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钢结构连接钢结构构件或部件之间的互相连接。钢结构连接常用焊缝连接、螺栓连接或铆钉连接。螺栓连接又分普通螺栓连接和高强度螺栓连接。普通螺栓连接使用最早,约从18世纪中叶开始。19世纪20年代开始采用铆钉连接。19世纪下半叶又出现了焊缝连接。自本世纪中叶高强度螺栓连接又得到了发展。 钢结构中的焊缝连接，主要采用电弧焊（即在构件连接处，借电弧产生的高温，将置于焊缝部位的焊条或焊丝金属熔化，而使构件连接在一起）。电弧焊又分手工焊、自动焊和半自动焊。自动焊和半自动焊，可采用埋弧焊或气体（如二氧化碳气）保护焊（见焊接）。焊缝的基本形式分为对接焊缝和角焊缝。对接焊缝也称坡口焊缝,构造简单,传力直接简捷；但在施焊之前,焊件边缘需根据不同厚度进行加工,做成各种坡口形式,以保证焊透。角焊缝用于不在同一平面内两个焊件的相连，如两块钢板搭接，焊缝堆成接近三角形截面，贴附于被连接焊件的交搭边缘处或端头。搭接的贴角焊缝平行于作用力方向的称为侧面角焊缝，垂直于作用力方向的称为正面角焊缝。焊缝的形式有对接、搭接、T型连接和角型连接;不同连接形式可用不同形式的焊缝，以确保焊缝连接的传力可靠。 第三章 钢结构的连接3-1 钢结构的连接方法及其特点钢结构是由若干构件组合而成的。连接的作用就是通过一定的方式将板材或型钢组合成构件，或将若干个构件组合成整体结构，以保证其共同工作。因此，连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。钢结构的连接必须符合安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。连接接头应有足够的强度，要有适宜于施行连接的足够空间。一、钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。 焊接连接：是钢结构最主要的连接方法。焊接连接又可分为对接焊缝和角焊缝。 螺栓连接：可分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。 铆钉连接：由于其构造复杂、费钢费工且为热作业，现已很少使用。二、根据连接板的相对位置可分为对接、搭接和盖板拼接。三、特点1. 焊接连接 优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦萌生，就很容易扩展到整个构件截面，低温冷脆问题突出。2. 螺栓连接（1）普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。A级与B级为精制螺栓，螺栓表面光滑，尺寸准确，比大0.30.5，对成孔质量要求高。由于精度较高，因而受剪性能较C级螺栓好。但由于制作和安装复杂，价格较高，已很少使用。C级为粗制螺栓，由未经加工的圆钢压制而成，表面粗糙，比大1.53。由于栓杆与栓孔间的间隙较大，受剪力作用时，变形较大，工作性能差。但安装方便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。（2）高强度螺栓连接高强度螺栓连接分为摩擦型连接和承压型连接。摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工较简单，可拆卸，耐疲劳，特别适用于承受动力荷载的结构。承压型高强度螺栓的承载力高于摩擦型，但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结构中。（3）铆钉连接19世纪20年代开始使用铆钉连接，铆钉连接的塑性、韧性和整体性好，连接变形小，传力可靠，承受动力荷载时的疲劳性能好，特别适用于重型和直接承受动力荷载的结构。但由于其构造复杂，用钢量大，施工麻烦，噪音大，目前已很少采用。铆钉连接的受力性能、构造要求及设计方法原则上与普通螺栓连接相同，不同的是设计参数及设计值取值不同。 关键词焊接连接welded connection螺栓连接bolted connection铆钉连接riveted connection3-2 焊接方法和焊缝连接型式一、焊接方法焊接方法种类很多，按其工艺过程的特点分为熔焊（包括电弧焊、气焊、电渣焊、铝热焊、激光焊和电子束焊）、压焊（包括锻焊、摩擦焊、电阻焊、超声波焊、扩散焊、高频焊、气压焊、冷压焊、和爆炸焊）及钎焊（火焰钎焊、烙铁钎焊、感应钎焊、电阻钎焊、盐浴钎焊、炉中钎焊）三大类。用于钢结构连接的焊接方法主要有电弧焊（包括手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊和气体保护焊）及电阻焊。手工电弧焊、气体保护焊、单丝埋弧自动焊、双丝埋弧自动焊、熔嘴电渣焊、栓钉焊等。（1）手工电弧焊是最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧，所用焊条应与焊件钢材相适应（Q235选用E43型，Q345选用E50型，Q390、Q420选用E55型，）。其设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量随机性大。（2）埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。由于采用了自动或半自动操作，焊接时的工艺条件稳定，焊缝化学成分均匀，质量好，但对焊缝边缘的装配精度要求较高。（3）二氧化碳气体保护焊是利用二氧化碳气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。（4）熔嘴电渣焊是先打盲孔，然后利用通电焊条底融，从而形成焊缝。（5）栓钉焊一般用于钢梁与压型钢板之间的焊接。二、焊缝连接型式焊缝连接的型式按照被连接构件的相对位置分为平接、搭接、T形连接和角接。根据焊缝施焊位置可分为平焊（俯焊）、横焊、立焊和仰焊。三、 焊接缺陷焊接缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。（1）气孔 由于焊接过程中的水产生的氢气和氧气而形成的。当气孔为孤立时，对静载的影响不大；当气孔为链状时，相当于裂缝，对静载的影响较大。因此，在焊接时，应对焊条进行烘干、保温。（2）夹渣 主要由焊条的药皮引起，焊接完需清渣。（3）咬肉 焊缝与热影响区的交界处形成的弧坑，对疲劳强度的影响较大。（4）未焊透 避免根部未焊透的措施：焊件离开一段距离；采用垫板实焊。垫板的强度越低，越易焊透（易融合）且应低于母材的强度。（5）裂纹 是焊接中最危险的缺陷。产生微裂缝的原因有很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件选择不合适等。四、焊缝的质量焊缝的质量等级分为、三级。、外观检查100的超声波探测；、外观检测外，配以20超声波探伤；、外观检查（表面成型、焊缝尺寸、剖口、剖角）。五、表示方法 关键词焊缝缺陷weld defect3-3 对接焊缝的构造与计算一、构造1、剖口要求板厚t10时，不开剖口，直边对接焊；板厚10t20时，开V型或型剖口；板厚t20时，开U型、K型或X剖口。2、拼接要求在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。3、引、灭弧板及垫板在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时宜设置引弧板，焊后将它割除。当无法采用引、灭弧板时，计算每道焊缝长度时应减去2t（t为焊件的较小厚度）。垫板设在对接焊缝下部，防止焊缝金属熔融物流淌，还可保证焊透。对接焊缝的余高C，计算时不予以考虑，作强度储备。4、对接焊的优点：可实现等强连接；缺点：对剖口的要求较高，对加工制造要求较高。二、对接焊缝的计算类型一 ：轴心受拉（压）力作用 其中： N 轴力（N）； 焊缝的计算长度，当有引、灭弧板时，取=（板宽）；当没有引灭弧板，取=-2t； t 焊缝厚度，计算时取min； 当N为拉力时，焊缝的抗拉强度设计值； 当N为压力时，焊缝的抗压强度设计值； 焊缝在压应力的作用下，也可能破坏。类型二 ：V作用 或 其中：对接焊缝有效截面的惯性矩； 中和轴以上焊缝有效截面的面积矩； 对接焊缝的抗剪强度设计值；类型三 ：M作用其中：焊缝有效截面的抵抗矩；如矩形截面=类型四 ：N、V、M共同作用受拉侧： 中和轴： 中和轴： 类型五 ：（工字形截面梁）受N、V、M作用受拉侧：中和轴：（其中指中和轴处的厚度，即腹板的厚度）翼缘和腹板相交处：翼缘与腹板相交处的应力为：； 类型六 ：斜对接焊缝的计算 N=Nsin N=Ncos =sin；=cos从而可得：tg=1.5 ；因而，当tg1.5时斜焊缝与母材等强。三、钢结构连接计算题的一般步骤(1) 力向焊缝(螺栓群)形心简化，得到N、V、M（形心力）；(2) 求焊缝有效截面的几何参数（后用再补）如、等；(3) 分析形心力作用下焊缝(螺栓)中的内力分布，找出危险点(螺栓)；(4) 验算危险点的内力；(5) 结论。 关键词对接焊缝butt welding3-4 角焊缝的构造与计算一、构造1. 角焊缝的分类按焊缝与力的作用线的夹角分为：正面焊缝、侧面焊缝和斜焊缝；按角焊缝的断面形式可分为：直角角焊缝和斜角角焊缝；直角角焊缝又有：普通型、平坦型和凹面型。其中普通型最为常见，使用范围最广；凹面型的受力性能最好，但制造加工需要的水平较高，因而使用较少。图3-6 直角角焊缝截面斜角角焊缝与直角角焊缝相似，如下图所示：图3-7 斜角角焊缝截面2. 角焊缝的破坏可以分为三种：如下图所示图3-8 角焊缝的破坏位置截面1所示为：焊缝与母材脱离（焊缝质量差所致）；截面2所示为：焊缝被剪力剪断（焊缝质量差所致）；截面3所示为：沿焊缝45截面破坏，是最为常见的一种破坏形式。注：截面1和截面2破坏多为焊缝质量差所导致的。3. 角焊缝的计算截面注：C为焊缝的余高，在计算时不考虑为焊缝的有效高度，；为角焊缝的焊角尺寸。4. 角焊缝的尺寸规定（1）角焊缝的焊脚尺寸 最大焊角尺寸为了避免焊缝区的基本金属过烧，减少焊件的焊接残余应力和残余变形，除钢管结构外，角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。如图39所示。对板件边缘的角焊缝，当板件厚度时，根据焊工的施焊经验，不易焊满全厚度，故取；当时，通常采用小焊条施焊，易焊满全厚度，则取。如果另一焊件厚度时，还应满足的要求。图3-9 最大焊脚尺寸 最小焊脚尺寸 角焊缝的焊脚尺寸也不能过小，否则焊缝因输入能量过小，而焊缝厚度较大，以致施焊时冷却速度过快，产生淬硬组织，导致母材开裂。规范规定：角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于1.5，t为较厚焊件厚度（单位为mm）。计算时，焊脚尺寸取整数（mm），小数点以后都进为1。自动焊熔深度较大，故所取最小焊脚尺寸可减少1mm；对T形连接的单面角焊缝，应增加1mm；当焊件厚度小于或等于4mm时，则取与焊件厚度相同。（2）角焊缝的计算长度（对每条焊缝取实际长度减去2hf）其中 : 不小于或40mm； 在静载作用下，不大于60，在动载荷作用下，不大于40。 焊缝长，传力、耐久性等并不一定好。二、角焊缝的计算1. 受力分析：图3-10 直角角焊缝的计算简图由可得，可得从而 其中为抗拉强度极限， 因此 则有 注： 外力焊缝的应力；外力焊缝的应力； 角焊缝的强度设计值； 正面角焊缝的强度增大系数。2. 计算类型类型一 ：正面角焊缝其中：N轴力（N）；角焊缝的强度增大系数；角焊缝的焊脚尺寸（）；角焊缝的计算长度（），=b2；角焊缝的强度设计值（N/2）。类型二 ：侧面角焊缝其中：N剪力（N）；角焊缝的强度增大系数；角焊缝的焊脚尺寸（）；角焊缝的计算长度（），=b2；角焊缝的强度设计值（N/2）。类型三：三面围焊对于正面焊缝：对于侧面焊缝：类型四：角钢拼接节点（1）三面围焊假定：正面焊缝充分发挥其强度。 -；- 验算焊缝1、2；其中的取值如下图所示：图3-11 角钢的内力分配系数（2）两面侧焊计算时，可令三面围焊中的。轴力分配给焊缝1，2：； ； 设计角焊缝时，焊缝的实际长度： +2。（3）倒“L”形焊缝这时，焊缝3不能充分发挥其强度。计算时，可令三面围焊中的则 ； 类型五：N、V、M共同作用1 力的简化由力T;N=x ；V=y ；M=100Fx 100Fy；2 画出焊缝的有效截面，并求其几何参数：AW；W。AW27180W=3 验算其中： （在直接承受动力荷载的结构中的角焊缝，取；其它情况取）。剪应力的分布，在对接焊缝中为抛物线型，在角焊缝中为均匀分布。类型六： V、T共同作用1 焊缝有效截面简图及截面几何参数确定有效截面的形心O的位置，计算惯性矩，有效截面面积AW。2 力的简化F向形心可以简化为V、T三个参数，T的应力又可分解为如上图所示。3 验算：找危险点A（离形心越远，T的作用效应越大）;其中： ； =+ 注： 指所有焊缝之和； 有效截面形心位置，由计算确定； 危险点的坐标，取有效截面最边缘一点为A。 关键词角焊缝angle welding3-5 焊接应力及焊接变形钢结构的焊接过程是在焊件局部区域加热熔化金属然后又冷却凝固的过程。由于受到不均匀的电弧高温作用，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，在此过程中焊件内部产生的应力为焊接应力（残余应力见课本P58图3.333.36），相应的变形为焊接变形，也称为焊接残余应力和残余变形。焊接应力分为沿焊缝长度方向的纵向焊接应力和垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力，以及当焊缝较厚时，沿厚度方向的焊接应力。图3-12 焊接残余变形一、定义1、焊接残余应力由于焊接过程中不均匀的加热、冷却，在构件中所产生的一种自平衡的应力状态。2、焊接残余变形由焊接残余应力导致的变形。二、分类焊接应力有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。三、分布状态 规律：应力分布与焊接顺序有一定关系“先焊产生压应力，后焊产生拉应力”。四、测定方法盲孔法、光弹法等五、残余应力的影响（1） 对结构静力强度无影响（焊接应力自相平衡）；（2） 刚度降低（增大了结构的变形）；（3） 稳定性降低（残余拉应力对稳定有利，残余压应力对稳定不利）；（4） 其他：增加低温冷脆倾向；对结构的疲劳强度有明显不利影响。 六、减小方法1、设计方面（1）焊接位置的安排要合理 只要结构上允许，应尽可能使焊缝对称于构件截面的中性轴，以减小焊接变形。（2）焊缝尺寸要恰当 在保证安全的前提下，不得随意加大焊缝厚度。焊缝尺寸过大容易引起过大的焊接应力。（3）焊缝的数量宜少，不宜过分集中 当几块钢板交汇一处进行连接时要采取一定措施，不能直接焊在一处，由于热量高度集中，会引起过大的焊接变形。（4）应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉 比如梁腹板加劲肋与腹板及翼缘的连接焊缝，就应中断，以保证主要焊缝（腹板与翼缘的连接焊缝）连续通过。（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。2、制作方面 合理的焊接工艺 例如钢板对接时采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，工字型截面按对角跳焊。 反变形 施焊前给结构以一个与焊接变形反方向的预变形，使之与焊接所引起的变形相抵消，从而达到减小焊接变形的目的。 焊前预热、焊后热处理 对于小尺寸焊件，焊前预热或焊后回火加热至600左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力，减小焊接变形。 关键词焊接应力welding stress焊接变形welding deformation3-6 普通螺栓的构造与计算一、构造1、分类（种类）普通螺栓按质量可分为： A、B、C三级。A、B级属于精制螺栓，制作精度、孔壁表面粗糙度等要求都比较严格，成本高；C级属于粗制螺栓，其制作精度和螺栓的允许偏差、孔壁表面粗糙度等要求都比A、B级螺栓低，成本低。从受力性能来讲，A、B级螺栓受力变形小，既可用于受拉连接，又可用于受剪连接；而C级螺栓受力变形大，一般只用于受剪连接。从使用情况来讲，由于C级螺栓的拆装比较方便，常用于安装连接及可拆卸的结构中，有时也用于次要结构中的受剪连接。C级螺栓使用的较多，A、B级螺栓逐渐被高强度螺栓取代。开孔要求方面，A、B级螺栓的孔径比螺栓直径要大0.30.5，属于类孔；C级螺栓11.5，属于孔。孔壁质量属于下列情况着为类孔： 在装配好的构件上按设计孔径钻成的孔； 在单个零件和构件上按设计孔径分别用钻模钻成孔； 在单个零件上先钻成或冲成较小的孔径，然后在装配好的构件上再扩钻至设计孔径的孔。2、排列方式（见图3-13） 并列式和错列式两种。端距，构造要求2；边距，构造要求1.5；中距，构造要求3。3、螺栓布置的原则（1）受力要求 对于受拉构件，各排螺栓的中距、边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，截面削弱过多，降低承载力。端距应按被连接件材料的抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以使钢板在端部不致被螺栓撕裂，规范规定端距不应小于2；受压构件上的中距不宜过大，防止发生鼓曲。（2）构造要求螺栓的中距及边距不宜过大，否则钢板间不能紧密连接，受潮锈蚀。螺栓连接构造要求螺栓数量不少于4个。（3）施工要求要保证有一定的空间，便于用扳手拧紧螺栓，规定最小中距为3。（1）并列式 （2）错列式图3-13 螺栓布置图4、破坏形式（抗剪、抗拉）抗剪螺栓连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有：（1）栓杆被剪断（板厚杆细）；（2）孔壁承压破坏（板薄杆粗）；（3）板件净截面破坏（螺孔对钢板削弱较大）；（4）板端撕裂（端距过小）；（5）栓杆弯曲（螺栓锚固的板过厚）。三个直径问题、，各自的含义、适用情况。图3-14 抗剪螺栓连接的破坏形式5、符号图3-15 螺栓及螺栓孔的标注例：M24：螺栓的公称直径=24（孔径；公称直径；有效直径（螺纹根部）二、计算类型类型一：均匀受剪（纯剪） （1）求单个螺栓的承载力 式中 抗剪面的数目；螺栓的公称直径；螺栓抗剪强度设计值； 式中 同一受力方向板厚之和的最小值；螺栓承压强度设计值。（2）验算螺栓（3）验算板的净截面 验算第一排螺栓 ； 其中：母材抗拉强度设计值。； ；其中：截面螺栓个数；截面螺栓个数。构件的节点处或拼接接头的某一侧，当螺栓沿受力方向的连接长度过大时，各螺栓的受力将很不均匀，端部螺栓受力最大。规范对此种连接螺栓的承载力设计值乘以折减系数予以降低： 当时，取； 当时，； 当时，取。普通螺栓、高强螺栓连接长度过大时都要进行承载力折减。类型二：偏心受剪 力F向螺栓群形心简化得：V、T； 验算危险螺栓 当时，。净截面强度不需算。类型三：普通螺栓受拉计算 3. 偏心受拉判断大小偏心1 当（截面核心距），为小偏心，M旋转中心位于螺栓群的形心（O点）；2 当（截面核心距），为大偏心，M旋转中心位于最下排螺栓螺栓处（B点）。（1）小偏心注：螺栓群的形心（O点）为弯矩旋转点；拉力T向螺栓群形心O点简化，得：此时A点处螺栓受力最大，（2）大偏心注：最下排螺栓（B点）为弯矩旋转点； 拉力T向旋转点B点简化，得：此时A点处螺栓受力最大，类型四：拉剪计算 最上排螺栓受力最大，验算：， 同时 ；其中：；、分别为单个普通螺栓的抗剪、抗拉、承压承载力设计值。 关键词螺栓连接bolted connection并列arrangement in parallel；错列staggered arrangement受剪螺栓bolt in shear受拉螺栓bolt in tension拉剪螺栓bolt in tension-shear 3-7 高强度螺栓的构造和计算高强度螺栓连接按其受力特征分为摩擦型连接和承压型连接两种类型。摩擦型连接是以摩擦阻力刚被克服、连接即将产生相对滑移作为承载能力极限状态。一、构造1、等级 常见的有8.8S和10.9S。数字含义：“”前的数字表示公称抗拉强度的1/100，“”后数字表示条件屈服强度与之比屈强比的十倍，S表示高强度螺栓。如8.8S，则螺栓，即常用的材料有35#，45#，35VB，40B，20MnTiB。2、受力性能或特点由于有较大的预拉力P，则被连接件的整体工作性能提高，可实现铰接、刚接。3、极限状态对于摩擦型高强度螺栓在极限状态下，滑动瞬间，摩擦力消失。承压型高强度螺栓与普通螺栓工作情况相似，计算方法与普通螺栓类似。4、开孔直径对于摩擦型高强度螺栓比螺栓直径要大1.52.0；对于承压型高强度螺栓比螺栓直径要大1.01.5，以便于安装。5、预应力P的施加方法：（1）转角法（初拧，终拧） 由于施工人员的差异，拧紧程度也不同。（2）扭矩扳手法 采用可直接显示扭矩的特制扳手，根据事先测定的扭矩和螺栓拉力之间的关系施加扭矩。优点是较简单、宜实施、费用少，但拧紧速度的不同，引起误差较大。（3）拧断螺栓尾部法 是采用扭剪型高强度螺栓，其端部设有梅花头，拧紧螺帽时，靠拧断螺栓梅花头切口处截面来控制预拉应力值。