第二章钢结构连接

1、第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 第二章第二章 钢结构的连接钢结构的连接 n本章包括如下六节内容：本章包括如下六节内容： n第一节第一节 连接的类型连接的类型 n第二节第二节 焊接方法和焊缝强度焊接方法和焊缝强度 n第三节第三节 对接焊缝连接的构造和计算对接焊缝连接的构造和计算 n第四节第四节 角焊缝连接的构造和计算角焊缝连接的构造和计算 n第五节第五节 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形 n第六节第六节 螺栓连接螺栓连接 第二章钢结构连接 钢结构的连接钢结构的连接 钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组 成基本构件，再通过一定的安装连结装配成基本构件，再

2、通过一定的安装连结装配 成空间整体结构。成空间整体结构。 连接的构造和计算是钢结构设计的重要组连接的构造和计算是钢结构设计的重要组 成部分。成部分。 第二章钢结构连接 第一节第一节 连接的类型连接的类型 n20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现 代钢结构最主要的连接方法之一。代钢结构最主要的连接方法之一。 n 优点：不削弱构件截面，构造简单，节约钢材，优点：不削弱构件截面，构造简单，节约钢材， 加工方便，可采用自动化操作，生产效率高。刚度加工方便，可采用自动化操作，生产效率高。刚度 较大、密封性能好。较大、密封性能好。 n 缺点：焊缝附近存在热

3、影响区，由高温快速降到缺点：焊缝附近存在热影响区，由高温快速降到 常温，使钢材脆性加大；存在焊接残余应力及残余常温，使钢材脆性加大；存在焊接残余应力及残余 变形；焊接结构低温冷脆问题也比较突出。变形；焊接结构低温冷脆问题也比较突出。 一、焊缝连接一、焊缝连接 第二章钢结构连接 2、螺栓连接、螺栓连接 n1）普通螺栓连接）普通螺栓连接 n2). 高强度螺栓连接高强度螺栓连接 n优点：方便、操作简单，便于拆卸。优点：方便、操作简单，便于拆卸。 n缺点：削弱构件的截面。缺点：削弱构件的截面。 第二章钢结构连接 3 3、铆钉连接、铆钉连接 n1919世纪世纪20203030年代出现铆钉连接。把铆钉加热

4、到年代出现铆钉连接。把铆钉加热到 1000100015001500o oC C，再加压形成接头（用铆钉枪铆，再加压形成接头（用铆钉枪铆 合）。合）。 n优点：塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检优点：塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检 查和保证，可用于承受动载的重型结构。查和保证，可用于承受动载的重型结构。 n缺点：工艺复杂、噪音大、劳动条件差，用钢量缺点：工艺复杂、噪音大、劳动条件差，用钢量 大，现已很少采用。大，现已很少采用。 第二章钢结构连接 图图 2-1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 第二章

5、钢结构连接 第二节第二节 焊接方法和焊缝强度焊接方法和焊缝强度 n根据工艺特点不同，可分为熔化焊和电阻焊。根据工艺特点不同，可分为熔化焊和电阻焊。 n熔化焊，将主体金属（母材）在连接处局部加热至熔熔化焊，将主体金属（母材）在连接处局部加热至熔 融状态，并附加熔化的填充金属使金属分子互相结合融状态，并附加熔化的填充金属使金属分子互相结合 而成为整体形成接头。熔化焊有电弧焊、气焊（用氧而成为整体形成接头。熔化焊有电弧焊、气焊（用氧 和乙炔火焰加热）等。和乙炔火焰加热）等。 n电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生 的热量来熔化金属，再通过压力使

6、其焊合。的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。 n钢结构中主要用电弧焊。薄钢板（钢结构中主要用电弧焊。薄钢板（t3 t3 毫米）的连接毫米）的连接 可以采用电阻焊或气焊。冷弯薄壁型钢的焊接，常用可以采用电阻焊或气焊。冷弯薄壁型钢的焊接，常用 电阻点焊，板叠总厚度一般不超过电阻点焊，板叠总厚度一般不超过12mm12mm，焊点应主要，焊点应主要 承受剪力，其抗拉承受剪力，其抗拉( (撕裂撕裂) )能力较差。能力较差。 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 一电弧焊一电弧焊 n电弧焊就是采用低电压（一般为电弧焊就是采用低电压（一般为5070伏）大电流伏）大电流 （几十到几百安培）引燃

7、电弧使焊条和焊件之间产（几十到几百安培）引燃电弧使焊条和焊件之间产 生很大热量和强烈的弧光，利用电弧热来熔化焊条生很大热量和强烈的弧光，利用电弧热来熔化焊条 进行焊接。进行焊接。 n电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊。电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊。 手工电弧焊示意图手工电弧焊示意图 第二章钢结构连接 (1)(1)手工电弧焊手工电弧焊 设备简单，操作灵活，适于任意空间位置设备简单，操作灵活，适于任意空间位置 的焊接，适用各种焊缝。生产效率较低，质的焊接，适用各种焊缝。生产效率较低，质 量变异性大，施焊时弧光外露，电弧光较强。量变异性大，施焊时弧光外露，电弧光较强。 手工焊采用的焊条手工

8、焊采用的焊条 第二章钢结构连接 (2)(2)自动或半自动电弧焊自动或半自动电弧焊 n属于机械化焊接，电弧埋在焊剂层下。属于机械化焊接，电弧埋在焊剂层下。 n采用盘状连续的光焊丝在散粒状焊剂下燃弧焊接，散采用盘状连续的光焊丝在散粒状焊剂下燃弧焊接，散 粒状焊剂的作用与手工焊焊条的药皮相同。自动焊的粒状焊剂的作用与手工焊焊条的药皮相同。自动焊的 引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动 都是自动的。埋弧焊节省焊丝和电能，劳动条件好，都是自动的。埋弧焊节省焊丝和电能，劳动条件好， 生产效率高；焊缝质量稳定可靠，塑性和韧性也较好，生产效率高；焊缝质量

9、稳定可靠，塑性和韧性也较好， 但不如手工焊灵活。但不如手工焊灵活。 n埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配。对埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配。对 Q235Q235钢常用钢常用H08AH08A等焊丝，对等焊丝，对Q345Q345钢和钢和Q390Q390和和Q420Q420钢常钢常 用用H08MnAH08MnA，H10Mn2H10Mn2等焊丝。选择焊丝时，尚需同时选等焊丝。选择焊丝时，尚需同时选 用相应的焊剂。焊剂有无锰型及高、中、低锰型焊剂。用相应的焊剂。焊剂有无锰型及高、中、低锰型焊剂。 第二章钢结构连接 焊剂层下自动焊示意图焊剂层下自动焊示意图 第二章钢结构连接 (3)(3

10、)二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊 n利用利用COCO2 2气体作为保护气体，使焊缝金属不与气体作为保护气体，使焊缝金属不与 空气接触，电弧加热集中，焊接速度快，熔空气接触，电弧加热集中，焊接速度快，熔 化深度大，焊缝强度高，塑性好。化深度大，焊缝强度高，塑性好。COCO2 2气体保气体保 护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈 能力。能力。 第二章钢结构连接 二、焊条的型号 n焊条的质量直接影响着焊缝的机械性能和抗蚀性能焊条的质量直接影响着焊缝的机械性能和抗蚀性能 等，因此，焊条的选择应与焊件钢材、焊接技术要等，因此，焊条的选择应与焊件钢材、焊接技术

11、要 求相适应。求相适应。 n对焊条的基本要求是：对焊条的基本要求是： 焊缝金属的化学成分和焊缝金属的化学成分和 全相组织与基本金属要相近；全相组织与基本金属要相近； 焊缝的机械性能焊缝的机械性能 要接近基本金属；对焊接不应造成特殊困难，易要接近基本金属；对焊接不应造成特殊困难，易 于掌握，工艺性能要好，可焊性要满足要求（重要于掌握，工艺性能要好，可焊性要满足要求（重要 结构要做焊条可靠性试验）。结构要做焊条可靠性试验）。 n不同的钢种要求选用不同型号的焊条，而同一钢种不同的钢种要求选用不同型号的焊条，而同一钢种 又因焊件的工作条件、使用环境、结构型式等差别，又因焊件的工作条件、使用环境、结构型

12、式等差别， 也要选用不同品种的焊条。一般可按结构钢的强度也要选用不同品种的焊条。一般可按结构钢的强度 选用相应强度等级的焊条。选用相应强度等级的焊条。 第二章钢结构连接 焊条应和焊件的强度和性能相适应。焊条应和焊件的强度和性能相适应。 Q235Q235钢用钢用E43E43型焊条型焊条(E4300(E4300一一E4316)E4316)， Q345Q345钢用钢用E50E50型焊条型焊条(E5000(E5000E5018)E5018)， Q390Q390和和Q420Q420钢用钢用E55E55型焊条型焊条(E5500(E5500E5518)E5518)。 E E（ElectrodeElectro

13、de）表示焊条。）表示焊条。 第二章钢结构连接 n手工焊现在大都用厚涂料焊条（又称优质焊手工焊现在大都用厚涂料焊条（又称优质焊 条）。涂料（又称药皮）的作用为：条）。涂料（又称药皮）的作用为： n稳定电弧；稳定电弧； n施焊时产生气体保护熔滴与空气隔离，以防施焊时产生气体保护熔滴与空气隔离，以防 止空气中氧、氮浸人，而使焊缝性质变脆；止空气中氧、氮浸人，而使焊缝性质变脆； n焊药造成的熔渣覆盖在熔成的焊缝表面上焊药造成的熔渣覆盖在熔成的焊缝表面上 （清理焊缝时铲除），使焊缝慢慢冷却以便（清理焊缝时铲除），使焊缝慢慢冷却以便 气体和杂质能从焊缝中溢出；气体和杂质能从焊缝中溢出； n另外在焊缝金属

14、内掺入某些合金元素，可改另外在焊缝金属内掺入某些合金元素，可改 善焊缝的机械性能。善焊缝的机械性能。 第二章钢结构连接 三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别 n1 1焊缝缺陷焊缝缺陷 主要有主要有外观缺陷外观缺陷： 焊缝尺寸偏差；咬边；焊缝尺寸偏差；咬边； 弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；内部内部 缺陷缺陷：未熔合；母材被烧穿；气孔；非：未熔合；母材被烧穿；气孔；非 金属夹渣；裂纹等缺陷，均会引起应力集中削金属夹渣；裂纹等缺陷，均会引起应力集中削 弱焊缝有效截面，降低承载能力。若发现焊缝有弱焊缝有效截面，降低承载能力。若发现焊缝有 裂纹，应彻底铲除后补焊。裂

15、纹，应彻底铲除后补焊。 第二章钢结构连接 n 2 2焊缝质量检验和焊缝级别焊缝质量检验和焊缝级别 焊缝质量检验分为三级。焊缝质量检验分为三级。 IIIIII级：只对全部焊缝做外观检查；级：只对全部焊缝做外观检查； 级：除对全部焊缝做外观检查外，还要用超声级：除对全部焊缝做外观检查外，还要用超声 波抽查焊缝长度的波抽查焊缝长度的5050； I I级：除全部做外观检查外，还须按要求用超声波级：除全部做外观检查外，还须按要求用超声波 检查，并用检查，并用X X射线抽查焊缝长度的射线抽查焊缝长度的2 2，且部分拍，且部分拍 片。片。 第二章钢结构连接 四、焊缝连接形式及焊缝类型 n焊缝连接焊缝连接接头

16、接头按被连接构件间的相对位置分为按被连接构件间的相对位置分为 对接、搭接、对接、搭接、T T形连接和角接四种。形连接和角接四种。 n焊缝按其构造来分，可分为对接焊缝和角焊缝焊缝按其构造来分，可分为对接焊缝和角焊缝 两种类型。两种类型。 第二章钢结构连接 n焊缝若按其工作性质来分有强度焊缝和密焊缝若按其工作性质来分有强度焊缝和密 强焊缝两种。强度焊缝只作为传递内力之强焊缝两种。强度焊缝只作为传递内力之 用，密强焊缝除传递内力外，还须保证不用，密强焊缝除传递内力外，还须保证不 使气体或液体渗漏。使气体或液体渗漏。 n焊缝按其施焊位置分为俯焊焊缝按其施焊位置分为俯焊( (平焊平焊) )、立焊、立焊、

17、 横焊和仰焊。设计和施工时应尽量避免采横焊和仰焊。设计和施工时应尽量避免采 用仰焊用仰焊 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 五、焊缝的强度五、焊缝的强度 焊缝的强度主要决定于焊缝金属的强度，并与焊焊缝的强度主要决定于焊缝金属的强度，并与焊 接形式、应力集中程度以及焊接的工艺条件等有密接形式、应力集中程度以及焊接的工艺条件等有密 切关系。切关系。 对接焊缝的应力分布情况基本上和板件一样，可对接焊缝的应力分布情况基本上和板件一样，可 用计算板件强度的方法进行计算。对接焊缝的静力用计算板件强度的方法进行计算。对接焊缝的静力 强度一般均能达到母材的强度。因此，钢结构设计强度一般均能达到母材的强度。因

18、此，钢结构设计 规范规定，对接焊缝的抗压抗剪和满足规范规定，对接焊缝的抗压抗剪和满足、级焊级焊 缝质量检查标准的抗拉强度设计值均与母材相同，缝质量检查标准的抗拉强度设计值均与母材相同， 仅对满足仅对满足级检查标准的对接焊缝抗拉设计强度，级检查标准的对接焊缝抗拉设计强度， 约取母材强度设计值的约取母材强度设计值的85%85%，这是因为焊缝质量变，这是因为焊缝质量变 动大，焊缝缺陷对抗拉强度的影响十分敏感。动大，焊缝缺陷对抗拉强度的影响十分敏感。 第二章钢结构连接 第三节第三节 对接焊缝连接的构造和计算对接焊缝连接的构造和计算 n对接焊缝传力直接、平顺、没有显著的应力集中现对接焊缝传力直接、平顺、

19、没有显著的应力集中现 象，受力性能良好。但质量要求高，焊件间施焊间象，受力性能良好。但质量要求高，焊件间施焊间 隙要求严，一般多用于工厂制造的连接中。隙要求严，一般多用于工厂制造的连接中。 n坡口加工：应对板件边缘加工成适当型式和尺寸坡口加工：应对板件边缘加工成适当型式和尺寸 的坡口的坡口( (图图2-7)2-7)，以便焊接时有焊条运转的必要空，以便焊接时有焊条运转的必要空 间。对于手工焊，当板厚超过间。对于手工焊，当板厚超过10mm10mm时，就应开坡口；时，就应开坡口； 而对自动焊，则当板厚超过而对自动焊，则当板厚超过16mm16mm时，开时，开V V形坡口即形坡口即 可。可。 对于不同截

20、面尺寸构件的拼接，应采用平缓过度对于不同截面尺寸构件的拼接，应采用平缓过度 的连接方式（图的连接方式（图2-82-8），以减小应力集中），以减小应力集中 一、对接焊缝连接的构造要求一、对接焊缝连接的构造要求 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 n当两板厚度不相等，且板厚相差超过当两板厚度不相等，且板厚相差超过4 4毫米时，须毫米时，须 将较厚板的边缘刨成将较厚板的边缘刨成1 1：4 4的坡度，使其逐渐减到与的坡度，使其逐渐减到与 较薄板等厚，以减缓突变处应力集中的影响。当两较薄板等厚，以减缓突变处应力集中的影响。当两 板宽度不同时，也应将宽板两侧以不小于板宽度不同时，也应将宽板两侧以不小于1

21、1：4 4的坡的坡 度缩减到窄板宽度。度缩减到窄板宽度。 n在一般焊缝中，每条焊缝的起弧端和终点灭弧端分在一般焊缝中，每条焊缝的起弧端和终点灭弧端分 别存在弧坑和未熔透的缺陷，这种缺陷统称为焊口，别存在弧坑和未熔透的缺陷，这种缺陷统称为焊口， 焊口处常产生裂纹和应力集中。它对处于低温或受焊口处常产生裂纹和应力集中。它对处于低温或受 动载的结构不利。动载的结构不利。 n一般的焊缝计算长度应由实际长度减去两端各一般的焊缝计算长度应由实际长度减去两端各5 5 毫毫 米。为了消除悼口的缺陷影响。对于重要结构的对米。为了消除悼口的缺陷影响。对于重要结构的对 接焊缝可采用临时引弧板，将焊缝两端引出板外，接

22、焊缝可采用临时引弧板，将焊缝两端引出板外， 焊完以后切除，这样可保证焊缝两端的质量。此种焊完以后切除，这样可保证焊缝两端的质量。此种 焊缝的计算长度即等于实际长度。焊缝的计算长度即等于实际长度。 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 二、对接焊缝的强度计算 w c w t w ff tl N 或 1 1对接直焊缝承受轴心力对接直焊缝承受轴心力N N w t wt l N 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 2 2对接焊缝承受剪力和弯矩对接焊缝承受剪力和弯矩 n对接焊缝承受弯矩对接焊缝承受弯矩MM和剪力和剪力V V作用时，按下式验算作用时，按下式验算 其焊缝强度其焊缝强度 n 在正应力和剪应力都较

23、大之处，还应按下式验在正应力和剪应力都较大之处，还应按下式验 算该点的折算应力：算该点的折算应力： W tw fWM/ W Vww ftIVS)/( W t f1 . 13 2 1 2 1 第二章钢结构连接 3工字形截面对接焊缝承受弯矩、工字形截面对接焊缝承受弯矩、 剪力和轴心力共同作用剪力和轴心力共同作用 按下列各式验算焊缝强度：按下列各式验算焊缝强度： w tN f1 . 13 2 max 2 w tA N W M f ww w tN f 2 1 2 1 3)( 第二章钢结构连接 第四节第四节 角焊缝连接的构造和计算角焊缝连接的构造和计算 第二章钢结构连接 一、受力情况和构造要求 1、角焊

24、缝的形式和受力情况、角焊缝的形式和受力情况 第二章钢结构连接 n侧焊缝主要承受剪力作用侧焊缝主要承受剪力作用。在弹性阶段，应。在弹性阶段，应 力沿焊缝长度分布不均，但由于其塑性较好，力沿焊缝长度分布不均，但由于其塑性较好， 在出现塑性变形后，将产生应力重分布，在出现塑性变形后，将产生应力重分布，在在 规范规定的焊缝长度范围内，规范规定的焊缝长度范围内，应力分布可趋应力分布可趋 于均匀。于均匀。 n端焊缝的应力状态较复杂，其破坏强度比侧端焊缝的应力状态较复杂，其破坏强度比侧 焊缝的高（约高焊缝的高（约高22%22%左右），但塑性变形要左右），但塑性变形要 差一些。差一些。 n侧焊缝和端焊缝的受力

25、情况和可能的破坏情侧焊缝和端焊缝的受力情况和可能的破坏情 况分别如图所示。况分别如图所示。 第二章钢结构连接 角焊缝按其与外力方向的不同分为侧面焊缝角焊缝按其与外力方向的不同分为侧面焊缝( (与外与外 力平行力平行) )正面焊缝又能称端焊缝正面焊缝又能称端焊缝( (与外力垂直与外力垂直) )和斜焊和斜焊 缝。缝。 根据国内外大量静力试验证明，角焊缝的强度和外根据国内外大量静力试验证明，角焊缝的强度和外 力的方向有直接关系，其中，侧面焊缝强度最低，正力的方向有直接关系，其中，侧面焊缝强度最低，正 面焊缝强度最高。面焊缝强度最高。 正面焊缝的破坏强度是侧面缝的正面焊缝的破坏强度是侧面缝的1.351

26、.551.351.55倍，斜缝倍，斜缝 的强度介于两者之间。由于角焊缝的应力状态极为复的强度介于两者之间。由于角焊缝的应力状态极为复 杂杂, ,在各种破坏形式中取其最低的平均剪应力来控制在各种破坏形式中取其最低的平均剪应力来控制 角焊缝的强度。故规范规定抗拉抗压和抗剪不分焊缝角焊缝的强度。故规范规定抗拉抗压和抗剪不分焊缝 质量级别均采用相同的强度设计值。质量级别均采用相同的强度设计值。 侧面焊缝与正面焊缝在强度上的区别，将在设计算侧面焊缝与正面焊缝在强度上的区别，将在设计算 式中给予体现。对施工条件较差的高空安装焊缝按规式中给予体现。对施工条件较差的高空安装焊缝按规 定的强度设计乘以定的强度设

27、计乘以0.90.9系数采用。系数采用。 第二章钢结构连接 侧面角焊缝的受力及破坏情况侧面角焊缝的受力及破坏情况 第二章钢结构连接 正面角焊缝的受力情况正面角焊缝的受力情况 第二章钢结构连接 2 2、角焊缝的构造要求、角焊缝的构造要求 n1 1）焊脚尺寸）焊脚尺寸h hf f n称角焊缝截面直角边的尺寸称角焊缝截面直角边的尺寸h hf f为角焊缝的焊脚尺寸。为角焊缝的焊脚尺寸。 n若若 h hf f过小，热量小，易被周围金属快速吸收，从而冷过小，热量小，易被周围金属快速吸收，从而冷 却过快而产生淬硬组织，使金属变脆，容易形成裂纹。却过快而产生淬硬组织，使金属变脆，容易形成裂纹。 h hf f过大

28、，易使焊件过烧，改变金相组织，且易烧穿较过大，易使焊件过烧，改变金相组织，且易烧穿较 薄焊件。所以薄焊件。所以h hf f 不能过大或过小，一般应满不能过大或过小，一般应满 足足 ，当焊缝位于板边时，应满足，当焊缝位于板边时，应满足 h hf ft t 。 minmax 2 . 15 . 1tht f 第二章钢结构连接 n2）焊缝长度）焊缝长度Lw n考虑弧坑影响，考虑弧坑影响，l lw w取实际长度减去取实际长度减去10mm10mm。 n当当h hf f大而大而l lw w过小时，易使焊件局部受热严重，且焊过小时，易使焊件局部受热严重，且焊 缝起灭弧的弧坑相距太近，起灭弧区段占比例高，缝起灭

29、弧的弧坑相距太近，起灭弧区段占比例高， 加上可能出现的其他缺陷，也使焊缝不够可靠。加上可能出现的其他缺陷，也使焊缝不够可靠。 nl lw w过大过大, ,侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均 匀，焊缝两端已达破坏应力，而中部应力还较小。匀，焊缝两端已达破坏应力，而中部应力还较小。 n故侧焊缝长度应满足：故侧焊缝长度应满足： n8 8h hf fl lw w6060h hf f（承受静力荷载或间接受动力荷载）（承受静力荷载或间接受动力荷载） n8 8h hf fl lw w 40 40h hf f（直接承受动力荷载）（直接承受动力荷载） 第二章钢结构连接

30、n3）搭接长度）搭接长度 n在端焊缝的搭接连接中，搭接长度在端焊缝的搭接连接中，搭接长度5t5tmin min或 或25mm25mm， 这是为了减少收缩应力以及因传力偏心在板件中产这是为了减少收缩应力以及因传力偏心在板件中产 生的次应力。生的次应力。 n4）间断焊缝的段间净距）间断焊缝的段间净距e n水工钢结构不宜采用间断焊缝，以防锈蚀。水工钢结构不宜采用间断焊缝，以防锈蚀。 n在次要构件或次要焊缝中，若采用间断焊缝则各段在次要构件或次要焊缝中，若采用间断焊缝则各段 间的净距间的净距e15te15tmin min( (受压板件 受压板件) )或或30t30tmin min( (受拉板件 受拉板

31、件),), 以避免局部凸曲而对受力不利。以避免局部凸曲而对受力不利。 第二章钢结构连接 二、角焊缝的强度计算二、角焊缝的强度计算 n角焊缝的计算方法：不同的角焊缝的计算方法：不同的规范规范有不同有不同 的计算方法。的计算方法。 n折算应力法折算应力法: :考虑焊缝有效截面的应力状态，考虑焊缝有效截面的应力状态， 按第四强度理论计算。按第四强度理论计算。 n单一应力法单一应力法: :不考虑焊缝有效截面的实际应力不考虑焊缝有效截面的实际应力 状态，均按单一剪应力计算。状态，均按单一剪应力计算。 第二章钢结构连接 1 1、角焊缝计算的基本公式、角焊缝计算的基本公式 n角焊缝有效截面上同时存在正应力和

32、剪应力，则可角焊缝有效截面上同时存在正应力和剪应力，则可 按第四强度理论计算其等效应力，对于比较简单的按第四强度理论计算其等效应力，对于比较简单的 受力情况，该计算公式可简化为受力情况，该计算公式可简化为 ： n其中：其中： w f f3)( 3 222 wf x f lh N 7 . 0 2 f 2 f wf y f lh N 7 . 0 第二章钢结构连接 角焊缝的应力分析角焊缝的应力分析 第二章钢结构连接 w fwef flhN22. 1)/( w ff f f 22 ) 22.1 ( w fwef flhN )/( n整理上式可得角焊缝连接的基本公式整理上式可得角焊缝连接的基本公式 n(

33、1) (1) 当只有垂直于焊缝长度方向的轴心力作用当只有垂直于焊缝长度方向的轴心力作用 时（轴心力作用的正面角焊缝）时（轴心力作用的正面角焊缝） n(2)(2)当只有平行于当只有平行于焊缝长度方向焊缝长度方向的轴心力作的轴心力作用用 时（轴心力作用的侧面角焊缝）时（轴心力作用的侧面角焊缝） 第二章钢结构连接 上述公式适用条件上述公式适用条件 n适用于非直接动力荷载作用。当直接动力荷载作用适用于非直接动力荷载作用。当直接动力荷载作用 时，考虑时，考虑正面正面角焊缝塑性性能较差，取它和侧面角角焊缝塑性性能较差，取它和侧面角 焊缝的强度相同，把式中焊缝的强度相同，把式中1.221.22变为变为1 1

34、。 n按容许应力法计算焊接连接时，强度均取角焊缝的按容许应力法计算焊接连接时，强度均取角焊缝的 容许剪应力，应力根据荷载标准值求得。容许剪应力，应力根据荷载标准值求得。 第二章钢结构连接 2.轴心力作用轴心力作用 轴心力通过连接角焊缝群的中心时的角焊缝计算，轴心力通过连接角焊缝群的中心时的角焊缝计算， 应取应力是均匀分布的。应取应力是均匀分布的。 （1 1）只采用侧面角焊缝和只采用正面角焊缝时）只采用侧面角焊缝和只采用正面角焊缝时 分分 别按上述公式计算。别按上述公式计算。 （2 2）三面围焊时）三面围焊时 先取先取h hf f 值，求出正面角焊缝所能值，求出正面角焊缝所能 承担的内力承担的内

35、力N N3 3，再由，再由N N- - N N3 3，再计算侧面角焊缝。，再计算侧面角焊缝。 第二章钢结构连接 n(3) (3) 当用侧面角焊缝连接钢板与角钢时当用侧面角焊缝连接钢板与角钢时 应使焊缝受应使焊缝受 力合力通过角钢轴线。通过调节焊缝面积来实现。依力合力通过角钢轴线。通过调节焊缝面积来实现。依 X=0 X=0 、M=0 M=0 得得 第二章钢结构连接 NkN bb b N 1 21 2 1 NkN bb b N 2 21 1 2 焊缝内力焊缝内力N N1 1和和N N2 2求得后，再根据构造要求和强度求得后，再根据构造要求和强度 计算确定肢背和肢尖的焊脚尺寸和长度。计算确定肢背和肢

36、尖的焊脚尺寸和长度。 为使连接紧凑，可采用围焊缝。先选定正面角焊为使连接紧凑，可采用围焊缝。先选定正面角焊 缝的缝的hf，其承载力，其承载力N3 =0.7hf1.22lw31.22 ，肢背，肢背 和肢尖焊缝的内力：和肢尖焊缝的内力：N1 =k1N - N3/2 N2 =k2N - N3/2 然后按侧焊缝确定肢背和肢尖焊缝尺寸。然后按侧焊缝确定肢背和肢尖焊缝尺寸。 当受力较小而采用当受力较小而采用L形焊缝时，由形焊缝时，由 N2=0,可得可得N3=2 k2N，及，及N1=N-N3，然后可确定各焊缝尺寸。，然后可确定各焊缝尺寸。 肢背和肢尖可采用不同的焊脚尺寸肢背和肢尖可采用不同的焊脚尺寸hf，这

37、样可使，这样可使 肢背和肢尖的焊缝长度肢背和肢尖的焊缝长度lw接近相等。接近相等。 w f f 第二章钢结构连接 3 3弯矩、剪力和轴心力共同作用时弯矩、剪力和轴心力共同作用时T T 形接头的计算形接头的计算 把荷载向焊缝中心平移，确定受力最大的应把荷载向焊缝中心平移，确定受力最大的应 力点，依应力性质组合，验算最危险点的强度。力点，依应力性质组合，验算最危险点的强度。 w fVA NAMA f 22 )() 22. 1 ( 第二章钢结构连接 4 4扭矩扭矩T T作用作用(T(T平面平面焊缝平面焊缝平面) ) 扭矩扭矩T T作用作用(T(T平面平面焊缝平面焊缝平面) )假定（假定（1 1）被连

38、接）被连接 件是刚性的，焊缝是弹性的；件是刚性的，焊缝是弹性的； (2) (2) 被连接件绕焊被连接件绕焊 缝形心缝形心O O点转动，焊缝上任一点应力与该点与焊点转动，焊缝上任一点应力与该点与焊 缝中心距离缝中心距离r r的大小成正比，方向与的大小成正比，方向与r r垂直。按垂直。按 材力材力理论，可得该点应力沿理论，可得该点应力沿x x、y y方向的分量方向的分量 为：为： 式中，式中，r rx x、r ry y分别为 分别为r r在在x x和和y y方向上的分量。方向上的分量。 因此，在扭矩因此，在扭矩T T作用下，距焊缝形心最远的强度作用下，距焊缝形心最远的强度 验算公式为：验算公式为：

39、 P y Ax I Tr P x Ay I Tr w fAx Ay f 22 )() 22.1 ( 第二章钢结构连接 5. 5.扭矩、剪力和轴力共同作用下搭接连接的计算扭矩、剪力和轴力共同作用下搭接连接的计算 n把荷载向焊缝中心平移，确定受力最大的应力点，把荷载向焊缝中心平移，确定受力最大的应力点， 依应力性质组合，验算最危险点的强度。依应力性质组合，验算最危险点的强度。 w fTxNx TyVy f 22 )() 22.1 ( 第二章钢结构连接 第五节第五节 焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余应力和焊接残余变形 1 1、纵向残余应力（应力方向、纵向残余应力（应力方向焊缝长度方向）焊缝长度方向

40、） 构件产生纵向残余应力的三个充分必要条件构件产生纵向残余应力的三个充分必要条件： 构件上存在不均匀的温度场；构件上存在不均匀的温度场； 构件进入了热塑性状态；构件进入了热塑性状态； 组成构件的各个纵向纤维不能自由纵向变形。组成构件的各个纵向纤维不能自由纵向变形。 在同时满足上述三个条件的情况下，构件将产生纵在同时满足上述三个条件的情况下，构件将产生纵 向残余应力。构件在焊接、热轧、热切割等热处向残余应力。构件在焊接、热轧、热切割等热处 理时将会同时满足上述三个充分必要条件；因此理时将会同时满足上述三个充分必要条件；因此 将会产生纵向残余应力。将会产生纵向残余应力。 焊接残余应力是指焊件冷却后

41、残留在焊件内的应力。焊接残余应力是指焊件冷却后残留在焊件内的应力。 一、焊接残余应力的种类和产生的原因一、焊接残余应力的种类和产生的原因 第二章钢结构连接 n纵向残余应力的分布规律：纵向残余应力的分布规律： 构件的纵向残余应力为自相平衡的内应力（合力为构件的纵向残余应力为自相平衡的内应力（合力为 零），零），其分布表现为温度高的焊缝附近区域为拉应其分布表现为温度高的焊缝附近区域为拉应 力，而远离焊缝区温度较低的区域为压应力力，而远离焊缝区温度较低的区域为压应力。拉压。拉压 应力的合力为零。纵向残余应力的分布如下图所示。应力的合力为零。纵向残余应力的分布如下图所示。 第二章钢结构连接 2 2横向

42、残余应力横向残余应力 横向残余应力产生的原因有两方面：横向残余应力产生的原因有两方面： 焊后焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于弯成弓形，但由焊后焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于弯成弓形，但由 于焊缝将两块钢板连成整体，于是在焊缝中部和两端于焊缝将两块钢板连成整体，于是在焊缝中部和两端 分别产生横向拉应力和横向压应力如下图分别产生横向拉应力和横向压应力如下图 施焊时先焊的焊缝先冷却凝固施焊时先焊的焊缝先冷却凝固, ,具有一定的强度具有一定的强度, ,会阻会阻 止后焊焊缝在横向的自由变形止后焊焊缝在横向的自由变形, ,从而产生横向应力。从而产生横向应力。 第二章钢结构连接 3 3沿焊缝厚度方向的残余应力沿焊

43、缝厚度方向的残余应力 外边先冷却而受压，中间冷却慢而受拉。外边先冷却而受压，中间冷却慢而受拉。 这三种应力可能形成比较严重的同号三轴应这三种应力可能形成比较严重的同号三轴应 力；会大大降低结构连接的塑性。这就是焊力；会大大降低结构连接的塑性。这就是焊 接结构易发生脆性破坏的原因之一。接结构易发生脆性破坏的原因之一。 第二章钢结构连接 二、焊接残余变形二、焊接残余变形 n焊接过程中的局部加热和不均匀的冷却收焊接过程中的局部加热和不均匀的冷却收 缩，使焊件在产生残余应力的同时还将伴缩，使焊件在产生残余应力的同时还将伴 随产生焊接残余变形，如纵向和横向收缩、随产生焊接残余变形，如纵向和横向收缩、 弯

44、曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形 等。等。 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 三、焊接残余应力和残余变形的影响三、焊接残余应力和残余变形的影响 1 1焊接残余应力对结构性能的影响焊接残余应力对结构性能的影响 (1)(1)强度方面：强度方面： 残余应力是自平衡力系，不影响结构的残余应力是自平衡力系，不影响结构的 强度。强度。 (2)(2)刚度方面：刚度方面： 残余应力与荷载应力相加以后，部分材残余应力与荷载应力相加以后，部分材 料将提前进入屈服阶段，继续增加的外力将仅由弹性区料将提前进入屈服阶段，继续增加的外力将仅由弹性区 承担，因此构件变形将加快，刚度降

45、低。承担，因此构件变形将加快，刚度降低。 (3)(3)构件的稳定性：构件的稳定性： 荷载引起的压应力与截面残余压应荷载引起的压应力与截面残余压应 力叠加时，会使部分截面屈服，降低抗弯刚度力叠加时，会使部分截面屈服，降低抗弯刚度EIEI，将降，将降 低构件的整体稳定性。低构件的整体稳定性。 (4)(4)疲劳和低温冷脆：疲劳和低温冷脆： 残余应力为三向同号应力状态时，残余应力为三向同号应力状态时， 材料易转向脆性，使裂纹容易产生和开展，导致疲劳强材料易转向脆性，使裂纹容易产生和开展，导致疲劳强 度降低，易导致低温脆性断裂。度降低，易导致低温脆性断裂。 第二章钢结构连接 2 2焊接残余变形对结构的影

46、响焊接残余变形对结构的影响 n影响结构的尺寸，使装配困难，影响使用影响结构的尺寸，使装配困难，影响使用 质量质量; ; n过大的变形将显著降低结构的承载能力，过大的变形将显著降低结构的承载能力， 甚至使结构不能使用。甚至使结构不能使用。 第二章钢结构连接 四、减小焊接残余应力的方法 n1.1.在构造设计方面：在构造设计方面： h hf f n2.2.在制造方面：合在制造方面：合 理的装配即焊接工理的装配即焊接工 艺，使焊件能自由艺，使焊件能自由 收缩。收缩。 n3.3.焊件焊前预热和焊件焊前预热和 焊后热处理是另一焊后热处理是另一 有效方法。有效方法。 第二章钢结构连接 五、减小焊接残余变形的

47、方法 第二章钢结构连接 第六节第六节 螺栓连接的构造和计算螺栓连接的构造和计算 n1. 1.表示方法：表示方法：普通螺栓为粗牙大六角头型，代号用字母普通螺栓为粗牙大六角头型，代号用字母M M与公称直径与公称直径( (毫米毫米) ) 表示表示, ,如如M18M18，M20M20，M22M22，M24M24。 n（1）C级螺栓连接：锻压制成，杆身粗糙，尺寸不很准确。主要用于受拉级螺栓连接：锻压制成，杆身粗糙，尺寸不很准确。主要用于受拉 连接和安装螺栓。连接和安装螺栓。 n （2）A、B级螺栓连接：螺杆车工制成，尺寸准确，孔加工精度高。制造级螺栓连接：螺杆车工制成，尺寸准确，孔加工精度高。制造 安装

48、费工。安装费工。 2. 2. 按制作精度分类：按制作精度分类：分为分为 A A、B B、 C C级螺栓。级螺栓。C C级采用级采用4.64.6、4.84.8级级( (小数点前的小数点前的 数字代表抗拉强度数字代表抗拉强度, ,单位为单位为Mpa,Mpa,小数部分代表屈强比小数部分代表屈强比) )材料制作材料制作, ,只要求只要求类类 孔孔( (在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径的孔在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径的孔),),栓径比孔径小栓径比孔径小 (1.5(1.53.0)mm3.0)mm。A A、 B B级螺栓采用级螺栓采用8.88.8级材料级材料(45(45号和号和353

49、5号钢号钢) )制作制作, ,要求要求类类 孔孔( (用钻模钻成或在装配好后钻成或扩钻止设计孔径用钻模钻成或在装配好后钻成或扩钻止设计孔径) )，栓径比孔径小，栓径比孔径小 (0.3(0.30.5)mm0.5)mm。常用的孔、螺栓表示方法见图。常用的孔、螺栓表示方法见图3-363-36。 一、普通螺栓的种类和特性一、普通螺栓的种类和特性 第二章钢结构连接 二、普通螺栓连接的构造要求二、普通螺栓连接的构造要求 1 1、螺栓的直径螺栓的直径 在同一结构连接中，为便于钻孔及螺栓安装并方便计算，宜在同一结构连接中，为便于钻孔及螺栓安装并方便计算，宜 采用同一直径的螺栓。其直径大小有受力和构件尺寸综合确

50、采用同一直径的螺栓。其直径大小有受力和构件尺寸综合确 定。常用直径为定。常用直径为M18M18、M20M20、M22M22、M24M24等。等。 2 2、螺栓的排列和间距、螺栓的排列和间距 螺栓的排列应简单、统一而紧凑，既要满足受力要求，又要螺栓的排列应简单、统一而紧凑，既要满足受力要求，又要 构造合理便于安装。构造合理便于安装。 第二章钢结构连接 三、普通螺栓连接受力性能和强度计算三、普通螺栓连接受力性能和强度计算 1 1分类分类 按螺栓受力方式可分为受剪螺栓连接、受拉螺栓连按螺栓受力方式可分为受剪螺栓连接、受拉螺栓连 接和拉剪螺栓连接。接和拉剪螺栓连接。 2 2 受剪螺栓连接受剪螺栓连接

51、（1 1）受力性能：靠栓杆受剪和孔壁承压传力。）受力性能：靠栓杆受剪和孔壁承压传力。 （2 2）破坏形式：）破坏形式：a.a.栓杆剪断；栓杆剪断；b.b.孔壁挤压坏；孔壁挤压坏；c.c.钢板拉断；钢板拉断；d.d. 端部钢板剪断；端部钢板剪断；e.e.栓杆受弯破坏。栓杆受弯破坏。 第二章钢结构连接 （3 3）单个螺栓承载力计算）单个螺栓承载力计算 a.a.单个螺栓抗剪承载力设计值单个螺栓抗剪承载力设计值 b. b. 承压承载力设计值承压承载力设计值 单个螺栓承载力应为单个螺栓承载力应为a a和和b b承载力中的较小值，承载力中的较小值， 即：即： b VV b V f d nN 4 2 b c

52、 b c ftdN , min b c b V b NNMINN 第二章钢结构连接 (4) (4) 螺栓群受轴心力螺栓群受轴心力N N作用时的连接计算作用时的连接计算 确定所需螺栓数目确定所需螺栓数目n n n n = =N/ N N/ N b bmin min 。 。 当沿受力方向的螺栓连接长度当沿受力方向的螺栓连接长度l l1 1过大时过大时, ,各螺栓的受力将很不均匀各螺栓的受力将很不均匀, , 易发生解扣破坏易发生解扣破坏. .需将螺栓的承载力设计值乘以折减系数给予降低需将螺栓的承载力设计值乘以折减系数给予降低. . 净截面强度验算净截面强度验算 =N/A=N/An nf f 选择构件

53、或连接板内力大或净截面小的截面。选择构件或连接板内力大或净截面小的截面。 第二章钢结构连接 （5 5）受扭矩和剪力作用的抗剪螺栓群计算）受扭矩和剪力作用的抗剪螺栓群计算 计算假定：被连接钢板是刚性的，螺栓是弹性的；计算假定：被连接钢板是刚性的，螺栓是弹性的； 钢板绕螺栓群中心钢板绕螺栓群中心O O点转动，螺栓的剪切变形与它到点转动，螺栓的剪切变形与它到 中心中心O O的距离成正比，螺栓所受的剪切力或钢板所受的的距离成正比，螺栓所受的剪切力或钢板所受的 反作用力与反作用力与r r成正比，方向与成正比，方向与r r垂直。垂直。 第二章钢结构连接 n 根据合力矩定理和计算假定得在根据合力矩定理和计算

54、假定得在T T作用下螺栓所受的作用下螺栓所受的 最大剪力为最大剪力为 其水平和竖直分力为其水平和竖直分力为 V V由螺栓平均分担，每个螺栓承受由螺栓平均分担，每个螺栓承受 T T和和V V共同作用时，受力最大的螺栓共同作用时，受力最大的螺栓1 1应满足应满足 )( 22 1 2 1 1 iii T yx Tr r Tr N 22 1 2 1 1 iii T x yx Ty r Ty N 22 1 2 1 1 iii T y yx Tx r Tx N nVN Vy / b Vy T y T x NNNNN min 2 1 2 11 )()( 第二章钢结构连接 3.拉剪螺栓连接（拉剪螺栓连接（ M

55、、V共同作用）共同作用） (1)(1)无支托或不考虑支托受力无支托或不考虑支托受力 螺栓既受拉又受剪，螺栓既受拉又受剪， 应同时满足应同时满足 (2)(2)考虑支托承受剪力考虑支托承受剪力 M M由螺栓承受，由螺栓承受，V V由支托承受。支托与柱之间的焊缝引入偏心由支托承受。支托与柱之间的焊缝引入偏心 系数（系数（1.251.251.351.35）。）。 b cv b t t b v v NN N N N N 1)()( 22 第二章钢结构连接 4. 4.受拉螺栓连接受拉螺栓连接 （1 1）单个受拉螺栓的承载力设计值）单个受拉螺栓的承载力设计值 破坏形式是在被螺纹削弱的截面处栓杆被拉断。破坏形

56、式是在被螺纹削弱的截面处栓杆被拉断。 普通螺栓（普通螺栓（boltbolt） 锚锚 栓（栓（anchor boltanchor bolt） （2 2）螺栓群的受拉连接计算）螺栓群的受拉连接计算 a. a. 轴心力轴心力N N作用时作用时 n n = =N/N/ N Nt tb b 然后按实际确定的螺栓数目 然后按实际确定的螺栓数目n n进行布置排列。进行布置排列。 b te b t eb t fAf d N 4 2 a te a t ea t fAf d N 4 2 第二章钢结构连接 上部螺栓受拉，压上部螺栓受拉，压 力产生于牛腿和柱的接触面上，精确确定中和轴的位力产生于牛腿和柱的接触面上，精

57、确确定中和轴的位 置的计算比较复杂。通常近似地取中和轴在最下边一置的计算比较复杂。通常近似地取中和轴在最下边一 排螺栓轴线上，并且忽略压力区所产生的弯矩（因力排螺栓轴线上，并且忽略压力区所产生的弯矩（因力 臂很小）。臂很小）。 可得螺栓所受最大拉力为：可得螺栓所受最大拉力为： 式中式中m m为螺栓的列数。为螺栓的列数。 b t i N ym My N 2 1 1 第二章钢结构连接 四、普通螺栓连接问题解法四、普通螺栓连接问题解法 1 1验算型问题验算型问题 n特点特点 已知尺寸和荷载，问是否满足设计要求。已知尺寸和荷载，问是否满足设计要求。 n解法解法 验算是否满足构造条件；确定荷载作用方式和

58、螺验算是否满足构造条件；确定荷载作用方式和螺 栓受力特征（受剪、受拉、拉剪）及受力最大螺栓；按栓受力特征（受剪、受拉、拉剪）及受力最大螺栓；按 相应公式验算。相应公式验算。 2.2.设计型问题设计型问题 n特点特点 已知荷载和连接构造，需完成连接设计。已知荷载和连接构造，需完成连接设计。 n解法解法 I I抗剪型抗剪型 i.i. N N作用作用 初选初选 d d，求出，求出N Nb bmin min ； ； 求求n n； 按构造要求排按构造要求排 列；列； 净截面验算，依结果调整净截面验算，依结果调整d d或排列，直至满足要求。或排列，直至满足要求。 iiii其它荷载作用其它荷载作用 初选初选

59、 d d、n n和排列；和排列； 考虑荷载种类，考虑荷载种类， 确定受力最大螺栓；确定受力最大螺栓； 按相应公式验算；按相应公式验算； 调整（调整（d d、n n 或排列）验算，直至满足要求。或排列）验算，直至满足要求。 第二章钢结构连接 第二章钢结构连接 五五 高强度螺栓连接的性能和计算高强度螺栓连接的性能和计算 1. 1. 材料：材料： 螺栓采用螺栓采用8. 88. 8级和级和10. 910. 9级两种强度性能等级两种强度性能等 级的材料制成。级的材料制成。 2. 2. 工作特点：高强度螺栓连接是通过拧紧螺母，靠接触工作特点：高强度螺栓连接是通过拧紧螺母，靠接触 面间的摩擦阻力来承受荷载。

60、普通螺栓连接的拧紧力面间的摩擦阻力来承受荷载。普通螺栓连接的拧紧力 很小，靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。很小，靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。 3.3.分类：分为高强度螺栓分类：分为高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接摩擦型连接和承压型连接。摩。摩 擦型连接受剪时，以剪力达到板件间的最大摩擦阻力擦型连接受剪时，以剪力达到板件间的最大摩擦阻力 为极限状态；当超过摩擦阻力时，认为连接已失效。为极限状态；当超过摩擦阻力时，认为连接已失效。 承压型连接在受剪时，允许剪力超过摩擦力，以螺杆承压型连接在受剪时，允许剪力超过摩擦力，以螺杆 剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态。两种形式螺剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状