钢结构第三章连接

1、第三章第三章 钢结构的连接钢结构的连接 第一节第一节 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 一、结构的连接方法一、结构的连接方法 2020世纪初开始在工程结构上较广泛应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用。焊接是现代钢结构最主要的连接方法之一。法之一。 优点：优点：不削弱构件截面，构造简单，不削弱构件截面，构造简单，节约钢材，加工方便，可采用自动化操节约钢材，加工方便，可采用自动化操作，生产效率高。刚度较大、密封性能作，生产效率高。刚度较大、密封性能好。好。 缺点：缺点：焊缝附近存在热影响区，由高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；存温快速降到常

2、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。低温冷脆问题也比较突出。1 1、焊缝连接、焊缝连接2 2、铆钉连接及特点、铆钉连接及特点 铆钉连接铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆是用一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达到紧固。到紧固。缺点缺点费工费料、劳动强度高。费工费料、劳动强度高。 因施工噪音巨大，目前承重钢结构连因施工噪音巨大，目前承重钢结构连接中已很少应用。接中已很少

3、应用。优点优点传力可靠，塑性、韧性好，传力可靠，塑性、韧性好，动力性能好动力性能好 3 3、螺栓连接、螺栓连接 分为：分为： 普通螺栓连接、普通螺栓连接、 高强度螺栓连接高强度螺栓连接N主要连接方法及优缺点主要连接方法及优缺点连接方法连接方法优优 点点缺缺 点点焊焊 接接对几何形体适应性强，构对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于造简单，省材省工，易于自动化，工效高自动化，工效高 。焊接残余应力大且不易控制，焊接残余应力大且不易控制，焊接变形大。对材质要求高，焊接变形大。对材质要求高，质量检验工作量大。质量检验工作量大。 铆铆 接接传力可靠，韧性和塑性好，传力可靠，韧性和塑性好，质量易于

4、检查，抗动力荷质量易于检查，抗动力荷载好。载好。 费钢、费工费钢、费工 。目前很少采用目前很少采用普通螺栓普通螺栓连接连接装卸便利，设备简单装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度栓精度高时加工和安装难度较大较大 。高强螺栓高强螺栓连接连接 加工方便，对结构削弱少，加工方便，对结构削弱少，能承受动力荷载，耐疲劳，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好塑性、韧性好 。摩擦面处理，安装工艺略为摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高复杂，造价略高 第二节第二节 焊接方法、焊缝类型和质量级别焊接方法、焊缝类型和质量级别 一、钢结构中常用的焊接方法一、钢结

5、构中常用的焊接方法 1 1电弧焊电弧焊 焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热，使焊条和焊焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热，使焊条和焊件熔化，二者凝结成焊缝。件熔化，二者凝结成焊缝。 原理：原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。 (1)(1)手工电弧焊手工电弧焊 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧A A、焊条的选择：、焊条的选择： 焊条应与焊焊条应与焊件钢材相适应件钢材相适应。Q390Q390、Q420Q420钢选择钢选择E55E55型焊条型焊条(E5500-5518)(E5500-5518)Q345Q345钢选择钢选

6、择E50E50型焊条型焊条(E5000-5048)(E5000-5048)B B、焊条的表示方法、焊条的表示方法：E焊条焊条( (Electrode) )第第1 1、2 2位数字为熔融金属的最小抗拉强度位数字为熔融金属的最小抗拉强度（N/mm2) )第第3 3、4 4位数字为适用焊接位置、电流及药皮的类型。位数字为适用焊接位置、电流及药皮的类型。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。缺点：缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 优点：优点：方便，特别在高空和野外作业

7、，小型焊接；方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；Q235Q235钢选择钢选择E43E43型焊条（型焊条（E4300-E4328)E4300-E4328)C C、优、缺点、优、缺点（2 2）埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊（自动或半自动） 属于机械化焊接，电弧埋属于机械化焊接，电弧埋在焊剂层下。在焊剂层下。采用盘状连采用盘状连续的光焊丝续的光焊丝在散粒状焊剂在散粒状焊剂下燃弧焊接，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的作用与手工焊焊条的药皮相同。皮相同。 埋弧焊节省焊丝和电能，埋弧焊节省焊丝和电能，劳动条件好，生产效率高；劳动条件好，生产效率高；焊缝质量稳定可靠，塑性焊缝质量稳定

8、可靠，塑性和韧性也较好，但和韧性也较好，但不如手不如手工焊灵活。工焊灵活。A、焊丝的选择应与焊件等强度。、焊丝的选择应与焊件等强度。 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Q235钢常用钢常用H08A等焊丝，对等焊丝，对Q345钢和钢和Q390和和Q420钢常用钢常用H08MnA，H10Mn2等焊丝。选择焊丝时，尚需同时选用相等焊丝。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。应的焊剂。焊剂有无锰型及高、中、低锰型焊剂。 B、优、缺点：、优、缺点： 优点：优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质自动化程度

9、高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。量好。 缺点：缺点：设备投资大，施工位置受限等。设备投资大，施工位置受限等。、焊丝转盘焊丝转盘送丝器送丝器焊剂漏斗焊剂漏斗焊剂焊剂熔渣熔渣焊件焊件埋弧自动焊埋弧自动焊(3)(3)二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊 利用利用COCO2 2气体作为保护气体，使焊缝金属不与空气体作为保护气体，使焊缝金属不与空气接触，电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，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。焊缝强度高，塑性好。 COCO2 2气体保护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的气体保护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈能力。抗锈能力。 优点

10、：优点：焊接速度快，焊接质量好。焊接速度快，焊接质量好。 缺点：缺点：施工条件受限制等。施工条件受限制等。2 2、熔嘴电渣焊、熔嘴电渣焊 高层建筑钢结构中较多地采用高层建筑钢结构中较多地采用箱形截面钢柱，箱形截面钢柱，在梁柱截面区的柱截面内需设置与梁翼缘等厚的在梁柱截面区的柱截面内需设置与梁翼缘等厚的加劲板（横隔板），而加劲板应与箱形截面柱的加劲板（横隔板），而加劲板应与箱形截面柱的四块钢板采用坡口熔透焊。四块钢板采用坡口熔透焊。 但是，当采用一般手工焊时，加劲板边缘的最但是，当采用一般手工焊时，加劲板边缘的最后一条边的焊缝无法焊接，因此需要采用后一条边的焊缝无法焊接，因此需要采用熔嘴电熔嘴电

11、渣焊。渣焊。 熔嘴电渣焊熔嘴电渣焊是用细直径冷拔无缝钢管外涂药皮是用细直径冷拔无缝钢管外涂药皮制成的管焊条作为熔嘴，焊丝在管内送进。制成的管焊条作为熔嘴，焊丝在管内送进。二、焊缝连接形式及焊缝类型二、焊缝连接形式及焊缝类型 焊缝连接形式按被连接构件间的相对位置分为焊缝连接形式按被连接构件间的相对位置分为对接对接(Butt)(Butt)、搭接搭接(Lap)(Lap)、T T形连接形连接(Tee)(Tee)和和角接角接(Corner)(Corner)四种。四种。 焊缝按其构造来分，可分为焊缝按其构造来分，可分为对接焊缝对接焊缝(Groove (Groove welds)welds)和角焊缝和角焊缝

12、(Fillet welds)(Fillet welds)两种类型。两种类型。 焊缝按其施焊位置分为焊缝按其施焊位置分为俯焊俯焊( (平焊平焊flap)flap)、立焊、立焊(vertical)(vertical)、横焊、横焊(haorizontal)(haorizontal)和仰视焊和仰视焊(overhead)(overhead)。 设计和施工时应尽量避设计和施工时应尽量避免采用仰焊焊缝。免采用仰焊焊缝。三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别 1 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；焊缝尺寸偏差；咬边；咬边；弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的

13、凹坑；弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；内部缺陷内部缺陷：未熔合；未熔合；母材被烧穿；母材被烧穿；气孔；气孔；非金属夹渣；非金属夹渣；裂纹等缺陷，均会引裂纹等缺陷，均会引起应力集中削弱焊缝有效截面，降低承载能力。若发现焊缝有裂起应力集中削弱焊缝有效截面，降低承载能力。若发现焊缝有裂纹，应彻底铲除后补焊。纹，应彻底铲除后补焊。 2.2.焊缝质量检查焊缝质量检查外观检查：外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸（肉眼、放大镜、磁检查外观缺陷和几何尺寸（肉眼、放大镜、磁粉、带色液体等）；粉、带色液体等）；内部无损检验：内部无损检验：检验内部缺陷（声波、射线等）。检验内部缺陷（声波、射线等）。 内部检验主要

14、采用内部检验主要采用超超声声 波波，有时还用，有时还用磁粉检磁粉检验验、 荧光检验荧光检验等辅助检等辅助检验方法。还可以采用验方法。还可以采用X X射射线线或或 射线射线透照或拍片。透照或拍片。钢结构工程施工及验收规范钢结构工程施工及验收规范规定：规定：焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。 三级焊缝三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准。三级质量标准。 一、二级焊缝一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。量的超声波检验并符合相

15、应级别的质量标准。3.焊缝级别焊缝级别4.4.焊缝代号焊缝代号按按建筑结构制图标准建筑结构制图标准(GB/T50105-2010)和和焊缝符号表示法焊缝符号表示法(GB/T324-2008)执行。执行。 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 1 1、对接焊缝的坡口形式、对接焊缝的坡口形式: :一、对接焊缝一、对接焊缝(Groove welds)的构造的构造 对接焊缝的焊件常做对接焊缝的焊件常做坡口坡口(groove)(groove)，坡口形式坡口形式与板与板厚和施工条件有关。厚和施工条件有关。 t-t-焊件厚度焊件厚度(1)(1)当当:t6mm(:t6mm(手工焊手工

16、焊),t10mm(),t20mm(3)t20mm时，宜采用时，宜采用U形、形、K形、形、X形坡口。形坡口。C=0.52mm（a）C=23mm（b）C=23mm（C）p p（d）C=34mmp pC=34mmp p（e）C=34mmp p（f）2 2、当板件厚度或宽度在一侧相差大于、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm4mm时，时，应做坡度不大于应做坡度不大于1:2.5(1:2.5(静载静载) )或或1:4(1:4(动载动载) )的斜的斜角，以平缓过度，减小应力集中。角，以平缓过度，减小应力集中。1:2.51:2.53 3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，

17、故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t2t1 1，t t1 1较薄焊件厚度较薄焊件厚度；二、对接焊缝的强度计算二、对接焊缝的强度计算1 1对接直焊缝承受轴心力对接直焊缝承受轴心力N N式中式中 焊缝的计算长度，当未采用引弧焊缝的计算长度，当未采用引弧板时，每条焊缝取实际长度减去板时，每条焊缝取实际长度减去 2t2t，当采用引，当采用引弧板时，取焊缝实际长度，弧板时，取焊缝实际长度，tt为焊缝的计算厚为焊缝的计算厚度。度。 wcwtwfftlN或wtwtlNwlNNl

18、 lw wtA2 2对接焊缝承受剪力和弯矩对接焊缝承受剪力和弯矩 对接焊缝承受弯矩对接焊缝承受弯矩M M和剪力和剪力V V作用时，按下式作用时，按下式验算其焊缝强度验算其焊缝强度 在正应力和剪应力都较大之处，还应按下式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：验算该点的折算应力： WtwfWM/WVwwftIVS)/(Wtf1 . 132121MV1焊缝截面焊缝截面max11max 3 3工字形截面对接焊缝承受弯矩、剪力和轴工字形截面对接焊缝承受弯矩、剪力和轴心力共同作用时心力共同作用时，应按下列各式验算焊缝强度：，应按下列各式验算焊缝强度：wtANWMfwwwtNf1.13)

19、(2121wtNf1.132max2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一、受力情况和构造要求一、受力情况和构造要求 1 1、角焊缝的形式和受力情况、角焊缝的形式和受力情况 侧焊缝侧焊缝-长度方向与作用力方向平行的角焊缝称为侧长度方向与作用力方向平行的角焊缝称为侧焊缝。焊缝。 端焊缝端焊缝-长度方向与作用力方向垂直的角焊缝称为端长度方向与作用力方向垂直的角焊缝称为端焊缝。焊缝。 角焊缝两焊脚边的夹角角焊缝两焊脚边的夹角一般为一般为9090。（直（直角角焊缝）角角焊缝），若该夹角大于或小于，若该夹角大于或小于9090。 ；则；则称为称为斜角角焊缝。斜角角焊缝。 侧焊缝主要承

20、受剪力作用侧焊缝主要承受剪力作用。在弹性阶段，应力沿焊在弹性阶段，应力沿焊缝长度分布不均，但由于其塑性较好，在出现塑性缝长度分布不均，但由于其塑性较好，在出现塑性变形后，将产生应力重分布，变形后，将产生应力重分布，在规范规定的焊缝长在规范规定的焊缝长度范围内，度范围内，应力分布可趋于均匀。应力分布可趋于均匀。端焊缝的应力状态较复杂端焊缝的应力状态较复杂，其破坏强度比侧焊，其破坏强度比侧焊缝的高（约高缝的高（约高22%左右），但塑性变形要差一左右），但塑性变形要差一些。些。2 2、角焊缝的构造要求、角焊缝的构造要求1 1）焊脚尺寸：）焊脚尺寸：如图如图3-143-14 ，称角焊缝截面直角边，称角

21、焊缝截面直角边的尺寸的尺寸h hf f为角焊缝的焊脚尺寸。若为角焊缝的焊脚尺寸。若 h hf f过小，热量小，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，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。使金属变脆，容易形成裂纹。h hf f过大，易使焊件过烧，过大，易使焊件过烧，改变金相组织，且易烧穿较薄焊件。所以改变金相组织，且易烧穿较薄焊件。所以h hf f 不能过大或不能过大或过小，一般应满足过小，一般应满足 ，当，当焊缝位于板边焊缝位于板边时，应时，应h hf f t t 。 minmax2 . 15 . 1thtf 2 2）焊缝长度）焊

22、缝长度l lw w 当当h hf f大而大而lwlw过小时，易使焊件局部受过小时，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，加上可能出现的其他缺陷，也使焊缝不够可靠。比例高，加上可能出现的其他缺陷，也使焊缝不够可靠。l lw w过大，侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀，过大，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。故侧焊缝焊缝两端已达破坏应力，而中部应力还较小。故侧焊缝长度应满足：长度应满足： 8 8h hf fl lw w6060h hf f（承受静力荷载或间接受动力荷

23、载）（承受静力荷载或间接受动力荷载） 8 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）二、角焊缝的强度计算二、角焊缝的强度计算 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的计算方法。有不同的计算方法。 折算应力法折算应力法考虑焊缝有效截面的应力状态，按第四强度考虑焊缝有效截面的应力状态，按第四强度理论计算（理论计算（GB500172013采用的方法）；采用的方法）； 单一应力法单一应力法不考虑焊缝有效截面的实际应力状态，均按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（单一剪应力计算（SL74-2013钢闸门规范采用）钢

24、闸门规范采用） 1、角焊缝计算的基本公式、角焊缝计算的基本公式 如图如图3-19所示，角焊缝有效截面上同时存在正应力和剪所示，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为：应力，则可按第四强度理论计算其等效应力为：wff3)(3222(2) 轴向力垂直于焊缝长度方向作用时（轴向力作用轴向力垂直于焊缝长度方向作用时（轴向力作用的正面角焊缝）强度可提高的正面角焊缝）强度可提高22%22%。wfwefflhN22. 1)/(3) (3) 平行于焊缝长度方向的应力平行于焊缝长度方向的应力f f和垂直于焊和垂直于焊缝长度方向的应力缝长度方向的应力f f共同作用时共同作用时w

25、ffff22)22.1(wfwefflhN)/(wffzfyfxfyfxf22232)(4) (4) 上述公式适用条件上述公式适用条件 适用于非直接动力荷载作用。当直接动力适用于非直接动力荷载作用。当直接动力荷载作用时，考虑正面角焊缝塑性性能较荷载作用时，考虑正面角焊缝塑性性能较差，取它和侧面角焊缝的强度相同，把式差，取它和侧面角焊缝的强度相同，把式中中1.221.22变为变为1 1。 按容许应力法计算焊接连接时，强度均取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，应力根据荷载标准角焊缝的容许剪应力，应力根据荷载标准值求得。值求得。3.3.轴心力作用（轴心力通过连接角焊缝群的中心）

26、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：时的角焊缝计算：取应力是均匀分布的。取应力是均匀分布的。（1 1）只布置侧焊缝时：）只布置侧焊缝时：拼接缝一侧有四条侧焊缝拼接缝一侧有四条侧焊缝（上下盖板各两条），取焊脚尺寸（上下盖板各两条），取焊脚尺寸h hf ft-(1t-(12)mm, 2)mm, 则每条侧焊缝的实际焊接长度为：则每条侧焊缝的实际焊接长度为：拼接板长度为：拼接板长度为：其中，其中，c c 为接缝宽度，可取为接缝宽度，可取101020mm20mmfwffwhfhNl27 . 04clLw 2（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

27、能承值，求出正面角焊缝所能承担的内力担的内力N N3 3：再由再由N N- - N N3 3，再计算每条侧面角焊缝长度。，再计算每条侧面角焊缝长度。拼接板长度为：拼接板长度为：其中，其中，c c 为接缝宽度，可取为接缝宽度，可取10-20mm10-20mm wfwfflhN22. 17 . 0233fwffwhfhNNl7 .043clLw 2角钢与节点板的焊缝连接计算角钢与节点板的焊缝连接计算: :NkNbbbN12121 （1）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。力合力通过角钢轴线。通过调节焊缝面积

28、来实现。 依依X=0 、M=0 得得: NkNbbbN22112 肢背焊缝内力肢背焊缝内力N1和肢尖焊缝内力和肢尖焊缝内力N2求得后，再根求得后，再根据构造要求和强度条件计算确定肢背和肢尖的焊脚尺据构造要求和强度条件计算确定肢背和肢尖的焊脚尺寸和长度。寸和长度。（2 2）为使连接紧凑，可采用围焊缝）为使连接紧凑，可采用围焊缝先选定正面角焊缝的先选定正面角焊缝的h hf f， 其承载力为：其承载力为：则肢背和肢尖焊缝的内力为：则肢背和肢尖焊缝的内力为：肢背肢背 N N1 1 = =k k1 1N N - - N N3 3/ / 肢尖肢尖 N N2 2 = =k k2 2N N - - N N3

29、3/2 /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。 （3 3）当受力较小可采用）当受力较小可采用L L形焊缝形焊缝由上式中的由上式中的 N N2 2=0,=0,可得：可得： N N3 3=2=2 k k2 2N N， N N1 1= =N N- -N N3 3，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h hf f，这样可使肢背，这样可使肢背和肢尖的焊缝长度和肢尖的焊缝长度l lw w接近相等。接近相等。 wfwfflhN22. 17 . 0233 4 4弯矩、剪力和轴心力共同作用时弯矩、剪力和

30、轴心力共同作用时T T形形接头的角焊缝计算接头的角焊缝计算 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。 wfVANAMAf22)()22.1(5 5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）被连接件被连接件是刚性的，焊缝是弹性的；是刚性的，焊缝是弹性的； (2) (2) 被连接件绕焊缝形心被连接件绕焊缝形心O O点转动点转动。焊缝上任一点应力与该点与焊缝中心距离。焊缝上任一点应力

31、与该点与焊缝中心距离r r的大小成正比，方向与的大小成正比，方向与r r垂直。可得该点应力沿垂直。可得该点应力沿x x、y y方方向的分量为：向的分量为： 式中，式中，r rx x、r ryy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验算公作用下，距焊缝形心最远的强度验算公式式为：为：PyTxITrPxTyITrwfTxTyf22)()22.1(6.6.扭矩、剪力和轴力共同作用下搭接连扭矩、剪力和轴力共同作用下搭接连接的角焊缝计算接的角焊缝计算 wfTxNxTyVyf22)()22.1( 把荷载向焊缝中心平移，确

32、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。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 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）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（假想）纵向纤维不能自由纵向变组成构件的各个（假想）纵

33、向纤维不能自由纵向变形。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。向残余应力。 构件在焊接、热轧、热切割等构件在焊接、热轧、热切割等热处理时将会同时满热处理时将会同时满足上述三个充分必要条件；故足上述三个充分必要条件；故将会产生纵向残余应力。将会产生纵向残余应力。 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（合力构件的纵向残余应力为自相平衡的内应力（合力为零），为零），其分布表现为温度高的焊缝附近区域为拉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应力，而

34、远离焊缝区温度较低的区域为压应力。拉。拉压合力为零。纵向残余应力的分布如下图所示压合力为零。纵向残余应力的分布如下图所示。+-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm-+2 2横向残余应力横向残余应力 横向残余应力产生的原因有：横向残余应力产生的原因有： 焊后焊缝纵向收缩，焊后焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于弯成弓形，但由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

35、应力和横向压应力如图（分别产生横向拉应力和横向压应力如图（3-10a3-10a、b b）。）。 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，会，具有一定的强度，会阻止后焊焊缝在横向的自由变形，产生横向应力。阻止后焊焊缝在横向的自由变形，产生横向应力。 3 3沿焊缝厚度方向的残余应力沿焊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；会大大降低重的同号三轴应力；会大大降低结构连接的塑性。这就是焊接结结构连接的塑性。这就是焊接结构易发生脆性破坏的原因之一。构易

36、发生脆性破坏的原因之一。 二、焊接残余变形二、焊接残余变形 焊接过程中的局部加热和不均匀的冷却收缩，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随产生焊接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，如残余变形，如纵向和横向收缩、弯曲变形、角变纵向和横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形形、波浪变形和扭曲变形等。等。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)强度强度 残余应力是自平衡力系，不影响结构的强度。残余应力是自平衡力系，不影响结构的强度。 (2)刚度刚度 残

37、余应力与荷载应力相加以后，部分材料将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承提前进入屈服阶段，继续增加的外力将仅由弹性区承担，因此构件变形将加快，刚度降低。担，因此构件变形将加快，刚度降低。 (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，将降低构件的整体稳定性。降低构件的整体稳定性。 (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

38、展，导致疲劳材料易转向脆性，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。强度降低，易导致低温脆性断裂。2 2焊接残余变形对结构的影响焊接残余变形对结构的影响 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; ; 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。四、减小焊接残余应力和残余变形的方法四、减小焊接残余应力和残余变形的方法1.1.合理设计：合理设计： h hf f. .合理制造：合理的焊接工艺。合理制造：合理的焊接工艺。3.3.矫正。矫正。第六节第六节 普通螺栓连接的构造和

39、计算普通螺栓连接的构造和计算一、普通螺栓的种类和特性一、普通螺栓的种类和特性 1.表示：普通螺栓为粗牙大六角头型，代号用字母表示：普通螺栓为粗牙大六角头型，代号用字母M与公称直径与公称直径(毫米毫米)表示表示,如如M18，M20，M22，M24。 2. 按制作精度分类：按制作精度分类： 分为分为 A、B、 C级螺栓。级螺栓。 C级级采用采用4.6、4.8级级（小数点前的数字代表抗拉强度，单位（小数点前的数字代表抗拉强度，单位为为MPa，小数部分代表屈强比，小数部分代表屈强比)材料制作，只要求材料制作，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在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成

40、设计孔径的孔孔)，栓径比孔径小，栓径比孔径小1.52.0mm。A、 B级螺栓采用级螺栓采用5.6或或8.8级材料（级材料（45号和号和35号钢）制作号钢）制作，要求，要求类孔类孔（用钻模钻成或在装配好后扩钻至设计孔径），栓径（用钻模钻成或在装配好后扩钻至设计孔径），栓径比孔径小比孔径小0.3mm左右。左右。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定。常用直径为和构

41、件尺寸综合确定。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。求，又要构造合理便于安装。 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拉剪螺栓拉剪螺栓受剪螺栓受剪螺栓受拉螺栓受拉螺栓NNF1分类分类 按螺栓受力方式可分为按螺栓受力方式可分为受剪螺栓受剪螺栓连接、连接、受拉受拉螺栓螺栓连接和连接和拉剪螺栓拉剪螺栓连接。连接。2 2 受剪螺栓连接受剪螺栓连接 （1 1）受力性能：靠栓杆受剪和孔

42、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。（1）螺栓剪断）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）（板较厚，螺栓较细）（2）螺孔孔壁挤压破坏）螺孔孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）（板较薄，螺栓较粗）（3）钢板净截面处拉断）钢板净截面处拉断（板开孔，截面削弱）（板开孔，截面削弱）（5）螺栓弯曲破坏）螺栓弯曲破坏（板叠过厚，螺栓细长）（板叠过厚，螺栓细长）（4）钢板端部剪坏）钢板端部剪坏（螺栓端距过小）（螺栓端

43、距过小）防止螺栓破坏措施防止螺栓破坏措施(2)(3) (2)(3) 通过计算通过计算 解决解决(4)(5) (4)(5) 通过构造解决通过构造解决（3 3）单个螺栓承载力计算）单个螺栓承载力计算l单个螺栓承载力计算单个螺栓承载力计算抗剪承载力设计值：抗剪承载力设计值：bv2vbv4fdnN承压承载力设计值：承压承载力设计值：bcbcf tdNnv受剪面数目； d螺栓杆直径；fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值；t接头一侧承压构件总厚度的较小值bcbvbmin , minNNN(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l 1弹性弹性阶段受力状态阶段受力状

44、态塑性塑性阶段受力状态阶段受力状态 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 bminmin 。 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，各螺过大时，各螺栓的受力将很不均匀，易发生解扣破坏。需将螺栓的栓的受力将很不均匀，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。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。 bminNNn010100160156015dldlddl7 .01501

45、 .1101dl（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：计算假定：被连接钢板是刚性的，螺被连接钢板是刚性的，螺栓是弹性的；栓是弹性的；钢板绕螺栓群中心钢板绕螺栓群中心O O点转动点转动，螺栓的剪切变形与它到中心，螺栓的剪切变形与它到中心O O的距离成正的距离成正比，螺栓所受的剪切力或钢板所受的反作比，螺栓所受的剪切力或钢板所受的反作用力与用力与r r成正比，方向与成正比，方向与r r垂直。垂直。 根据扭矩平衡条件和计算假定得在根据扭矩平衡条件和计算假定得在T T作用下螺栓所作用下螺栓所受的最大剪力为受的最大剪力为其水平和竖直分力为其水平和竖直分力

46、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 )/(/221211iiiTyxTrrTrN)/(/221211iiiTxyxTyrTyN)/(/221211iiiTyyxTxrTxNnVNVy/bVyTyTxNNNNNmin21211)()(2.2.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破坏形式是在被螺纹削弱的截面处栓杆被拉断。断。普通螺栓（普通螺栓（boltbolt） 锚锚 栓（栓（anchor b

47、oltanchor bolt）btebtebtfAfdN42ateateatfAfdN42N0.5NPPP0.5NP受拉螺栓附加撬力受拉螺栓附加撬力P的产生原因和处理措施示意图的产生原因和处理措施示意图（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 首先按下式计算所需螺栓数：首先按下式计算所需螺栓数： 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。 NbtNNn/b.螺栓群在弯矩螺栓群在弯矩M作用下的抗拉计算作用下的抗拉计算基本假定：基本假定： 被连接板件绝对刚性，螺栓为弹性，各螺被连接板件绝对刚性，螺栓为弹

48、性，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比 ；螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处。螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处。 如上图受拉螺栓连接，上部螺栓受拉，压力产生于如上图受拉螺栓连接，上部螺栓受拉，压力产生于牛腿（或梁端板）和柱的接触面上，精确确定中和轴牛腿（或梁端板）和柱的接触面上，精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的位置的计算比较复杂。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（边一排螺栓轴线上，并且忽略压力区所产生的弯矩（因力臂很小）。可得螺栓所受最大拉力：因力臂很小）。可得螺栓所受最大拉力：bti

49、NymMyN211（c）螺栓群受偏心拉力作用的连接计算）螺栓群受偏心拉力作用的连接计算刨平顶紧承托(板)NeN弯曲转动的中弯曲转动的中和轴在哪里？和轴在哪里？（1 1）小偏心情况）小偏心情况 e=M/Ne=M/N较小，所有螺栓均承受拉力作用。假定中和轴在螺较小，所有螺栓均承受拉力作用。假定中和轴在螺栓群形心位置：栓群形心位置：nNNNj 021min ymM ynNNit,btit,NymM ynNN21max1ty（2 2）大偏心情况）大偏心情况当根据小偏心情况计算公式算当根据小偏心情况计算公式算得得当当N Nminmin P P时，在卸荷后预拉力降低时，在卸荷后预拉力降低( (松弛松弛)

50、)。若。若N Nt t 0.9 0.9P P，则不出现松弛现象。考虑安，则不出现松弛现象。考虑安全储备，取全储备，取N Nt tb b=0.8=0.8P P。适用于摩擦型和承压型。适用于摩擦型和承压型。 2.2.轴心力轴心力N N作用作用 计算计算n n= = N/NN/Nt tb b，然后进行布，然后进行布置排列。置排列。3.3.弯矩弯矩M M作用作用 预拉力使被连接构件的接触预拉力使被连接构件的接触面保持紧密贴合，中和轴保持在螺栓群形心面保持紧密贴合，中和轴保持在螺栓群形心轴线上。最外面的螺栓受拉力轴线上。最外面的螺栓受拉力N Nt1t1最大最大, ,应满足应满足下式要求：下式要求：PymMyNiM8.0211（三）摩擦型连接抗拉剪强度计算（三）摩擦型连接抗拉剪强度计算