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1、,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第3章 连 接 Chapter 3 Connections,焊缝连接,螺栓连接,主要内容,钢结构的连接,对接焊缝的构造和计算,角焊缝的构造和计算,焊接残余应力和焊接变形,普通螺栓的构造和计算,高强度螺栓的构造和计算,3.1 钢结构的连接,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3.1.1 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,缺点,第三章 连 接,Chapter 3 Connections,* 构造简单 任何形式
2、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； * 产生残余应力、残余应变、焊接缺陷 * 降低压杆稳定、影响疲劳强度 * 对裂纹十分敏感 * 低温冷脆问题较为突出。,优点,3.1.1 焊缝连接,1. 焊缝连接的特点,现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛。,3.1 钢结构的连接,2. 钢结构常用的焊接方法,电阻焊,气体保护焊,（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
3、焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。,3.1 钢结构的连接,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。,3.1 钢结构的连接,（2）埋弧焊（自动或半自动）,光焊丝埋在焊剂下，通电后电弧使焊丝、焊件、焊剂熔化
4、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。,焊丝的选择应与焊件等强度。,3.1 钢结构的连接,（4）电阻焊,（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。,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。,3.1 钢结构的连接
5、,3. 焊接接头及焊缝形式,（1）焊接接头：分为对接、搭接、T形连接和角部连接。,3.1 钢结构的连接,（2）焊缝形式：分为对接焊缝和角焊缝。,对接焊缝按受力与焊缝方向分： 1）直对接焊缝2）斜对接焊缝,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。,3.1 钢结构的连接,对接与角接组合焊缝,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。,3.1 钢结构的连接,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。,施焊方式,图3.
6、1.6 施焊方式,3.1 钢结构的连接,4. 焊缝缺陷及焊缝质量等级,（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。,3.1 钢结构的连接,（2）焊缝质量等级,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，适用于一般连接。,3.1 钢结构的连接,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、
7、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。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。,（3）焊缝质量等级及选用,钢结构设计规范（GB50017-2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：,1） 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。,2） 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。,3） 重级工作制和起重量50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘
8、板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级。,4） 角焊缝质量等级一般为三级，但对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,3.1 钢结构的连接,5. 焊缝符号及标注方法,3.1 钢结构的连接,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）,3.1.2 螺栓连接,Chapter 3 Connections,1. 普通螺栓连接,3.1 钢结构的连接,2. 高强度螺栓连接,高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、
9、垫圈的合称。,由45钢、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成。,45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓,3.1 钢结构的连接,（a）大六角头螺栓,（b）扭剪型螺栓,高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较,3.1 钢结构的连接,铆钉连接及特点,铆钉连接是用一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红迅速插入被连接件的钉孔中，再用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，使连接达到紧固。,目前承重钢结构连接中已很少应用。,主要连接方法及优缺点,3.1 钢结构的连接,1. 对接焊缝的坡口形式,3.2 对接焊缝的构造和计算,3.2.1 对接焊缝的构造,对接焊缝的焊件常
10、需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。,3.2 对接焊缝的构造和计算,板厚t 10mm,3.对接焊缝的构造处理,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。,3.2 对接焊缝的构造和计算,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。,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。,3.2 对接焊缝的构
11、造和计算,4. 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。,3.2 对接焊缝的构造和计算,3.2.2 对接焊缝的计算,1. 轴心受力的对接焊缝,（3.2.1）,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（P398表1.3）。,与构件母材强度计算方法相同，采用材料力学的计算公式加引弧板（引出板）施焊的
12、情况下，一、二级对接焊缝不需计算。三级焊缝受拉时，或无引弧板（引出板）时才验算。,3.2 对接焊缝的构造和计算,要点,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。（P398表1.3）,规范规定，当斜焊缝倾角56.3，即tan1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。,3.2 对接焊缝的构造和计算,b,（3.2.2）,（3.2.3）,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
13、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。,（3.2.5）,（3.2.4）,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计算剪应力处以焊缝截面的面积矩。,3.2 对接焊缝的构造和计算,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:,（3.2.6）,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
14、达到充分的利用。,3.2 对接焊缝的构造和计算,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：,（3.2.4*）,（3.2.5*）,（3.2.6*）,式中：,3.2 对接焊缝的构造和计算,1,2,对于梁柱节点处的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪应力均匀分布，其计算公式为：,Aw牛腿处腹板的焊缝计算面积。,（3.2.5*）,对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。,3.2 对接焊缝的构造和计算,对接焊缝计算步骤,确定荷载； 进行截面应力状态分析； 计算截面几何特征值；
15、 强度验算。,不同作用情况下对接焊缝计算（矩形、I形）,3.2 对接焊缝的构造和计算,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3.1】,【解】,3.2 对接焊缝的构造和计算,2. 焊缝强度计算,1.角焊缝的形式和强度,3.3.1 角焊缝的构造,3.3 角焊缝的构造和计算,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。,（1）直角角焊缝 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）。,3.3 角焊缝的构造和计算,（2）斜角角焊缝 两焊边的夹角90或135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,3.3 角焊缝的构造和计算,（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。,
