以補(bǔ)救，不致引起嚴(yán)重后果。

脆性破壞：破壞前塑性變形很小，甚至沒(méi)有塑性變形，計(jì)算應(yīng)力可能小于鋼材的屈服點(diǎn)，斷

裂從應(yīng)力集中處開(kāi)始。由于脆性破壞前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，無(wú)法及時(shí)覺(jué)察和采取補(bǔ)救措施。

S鋼材的疲勞計(jì)算

鋼材的疲勞斷裂是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞。鋼材

的疲勞強(qiáng)度取決于應(yīng)力集中和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

循環(huán)次數(shù)NA5X104,應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。

(1)常幅疲勞

應(yīng)力幅A?！鰹閼?yīng)力道中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差，即

……n

式中：a一每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力(取正值)；

max

0-每次應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力(取IE值)或壓應(yīng)力(取負(fù)值：)。

min

如果重復(fù)作用的荷載數(shù)值不隨時(shí)間變化，則在所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅將保持常量，稱(chēng)之

為常幅疲勞。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以畫(huà)出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅與揭座的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線。

目前國(guó)內(nèi)外都常用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸的方法使曲線改為直線以便工作。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，疲勞

直線方程為：

愴、=〃「/?1幽5)(7)

或

，oY=l(/i=C

x

式中P—直線對(duì)縱坐標(biāo)的斜率；

6

么一直線在橫坐標(biāo)軸上的截距;

AM盾環(huán)次數(shù)。

圖Acr-n曲線

考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，取平均值減去2倍IgTV的標(biāo)準(zhǔn)差(2s昨?yàn)槠趶?qiáng)度下

限值，下限值的直線方程為：

=b-jBlg(Acr)-2s=b—戶Ig(Acr)(8)

lgN*

或

MAcr/=10么=C(9)

取此Aa作為容許應(yīng)力幅

\m

(⑼

[Aa]=—

對(duì)于不同焊接構(gòu)件和連接形壬觸按連接方式、受力特點(diǎn)和疲勞強(qiáng)度等歸納分類(lèi)，劃

分為8類(lèi)。

對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的焊接部位的常幅疲勞，應(yīng)按下式計(jì)算：

A=<li-OA<[Aa](II)

對(duì)于非焊接部位，其疲勞強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

Aa—ci-Axr<Aa(12)

maxmi

n

⑵變幅疲勞和吊車(chē)梁的欠載效應(yīng)系數(shù)

實(shí)際上，結(jié)構(gòu)所受荷載其性質(zhì)為變幅的。變幅疲勞可作為常幅疲勞投下式計(jì)算：

6ZyA(TA|AflAxio(13)

ma

x

式中[Ao-F6——盾環(huán)次數(shù)N=2X106的容許應(yīng)力幅，應(yīng)按式(10)計(jì)算；

=2x10

7

af-欠載效應(yīng)系數(shù)。對(duì)重級(jí)工作制硬鉤吊車(chē)=1。重綠工作制軟鉤吊車(chē)二4

0.8;中級(jí)工作制吊車(chē)a=0.5。

f

6鋼的種類(lèi)和鋼材規(guī)格

（1）鋼的種類(lèi)

按脫氧方法，鋼可分為沸騰鋼（F）、半鎮(zhèn)靜鋼（b）、鎮(zhèn)靜鋼（Z）和特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）,

鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號(hào)可以省去。鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分，沸騰鋼脫氧較差，半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)

靜鋼和沸騰鋼之間。一般采用鎮(zhèn)靜鋼。

按化學(xué)成分，鋼可分為碳素鋼和合金鋼。在建筑工程中采用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)

度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

⑴碳素結(jié)構(gòu)鋼按質(zhì)量等級(jí)分為A、B,C、D四級(jí)，A級(jí)鋼只保證抗拉強(qiáng)度、屈

服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率，必要時(shí)尚可附加冷彎試驗(yàn)的要求，化學(xué)成分對(duì)碳、鎰可以不作為交貨條件。

B、C、D鋼均保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率、冷變和沖擊韌性（分別為+20C0C—

20C）等力學(xué)性能?；瘜W(xué)成分碳、硫、磷的極限含量。

鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D）、脫氧方

法符號(hào)等四個(gè)部分按順序組成。根據(jù)鋼材厚度（直徑）v16mm時(shí)的屈服點(diǎn)數(shù)值分為Q195.

Q215、Q235、Q255、Q275,鋼結(jié)構(gòu)一般僅用Q235,鋼的牌號(hào)根據(jù)需要可為Q235A;Q235B;

Q235C;Q235D等。

⑵低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼仍然根據(jù)鋼材厚度（直徑）v16一時(shí)的屈服點(diǎn)大小，分為

Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。鋼結(jié)構(gòu)一般采用Q345、Q39O、Q420,鋼的牌號(hào)仍

有質(zhì)量等級(jí)符號(hào)，除A、B、C、D四個(gè)等級(jí)外增加一個(gè)等級(jí)E,主要是要求一4CTC的沖擊韌

性。鋼的牌號(hào)如Q345B、Q390C等等。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般為鎮(zhèn)靜鋼，因此鋼的牌號(hào)

中不注明脫氧方法。

A級(jí)鋼應(yīng)進(jìn)行冷鸞試驗(yàn)，其他質(zhì)量級(jí)別鋼，如供方能保證塞曲試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)定要求，可

不作檢驗(yàn)。

⑶優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼以不熱處理或熱處理（退火、正火或高溫回火）狀態(tài)交貨，要

求熱處理狀態(tài)交貨的應(yīng)在合同中注明，未注明者，按不熱處理交貨，如用于高強(qiáng)度螺栓的

45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼需經(jīng)熱處理，強(qiáng)度較高，對(duì)塑性和韌性又無(wú)顯著影響。

（2）鋼材的選擇

選擇鋼材時(shí)考慮的因素有:

8

I）結(jié)構(gòu)的重要性重要結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮選用質(zhì)量好的鋼材；一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)，可

選用普通質(zhì)量的鋼材。

2）荷載情況直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)烈地震區(qū)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用綜合性能好的鋼材;

一般承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)則可選用微格較低的Q235鋼o

3）連接方法焊接結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的要求應(yīng)嚴(yán)格一些。

4）結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有

良好抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼。

5）鋼材厚度厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。

鋼結(jié)構(gòu)的焊接逢接

鋼結(jié)構(gòu)的連接方法可分為焊縫連接、螺栓連接和聊釘連接三種。焊接連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)

最主要的連接方法。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）焊件間可直接相連，構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作加工方便；（2）

不削弱截面，用料經(jīng)濟(jì)；（3）連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大；（4）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，提

高焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。缺點(diǎn)是：（1）在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材的材質(zhì)變脆；（2）焊接殘

余應(yīng)力W哪使受壓構(gòu)件承載力降低；（3）焊接結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋很敏感，低溫時(shí)冷脆的問(wèn)題較為突出。

一、焊縫的形式

I角焊縫

角厚縫按其截面形式可分為直角角焊縫和斜角角焊縫。懶焊腳邊的夾角為90的慧

9

稱(chēng)為直角角焊縫，直角邊邊長(zhǎng)如稱(chēng)為角焊縫的焊腳尺寸，/z=0.7A力直角角焊縫的計(jì)算厚

ef

度。斜角角焊縫常用于鋼漏斗和鋼管結(jié)構(gòu)中。對(duì)于夾角大于135或小于60的斜角角焊縫，不

宜用作受力焊縫（鋼管結(jié)構(gòu)除外），

2對(duì)接焊縫

對(duì)接焊縫的焊件常需加工成坡口，故又DU坡口焊縫。焊縫金屬填充在坡口內(nèi)，所以對(duì)接焊

縫是被連接件的組成部分。

坡口形式與焊件厚度有關(guān)。當(dāng)焊件厚度很?。ㄊ止ず竄<6mm,埋弧焊/<Wmm）時(shí)，

可用直邊縫。對(duì)于一般厚度（t=1020mm）的焊件可采用具有斜坡口的單邊V形或V形焊縫。

斜坡口和高縫c共I可組成一個(gè)焊條能嗡運(yùn)轉(zhuǎn)的施焊空間，使焊縫易于焊透；鈍邊有托住熔他

金屬的作用。對(duì)于較摩的焊件（320mm）,則采用U形、K形和X形坡口。對(duì)于V形縫和

U形縫需對(duì)焊縫根部進(jìn)行補(bǔ)焊。對(duì)接焊縫坡口形式的選用，應(yīng)根據(jù)板厚和施工條件按現(xiàn)

行標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》的要求進(jìn)行。

凡T形，十字形或角接接頭的對(duì)接焊縫稱(chēng)之為對(duì)接與角接組合焊縫。

圖3對(duì)接焊縫的坡口形式

3焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定焊縫按其檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分為一級(jí)、二級(jí)和三

級(jí)。三級(jí)焊縫只要求對(duì)全部焊縫作外觀檢查且符合三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；一級(jí)、二級(jí)焊縫則除

外觀檢查外，還要求，定數(shù)量的超聲波檢驗(yàn)并符合相應(yīng)級(jí)別的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。焊縫質(zhì)量的外

觀檢驗(yàn)檢查外觀缺陷和幾何尺寸，內(nèi)部無(wú)損檢驗(yàn)檢查內(nèi)部缺陷。

二、直角角焊縫的構(gòu)造與計(jì)算

角焊縫按其與作用力的關(guān)系可分為正面角焊縫、側(cè)面角焊縫和斜焊縫。正面角焊縫的焊

10

縫長(zhǎng)度方向與作用力垂直，側(cè)面角焊縫的焊縫長(zhǎng)度方向與作用力平行，斜焊縫的焊縫長(zhǎng)度方向

與作用力傾斜，由正面角焊縫、側(cè)面角焊縫和斜焊縫組成的混合，通常稱(chēng)作圍焊縫。

側(cè)面角焊縫主要承受剪力，塑性較好，強(qiáng)度較低。應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向的分布不均勻，呈

兩端大而中間小的狀態(tài)。焊縫越長(zhǎng)，應(yīng)力分布不均勻性越顯著。

正面角焊縫受力復(fù)雜，其破壞強(qiáng)度高于側(cè)面角焊縫，但塑性變形能力差。斜焊縫的受力性

能和強(qiáng)度值介于正面角焊縫和側(cè)面角焊縫之間。

L角焊縫的構(gòu)造要求

⑴最小焊腳尺寸

h115我⑴

式中一較厚焊件厚度，單位為mmo

計(jì)算時(shí)，焊腳尺寸取整數(shù)。

自動(dòng)焊熔深較大，可減小1mm;T形連接的單面角焊縫，應(yīng)增加1mm;當(dāng)焊件厚度小于

或等于4mm時(shí)，則取與焊件厚度相同。

②最大焊腳尺寸

h<V2t(2)

f1X

式中t一較薄焊件的厚度，單位為mm。

X

對(duì)板件邊緣的角焊縫，當(dāng)板件厚度t>6m時(shí)，取h7?(12)mm;當(dāng)<6m時(shí)，取

。角焊縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度

側(cè)面角焊縫或正面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度不得小于87i和40mm。

f

佝側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度

側(cè)面角焊縫在彈性階段沿長(zhǎng)度方向受力不均勻，兩端大而中間小，可能首先在焊縫的兩

端破壞，故規(guī)定側(cè)面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度zA60/Z若內(nèi)力沿側(cè)面角焊縫全長(zhǎng)分布，可不受上

wfb

11

述限制。

(5)搭接連接的構(gòu)造要求

當(dāng)板件端部?jī)H有兩條側(cè)面角焊縫連接時(shí)，應(yīng)使每條側(cè)焊縫的長(zhǎng)度不宜小于兩側(cè)焊縫之間

的距離。兩側(cè)面角焊縫之間的距離也不宜大于16/(Z>12mm)或190mm(/N2mm),t

為較薄焊件的厚度。

搭接連接中，當(dāng)僅采用正面角焊縫時(shí)，其搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚度的5倍，也不

得小于25mln0

圖5焊縫長(zhǎng)度及兩側(cè)焊縫間距圖潴接連接

(6)間斷角焊縫的構(gòu)造要求

間斷角焊縫只能用于一些次要構(gòu)件的連接或受力很小的連接中。間斷角焊縫的間斷距離

/不宜過(guò)長(zhǎng)，以免連接不緊密。一般在受壓構(gòu)件中應(yīng)滿足在受拉構(gòu)件中7人30/1為

較薄焊件的厚度。/W15〃

(7)減小角焊縫應(yīng)力集中的措施

桿件端部搭接采用三面圍焊時(shí)，所有圍焊的轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。對(duì)于非圍焊情況，當(dāng)角

焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，可連場(chǎng)地作長(zhǎng)度為2/?的翁角焊。

2直角角焊縫強(qiáng)度計(jì)算的基本公式

JH±?

式中C,一垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力;

Tf一平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力;

戶/_正面角焊縫的強(qiáng)度增大系數(shù)，-1.22;直接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)中的角焊縫,

Ay=1.0;

/;一角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

式（3）為角焊縫的基本計(jì)算公式。只要將焊縫應(yīng)力分解為垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力

cy和平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力，上述基本公式可適用于任何受力狀態(tài)。

「rz

對(duì)正面角焊縫，］°，得

r/

⑷

對(duì)側(cè)面角焊縫，07=0,得

Nv產(chǎn)

(5)

式中he一直角角焊縫的有效厚箴hihf

1.焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，考慮起滅弧缺陷，按各條焊縫的實(shí)際長(zhǎng)曼每端減去/〃計(jì)算。

3角焊縫連接的計(jì)算

（I）承受軸心力作用的角焊縫連接計(jì)算

I）采用蓋板連接

當(dāng)軸心力通過(guò)連接焊縫中心時(shí),可認(rèn)為焊縫應(yīng)力是均勻分布的。

2E飛中”即再的蓋板連接‘

13

N.

當(dāng)只有側(cè)面角焊縫時(shí)r=—?f.x

z1heIJ

w

當(dāng)只有正面角焊縫時(shí)r=JV_<pr

hel-fr

w

當(dāng)采用三面圍焊時(shí)，先計(jì)算正面角焊縫所承擔(dān)的內(nèi)力N.=)3f;Xhl

式中：X熔接一側(cè)正面角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的總和。

再計(jì)算側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度T=N~N[Vf；

ffJf

式中口一連接一側(cè)IE面角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度M總和。2）

承受斜向軸心力

將7V力分解為垂直于摩韁和哈華噂蝙份的=NsinG;N二TVco汐

NsinO

EvT

O,/=Ncos(t

代入式（3）驗(yàn)算角焊縫的強(qiáng)度

鋼桁架中角鋼腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫一般采用兩面?zhèn)群富蛉鎳福厥馇闆r也可采用

L形圍焊。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10角鋼與節(jié)點(diǎn)板的連接

對(duì)于三面圍焊，可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸A3,求出正面角焊縫所分擔(dān)的軸心力

No當(dāng)腹桿為雙角鋼組成的T形截面，且肢寬為b時(shí)，

3

由平衡條件(Im=o)可得:

代3叢…小

N=A-A=kN-A

2b22

式中依、N——角鋼肢背和肢尖的惻面角焊縫所承受的軸力；

2

e一角鋼的形心距；

k、k——角鋼肢背和肢尖焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)，可查表得到。

(2

對(duì)于兩面?zhèn)群?，因N=0,貝」：I

3

N'=k'N

N=kA

求得各條焊縫所受的內(nèi)力后，按構(gòu)造要求假定肢背和肢尖焊縫的焊腳尺寸，即可求出焊縫

的計(jì)算長(zhǎng)度。對(duì)雙角鋼截面

/=M（H）

$2包了77----------

式中h1/個(gè)角鋼肢背上的側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸及計(jì)算長(zhǎng)度;

f

個(gè)角鋼肢尖土的側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸及計(jì)算長(zhǎng)度。實(shí)

際焊縫長(zhǎng)度為計(jì)算長(zhǎng)度加2對(duì)于三面圍焊，焊縫實(shí)際長(zhǎng)度為計(jì)算長(zhǎng)度加對(duì)

%.hf；

于采用繞角焊的側(cè)面角焊縫實(shí)際長(zhǎng)度等于計(jì)算長(zhǎng)度(繞角焊縫長(zhǎng)度不進(jìn)入計(jì)算)。

2〃/

當(dāng)桿件受力很小時(shí)，可采用L形圍焊。由于只有正面角焊縫和角鋼肢背上的側(cè)面角焊

15

縫,令7\宇，得

N=2kN(13)

N=N-N(14)

X3

角鋼端部的正面角焊縫的長(zhǎng)度己知，可按下式計(jì)算其焊腳尺寸:

=___X(15)

A

P2X0.7//;

w3

式中，lw3=b_hfa

(2)承受鸞矩、軸心力或剪力共同作用的角焊連連接計(jì)算

T—

?圖11承受偏心斜拉力的角焊縫⑻

圖11所示的雙面角焊縫連接承受偏心斜拉力AU乍用，計(jì)算時(shí)，可將作用力7V分解為

啾口？A兩個(gè)分力。角焊縫同時(shí)承受軸心力7V和剪力7V和鸞矩M=N-e的共同作用。焊縫

XyX

計(jì)算截面上的應(yīng)力分布如圖所示，圖中A點(diǎn)應(yīng)力最大為控制設(shè)計(jì)點(diǎn)。此處垂直于焊縫長(zhǎng)度

方向的應(yīng)力由兩部分組成，即由軸心拉力凡產(chǎn)生的應(yīng)力:

由彎矩M產(chǎn)生的應(yīng)力:4認(rèn)

_M6M

這兩部分應(yīng)力由于在A點(diǎn)處的方向相同，靠接腳。鷹點(diǎn)垂直于焊縫方向的應(yīng)力為

N6M

-----+-

2磯62研

剪力N在A點(diǎn)處產(chǎn)生平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力

則焊縫的強(qiáng)度計(jì)算式為:

當(dāng)連接直接承受動(dòng)力荷載作用時(shí)，取4=1.0。

工字形和H形截面梁（或牛腿）與鋼柱翼緣的角焊縫連接，通常承受彎矩M和剪力

V的共同作用。計(jì)算時(shí)通常假設(shè)腹板焊縫承受全部剪力，彎矩則由全部焊縫承受。]]

3”情A1

.，圖12工字形梁（或牛腿）的腳焊縫連接

翼緣焊縫的最大孌曲應(yīng)力發(fā)生在翼緣焊縫的最外纖維處，此應(yīng)力滿足角焊縫的強(qiáng)度條件

物

3

式中M——全部焊縫所承受的彎矩；

4全部焊縫有效截面對(duì)中和粕的慣性矩。

腹板焊縫承受兩種應(yīng)力的共同作用，即鸞曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，設(shè)計(jì)控制點(diǎn)為翼緣焊縫與腹板

焊縫的交點(diǎn)處A,此處的鸞曲應(yīng)力和剪應(yīng)力分別按下式計(jì)算:

式中

17

則腹板焊縫在A點(diǎn)的強(qiáng)度驗(yàn)算式為:

(3誨受扭矩或扭矩與剪力共同任用的角焊縫連接計(jì)算I)

環(huán)形角焊縫承受扭矩T

在有效截面的任一點(diǎn)上所受切線方向的剪應(yīng)力應(yīng)呢下式計(jì)算:

(16)

?P

式中一圓心至焊縫有效截面中線的距離；

r

I——焊縫有效截面的慣性矩，1=2;ihr30

PPe

2)圍焊承受剪力和扭矩作用時(shí)的計(jì)算

(ee)作用。

1+2V=F

計(jì)算角焊縫在扭矩F作用下產(chǎn)生由應(yīng)力時(shí)，是基于下列假定：

①被連接件是絕對(duì)剛性的.它有繞焊縫形峽轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而角焊縫是彈性的；

②角焊縫上任一點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長(zhǎng)誦E

tto

圖中/點(diǎn)與/點(diǎn)距形心a點(diǎn)最遠(yuǎn)，放＞4點(diǎn)和，點(diǎn)由扭矩r引起的剪應(yīng)力&最大，焊

18

縫群其他各處由扭矩r引起的剪應(yīng)力h均小于/點(diǎn)和/點(diǎn)的剪應(yīng)力，故/點(diǎn)和/點(diǎn)為設(shè)

計(jì)控制點(diǎn)。

在扭矩T作用下，A點(diǎn)（或/點(diǎn)）的應(yīng)力為

T乂rTxr

(17)

1"…

將中X軸和y軸分解為：

Txr

i=isinQ=------------r(18)

Tx(?—Lv

Ipr

Tx

COSOr_r(19)

…=/?;

由剪力V在焊縫群引起的剪應(yīng)力?按均勻分布，則在A點(diǎn)（或/點(diǎn)）引起的應(yīng)力

V

丁Vy為

V

則A點(diǎn)受到垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為f

JcTy4Vy

沿焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為，則/點(diǎn)的應(yīng)力滿足的強(qiáng)度條件為

當(dāng)連接直接承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，mi.Oo0

三、斜角角焊縫的計(jì)算

兩焊腳邊夾角a為60Q<cr<135的形接頭的斜角角焊縫采用與直角角焊縫相向的

計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。但不考慮焊縫犯方向，一律?。ɑ颍?、=1.0。

四、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算外

1.對(duì)接焊縫的強(qiáng)度

焊接缺陷對(duì)受壓、受剪的對(duì)接焊縫影響不大，故可認(rèn)為受壓、受剪的對(duì)接焊縫與母材強(qiáng)

19

度相等，但受拉的對(duì)接焊縫對(duì)缺陷甚為敏感，由于三級(jí)檢驗(yàn)的焊縫允許存在的缺陷較多，故其

抗拉強(qiáng)度為母材強(qiáng)度的85%,而一、二級(jí)檢驗(yàn)的焊縫的抗拉強(qiáng)度可認(rèn)為與母材強(qiáng)度相等。

2對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

（1）對(duì)接焊縫的構(gòu)造

對(duì)接焊縫的拼接處，當(dāng)焊件的寬芟不同或厚度在一側(cè)相差4mm以上時(shí)，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（直接承受動(dòng)力荷載且需要進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)不大

于1:4）的斜角，以減小應(yīng)力集中。

焊接時(shí)一般應(yīng)設(shè)置引弧板和引出板，焊后將它割除。對(duì)受靜力荷載的結(jié)構(gòu)設(shè)置引弧（出）板

有困難時(shí)，允許不設(shè)置引?。ǔ觯┌澹藭r(shí)可令焊縫計(jì)算長(zhǎng)度等于實(shí)際長(zhǎng)度減“