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1、第三章 钢结构的连接 Connections,连接的类型 Connection types,钢结构是由各种构件连接而成。 常用的连接方法： Welded Connections 焊接连接对接焊缝、角焊缝 Bolted Connections 螺栓连接普通螺栓、高强螺栓 Rivets 铆钉连接 Fasteners 紧固件连接,1、焊缝连接 20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现代钢结构最 主要的连接方法之一。 优点：不削弱构件截面，构造简单，节约钢材，加工方便，可采用自动化操作，生产效率高。刚度较大、密封性能好。 缺点：焊缝附近存在热影响区，由高温快速降到常温，使钢材脆性加大；存在焊接残
2、余应力及残余变形；焊接结构低温冷脆问题也比较突出。,2、铆钉连接 19世纪2030年代出现铆钉连接。把铆钉加热到10001500oC，用铆钉枪铆合。 优点：塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查和保证，可用于承受动载的重型结构。 缺点：工艺复杂、噪音大、劳动条件差，用钢量大，现已很少采用。,3、螺栓连接 1）普通螺栓连接 （1）C级螺栓连接：用圆钢制成，杆身粗糙，尺寸不很准确。主要用于受拉连接和安装螺栓。 （2）A、B级螺栓连接：螺杆机加工制成，尺寸准确，孔加工精度高。制造安装费工。A级：d24mm，l150mm 和10d，B级：d24mm，l150mm 和10d。,2). 高强度螺栓连接 2
3、0世纪中钢结构开始采用。 高强度螺栓则用高强度钢材制成并经热处理。拧紧螺栓使板件接触面产生很大摩擦力，依靠摩擦力传力。连接紧密，耐疲劳，承受动载可靠。是现代钢结构最主要的连接方法之一。,(a) 焊接 （b）螺栓连接 （C）铆钉连接,焊 接 电弧焊的原理和焊接方法 手工电弧焊 自动（或半自动）埋弧焊 气体保护焊 焊接结构的特性和焊缝连接类型 焊缝代号（符号） 焊缝强度,手工电弧焊 电焊机的一个电极连接于钢焊件，另一个电极连接于焊把，焊把夹住焊条，将焊条与焊件接触形成“短路”，焊条与焊件间遂发生电子放射而产生电弧。电弧温度很高，把焊件钢材局部熔化形成熔池，同时焊条上的金属熔化吹入熔池，冷却后形成焊
4、缝金属。 用于Q235钢的焊条： E43xx 用于Q345钢的焊条： E50xx 用于Q390、Q420钢的焊条： E55xx 后面两位分别表示药皮类型和适用电源为 交流还是直流电,焊条与工件之间的气体介质产生强烈的放电现象，伴有弧光。,自动埋弧焊 通电后，电弧发生在裸焊丝与焊件母材之间，电弧不外露，是埋在焊剂层内发生的，故名埋弧焊。 电焊机自动向前移动自动埋弧焊。 电焊机靠人工移动半自动埋弧焊。 Q235钢：H08、H08A焊丝 + 焊 剂（F4xx) 例如: F4A0H08A 低合金钢：H08A、H08MnA、H10Mn2焊丝 + 焊剂（F5xxx) 例如：F5014H08MnA,气体保护
5、焊 气体保护焊，采用从焊枪中喷出的气体保护施焊过程中的电弧、熔池和高温焊缝金属，用保护气体代替焊剂。 钢结构采用CO2气体保护焊。 CO2气体保护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈能力，焊缝不易产生气孔，适用于碳素钢、低合金高强度钢以及其他合金钢的焊接。,CO2气体保护焊机,电阻焊 电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊接，常用电阻点焊，板叠总厚度一般不超过12mm，焊点应主要承受剪力，其抗拉(撕裂)能力较差。,焊接结构的特点,与螺栓连接相比较，具有如下优点： 1 焊缝连接不需钻孔，截面尺寸无削弱，不需要额外的连接钢板，省工省料，
6、经济； 2 焊接结构密封性好，刚度大和整体性好； 3 可用于钢管间的Y形和T形复杂连接。 缺陷：在附近的主体金属中形成“热影响区”（大致56mm)，易导致材质变脆； 焊缝易存在各种缺陷： 焊接残余应力、 焊接残余应变、 局部裂纹、 咬边、气孔、夹渣、 母材被烧穿等。,裂纹 焊瘤 烧穿 弧坑 气孔,夹渣 咬边 未熔合 未焊透,焊接连接形式和焊缝形式,接头形式： 对接接头 搭接接头 T形接头 焊缝类别： 对接焊缝 坡口焊缝 Groove Weld 角焊缝 侧面角焊缝、正面角焊缝 Fillet Weld 多为直角焊缝，少数为斜角焊缝 焊接位置：平焊、横焊、立焊、仰焊,焊缝若按其工作性质来分有强度焊缝
7、和密强焊缝两种。强度焊缝只作为传递内力之用，密强焊缝除传递内力外，还须保证不使气体或液体渗漏。,焊缝代号 焊缝符号表示法焊缝符号：指引线+基本符号,焊缝强度： 公桥规 受拉的焊缝容许应力与基本钢材的容许应力相同，受剪的焊缝容许应力与基本钢材的容许剪应力相同。 工民建钢结构对接焊缝抗拉强度对一级、二级焊缝取母材的强度，三级焊缝降低15%左右（表3-1）；水工钢闸门等水工钢结构，采用焊缝的容许应力（表3-2 ）,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； 对全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤仪检查内部缺陷，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用x射线探伤检查，符合
8、国家相应质量标准的要求。 一级100%探伤，二级20%探伤,角焊缝的抗剪强度： Q235钢 160MPa Q345钢 200MPa Q390钢、Q420钢 220MPa,对接焊缝连接的构造和计算 Details &. Design of Groove Welds,一、构造要求 二、焊缝强度计算方法 三、例题,施工要求： 钢结构工程施工及验收规范规定对焊缝施焊时，应在焊缝的两端设置引弧板，引弧板将焊缝引出的长度：埋弧焊大于50mm，手工电弧焊和气体保护焊大于20mm。 当设置引弧板有困难时，可不设引弧板，但焊缝长度等于实际长度减去2t (t为焊件的较小厚度）。 焊接完毕，用气割将引弧板切除，并将
9、焊件边缘修磨平整，严禁用锤敲掉引弧板。 转角处尽可能连续施焊。,构造要点,1.对接焊缝必须焊透，焊件边缘应加工成相应的坡口； 2.在对接焊缝的拼接处，当两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做成坡度不大于1:2.5的斜坡（直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算时不大于1：4）； 3.采用对接焊缝拼接钢板时，纵横两方向的对接焊缝，可采用十字形交叉或T形交叉。T形交叉点应分散，其间距不得小于200mm。,强度计算,1、承担轴心力 2、承担弯矩和剪力,在正应力和剪应力同时作用点处：,1.1为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系数。,采用斜焊缝时（三级焊缝）,
10、当 时，即 时 斜焊缝与钢板等强。 规范规定，当斜焊缝与作用力N间的夹角符合tg1.5 (即 56.3)时，可不验算其强度。工程中通常取=45。 一般情况下，按一、二级焊缝质量要求时，且有引弧板，对接焊缝的强度没有必要验算。,该例题表明当tan 1.5时，焊缝强度能够保证，可不验算。,P46 例3-2,角焊缝为沿两直交或斜交焊件的交线焊接的焊缝，可用于对接、搭接以及直角或斜角相交的T形和角接接头中。角焊缝施焊时板边不需要加工坡口，施焊较方便。 角焊缝两焊脚边的夹角一般为90。（直角角焊缝），若该夹角大于或小于90。 ；则称为斜角角焊缝。,角焊缝的构造和计算 Configuration &. D
11、esign of Fillet Weld,侧面角焊缝、 正面角焊缝,构造要点,1. 最小焊脚尺寸 hf min 手工焊： 自动焊： T形连接单面焊缝： 当焊件厚度 式中 t 为较厚焊件的厚度（mm) 2. 最大焊脚尺寸 hf max t为较薄焊件的厚度。 板件厚度为t1的板件边缘焊缝尚应满足： (1) (2),为什么焊脚尺寸不能过小？ 焊脚尺寸过小，在施焊过程中高温的焊缝热量很快被焊件吸收，焊缝冷却过快，焊缝易变脆。 为什么焊脚尺寸也不能过大？ 焊脚尺寸过大，可能造成焊件过烧或被烧穿； 焊脚尺寸过大，冷却时的收缩变形加大，增大焊接应力，焊件易产生翘曲变形。,3. 焊缝的计算长度 1). 角焊缝
12、的计算长度不宜过小； 2). 侧面角焊缝不宜过长； (静载)； (动载) lw若超出上述规定值，超长部分不予考虑。 侧面角焊缝沿长度方向受力不均匀，两端大而中间小，故规定有效长度。 若内力是沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限制。 4. 在端焊缝的搭接连接中，搭接长度5t1及25mm 5. 在次要构件或次要焊缝中，由于焊缝受力不大，可采用间断焊缝。 焊段长度 焊段净距 t1为较薄焊件厚度,仅有两边侧面焊缝时， 且要同时满足 否则，应加槽焊。,主要承受纵向剪应力，沿焊缝长度方向分布不均匀，两端剪应力大，中间较小。破坏前由于塑性发展，逐渐趋向均匀。 剪切破坏通常发生在焊缝截面三角形的最小厚度
13、的平面上。 he=hfcos450.7hf,侧面角焊缝的受力及破坏情况,焊角尺寸：hf,1）焊缝的破坏面,直角焊缝的基本计算公式,试验表明，直角角焊缝的破坏常沿有效厚度方向发生。,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。,2）有效截面上的应力状态,角焊缝有效截面上的应力,国际标准化组织（ISO）推荐下式确定角焊缝的极限强度,在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： 正应力，与焊缝长度方向（面外垂直） 剪应力，与焊缝长度方向（面内平行） 剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直）,式中： fuw
14、-焊缝金属的抗拉强度,ffw角焊缝强度设计值,我国规范采用了折算应力公式，引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为：,出于偏于安全考虑，且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会（ECCS），将上式的1.8改为3，即：,ffw由角焊缝抗剪条件确定，所以公式右边相当于角焊缝抗拉强度设计值。,直角角焊缝的计算,如图所示承受互相垂直的Ny、Nx两个轴心力作用的直角角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力f，其在有效截面上引起的应力值为：,f 对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为 和 。,对直角角焊缝 ：,3）实用计算方法,直角角焊缝的计算,沿焊缝长度方向的力Nx，在有效截面上
15、引起平行于焊缝长度方向的剪应力 f。,则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：,f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时 f 1.22，对直接承受动力荷载的结构， f 1.0 。,正面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向垂直。,侧面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向平行。,以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。,钢结构设计规范 GB 50017-2003,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、仅采用侧面角焊缝连接,Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,角焊缝计算长度=l实-2hf,B、采用三面围焊连接,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,解 ：双面盖板每面盖板所需截面积： b1t1=N(2f)1400103(2215)=3256 mm2： 盖板 450 8mm (3600mm2) 采用三面围焊 hf=6 mm （1）端焊缝的承载力 侧面焊缝长度 实际取260mm。,(2）承受斜向轴心力的角焊缝,平
