《钢结构基础》课件 第3章 钢结构的连接

3.1钢结构的连接方法和特点3.1钢结构的连接方法和特点钢结构的连接方法有:焊接和紧固件(螺栓、锚栓或铆钉)连接。3.1钢结构的连接方法和特点3.1.1焊接连接

焊接是现代钢结构最主要的连接方法。其操作方法一般是通过电弧产生热量使焊条和焊件局部熔化，然后经冷却凝结成焊缝，从而使焊件连接成一体。

优点:任何形状的结构都可用焊缝连接,省钢省工,不需开孔;能实现自动化操作;连接的密封性好。3.1钢结构的连接方法和特点

缺点: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;焊件中产生焊接残余应力和残余变形;焊接结构对裂纹很敏感,一旦局部发生裂纹就可能迅速扩展,尤其在低温下易导致结构脆性破坏。3.1.2紧固体连接1.铆钉连接费钢费工,现已很少采用。3.1钢结构的连接方法和特点2.螺栓连接(1)普通螺栓连接优点是装卸便利,不需要特殊设备。(2)高强度螺栓连接1)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。3.1钢结构的连接方法和特点2)承压型连接。高强度螺栓连接摩擦阻力被克服后允许接触面滑移,依靠栓杆和螺孔之间的承压来传力。3.1.4连接材料的选用

见教材。3.1钢结构的连接方法和特点3.2

焊缝连接和焊接结构的特性3.2焊缝连接和焊接结构的特性3.2.1焊接方法

钢结构常用的焊接方法是电弧焊,包括手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等。1.手工电弧焊

原理、优缺点3.2

焊缝连接和焊接结构的特性（2）自动或半自动埋弧电弧焊原理、优缺点3.2

焊缝连接和焊接结构的特性(3)气体保护焊原理、优缺点3.2

焊缝连接和焊接结构的特性3.2.2焊缝连接的形式钢结构的连接可分为对接、搭接、T形连接和角部连接四种形式。3.2

焊缝连接和焊接结构的特性对接焊缝和角焊缝3.2

焊缝连接和焊接结构的特性焊缝的施焊位置与形式

分为平焊(代号F)、横焊(H)、立焊(V)及仰焊(O)3.2

焊缝连接和焊接结构的特性3.2.3焊缝缺陷及焊缝质量检验1.焊缝缺陷

有裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、未焊透、咬边、夹渣、未熔合等,以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。3.2

焊缝连接和焊接结构的特性2.焊缝质量检验焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。

焊缝质量选用原则：见教材。3.2

焊缝连接和焊接结构的特性3.2.4焊缝符号及标注1.焊缝符号表示法

完整的焊缝符号包括基本符号、指引线、补充符号、尺寸符号及数据等。

表3.1~3.42.常用焊缝的表示方法3.2

焊缝连接和焊接结构的特性（1）单面焊缝的标注方法应符合下列规定:①当箭头指向焊缝所在的一面时,应将图形符号和尺寸标注在横线的上方(图3.12(a));当箭头指向焊缝所在另一面(相对应的那面)时,应按图3.12(b)的规定执行,将图形符号和尺寸标注在横线的下方。②表示环绕工作件周围的焊缝时,应按图3.12(c)的规定执行,其围焊焊缝符号为圆圈,绘在引出线的转折处,并标注焊角尺寸K。3.2

焊缝连接和焊接结构的特性（2）双面焊缝的标注,应在横线的上、下都标注符号和尺寸。（3）3个和3个以上的焊件相互焊接的焊缝,不得作为双面焊缝标注。（4）相互焊接的两个焊件中,当只有一个焊件带坡口时(如单面V形),引出线箭头必须指向带坡口的焊件(图3.15)。3.2

焊缝连接和焊接结构的特性（5）相互焊接的2个焊件,当为单面带双边不对称坡口焊缝时,应按图3.16的规定,引出线箭头应指向较大坡口的焊件。（6）当焊缝分布不规则时,在标注焊缝符号的同时,可按图3.17的规定,宜在焊缝处加中实线(表示可见焊缝),或加细栅线(表示不可见焊缝)。（7）相同焊缝符号应按下列方法表示:3.2

焊缝连接和焊接结构的特性（8）需要在施工现场进行焊接的焊件焊缝,应按图3.19的规定标注“现场焊缝”符号。现场焊缝符号为涂黑的三角形旗号,绘在引出线的转折处。(9)当需要标注的焊缝能够用文字表述清楚时,也可采用文字表达的方式。(10)建筑钢结构常用焊缝符号及符号尺寸应符合表3.5的规定。3.2

焊缝连接和焊接结构的特性3.2.5焊接残余应力和残余变形1.焊接残余应力和残余变形及其产生的原因

焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时,焊件上产生不均匀的温度场,焊缝及附近温度达1600℃以上,其邻近区域则温度急剧下降,不均匀的温度场产生了不均匀的膨胀,从而在结构内产生了焊接残余应力和残余应变。3.2

焊缝连接和焊接结构的特性2.消除和减少焊接残余变形及残余应力的措施（1）设计方面①连接过渡尽量平缓,以减少应力集中②尽量避免焊缝密集③焊缝应尽可能地对称布置于构件截面的中和轴④宜采用防止板材层状撕裂的焊接工艺措施3.2

焊缝连接和焊接结构的特性（2）制造加工方面3.2

焊缝连接和焊接结构的特性3.3对接焊接的设计3.3对接焊缝的设计

对接焊缝分焊透和不焊透(图3.24)的两种。焊透的对接焊缝强度高,受力性能好。不焊透对接焊缝类似于角焊缝,可按角焊缝的方法进行计算。3.3对接焊接的设计3.3.1对接焊缝的构造1.焊缝坡口形式及选用

对接焊缝坡口的形状可分为I形、单边V形、V形、X形、单边U形、U形和K形等。3.3对接焊接的设计2.变截面钢板拼接宽度或厚度相差4mm以上时，做坡度。坡度≤1：2.5或1：4

当厚度相差不大(当较薄钢板的厚度≥5～9mm时为2mm、10～12mm时为3mm、>12mm时为4mm)时，可不加工斜坡。3.3对接焊接的设计3.引出板、引弧板概念

在对接焊缝的起弧落弧处，常出现弧坑等缺陷，以致引起应力集中并易产生裂纹，这对承受动力荷载的结构尤为不利。因此，各种接头的对接焊缝均应在焊缝的两端设置引弧板和引出板。3.3对接焊接的设计3.3.2对接焊缝的计算1.轴心力下对接焊缝的计算。强度计算公式：

3.3对接焊接的设计

如果直缝不能满足强度要求，可采用图示斜对接焊缝。焊缝与作用力间的夹角满足时，斜焊缝的强度不低于母材强度，不再进行验算。3.3对接焊接的设计2.承受轴心力、弯矩和剪力作用的对接焊缝（1）矩形截面3.3对接焊接的设计（2）工字形截面3.3对接焊接的设计3.4角焊接的设计

3.4角焊缝的设计3.4.1角焊缝的形式1.角焊缝按其长度方向和外力作用方向的不同可分为平行于力作用方向的侧面角焊缝1、垂直于力作用方向的正面角焊缝2、与力作用方向成斜角的斜向角焊缝33.4角焊接的设计2.角焊缝的截面形式

普通型、凹面型和平坦型三种，hf称为角焊缝的焊脚尺寸，he直角角焊缝的有效厚度，he=0.7hf3.4角焊接的设计3.4.2.角焊缝的构造要求1.角焊缝的尺寸最小焊脚尺寸hfmin：最大焊脚尺寸hfmax：

3.4角焊接的设计（1）角焊缝的最小计算长度应为其焊脚尺寸hf的8倍,且不应小于40mm;焊缝计算长度应为扣除引弧、收弧长度后的焊缝长度;（2）断续角焊缝焊段的最小长度不应小于最小计算长度;（3）角焊缝最小焊脚尺寸宜按表3—6取值,承受动荷载时角焊缝焊脚尺寸不宜小于5mm;（4）被焊构件中较薄板厚度不小于25mm时,宜采用开局部坡口的角焊缝;（5）采用角焊缝焊接连接,不宜将厚板焊接到较薄板上。3.4角焊接的设计2.搭接连接角焊缝的尺寸及布置（1）传递轴向力的部件,其搭接连接最小搭接长度应为较薄件厚度的5倍,且不应小于25mm(图3.33),并应施焊纵向或横向双角焊缝。3.4角焊接的设计（2）只采用纵向角焊缝连接型钢杆件端部时,型钢杆件的宽度不应大于200mm,当宽度大于200mm时,应加横向角焊缝或中间塞焊;型钢杆件每一侧纵向角焊缝的长度不应小于型钢杆件的宽度(图3.34)。（3）型钢杆件搭接连接采用围焊时,在转角处应连续施焊。杆件端部搭接角焊缝作绕焊时,绕焊长度不应小于焊脚尺寸的2倍,并应连续施焊(图3.35)。3.4角焊接的设计（4）搭接焊缝沿母材棱边的最大焊脚尺寸,当板厚不大于6mm时,应为母材厚度,当板厚大于6mm时,应为母材厚度减去1mm~2mm(图3.36)。（5）用搭接焊缝传递荷载的套管连接可只焊一条角焊缝,其管材搭接长度L不应小于5(t1+t2),且不应小于25mm。搭接焊缝焊脚尺寸应符合设计要求(图3.37)。3.4角焊接的设计3.4.3角焊缝连接强度的基本计算公式1.角焊缝的受力分析(1)侧面角焊缝力N平行于焊缝：剪应力破坏：沿450喉部破坏3.4角焊接的设计(2)正面角焊缝力垂直于焊缝：N破坏：沿450喉部或两熔合边强度较侧面角焊缝高1.35～1.55倍3.4角焊接的设计工程中，假定破坏沿450喉部破坏。焊缝有效厚度：焊缝有效长度：减2hf3.4角焊接的设计2.角焊缝的强度3.4角焊接的设计3.4.4角焊缝连接的计算1.角焊缝受轴心力作用时的计算（1）侧面角焊缝：当作用力平行于焊缝长度方向时相当于侧面角焊缝受力

3.4角焊接的设计（2）正面角焊缝：当作用力垂直于焊缝长度方向时相当于正面角焊缝受力。（3）两方向力综合作用的角焊缝3.4角焊接的设计（3）周围角焊缝：当焊缝方向较复杂时，均按侧面角焊缝对待，偏安全地取βf=1.03.4角焊接的设计2.角钢连接的角焊缝计算 角钢与连接板用角焊缝连接时，一般宜采用两面侧焊，也可用三面围焊或L形围焊。

3.4角焊接的设计（1）当采用两面侧焊时由力平衡条件

得肢背：肢尖：K1、K2角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，可按表3.7的近似值取用。3.4角焊接的设计（2）当采用三面围焊时：hf3

按构造选取，这时

已知。由平衡条件得：肢背：肢尖：3.4角焊接的设计（3）当采用L形围焊时：N2=03.4角焊接的设计

按上述方法求出各条焊缝分担的内力后，假定角钢肢背和肢尖焊缝尺寸hf1和hf2，即可分别求出所需的焊缝计算长度。3.4角焊接的设计

对L形围焊可按下式先求其正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，然后使hf1=hf3，再由上式即可求出lw1

3.4角焊接的设计3.在弯矩、剪力和轴力共同作用的T形连接角焊缝计算

F力分解为V和N，M=Ve、并向角焊缝有效截面的形心简化，焊缝端点A最危险。he=0.7hf3.4角焊接的设计N引起：V引起：M引起：A点焊缝：3.4角焊接的设计

当仅有弯矩和剪力共同作用时，即上式中σfN=0时

3.4角焊接的设计3.5普通螺栓连接的设计

3.5普通螺栓连接的设计

普通螺栓连结按其传力方式可分为:受剪螺栓连接(图3.46(a))、受拉螺栓连接(图3.46(b)),以及同时受剪和受拉的螺栓连接(图3.46(c))3.5普通螺栓连接的设计3.5.1普通螺栓连接的构造1.螺栓的规格钢结构采用的普通螺栓形式为大六角头型,其代号用字母M和公称直径的毫米数示。

螺栓代号：用字母M与公称直径的毫米数表示，如M16、M18等，常用的螺栓是M16，M20和M24。

3.5普通螺栓连接的设计螺栓等级：分为A、B、C三级，A级和B级螺栓采用钢材性能等级5.6级或8.8级制造，C级螺栓则用4.6级或4.8级制造。“.”前数字表示公称抗拉强度fu的1／100，“.”后数字表示公称屈服点fy与公称抗拉强度fu之比（屈强比）的10倍。如4.6级表示fu不小于400N／mm2，而最低=0.6×400=240N／mm2。

3.5普通螺栓连接的设计螺栓长度：选用时宜控制其不超过螺栓标准中规定的夹紧长度，一般为4~6倍螺栓直径，高强度螺栓为5-7倍。在考虑连接件叠合厚度的同时，还应考虑两头垫圈、螺母的厚度并外露2～3扣丝扣。螺栓孔径：C级螺栓的孔径比螺栓杆径大1.5~3mm。具体为M12、M16为1.5mm；M18、M22、M24为2mm；M27、M30为3mm。3.5普通螺栓连接的设计2.螺栓的排列螺栓的排列有并列和错列两种基本形式3.5普通螺栓连接的设计3.5.2普通螺栓连接受剪工作性能及计算1.受剪工作性能和承载力受剪螺栓的五种破坏形式①栓杆剪断②孔壁挤压坏③钢板拉断④端部钢板剪断⑤栓杆受弯破坏

后两种通过构造来防止。选用最小容许端距2d和使螺栓的夹紧长度不超过4～6倍螺栓直径的条件下，均不会产生。前三种破坏计算(设计)来防止。3.5普通螺栓连接的设计①单个受剪螺栓承载力设计值②单个普通螺栓受剪的承压承载力设计值

3.5普通螺栓连接的设计2.抗剪连接计算（1）普通螺栓群轴心受剪1）所需螺栓数目的确定3.5普通螺栓连接的设计2）验算净截面强度

An——构件或连接板的净截面面积

构件净截面I-I连接板净截面Ⅲ-Ⅲ错列布置净截面3.5普通螺栓连接的设计3.5.3普通螺栓连接的受拉工作性能及计算1.受力性能和承载力图3.57，栓杆被拉断，其部位多在被螺纹削弱的截面处。单个受拉螺栓的承载力设计值2.受拉螺栓连接的计算（1）受拉螺栓连接受轴心力的计算

所需螺栓数目

3.5普通螺栓连接的设计（2）受拉螺栓连接受弯矩作用的计算3.5普通螺栓连接的设计（3）受拉螺栓连接受偏心拉力作用的计算

①小偏心

若或

时,按大偏心计算3.5普通螺栓连接的设计②大偏心为简化计算，可近似地将中和轴假定在(弯矩指向一侧)最外一排螺栓轴线O′处。

3.5普通螺栓连接的设计3.5.4普通螺栓连接拉剪工作性能及计算

对C级螺栓,螺栓将同时承受剪力Nu和偏心拉力或弯矩引起沿螺栓杆轴方向的拉力Nt的共同作用。3.5普通螺栓连接的设计3.6高强度螺栓连接设计3.6高强度螺栓连接设计3.6.1概述高强度螺栓连接分为摩擦型连接和承压型连接。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。

传力原理特点：连接紧密，变形小，不松动，耐疲劳，安装简单。

3.6高强度螺栓连接设计承压型连接高强度螺栓连接摩擦阻力被克服后允许接触面滑移，依靠栓杆和螺孔之间的承压来传力。承压型连接在摩擦力被克服后剪切变形较大。

3.6高强度螺栓连接设计应用：厂房、高层建筑和桥梁等连接节点摩擦型：以用于直接承受动力荷载的结构最佳，如吊车梁与柱的连接等。承压型：连接则仅用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构，以能发挥其高承载力的优点为宜。3.6高强度螺栓连接设计高强度螺栓孔径要求高强度螺栓孔应采用钻孔。

摩擦型高强度螺栓因受力时不产生滑移，故其孔径比螺栓公称直径可稍大，一般采用大1.5mm(M≤16)或2.0mm(≥M20)；

承压型高强度螺栓则应比上列数值分别减小0.5mm，一般采用大1.0mm(M≤16)或1.5mm(≥M20)。3.6高强度螺栓连接设计1.高强度螺栓的材料和性能等级

按热处理后的强度分为10.9级和8.8级两种。其中整数部分表示螺栓抗拉强度不低于1000N/mm2和800N/mm2；小数部分则表示其屈强比为0.9和0.8。3.6高强度螺栓连接设计2.高强螺栓的预拉力P

摩擦型高强度螺栓不论是用于受剪螺栓连接、受拉螺栓连接还是拉剪螺栓连接，其受力都是依靠螺栓对板叠强大的法向压力，即紧固预拉力P。承压型高强度螺栓，也要部分地利用这一特性。表3-.1高强螺栓预拉力p3.6高强度螺栓连接设计（1）高强螺栓的紧固方法

1）扭矩法:一般要先用普通扳手对其初拧(不小于终拧扭矩值的50％)，使板叠靠拢，然后用一种可显示扭矩值的扭矩扳手终拧。2）转角法：此法是用控制螺栓应变即控制螺母的转角来获得规定的预拉力。转角是从初拧作出的标记线开始，再用长扳手终拧1／3～2／3圈(120°～240°)。3.6高强度螺栓连接设计

3）扭掉螺栓尾部梅花卡头：此法适用于扭剪型高强度螺栓。先对螺栓初拧，然后用特制电动扳手的两个套筒分别套住螺母和螺栓尾部梅花卡头。

图2-46，操作时，大套筒正转施加紧固扭矩，小套筒则施加紧固反扭矩，将螺栓紧固后，再进而沿尾部槽口将梅花卡头拧掉。3.6高强度螺栓连接设计（2）高强度螺栓连接摩擦面处理为提高摩擦力，可采用以下方法对摩擦面进行处理。1）喷砂或喷丸处理2）喷砂后生赤锈处理3）喷砂后涂无机富锌漆处理4）手工钢丝刷清理浮锈3.6高强度螺栓连接设计（3）摩擦面的抗滑移系数μ

：表3.12摩擦面应注意的几个问题：

1）涂红丹防锈漆后，抗滑移系数很低，应严格避免涂红丹防锈漆；

2）连接在潮湿或淋雨状态下拼接抗滑移系数也将降低，应采取防潮措施并避免雨天施工；

3）构件接触面的处理方法应在施工图中说明3.6高强度螺栓连接设计3.6.2摩擦型高强螺栓连接的计算1.受剪摩擦型高强螺栓连接（1）单个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值（2）摩擦型高强度螺栓群受轴心剪力的数目计算3.6高强度螺栓连接设计（3）净截面验算高强螺栓连接的净截面强度验算不同于普通螺栓，连接一侧螺栓数为n，验算截面Ⅰ-Ⅰ处的螺栓数为n1，对普通螺栓而言，净截面An要承受全部N力；而高强度螺栓则不然，每个螺