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1、2. 金属结构的连接,目 录,2. 金属结构的连接 2.1金属结构连接概述 2.2金属结构的连接方法 2.3焊缝连接 2.4螺栓连接,2.金属结构的连接,目的: 金属结构件在制造和组装时，无论是把基本杆件制成部件，还是各杆件组装成整体，都必不可少要用连接实现。如果连接设计不恰当，在金属结构内部就会出现薄弱环节，影响结构的整体刚度和强度。因此，连接的设计同构件本身设计一样重要。 好的连接评判原则： 安全可靠，节约材料，构造简单和施工方便。,2.1金属结构连接概述,2.金属结构的连接,金属结构的连接方法可分为： 焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接（图21）。,2.2金属结构的连接方法,图21 金属结构的
2、连接方法 （a）焊缝连接；（b）螺栓连接；（c）铆钉连接,2.金属结构的连接,金属结构连接的特点,2.金属结构的连接,2.3.1焊缝连接的特性 2.3.2焊缝强度 2.3.3角焊缝的受力情况及强度计算 2.3.4对接焊缝的受力情况及强度计算 2.3.5焊接残余应力和焊接残余变形,2.3焊缝连接,2.金属结构的连接,2.3.1焊缝连接的特性,一、金属结构中常用的焊接方法,电弧焊,电阻焊,气 焊,常用的焊接方法,手工电弧焊 自动埋弧焊 半自动埋弧焊 CO2气体保护焊,2.金属结构的连接,二、焊缝连接的特点,焊接连接与铆钉、螺栓连接比较，有以下优点： 不需打孔，省工省时； 任何形状的构件可直接连接，
3、连接构造方便； 气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性较好。,缺点： 焊缝附近有热影响区，材质变脆； 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状尺寸发生变化； 焊接裂缝一经发生，便容易扩展。,2.金属结构的连接,常见的焊缝缺陷：裂纹、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满等（图22）。,三、焊缝缺陷,图22 常见焊缝缺陷,2.金属结构的连接,焊接检验按GB502052001钢结构工程施工及验收规范中要求，焊缝质量分为三级。 A级（三级）：全部外观检查。 B级（二级）：在全部外观检查的基础上做超声波检验（抽 取50） C级（一级）：在A 、B级检查后对局部做x射线检验（对
4、 不同的结构还可用部颁标准，如水工钢结构可用水工金属结 构焊接通用技术条件SL36，又如，建筑钢结构焊接与验收 规范等。）,四、焊缝检验,2 .金属结构的连接,五、焊缝标注,焊缝代号国家标准（GB/T324-1988),1箭头线 2实基线 3虚基线 4尾线 N标注焊缝方法或相同 的焊缝数量。 焊缝在非箭头侧，将焊缝符号注在基线的虚线侧。 对称焊缝及双面焊不加虚线。,说明：在建筑钢结构焊接与验收规程 中无虚线、尾部。,2.金属结构的连接,六、焊缝连接型式及焊缝型式,焊缝连接型式,焊缝连接型式主要有四种：平接、搭接、T形连接和角接（图23）。,(a) (b) (c) (d) (e),图23 焊缝连
5、接型式,(a)平接；(b)搭接；(c)、(d)T形连接；(e)角接,2.金属结构的连接,焊缝型式,焊缝可分为对接焊缝和角焊缝。 对接焊缝按受力与焊缝方向分： a）直缝：作用力方向与焊缝方向正交。 b）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交。,角焊缝按受力与焊缝方向分： a）正面角焊缝（端焊缝）：作用力方向与焊缝长度方向垂直。,b）侧面角焊缝（侧焊缝）：作用力方向与焊缝长度方向平行。,按焊缝连续性： a）连续焊缝：受力较好。 b）断续焊缝：易发生应力集中。 按施工位置： 俯焊、立焊、横焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差。,2.金属结构的连接,七、焊缝强度,焊缝强度主要取决于焊
6、缝金属和母材金属的强度。并与焊接型式、应力集中程度以及焊接工艺等因素有关（见书中表21）。,对接焊缝： 受压对接焊缝：抗压强度设计值（ ）与母材相同。 受拉对接焊缝：一级和二级焊缝的抗拉和抗弯强度设计值 （ ）与母材相同；三级焊缝的抗拉和抗弯强 度设计值取母材强度设计值的0.85倍。,角焊缝：抗拉、抗压和抗弯强度设计值（ ）取统一的强度 设计值。,2.金属结构的连接,八、角焊缝的受力情况及强度计算,(一)角焊缝的受力情况及构造要求,角焊缝的截面型式,角焊缝按两焊脚边间夹角不同可分为：直角角焊缝、斜角角焊缝（图24）。 直角角焊缝又可分为：普通式、平坡式和深溶式（凹面式）（图24）。 斜角角焊缝
7、：锐角角焊缝、钝角角焊缝（有凸、凹面）（图24）。 直角角焊缝的有效厚度：,图24 角焊缝截面型式,斜角角焊缝的有效厚度：当 时， 当 时，,（21）,2.金属结构的连接,角焊缝的受力情况,角焊缝按其长度方向与受力方向的相对位置可分为： 正面角焊缝（端焊缝）、侧面角焊缝（侧焊缝）、围焊缝。,侧面角焊缝主要承受剪力作用。在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，但塑性,正面角焊缝的应力状态较复杂，其破坏强度比侧面角焊缝高，但塑性较差（图26）。,图25 侧面角焊缝应力分布,较好，在规范长度范围内，应力分布可趋于均匀（图25）。,图26 正面角焊缝应力分布,2.金属结构的连接,角焊缝的尺寸限制,最
8、小焊脚尺寸（取整毫米数）： 且 最大焊脚尺寸（取整毫米数）： 板件边缘(厚度为t)的角焊缝，最大焊脚尺寸尚应符合下列要求： 当 时，取 ； 当 时，取 。 选择的焊脚尺寸应符合： 角焊缝计算长度的限制 对侧焊缝： 受静力荷载时， ； 受动力荷载时， ； 对侧焊缝和端焊缝： 或40mm； 角焊缝计算长度的适宜值为： 在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，搭接长度应 或25mm。,2.金属结构的连接,（二）角焊缝的强度计算,角焊缝计算的基本公式 现以图2-7所示的受力情况为 例，导出角焊缝计算的基本公式。 Nx在焊缝有效截面上引起的沿焊缝轴线方向的剪应力为：,Ny在焊缝有效截面上引起的垂 直于焊缝轴
9、线方向的应力为：,将f沿焊缝有效截面的法向和垂直于焊缝轴线的切向分解得：,根据第四强度理论，角焊缝的强度条件为：,2.金属结构的连接,图27 直角角焊缝的计算图,2.金属结构的连接,角焊缝计算的基本公式（续一）,将式(2-2)、(2-4)、(2-5)代入式(2-6)得：,或写成：,式中：f正面角焊缝（端焊缝）的强度增大系数。其值为： 承受静力荷载或间接承受动力荷载时：f(3/2)1/21.22 直接承受动力荷载时：f1.0,正面角焊缝（端焊缝），Nx0，即f0，其算式为：,侧面角焊缝（侧焊缝），Ny0，即f0，其算式为：,2.金属结构的连接,角焊缝连接对称焊件 当只有侧焊缝时，按式(2-10)
10、计算；当只有端焊缝时，按式(2-9)计算；采用围焊缝时，先按式(2-9)计算端缝承担的内力N，所余内力(N-N)由侧焊缝承担。若承受动力荷载作用，轴心力由全部焊缝有效截面平均承担(f1.0)。,(2)角焊缝受拉力、压力或剪力作用,采用三面围焊缝连接不对称焊件(图28) 计算步骤： a.选定端焊缝的hf，计算它能承担的内力 ； b.按下式确定角钢肢背、肢尖承担的内力：,N1(b2/b)NN3/2k1NN3/2,N2(b1/b)NN3/2k2NN3/2,c.选定侧焊缝的hf，按式(210)求出侧焊缝的lw1和lw2。,若无端焊缝，则令上式中的N30即可。,2.金属结构的连接,图28 受轴心力作用的
11、角钢和节点板焊缝连接,2.金属结构的连接,角焊缝受弯矩、剪力和轴心力共同作用（图29）,图29 受弯、受剪、受拉的角焊缝计算,在弯矩作用下产生x方向（垂直于焊缝长度方向）的应力 为：,在剪力作用下产生y方向（平行于焊缝长度方向）的应力 为：,在轴力作用下产生x方向（垂直于焊缝长度方向）的应力 为：,这三个应力代入式（28）得,2.金属结构的连接,角焊缝受扭矩、轴力、剪力共同作用（图210）,图210受扭、受拉、受剪的角焊缝计算,扭矩M在焊缝有效截面上引起的应力：,扭矩M引起三面围焊最远点A的应力沿x、y方向分解：,式中： 焊缝计算截面（有效截面）对形 心的极惯性矩； 、 焊缝角点到焊缝形心轴的
12、距离。,剪力V、轴力N在A点引起的应力为：,式(2-16b)和式(2-16c)代入式(2-8)得,角焊缝计算习题,2-1 试验算图2.1所示直角角焊缝的强度。已知焊缝承受的斜向静力荷载设计 值F280kN，60，角焊缝的焊脚尺寸hf8mm，实际长度l 155mm，钢材为Q235-B，手工焊，焊条E43型。,2-3 在图2.2所示角钢和节点板采用两边侧焊缝的连接中，N660kN（静力荷载，设计值），角钢为211010，节点板厚度t12mm，钢材为Q235B，焊条为E43系列型，手工焊。试确定所需角焊缝的焊脚尺寸hf和实际长度l。,2.金属结构的连接,九、对接焊缝的受力情况及强度计算,(一)对接焊
13、缝的构造要求,为保证焊件熔透，当焊件厚度大于10 mm时，须对焊件接头处进行加工，以形成其具有规则的几何形状的沟槽（坡口）。 对接焊缝的坡口形式（图211）： 直边形、单边V形、双边V形、U形、K形缝、 X形缝等。,板厚t 10mm,t 1020mm,t 20mm,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：需开坡口，焊件长度要精确。,图211 对接焊缝构造,2.金属结构的连接,(二)对接焊缝的构造处理,起落弧处易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算时将焊缝长度两端各减去2t，t为连接件的较小厚度。 变厚度板对接，在板的一面
14、或两面切成坡度不大于1：4的斜面，避免应力集中。 变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：4的斜边，避免应力集中。,图212 不同厚度或宽度的钢板拼接,2.金属结构的连接,(三)对接焊缝的强度计算,轴心受力时,斜向受力时,弯矩和剪力共同作,轴力、弯矩和剪力共同,轴心受力时对接焊缝的计算,对接焊缝的抗压、抗拉强度设 计值。教材p35表21。,（217）,图213 轴心受力的对接焊缝连接,2.金属结构的连接,对接斜向焊缝受力计算,主要用于焊缝强度设计值低于构件强 度设计值的连接中。 优点：抗动力荷载性能较好 缺点：较费材料 当 tg 1.5即 56.3时，可不验算焊缝强度。,（218）,（
15、219）,对接焊缝抗剪强度设计 值。,斜向焊缝计算长度。,图214 斜向受力的焊缝,2.金属结构的连接,弯矩和剪力共同作用时对接焊缝的计算,焊缝内应力分布同母材。 同时受弯、剪时，分别验算最大正应力、最大剪应力。,焊缝截面抵抗矩;,焊缝截面上计算点处 以上（以下）截面对 中和轴的面积矩。,对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，但都比较大，所以需验算折算应力。,（220）,（221）,（222）,图215 弯矩和剪力共同 作用下的对接焊缝,2.金属结构的连接,轴力、弯矩和剪力共同作用时对接焊的缝计算,牛腿和柱的对接焊缝，剪力全部由腹板承受并均匀分布，弯矩、拉力由全截面承担，与梁计算相同，截面形式和截面上各种应力分布见图2-16。 牛腿截面为非对称，在拉力作用下全截面均匀受拉，在剪力作用下，整个腹板截面按均匀抗剪考虑，在弯矩作用下，中和轴以上受拉，中和轴以下受压。因此图中1、2、3、4点均需强度验算。点1为下翼缘最外缘的点，点2为下翼缘与腹板的
