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1、第三章,钢结构的连接,1.了解钢结构连接的种类及各自的特点； 2.了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算方法及构造要求； 3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响； 4.了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算和构造要求。,3.1 钢结构的连接方法,一、焊缝连接,构件的一部分,不是构件的一部分,二、铆钉连接,三、螺栓连接,分为： 普通螺栓连接 高强度螺栓连接,与低强度钢材相适应的焊条,2.埋弧焊（自动或半自动）,MZ系列自动埋弧焊机,门型埋弧焊机,3.气体保护焊,二、焊接连接形式和焊缝形式,1.焊接连接形式,对接、搭接、形连接、角部连接,2.焊缝形式,（1）对接焊缝,（2
2、）角焊缝,3. 焊缝位置,1.焊缝质量检查,钢结构工程施工及验收规范规定：,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、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,三、焊缝缺陷及焊缝质量检查,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷。,内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方 法。还可以采用X射线或 射线透照或拍片。,2.焊缝缺陷,四.焊缝代号,1、角焊缝的形式:,一、角焊缝的形式和受力分析,3.3 角焊缝的构造与计算,直角角焊缝、斜角角焊缝,（1
3、）直角角焊缝,（2）斜角角焊缝,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,（1）侧面角焊缝（侧焊缝）,2.直角角焊缝的受力分析,A. 应力分析,焊缝轴线与作用力平行,B. 破坏形式,（2）正面角焊缝（端焊缝）,A. 应力分析,焊缝轴线与作用力垂直,B. 正面角焊缝的破坏形式,（3）斜角焊缝,焊缝轴线与作用力成一定角度,二、角焊缝的构造要求,1、最大焊脚尺寸hf,max,为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:,hf,max1.2t1（钢管结构除外） 式中: t1-较薄焊件厚度。,对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求： 当
4、t6mm时，hf,maxt； 当 t6mm时，hf,maxt-(12)mm；,2、最小焊脚尺寸hf,min,为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:,式中: t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 当t24mm时, hf,min=t2,3.侧面角焊缝的最大计算长度,如果焊缝长度太大，焊缝两端首先达到屈服强度，继续加载，应力不会渐趋均匀，破坏首先发生在焊缝两端。规范规定：,4.侧面角焊缝的最小计算长度,焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。
5、规范规定：,5. 搭接连接的构造要求（自学）教材29,为什么限制角焊缝的最大、最小焊脚高度？限制值是多少？,为什么限制侧面角焊缝的最大、最小计算长度？限制值是多少？,三、直角角焊缝的强度基本计算公式,试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为有效截面（计算截面）,1、有效截面,2、有效截面上的应力及大小,3、直角角焊缝的强度基本计算公式,规范假定：焊缝在有效截面处破坏，有效截面各应力分量满足以下折算应力公式:,由于我国规范给定的角焊 缝强度设计值，是根据抗剪条 件确定的故上式又可表达为：,基本公式,基本计算公式：,将33、34式，代入32式得：,f正面角焊缝强度增大系数；
6、静载时取1.22，动载时取1.0。,（35）,对于正面角焊缝:,f=0，由35式得：,对于侧面角焊缝：,f=0，由35式得：,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,如只有起弧或灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去hf,四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算,1、轴心力作用下,(1)轴心力作用下的盖板对接连接:,B、采用三面围焊连接：,A、采用侧面焊缝连接：,端焊缝受力：,(2)T形角焊缝连接,代入式3-5验算焊缝强度，即:,(3)角钢角焊缝连接,、仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得:,故:,对于校核问题:,对于设计问题:,B
7、、采用三面围焊,由力及力矩平衡得:,余下的问题同情况A，即:,对于校核问题:,对于设计问题:,C、采用L形围焊,代入下式3-20，3-21得:,对于设计问题:,轴心力作用下角焊缝计算,(1)轴心力作用下的盖板对接连接:,(2)T形角焊缝连接,(3)角钢角焊缝连接,2、N、M、V共同作用下,(1）偏心轴力作用下角焊缝强度计算,“A”点为最不利点,(2) 工字形截面在V、M共同作用下焊缝强度计算,对于A点：,式中：Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩； h1两翼缘焊缝最外侧间的距离。,对于B点：,强度验算公式：,式中：h2、lw,2腹板焊缝的计算长度； he,2腹板焊缝截面有效高度。,假定: A、
8、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势； B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比； C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,3、T、V共同作用下,将F向焊缝群形心 简化得: V=F T=F(e1+e2),故：该连接的设计控制点 为A点和A点,T作用下A点应力:,将其沿x轴 和y轴分解:,剪力V作用下,A点应力:,A点垂直于焊缝长度方 向的应力为:,A点平行于焊缝长度方 向的应力为:,强度验算公式：,思考:以上计算方法为近似计算，为什么?,（2）、共同作用下角焊缝强度计算,五、斜角角焊缝的计算（自学）,1、其斜角角焊缝
9、采用与直角角焊缝相同的计算公式，且统一取f=1.0。,2、斜角角焊缝的计算厚度hei的确定,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造,3.4 对接焊缝的构造与计算,对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。,(2)t=720mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;,(3)t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊； 3、采用引弧板施焊，焊完后将其切去，不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去21 t1较薄焊件厚度； 4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓
10、过度，减小应力集中。,对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种； 动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝； 对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不予计算。三级焊缝需进行计算； 对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。,二、对接焊缝的计算,1、轴心力作用下的对接焊缝计算,式中： N轴心拉力或压力； t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度； ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。,当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。,另:当tan1.5时,不用验算!,2、M、V共同作用下的对接焊缝计算,因焊缝截面为矩形，M、 V共同作
11、用下应力图为：,故其强度计算公式为：,式中：Ww焊缝截面模量； Sw-焊缝截面面积矩； Iw-焊缝截面惯性矩。,（1）板件间对接连接,（2）工字形截面梁对接连接计算（自学）,A、验算焊缝的max和max,B、验算翼缘与腹板交接点焊缝的折算应力,35 焊接应力和焊接变形,1、焊接残余应力的分类 A、纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向; B、横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向; C、沿厚度方向的焊接残余应力。,焊接残余应力:由于焊接时不均匀加热和不均匀冷却而在构件内部产生的自相平衡的内力。,一、焊接残余应力的分类及其产生的原因,2、焊接残余应力产生的原因,（1）纵向焊接残余应力,焊件上产生不均匀的温度
12、场,焊缝处产生热态塑性压缩,焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力,原因：,（2）横向焊接残余应力,原因：,1、焊缝纵向收缩，钢板趋于形成反方向的弯曲变形； 2、已凝固的焊缝阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形。,（3）沿厚度方向的焊接残余应力,沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。,原因：,二、焊接残余应力对结构性能的影响,1、对结构静力强度的影响,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到fy所承受的外力Ny：,2、对结构刚度的影响,A、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该部分刚度为零（
13、屈服），这时在N作用下应变增量为：,因为B-b 2。,结论： 焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。,B、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：,焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。,3、对压杆稳定的影响,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向,4、对低温冷脆的影响,5、对疲劳强度的影响,焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。,三、焊接变形,焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施（自学）,1、
14、设计上的措施； 2、加工工艺上的措施 采用合理的施焊顺序：分段退焊、工字钢对角跳焊、钢板分块拼接正确施焊顺序。,36 螺栓连接的构造,一、螺栓的种类,1.普通螺栓,C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级； 4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) 13mm。,A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级; 5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6 或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。,按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,2.高强度螺栓,由4
15、5号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理,45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级,大六角型,扭剪型,圆头焊钉,钢网架螺栓球节点用,二、螺栓的排列,螺栓排列的要求,三、螺栓连接的构造要求 教材P50,37 普通螺栓连接计算,一、螺栓连接的受力形式及特点,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,二、普通螺栓抗剪连接,（一）工作性能和破坏形式 1.工作性能 通过试验由a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线得到抗剪螺栓受力的四个阶段,即：,(2)滑移阶段(12段),(1)摩擦传力的弹性阶段(01段),4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。,(3)
16、栓杆传力的弹性阶段(23段),(4)弹塑性阶段(34段),2.破坏形式,（1）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时 （2）孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时 （3）板件被拉断 截面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。,（4）板件端部被剪坏(拉豁) 端矩过小时；端矩不应小于2dO,（5）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d,（二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值,由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:,nv剪切面数目； d螺栓杆直径； fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值；附表1.3 t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,剪切面数目nv,（三）普通螺栓群抗剪连接计算,1、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算,试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分
