《钢结构制作与安装教案》教案完整

绪论教案

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绪论

1钢结构的类型及组成

结构：由若干个构件通过正确连接组成的能够承受并传递荷载和其它间接作用的房

屋骨架。

钢结构：由钢板和型钢经过加工，制作成各种基本构件，如梁、桁架、柱、板等构

件，然后将这些各种基本构件之间按一定的连接方式（焊缝连接、螺栓连接或钾钉连接,

有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束连接）连接组成的结构。

（1）钢结构的类型

1）大跨度结构

2）重工业厂房：（包钢厂房）

3）高层建筑：深圳地王大厦

4）高耸构筑物：电视塔

5）容器：油罐

6）轻型钢结构：食堂三楼球形网架、轻型门式刚架

7）可拆卸和移动的结构：（塔吊、起重臂杆）

8）钢和碎组成的组合结构

（2）钢结构的组成

1）单层房屋钢结构的组成

平面结构体系：承重结构体系和附加构件；

空间结构体系：平板网架，空间网壳圆屋顶都属于空间结构体系。

2）多层房屋钢结构的组成

框架体系、带支撑的框架体系、筒式结构体系、支撑筒

2钢结构的特点

（1）钢结构的优点

1）建筑钢材强度高、重量轻（轻质高强）

钢材强度较高，弹性模量也高，因而钢结构构件小而轻。对同样跨度、承受同样的

荷载的钢屋架和钢筋砂屋架，钢屋架的重量最多不过钢筋碎屋架的1/3〜1/4,冷弯薄壁

型钢屋架接近l/10o

在同样的受力情况下钢材自重较小，可以作成跨度较大的结构，由于杆件小，也便

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于安装和运输。

2）塑性、韧性好（拉伸试验、冲击荷载试验）。

钢结构的塑性和韧性好，适于承受冲击和动力荷载，有较好的抗震性能。

3）钢材材质均匀，与力学计算假定比较符合，可靠性高。

钢材内部组织均匀，各个方向的物理力学性能基本相同，接近于各向同性体，且

在一定的应力幅度内，应力与应变成线性关系，故和力学计算假定比较符合。

4）钢结构制作简便，施工工期短。

5）钢结构密闭性好。

钢结构组织致密，有不渗透性和耐高压性，水密性、气密性较好，可制成密闭的

板壳结构，常压和高压容器结构和大直径的管道。

补充其他优点：

6）钢结构占有面积小，增加了使用面积。

7）钢结构易于改造，且减少砂石的用量，减轻了对不可再生资源的破坏。

8）管线布置方便。

（2）钢结构的缺点

1）钢结构耐腐蚀性差（在涂油漆以前需彻底除锈）在潮湿和腐蚀介质的环境中易

发生锈蚀，需要定期维护。目前已研制出耐候钢。

2）钢结构耐火性差

150℃以上（设计规定）需加以隔热防护。

200℃以内屈服点、弹性模量下降不多；

200C以上强度急剧下降、发生兰脆、徐变现象；

600℃时进入塑性状态，承载力基本降为零。

3）钢材在低温下可能发生脆性断裂（设计时应特别注意）。

3钢结构的应用和发展

（1）钢结构的应用

1.重工业厂房：（包钢厂房）一一重型车间的承重骨架以及重型设备支架

2.大跨度结构一一用于镀跨度的仓储建筑和公共建筑，其结构体系主要采用框架结

构、拱架结构、悬挂结构、预应力钢结构

3.高耸结构：电视塔、输电塔、无线电桅杆等

4.多层、高层和超高层建筑：用于旅馆、饭店、住宅等多层、高层建筑，帝王大厦（深

圳）

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5.承受振动荷载影响及地震作用的结构

6.板壳结构

7.轻型钢结构

8.其他特种结构

9.可拆卸和移动的结构(塔吊、起重臂杆)

10.与混凝土的组合结构

(2)钢结构的发展

1.从钢结构的材料看：铸铁、锻铁、钢

2、从钢结构的连接方式看：销钉连接、钾钉连接、焊接连接、高强度螺栓连接

3.从结构形式看：桥梁、塔、工业及民用房屋和水工结构、高层钢结构、空间大

跨度钢结构、轻钢结构。

4、从材质方面看：高强度低合金钢、抵抗大气腐蚀的耐候钢、抵抗层状撕裂的Z

向钢、H型钢、剖分T型钢；

(3)钢结构的发展方向

1.发展建筑钢材

研制与应用高效能钢材，一是研制出高强度而性能好的钢材，二是采用各种有效措

施，提高钢材的有效承载力，更好地发挥钢材的使用效果，从而节约钢材，如改进截面

形式。

2.发展钢结构施工工艺

积极开发制造和现场施工中的计算机放样、自动切割、打孔技术。3.钢结构设计理

论的深入研究从合理和经济的角度出发，采用以概率为基础的极限状态的设计方法，而

更为先进的全概率极限状态设计方法是今后的研究方向，此外弹塑性稳定问题和屈曲后

的强度也应深入研究。

4.发展建筑钢结构

要重视新型钢结构的研究和应用，在目前国内发展较快应用较多的是组合梁和钢管

混凝土结构。

4钢结构的研究'设计,制造'安装'使用的相互关系

钢结构的研究、设计、制造、安装及使用是一个有机的体系，各方面之间存在相辅

相成的关系。

1.使用的需求是钢结构发展的内在动力。

钢结构具有工业化程度高、施工速度快等优点，因而更适合于运行节奏快、劳动力

价格不断提高的现代社会。钢结构自重轻，因而特别适合于大跨度建筑或活载占比例较

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小的建筑结构，在这种条件下应用钢结构能充分体现其在经济方面的优越性。钢结构自

重轻，有较好的柔性，因而在软土地基或地震区使用钢结构就显得更为合理。也就是说,

钢结构的发展有其内在的社会和经济原因。从我国建筑业的现状来看，目前正处在钢结

构快速发展的前期，钢结构的使用促进了钢结构的研究、设计、制造和安装技术的发展。

2.钢结构的研究课题源于工程实践，其目的是要在一定概率意义上确保工程的安全

并求得最佳的经济效益。

目前钢结构的研究主要在以下几个方面进行：

(1)新型钢结构建筑体系的研究：如轻钢结构体系的研究、网架结构体系的研究等。

这是一类综合性的研究，涉及主体结构、节点、配套材料及施工工艺。这些研究成果可

直接转换为社会生产力。

(2)结构计算理论的研究：目前对于一般的钢结构计算问题已有成熟的计算方法。

但对于某些特殊结构形态及荷载条件下的结构体系、构件、节点则还要进行深入的分析,

这主要是动力问题、非线性问题、稳定问题和疲劳问题的研究。研究的成果用于指导设

计规范的编制。

目前钢结构理论研究的一个主要特点是往往同时伴随着计算软件的研究和开发。这

使得研究成果可以直接为设计人员使用。

(3)结构构件或节点的试验研究：试验研究的作用一是可以验证理论研究结果的正确

性，二是可以发现并进一步阐明某些复杂结构的特殊受力现象，从而为理论研究和规范

编制提供依据。这对于形态和受力较为复杂的节点研究特别有效，是理论研究不能替代

的。

(4)制造工艺和安装方法的研究：钢结构的建造离不开良好的制造和安装技术。随

着钢结构使用条件的变化，新的设计、材料、构造形式层出不穷。为此要进行大量理论

和实践的研究工作，从研制新的设备、制定制造和安装工艺标准、直到培训施工技术人

员。

3.钢结构的设计包括选择结构类型和材料：计算结构的强度、刚度和稳定；确定合

理的构造形式和具体参数。

钢结构的设计依据大量的理论研究和试验研究工作；钢结构的设计还必须密切配合

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制造和安装工艺。

按国际惯例，钢结构的设计具体可分为技术设计和施工大样图设计两个阶段。技术

设计要确定结构的形式和材料、结构各部分截面参数及连接方式。技术设计由专门的设

计单位完成。施工大样图设计是在技术设计的指导下，根据加工及安装要求将钢结构分

解成单个构件，分别画出其大样图，并注明其加工步骤和工艺要求。这一工作一般由钢

结构制造厂的技术人员完成。

4.钢结构的制造必须遵循设计和相应的规范及技术标准。

钢结构制造的前期准备包括材料准备和技术准备。制造的工序有校正、放样、下料、

切割、钻孔、组装、焊接、整形、表面处理、包装等。每一道工序均有一定的检测方法,

并要求达到规定的标准，从而确保钢结构组装的最终质量。

钢结构的制造除了满足设计要求外，还须满足运输和安装条件。要根据运输条件和

安装起吊能力来限定构件的大小和重量；要根据安装方法及防腐蚀处理方法确定节点连

接的方式，构造要求及实施步骤。

5.钢结构的安装包括安装方案的确定、安装实施过程及安装质量的检验。

安装方案的确立既要考虑结构特征和现有的设备状况，也要考虑安全性。凡是利用

结构本身作为安装支托的一定要经设计审核，并要考虑设备安装、使用和拆卸全过程。

在选择方案时，经济性和设备的先进性应该兼顾，要从安装工作的实际效率和安全性出

发作出适当的选择。

钢结构的安装应该严格按规范和有关标准进行，逐个构件逐段地控制质量，一丝不

苟地做好安全保障和设备保障。

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《钢结构制作与安装》教案

单元一建筑钢结构用钢材

模块一钢结构材料及基本技术理论

单元一建筑钢结构用钢材

1建筑钢材的主要力学性能

力学性能又称机械性能，是衡量钢材质量的重要指标。

冶炼、轧制缺陷最终体现在一力学性能上。

Wriv

图2.1碳素结构钢的。-e曲线图2.2高强度钢的。-e曲线

1.强度强度和塑性一般由常温静载下单向拉伸试验曲线表明。

强度体现材料的承载能力，主要指标有屈服点力和抗拉强度加，通过

静力拉伸试验得到。

（1）屈服点力

钢结构设计中，常把钢材应力达到屈服点为作为评价钢结构承载能力极限状态的标志。

（2）抗拉强度加

fu~是钢材承受静载的极限能力，表示钢材达到屈服点后还有多少安全贮备，是抵

抗塑性破坏的重要指标。

2.塑性钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而

不立即断裂的性质。主要指标有伸长率3和断面收缩率g通过静力拉伸试验得到。

（1）伸长率S反映钢材断裂前经受变形的能力。S越大，钢材破坏吸收的应变能愈

多，塑性越好。

cLi-Lo

8=X100%

L0/do=5,以65表示；L0/do=10,以610表示。

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（2）截面收缩率”指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百

分率。

力上裂X100%

Ao

标志着钢材颈缩区在三向拉应力状态下的最大塑性变形能力。山越大，塑性越好。

3.韧性

韧性是衡量钢材在动力荷载作用下，抵抗脆性破坏的能力。衡量指标冲击韧性值，用

冲击试验测定。

冲击试验：用带夏比V形缺口的标准试件，在试验机上通过动摆施加冲击荷载，使之

断裂。由此测出试件受冲击荷载发生断裂所吸收的冲击功，即为材料的冲击韧性值。单位

“J”。

范围：只有经常承受较大动力荷载的结构、特别是焊接结构低温工作；

4.冷弯性能

冷弯性能是指钢材冷加工（常温）产生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力。冷弯性

能是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。用冷弯试验来检验。

冷弯试验的目的：

（1）检验钢材能否适应构件加工制作过程的冷加工工艺；

（2）暴露出钢材的内部缺陷（是否有颗粒组织结晶状况、夹杂物分布和夹层、内部

微观裂纹气泡和夹层）

要求：以试件在冷弯180°后其外侧不出现裂纹和分层为合格。

5.良好的工艺性能（冷加工、热加工、可焊性）

《钢结构设计规范》规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点、碳、

硫磷含量的合格保证；焊接结构的钢材应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载

的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构的钢材应具有常温或负温冲击韧性的合格保证；

2各种因素对钢材主要性能的影响

1、化学成份

碳素结构钢基本元素是Fe（99%）

其它元素约占1%—但对钢材的性能有决定性影响（强度、塑性、韧性、可焊性）

1.碳（c）：含量增加时钢材强度增加，塑性降低，冷弯性能、冲击韧性，尤其是低

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温下的冲击韧性也会降低，还会使钢材的可焊性和防锈性能降低。

2.硅（si）：强脱氧剂，可以提高钢材强度，对塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性

没有明显影响。

3.镒（Mn）：弱脱氧剂，可以提高钢材强度，对塑性、冷弯性能、冲击韧性不会过多

降低。还可改善冷脆的倾向。

4.硫（S）磷（P）：有害杂质，S一热脆，P-冷脆。

5.氧、氮（0、N）：有害杂质，0-热脆，N-冷脆。

2、轧制与冶金缺陷

常见现象：偏析、非金属杂质、裂纹、分层

3、钢材的硬化

（1）冷作硬化（应变硬化）

冷拉、冷弯、冲孔机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高钢材的屈服

点，降低钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化。

（2）时效硬化

在高温中熔化于铁中的少数氮和碳（N、C）随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成

自由碳化物和氮化物，对纯铁的塑性变形起抑制作用。强度提高，塑性、韧性下降、（亦

称老化）

分为：人工时效、自然时效

注意：在一般钢结构中，不利用硬化后所提高的强度；有些重要的钢结构要求对人工

时效后的钢材检验其冲击韧性，以保证结构具有抗脆性破坏的能力。

4、温度的影响

钢材随温度变动而有所变化，总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反

之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性都会降低而变脆。

5、应力集中

钢结构的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中的应力在截面均匀分布的

情况作为基础的。

实际上钢结构的构件有着存在着孔洞、槽口、凹角、截面突变、内部缺陷一应力分布

不再均匀一应力集中

原因：构造情况（静载一不考虑应力集中）

6.反复荷载作用的影响

1.钢材的疲劳断裂的概念

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钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。

钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应）和应力循环次数。

2、破坏机理

过程：

（1）截面几何形状突然改变处的应力集中，对疲劳很为不利，在高峰应力形成双向

或三向同号拉应力场，在反复应力作用下，首先在应力高峰处出现微观裂纹一宏观裂缝。

（2）在反复荷载的继续作用下，裂缝不断开展、AeI、应力集中现象tt一裂缝增

加。

（3）在双向或三向同号拉应力场，材料的塑性变形受到限制，因此，当反复荷载达

到一定的循环次数时，裂缝的开展使截面削弱过多经不住外力的作用，就会发生脆性断裂,

产生钢材疲劳破坏。

（4）存在残余应力，在交变荷载作用下，加剧疲劳破坏。

注：钢结构的疲劳破坏：属高周低应变疲劳。即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。

分为：人工时效、自然时效

注意：在一般钢结构中，不利用硬化后所提高的强度；有些重要的钢结构要求对人工

时效后的钢材检验其冲击韧性，以保证结构具有抗脆性破坏的能力。

4、温度的影响

钢材随温度变动而有所变化，总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反

之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性都会降低而变脆。

5、应力集中

钢结构的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中的应力在截面均匀分布的

情况作为基础的。

实际上钢结构的构件有着存在着孔洞、槽口、凹角、截面突变、内部缺陷一应力分布

不再均匀一应力集中

原因：构造情况（静载一不考虑应力集中）

6.反复荷载作用的影响

1.钢材的疲劳断裂的概念

钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。

钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应）和应力循环次数。

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2、破坏机理

过程：

（1）截面几何形状突然改变处的应力集中，对疲劳很为不利，在高峰应力形成双向

或三向同号拉应力场，在反复应力作用下，首先在应力高峰处出现微观裂纹一宏观裂缝。

（2）在反复荷载的继续作用下，裂缝不断开展、AeI、应力集中现象tt一裂缝增

加。

（3）在双向或三向同号拉应力场，材料的塑性变形受到限制，因此，当反复荷载达

到一定的循环次数时，裂缝的开展使截面削弱过多经不住外力的作用，就会发生脆性断裂,

产生钢材疲劳破坏。

（4）存在残余应力，在交变荷载作用下，加剧疲劳破坏。

注：钢结构的疲劳破坏：属高周低应变疲劳。即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。

设计规定：当循环次数N25X104,应进行疲劳计算。

为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计，制造及使用中注意下列各点：

（1）合理的设计构造应力求合理，使能均匀、连续地传递应力，避免构件截面

剧烈变化。对于焊接结构，可参考焊接连接的内容。低温下工作受动力作用的钢结构应选

择合适的钢材，使所用钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度，例如分别选用Q235-C

（或D）、Q345-C（或D）钢等，并尽量使用较薄的材料。

（2）正确的制造应严格遵守设计对制造所提出的技术要求，例如尽量避免使材

料出现应变硬化，因剪切、冲孔而造成的局部硬化区，要通过扩钻或刨边来除掉；要正确

地选择焊接工艺，保证焊接质量，不在构件上任意起弧、打火和锤击，必要时可用热处理

的方法消除重要构件中的焊接残余应力；重要部位的焊接，要由经过考试挑选的有经验的

焊工操作。

（3）正确的使用例如：不在主要结构上任意焊接附加的零件，不任意悬挂重物,

不任意超负荷使用结构；要注意检查维护，及时油漆防锈，避免任何撞击和机械损伤；原

设计在温室工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖等。

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3建筑用钢材的种类'规格及选择

1.钢材的种类

按用途分：结构钢、工具钢、特殊钢；

结构钢分为：建筑用钢和机械用钢；

按治炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉钢）、平炉钢；

按脱氧方法分：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）；

按成形方法分：轧制钢（冷轧、热轧）锻钢、铸钢；

按化学成分分：碳素钢、合金钢；

建筑上采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。

碳素结构钢

钢的牌号由代表屈服点的字母Q,屈服点数值，质量等级符号（A、B、C、D）,脱氧方

法符号等四个部分按顺序组成。

其中A级只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时可附加冷弯；B、C、D均保证抗

拉强度、屈服点、伸长率、冷弯、冲击韧性（-20℃、0℃、20℃）o

例：Q235-B•F

Q235-C

一般将碳素结构钢按屈服点，数值分为五个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275（根

据钢材厚度直径W16mm）（1#、2#、3#V、4#、5#、）

低合金高强度结构钢

在碳素钢中加入合金元素可较好的改善钢材机械性能，加入合金元素的碳素钢称为合

金钢。（合金元素含量W5%称为低合金钢）

牌号

新标准不用钢的品种表示钢的牌号，采用与碳素结构钢相同的钢的牌号表示法，仍然

依据钢材厚度dWl6mm时的屈服点大小。

牌号：Q345、Q390、Q420、Q460

质量等级：A、B、C、D、E

注：E（主要要求-40℃的冲击韧性）

低合金高强度结构钢一般为镇静钢。

优质碳素结构钢

2钢材的品种和规格

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钢结构采用的型材有热轧成型的钢板、型钢。

1、钢板

1.钢板类型：厚钢板（4.5~60nlm）、薄钢板（0.35~4nlm）、扁钢；

2.钢板的表示方法：在符号“一”后加“宽度X厚度X长度”

如：-600X10X1200（mm）

3,钢板的规格：

厚钢板：厚度为4.5〜60mm,宽度为600〜3000mm,长4〜12m。

薄钢板：厚度为0.35〜4mm,宽度为500~1500mm,长0.5〜4m。

扁钢：厚度为4〜60nlm,宽度为12〜200mm,长3〜9m。

2、型钢

1）角钢

等边角钢“L”后加“肢宽X肢厚”L100X10

不等边角钢“L”后加“长肢X短肢X肢厚”L100X80X8

2）工字钢包括普通工字钢、轻型工字钢

工字钢：用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数，20号以上的工字钢，同一号数

有三种不同的腹板厚度分别为a、b、c三类。长度为5〜19m。

3）热轧H型钢

热轧H型钢：HW（宽）、HM（中）、HN（窄）一T

表示方法：高度HX宽度BX腹板厚度tiX翼缘厚度tz；

例：HM340X250X9X14

4）热轧剖分T型钢

TW（宽）、TM（中）、TN（窄）一

表示方法：高度HX宽度BX腹板厚度翼缘厚度t?；

TM170X250X9X14

5）槽钢普通槽钢、轻型槽钢30a

a、b、c表示腹板厚，从［14a、（b）以14cm起有不同腹板厚，用其截面高度的cm数

表示，长度为5〜19m。

6）钢管：无缝钢管、焊接钢管

7）冷弯薄壁型钢

薄壁型钢是用薄钢板（一般采用Q235、Q345钢）经模压或弯曲而制成，其壁厚1.5〜

12mm。

3、压型钢板

压型钢板采用热镀锌钢板或彩色镀锌钢板，经辐压冷弯成各种波型、具有轻质，高强

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美观、耐用、施工方便、抗震、防火等特点。

保温要求：采用双层钢板中间夹保温层（超细玻璃纤维棉或岩棉）；

尺寸：宽以50nlm为模数，长500nlm为模数，厚4nim,长4m。

太空板

太空板采用高强水泥发泡工艺制备的人工轻石为芯材，以玻璃纤维网（或纤维束）增

强的上下水泥面层及钢边肋（或碎边肋）复合而成的新型轻质屋面板材。具有刚度好，强

度高，延性好等特点，有良好的结构性能和工程应用前途。

常用尺寸：3X3m\1.5X6m\3X3m2

4、厚度方向性能钢板

高层及超高层钢结构柱，常由厚钢板组成。

厚钢板的层状撕裂发生阶段：焊接过程中受力过程中

层状撕裂的机理：残留在钢材中的非金属薄片，也就是一种微裂纹，在沿板厚方向拉

力作用下，这些微裂纹将扩展，并逐渐连通，最后形成贯通的阶梯状裂缝而突然断裂。

层状撕裂一般发生在板厚方向有较大拉应力时。

焊接节点的焊缝冷却时，会产生收缩变形。若钢板很厚或有加劲肋甚至相邻板件的约

束，钢板不能自由变形，会在垂直于板面方向产生很大的局部应力。这种局部应力可能数

倍于材料的屈服极限，致使钢板产生焊后层状撕裂。

引起层状撕裂的因素：钢材的化学成分;钢板和型钢的辐轧工艺;焊接工艺；节点的构

造型式。

《厚度方向性能钢板》GB5313钢板厚度方向性能级别：Z15、Z20、Z25

3钢材的选用

1、选用原则：保证结构安全可靠，经济合理，节约钢材

2、考虑因素：选择钢材应考虑的因素有：

1）结构的重要性：

2）荷载情况

3）连接方法

4）工作条件（结构所处的温度和环境）

5）钢材的厚度

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《施秸构喇作与安装》教案

单元2钢结构的连接

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单元二钢结构的连接

课题1钢结构连接的种类'特点

钢结构的连接方法可分为三种：钏钉连接和螺栓连接、焊缝连接。

（a）焊缝连接（b）钾钉连接（c）螺栓连接

钢结构的连接必须遵循安全可靠、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手段的足够空间。

焊缝连接

焊缝连接是钢结构最主要的连接方法。

1、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。

2、缺点：

1）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；

2）焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；

3）焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体。

二.钾钉连接

1、优点：连接处塑性、韧性好，传力可靠，质量易于检查，在一些重型、直接承受

动力荷载的结构中，有时仍然采用。

2、缺点：构造复杂、费钢费工、现已很少采用。

三.螺栓连接

1、优点：施工工艺简单、安装方便，特别是用于工地安装连接，工程进度和质量

易保证，装拆方便，适用于需装拆结构连接和临时连接。

2、缺点：需制孔，拼装和安装需对孔，增加了工作量，且对制造的精度要求高；

螺栓开孔对截面有削弱，有时需增设辅助连接件，用料增加，构造复杂。

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课题2焊缝方法'焊缝形式及标注

一、焊接方法

常用焊接方法是电弧焊，包括手工电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊。

L手工焊

(1)原理

(2)常用的焊条：E43、E50、E55o

E一表示电焊条

XX一表示焊缝金属抗拉强度的最小值(430N/mm2)

选用焊条时，应与主题金属匹配。一般情况下，Q235采用E43,Q345采用E50,Q390、

Q420采用E55。

不同强度的两种钢材相焊，宜采用低组配方案，即宜采用与低强度钢材相适应的焊

条。如：Q235、Q345两种钢材相焊，宜采用Q235。

2.埋弧焊：自动焊和半自动焊

3.气体保护焊

气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方

法。它直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层，以防止有害气体的侵入并保证

了焊接过程的稳定性。

二、焊缝连接形式

按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角部连接四种。

采用的焊缝有对接焊缝、角焊缝两种基本形式。

对接连接：主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相互连接。

特点：(a)由于相互连接的两构件在同一平面内，因而传力均匀平缓，没有明显的

应力集中，且用料经济，但是焊件边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格

的要求。

(b)用双层盖板和角焊缝的对接连接，这种连接传力不均匀、费料、但施工简便,

所连接两板的间隙大小无需严格控制。

(c)用角焊缝的搭接连接，特别适用于不同厚度构件的连接。传力不均匀，材料

较费，但构造简单，施工方便。

(d)(e)为T形连接省工省料，常用于制作组合截面。当采用角焊缝连接时，焊件间

存在缝隙，截面突变，应力集中现象严重，疲劳强度较低，可用于不直接承受力荷载结

构的连接中。对于直接承受动力荷载的结构，如重级工作制吊车梁，其上翼缘与腹板的

连接，应采用K形坡口焊缝进行连接。

⑴角部连接主要用于制作箱形截面。

25

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0)g

TTnr

S(0(f)(f)

(a)对接连接(b)拼接盖板的对接连接(c)搭接连接(d)(e)T形连接(f)(g)角部连接

三、焊缝符号及标注方法

焊缝代号由引出线，图形符号，辅助符号三部分组成。

课题3对接焊缝连接

对接焊缝中常采用坡口型式焊缝，即将焊件边缘加工成坡口。

对接焊缝按是否焊透分为：焊透的和部分焊透的。

焊透的对接焊缝：强度高，受力性能好，一般采用焊透的对接焊缝。

部分焊透的对接焊缝：应力集中和残余应力现象较严重，故直接承受动力荷载的结

构不宜采用，只有较厚而内力较小或甚至不受力时采用，以省工省料和减少焊接变形。

我们所讲的仅为焊透的对接焊缝。

1对接焊缝的形式和构造

1.对接焊缝的坡口型式：对接焊缝的坡口型式取决于焊件厚度t。

匚口匚二口—

a)直边缝b)单边Z形坡口c)，形坡口

直边缝(I形焊缝)：当焊件厚度tW10mm时采用；

斜坡口的单边V形或V形焊缝：当焊件厚度t=10〜20nlm时采用；

02匚unu

26

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（d）〃形坡口（e）/形坡口（f）了形坡口

U形，K形和X形坡口：当焊件厚度t>20mm时采用。

对于U形缝和V形缝需对焊缝根部进行补焊，而且埋弧焊的熔深较大，同样坡口

形式的适用板厚t可适当加大，对接间隙C可稍小些，钝边高度P可稍大。

钝边：沿板件厚度方向高度为P，间隙为b的一段不开坡口称为钝边。焊接从钝边

处（根部）开始。

2.引弧板的设置

设置引弧板的原因：在焊缝的起灭弧（施焊的起点和终点）处，常会出现弧坑等缺

陷，该处极易产生应力集中和裂纹。对承受动力荷载尤为不利，故焊接时一般应设置引

弧板，焊后将它割除。

对受静力荷载的结构设置引弧板有困难时，允许不设置引弧板，则每条焊缝的引弧

及灭弧端各减去t后作为焊缝的计算长度。

图用引弧板焊接

3.变截面钢板拼接

当对焊缝拼接处的焊件宽度不同或厚度相差4mm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的斜坡，以使截面过渡缓和，减小应力集中。

如果两钢板厚度相差小于4mm时，也可不做斜坡，直接用焊缝表面斜坡来找坡，焊

缝的计算厚度等于较薄板的厚度。

（a）改变宽度（b）、（c）改变厚度

2对接焊缝的计算

对接焊缝分焊透和部分焊透两种。以下介绍焊透的对接焊缝的计算

对接焊缝是焊件截面的组成部分，计算方法与构件的强度计算一样。

1、轴心力作用的对接焊缝

27

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N

a"或A"

Tw1

式中N——轴心拉力或压力设计值；

Zw—焊缝的计算长度。当未采用引弧板时，取实际长度减去2t；

t——对接接头中为连接件的较小厚度；T形接头中为腹板厚度；

*、f：——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。

2、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝

对接接头受到弯矩和剪力的共同作用，正应力与剪应力的最大值应分别满足下列强

度条件：

式中WL焊缝的截面模量；

Sw—焊缝的截面面积矩；

7w—焊缝的截面惯性矩。

工字形或H形截面梁的接头，采用对接焊缝，除应分别验算最大正应力和剪应力

外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力处，例如腹板与翼缘的交接点，还应按下式

验算折算应力：

旧+3蜡W1”

式中6、7—验算点处焊缝的正应力和剪应力；

1.1——考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高的系

数

课题4角焊缝连接

28

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1、角焊缝的形式

1、按其与作用力的关系可分为：

正面角焊缝（焊缝长度方向与作用力垂直）、侧面角

焊缝（焊缝长度方向与作用力平行）以及斜焊缝。

2、角焊缝按沿其长度方向的布置分为：连续角焊缝、

间断角焊缝。

连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。

间断角焊缝：起、灭弧处容易引起应力集中，重要结构应避免采用，只能用于一些次

要构件的连接或受力很小的连接中。

间断角焊缝的间断距离，不宜过长，以免连接不紧密，潮气侵入引起构件锈蚀。一般

在受压构件中应满足，W15/；在受拉构件中，W30f,/为较薄焊件的厚度。

3、按施焊时焊缝在焊件之间的相对空间位置分为：平焊、横焊、立焊、仰焊。

平焊（又称俯焊）施焊方便，质量最好。

立焊和横焊的质量及生产效率比平焊差一些。

仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此尽量避免采用仰焊。

4、按两焊边的夹角可分为：直角角焊缝和斜角角焊缝。

直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面。在直接承受动力荷截的结构中，正

面角焊缝的截面常采用平坦型，侧面角焊缝的截面则作成凹面型。

两焊脚边的夹角a>90°或a<90°的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角焊缝常用于钢漏

斗和钢管结构中，对于夹角a>120。或a<60°的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作

受力焊缝。

5、角焊缝按其截面形式分为：普通型、平坦型、凹面型。

29

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2、角焊缝的构造要求

1）最小焊脚尺寸%叫:

规定原因：如果板件厚度较大而焊缝焊脚尺寸过小，则施焊时焊缝冷却速度过快，可

能产生淬硬组织，易使焊缝附近主体金属产生裂纹。

%min21-5J/max

tmax为较厚焊件的厚度

注：

1）自动焊的热量集中，因而熔深较大，故最小焊脚尺寸11fmi0可较上式减小1廊。

2）T形连接单面角焊缝可靠性较差，应增加1mm。

3）当焊件厚度等于或小于4mm时，hfMn应与焊件同厚。

2）最大焊脚尺寸%皿

规定原因：角焊缝的hf过大，焊接时热量输入过大，焊缝收缩时将产生较大的焊接残

余应力和残余变形，且热影响区扩大易产生脆裂，较薄焊件易烧穿。板件边缘的角焊缝与

板件边缘等厚时，施焊时易产生咬边现象。

hfmaxWl.2tmin（mm）

tmin为较薄焊件厚度。

对板件边缘（厚度为ti）的角焊缝尚应符合下列要求：

当ti>6mni时，hfmax=ti~（1〜2）mm；

当tiW6mm时，hfmax~ti□

3）焊缝最小计算长度

规定原因：角焊缝的焊缝长度过短，焊件局部受热严重，且施焊时起落弧坑相距过近,

再加上一些可能产生的缺陷使焊缝不够可靠。

规定：角焊缝的最小计算长度iw》8hf,且>40mm。

30

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4）侧面角焊缝的最大计算长度

规定原因：侧缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀，两端大而中间小，且随焊缝长度

与其焊脚尺寸之比值的增大而更为严重。当焊缝过长时，其两端应力可能达到极限，而中

间焊缝却未充分发挥承载力。对承受直接动力荷载的结构更为不利。

规定：侧面角焊缝的计算长度应满足：

承受静力荷载或间接承受动力荷载iwW60h「

直接承受动力荷载iw<40hfo

当侧缝的实际长度超过上述规定数值时，超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧缝

全长分布时则不受此限，例如工字形截面柱或梁的翼缘与腹板的角焊缝连接等。

5）搭接长度要求

在搭接连接中，为减小因焊缝收缩产生过大的焊接残余应力及因偏心产生的附加弯

矩，要求搭接长度i三5ti,且三25nlm

图搭接长度要求

6）板件的端部仅用两侧缝连接时，为避免应力传递过于弯折而致使板件应力过分不

均匀，应使iw^b；同时为避免因焊缝收缩引起板件变形拱曲过大，尚应使bWl6t（当t

>12mm时）或190mm（当tWl2mm时）。若不满足此规定则应加焊端缝。

7）绕角焊当角焊缝的端部在构件的转角处时，为避免起落弧缺陷发生在此应力集

中较严重的转角处，宜作长度为2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊，以改善连接的受

力性能。

3角焊缝的计算

1、直角角焊缝强度计算的基本公式

式中口一垂直于焊缝长度方向的应力;

31

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Tf—平行于焊缝长度方向的应力；

一正面角焊缝的强度增大系数，小产1.22；直接承受动力荷载结构中的角焊缝，

出=1.0;

—角焊缝的强度设计值。

上式为角焊缝的基本计算公式。只要将焊缝应力分解为垂直于焊缝长度方向的应力

5和平行于焊缝长度方向的应力盯，上述基本公式可适用于任何受力状态。

对正面角焊缝，〜=0,得

N

tietw

对侧面角焊缝，G=0,得

口=匕工于:

fie

式中he—直角角焊缝的有效厚度，瓦=0.7协；

lw—焊缝的计算长度，考虑起灭弧缺陷，按各条焊缝的实际长度每端减去加计算。

2、承受轴心力作用的角焊缝连接计算

1、采用盖板连接

当轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。

当只有侧面角焊缝时=—<r

Tfff

helw

当只有正面角焊缝时af=—</3r

fff

helw

当采用三面围焊时，先计算正面角焊缝所承担的内力Ni=/3ff；£heJ

式中z/一连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。

再计算侧面角焊缝的强度T=<于;

f工叭

式中z。一连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。

2、承受斜向轴心力

32

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将N力分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力Nx=NsinNcosO

NsinO

Ncos。

验算角焊缝的强度

3、承受轴心力的角钢角焊缝计算

钢桁架中角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊或三面围焊，特殊情况也可

采用L形围焊。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。

图角钢与节点板的连接

对于三面围焊，可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸勺3,求出正面角焊缝所分担的轴心

力N3。当腹杆为双角钢组成的T形截面，且肢宽为b时，

(6)

由平衡条件（2/=°）可得：

"=(7)

b22

式中M、N]—角钢肢背和肢尖的侧面角焊缝所承受的轴力；

e—角钢的形心距；

kx、k2——角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，可查表得到。

对于两面侧焊，因2=0,则：

N、=k[N

33

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N2=k2N

求得各条焊缝所受的内力后，按构造要求假定肢背和肢尖焊缝的焊脚尺寸，即可求出

焊缝的计算长度。对双角钢截面

/=^—

M2x0.7""；

/-M

w22X0.7/?/2/；

式中忆、晨—一个角钢肢背上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度；

hf2、心一一个角钢肢尖上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度。

实际焊缝长度为计算长度加2号。对于三面围焊，焊缝实际长度为计算长度加与；对

于采用绕角焊的侧面角焊缝实际长度等于计算长度（绕角焊缝长度2%不进入计算）。

当杆件受力很小时，可采用L形围焊。由于只有正面角焊缝和角钢肢背上的侧面角焊

缝，令N[=0,得：

N3=2k2N

N1二N-N3

角钢端部的正面角焊缝的长度已知，可按下式计算其焊脚尺寸：

72X0.7&%77

式中，l“，3=b-hfo

课题5螺栓连接

1螺栓连接的特点和类型

螺栓连接分为：普通螺栓连接、高强度螺栓连接：

普通螺栓连接：通常采用Q235钢制成，安装时用普通扳手拧紧

高强度螺栓连接：用高强度钢材经热处理制成，用能控制螺栓杆的力矩或拉力的特制

扳手，拧紧到预定的预拉力，把被连接件高度夹紧。

34

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1、普通螺栓连接

普通螺栓连接分A、B、C三级。

C级螺栓（粗制螺栓）：由未经加工的圆钢压制而成。由于螺栓表面粗糙，一般采用在

单个零件上一次冲成或不用钻模钻成的孔（II类孔）。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大

1.5~3mmo,对于采用C级螺栓的连接，由于螺栓杆与螺栓孔之间有较大的间隙，受剪力

作用时，将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。但安装方便，且能有效的传递拉力，

故一般可用于沿螺栓杆轴心受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固

定。

C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8。小数点前的数字表示螺栓成品的抗拉强度不小

于400N/mn?,小数点及小数点后数字表示其屈强比（屈服点与抗拉强度之比）为0.6

和0.8o

A级和B级螺栓（精制螺栓）：A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精

制而成。表面光滑，尺寸准确，螺栓直径与螺栓孔径相同，对成孔质量要求高。由于有较

高的精度，因而受剪性能好。但制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采

用。

A级和B级螺栓材料性能等级则为8.8级，其抗拉强度不小于800N/mm2,屈强比为

0.8o

2、高强度螺栓连接（high-strengthboltedconnections）

高强度螺栓连接分为：摩擦型连接、承压型连接。

（1）高强度螺栓摩擦型连接：高强螺栓的预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接

触面间产生很大的磨擦力，外力通过摩擦力来传递。这种连接称为高强度螺栓摩擦型连接。

摩擦型连接只依靠摩擦阻力传力，并以剪力不超过接触面摩擦力作为设计准则。

优点：剪切变形小，弹性性能好，施工方便，对构件的削弱较小，可拆换，能承受

动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好，包含了普通螺栓和钾钉连接的各自优点，特别适用于

承受动力荷载的结构。目前已成为代替钾接的优良连接形式。

（2）高强度螺栓承压型连接：高强度螺钉也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移,

依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连接称为高强度螺栓承压型连接。

承压型连接允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限承载力作为设计准则。其承载

力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结构中。

2螺栓连接及计算

1、螺栓的规格

35

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普通螺栓形式为六角头型，其代号用字母M和公称直径的毫米数表示。

为制造方便，一般情况下，同一结构中宜尽可能采用一种栓径和孔径的螺栓，需要

时也可采用2至3种螺栓直径。

螺栓直径d应根据整个结构及其主要连接的尺寸和受力情况选定，受力螺栓一般采

用M16以上，建筑工程中常用M16、M20、M24等。

表螺栓孔及孔眼示例

名称永久螺栓高强度螺栓安装螺栓圆形螺栓孔长圆形螺栓孔

图例e*

2、螺栓的排列

（1）螺栓的排列形式：并列和错列。

并列较简单，但栓孔对截面削弱较多；

错列较紧凑，可减少截面削弱，但排列较繁杂。

（2）螺栓的排列要求：

螺栓间距及螺栓到构件边缘的距离不应太小。

原因：螺栓之间的钢板以及边缘处螺栓孔前的钢板可能沿作用力方向被剪断；同时,

螺栓间距及边距太小，也不利于手操作。

螺栓的间距及边距也不应太大。

原因：连接钢板不易夹紧，潮气容易侵入缝隙引起钢板锈蚀。

对于受压构件，螺栓间距过大还容易引起钢板鼓曲。

对于角钢、工字钢和槽钢上的螺栓排列，除应满足规范要求外，还应注意不要在靠

近截面倒角和圆角处打孔。

3）螺栓连接的构造要求

（1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不

宜少于两个。但根据实践经验，对于组合构件的缀条，其端部连接可采用一个螺栓。

（2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效

措施。例如采用弹簧垫圈，或将螺帽和螺杆焊死等方法。

（3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉连接。承受静

力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C

级螺栓受剪。

3普通螺栓的计算