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1、学习情景3 钢结构的连接,知识点： 对接焊缝连接的构造和计算，角对接焊缝连接的构造和计算，普通螺栓连接的构造和计算，高强度螺栓连接的构造和计算。 教学目标：钢结构连接是钢结构设计的重要组成部分，通过本单元学习要求达到：熟悉设计规范对连接的有关要求；熟悉各种焊接的施工工艺和质量要求；掌握焊缝连接的构造要求；熟练掌握焊缝连接设计计算方法；掌握螺栓连接的构造要求；熟练掌握螺栓(特别是摩擦型高强度螺栓)连接的设计计算方法；了解减小残余变形和残余应力的方法。,钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接（connections）构成的，各构件再通过安装连接架构成整个结构。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传
2、力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。 钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等。,(a)焊缝连接； (b)铆钉连接； (c)螺栓连接； (d)紧固件连接 图3.1钢结构的连接方法,目前以焊接连接应用最为广泛，螺栓其次。铆钉连接由于费工费料，在建筑结构中基本已经不采用。本单元主要讲述钢结构中的焊接连接和螺栓连接的施工工艺、构造要求、受力分析和设计计算方法。,学习情景3 钢结构的连接,综合任务一 焊接连接,综合任务二 螺栓连接,一、焊缝连接的特点 焊接连接(welded connection)是现代钢结构最主要的连接方法。 其优点是：构造简单，任何形式
3、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。 其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。,综合任务一 焊接连接,二、钢结构常用的焊接方法 1、手工电弧焊 这是最常用的一种焊接方法（图3.2）。,a)电路； b)施焊过程； 1-电焊机；2-导线；3-焊件；4-电弧；5-药皮；6-起保护作用的气体； 7-熔焊；8-焊缝金属；9-主体金属；10-焊丝；11-熔池 图3.2 手工电弧焊,手
4、工电弧焊设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系。 2、自动或半自动埋弧焊（电弧焊） 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。焊丝送进和焊接方向的移动有专门机构控制的称埋弧自动电弧焊（图3.3）；焊丝送进有专门机构控制，而焊接方向的移动靠工人操作的称为埋弧半自动电弧焊。,1焊丝转盘；2转动焊丝的电动机；3焊剂漏斗；4电源；5熔化的焊剂； 6焊缝金属；7焊件；8焊剂；9移动方向 图3.3 埋弧自动电弧焊,埋弧焊的焊丝不涂药皮，但施焊端靠由焊剂漏头自动流下的颗粒状焊剂所覆盖，电弧完全被埋在焊剂之
5、内，电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接，具有很高的生产率。由于采用了自动或半自动化操作，焊接时的工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，故焊成的焊缝的质量好，焊件变形小。同时，高的焊速也减小了热影响区的范围。但埋弧焊对焊件边缘的装配精度（如间隙）要求比手工焊高。,3、气体保护焊 气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。它直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层，以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程的稳定性。气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清楚地看到焊缝成型的过程；由于保护气体是喷射的，有助于熔滴的过渡；又由于热量集中，焊接速度快，焊件熔深大，故所形成 的
6、焊缝强度比手工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置的焊接。但不适用于在风较大的地方施焊。,4、电阻焊 电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面电阻所产生的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。电阻焊只适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3.5mm的构件。 三、焊接连接形式及焊缝形式 1、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型连接和角部连部四种（图3.4）。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。,(a) 对接连接；(b)用拼接盖板的对接连接；(c)搭接连接； (d)、(e)T型连接；(f)、(g)角部连接 图3.4焊缝连接的形式,
7、2、焊缝形式 对接焊缝按所受力的方向分为正对接焊缝（图3.5a）和斜对接焊缝（图3.5b）。角焊缝（图3.5c）可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。,(a)正对接焊缝；(b)斜对接焊缝；(c)角焊缝 图3.5 焊缝形式,焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和间断角焊缝二种（图3.6）。连续角焊缝的受力性能较好，为主要的角焊缝形式。间断角焊缝的起、灭弧处容易引起应力集中，重要结构应避免采用，只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中。,图3.6 连续角焊缝和间断角焊缝,焊缝按施焊位置分为平焊、横焊、立焊及仰焊（图3.7）。平焊（又称俯焊）施焊方便。立焊和横焊要求焊工的操作水平比平较高。仰焊的操
8、作条件最差，焊缝质量不易保证，因此应尽量避免采用仰焊。,(a)平焊 (b)横焊 (c)立焊 (d)仰焊 图3.7 焊缝施焊位置,3、焊缝符号与标注方法 在钢结构施工图中的焊缝，应遵照焊缝符号表示法（GB 32488）和建筑结构制图标准（GB/T50105）的规定予以标注。 焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。 图形符号表示焊缝截面的基本形式。 引出线由横线、斜线及箭头组成，而横线由两条平行的实线与虚线组成，可在实线侧或虚线侧标注符号，斜线和箭头则将整个焊缝符号指向图形的有关焊缝处。,当焊缝分布不规则时，在标注焊缝符号的同时，宜在焊缝处加粗线（表示可见焊缝）或栅线（表示不可见焊缝
9、），工地安装焊缝加号，如图3.8。,(a) 可见焊缝 (b) 不可见焊缝 (c) 工地安装焊缝 图3.8焊缝标注方法,四、焊缝缺陷及焊缝质量检验 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（图3.9）等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件（如电流、电压、焊速、施焊次序等）选择不合适；焊件表面油污未清除干净等。,(a)裂纹；(b)焊瘤；(c)烧穿；(d)弧坑；(e)气孔；(f)夹渣； (g)咬边；(
10、h)未熔合；(i)未焊透 图3.9 焊缝缺陷,2、焊缝质量检验 焊缝缺陷的存在将削弱焊缝的受力面积，在缺陷处引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。因此，焊缝质量检验极为重要。 焊缝质量检验一般可用外观检查及内部无损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。内部无损检验目前广泛采用超声波检验。该方法使用灵活、经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；有时还用磁粉检验、荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外还可采用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
11、对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验，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。一级焊缝超声波和射线探伤的比例均为100%，二级焊缝超声波探伤和射线探伤的比例均为20且均不小于200mm。当焊缝长度小于200mm时，应对整条焊缝探伤。,3、焊缝质量等级的规定 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
12、于焊缝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
13、量等于或大于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。 钢结构中一般采用三级焊缝，可满足通常的强度要求，但其中对接焊缝的抗拉强度有较大的变异性，其设计值仅为主体钢材的85%左右。因而对有较大拉应力的对接焊缝，以及直接承受动力荷载的重要焊缝，可部分采用二级焊缝，对抗动力和疲劳性能有较高要求处可采用一级焊缝。焊缝质量等级须在施工图中标注，但三级焊缝不需标注。,五、对接焊缝的构造 对接焊缝包括焊透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊接（以下简称对接焊缝），以及部分焊透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝。由于部分焊透的对接焊缝的受力与角焊缝相似，将在
14、下节中介绍。 1、对接焊缝的构造 对接焊缝（butt welds）的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝（groove welds）。坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊6mm，埋弧焊10mm）时，可用直边缝。,对于一般厚度的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或V形焊缝。斜坡口和根部间隙c共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用。对于较厚的焊件（t20mm），则采用U形、K形和X形坡口（图 3.10）。,(a)直边缝；(b)单边V形坡口；(c) V形坡口；(d) U形坡口； (e) K形坡口；(f) X形坡口 图3.10 对接焊缝的坡口形式,在对接焊缝的
15、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（图3.11），以使截面过渡和缓，减小应力集中。 在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时一般应设置引弧板和引出板（图3.12），焊后将它割除。对受静力荷载的结构设置引弧（出）板有困难时，允许不设置引弧（出）板，此时，可令焊缝计算长度等于实际长度减2t（此处t为较薄焊件厚度）。,（a）改变宽度；（b）改变厚度 图3.12 用引弧和引出板焊接图3.11 钢板拼接,六、对接焊缝的计算 对接焊缝的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有
16、关。 如果焊缝中不存在任何缺陷，焊缝金属的强度是高于母材的。全由于焊接技术问题，焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。当缺陷面积与焊件截面积之比超过5%时，对接焊缝的抗拉强度将明显下降。由于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%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。,由于对接焊缝是焊件截面的组成部分，焊缝中的应力分布情况基本上与焊件原来的情况相同，故计算方法与构件的强度计算一样。 1、轴心受力的对接焊缝 在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力N的对接焊缝（图3.13），其强度应按下式计算：,式中 lw 焊缝计算长度；t 连接件的较小厚度，对T形接头为腹板厚度；、 对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,
