钢结构连接-焊缝

1、关于钢结构的连接-焊缝第一张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 钢结构的连接教学目的、要求教学内容1.掌握全焊透对接焊缝和直角角焊缝的构造与计算；2.理解普通螺栓和高强螺栓的构造与计算；3.了解焊缝的残余应力和残余变形；1.钢结构的连接方法及应用2.全焊透对接焊缝的构造与计算重点3.角焊缝的构造与计算重点4.焊缝的残余应力和残余变形5.普通螺栓和高强螺栓的构造与计算难点教学时间安排16学时第二张，PPT共七十四页，创作于2022年6月1.角焊缝的形式和强度第三章 连 接3.3角焊缝的构造和计算3.3.1 角焊缝的构造角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。

2、（a）普通型 （b）平坡型 （c）凹面型图3.10 直角角焊缝截面（1）直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。对承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用（b）的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹面式（c）。 he hfcos45=0.7hf第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接（2）斜角角焊缝两焊边的夹角a90或a135o或12mm）或190mm（t12mm）；a) 构件端部仅有两边侧缝连接时：试验结果表明，连接的承载力与b / lw有关。为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，每条侧缝长度b / lw 1；t为较

3、薄焊件的厚度。第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第十二张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接 c)直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：正面角焊缝宜为1:1.5，长边与内力方向一致 ；侧面角焊缝可用凹形直角焊缝为1:1 。 b) 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接t1t2 （t1t2）搭接图第十三张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接 d) 当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。b)2

4、hfa)2hf2hf图3.15绕角焊缝第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第十四张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接 焊角尺寸：hfdcbadcbahehfhf1）焊缝的破坏面3.3.4 直角角焊缝的基本计算公式假定：直角角焊缝破坏发生于45截面上，既有效厚度方向发生。图3.17 直角角焊缝截面 有效厚度：he 0.7hf 焊缝厚度：有效厚度+熔深+凸度 有效截面：有效厚度计算长度计算时假定有效截面上应力均匀分布。第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第十五张，PPT共七十四页，创作于2022年6月（作用力平行于焊缝方向）1、侧面角焊缝NN图3.24

5、侧面角焊缝的应力分布示意图第十六张，PPT共七十四页，创作于2022年6月当承受动力荷载时：-正面角焊缝强度增大系数，1.22 。2、正面角焊缝（作用力垂直于焊缝方向）NN图3.25 正面角焊缝的应力分布示意图第十七张，PPT共七十四页，创作于2022年6月3、斜向角焊缝NNy= Ncos Nx=Nsin图3.26 斜向轴心力作用第十八张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接3.3.4 角焊缝的计算第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构,设计用钢量4.2万吨，是目前国内外体育场馆中用钢量最多、规模最大、施工难度

6、最大、拥有多项世界顶级施工技术难题的大型钢结构工程。该工程设计使用年限为100年。建筑面25.8万平方米,建筑造价：34亿元人民币。高空全焊接钢结构，焊缝总长30万米。第十九张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接3.4.3 角焊缝的计算第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接基督教礼拜堂项目 ，总建筑面积为13484.02m2 ，地上建筑主体为高底大于24m的单层公共建筑。钢构件间的连接采用全熔透坡口焊接和高强度螺栓连接两种形式，焊缝采用焊脚尺寸均为双面焊8mm角焊缝。 第二十张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接3.3.4 角焊缝的计算第三章 连

7、接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十一张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接3.3.4 角焊缝的计算1、教学内容：角焊缝的连接计算 (1)轴心力作用下角焊缝连接计算 (2)弯矩、轴心力作用下的连接计算 (3)扭矩、剪力作用下的连接计算2、重点：轴心力作用下盖板类、角钢类连接计算第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十二张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接3.3.4 角焊缝的计算1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算 当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。(1）用盖板的对接连接A、仅采用侧面

8、角焊缝连接NNlwSlw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十三张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接B、采用三面围焊连接NNlwlw先计算正面角焊缝承担的内力Slw连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和再计算侧面角焊缝的强度Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十四张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接(2）承受斜向轴心力的角焊缝NNxNyff轴心力作用下的角焊缝平行于焊缝长度方向的分力Ncos垂直于焊缝长度方向的分力Nsin 外力N和焊缝长度方向斜交，焊缝

9、受到的力N被分解为：代入公式，得焊缝计算公式：第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十五张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接例题3.1 试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽B270mm，厚度t1=28mm，拼接盖板的厚度t2=16mm。该连接承受的静态轴心力N1400kN（设计值），钢材为Q235B，手工焊，焊条为E43型第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十六张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接分析方法一：假定焊脚尺寸-焊缝长度-拼接盖板尺寸步骤1：假定焊脚尺寸（hf）角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的。最大焊脚尺寸：规

10、范规定，当t6mm时，hft-(12)mm，t为较薄焊件的厚度hfmax =1415mm取hf=10mm,查表可得角焊缝强度设计值：ffw160N/mm2最小焊脚尺寸：规范规定，hf1.5(t)1/2，t为较厚焊件的厚度hfmin = 7.9mm第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十七张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接步骤2：计算焊缝长度（lw）假设采用两面侧焊缝，拼接盖板采用上下两块。根据公式算得连接一侧所需四条焊缝总长度拼接盖板的长度 L=2lw+10=3332+10=676mm, 取680mm式中，10为两块被连接钢板的间隙一条侧焊缝的实际长度: l

11、w =1250/4+210= 333mm 验算lwmin=10hf=1010=100lw=333lwmax=60hf=6010=600第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十八张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接步骤3：确定拼接盖板的宽度（b）虽然沿拼接盖板的宽度方向没有施焊，但也应该根据强度条件和构造要求确定其宽度。强度条件：假设b=240mm,则一块拼接盖板的横截面积A=3840mm2, 根据静态轴力计算的强度值s=N/2A=1.4106/（23840）=182.3 N/mm2f=215 N/mm2故选用拼接盖板的尺寸为680mm240mm16mm构造要求

12、：当板件端部只有两条侧面角焊缝连接时，要b12mm时，b16t=1616=256, t为较薄焊件的厚度第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第二十九张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接【练习】验算下图所示连接的强度(采用三面围焊)。已知钢板宽B1=400mm，厚t1=18mm ,受轴心力N=1425kN（静荷载），钢材Q235B，手工焊，焊条E43型。取hf=8mm。两块矩形盖板宽B2=340mm，厚t2=12mm。 NNNN第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接（3）承受轴心力的角钢端部连接

13、 在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊（如图所示）。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。图4.26 桁架腹杆节点板的连接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十一张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接NN1N2eb角钢的侧缝连接 a) 仅用侧面焊缝连接解上式得肢背和肢尖的受力为：（4.19）（4.20）在N1、N2作用下，假定肢尖、肢背hf1、hf2，侧缝的计算长度为：由平衡条件得：肢背肢尖K1角钢肢背焊缝的内力分配系数K2角钢肢尖焊缝的内力分配系数， 查表

14、4.4P72第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十二张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接表3.4 角钢角焊缝内力分配系数K第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十三张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接 b) 角钢用三面围焊时，可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3 ，并算出它所能承受的内力N3 ：通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为: 角钢角焊缝围焊的计算NN1N2ebN3lw2lw1在N1、N2作用下，侧焊缝的长度用公式（3.21、3.22）。第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十四张，P

15、PT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接c) 当采用L形围焊时，令N20，得：L形围焊角焊缝计算公式为：若求出得hf3大于hfmax ,则不能采用L形围焊。第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十五张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接角焊缝的实际长度和计算长度关系：角焊缝：实际长度=计算长度+2hf三面围焊或L型焊缝，因在转角处必须连续施焊，可视为一条焊缝注：焊缝的实际长度取5mm的倍数。便于焊条下料第三十六张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接例3.2 设计如图所示双面不等边角钢和节

16、点板间的连接角焊缝。受静力荷载N=575kN。长肢相拼，钢材Q235，手工焊，焊条E43型。N=575 kN2 16010010分析目标：设计焊缝（包括焊脚尺寸、焊缝长度）方法：假定焊脚尺寸-焊缝长度第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十七张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接 步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw） 查表：ffw =160N/mm2步骤2：假定焊脚尺寸（hf）角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的。最大焊脚尺寸：规范规定，当t6mm时，hft-(12)mm，t为较薄焊件的厚度10mmhfmax =89mm取hf=6mm最小焊脚尺寸：规范规定，hf1

17、.5(t)1/2，t为较厚焊件的厚度14mmhfmin = 5.6mm第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十八张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接步骤3：计算角钢肢背和肢尖上侧缝分担的轴力（N1 ,N2）查表得焊缝内力分配系数K1=0.65, K2=0.35肢背角焊缝所承受的内力 N1=0.65575=373.75kN肢尖角焊缝所承受的内 N2=0.35575=201.25kNNk1Nk2Nlw2lw1第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第三十九张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接步骤4：计算角钢肢背和肢尖上侧缝长度（lw1

18、,lw2）利用公式肢背角焊缝侧缝长度lw1=278mm考虑到起灭弧的影响，肢背和肢尖角焊缝实际长度肢尖角焊缝侧缝长度lw2=150mmlw2=lw2+2hf=162mmlw1=lw1+2hf=290mm第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第四十张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接NeNxNyMANxMNyhehet（1）受弯矩M 、剪力V 、轴力N联合作用时角焊缝的计算由轴心拉力Nx产生的应力：由弯矩M产生的最大应力：2.复杂受力时角焊缝连接计算第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第四十一张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接A点产

19、生的剪应力：A点控制应力最大为控制设计点A点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力Nx和弯矩M产生的正应力。直接叠加得：代入角焊缝实用计算公式第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第四十二张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接（2 ）V、M共同作用下焊缝强度计算h1f1f2fxxhh2221h1MeFVM对于1点：式中：Iw全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩； h1两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接弯曲应力沿焊缝截面呈三角形分布剪应力沿腹板焊缝截面均匀分布如图第四十三张，PPT共七

20、十四页，创作于2022年6月第三章 连 接h1f1f2fxxhh2221h1MeFVM对于2点：强度验算公式：h2 腹板焊缝的实际长度；lw2腹板焊缝的计算长度；he2腹板焊缝截面有效高度。第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第四十四张，PPT共七十四页，创作于2022年6月钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure第三章 连 接工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是使焊缝传递应力近似与材料所承受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一对水平力H=M/h。 (h值近似取为翼缘中线的距离

21、) 腹板焊缝的强度计算式：HH翼缘焊缝的强度计算式：V第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接Chapter 4 Connections of steel structures第四十五张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接（3）三面围焊受扭矩、剪力联合作用时角焊缝的计算图3.3.19 承受偏心力的三面围焊 Fe1rxahl2xxyyAA0TVre将F向焊缝群形心简化得: 轴心力 VF扭矩 T=Fe故：该连接的设计控制点为A点和A点计算时按弹性理论假定:被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心

22、的连线，且应力大小与连线长度r成正比。在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第四十六张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接e2x0hl2xxyyAA0TFrxxyyrrxryA0heTTfFAT作用下A点应力:sTIp为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip =Ix+Iy Ix，Iy焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩； rx、ry为焊缝形心到焊缝验算点在x、y方向的距离。第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第四十七张，PPT共七十四页，创作于2022年6月第三章 连 接轴力F产生的应力按均匀分布计算，A点应

23、力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为: f，F，平行于焊缝长度方向的应力为: T强度验算公式：F第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接xxyyrrxryA0heTTfFA第四十八张，PPT共七十四页，创作于2022年6月例3.3 验算图中梁与钢柱间的连接角焊缝的强度。钢材Q235，手工焊，焊条E43型。荷载设计值N=400kN（静力荷载），e=250mm，焊脚尺寸hf=8mm。焊缝采用了周边围焊。NVMa)b)c)例题4.3 (角焊缝受偏心剪力)第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第四十九张，PPT共七十四页，创作于2022年6月分析对于工字梁与钢柱的角焊缝连

24、接，通常只承受弯矩M和剪力V的作用，荷载情况简单，但是焊缝采用了周边围焊，焊缝截面情况比较复杂。目的：验算角焊缝的强度（焊脚尺寸hf已知，焊缝长度lw可以根据构造要求确定）计算时可以采用两种假设：A：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担；B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第五十张，PPT共七十四页，创作于2022年6月计算步骤2：作用在焊缝形心上力的计算V=N=400kN M=Ne=100kNm 步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw）查表4.2（P63） 得 ffw =160N/mm2采用假设A：腹板焊缝承受全部剪力

25、，弯矩由全部焊缝承担步骤3：计算焊缝有效截面对中和轴的惯性矩第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第五十一张，PPT共七十四页，创作于2022年6月翼缘焊缝的最大正应力 sf1=106.9N/mm2bf160=195N/mm2 步骤4：计算控制点应力 控制点有两点： a) 翼缘焊缝的最外纤维处 b) 翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处 b)交点处腹板焊缝由弯矩引起的最大正应力 sf2=88.4N/mm2剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力 tf=105.0N/mm2交点处腹板焊缝的强度为127.6N/mm2160N/mm2 满足强度要求第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第

26、三章 钢结构的连接第五十二张，PPT共七十四页，创作于2022年6月 采用假设B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩HH 步骤3：翼缘焊缝所承受的水平力（翼缘焊缝承担全部弯矩，可以将弯矩转化为一对水平力） H=M/h=263kN (h值近似取为翼缘中线的距离) 翼缘焊缝的强度 sf120.4N/mm2195N/mm2腹板焊缝的强度 tf105.0N/mm2160N/mm2 均满足要求第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第五十三张，PPT共七十四页，创作于2022年6月例4.4 设计牛腿板与钢柱间的连接角焊缝（三面围焊），并验算焊缝强度。板边长度l1=300mm

27、，l2=400mm，偏心力F=196kN，e1=300mm，承受静力荷载，钢材Q235，手工焊，焊条为E43型，钢板厚t=10mm。（见书上例题4.5，P78）ye1TFVAoa)e2l1l2第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接xryrxrb)yoxy0.7hf第五十四张，PPT共七十四页，创作于2022年6月ye1TFVAoa)e2l1l2分析该三面围焊共同承受剪力V和扭距T的作用，将偏心力F移至焊缝计算截面的重心就可以求出相应的V和T。目的：设计牛腿板和钢柱板之间的角焊缝（焊缝长度可以根据构造要求确定）假设焊脚尺寸验算角焊缝的强度第三章 连 接第三章 连 接第三章

28、 连 接第三章 钢结构的连接第五十五张，PPT共七十四页，创作于2022年6月计算步骤2：焊缝计算截面的重心位置 x0=90mm 步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw） 查规范（P382表1.3） 得 ffw =160N/mm2xyx300400步骤3：焊缝截面的惯性矩 Ix=16.4107mm4 Iy5.5107mm4 Ip21.9107mm4第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第五十六张，PPT共七十四页，创作于2022年6月步骤4：作用在焊缝上的力计算 V=F=196kN e=e1+e2=e1+(l1-x0)=510mm T=Fe=109N.mmrTVxyx300

29、400e2e1NA步骤5：控制点A强度计算 sf=96N/mm2 tT=91N/mm2 sF=35N/mm2 （4.3.6）控制点强度为140.8N/mm26mm时，hf t(12)mm。焊脚尺寸取值：图：角焊缝最大hf第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接焊缝长度取值：焊缝长度lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf。其他构造要求第五十九张，PPT共七十四页，创作于2022年6月仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时2.角焊缝计算的基本公式第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 钢结构的连接第六十张，PPT共七十四页，创作于2022年6月1. 受轴心力焊件的拼接板连接仅侧面角焊缝：仅正面角焊缝：