建筑结构-项目11 识别钢结构连接

高职高专建筑工程技术专业建筑结构BuildingStructure——项目化教学配套课件——混凝土结构·砌体结构·钢结构建筑结构教材编写组

项目11识别钢结构连接

焊缝连接·普通螺栓连接·高强度螺栓连接

目录CONTENTS

11.1钢结构连接的种类及其特点焊缝连接特点·螺栓连接种类及特点·铆钉连接·轻型钢结构紧固件连接

11.2焊缝连接焊接方法·焊缝形式·质量级别·焊缝符号·对接与角焊缝构造

11.3普通螺栓连接螺栓规格与排列·构造要求·受剪/受拉/拉剪复合受力性能

11.4高强度螺栓连接材料性能等级·紧固方法·预拉力计算·抗滑移系数

建筑结构·项目11识别钢结构连接学习目标

知识目标•掌握焊缝连接的构造及计算、螺栓连接的构造及受力性能•熟悉钢结构连接的种类及其特点、焊缝连接缺陷及质量检验•了解焊接残余应力和残余变形产生的原因、危害及减少措施

能力目标•能够判别钢结构连接的种类•能够根据受力特点选择合适的连接方式•能够识读焊缝符号和螺栓连接构造图

素养目标通过观看《大国工匠——焊工高凤林》的故事，弘扬以爱国主义为核心的工匠精神，引导学生将工匠精神薪火相传，为振兴中华、实现中华民族的伟大复兴奉献自身力量。认识连接可靠性对结构整体安全的重要意义，强化连接节点设计思维，提升设计与施工配合的实操能力。

建筑结构·项目11识别钢结构连接3工程导入：连接——钢结构的枢纽

钢结构焊接节点施工现场

钢结构的构件由钢板、型钢等通过连接构成梁、柱、桁架等，运到工地后再通过安装连接形成整个结构。连接在钢结构中占有枢纽地位，设计任何钢结构都会遇到连接问题。

钢结构连接设计必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。连接质量直接影响结构的整体安全，一个节点的失效可能导致整个结构的坍塌。

大国工匠——焊工高凤林高凤林是航天科技集团特种熔融焊接工，为火箭发动机焊接"心脏"部件，35年专注焊接技艺，攻克无数技术难关。他的故事诠释了工匠精神，激励我们精益求精。

11.1

钢结构连接的种类及其特点焊缝连接·螺栓连接·铆钉连接·轻型钢结构紧固件连接

建筑结构·11.1钢结构连接的种类及其特点4焊缝连接与螺栓连接的特点

11.1.1焊缝连接的特点优点：不削弱构件截面，节约材料；构造简单，可直接连接任意方位角度；密封性能好，刚度大；制造方便，可自动化作业，生产率高。缺点：热影响区材质变脆；焊接残余应力和变形影响承载力；对裂纹敏感，低温冷脆严重；塑性韧性较差，疲劳强度降低。

11.1.2螺栓连接的种类及特点优点：施工工艺简单、安装方便，适用于工地安装；装拆方便，适用于需装拆结构和临时性连接。缺点：对构件截面有削弱；需增设辅助连接件，用料增加；需制孔对孔，工作量大，制造精度要求高。

普通螺栓分级A、B级（精制螺栓）：性能等级5.6级和8.8级，配Ⅰ类孔，孔径比螺杆大0.3~0.5mm，抗剪承压强度高，但成本高，较少采用。C级（粗制螺栓）：性能等级4.6级和4.8级，配Ⅱ类孔，孔径比螺杆大1.5~3.0mm，传递拉力性能好，常用于受拉安装螺栓和临时固定。

高强度螺栓分级性能等级：8.8级（45钢、35钢）和10.9级（40B钢、20MnTiB钢），抗拉强度分别不低于800和1000N/mm²。摩擦型：靠摩擦阻力传力，整体性好、变形小、耐疲劳，适用于动力荷载。承压型：允许滑移，承载力高但刚度差，适用于静力荷载。

建筑结构·11.1钢结构连接的种类及其特点7焊缝连接概述

焊缝连接是目前钢结构最主要的连接方法。其原理是通过电弧高温使焊条和焊件局部熔化，冷却后形成焊缝将构件连成整体。钢结构的连接设计必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。

优点①不削弱构件截面，节约材料②构造简单，对钢材任何方位、角度和形状一般都可直接连接③密封性能好，连接的刚度大④制造方便，可采用自动化作业，生产率高

缺点①焊缝附近钢材因焊接高温形成热影响区，材质变脆②焊接残余应力和残余变形，对承载力、刚度和使用性能有影响③对裂纹敏感，局部裂纹易扩展到整体，低温冷脆严重④塑性和韧性较差，施焊缺陷使疲劳强度降低

适用范围广泛应用于工厂制作连接和工地安装连接，是工业厂房、大跨度结构、高层建筑、桥梁等钢结构工程的首选连接方式；不适用于需经常拆装的结构和受强烈动力荷载且对疲劳敏感的特殊部位。

建筑结构·11.1钢结构连接的种类及其特点5铆钉连接与轻型钢结构紧固件连接

图11-1钢结构的连接方法

11.1.3铆钉连接的种类及特点铆钉连接有热铆和冷铆两种。热铆是将烧红的钉坯插入钉孔，用铆钉枪或压铆机挤压铆合；冷铆在常温下铆合。建筑结构中一般采用热铆。特点：传力可靠，塑性、韧性均较好；但制造费工费料，劳动强度高，施工麻烦，噪声大，劳动条件差，目前已极少采用。

11.1.4轻型钢结构的紧固件连接在冷弯薄壁轻型钢结构中经常采用射钉、自攻螺钉、钢拉铆钉等机械式连接方法。主要用于压型钢板之间及压型钢板与冷弯型钢等支承构件之间的连接。这类连接施工便捷，适用于轻型钢结构的围护系统。高强度螺栓连接节点实景

11.2

焊缝连接焊接方法·焊缝形式·质量级别·焊缝符号·构造要求

建筑结构·11.2焊缝连接711.2.1焊接方法

手工电弧焊图11-2手工电弧焊最常用焊接方法，设备简单、操作灵活，适用于任意空间位置。电弧温度高达3000℃。焊条：Q235用E43型，Q345用E50型，Q390/Q420用E55型。

自动/半自动埋弧焊图11-3自动埋弧焊焊丝成卷，焊剂覆盖焊件，电弧埋在焊剂内。焊缝质量稳定、内部缺陷少，质量比手工电弧焊高。半自动埋弧焊质量介于两者之间。

气体保护焊图11-4气体保护焊用稀有气体和CO₂气体在电弧周围形成保护层。焊缝强度高、抗腐蚀性好，适于全方位焊接。工地施焊须搭设防风棚。

建筑结构·11.2焊缝连接811.2.2焊缝连接与焊缝的形式

图11-5焊缝连接的形式（对接/搭接/T形/角连接）

焊缝连接的四种形式按被连接构件相对位置分为：对接连接（传力均匀、用料经济）、搭接连接（构造简单、施工方便）、T形连接（应力集中严重）、角连接（制作箱形截面）。

焊缝的形式分类按受力方向分：正对接焊缝、斜对接焊缝、角焊缝。角焊缝又分正面角焊缝（端缝）、侧面角焊缝（侧缝）和斜焊缝。按布置分连续角焊缝和断续角焊缝。图11-6焊缝形式

施焊位置与断续角焊缝要求按施焊位置分平焊、横焊、立焊、仰焊。平焊质量易保证，仰焊操作最差应尽量避免。断续角焊缝焊段长度l₁≥10h_f或50mm；净距：受压构件l≤15t，受拉构件l≤30t。

建筑结构·11.2焊缝连接911.2.3焊缝质量级别

图11-9焊缝缺陷

焊缝缺陷常见缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等。缺陷削弱受力面积、引起应力集中，降低强度、冲击韧性和冷弯性能。

质量验收方法（GB50205—2020）外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸。内部无损检验：广泛采用超声波检验，还可采用X射线和γ射线透视或拍片。

焊缝质量三级标准三级焊缝：只要求全部焊缝外观检查。二级焊缝：全部外观检查+部分焊缝超声波等内部无损检验。一级焊缝：全部外观检查+全部内部无损检验，且均符合相应级别质量标准。

质量等级规定要点（GB50017—2017）•需疲劳计算的横向对接焊缝：受拉一级，受压二级•不需疲劳计算的等强对接焊缝：受拉不低于二级，受压宜为二级•重级工作制吊车梁T形接头：不低于二级

建筑结构·11.2焊缝连接1011.2.4焊缝符号及标注方法

在钢结构施工图上，要用焊缝符号标明焊缝的形式、尺寸和辅助要求。依据《焊缝符号表示法》（GB/T324—2008）和《建筑结构制图标准》（GB/T50105—2010）。焊缝符号主要由引出线和基本符号组成，必要时加辅助符号、补充符号和栅线符号。表11-1焊缝符号（基本符号）

焊缝符号分类基本符号：表示焊缝横截面形状，如I形、V形、单边V形、K形、角焊缝、塞焊缝等。辅助符号：表示焊缝表面形状特征，如平面符号、凹面符号。补充符号：补充说明焊缝某些特征，如三面围焊、周边焊缝、工地现场焊、垫板、尾部符号等。栅线符号：表示正面焊缝、背面焊缝、安装焊缝。

建筑结构·11.2焊缝连接1111.2.5焊缝的构造——对接焊缝

图11-10对接焊缝常见的坡口形式

坡口形式与厚度选择对接焊缝又称坡口焊缝，常见坡口形式有I形、单边V形、V形、J形、U形、K形和X形。•较薄焊件（手工焊t=3~6mm）：I形坡口•中等厚度（手工焊t=6~16mm）：单边V形、V形或J形•较厚焊件（手工焊t>16mm）：U形、K形或X形

变宽变厚过渡与交叉焊缝不同宽度或厚度差值超过4mm时，应做坡度不大于1:2.5的斜坡。直接承受动力荷载结构坡度不大于1:4。T形交叉时间距a≥200mm。图11-11变宽变厚拼接图11-12交叉焊缝

引弧板：对接焊缝两端应设引弧板消除弧坑，材质与母材相同，焊后切除修磨。无法采用时，每条焊缝计算长度取实际长度减2t。图11-13引弧板

建筑结构·11.2焊缝连接12角焊缝的形式与有效厚度

图11-14角焊缝的形式（普通型/平坦型/凹面型）

角焊缝的截面形式直角角焊缝按截面形式分普通型、平坦型、凹面型三种。一般采用普通型，但应力集中严重。直接承受动力荷载时，正面角焊缝宜用平坦型，侧面角焊缝宜用凹面型。两个直角边长h_f称为焊脚尺寸。破坏常发生在45°喉部截面。图11-15角焊缝截面（正面/侧面/斜向角焊缝）

角焊缝按受力方向分类•正面角焊缝（端缝）：垂直于力作用方向•侧面角焊缝（侧缝）：平行于力作用方向•斜向角焊缝：与力作用方向成斜交

建筑结构·11.1~11.2小结1411.1~11.2小节小结

钢结构焊接施工现场

连接种类：焊缝连接（最主要）、螺栓连接（普通/高强度）、铆钉连接（极少用）、轻型紧固件连接（射钉/自攻螺钉/拉铆钉）

焊接方法：手工电弧焊（E43/E50/E55焊条）、自动/半自动埋弧焊（质量高）、气体保护焊（强度高需防风）

焊缝质量：分一/二/三级，一级要求最高。对接焊缝需开坡口（I/V/U/K/X形），设引弧板消除弧坑

角焊缝构造：有效厚度h_e=0.7h_f，焊脚尺寸有最大最小值，计算长度8h_f≤l_w≤60h_f，搭接长度≥5t_min，转角绕角焊

11.3

普通螺栓连接螺栓规格与排列·构造要求·受剪/受拉/拉剪复合受力

建筑结构·11.3普通螺栓连接1611.3.1普通螺栓连接的构造

螺栓规格与图例普通螺栓为六角头型，代号M+公称直径，常用M16、M20、M24。施工图例分永久螺栓、安装螺栓、高强度螺栓、圆形螺栓孔、长圆形螺栓孔（表11-3）。

螺栓排列形式与要求并列：简单但截面削弱大；错列：紧凑减少削弱但排列较繁。需满足受力、构造、施工三方面要求。中心间距、端距、边距的最大最小限值见表11-4。表11-3螺栓及孔图例表11-4螺栓间距限值

构造要求（4条）①每一杆件节点及拼接接头一端，永久性螺栓不宜少于2个②直接承受动力荷载的受拉螺栓应采用双螺帽或弹簧垫圈防松③C级螺栓宜用于沿杆轴受拉连接，重要连接不得用C级螺栓受剪④高强度螺栓拼接件宜采用钢板（型钢抗弯刚度大不易贴合）

建筑结构·11.3普通螺栓连接1711.3.2普通螺栓连接的受力性能

图11-21螺栓按传力方式分类图11-23受剪螺栓五种破坏形式

受剪螺栓连接依靠螺杆受剪和孔壁承压传力。经历弹性→滑移→弹塑性三阶段。五种破坏形式：①螺杆剪断②板件挤压③板件拉断④端部冲剪⑤螺杆弯曲。

受拉螺栓连接螺杆直接承受拉力，破坏形式为螺杆在螺纹削弱处被拉断。弯矩作用下近似绕最底排螺栓旋转，顶排螺栓拉力最大，与到转动轴距离成正比。

同时受拉受剪螺栓连接偏心力F简化为剪力V=F和弯矩M=Fe，螺栓同时承受剪力和拉力。两种破坏形式：①螺杆受剪兼受拉破坏②孔壁承压破坏。C级螺栓一般不允许受剪，可设承托受剪，螺栓只受拉力。

建筑结构·11.3普通螺栓连接21螺栓群的受力性能

实际工程中螺栓通常以螺栓群形式布置。螺栓群的受力特点与荷载作用方式密切相关，分为轴心受剪、轴心受拉和偏心受力三种基本情况。弹性阶段各螺栓受力不均，进入塑性阶段后各螺栓承担的荷载逐渐趋于相等。

轴心受剪螺栓群外力通过螺栓群形心，各螺栓均匀受剪。弹性阶段：两端螺栓受力大，中间螺栓受力小。塑性阶段：各螺栓荷载逐渐接近，最终趋于相等。连接经历弹性→滑移→弹塑性三个阶段。验算：N≤n×Nv^b（单螺栓抗剪承载力）。

轴心受拉螺栓群外力通过螺栓群形心，各螺栓均匀受拉。破坏形式：螺杆在螺纹削弱截面处被拉断。假定各螺栓均匀承受拉力，拉力平均分配。直接承受动力荷载时应采用双螺帽或弹簧垫圈防松。验算：N≤n×Nt^b（单螺栓抗拉承载力）。

偏心受力螺栓群偏心力F向螺栓群简化为剪力V和弯矩M。弯矩受拉：近似绕最底排螺栓旋转，各排拉力与到转动轴距离y成正比，顶排螺栓拉力最大。螺栓同时承受剪力和拉力，需验算拉剪复合作用。C级螺栓不宜受剪，可设承托传递剪力。

构造要求每一杆件在节点上及拼接接头一端，永久性螺栓不宜少于2个；螺栓排列应满足受力、构造和施工要求，中距、端距、边距须符合GB50017-2017规定的最大最小限值。

11.4

高强度螺栓连接材料性能等级·紧固方法·预拉力计算·抗滑移系数

建筑结构·11.4高强度螺栓连接19高强度螺栓的材料与紧固方法

图11-26高强度螺栓（大六角头型/扭剪型）

11.4.1材料和性能等级8.8级：45钢、35钢制成，抗拉强度≥800N/mm²，屈强比0.810.9级：20MnTiB钢、40B钢、35VB钢制成，抗拉强度≥1000N/mm²，屈强比0.9螺母常用45钢、35钢；垫圈常用45钢、35钢。均需热处理。

11.4.2三种紧固方法（1）转角法：普通扳手初拧贴合，再以初拧位置为起点旋转螺母至终拧角度。工具简单但不够精确。（2）扭矩法：用定扭矩测力扳手终拧，初拧不小于终拧扭矩50%，施拧偏差不超过±10%。（3）扭掉梅花卡头法：扭剪型螺栓专用，电动扳手双套筒反向转动，梅花卡头剪断时预拉力达设计值，安装后一般不拆卸。

摩擦型vs承压型摩擦型：靠摩擦阻力传力，剪力不超过摩擦力为准则。整体性好、变形小、耐疲劳，适用于动力荷载。孔径比螺杆大1.5~2.0mm。承压型：允许滑移，以极限承载力为准则。承载力高但刚度差、剪切变形大，适用于静力荷载。孔径比螺杆大1.0~1.5mm。

建筑结构·11.4高强度螺栓连接20高强度螺栓的预拉力与抗滑移系数

预拉力计算公式（GB50017—2017）Ae—螺纹处有效面积；fu—螺栓最低抗拉强度（8.8级830N/mm²，10.9级1040N/mm²）表11-8高强度螺栓预拉力P值（kN）

公式系数含义系数1.2考虑拧紧时螺杆内剪应力影响；三个0.9分别考虑：螺栓材质不均匀性、补偿紧固后松弛损失、以抗拉强度为准的附加安全系数。表11-9摩擦面抗滑移系数μ值

摩擦面处理方法与μ值提高μ是提高连接承载力的有效措施。推荐方法：喷砂(丸)μ=0.45~0.50、喷砂后涂无机富锌漆μ=0.35~0.40、喷砂后生赤锈μ=0.45~0.50、钢丝刷清浮锈μ=0.30~0.40。

建筑结构·11.4高强度螺栓连接26摩擦型与承压型高强度螺栓对比

对比维度

摩擦型高强度螺栓

承压型高强度螺栓

传力机理

只依靠摩擦阻力传力，以剪力不超过接触面摩擦力为设计准则，不允许接触面滑移。

允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限承载力为设计准则，靠螺杆受剪和孔壁承压传力。

承载力与变形

承载力较低，但整体性和连接刚度好、变形小，受力可靠。孔径d0比螺杆d大1.5~2.0mm。

设计承载力高于摩擦型，但整体性和刚度较差、剪切变形大。孔径d0比螺杆d大1.0~1.5mm。

动力性能

耐疲劳、抗动力荷载性能好，特别适用于承受动力荷载的结构。

动力性能差，仅适用于承受静力或间接动力荷载的结构。

适用范围

起重机梁、桥梁、大跨度桁架等直接承受动力荷载的重要连接；抗震结构的关键节点。

承受静力或间接动力荷载结构中允许发生一定滑移变形的连接。

工程提示：高强度螺栓连接的缺点是在扳手、材料、制造和安装方面有特殊技术要求，价格较贵。同一结构中摩擦型与承压型不得混用，重要动力荷载结构应优先选用摩擦型。

建筑结构·项目11识别钢结构连接21全章知识体系总结

11.1连接种类•焊缝连接特点•普通螺栓A/B/C级•高强度螺栓8.8/10.9级•摩擦型/承压型•铆钉连接（热铆/冷铆）•轻型紧固件连接•图11-1

11.2焊缝连接•三种焊接方法•对接/搭接/T形/角连接•焊缝质量一/二/三级•焊缝符号（表11-1）•对接焊缝坡口构造•角焊缝h_e=0.7h_f•构造要求8条（表11-2）•图11-2~11-19

11.3普通螺栓•螺栓规格M16~M24•并列/错列排列•间距限值（表11-4）•型钢线距（表11-5~7）•构造要求4条•受剪/受拉/拉剪复合•五种破坏形式•图11-20~11-25

11.4高强度螺栓•8