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1、钢 结 构 基 本 原 理,土木工程学院,2007年2008年第二学期,3 钢结构的连接,本章内容：(1) 钢结构的连接方法(2) 焊接方法和焊接连接形式(3) 角焊缝的构造与计算 (4) 对接焊缝的构造与计算(5) 螺栓连接的构造 (6) 普通螺栓连接的工作性能和计算(7) 高强度螺栓连接的工作性能和计算,本章重点：角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计算，高强度螺栓连接的计算。,本章难点：如何运用相关公式进行各种连接计算。,2、铆接,1、焊接,对接焊缝,角 焊 缝,焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接,3.1 钢结构的连接方法,3.1.1 钢结构连接种类,图3.1 钢结构的连接方法,(a) 、(b)
2、焊缝连接；(c)铆钉连接,(a) (b) (c),3、螺栓连接,普通螺栓：,高强螺栓,靠螺栓杆承压和受剪传递荷载,图3.2 螺栓连接,优点：（1）构造简单，制造省工；（2）不削弱截面，经济；（3）连接刚度大，密闭性能好；（4）易采用自动化作业，生产效率高。,缺点：（1）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆；（2）产生焊接残余应力和残余应变；（3）裂缝易扩展，低温下易脆断。,1、焊缝连接,3.1.2 连接特点,优点：安装拆卸方便。 缺点：构造复杂，削弱截面，不经济。,2、螺栓连接,1、普通螺栓连接由235钢制成，根据加工精度分A、B、C三级。A、B级精制螺栓,类孔，孔径比杆径大0.3-0.5mm，抗
3、剪性能好, 制造安装费工，少用。C 级粗制螺栓,类孔，孔径比杆径大1.5-2.0mm，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。,（1）性能等级高强钢材制成：优质碳素钢：35号、45号合 金 钢：20MnTiB、40B、35VB性能等级：8.8级、10.9级。小数点前8、10螺栓材料经热加工后的最低抗拉强度为800、1000N/mm2；小数点后0.8、0.9屈强比,2、高强螺栓连接,摩擦型：只靠摩擦阻力传力，以剪力达到接触面的摩擦力作为承载力极限状态设计准则。,（2）按抗剪性能分,承压型：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承载力极限状态设计准则。,摩擦型螺栓连接：变形小
4、，弹性性能好，耐疲劳，施工较简单，适用于承受动力荷载的结构。,承压型螺栓连接：承载力高于摩擦型连接，连接紧凑，剪切变形大，不能用于承受动力荷载的结构。,3.2 焊接方法和焊缝连接形式,3.2.1 钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊打火引弧-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。,电弧焊：手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。,优点：方便，特别在高空和野外作业； 缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。,焊条：焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。Q235E43焊条；Q345E50焊条；Q390（Q420）E55焊条。E焊条；型号由四部
5、分组成 E 前两位数 焊缝金属最小抗拉强度(43kg/mm2)；后两位数 焊接位置、电流及药皮类型。不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,手工电弧焊,2. 自动（半自动）埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。优点：质量好，效率高； 缺点：需要专用设备。,3. 气体保护焊利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为保护介质的一种方法。优点：质量好； 缺点：对环境要求高。,（ 被连接钢材的相互位置）,对接连接,搭接连接,T型连接,角部连接,焊缝连接形式,3.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式,1.焊缝连接形式,图3.3 T形连接,图3.4 搭接连接,焊缝连接形式,图3.5 焊缝连接的形式,(
6、a)对接连接；(b)用拼接盖板的对接连接；(c)搭接连接；(d)、(e) T形连接；(f)、(g)角部连接,(1)按焊缝的截面形式分,对接焊缝,角 焊 缝,2.焊缝形式,图3.6 焊缝形式,(a)正对接连接；(b)斜对接焊缝；(c)角焊缝,按受力方向划分,(2)焊缝沿长度方向的布置,注意:L不宜过长在受压构件中 L15t 在受拉构件中 L30t （t为较薄焊件的厚度）,图3.7 连接角焊缝和断续角焊缝,（3）焊缝的施焊方位,平焊（俯焊） 横焊 立焊 仰焊,图3.8 焊缝施焊位置,(a)平焊；(b)横焊；(c)立焊；(d)仰焊,3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验,1、焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊
7、缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷,图3.9 焊缝缺陷,(a)裂纹；(b)焊瘤；(c)烧穿；(d)弧坑；(e)气孔；(f)夹渣；(g)咬边；(h)未熔合；(i)未焊缝,2.焊缝质量检验,三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸） 二级：除外观检查，超声波抽检 一级：同二级,3.焊缝质量等级的选用,（1）需要进行疲劳计算的构件，凡是对接焊缝均应焊透。其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或T形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）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母材等强的对接焊缝应焊透。母材等强的受拉对接焊缝应不低于二
8、级；受压时宜为二级。（3）重级工作制和起重量Q500kN的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间，以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头均要求焊透，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，一般仅要求外观质量检查，具体规定如下:三级检验;承受动力荷载且需要验算疲劳和Q500kN的中级吊车梁，二级。,3.2.4 焊缝代号、螺栓及其孔眼图例,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，必要时还可加上补充符号和焊缝尺寸。,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； 补
9、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； 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。,表3.1 焊缝符号,表3.1 焊缝符号,续表,当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时,在标注焊缝符号的同时,可在图形上加栅线表示。,图3.10 用栅线表示焊缝,(a)正面焊缝；(b)背面焊缝；(c)安装焊缝,表3.2 螺栓及其孔眼图例,3. 3 角焊缝的构造和计算,按截面形式划分,3.3.1 角焊缝的形式与强度,图3.11 直角角焊缝截面,角焊缝,直角角焊缝,斜角角焊缝,角焊缝一般用直
10、角角焊缝。 夹角 或 的斜角角焊缝，不宜用作 受力焊缝(钢管结构除外).,图3.12 斜角角焊缝截面,侧面角焊缝强度低、塑性好；应力沿长度方向分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。,1、侧面角焊缝平行于力的作用方向,N,按角焊缝与作用力的关系分:侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝,图3.13 侧面角焊缝受力示意图,图3.14 侧焊缝的应力,正面角焊缝受力复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力；强度高，塑性差。,2、正面角焊缝垂直于力的作用方向,3、斜焊缝受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。,图3.15 正面角焊缝应力状态,（1）最大焊脚尺寸,为避免焊缝区基本金属“过热”，减少焊件的残余应
11、力和残余变形。,3.3.2 角焊缝构造要求,图3.16 最大焊脚尺寸,焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织。,对自动焊:,对T型连接的单面角焊缝：,当焊件厚度,设计：,（2）最小焊脚尺寸要求,（3）不等焊脚尺寸的构造要求,当焊件的厚度相差较大且 等焊脚尺寸不能符合要求时， 可采用不等焊脚尺寸。,（4）侧面角焊缝的最大计算长度,侧面角焊缝沿长度受力不均匀，两端大中间小,所以一般均规定其最大计算长度。,60hf 静力荷载,40hf 动力荷载,注：若内力沿角焊缝全长分布，则计算长度不受此限,注意：焊脚尺寸和焊缝计算长度取mm的整数，小数点以后都进为1。,图3.17 不等焊脚尺寸的
12、构造要求,设计：,防止局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近，及其他缺陷，使得焊缝不可靠。,在搭接连接中，搭接长度L5t min ，且25mm。,为了减少收缩应力以及因偏心在钢板与连接件中产生的次应力,（5）角焊缝的最小计算长度,（6）搭接连接的构造要求,图3.18 搭接连接,围焊的转角处必须连续施焊.非围焊，可在构件转角处作长度2h f 的绕角焊。,为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲大。,当板件端部仅有两侧面角焊缝时，lwb (b为两侧焊缝距离),同时,或,图3.19 焊缝长度及两侧焊缝间距,焊缝实际长度 取为5mm的倍数，如192mm取为195mm， 196mm取为200mm。,角
13、焊缝的计算长度 lw 和实际长度 l 的关系：,4.绕角焊：侧面角焊缝 lw=l,(绕角焊的2hf不在内),图3.20 角焊缝长度的计算,（1）侧面角焊缝的破坏大多在45o截面；,受力特点：,3.3.3 直角角焊缝强度计算的基本公式,图3.21 侧焊缝破坏形式,(a)实际剪坏面；(b)计算剪坏面,图3.22 角焊缝截面,h焊缝厚度； hf焊缝厚度；he焊缝有效厚度(焊喉部位)；h1熔深；h2凸度；d焊趾；e焊跟,（3）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差。,（2）正面角焊缝应力状态复杂，可能沿45o截面破坏，也可能沿溶合边破坏；,图3.23 焊脚尺寸及有效焊脚厚度,计算步骤：,（1）求出同一平
14、面焊缝群的形心； （2）将荷载向形心简化，找出最不利位置； （3）分别求出各荷载分量在最不利位置产生的应力； （4）区分正面角焊缝受力和侧面角焊缝受力，视荷载种类（静荷或动荷）代入角焊缝的基本计算公式进行计算。 （5）验算是否满足构造要求。,（作用力平行于焊缝方向）,N,N,1、侧面角焊缝,图3.24 侧面角焊缝的应力分布示意图,当承受动力荷载时：,N,N,-正面角焊缝强度增大系数，1.22 。,2、正面角焊缝,（作用力垂直于焊缝方向）,图3.25 正面角焊缝的应力分布示意图,N,Ny= Ncos ,Nx=Nsin,3、斜向角焊缝,图3.26 斜向轴心力作用, 两 面 侧 焊,(由构造确定hf
15、 ),(1) 用盖板的对接连接承受轴心力时,1.承受轴心力作用时角焊缝连接计算,盖板长度：,由,得,3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算,图3.27 受轴心力的盖板连接(只有侧面角焊缝),(由构造确定hf ),由,得, 三 面 围 焊,(a)端面角焊缝承担 N,(b)侧面角焊缝承担 N1,图3.28 受轴心力的盖板连接(三面围焊),盖板长度：,N,N,N,N,由,N1,得,(c)焊缝长度计算,图3.28 受轴心力的盖板连接(三面围焊),解查附表1.2,例3.1试设计用拼接盖板的对接连接(图3.29)。 已知钢板宽B=270mm，厚度t1=28mm，拼接盖板厚度t2=16mm。该连接承受静态轴心力N=1400kN(设计值)，钢材为Q235B， 手工焊，焊条为E43型。,
