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1、第 3 章 钢结构的连接,主要内容,3.1 钢结构的连接方法,3.2 焊接连接的特性,3.3 对接焊缝的构造和计算,3.4 角焊缝的构造和计算,3.5 焊接残余应力和残余变形,3.6 普通螺栓连接的构造和计算,3.7 高强度螺栓连接,焊接连接,螺栓连接,连接的方式 焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接,连接的原则 安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材,图3-1 连接的方式,螺栓连接,铆钉连接,焊接连接,3.1 钢结构的连接方法,3.2 焊接连接的特性,1.电弧焊,1）手工电弧焊,2）自动半自动埋弧焊,1）手工电弧焊,原理：利用电弧产生热量熔化涂有焊药焊条和母材形成焊缝。,优点：方便，适应性
2、强，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接，应用最广泛。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。,3.2.1. 焊接方法,A、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-E5518),Q345钢选择E50型焊条 (E5001-E5048),Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为焊条钢丝的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。,不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,2）埋弧焊（自动或半
3、自动）,光焊丝埋在焊剂下，通电后电弧使焊丝、焊件、焊剂熔化形成焊缝。 焊剂溶化后形成焊渣浮在溶化金属表面，隔绝空气接触，供给必要的合金元素。,优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊缝质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限。,3）气体保护焊,利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵入。,优点：没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。 缺点：施工条件受限制，不适用于在风较大的地方施焊。,2.电阻焊,利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属，再通过压力使其焊合。适用于板叠厚度不大于12的焊接。,缺点,* 构造
4、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，整体性好。,* 材质易变脆焊缝附近钢材由于施焊时高温作用形成热影响区使钢材力学性能发生变化； * 产生残余应力、残余应变、焊接缺陷，发生脆性破坏焊接过程冷热不均。 * 对裂纹十分敏感-焊接刚度大且材料连续，使局部裂纹一经发生便容易扩展到整体。,优点,现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛。,3.2.2. 焊缝连接的特点,3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量等级,焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气
5、孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。,1.焊缝缺陷,2. 焊缝质量检验,钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。,外观检查（肉眼）尺寸偏差、表面缺陷； 无损检验（仪器）检验内部缺陷（超声波探伤、X射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤）。,二级焊缝：外观检查+无损检验（超声波探伤）合格，用于受较大拉应力的重要连接。 20% 一级焊缝：外观检查+无损检验（超声波探伤、X射线探伤）合格，用于抗动力、需要验算疲劳的重要连接。100%,三级焊缝：外观检查且符合三级质量标准，适用于一般连接。,3.2.4 焊缝连接形
6、式及焊缝形式,（1）焊接连接形式：按被连接件的相对位置分为对接、搭接、T形连接和角部连接。,1. 连接形式,2. 焊缝形式,对接焊缝:按所受力方向分 1）直对接焊缝: 2）斜对接焊缝,角焊缝: 按所受力方向分 1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。,分为对接焊缝和角焊缝。,（1）按焊缝截面形式,（2）角焊缝沿长度方向的布置,1）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。 2）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中。,不重要或受力小的构件，可采用间断角焊缝连接,平焊、立焊、横焊和仰焊。,图3.1.6 施焊方式,(3) 焊接位置,3.2
7、.5 焊缝表示方法,焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成,焊缝符号表示法（GB/T324-1988）,建筑结构制图标准（GB/T50105-2001）,1. 对接焊缝的坡口形式,3.3 对接焊缝的构造和计算,3.3.1 对接焊缝的构造,直边缝,单边V形缝,双边V形缝,U形缝,X形缝,K形缝,1）在对接焊缝的拼接处，当焊件的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的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。,2.对接焊缝的构造处理,2）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。,3）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设
8、置引弧板和引出板，焊后将它们割除。,一般受静力荷载的结构，也可不设引弧板，但焊缝的计算长度比实际长度减小2t或2hf。,对接焊缝的强度,1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2）三级质量的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%。 3）一、二级质量的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。,3.3.2 对接焊缝的计算,1. 轴心受力,（3-1）,N轴心拉力或压力设计值 lw焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。 t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度 ; ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（见附表4）。,与构件母材强度计算
9、方法相同，采用材料力学的计算公式 一、二级对接焊缝不需计算。 三级焊缝受拉时，才验算。,当正焊缝连接不能满足强度要求时，可采用斜焊缝，计算公式：,b,lw斜焊缝计算长度。加引弧板时， lwb/sinq； 不加引弧板时，lwb/sinq2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。,规范规定，当斜焊缝倾角 56.3，即tan 1.5时，可 认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。,2. 承受弯距和剪力联合作用的对接焊缝,焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度公式：,（3-3）,（3-2）,M焊缝承受的弯矩； Ww焊缝截面模量。,V焊缝承受
10、的剪力； Iw焊缝计算截面惯性矩； Sw焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩。,对于工字形或T形截面除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:,（3-4）,式中 : 1、1为腹板与翼缘交接处、的正应力和剪应力。 1.1为考虑到最大折算应力只在焊缝局部出现，而将焊缝强度设计值适当提高的系数。,工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。,3. 受轴力、弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：,（3.2*）,（3.3*）,（3
11、.4*）,1,对接焊缝计算步骤,确定荷载作用下内力（弯矩，轴力，剪力） 进行截面应力状态分析 计算截面几何特征值 强度验算。,-不同作用情况下对接焊缝计算（矩形、I形）,试验算如图3-21所示钢板的对接焊缝的强度。钢板宽度为200MM,板厚为14MM，轴心拉力设计值为N=490KN，钢材为Q235,手工焊，焊条为E43型，焊缝质量标准为三级，施焊时不加引弧板。,【例题3.1】,解】焊缝计算长度,强度计算公式：,不满足要求，改为斜对接焊缝。角度为56度。,焊缝计算长度,强度计算公式：,计算如图3-22所示T形截面牛腿与柱翼缘连接的对接焊缝 。牛腿翼缘宽130mm。厚12mm，腹板高200mm，厚
12、10mm。力作用点到焊缝截面距离E=200mm。钢材为Q235，焊条E50型，焊缝质量标准为三级，施焊时不加引弧板。对接焊缝连接。V=100kN，钢材Q390，E55焊条，手工焊，质量等级为三级，不采用引弧板。,【例题3.2】,2. 荷载计算,1. 截面几何特征值计算,【解】,x,x0,106,12,190,10,3. 焊缝强度验算,验算如图所示的钢板对接焊缝的连接。M=1008kN.m，V=240KN，钢材Q235，E43焊条，手工焊，质量等级为三级，采用引弧板。,1. 截面几何特征值计算,【例题4.1】,【解】,2. 焊缝强度计算,3.4.1 角焊缝的形式和强度,3.4 角焊缝的构造和计算
13、,角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。,通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。对承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用（b）的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹面式（c）。,hf焊脚尺寸； he有效厚度（破坏面上焊缝厚度，he hfcos/2）,（1）直角角焊缝,两焊边的夹角90或90的焊缝。通常用于钢漏斗和钢管结构中。,hf焊脚尺寸； he有效厚度（破坏面上焊缝厚度，he hfcos/2）,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,（2）斜角角焊缝,（2）正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，应力状态较复杂。焊缝截面各面都有正应力和剪应
14、力，分布不均匀，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度高，但塑性差，弹性模量大。,（1）侧面角焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行，应力分布简单。主要承受剪应力，弹性阶段分布并不均匀，剪应力两端大，中间小；强度低，但塑性较好。当受力增大两端出现塑性变形，产生应力重分布，在规定长度内，剪应力分布可趋于均匀。,角焊缝的工作性能,图3.3.3 角焊缝的应力分布,图 角焊缝荷载与变形关系,2. 斜焊缝的受力性能和强度介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。,q为试验焊缝与试件水平方向的夹角。,结论： 1. 正面角焊缝的破坏强度比侧面角焊缝高。,3.4.2角焊缝的构造要求,原因：为了保证焊缝的最小承载能力以及防止
15、焊缝由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂。,1. 最小焊脚尺寸(hf,min),手工焊角焊缝：,t较厚焊件的厚度。,自动焊（温度高而均匀）：,焊件厚度t4mm时：取hfmin= t,T形连接单面角焊缝（冷却快）：,2. 最大焊脚尺寸(hfmax),对板件（厚度t ）边缘的角焊缝（贴边焊），尚应符合： 1）当t6mm时，hfmaxt ； 2）当t6mm时，hfmaxt - (12)mm 。,原因：为了避免焊缝局部过热，烧穿较薄的焊件，同时减小焊缝收缩时产生的焊接残余应力和残余变形。hf,max应满足以下要求:,hfmax 1.2t,t较薄焊件的板厚。,焊脚尺寸的取值 hfmin hf hf
16、max,3.最小计算长度（lwmin）,原因：角焊缝的焊脚尺寸大而长度小时，焊件的局部加热严重，焊缝起弧灭弧造成的弧坑相距太近，加上其他可能产生的缺陷使焊缝不够牢靠：,侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：,lwmin8hf 和40mm,角焊缝计算长度（lw）取值 lwminlw lwmax,4.侧焊缝最大计算长度（lwmax）,原因：侧面角焊缝的应力沿长度分布不均匀，两端大，中间小。试验结果表明，侧面角焊缝的长度和焊脚尺寸之比越大，应力分布的不均匀性也越大。当比值过大时，端部焊缝的局部高峰应力部位会提前破坏，这时焊缝长度中部的应力还较低。这种现象对承受动力荷载的构件尤其不利。,Lwmax60hf,故需满足：,为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，两侧面角焊缝距离不宜过大。超过此规定，应加正面角焊缝。 b16t
