《金属结构设计》第二章金属结构的连接

1、2. 金属结构的连接 2. 2. 金属结构的连接金属结构的连接2.12.1金属结构连接概述金属结构连接概述2.22.2金属结构的连接方法金属结构的连接方法2.32.3焊缝连接焊缝连接2.42.4螺栓连接螺栓连接2.金属结构的连接目的: 金属结构件在制造和组装时，无论是把基本杆件制成部件，还是各杆件组装成整体，都必不可少要用连接实现。如果连接设计不恰当，在金属结构内部就会出现薄弱环节，影响结构的整体刚度和强度。因此，连接的设计同构件本身设计一样重要。好的连接评判原则： 安全可靠，节约材料，构造简单和施工方便。安全可靠，节约材料，构造简单和施工方便。2.12.1金属结构连接概述金属结构连接概述2.

2、金属结构的连接 金属结构的连接方法可分为： 焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接（图21）。 2.22.2金属结构的连接方法金属结构的连接方法图21 金属结构的连接方法（a）焊缝连接；（b）螺栓连接；（c）铆钉连接2.金属结构的连接金属结构连接的特点连接方法优 点 缺 点焊缝连接不削弱构件截面，密封性好，对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高。易产生较大的焊接残余应力和变形，对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大。普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大。高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳。摩擦面处理，

3、安装工艺略为复杂，造价略高。 铆钉连接韧性和塑性好，传力可靠，质量易于检查，抗动力荷载好。费钢、费工、噪声大。射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构。不能受较大集中力。2.金属结构的连接2.3.1焊缝连接的特性2.3.2焊缝强度2.3.3角焊缝的受力情况及强度计算2.3.4对接焊缝的受力情况及强度计算2.3.5焊接残余应力和焊接残余变形2.32.3焊缝连接焊缝连接2.金属结构的连接 2.3.1焊缝连接的特性 一、金属结构中常用的焊接方法电弧焊电阻焊气 焊 常用的焊接方法手工电弧焊自动埋弧焊半自动埋弧焊CO2气体保护焊2.金属结构的连接 二、焊缝连接的特点 焊接

4、连接与铆钉、螺栓连接比较，有以下优点： 不需打孔，省工省时； 任何形状的构件可直接连接，连接构造方便； 气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性较好。 缺点： 焊缝附近有热影响区，材质变脆； 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状尺寸发生变化； 焊接裂缝一经发生，便容易扩展。2.金属结构的连接 常见的焊缝缺陷：裂纹、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满等（图22）。 三、焊缝缺陷图22 常见焊缝缺陷2.金属结构的连接 焊接检验按GB502052001钢结构工程施工及验收规范中要求，焊缝质量分为三级。 A级（三级）：全部外观检查。 B级（二级）：在全部外观检查的基础上

5、做超声波检验（抽取50） C级（一级）：在A 、B级检查后对局部做x射线检验（对不同的结构还可用部颁标准，如水工钢结构可用水工金属结构焊接通用技术条件SL36，又如，建筑钢结构焊接与验收规范等。） 四、四、焊缝检验焊缝检验 2 .金属结构的连接 五、焊缝标注五、焊缝标注 焊缝代号国家标准（GB/T324-1988)1234N1箭头线 2实基线 3虚基线 4尾线 N标注焊缝方法或相同 的焊缝数量。 焊缝在非箭头侧，将焊缝符号注在基线的虚线侧。 对称焊缝及双面焊不加虚线。说明：在建筑钢结构焊接与验收规程 中无虚线、尾部。2.金属结构的连接 六、焊缝连接型式及焊缝型式六、焊缝连接型式及焊缝型式 焊缝

6、连接型式 焊缝连接型式主要有四种：平接、搭接、T形连接和角接（图23）。(a) (b) (c) (d) (e)图23 焊缝连接型式(a)平接；(b)搭接；(c)、(d)T形连接；(e)角接2.金属结构的连接 焊缝型式焊缝型式 焊缝可分为对接焊缝和角焊缝。 对接焊缝按受力与焊缝方向分： a）直缝：作用力方向与焊缝方向正交。 b）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交。 角焊缝按受力与焊缝方向分： a）正面角焊缝（端焊缝）：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 b）侧面角焊缝（侧焊缝）：作用力方向与焊缝长度方向平行。 按焊缝连续性： a）连续焊缝：受力较好。 b）断续焊缝：易发生应力集中。 按施工位置： 俯焊、

7、立焊、横焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差。 2.金属结构的连接 七、焊缝强度七、焊缝强度 焊缝强度主要取决于焊缝金属和母材金属的强度。并与焊接型式、应力集中程度以及焊接工艺等因素有关（见书中表21）。 对接焊缝： 受压对接焊缝：抗压强度设计值（ ）与母材相同。 受拉对接焊缝：一级和二级焊缝的抗拉和抗弯强度设计值 （ ）与母材相同；三级焊缝的抗拉和抗弯强 度设计值取母材强度设计值的0.85倍。 角焊缝：抗拉、抗压和抗弯强度设计值（ ）取统一的强度 设计值。wcfwtfwff2.金属结构的连接 八、角焊缝的受力情况及强度计算八、角焊缝的受力情况及强度计算( (一一)

8、)角焊缝的受力情况及构造要求角焊缝的受力情况及构造要求 角焊缝的截面型式 角焊缝按两焊脚边间夹角不同可分为：直角角焊缝、斜角角焊缝（图24）。 直角角焊缝又可分为：普通式、平坡式和深溶式（凹面式）（图24）。 斜角角焊缝：锐角角焊缝、钝角角焊缝（有凸、凹面）（图24）。直角角焊缝的有效厚度：图图2 24 4 角焊缝截面型式角焊缝截面型式fofehhh7 . 045cos斜角角焊缝的有效厚度：当 时， 当 时， o90o902cosfehh fehh7 . 0（21）2.金属结构的连接角焊缝的受力情况 角焊缝按其长度方向与受力方向的相对位置可分为： 正面角焊缝（端焊缝）、侧面角焊缝（侧焊缝）、围

9、焊缝。 侧面角焊缝主要承受剪力作用。在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，但塑性 正面角焊缝的应力状态较复杂，其破坏强度比侧面角焊缝高，但塑性较差（图26）。图图2 25 5 侧面角焊缝应力分布侧面角焊缝应力分布较好，在规范长度范围内，应力分布可趋于均匀（图25）。图图2 26 6 正面角焊缝应力分布正面角焊缝应力分布2.金属结构的连接角焊缝的尺寸限制角焊缝的尺寸限制 最小焊脚尺寸（取整毫米数）： 且 最大焊脚尺寸（取整毫米数）： 板件边缘(厚度为t)的角焊缝，最大焊脚尺寸尚应符合下列要求： 当 时，取 ； 当 时，取 。 选择的焊脚尺寸应符合： 角焊缝计算长度的限制 对侧焊缝： 受静力荷

10、载时， ； 受动力荷载时， ； 对侧焊缝和端焊缝： 或40mm； 角焊缝计算长度的适宜值为： 在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，搭接长度应 或25mm。maxmin5 . 1thfmmhf4minminmax2 . 1 thfmmt6thfmaxmmt621maxthfmaxminfffhhhfwhl60maxfwhl40maxmaxminwwwlllfwhl8minmin5t2.金属结构的连接 （二）角焊缝的强度计算（二）角焊缝的强度计算 角焊缝计算的基本公式 现以图2-7所示的受力情况为例，导出角焊缝计算的基本公式。 Nx在焊缝有效截面上引起的沿焊缝轴线方向的剪应力为：wexflhN/2

11、2 Ny在焊缝有效截面上引起的垂直于焊缝轴线方向的应力为：weyflhN32 将f沿焊缝有效截面的法向和垂直于焊缝轴线的切向分解得： 245cosff42245sinff52 根据第四强度理论，角焊缝的强度条件为：wff332/226245 45NyNx图27 直角角焊缝的计算图2.金属结构的连接图图2 27 7 直角角焊缝的计算图直角角焊缝的计算图45 45NyNx图27 直角角焊缝的计算图2.金属结构的连接角焊缝计算的基本公式（续一） 将式(2-2)、(2-4)、(2-5)代入式(2-6)得： wffff33242272 或写成：wfffff2282式中：f正面角焊缝（端焊缝）的强度增大系

12、数。其值为： 承受静力荷载或间接承受动力荷载时：f(3/2)1/21.22 直接承受动力荷载时：f1.0 正面角焊缝（端焊缝），Nx0，即f0，其算式为： wffweyfflhN92 侧面角焊缝（侧焊缝），Ny0，即f0，其算式为： wfwexfflhN1022.金属结构的连接 角焊缝连接对称焊件 当只有侧焊缝时，按式(2-10)计算；当只有端焊缝时，按式(2-9)计算；采用围焊缝时，先按式(2-9)计算端缝承担的内力N，所余内力(N-N)由侧焊缝承担。若承受动力荷载作用，轴心力由全部焊缝有效截面平均承担(f1.0)。 (2) (2)角角焊缝受拉力、压力或剪力作用焊缝受拉力、压力或剪力作用 w

13、ffffbhN7 . 03 采用三面围焊缝连接不对称焊件(图28)计算步骤： a.选定端焊缝的hf，计算它能承担的内力 ； b.按下式确定角钢肢背、肢尖承担的内力： N1(b2/b)NN3/2k1NN3/2N2(b1/b)NN3/2k2NN3/2112 c.选定侧焊缝的hf，按式(210)求出侧焊缝的lw1和lw2。 若无端焊缝，则令上式中的N30即可。2.金属结构的连接图图2 28 8 受轴心力作用的角钢和节点板焊缝连接受轴心力作用的角钢和节点板焊缝连接2.金属结构的连接角焊缝受弯矩、剪力和轴心力共同作用（图角焊缝受弯矩、剪力和轴心力共同作用（图2 29 9）图图2 29 9 受弯、受剪、受

14、拉的角焊缝计算受弯、受剪、受拉的角焊缝计算 在弯矩作用下产生x方向（垂直于焊缝长度方向）的应力 为：Mfx226wewMfxlhMWM)122( 在剪力作用下产生y方向（平行于焊缝长度方向）的应力 为：VfwewVflhVAV2)132( 在轴力作用下产生x方向（垂直于焊缝长度方向）的应力 为：NfxwewNfxlhNAN2142 这三个应力代入式（28）得 wfVffNfxMfxf221522.金属结构的连接角焊缝受扭矩、轴力、剪力共同作用（图角焊缝受扭矩、轴力、剪力共同作用（图2 21010）图图2 21010受扭、受拉、受剪的角焊缝计算受扭、受拉、受剪的角焊缝计算 扭矩M在焊缝有效截面上

15、引起的应力：pMfIMra162 扭矩M引起三面围焊最远点A的应力沿x、y方向分解：pyMfxIMrpxMfyIMrb162式中： 焊缝计算截面（有效截面）对形 心的极惯性矩； 、 焊缝角点到焊缝形心轴的距离。yxpIIIxryr 剪力V、轴力N在A点引起的应力为：weVfylhVweNfxlhNc162 式(2-16b)和式(2-16c)代入式(2-8)得wfNfxMfxfNfyMfyf22d162角焊缝计算习题角焊缝计算习题2-1 2-1 试验算图试验算图2.12.1所示直角角焊缝的强度。已知焊缝承受的斜向静力荷载设计所示直角角焊缝的强度。已知焊缝承受的斜向静力荷载设计 值值F280kN，

16、60，角焊缝的焊脚尺寸，角焊缝的焊脚尺寸h hf f8mm，实际长度，实际长度l l 155mm，钢材为，钢材为Q235-B，手工焊，焊条，手工焊，焊条E43型。型。2-3 2-3 在图在图2.22.2所示角钢和节点板采用两边侧焊缝的连接中，所示角钢和节点板采用两边侧焊缝的连接中，N660660kN（静力荷（静力荷载，设计值），角钢为载，设计值），角钢为211021101010，节点板厚度，节点板厚度t t1212mm，钢材为，钢材为Q235235B，焊，焊条为条为E4343系列型，手工焊。试确定所需角焊缝的焊脚尺寸系列型，手工焊。试确定所需角焊缝的焊脚尺寸h hf f和实际长度和实际长度l

17、l。2.金属结构的连接九、对接焊缝的受力情况及强度计算九、对接焊缝的受力情况及强度计算( (一一) )对接焊缝的构造要求对接焊缝的构造要求 为保证焊件熔透，当焊件厚度大于10 mm时，须对焊件接头处进行加工，以形成其具有规则的几何形状的沟槽（坡口）。 对接焊缝的坡口形式（图211）： 直边形、单边V形、双边V形、U形、K形缝、 X形缝等。板厚t 10mm t 1020mm t 20mm 优点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。 缺点：需开坡口，焊件长度要精确。图图2 211 11 对接焊缝构造对接焊缝构造2.金属结构的连接( (二二) )对接焊缝的构造处理对接焊缝的构造处

18、理 起落弧处易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算时将焊缝长度两端各减去2t，t为连接件的较小厚度。 变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：4的斜面，避免应力集中。 变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：4的斜边，避免应力集中。图图2 212 12 不同厚度或宽度的钢板拼接不同厚度或宽度的钢板拼接2.金属结构的连接( (三三) )对接焊缝的强度计算对接焊缝的强度计算轴心受力时轴心受力时斜向受力时斜向受力时 弯矩和剪力共同作弯矩和剪力共同作轴力、弯矩和剪力共同轴力、弯矩和剪力共同轴心受力时对接焊缝的计算轴心受力时对接焊缝的计算wcw

19、twfftlN或式中式中N N轴心拉力或压力；轴心拉力或压力；Nlw焊缝计算长度，无引弧板时，焊焊缝计算长度，无引弧板时，焊 缝长度取实长减去缝长度取实长减去2t2t，有引弧板，有引弧板 时，取实长。时，取实长。对接焊缝的抗压、抗拉强度设对接焊缝的抗压、抗拉强度设 计值。教材计值。教材p35p35表表2 21 1。 平接时为焊件的较小厚度，顶接平接时为焊件的较小厚度，顶接 时取腹板厚；时取腹板厚； t（2 21717）图图2 213 13 轴心受力的对接焊缝连接轴心受力的对接焊缝连接2.金属结构的连接对接斜向焊缝受力计对接斜向焊缝受力计算算wcwtwfftlN或sinwvwftlNcos 主要

20、用于焊缝强度设计值低于构件强主要用于焊缝强度设计值低于构件强 度设计值的连接中。度设计值的连接中。 优点：抗动力荷载性能较好优点：抗动力荷载性能较好 缺点：较费材料缺点：较费材料 当当 tgtg 1.51.5即即 56.356.3 时，可不验时，可不验算焊缝强度。算焊缝强度。 （2 21818）（2 21919）wvf对接焊缝抗剪强度设计对接焊缝抗剪强度设计 值。值。wl斜向焊缝计算长度。斜向焊缝计算长度。图图2 214 14 斜向受力的焊缝斜向受力的焊缝2.金属结构的连接弯矩和剪力共同作用时对接焊缝的计算弯矩和剪力共同作用时对接焊缝的计算 焊缝内应力分布同母材。焊缝内应力分布同母材。 同时受

21、弯、剪时，分别验算最大正应力、最大剪应力同时受弯、剪时，分别验算最大正应力、最大剪应力。wvwwwftIVSmaxwtf1 . 132121焊缝截面抵抗矩焊缝截面抵抗矩; ;焊缝截面上计算点处焊缝截面上计算点处 以上（以下）截面对以上（以下）截面对 中和轴的面积矩。中和轴的面积矩。 对于腹板和翼缘的交界点，正对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，但都比应力、剪应力虽不是最大，但都比较大，所以需验算折算应力。较大，所以需验算折算应力。wW（2 22020）（2 22121）wS（2 22222）图图2 21515弯矩和剪力共同弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝作用下的对接焊缝wtwfWM

22、max2.金属结构的连接轴力、弯矩和剪力共同作用时对接焊的缝计算轴力、弯矩和剪力共同作用时对接焊的缝计算 牛腿和柱的对接焊缝，剪力全部由腹板承受并均匀分布，弯矩、拉力由牛腿和柱的对接焊缝，剪力全部由腹板承受并均匀分布，弯矩、拉力由全截面承担，与梁计算相同，截面形式和截面上各种应力分布见图全截面承担，与梁计算相同，截面形式和截面上各种应力分布见图2-162-16。 牛腿截面为非对称，在拉力作用下全截面均匀受拉，在剪力作用下，整牛腿截面为非对称，在拉力作用下全截面均匀受拉，在剪力作用下，整个腹板截面按均匀抗剪考虑，在弯矩作用下，中和轴以上受拉，中和轴以下个腹板截面按均匀抗剪考虑，在弯矩作用下，中和

23、轴以上受拉，中和轴以下受压。因此图中受压。因此图中1 1、2 2、3 3、4 4点均需强度验算。点点均需强度验算。点1 1为下翼缘最外缘的点，点为下翼缘最外缘的点，点2 2为下翼缘与腹板的交界点，点为下翼缘与腹板的交界点，点3 3为上翼缘与腹板的交界点，点为上翼缘与腹板的交界点，点4 4为上翼缘最外为上翼缘最外缘的点。缘的点。图图2 216 16 轴力、轴力、弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝2.金属结构的连接轴力、弯矩和剪力共同作用轴力、弯矩和剪力共同作用时对接焊的缝计算（续）时对接焊的缝计算（续）wcwtwwffIMyAN11wwIMyAN22wwIMyAN332

24、wAV3wAVwtwwfIMyAN44wtf1 . 132222wtf1 . 132323点点1 1：点点2 2：点点3 3：点点4 4：wAwAiy有效抗剪面积，有效抗剪面积，整个焊缝截面的截面积；整个焊缝截面的截面积；各个计算点到中和轴的距离。各个计算点到中和轴的距离。wwthA02.金属结构的连接例题例题 某主梁腹板采用图某主梁腹板采用图2 21717所示所示的对接焊缝拼接（有引弧板）。已的对接焊缝拼接（有引弧板）。已知拼接截面处的内力知拼接截面处的内力M M980KN980KNm m；Q Q200KN200KN，荷载均为设计荷载值。，荷载均为设计荷载值。钢材为钢材为Q235Q235钢，

25、焊条钢，焊条E425E425型，手工型，手工焊接且用普通方法检查焊缝质量。焊接且用普通方法检查焊缝质量。试验算对接焊缝强度。试验算对接焊缝强度。解：解：故焊缝强度满足。与腹板连接处）、折算应力验算（翼缘、最大拉应力验算翼缘的面积矩抗弯模量惯性矩、截面的几何特征计算 MPa MPacmN 3 cmNIQS cmNhh cmNWM cmS cm2h2I Wcm60.91.84021I zs0maxmax25 .1591701 . 11 . 15 .89/8950)1290(3)8650(/12901680000440010200/86506 .1231208913/8911100010980244

26、009 .608 . 140110006 .123680000680000120112122222222243343ffwtwt图图2 217172.金属结构的连接 金属结构金属结构在焊接过程中，局部区域受到剧烈的高温作在焊接过程中，局部区域受到剧烈的高温作用，引起不均匀的加热和冷却，使构件产生焊接变形。由用，引起不均匀的加热和冷却，使构件产生焊接变形。由于在冷却时焊缝和焊缝附近的钢材不能自由收缩，受到约于在冷却时焊缝和焊缝附近的钢材不能自由收缩，受到约束而产生焊接应力（残余应力）。焊接残余应力是自平衡束而产生焊接应力（残余应力）。焊接残余应力是自平衡应力。焊接变形和焊接应力是焊接结构的主要问

27、题之一，应力。焊接变形和焊接应力是焊接结构的主要问题之一，它直接影响结构的实际工作。它直接影响结构的实际工作。 十、十、焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形2.金属结构的连接（一）残余应力的影响（一）残余应力的影响 静力及部分区域的应力叠加对强度无影响静力及部分区域的应力叠加对强度无影响 降低构件的刚度降低构件的刚度 焊接残余应力的存在增大了结构的变形，故降低了结构的刚度。焊接残余应力的存在增大了结构的变形，故降低了结构的刚度。 降低构件的稳定承载力降低构件的稳定承载力 由于刚度降低，有效截面减小，过早地进入弹塑性区，弹性模量由于刚度降低，有效截面减小，过早地进入弹塑性区，弹性模量降低，所以稳

28、定承载力降低。降低，所以稳定承载力降低。 降低构件的疲劳强度降低构件的疲劳强度 残余应力的存在，加快了疲劳裂纹的开展速度（双向或三向拉应残余应力的存在，加快了疲劳裂纹的开展速度（双向或三向拉应力场），因此，疲劳强度降低。力场），因此，疲劳强度降低。 加剧低温冷脆。加剧低温冷脆。 材料在低温下呈脆性，焊接残余应力的同号拉力场会阻碍材料塑材料在低温下呈脆性，焊接残余应力的同号拉力场会阻碍材料塑性的发展，加重了脆性因素。性的发展，加重了脆性因素。2.金属结构的连接（二）（二）焊接变形的产生和防止焊接变形的产生和防止焊接变形焊接变形：金属结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作：金属结构构

29、件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作 用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。 焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件 局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。焊接变形对构件的影响：焊接变形对构件的影响： 安装困难，且产生附加应力；安装困难，且产生附加应力； 降低结构承载能力；降低结构承载能力； 影响结构外观。影响结构外观。表现主要有：纵向收缩、横向收缩、表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭

30、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等（图曲变形等（图2 21818）。）。图图2 218 18 焊接变形焊接变形2.金属结构的连接（三（三）减少残余应力和焊接变形的方法减少残余应力和焊接变形的方法 设计方面设计方面 采用细长、不采用短粗的焊缝；采用细长、不采用短粗的焊缝； 对称布置焊缝，减小变形；对称布置焊缝，减小变形； 不等高连接加不大于不等高连接加不大于1/41/4的斜坡；的斜坡； 尽量防止锐角连接；尽量防止锐角连接； 焊缝不宜过于集中，不要出现交叉焊缝；焊缝不宜过于集中，不要出现交叉焊缝； 注意施焊方便，以保证焊接质量。注意施焊方便，以保证焊接质量。 制造方面制造方面 采用合理的焊接工

31、艺，如分段退焊、分层焊、对称焊、钢板分块拼采用合理的焊接工艺，如分段退焊、分层焊、对称焊、钢板分块拼接、对角跳焊（工字形截面）等（图接、对角跳焊（工字形截面）等（图2 21919）；）； 制造过程中，制造过程中，采用采用减少残余应力和焊接变形的方法减少残余应力和焊接变形的方法； 焊后消除残余应力和矫正变形使结构有一个和焊接变形相反的预变焊后消除残余应力和矫正变形使结构有一个和焊接变形相反的预变 形。形。2.金属结构的连接图图2 21919合理的焊接顺序合理的焊接顺序2 12435613423212.金属结构的连接2.42.4螺栓连接螺栓连接 2.4.1螺栓连接的排列和构造要求 一、螺栓的排列

32、二、螺栓、螺栓孔图例 2.4.2高强度螺栓连接的工作性能和计算 一、高强度螺栓连接的工作性能 二、一个高强度螺栓的抗剪承载力 三、一个高强度螺栓的抗拉承载力 四、高强度螺栓同时承受剪力和拉力的计算 五、高强度螺栓群的连接计算 2.金属结构的连接.1螺栓连接的排列和构造要求螺栓连接的排列和构造要求 一、螺栓的排列一、螺栓的排列 螺栓和铆钉的排列通常分为并列（图螺栓和铆钉的排列通常分为并列（图2-20(a)2-20(a)）和错列（图）和错列（图2-20(b)2-20(b)）两）两种形式。种形式。 中距边距中距边距端距中距中距端距边距边距中距(a) (b)(a) (b)图图2-20

33、2-20 钢板的螺栓钢板的螺栓( (铆钉铆钉) )排列排列 螺栓在构件上的排列应考虑的要求螺栓在构件上的排列应考虑的要求 2.金属结构的连接 受力要求 构造要求 施工要求 根据以上要求，钢结构设计规范规定的连接板件上螺栓和铆钉的容许距离见表21。 表表2 21 1 螺栓或铆钉的最大、最小容许距离螺栓或铆钉的最大、最小容许距离 2.金属结构的连接名称 位置和方向 最大容许距离(取两者的较小值) 最小容许距离 中心间距 外排（垂直内力方向或顺内力方向） 或 中间排 垂直内力方向 或顺内力方向 构件受压力 或构件受拉力 或沿对角线方向 中心至构件边缘距离 顺内力方向 或垂直内力方向 剪切边或手工气割

34、边 轧制边、自动气割或锯割边 高强度螺栓 其他螺栓或铆钉 08ddt1203d016dt24012dt18016dt2404ddt802d05 . 1 d02 . 1 d二、螺栓、螺栓孔图例2.金属结构的连接.2高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算2.金属结构的连接 一、高强度螺栓连接的工作性能一、高强度螺栓连接的工作性能高强度螺栓摩擦型连接只依靠被连接板件间的摩擦力传递剪力，以剪力高强度螺栓摩擦型连接只依靠被连接板件间的摩擦力传递剪力，以剪力等于摩擦力作为承载能力的极限状态。等于摩擦力作为承载能力的极限状态。 高强度螺栓承压型连接的传力特征是剪力超过摩

35、擦力时，板件间发生相高强度螺栓承压型连接的传力特征是剪力超过摩擦力时，板件间发生相互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，开始受剪并和孔壁承压。以螺栓或钢板破坏互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，开始受剪并和孔壁承压。以螺栓或钢板破坏作为承载能力的极限状态，可能的破坏形式和普通螺栓相同。作为承载能力的极限状态，可能的破坏形式和普通螺栓相同。 高强度螺栓的预拉力高强度螺栓的预拉力 高强度螺栓连接高强度螺栓连接摩擦型连接摩擦型连接承压型连接承压型连接 预拉力的控制方法预拉力的控制方法2.金属结构的连接 高强度螺栓分大六角头型高强度螺栓分大六角头型( (图图2-21(a)2-21(a)和扭剪型和扭剪型( (图图2-21

36、(b)2-21(b)两种，两种，大六角头螺栓的预拉力控制方法包括扭矩法和转角法。大六角头螺栓的预拉力控制方法包括扭矩法和转角法。 a. a. 扭矩法扭矩法 一般采用可直接显示或控制扭矩的特定扭矩扳手。扭矩法是通一般采用可直接显示或控制扭矩的特定扭矩扳手。扭矩法是通过控制拧紧力矩来实现控制预拉力。过控制拧紧力矩来实现控制预拉力。 优点：施加预拉力简单，易实施，费用少。优点：施加预拉力简单，易实施，费用少。 缺点：由于连接件和被连接件的表面质量和拧紧速度的差异，测得的预拉力缺点：由于连接件和被连接件的表面质量和拧紧速度的差异，测得的预拉力值误差大且分散，一般误差为值误差大且分散，一般误差为2525

37、。(a) (b) (a) (b) 图图2-21 2-21 高强度螺栓高强度螺栓 预拉力的控制方法预拉力的控制方法( (续续) )2.金属结构的连接 b.b.转角法转角法 先用普通扳手进行初拧，使被连接板件相互紧密贴合，再以初拧位置为起点，先用普通扳手进行初拧，使被连接板件相互紧密贴合，再以初拧位置为起点，按终拧角度，用长扳手或风动扳手旋转螺母，拧至该角度值时，螺栓的拉力即达按终拧角度，用长扳手或风动扳手旋转螺母，拧至该角度值时，螺栓的拉力即达到施工控制预拉力。到施工控制预拉力。 扭剪型高强度螺栓扭剪型高强度螺栓( (图图2 221(b)21(b) 特点：强度高，安装简便，质量便于控制，可以单面

38、拧紧，对操作人员没有特点：强度高，安装简便，质量便于控制，可以单面拧紧，对操作人员没有特殊要求。特殊要求。 预拉力的计算预拉力的计算 2.金属结构的连接 高强度螺栓的预拉力设计值高强度螺栓的预拉力设计值P P由下式计算，并取由下式计算，并取5kN5kN的整倍数。的整倍数。uefAP2 . 19 . 09 . 09 . 0式中：式中： 螺栓螺纹处的有效面积；螺栓螺纹处的有效面积； 螺栓经热处理后的最低抗拉强度。螺栓经热处理后的最低抗拉强度。 式式(2-23)(2-23)中的系数考虑了以下几个因素：中的系数考虑了以下几个因素： a.a.拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由扭矩引起的扭转剪

39、拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由扭矩引起的扭转剪应力作用。试验表明，可取系数应力作用。试验表明，可取系数1.21.2考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响。考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响。 b.b.施工时为了弥补高强度螺栓预拉力的松弛损失，一般超张拉施工时为了弥补高强度螺栓预拉力的松弛损失，一般超张拉5 51010，为此考虑一个超张拉系数为此考虑一个超张拉系数0.90.9。 c.c.考虑螺栓材质的不均匀性，引入一个折减系数考虑螺栓材质的不均匀性，引入一个折减系数0.90.9。 d.d.由于以螺栓的抗拉强度为准，为了安全引入一个安全系数由于以螺栓的抗拉强度为准，为了安全引入一个安全

40、系数0.90.9。 各种规格高强度螺栓预拉力的取值列于表各种规格高强度螺栓预拉力的取值列于表2 22 2。 (2-23)(2-23)eAuf表表2 22 2 一个高强度螺栓的预拉力一个高强度螺栓的预拉力P P2.金属结构的连接螺栓的性能等级 螺栓公称直径（mm） M16M20M22M24M27M308.8级8012515017523028010.9级100155190225290355注：螺栓的性能等级注：螺栓的性能等级“m.n级级”，m表示螺栓成品的抗拉强度不小于表示螺栓成品的抗拉强度不小于 m100N/mm2，.n表示螺栓材料的屈强比，即屈服点与抗拉表示螺栓材料的屈强比，即屈服点与抗拉 强

41、度的比值。强度的比值。 抗滑移系数抗滑移系数2.金属结构的连接 摩擦面抗滑移系数的大小与连接处板件接触面的处理方法和板件的钢号有摩擦面抗滑移系数的大小与连接处板件接触面的处理方法和板件的钢号有关。试验表明，此系数值随被连接板件接触面间的压紧力减小而降低。关。试验表明，此系数值随被连接板件接触面间的压紧力减小而降低。 钢结构设计规范钢结构设计规范推荐采用的接触面处理方法包括喷砂、喷砂后涂无机推荐采用的接触面处理方法包括喷砂、喷砂后涂无机富锌漆、喷砂后生锈以及用钢丝刷消除浮锈或未经处理的干净轧制表面等。各富锌漆、喷砂后生锈以及用钢丝刷消除浮锈或未经处理的干净轧制表面等。各种处理方法相应的抗滑移系数

42、种处理方法相应的抗滑移系数值列于表值列于表2 23 3。 表表2 23 3 摩擦面抗滑移系数摩擦面抗滑移系数值值 在连接处构件接触面的处理在连接处构件接触面的处理方法方法 板件的钢号板件的钢号 Q235Q235钢钢Q345Q345、Q390Q390钢钢Q420Q420钢钢喷砂喷砂0.450.450.500.500.500.50喷砂（丸）后涂无机富锌漆喷砂（丸）后涂无机富锌漆0.350.350.400.400.400.40喷砂（丸）后生锈喷砂（丸）后生锈0.450.450.500.500.500.50钢丝刷消除浮锈或未经处理钢丝刷消除浮锈或未经处理的干净轧制表面的干净轧制表面0.300.300.

43、350.350.400.40二、一个高强度螺栓的抗剪承载力二、一个高强度螺栓的抗剪承载力2.金属结构的连接 高强度螺栓的抗剪连接的工作性高强度螺栓的抗剪连接的工作性能可通过连接的抗剪试验得到，试验能可通过连接的抗剪试验得到，试验得出的相对位移得出的相对位移与作用力与作用力N的关系曲的关系曲线如图线如图2-222-22所示。由曲线可见，试件所示。由曲线可见，试件由零载一直加载至连接破坏的全过程，由零载一直加载至连接破坏的全过程，经历了四个阶段，即弹性阶段、相对经历了四个阶段，即弹性阶段、相对滑移阶段、螺栓直接传力阶段和弹塑性滑移阶段、螺栓直接传力阶段和弹塑性阶段。阶段。 12341234高强度螺

44、栓普通螺栓图图2-22 2-22 单个螺栓的抗剪试验结果单个螺栓的抗剪试验结果 摩擦型连接摩擦型连接2.金属结构的连接 高强度螺栓摩擦型连接是以板件间出现滑动作为抗剪承载能力的极限状态，高强度螺栓摩擦型连接是以板件间出现滑动作为抗剪承载能力的极限状态，故其最大承载力点应取板件间产生相对滑动的起始点故其最大承载力点应取板件间产生相对滑动的起始点“1”1”点。点。 摩擦型连接的承载力取决于板件接触面的摩擦力，而此摩擦力的大小与螺栓摩擦型连接的承载力取决于板件接触面的摩擦力，而此摩擦力的大小与螺栓所受预拉力、摩擦面的抗滑移系数以及连接的传力摩擦面数有关。因此，一个摩所受预拉力、摩擦面的抗滑移系数以及

45、连接的传力摩擦面数有关。因此，一个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：PnNfbv9 . 0式中：式中：0.90.9抗力分项系数的倒数；抗力分项系数的倒数； 传力摩擦面数目，单剪时，传力摩擦面数目，单剪时， ，双剪时，双剪时， ，依此类推；，依此类推； P P 一个高强度螺栓的设计预拉力，按表一个高强度螺栓的设计预拉力，按表2 22 2采用；采用； 摩擦面抗滑移系数，按表摩擦面抗滑移系数，按表2 23 3采用。采用。fn1fn2fn(2-24)(2-24)2.金属结构的连接 承压型连接受剪时，从受力直到破坏的荷载位移曲线如图承压型连接受剪时，从受力

46、直到破坏的荷载位移曲线如图2-222-22所示，由于所示，由于它允许接触面滑动并以连接达到破坏的极限状态作为设计准则，因此承压型连接它允许接触面滑动并以连接达到破坏的极限状态作为设计准则，因此承压型连接的最大抗剪承载力应取图的最大抗剪承载力应取图2-222-22曲线最高点，即曲线最高点，即“4”4”点。高强度螺栓承压型连接点。高强度螺栓承压型连接的计算方法与普通螺栓连接相同。的计算方法与普通螺栓连接相同。 一个承压型高强度螺栓抗剪承载力设计值为：一个承压型高强度螺栓抗剪承载力设计值为： 承压型连接承压型连接 bvvbvfdnN42式中：式中：n nv v受剪面数目，单剪时，受剪面数目，单剪时，

47、n nv v1 1，双剪时，双剪时，n nv v2 2，依此类推；，依此类推； d d 螺栓杆直径（螺栓的公称直径）；螺栓杆直径（螺栓的公称直径）； 高强度螺栓抗剪强度设计值，按表采用。高强度螺栓抗剪强度设计值，按表采用。 一个承压型高强度螺栓承压承载力设计值为：一个承压型高强度螺栓承压承载力设计值为：bvfbcbcf tdNtbcf(2-25a)(2-25a)式中：式中： 在同一受力方向的承压构件的较小总厚度；在同一受力方向的承压构件的较小总厚度； 高强度螺栓承压强度设计值，按表采用。高强度螺栓承压强度设计值，按表采用。 (2-25b)(2-25b)2.金属结构的连接 摩擦型连接摩擦型连接

48、单个高强度螺栓承受外拉力时，由试验得知，当外拉力大于螺杆的预拉力时，单个高强度螺栓承受外拉力时，由试验得知，当外拉力大于螺杆的预拉力时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。但当外拉力小于螺杆预拉力的卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。但当外拉力小于螺杆预拉力的8080时，即无松弛现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍保持一定的压紧时，即无松弛现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍保持一定的压紧力。因此，现行力。因此，现行钢结构设计规范钢结构设计规范规定，在杆轴方向受拉力的高强度螺栓摩擦规定，在杆轴方向受拉力的高强度螺栓摩擦型连接中，单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：型连接

49、中，单个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：三、一个高强度螺栓的抗拉承载力三、一个高强度螺栓的抗拉承载力PNbt8 . 0 承压型连接承压型连接一个承压型连接高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同，按一个承压型连接高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同，按下式计算（计算结果与下式计算（计算结果与0.8P0.8P相差不大）。相差不大）。btebtfdN42(2-26)(2-26)式中：式中： d de e 螺栓的有效直径；螺栓的有效直径； 螺栓抗拉强度设计值，按表采用。螺栓抗拉强度设计值，按表采用。 (2-27)(2-27)btf2.金属结构的连接图图2-23 2-23 高强度螺

50、栓受拉力作用高强度螺栓受拉力作用 P+PC+CNt2.金属结构的连接四、高强度螺栓同时承受剪力和拉力的计算四、高强度螺栓同时承受剪力和拉力的计算 摩擦型连接摩擦型连接如前所述，当螺栓所受外拉力如前所述，当螺栓所受外拉力Nt0.8P0.8P时，虽然螺杆中的预拉力时，虽然螺杆中的预拉力P P基本不变，基本不变，但板层间压力减小到但板层间压力减小到PNt。试验研究表明，这时接触面的抗滑移系数。试验研究表明，这时接触面的抗滑移系数也有所也有所降低，而且降低，而且值随值随Nt的增大而减小。的增大而减小。钢结构设计规范钢结构设计规范将将Nt乘以系数乘以系数1.1251.125来来考虑考虑值降低的不利影响，

51、故一个摩擦型连接高强度螺栓有外拉力作用时的抗剪值降低的不利影响，故一个摩擦型连接高强度螺栓有外拉力作用时的抗剪承载力设计值为：承载力设计值为：tftfbvNPnNPnN25. 19 . 0111. 1125. 19 . 0PnNfbv9 . 0PNbt8 . 01bttbvvNNNN式中：式中：1.1111.111抗力分项系数。抗力分项系数。(2-28)(2-28)将将 ， 代人上式，则代人上式，则式中：式中：Nv，Nt某个螺栓所承受的剪力和拉力。某个螺栓所承受的剪力和拉力。 (2-29)(2-29)2.金属结构的连接 承压型连接承压型连接 同时承受剪力和杆轴方向外拉力的承压型连接高强度螺栓的

52、计算方法与同时承受剪力和杆轴方向外拉力的承压型连接高强度螺栓的计算方法与普通螺栓相同，即按下式计算。普通螺栓相同，即按下式计算。 （2 23030）122bttbvvNNNN 此外，尚应按下式计算孔壁承压此外，尚应按下式计算孔壁承压。 （2 23131）bcbcvtfdNN2 . 112 . 1式中：式中： 高强度螺栓的承压强度设计值，按表采用。高强度螺栓的承压强度设计值，按表采用。 bcf 各种受力情况的单个高强度螺栓承载力设计值的计算式列于表各种受力情况的单个高强度螺栓承载力设计值的计算式列于表2-42-4中。中。 2.金属结构的连接表表2-4 2-4 单个单个高强度高强度螺栓承载力设计值

53、螺栓承载力设计值序号序号连接种类连接种类受力状态受力状态计算式计算式备注备注1高强度螺高强度螺栓摩擦型栓摩擦型连接连接受剪受剪受拉受拉兼受剪拉兼受剪拉 或：或：2高强度螺高强度螺栓承压型栓承压型连接连接受剪受剪剪切面在螺纹处时剪切面在螺纹处时 受拉受拉兼受剪拉兼受剪拉PnNfbv9 . 0PNbt8 . 01bttbvvNNNNbvvbvfdnN42bcbcf tdNbvevbvfdnN42btebtfdN42122bttbvvNNNN2 . 1bcvNN )25. 1(9 . 0tfbvNPnNPNt8 . 02.金属结构的连接五、高强度螺栓群的连接计算五、高强度螺栓群的连接计算 高强度螺栓

54、群的抗剪计算高强度螺栓群的抗剪计算 轴心力作用时轴心力作用时轴心力作用的高强度螺栓群抗剪连接所需螺栓数目由下式确定。轴心力作用的高强度螺栓群抗剪连接所需螺栓数目由下式确定。 （2 23131）bNNnmin 对摩擦型连接，对摩擦型连接， 按式（按式（2-242-24）计算。）计算。对承压型连接，对承压型连接， 为分别按式（为分别按式（2-25a2-25a）与式（）与式（2-25b2-25b）计算值的较小值。）计算值的较小值。当剪切面在螺纹处时，计算当剪切面在螺纹处时，计算 应将应将d d改为改为d de e。 扭矩或扭矩、剪力共同作用时扭矩或扭矩、剪力共同作用时高强度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共

55、同作用时的抗剪计算方法与普通螺高强度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用时的抗剪计算方法与普通螺栓群相同，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。栓群相同，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。 bNminbNminbvN2.金属结构的连接a.扭矩作用时扭矩作用时 首先布置螺栓，然后计算受力最大螺栓所承受的剪力，再和一个高强度螺首先布置螺栓，然后计算受力最大螺栓所承受的剪力，再和一个高强度螺栓的抗剪承载力设计值栓的抗剪承载力设计值 （取值同上）进行比较。（取值同上）进行比较。 bNmin 计算时作如下假定：计算时作如下假定： (a)(a)被连接构件是刚性的，而螺栓被连接构件是刚性的，而螺栓是弹性

56、的；是弹性的； (b)(b)各螺栓绕螺栓群形心各螺栓绕螺栓群形心O O旋转旋转( (图图2-24)2-24)其受力大小与其至螺栓群形心的其受力大小与其至螺栓群形心的距离成正比，力的方向与其和螺栓群形距离成正比，力的方向与其和螺栓群形心的连线垂直。心的连线垂直。 则受力最大螺栓所承受的剪力为：则受力最大螺栓所承受的剪力为：1yy1N1TN2TTN32345543216Tr3r1r2221211iiiTyxTrrTrN（2 23232）图图2-24 2-24 扭矩作用的螺栓群扭矩作用的螺栓群 当螺栓布置成狭长带时，例如当螺栓布置成狭长带时，例如y y1 13x3x1 1时，式（时，式（2 2323

57、2）可简化为）可简化为: : 211iTyTyN（2 23333） 设计时，受力最大的一个螺栓所承受的设计剪力应不大于高强度螺栓的抗设计时，受力最大的一个螺栓所承受的设计剪力应不大于高强度螺栓的抗剪承载力设计值，即剪承载力设计值，即 bTNNmin1（2 23434）2.金属结构的连接b.扭矩、剪力和轴心力共同作用时扭矩、剪力和轴心力共同作用时 图图2-252-25所示的螺栓群，承受扭矩所示的螺栓群，承受扭矩T T、剪力、剪力V V和轴心力和轴心力N N的共同作用。设计时，的共同作用。设计时，通常先布置好螺栓，再进行验算。通常先布置好螺栓，再进行验算。 在扭矩在扭矩T T作用下，螺栓作用下，螺

58、栓1 1、2 2、3 3、4 4受力最大为受力最大为 ，其在，其在x x、y y两个方向的分两个方向的分力为力为: :TN12211111iiTTxyxTyryNN2211111iiTTyyxTxrxNN 在剪力在剪力V V和轴心力和轴心力N N的作用下，螺栓均匀受力，每个螺栓受力为的作用下，螺栓均匀受力，每个螺栓受力为: : nVNVy1nNNNx1 以上各力对于螺栓都是剪力，故受力最大螺栓以上各力对于螺栓都是剪力，故受力最大螺栓1 1承受的合力承受的合力N1应满足下式应满足下式: :bVyTyNxTxNNNNNNmin2112111)()(（2 23535）2.金属结构的连接图图2-25

59、2-25 扭矩、剪力和轴心力共同作用的螺栓群扭矩、剪力和轴心力共同作用的螺栓群1T1TN1yN1xr11TTN14VN=V4231432+N+y1N1x=N/nNVN1y=V/nT2.金属结构的连接 高强度螺栓群的抗拉计算高强度螺栓群的抗拉计算 轴心力作用时 高强度螺栓群连接所需螺栓数目btNNn （2 23636）式中：N作用于螺栓群的轴心拉力设计值； 单个高强度螺栓抗拉承载力设计值 。btN2.金属结构的连接 弯矩作用时弯矩作用时 高强度螺栓的外拉力总是小于预拉力高强度螺栓的外拉力总是小于预拉力P P，在连接受弯矩作用，在连接受弯矩作用( (图图2-26(a)2-26(a)而而使螺栓沿栓杆

60、方向受力时，被连接构件的接触面一直保持紧密贴合，因此可认使螺栓沿栓杆方向受力时，被连接构件的接触面一直保持紧密贴合，因此可认为中和轴在螺栓群的形心轴上为中和轴在螺栓群的形心轴上( (图图2-26(b)2-26(b)，最外排螺栓受力最大。则高强度，最外排螺栓受力最大。则高强度螺栓群因弯矩受拉时最大拉力螺栓的验算式为：螺栓群因弯矩受拉时最大拉力螺栓的验算式为： btitNyMyN211（2 23737）Nt1Nt2Nt3Nt4M(a) (b)(a) (b)图图2-26 2-26 承受弯矩的高强度螺栓连接承受弯矩的高强度螺栓连接 2.金属结构的连接 高强度螺栓承受偏心拉力作用时，螺栓的最大拉力不得超