钢结构的连接

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1、第4章 钢结构的连接,本章导学,导学提示 本章主要介绍钢结构的连接方法及其特点，常用的焊接方法和焊缝形式，焊缝缺陷对其承载力的影响及质量检验方法，焊接残余应力和焊接残余变形的种类、产生原因及其影响，以及减少和消除的方法。螺栓连接的构造要求和各种螺栓的表示方法。对接焊缝和角焊缝的构造与计算、普通螺栓和高强度螺栓连接的工作性能和强度计算。,本章要求 1.了解焊接连接的方法和焊缝连接的形式； 2.理解焊接残余应力产生的原因，焊接残余变形对结构性能的影响； 3.深刻理解对接焊缝及角焊缝的工作性能，熟练掌握各种内力作用下，焊缝连接的构造、传力过程和计算方法。 4.掌握螺栓排列方式和构造要求，理解普通螺栓

2、的破坏形式，深刻理解普通螺栓和高强度螺栓的工作性能，熟练掌握螺栓连接在传递各种内力时，连接的构造、传力过程和计算方法。,关键知识 1.角焊缝的构造与计算； 2.普通螺栓连接的计算； 3.高强度螺栓连接的计算。,重点讲解 1.角焊缝的构造与计算； 2.普通螺栓连接的计算； 3.高强度螺栓连接的计算。,难点解析如何运用相关公式进行各种连接计算。,4.1 钢结构的连接方法,4.1.1 焊缝连接,1.焊缝连接的优点： （1）不削弱构件截面，节约钢材； （2）焊件间可直接焊接，一般不需要其他的连接件，构造简单，可焊接成任何形状的构件； （3）连接的密封性好，结构刚度大； （4）制作加工方便，可实现自动化

3、作业，生产效率高。,2.焊缝连接的缺点： （1）位于焊缝附近热影响区的钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆； （2） 在焊件中产生焊接残余应力和焊接残余变形，对结构工作有不利影响； （3） 焊接结构对裂纹很敏感，一旦局部发生裂纹便有可能迅速扩展到整个截面，尤其在低温下易发生脆断。,优点：安装拆卸方便。 缺点：构造复杂，截面削弱，不经济。,1.普通螺栓连接 由Q235钢制成，根据加工精度分A、B、C三级。 A级与B级为精制螺栓，由毛坯在车床上经过切削加工精制而成。类孔，孔径比杆径大0.3-0.5mm，抗剪性能好, 制造安装费工，少用。性能等级为5.6级或8.8级。 C级为粗制螺栓，由未经加工

4、的圆钢压制而成。类孔，孔径比杆径大1.5-3.0mm，抗剪性能差，但传递拉力性能好。性能等级为4.6级或4.8级。,4.1.2 螺栓连接,2.高强度螺栓连接 摩擦型高强度螺栓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。 承压型高强度螺栓连接允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限承载力作为设计准则。 8.8级和10.9级高强度螺栓螺栓抗拉强度应分别不低于800Nmm2和1000Nmm2 。,摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工较简单，可拆卸，耐 疲劳，特别适用于承受动力荷载的结构。 承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形大，不得 用于承受动力荷载的结构中。,小数

5、点后0.8、0.9屈强比,总结对接焊缝 焊接连接 角焊缝粗制螺栓 C 级普通螺栓 精制螺栓 A .B 级 螺栓连接 高强度螺栓 摩擦型高强度螺栓承压型高强度螺栓 铆钉连接,1.手工电弧焊,原理：打火引弧-电弧周围的金属液化(溶池)焊条熔化滴入溶池与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。,优点：方便，适用于任意空间位置的焊接，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。,4.2.1 常用焊接方法,电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊。,4.2 焊接连接基本知识,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-E5518),Q345钢选择E50型焊

6、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位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（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。,A.焊条的选择：焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。,2.埋弧焊（自动或半自动）,电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。,机器,优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限。,焊丝和焊剂的选择应与焊件等强度。,3.气体保护焊,利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代

7、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。,4.2.2 焊缝连接形式,按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角部连接四种。,对接焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正对接焊缝：作用力方向与焊缝方向正交。 2）斜对接焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。,角焊缝按受力与焊缝方向分： 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。3）斜焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。,对接焊缝焊缝位于被连接板件或其中一个板件的平面内。

8、角焊缝焊缝位于两个被连接板件的边缘位置。,4.2.3 焊缝形式,1）对接焊缝,2）角焊缝,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。,平焊、立焊、横焊和仰焊。,焊缝按施工位置分为：,1.焊缝缺陷 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。,裂纹是焊接连接中 最危险的缺陷。,4.2.4 焊缝缺陷及焊缝质量检验,2.焊缝质量检验,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验

9、内部缺陷。（超声波检验、X射线或r射线透照或拍片）,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。 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探伤检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。,3.焊缝质量等级及选用GB50017规范规定，焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质量等级： （1）在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质量等级为： 作用力垂直于焊缝

10、长度方向的横向对接焊缝或T型对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级； 作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。 （2）不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。,（3）重级工作制和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透。焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝，其质量等级不应低于二级。 （4）不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为： 对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于

11、或大于50t的中级工作制吊车梁，焊缝的外观质量标准应符合二级； 对其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。,4.2.5 焊缝符号及标注方法,焊缝符号表示法规定：焊缝符号一般由基本符号与指引线组成，必要时还可以加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。,1.基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用“ ”表示 角焊缝，用“V”表示V形坡口听对接焊缝。,2.补充符号：补充说明焊缝的某些特征，如用“ ”表示现场安装焊缝，用“ ”表示焊件三面带有焊缝；,3.指引线：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等。,4.建筑结构制图标准GB/T 501052001中

12、有关焊缝代号及标注方法的规定,（1）单面焊缝的标注方法,（2）双面焊缝的标注,其余焊缝标注参见教材或制图标准,4.3 对接焊缝的构造与计算,4.3.1 对接焊缝的构造,1.坡口型式,2.对接焊缝的优缺点,优点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。 缺点：需剖口，焊件长度要求精确。,3.对接焊缝的构造处理,1）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。,2）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。不采用引弧板时，焊缝计算长度等于实际长度减去2t（t为较薄焊件厚度）。,3）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

13、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。,1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2）三级检验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、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。,4.3.2 对接焊缝的计算,注意： 1.对接焊缝一般只在焊缝质量等级为三级且受拉力作用时，才须进行抗拉强度计算。 2.对焊缝质量等级为一、二级的对接焊缝，其强度设计值虽与母材相等，但当焊缝在无引弧板情况下施焊时，由于两端起、落弧的弧坑缺陷，规范规定每条焊缝的计算长度比实际长度减去2t ,因此焊缝强度会略低于母材。这种情况也需进

14、行强度计算。,1. 轴心受力的对接焊缝,lw焊缝计算长度； 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。,（1）对lw的取值：考虑到起落弧缺陷的影响，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。,（2）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算。,（3）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况。a)没有引弧板时需要计算。b)受拉情况下的三级焊缝。,2. 斜向受力的对接焊缝,对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心，并与焊缝长度方向呈夹角，其计算公式为：,lw斜焊缝计算长

15、度。加引弧板时，lwa/sinq；不加引弧板时，lwa/sinq2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。,计算证明：当斜焊缝倾角q56.3，即tanq1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。,3.承受弯矩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条件。,M焊缝承受的弯矩； Ww焊缝截面模量。,V焊缝承受的剪力； Iw焊缝计算截面惯性矩； Sw计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对中和轴的面积矩。,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:,式中

16、 : 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局部出现，而将强度设计值适当提高系数。,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。,4. 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：,同样对于工字形、箱形截面，还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力，其公式为 ：,5.部分焊透的对接焊缝,当受力很小，焊缝主要起联系作用，或焊缝受力虽然较大，但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥时，可采用部分焊透的对接焊缝。,4.4.1 角焊缝的受力性能 1.角焊缝的形式 定义：焊缝位于两个被连接板件的边缘位置。 （1）按焊脚间的夹角不同：直角角焊缝 =900斜角角焊缝 900,（a） （b） （c）,