结构设计原理课件 模块15 钢结构的连接

模块15钢结构的连接学习目标理解工程上钢结构的对接焊缝和角焊缝的构造规定要求,能进行对接接头焊缝连接承载力复核。理解普通螺栓在被连接钢件上的排列布置形式和构造要求,能进行普通螺栓受剪连接接头的承载力复核。理解高强度螺栓连接的构造要求、高强度螺栓预拉力规定和控制方法,能进行高强度螺栓摩擦型抗剪连接的承载力复核。任务目录15.1焊缝连接15.2普通螺栓连接15.3高强度螺栓连接模块15钢结构的连接桥梁钢结构的基本构件是由钢厂生产的钢板、型钢等产品通过一定的连接方式组合成的,图15-1是由三块钢板按设计要求组合成H形或工字形截面的受弯构件或H形截面的受压(受拉)构件,只有通过可靠的连接方式才能使三块钢板构成整体工作的构件。模块15钢结构的连接制成的钢构件也需要通过一定的连接方式按照设计要求来组装成整体受力结构,钢桁架的H形截面下弦杆与斜杆、竖杆要通过节点板形成受力结构部分,故钢构件与节点板也必须要有牢固可靠的连接方式,如图15-2所示。模块15钢结构的连接钢结构连接是指将钢结构构件、部件或板件相互连接成整体的方式。钢结构的连接方式可分为：焊缝连接螺栓连接铆钉连接螺栓连接分为：普通螺栓连接高强度螺栓连接15.1焊缝连接15.1.1钢结构常用焊接方法15.1.2对接焊缝的构造与计算15.1.3角焊缝的构造与计算15.1.4焊缝符号表示方法15.1焊缝连接焊缝连接是通过电弧或气体火焰等加热并有时加压的方式,用填充或不用填充金属材料使被连接钢件达到原子或分子结合状态的连接方式。焊缝连接的优点在于：不需要在钢件上开孔,截面不会受到削弱;施工方便,易于实现自动化操作。焊缝连接的缺点主要是:在焊缝附近的热影响区内,钢材的金相组织发生改变,导致钢材局部变脆;焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却,会产生焊接残余应力和残余变形,这会对结构的承载力可能造成不利影响;焊接结构对钢裂纹很敏感,低温冷脆问题较突出。15.1.1

钢结构常用焊接方法焊缝连接是通过电弧或气体火焰等加热并有时加压，用填充或不用填充金属材料使被连接钢件达到原子或分子结合状态的连接方式。在钢结构中通常采用电弧焊。电弧焊是通过电弧加热并用金属焊条或焊丝作为填充材料使被连接钢件之间结合为焊缝的焊接方法。电弧焊又分为手工电弧焊、埋弧焊（埋弧自动焊或半自动焊）以及气体保护焊。15.1.1

钢结构常用焊接方法

电弧焊采用的焊条或焊丝，应与被焊钢件的钢材强度相适应，且焊缝的塑性及冲击韧性较高、抗裂性较好型号。焊条型号表示中的符号E表示焊条；型号表示中的前两位数字表示熔敷金属的抗拉强度最小值（×10N/mm2）；第三位数字表示焊条的适用焊接位置；第四位数字组合表示药皮类型和适用的焊接电源要求(如交流电或直流电等。

不同强度的钢件相焊接时，宜采用低组配方案，即采用与低抗拉强度值的钢件相适用的焊条。被焊钢件钢材种类可采用的焊条型号Q235E43型焊条(E4300~E4316)Q345(16Mn,16Mnq)E50型焊条(E5000~E5018)Q390(15MnV,15MnVq)E55型焊条(E5500~E5518)Q420(15MnVN,15MnVNq）E55型焊条(E5500~E5518)15.1.2

对接焊缝的构造与计算对接焊缝是可用于被焊钢件的对接连接、T形连接和角部连接的焊缝(图15-5)。注意“对接连接”“T形连接”“角部连接”是按被连接钢件的相互位置划分的连接接头形式件连接。对接焊缝的构造115.1.2

对接焊缝的构造与计算垂直于构件（或被焊钢件）受力方向的对接焊缝必须全熔焊透。为了保证被焊钢件在全厚度内焊透，被焊钢件常需要焊接前在焊缝连接部位做出坡口。(1)焊透的对接焊缝被焊钢件应保证间隙c的要求并且根据被焊钢件厚度和施焊条件，在对接焊缝施焊前制作出坡口。被焊钢件厚度t较小(手工焊t≤6mm)时，可不开设坡口。

被焊钢件厚度t≤20mm时，可采用单边V形坡口或V形坡口。被焊钢件厚度t>20mm时，常采用U形、K形或X形坡口15.1.2

对接焊缝的构造与计算在T形连接接头上被焊钢件一般采用K形坡口[图15-7a)],双面焊。而角部连接接头上,单面焊时(例如焊接箱形截面构件时)被焊钢件可采用单边V形或单边U形坡口[图15-7b)]。单面焊且要求全焊透时应采用钢衬垫,如图15-7b)所示。钢衬垫应有足够厚度以防止烧穿,采用焊条电弧焊、气体保护电弧焊等焊接方法时钢衬垫厚度不应小于4mm。钢衬垫应与接头的钢件表面贴合良好,其间隙不应大于1.5

mm。15.1.2

对接焊缝的构造与计算在焊缝的两端,经常因焊接起弧及灭弧的影响而出现弧坑和未熔透等缺陷,容易引起应力集中,对承受动力作用的结构产生不利影响,故焊接时对接焊缝应设置引弧板和引出板(图15-8

)。引弧板和引出板的钢材、坡口应与焊件相同,引弧板和引出板的设置长度,对手工焊不小于60mm,对自动焊不小于150mm。在焊接完后用气割切除引弧板和引出板,并将板边沿受力方向修磨平整。15.1.2

对接焊缝的构造与计算在对接焊缝处,当被焊钢件(钢板)宽度不同或厚度在一侧相差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1：5的斜角,形成平缓的过渡,以减小应力集中(图15-9)。当厚度(或宽度)之差不超过

4mm时,则可采用焊缝表面斜坡来过渡。15.1.2

对接焊缝的构造与计算当受力很小、焊缝主要起联系作用时,或焊缝受力虽然较大,但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥时,可采用部分焊透的对接焊缝。(2)部分焊透的对接焊缝被焊钢件须进行坡口加工：对接接头的部分焊透对接焊缝可采用双面焊的V形坡口和U形坡口；角部连接接头的部分焊透对接焊缝可采用单边V形坡口和J形坡口；T形连接接头的部分焊透对接焊缝可采用双面焊的K形坡口。

部分焊透对接焊缝的坡口深度s远小于被焊钢件的厚度t且接头处被焊钢件的端面之间不设间隙。15.1.2

对接焊缝的构造与计算焊缝连接的承载能力极限状态验算采用基于弹性理论的强度计算方法，对焊缝材料采用规定的焊缝强度设计值。垂直于轴心拉力和轴心压力的焊透对接焊缝截面强度验算计算图式见图15-11，焊缝截面的正应力分布为均匀分布，则焊透对接焊缝强度验算式为式（15-1）。对接焊缝的计算215.1.2

对接焊缝的构造与计算(MPa)(15-1)轴向拉力或轴向压力计算值(N),N=γ0Nd,γ0为桥梁结构的重要性系数,按表2-5取用;Nd为作用基本组合的轴心力设计值焊透对接焊缝的计算长度(mm),施焊时采用引弧板取焊缝实际长度,未采用弧板时取实际长度减去2t焊透对接焊缝厚度(mm),取在对接接头中为被焊钢件的较小厚度对接焊缝的抗压强度设计值(MPa),见表15-1抗拉强度设计值(MPa),见表15-1例15-1验算图15-12所示钢板的对接焊缝的强度。已知被焊钢板(Q345钢)的宽度b=540mm,厚度t=22mm。手工焊,焊条为E50型,X形坡口,焊缝为焊接质量等级三级,施焊时加引弧板和引出板。分别按轴心压力计算值和轴心拉力计算值N=2710kN验算图15-12所示钢板的对接焊缝的强度。15-1

解：（1）轴心压力计算值N=2710kN时 焊缝的实际长度是被焊钢板的宽度b=540mm，施焊时加引弧板和引出板，故对接焊缝的计算长度lw=b=540mm。被焊钢板的厚度为t=22mm，故焊透对接焊缝的厚度δ=t=22mm。 由手工焊、E50型焊条、被焊钢板（Q345钢）的厚度t=22mm，查表15-1得到焊透对接焊缝的抗压设计强度=270MPa。 由式（15-1）进行对接焊缝的抗压强度验算为：σ=228.11(MPa)(压应力）<(=270MPa)满足要求。 （2）轴心拉力计算值N=2710kN时 由手工焊、E50型焊条、被焊钢板(Q345钢)的厚度t=22mm和焊缝为焊接质量等级三级，查表15-1得到焊透对接焊缝的抗拉设计强度=230MPa。由式(15-1)进行对接焊缝的抗压强度验算为：σ=228.11(MPa)(拉应力）<(=230MPa)，满足要求。15.1.3

角焊缝的构造与计算角焊缝也是用于被焊钢件的对接连接、T形连接和角部连接等的焊缝(图15-13)。对接焊缝形式上是在两被焊钢件坡口之间或一被焊钢件的坡口面与另一被焊钢件表面之间焊接的焊缝，而角焊缝形式上是两被焊件件间形成一定角度相交面上的焊缝。15.1.3

角焊缝的构造与计算角焊缝按两焊脚边的夹角分为直角角焊缝和斜角角焊缝。对于直角角焊缝,其截面形式分为普通焊缝(等边)、平坡焊缝和深熔焊缝。角焊缝的构造1(1)角焊缝的截面15.1.3

角焊缝的构造与计算

符号hf

称为角焊缝的焊脚尺寸，它是在角焊缝横截面中画出最大等腰三角形的等腰边长度；符号he

=hf

cos45°≈0.7hf

称为角焊缝的有效厚度(指在角焊缝横截面中所画出最大等腰三角形的等腰高度)。

角焊缝的有效厚度he主要用于焊缝的设计计算，而角焊缝的焊脚尺寸hf是角焊缝设计和现场施工的几何尺寸。对于角焊缝焊脚尺寸hf的构造要求是：①最大焊脚尺寸要求。一般角焊缝的最大焊脚尺寸应满足hf,max≤1.2t1；被焊钢件（板件）边缘的角焊缝(图15-16)应满足:当t1<8mm时，hf,max=t1；当t1≥8mm时,hf,max=(t1－2)mm，t1为边缘被焊的钢件（板件）厚度。15.1.3

角焊缝的构造与计算②最小焊脚尺寸要求。角焊缝的最小焊脚尺寸应满足hf,min≥1.5(mm)，t为较厚被焊钢件的厚度。对角部连接和T形连接角焊缝，当较厚被焊钢件的厚度t≤20mm时，不开坡口角焊缝的最小焊脚尺寸应为hf,min=6mm；当t>20mm时，应为hf,min=8mm。(2)角焊缝的计算长度按受力方向和位置，可分为垂直于受力方向的正面角焊缝(图15-13)、平行于受力方向的侧面角焊缝、以及由正面角焊缝和侧面角焊缝组成的周围角焊缝15.1.3

角焊缝的构造与计算

对侧面角焊缝和正面角焊缝计算长度的构造要求如下： ①侧面角焊缝的最大计算长度lw,max 角焊缝焊脚尺寸设计值为hf时，承受动载作用结构的对接角焊缝接头，规定侧面角焊缝的计算长度应满足lw,max≤50hf，承受静载作用时，计算长度lw,max≤60hf。若内力沿侧面角焊缝全长lf分布时，例如焊接工字形梁翼缘与腹板的T形接头角焊缝，其计算长度不受此限制。 ②角焊缝的最小计算长度lwmin

正面角焊缝或侧面角焊缝的最小计算长度规定为lwmin=8hf，其中符号hf为角焊缝焊脚尺寸设计值。15.1.3

角焊缝的构造与计算③搭接连接角焊缝长度当搭接接头被焊钢件（板件）仅有两条侧面角焊缝连接时[图15-17a)]，每条侧面角焊缝的实际长度lf应大于两侧面角焊缝之间的间距b，即lf≥b；间距b应满足b≤16t1(t1>12mm时)或200mm(t1≤12mm时)，t1为搭接接头较薄被焊钢件的厚度。当搭接接头被焊钢件（板件）仅设两条正面角焊缝时，搭接长度应不小于5t1[图15-17b)]，t1为接头较薄被焊钢件的厚度。(3)当角焊缝的端部在被焊钢件转角处时，可按图15-17a)所示进行长度为2hf的绕角焊，且必须连续施焊。对三面围焊的角焊缝[图15-13a)]，围焊的转角处也必须连续施焊。15.1.3

角焊缝的构造与计算直角角焊缝的破坏发生在其45°方向的最小截面(图15-15)上。该截面被称为角焊缝的有效截面或计算截面,其截面厚度称为角焊缝的有效厚度he=0.7hf

(hf为角焊缝的焊脚尺寸),而截面长度为角焊缝的计算长度lw。被焊钢件承受轴心力作用下,正面角焊缝有效截面上的正应力沿焊缝长度方向均匀分布[图15-18a)];侧面角焊缝有效截面上的剪应力沿焊缝长度方向均匀分布[图15-18b)]。接头上角焊缝承受全部被焊钢件传递的轴心力作用。对接、搭接接头的角焊缝强度验算2(1)计算假定正面角焊缝正应力侧面角焊缝剪应力15.1.3

角焊缝的构造与计算根据计算假定,可以得到被焊钢件承受轴心力作用时接头的角焊缝截面强度计算图式(图15-19),图中轴心力作用以轴心拉力N表示。(2)计算图式与计算公式图15-19正面角焊缝侧面角焊缝15.1.3

角焊缝的构造与计算承受轴心拉力和轴心压力作用时接头的角焊缝强度可按下列公式验算:正面角焊缝侧面角焊缝围焊角焊缝焊缝的抗压、抗拉或抗剪强度设计值见表15-2轴向拉力或轴向压力计算值,N=γ0Nd,γ0桥梁结构的重要性系数,按表2-5取用;Nd为作用基本组合的轴心力设计值正面角焊缝的计算长度侧面角焊缝的计算长度侧面角焊缝的计算长度角焊缝的有效厚度角焊缝的有效厚度角焊缝的有效厚度焊缝的抗压、抗拉或抗剪强度设计值见表15-2焊缝的抗压、抗拉或抗剪强度设计值见表15-2例15-2试进行如图15-20所示的采用双盖板的对接接头角焊缝强度验算。已知被拼接钢板(钢板1)板宽b1=480mm,厚度t1=14mm;两块盖板(钢板2)的板长l2=370mm,板宽b2=450mm,厚度t2=10mm。钢板采用Q235钢。被拼接钢板板端面之间间隙为10mm。采用三面围焊的角焊缝,焊脚尺寸hf=8mm。焊条为E43型,手工焊。结构安全等级为一级,接头承受静力作用,轴向拉力设计值Nd=1018.6kN。15-2

解：先对接头角焊缝进行构造要求的检查，符合要求后再进行角焊缝强度验算。

（1）接头角焊缝的焊脚尺寸等的检查

由图15-20可见接头侧面角焊缝和正面角焊缝，都是属于图15-16b)所示的被焊钢件（板件）边缘的角焊缝。边缘被焊的钢件为盖板（钢板2），其厚度t2=10mm>8mm，则允许的最大焊脚尺寸hf,max=t2－2=10－2=8（mm）；同时，接头的较厚钢件为钢板1，其厚度t1=14mm，角焊缝的最小焊脚尺寸为hf,min=1.5=1.5≈6(mm)，现设计的角焊缝焊脚尺寸hf=8mm，满足要求。 承受静力作用时要求侧面角焊缝的最大计算长度lw,max=60hf

=60×8=480mm,最小计算长度为lw,min=max｛8hf,40｝=max｛64,40｝=64(mm)。

现因被拼接钢板端面之间预留间隙10mm，故取侧面角焊缝长度lf为180mm，这时，侧面角焊缝计算长lw,l=lf

－hf=180－8=172（mm），是满足要求的。 正面角焊缝长度lf为450mm，满足应大于角焊缝最小计算长度lw,min=64mm的要求。 （2）角焊缝有效截面计算图对图15-20所示被拼接钢板端面之间预留间隙，取接头左半部分为受力隔离体。已知角焊缝焊脚尺寸hf=8mm，则角焊缝的有效厚度he=0.7hf=0.7×8=5.6（mm)。 正面角焊缝长度与计算长度lw,t为450mm(取盖板宽度）；侧面角焊缝，由图15-20取一条侧面角焊缝长度lf=180mm，考虑角焊缝焊接起弧（或灭弧）影响，侧面角焊缝的计算长度lw,l=lf－hf=180－8=172（mm)，这样得到角焊缝有效截面计算图。图15-21

（3）角焊缝强度验算 已知结构安全等级为一级，且轴向拉力设计值Nd=1018.6kN，轴向拉力计算值N=γ0Nd=1.1×1018.6=1120.46（kN），N/2=560.23kN。 钢板采用Q235钢；焊条为E43型，手工焊，查表15-2得到角焊缝抗拉或抗剪强度=140MPa。 由式（15-4），取轴向拉力计算值为N/2，进行三面围焊的角焊缝强度验算，即

(MPa)<140MPa角焊缝强度验算满足要求。15.1.4

焊缝符号表示方法国家标准《焊缝符号表示法》GB/T324－2008焊缝符号是指在钢结构设计图和技术文件上需要表示焊缝和焊接接头上标注焊接方法、焊缝形式和焊缝尺寸等技术内容的符号。完整的焊缝符号包括基本符号、指引线、补充符号、焊缝尺寸符号及数据等。为了简化，在图纸上标注焊缝时通常只采用基本符号和指引线，必要时可以加上补充符号和焊缝尺寸。15.1.4

焊缝符号表示方法焊缝符号包括焊缝基本符号及基本符号的组合、焊缝补充符号和焊缝尺寸符号。焊缝基本符号主要用来表示焊缝横截面形式或特征。在国家标准《焊缝符号表示法》(GB/T324—2008)中共列出20个焊缝基本符号,符号“◺”表示角焊缝,符号“V”表示V形坡口的对接焊缝,符号“

”表示单边V形坡口的对接焊缝等。另外,对于双面焊焊缝和接头的标注,可以采用基本符号的组合,例如对双面V形(又称为X形)的对接焊缝,用焊缝符号“×”表示。焊缝符号1(1)焊缝基本符号及基本符号的组合15.1.4

焊缝符号表示方法补充符号用来补充说明有关焊缝和接头的某些特征(诸如焊缝表面形状、衬垫、焊缝分布、施焊地点等)。焊缝表面形状分为平面、凹面和凸面。对于焊接时使用的衬垫[图15-7b)],分为要求为永久衬垫(衬垫永久保留)或临时衬垫(衬垫在施焊后拆除)。对于焊缝分布,需补充说明是三面焊缝还是周围焊缝(沿着工件周边施焊的焊缝)。对于施焊地点,需要补充说明焊缝是否为现场焊缝(指在现场焊接的焊缝)。(2)焊缝补充符号(3)焊缝尺寸符号国家标准《焊缝符号表示法》(GB/T324-2008)中规定了16个焊缝尺寸符号,见表15-3。15.1.4

焊缝符号表示方法焊缝符号中,基本符号和指引线是基本要素,在设计图纸上基本符号和指引线相对位置结合要准确表达焊缝的位置及特征。指引线由箭头线(带箭头的斜线)和基准线(横线)组成[图15-22a)]。指引线215.1.4

焊缝符号表示方法箭头线是由接头的焊缝侧引出的称为接头的箭头侧,见图15-22b),即箭头指向接头的相应焊缝处。基准线的上方和下方空间用来标注焊缝基本符号和焊缝尺寸等。基准线分为实线基准线和虚线基准线[图15-22a)],虚线基准线可以根据需要画在实线基准线的上方或下方。焊缝基本符号在实线基准线上侧时,表示焊缝在箭头侧,在虚线基准线下侧时,表示焊缝在非箭头侧。基准线一般应与图纸的底边平行,必要时也可以与图纸的底边垂直。15.1.4

焊缝符号表示方法国家标准《焊缝符号表示法》(GB/T324—2008)对焊缝符号、焊缝尺寸及尺寸数值在指引线上的标注位置有严格规定,必须遵守。为了便于理解,这里以实线基准线上侧标注为例,把焊缝符号、焊缝尺寸的标注规则及在基准线上的标注位置分成如图15-23a)所示的“A”~“G”的7个标注区来介绍。焊缝符号在指引线的标注规则315.1.4

焊缝符号表示方法标注区A:属于主要表达的标注区。标注符号为焊缝基本符号及基本符号的组合,焊缝表面形状和衬垫情况的补充符号。在图15-23b)中以“基本符号”表示。标注区B:在标注区A的上方或下方。标注的符号依次由左向右排列顺序为:焊缝尺寸的坡口角度标注符号α、坡口面角度标注符号β、根部间隙b,符号意义见表15-3。在[图15-23b)]中以“α·β·b”表示。15.1.4

焊缝符号表示方法标注区C:在标注区A的左侧。标注焊缝横截面上的尺寸符号和数值。标注的符号依次由左向右排列:钝边p、坡口深度H、焊脚尺寸K、余高h、焊缝有效厚度S、根部半径R、焊缝宽度c、熔核直径d,符号意义见表15-3。在图15-23b)中以“p·H·K·h·S·R·c·d”表示。标注区D:在标注区A的右侧。标注焊缝纵向(沿焊缝长度方向)的尺寸符号。标注的符号依次由左向右排列:焊缝段数n、焊缝长度l或焊缝间距e,符号意义见表15-3。在图15-23b)中以“n×l(e)”表示。15.1.4

焊缝符号表示方法标注区E:在标注区C的左侧。用于标注补充符号中的三面焊缝符号的位置。在图15-23b)中以符号“[”表示采用三面焊缝。标注区F:在标注区E的左侧。用于标注补充符号中的现场焊缝符号“

”和周围焊缝符号“○”的位置,标注符号的位置一般放在箭头线和基准线的交点上[图15-23b)]。标注区G:在标注区D的右侧。处于基准线的末端,标注补充符号中的尾部符号“<”[图15-23b)],可以表示所需的信息。在尾部符号后标注相同焊缝条数符号N及数字

,

以及焊接方法代号

、焊缝质量和检测要求。15.1.4

焊缝符号表示方法关于焊缝尺寸的标注,国家标准《焊缝符号表示法》(GB/T324—2008)还提出以下规定:确定焊缝位置的尺寸不在焊缝符号中标注,应将其标注在图纸上。在标注区C内,无任何尺寸标注符号和其他说明时,表示对接焊缝应完全焊透。在标注区D内,无任何尺寸标注符号和其他说明时,表示焊缝在工件的整个长度方向上是连续的。必要时可以在焊缝符号中标注尺寸。例15-3试标注图15-12所示钢板对接接头的对接焊缝符号。15-3解:图15-12为钢板对接接头对接焊缝的设计图。由图中可以得到钢板对接接头尺寸、对接焊缝设计位置和长度等具体尺寸,例如对接焊缝的长度l=540mm,焊缝有效厚度S=22mm等。但对K形坡口的加工技术要求需要另外文字说明,例如要求K形坡口的坡口角度α=坡口面角度β=45°,根部间隙b=3mm,钝边p=6mm[图15-24a)];要求焊缝表面经过加工后平整等,可以结合采用焊缝符号标注方法,使之表达简洁明了。图15-24b)为该钢板对接接头对接焊缝的焊缝符号标注图。焊缝基本符号为“K”,因坡口尺寸上下对称,故标注符号“K”在基准线上,表明该对接焊缝截面形状为K形,焊缝填满并且在整个工作长度连续施焊;要求焊缝表面经过加工后平整,故在焊缝基本符号“K”的上、下方采用补充符号“-”表示这一要求。在焊缝基本符号“K”的上方,标注尺寸符号“α·β·b”为45·°45·°3(尺寸单位为mm)。焊缝基本符号“K”的左侧应标注焊缝横截面上的尺寸符号“p·H·K·h·S·R·c·d”和数值[图15-23b)],现需要标注的符号及相应数值仅为钝边p=6mm、焊缝有效厚度S=22mm,这里采用了在尺寸数据前标注符号“p6·S22”,以免混淆,但仍依次按左向右排列。

例15-4试标注图15-20所示双盖板对接接头的角焊缝符号。15-4解:图15-20上详细标注了双盖板对接接头的设计尺寸,并采用焊缝图示法标注了角焊缝设置位置与长度。下面进一步按照焊缝符号表示法来进行角焊缝符号标注。图15-25中角焊缝基本符号“◺”同时标注在基准线的实线、虚线上,表示角焊缝在箭头侧(实线侧)和表示角焊缝在非箭头侧(虚线侧)。一条角焊缝沿盖板周边三面焊接,焊脚尺寸K=8mm。图15-25中基准线的末端,标注有补充符号中的尾部符号“<”,表示还有所需的信息:在尾部符号后标注相同焊缝条数符号N及4,表示接头上相同的三面焊的角焊缝共4条;要求采用焊条电弧焊(焊接方法代号:111)。15.2普通螺栓连接15.2.1普通螺栓的性能等级与分类15.2.2普通螺栓的排列及构造要求15.2.3普通螺栓连接的计算15.2

普通螺栓连接普通螺栓连接是用普通螺栓将钢构件或板件连成整体并受力的连接方式,图15-26为工程上常见的普通螺栓连接接头和连接方式示意图。15.2

普通螺栓连接在普通螺栓连接中,普通螺栓是由墩粗的头部、带螺纹的圆柱形杆身,与之配合的螺母、垫圈组成并可拆卸的一种紧固件(图15-27)。进行普通螺栓连接施工安装的一般工序是:在被连接钢件的设计位置上按要求加工钻透螺栓孔,孔径应大于普通螺栓杆身直径;将螺栓杆身插入已加工完毕的螺栓孔内;放置垫圈后再用力旋紧螺母,待接头部位所有普通螺栓都按要求旋紧后,普通螺栓连接施工安装完成。15.2.1

普通螺栓的性能等级与分类按国际有关标准规定,螺栓的性能统一采用规定的“材料性能等级”来表示,有3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9

和12.9

共10个等级。以4.6级为例,小数点前的数字“4”表示螺栓成品的钢材抗拉强度不小于400N/mm²,小数点及小数点后的数字“0.6”表示螺栓钢材的屈强比(屈服强度与抗拉强度的比值)为0.6。在工程上把螺栓性能等级低于8.8级的螺栓称为普通螺栓,而普通螺栓又分为A、B和C三级,其中A级和B级称为精制螺栓,C级被称为粗制螺栓。15.2.1

普通螺栓的性能等级与分类 A级和B级精制螺栓的螺杆表面光滑、尺寸精确，对成孔质量要求较高。由于螺杆与孔壁之间的间隙小，故受剪性能好，连接变形小，抗疲劳性能较好，但制造与安装复杂，现场安装施工困难较大，价格较高，除非特别的需要，一般采用较少。 C级粗制螺栓一般是由未经加工的圆钢制成，杆身表面粗糙。螺栓孔是在钢板件上一次冲成或不用钻模钻成孔，称为Ⅱ类孔，螺栓孔径比螺杆直径大1.5~3mm。

桥梁钢结构采用的普通螺栓是大六角头的螺栓，产品规格以螺栓公称直径划分为M20、M22、M24、M27和M30，字母M表示螺栓，数字表示普通螺栓公称直径（mm)，又称螺纹规格。15.2.2

普通螺栓的排列及构造要求工程上通常采用并列和错列两种螺栓排列布置形式(图15-28)。注意在图15-28中,所示接头被连接钢件或构件是受到作用在截面轴线上的内力N(轴心拉力),因此螺栓布置的方向相应分为顺内力方向和垂直内力方向。螺栓在被连接钢件上的排列形式1并列错列15.2.2

普通螺栓的排列及构造要求在被连接钢件上，顺内力方向和垂直内力方向各行列的螺栓布置数量都分别相等，螺栓位置对称的排列布置形式。对于螺栓接头上螺栓排列位置，一般分为“靠边行列”螺栓和“中间行列”螺栓。“靠边行列”螺栓是指靠近且沿板边布置的一行（或一列）螺栓。垂直于内力方向的靠边一行螺栓孔中心至板边缘的距离称为边距；顺内力方向最靠边一列螺栓孔中心至板边缘的距离称为端距。除“靠边行列”螺栓，其余的螺栓都属“中间行列”螺栓。“中间行列”螺栓孔中心、“中间行列”螺栓孔中心与“靠边行列”螺栓孔中心之间的距离均称为中矩。(1)并列排列[图15-28a)]15.2.2

普通螺栓的排列及构造要求与螺栓并列排列一样,接头螺栓群也是对称于被连接钢件的轴线布置,但螺栓错列排列相邻行或列的螺栓数量不相等[图15-28b)]。螺栓错列排列布置不如并列排列布置紧凑,连接接头钢件尺寸较大。(2)错列排列[图15-28b)]15.2.2

普通螺栓的排列及构造要求针对螺栓布置之间的距离要求，《公路桥规》（JTGD64—2015）规定了螺栓布置的容许间距值，分为最大值和最小值。（1）螺栓中心间距的容许间距。对接头上所有螺栓，包括靠边行列和中间行列螺栓，螺栓中心间距的容许间距见表15-4。螺栓的容许间距215.2.2

普通螺栓的排列及构造要求在表15-4中,符号d0为螺栓的孔径,对A级和B级精制螺栓取d0=d,d为精制螺栓的公称直径;对C级粗制螺栓,可参照表15-5选用。符号t为螺栓接头被连接钢件的外层较薄钢板或型钢厚度。（2）螺栓中心至钢件边缘的容许距离

①靠边行列螺栓中心顺内力方向或沿螺栓对角线方向至边缘的最大距离不大于8t

或120mm的较小值，符号t为螺栓接头被连接钢件的外层较薄钢板或型钢厚度。靠边行列螺栓中心顺内力方向或沿螺栓对角线方向至边缘的最小距离应不小于1.5d0，符号d0为螺栓的孔径。②垂直内力方向至边缘的最小距离应不小于1.3d0，符号d0为螺栓的孔径。

例15-5普通螺栓对接接头被连接钢板尺寸为18mm×400mm,盖板尺寸为10mm×400mm,均采用Q235钢。采用C级粗制螺栓,螺栓公称直径d=20mm。对接接头的普通螺栓布置如图15-29所示,试检查该接头上普通螺栓布置是否满足要求。15-5图15-29解:该接头连接的钢件,即被连接的钢件和盖板均为钢板,且接头承受轴心拉力N。图15-29上详细标注了双盖板对接接头的设计尺寸,对接接头的普通螺栓按并列排列形式,且螺栓对称于被连接的钢件、盖板的轴线布置,满足螺栓总体布置的原则。（1）螺栓中心间距的检查由图15-29得到设计上螺栓顺内力方向的中心间距Δ∥=80mm，垂直内力方向的中心间距Δ┴=100mm。

①中间行列螺栓中心间距的检查 该接头连接的较薄钢板为盖板，其厚度t=10mm，而采用螺栓公称直径d=20mm的C级粗制螺栓，查表15-5得到螺栓孔公称直径d0=22mm。

垂直内力方向的中心间距的最大容许间距为24t=24×10=240（mm）；而最小容许间距为3d0=3×22=66（mm），现垂直内力方向的中心间距设计值Δ┴=100mm，满足要求。

接头被连接的钢件承受轴心拉力N时，顺内力方向的中心间距的最大容许间距为24t=240mm、最小容许间距为3d0=66mm，现顺内力方向的中心间距设计值Δ∥=80mm，也满足要求。

②靠边行列螺栓中心间距的检查 顺内力方向的靠边行列螺栓中心间距设计值Δ∥=80mm，垂直内力方向的靠边行列螺栓中心间距设计值Δ┴=100mm。 由表15-4，靠边行列螺栓中心间距的最大容许间距为min｛7d0,16t｝=min｛7×22,16×10｝=min｛154,160｝=154(mm)、最小容许间距仍3d0=66mm。 故靠边行列螺栓中心间距设计值均在规定容许间距内。 ③沿对角线方向螺栓中心间距的检查 沿对角线方向螺栓中心间距设计值Δ0=，而规定的螺栓中心间距的最小容许间距为3.5d0=3.5×22=77（mm），故满足要求。 （2）螺栓中心至被连接的钢板边缘距离的检查 靠边行列螺栓中心顺内力方向至被连接的钢板边缘的距离，即图15-28中所示的“端距”，由图15-29得到为50mm。现最大距离容许值为min｛8t,120mm｝=min｛8×10,120mm｝=min｛80mm,120mm｝=80mm、最小容许距离为1.5d0=1.5×22=33mm。端距设计值为50mm，在最大容许距离80mm和最小容许距离33mm之间，满足要求。 靠边行列螺栓中心垂直内力方向至被连接的钢板边缘的距离（边距），由图15-29得到为50mm。最小容许距离为1.3d0=1.3×22=33mm。现边距设计值50mm大于最小容许距离33mm，满足要求。15.2.3

普通螺栓连接的计算在普通螺栓连接的不同接头中，普通螺栓的受力是有所不同。按受力情况可以分为连接的螺栓群受剪、螺栓群受拉和螺栓群同时受剪与受拉等。普通螺栓连接的螺栓群受剪是最基本的受力情况，也是工程上常用的普通螺栓连接。受剪螺栓依靠螺栓杆的抗剪和承压来传递垂直于螺杆的外力。普通螺栓抗剪连接的传力机理与破坏形式1a)连接靠摩擦传力b)连接靠孔壁受压和螺杆受剪传力图15-30受剪螺栓连接的力传递15.2.3

普通螺栓连接的计算试验和工程研究表明，受剪普通螺栓连接承受轴心拉力N作用下，连接有五种可能的破坏形式，见表15-6。受剪普通螺栓连接的有些破坏形式可以采取相应的构造措施加以防止，例如，规定端距大于1.5d0，防止端部钢板剪切破坏；限制螺栓长度l<5d0(d0螺栓孔直径)以防止螺栓杆受弯破坏。但对连接其他破坏形式，则需要通过接头承载力的设计计算来避免发生。15.2.3

普通螺栓连接的计算承受轴心力N作用、对称于被连接钢件轴线布置的普通螺栓抗剪连接,各螺栓受力相等,即轴心力N由每个螺栓平均分担。普通螺栓抗剪连接破坏时,每个螺栓都达到其承载力设计值

。普通螺栓抗剪连接的计算2(1)计算假定(2)计算图式与计算公式15.2.3

普通螺栓连接的计算普通螺栓群抗剪承载力

计算并应满足:接头普通螺栓群抗剪承载力单个普通螺栓承载力设计值的计算应该对表15-6所列可能发生的受剪普通螺栓连接第1种（螺栓杆剪断）和第2种（板件孔壁被挤压坏）破坏情况，来计算得到。接头承受的轴向拉力或轴向压力计算值,N=γ0Nd,γ0为桥梁结构的重要性系数,按表2-5取用;Nd为作用基本组合的轴心力设计值接头普通螺栓群抗剪承载力承受连接接头轴心力作用抗剪螺栓数目单个普通螺栓承载力设计值(15-5)15.2.3

普通螺栓连接的计算受剪普通螺栓杆受剪破坏时,假定螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布且达到螺栓的抗剪强度设计值

(表15-7),则单个普通螺栓的受剪承载力：每只螺栓受剪面数量,单剪时取nv=1,双剪时取nv=2螺栓杆的公称直径(15-6)15.2.3

普通螺栓连接的计算受剪普通螺栓连接的钢件孔壁被挤压坏情况,由于螺栓杆和钢件孔壁的挤压是相对的,故也把这种破坏叫作螺栓承压破坏。螺栓承压破坏时螺栓的承压应力分布很复杂,难以确定。为了简化计算,假定承压应力分布于螺栓直径平面上且该承压面上的应力为均匀分布,则单个普通螺栓的承压承载力：(15-7)在不同受力方向中一个受力方向的承压钢件总厚度的较小值普通螺栓承压强度设计值,按表15-7采用其余符号与式(15-6)相同15.2.3

普通螺栓连接的计算由式(15-6)和式(15-7)分别得到单个普通螺栓的受剪承载力

和单个普通螺栓的承压承载力

后,单个普通螺栓承载力设计值应为

=min{

,}将

值代入式(15-5)可以得到接头普通螺栓群抗剪承载力

。15.2.3

普通螺栓连接的计算普通螺栓受剪连接中,由于螺栓孔削弱了被连接钢件的截面,因此当被连接钢件承受轴心受拉力N作用时,还需对被连接钢件截面承载力Nn进行计算并满足:N≤Nn=Anfd(15-8)被连接钢件在螺栓孔削弱处的净截面面积。当螺栓并列布置时,如图15-32a)所示,净截面面积按最危险正交截面Ⅰ-Ⅰ计算;当螺栓孔交错布置时,如图15-32b)所示,净截面面积按垂直截Ⅰ-Ⅰ、齿状截面Ⅱ-Ⅱ两者中的较小值取用;被连接钢件的钢材抗拉设计强度(表14-5)15.2.3

普通螺栓连接的计算进行普通螺栓受剪连接接头的承载力复核的所需已知条件为:普通螺栓受剪连接接头形式和外廓尺寸、被连接钢件的钢材牌号,普通螺栓在接头平面布置的形式及尺寸、普通螺栓性能等级、螺栓杆的公称直径,连接接头承受的轴心力计算值。(3)普通螺栓受剪连接接头的承载力复核方法

例15-6普通螺栓对接接头形式和外廓尺寸、被连接钢件的钢材牌号,普通螺栓性能等级、螺栓杆的公称直径等均与例15-5相同。

承受轴心拉力计算值N=900kN作用,对接接头的普通螺栓布置见图15-29,试对该接头进行承载力复核。15-6

解：由例15-5得到双钢板对接连接的已知条件为：采用C级粗制螺栓，螺栓公称直径d=20mm，查表15-5得到螺栓孔公称直径d0=22mm。被连接钢板1－18×400mm和盖板2－10×400mm，均采用Q235钢材，查表14-5得到钢材抗拉设计强度fd=180MPa(钢板厚18mm)、190MPa(钢板厚10mm)。（1）普通螺栓平面布置的检查例15-5中对普通螺栓在接头平面布置的形式及尺寸已经进行了检查，均满足要求。 （2）确定单个普通螺栓的承载力 ①单个普通螺栓的承压承载力的计算

取一个受力方向的承压钢件总厚度的较小值∑t=18mm。螺栓公称直径d=20mm，查表15-7Q235钢材普通螺栓承压强度设计值=265MPa，由式(15-7)计算单个普通螺栓的承压承载力为：

=20×18×265=95.4×103（N)=95.4kN ②单个普通螺栓的受剪承载力计算取每只螺栓受剪面数量nv=2。 由表15-7，对Q235钢材得到普通螺栓抗剪强度设计值=120MPa，由式(15-7)计算单个普通螺栓的受剪承载力为： ③单个普通螺栓的承载力 单个普通螺栓承载力应为=min｛,｝=min｛75.36,95.4｝=75.36kN

（3）接头普通螺栓群抗剪承载力复核 仍图15-34所示接头右半部分为受力隔离体，布置了3列普通螺栓，每列4个螺栓，故连接接头抗剪螺栓数目n=12(个），由式（15-5）计算普通螺栓群抗剪承载力为： 大于轴心拉力计算值N=900kN，故接头普通螺栓群抗剪承载力复核满足要求。（4）接头被连接钢件截面承载力复核因被连接钢板厚度为18mm，小于两块盖板厚度之和2×10=20mm，故接头钢件取被连接钢板进行净截面承载力复核。图15-35所示被连接钢板的1－1正交截面共4个螺栓孔，螺栓孔公称直径d0=22mm，则计算净截面面积为An=400×18－4×(18×22)=5616mm2。由式(15-8)计算被连接钢板净截面抗拉承载力为Nn=Anfd=5616×180=1010.88×103（N)

=1010.88kN大于轴心拉力计算值N=900kN，满足要求。15.3高强度螺栓连接15.3.1高强度螺栓材料与连接构造15.3.2高强度螺栓的预拉力、摩擦面抗滑移系数15.3.3高强度螺栓抗剪连接的计算15.3

高强度螺栓连接高强度螺栓连接是通过对高强度螺栓施加紧固轴力将构件或板件连成整体的连接方式。高强度螺栓连接实际上是靠钢件之间接触面的摩擦力来进行连接传力的,而不像普通螺栓那样主要靠螺栓与孔壁接触传力。工程上，高强度螺栓连接有两种类型：一种是只依靠钢件层间的摩擦阻力传力，并以剪力不超过接触面摩擦力作为设计准则，称为摩擦型连接。另一种是允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限承载力作为设计准则，称为承压型连接。15.3.1

高强度螺栓材料与连接构造高强度螺栓使用的钢材必须具有较高的抗拉强度。一般采用45钢、40硼(40B)和20锰钛硼钢(20MnTiB)加工而成，经热处理后，分别达到螺栓性能等级8.8级和10.9级要求。工程上使用每个高强度螺栓连接副的高强度螺栓、高强度螺母和高强度垫圈使用组合应符合表15-8要求。高强度螺栓材料115.3.1

高强度螺栓材料与连接构造表15-8所示高强度螺栓连接副的高强度螺栓、高强度螺母和高强度垫圈按性能等级相互要匹配。高强度螺栓主要以性能等级（字母S特指高强度螺栓）表示；"10H"、"8H"中数字表示螺母性能等级，字母H表示螺母；而垫圈是以其洛氏硬度（符号HRC)大小来表示其性能。桥梁钢结构采用的高强度螺栓，产品规格以螺栓公称直径划分为M20、M22、M24、M27和M30，字母M仍表示螺栓，数字表示高强度螺栓公称直径（mm），又称螺纹规格。高强度螺栓、高强度螺母和高强度垫圈均应进行表面防绣处理。15.3.1

高强度螺栓材料与连接构造每一杆件在高强度螺栓连接节点及拼接接头的一端,其连接的高强度螺栓数目不应少于2个。高强度螺栓孔应采用钻孔成形。高强度螺栓公称直径不大于M27时,摩擦型连接高强度螺栓的孔径(标准圆孔)比高强度螺栓公称直径大2.0mm;大于M27时,摩擦型连接高强度螺栓的孔径(标准圆孔)比高强度螺栓公称直径大3.0mm。高强度螺栓在连接接头上的排列方式、孔距和边距(及端距)的容许间距,与普通螺栓要求相同,详见第15.2.2

节。高强度螺栓连接的构造215.3.1

高强度螺栓材料与连接构造在连接接头上布置高强度螺栓时,应考虑工地专用施工工具的可操作空间要求。对常用扳手操作空间尺寸可参照表15-9取用,表中d0为高强度螺栓连接板的孔径,c为高强度螺栓外露长度。15.3.2

高强度螺栓的预拉力、摩擦面抗滑移系数(1)高强度螺栓的预拉力规定值高强度螺栓预拉力及控制方法1由表15-10可以看到,高强度螺栓的预拉力值与螺栓的性能等级、螺栓的螺纹规格(螺栓公称直径)有关。15.3.2

高强度螺栓的预拉力、摩擦面抗滑移系数(2)高强度螺栓施拧与预拉力控制方法由表15-9可以看到拧紧大六角头高强度螺栓的工具是各类专用扳手。常用方法有扭矩法（控制拧紧力矩）和转角法（控制转动角度）等。①高强度螺栓须采用两次施拧或三次施拧方法，而不能采用一次拧紧到位。对高强度大六角头螺栓连接副的拧紧，要求先进行初拧后，再进行终拧完成高强度螺栓拧紧工作。对于大型节点（当单排或单列螺栓个数超过15个时，可认为是属于大型接头）上的高强度大六角头螺栓，需先进行初拧后，再进行复拧，最后进行终拧以完成高强度螺栓拧紧工作。②初拧扭矩值和复拧扭矩值都为终拧扭矩的50%左右，而终拧扭矩Tc（N∙m）按式(15-9)计算：15.3.2

高强度螺栓的预拉力、摩擦面抗滑移系数高强度螺栓连接副的扭矩系数是高强度螺栓连接中施加于螺母上的紧固扭矩与其在螺栓导入的轴向预拉力(紧固轴力)之间的比例系数，其平均值K

是施工现场按出厂批号分批对高强度螺栓连接副抽检测定得到。设计上未要求时，扭矩系数平均值K应在0.11～0.15范围内，其标准偏差应小于或等于0.01。Tc=K∙Pc∙d高强度螺栓施工预拉力(kN)高强度螺栓的公称直径(mm)高强度螺栓连接副的扭矩系数平均值(15-9)15.3.2

高强度螺栓的预拉力、摩擦面抗滑移系数

③高强度螺栓在初拧、复拧和终拧时，连接处的螺栓应按一定顺序施拧。确定施拧顺序的原则为由螺栓群中央顺序向外拧紧，和从接头刚度大的部位向约束小的方向拧紧。 ④采用扭矩法拧紧大六角头高强度螺栓连接，施工紧固质量检查采用普查和抽查相结合的方法。普查方法是用小锤(约0.3kg)敲击螺母对高强度螺栓进行检查，看是否存在漏拧。15.3.2

高强度螺栓的预拉力、摩擦面抗滑移系数高强度螺栓摩擦面抗滑移系数与连接接头的钢件接触面的处理方法以及钢件的钢号有关。《公路桥规》(JTGD60-2015)推荐采用的接触面的处理方法有喷砂(丸)、喷铝、喷锌、涂抗滑型无机富锌漆等,各种处理方法后相应的摩擦面抗滑移系数见表15-11。高强度螺栓摩擦面抗滑移系数215.3.3高强度螺栓抗剪连接的计算高强度螺栓摩擦型抗剪连接的计算假定与计算图式,可参见普通螺栓抗剪连接[第15.2.3节2)],将其中的单个普通螺栓承载力设计值

改为单个摩擦型高强度螺栓的承载力设计值

。

计算图式1