钢结构的连接和节点构造

第 七 章 钢结构的连接和节点构造主要内容：7.1 钢结构对连接的要求及连接方法7.2 焊接连接的特性7.3 对接焊缝的构造和计算7.4 角焊缝的构造和计算7.5 焊接残余应力和残余变形7.6 普通螺栓连接的构造和计算7.7 高强螺栓连接的性能和计算7.8 焊接梁翼缘焊缝计算7.12 柱脚设计﹡ ﹡连接要求足够的强度、刚度和延性﹡ ﹡连接方法焊接、铆接和螺栓连接7.1 钢结构对连接的要求及连接方法﹡ ﹡ 焊接，广泛采用﹡ 铆接，应用较少﹡ 螺栓连接◆ 普通螺栓 • A、B 级 • C级◆ 高强螺栓 • 摩擦型 连接 • 承压型 连接特点：电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等手工电弧焊焊条与焊件金属强度相适应：Q235钢用E43系列；Q345用E50系列；Q390、Q420用E55系列 ﹡ ﹡手工电弧焊7.2 焊接连接的特性 7.2.1 焊接方法EXX的XX表示焊条的最低抗拉强度焊条和焊剂要保证熔敷金属的抗拉强度不低于相应手工焊条数值﹡ ﹡埋弧焊﹡ ﹡电渣焊﹡ ﹡气体保护焊﹡ ﹡电阻焊﹡ ﹡ 优点•省工省材•任何形状的构件均可直接连接•密封性好，刚度大﹡ ﹡ 缺点•材质劣化•残余应力、残余变形•一裂即坏、低温冷脆7.2.2 焊接连接的优缺点7.2.3 焊缝缺陷﹡ ﹡焊缝缺陷裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、 焊瘤等•三级焊缝：外观检查，外观尺寸和缺陷；•二级焊缝：在外观检查的基础上再做无损检验，用超声波检验每条焊缝的20％长度，且不小于200mm；•一级焊缝：在外观检查的基础上用超声波检验每条焊；•全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷；•对承受动力荷载的重要构件焊缝，增加伽马射线探伤。

﹡ ﹡焊缝等级：《钢结构工程施工质量验收规范》 （GB50205）三级﹡ ﹡强度折减：高空安装焊缝，强度设计值乘以0.97.2.4 焊缝连接型式及焊缝型式﹡ ﹡连接型式平接、搭接、T形连接、角接﹡ ﹡焊缝型式对接焊缝和角焊缝按施焊位置焊缝沿长度分布情况：连续角焊缝和断续角焊缝﹡ ﹡作用表明焊缝型式、尺寸和辅助要求﹡ ﹡表示方法(GB324-88)由基本符号、引出线、辅助符号、补充符号和焊缝尺寸等部分组成7.2.5 焊缝代号分为：I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝、带钝边V形缝（也叫Y形缝）、带钝边U形缝、带钝边单边V形缝和双Y形缝等7.3 对接焊缝的构造和计算7.3.1 构造要求﹡ ﹡ 坡口形式斜坡口为了和焊缝根部共同形成一个焊条能运转的施焊空间﹡ ﹡不同宽度和厚度的钢板拼接动载时不大于1:4，计算时取较薄焊件厚度7.3.2 对接焊缝的计算计算原则用计算焊件的方法I、II级等强不计算，仅 计算III级焊缝 （1）轴心受力的对接焊缝  ＝N/(lw t)≤f wt 或 f wc（2）受弯、受剪的对接焊缝计算  ＝M/Ww ≤ f wt ＝VS/(Iwt)≤ f wv（3）轴力、剪力和弯矩共同作用时，对接焊缝的最大正应力为轴力和弯矩引起的应力之和，剪力和折算应力和上面相同。

7.3.3 部分焊透的对接焊缝计算原则：按角焊缝计算7.4 角焊缝的构造和计算 7.4.1 构造和强度﹡ ﹡截面形状、有效截面﹡ ﹡应力分布侧面角焊缝的应力分布正面角焊缝的应力分布角焊缝的应力—位移曲线hf 应与焊件的厚度相适应对手工焊，hf应不小于 ，t为较厚焊件的厚度(mm)，对自动焊，可减小1mm；hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍 ﹡ ﹡焊脚尺寸的限制不等边角焊缝要求不等边角焊缝要求对于板件边缘的焊缝，当t≤6mm时，hf≤t；当 t>6mm时，hf ＝t－(1~2)mm焊缝长度lw 也不应太长或太短，其计算长度不宜小于 8hf和40mm ，且对侧面角焊缝，不宜大于60hf，超出部 分不计若内力沿侧面角焊缝全长分布沿侧面角焊缝全长分布，则不受此限7.4.2 角焊缝计算的基本公式则有•仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时角焊缝计算的基本公式为角焊缝计算的基本公式为: :•仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时• 同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算 1、受轴心力作用的拼接板连接仅侧面角焊缝（图a）仅正面角焊缝（图b）三面围焊时（图c） 先计算计算正面角焊缝l1受力N1，剩 余的N－ N1由侧面角焊缝l2承担。

菱形拼接板（图d） 简化计算不计正面及斜焊缝的f ：2、受轴心力作用的角钢连接当用侧面角焊缝连接时（图a） 肢背 N1=e2 N /(e1+e2)=K1 N 肢尖 N2=e1 N /(e1+e2)=K2 N=N–N1 三面围焊时（图b）正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hf∑lw3βf ffw侧面角焊缝承担的力为 肢背 N1 =e2 N /(e1+e2)－N3 /2=K1 N－N3 /2 肢尖 N2 =e1 N /(e1+e2)－N3 /2=K2N－N3 /2 L形焊缝（图c）正面角焊缝承担的力为: N3 =0.7hf∑lw3βf ffw侧面角焊缝承担的力为: N1=N－N3 3、弯矩作用下的焊缝4、扭矩作用下的焊缝焊缝群受扭：假定:环焊缝受扭5、弯矩、剪力和轴心力共同作用6、扭矩、剪力和轴心力共同作用7、塞焊计算7.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因﹡ ﹡纵向残余应力7.5 焊接残余应力和残余变形﹡ ﹡横向残余应力﹡ ﹡厚度方向的残余应力﹡ ﹡约束状态下的焊接应力7.5.2 焊接残余应力的影响﹡ ﹡对结构静力强度的影响：无影响﹡ ﹡对结构刚度的影响﹡ ﹡对压杆稳定的影响：残余压应力﹡ ﹡对低温冷脆的影响：三向应力﹡ ﹡对疲劳强度的影响：高额残余拉应力7.5.3 焊接残余变形﹡ ﹡残余变形形式﹡ ﹡残余变形形式7.5.4 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法﹡ ﹡采取合理的施焊次序﹡ ﹡施焊前加相反的预变形（图a、b）﹡ ﹡焊前预热，焊后回火（图c）7.5.5 合理的焊缝设计• 焊接位置要应尽量对称于截面重心• 焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸• 焊缝不宜过分集中（图a）• 应尽量避免三向焊缝交叉（图b）• 考虑钢板分层问题（图c）• 焊条易达到（图d）• 避免仰焊7.6.1 螺栓连接的排列和构造要求﹡ ﹡排列方式：并列或错列7.6 普通螺栓的构造和计算• 受力要求：钢板端部不剪断，端距不应小于2d0 ;受拉时，栓距和线距不应过小；受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大• 构造要求：栓距和线距不宜过大• 施工要求：有一定的施工空间﹡ ﹡排列要求﹡ ﹡孔、螺栓图例 7.6.2 普通螺栓连接受剪、受拉时的性能﹡ ﹡传力方式：抗剪螺栓和抗拉螺栓1、抗剪螺栓连接﹡ ﹡破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端被剪断；螺栓杆弯曲 ﹡ ﹡受力状态：弹性时两端大而中间小，进入塑性阶 段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。

为防止“解纽扣”破坏，当连接长度l1 较大时，应将螺栓的承载力乘以折减系数 ：当 l1≤15d0 时，  =1.0当 15d0＜l1≤60d0 时，  =1.1－l1/150d0 当 l1＞60d0 时，  =0.7﹡ ﹡一个抗剪螺栓的设计承载力计算• 抗剪承载力设计值： • 承压承载力设计值： 一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值 2、抗拉螺栓连接﹡ ﹡破坏形式：螺栓杆拉断为考虑撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值ftb取同样钢号钢材抗拉强度设计值f的0.8倍(即ftb=0.8f ) 7.6.3 螺栓群的计算﹡ ﹡螺栓数目﹡ ﹡板件净截面强度 ﹡ ﹡净截面面积和受力 并列（图a）N1=N； N2 =N－(n1/n) N ；N3 = N－ (n1+n2)/n  N 对被连接板：An=t (b－n1d0)对拼接板： An =2t1 (b－n3d0)1、螺栓在轴心力作用下的抗剪计算错 列（图b） 除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截面的破坏，净截面面积为 ① 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；② 各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群2、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算基本假定形心o的距离r成正比，力的方向与其 至螺栓群形心的连 线相垂直。

平衡条件： 根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件 则 或 验算 3、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算4、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算5、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算假定：中和轴在最下排螺栓处 则 6、螺栓群同时受剪力和拉力的计算支托仅起安装作用：螺栓群受力为M=Ve和剪力V，则螺栓不发生拉剪破坏： 板不发生承压破坏： 支托承受剪力：螺栓群只承受弯矩M=Ve作用，则支托和柱翼缘的角焊缝验算： 为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取1.25~1.357.7.1 高强度螺栓连接的性能• 级别：10.9级和8.8级（小数点前为螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后的数字是屈强比） • 栓孔：钻成孔• 按受力特征分类：摩擦型连接、承压型连接和承受拉力的连接 • 影响承载力的因素：栓杆预拉力、连接表面抗滑移系数和钢材种类7.7 高强度螺栓连接的性能和计算1、高强螺栓连接的预拉力﹡ ﹡施加方法：◆ 扭矩法T=KdP◆ 转角法 • 初拧• 终拧◆ 扭剪法扭断螺栓尾部梅花头预拉力设计值：高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑：①在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪应力将降低螺栓的抗拉承载力，对抗拉强度引入折减系数1/1.2；②施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%~10%，引入折减系数0.9；③螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9 ；④钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。

2、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈；对于摩擦型 连接，要求见下表：排列构造要求同普通螺栓沿受力方向的连接长度l1，也要考虑l1>15d0时对承载力的折减当 l1≤15d0 时，  =1.0当 15d0＜l1≤60d0 时，  =1.1－l1/150d0 当 l1＞60d0 时，  =0.73、高强螺栓的排列7.7.2 高强度螺栓的抗剪承载力设计值1、高强螺栓摩擦型连接R为抗力分项系数R的倒数，一般取0.9，最小板厚t6mm的冷弯薄壁型钢结构取0.8 破坏状态同普通螺栓，极限承载力由杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同2、高强螺栓承压型连接7.7.3 高强度螺栓群的抗剪计算﹡ ﹡螺栓数：﹡ ﹡构件净截面强度：对于承压型连接，验算与普通螺栓相同；对于 摩擦型连接，要考虑孔前传力的影响（占螺栓传力 的50%）1、轴心力作用时螺栓群受扭矩T、剪力V和轴心力N共同作用的高强度螺栓连接的抗剪计算与普通螺栓相同，只是用高强度螺栓的承载力设计值2、扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同时7.7.4 高强度螺栓的抗拉计算1、高强度螺栓的抗拉连接性能当Nt=0.8P时，Pf=1.07P。

可认为螺栓中的预拉力基本不变撬力的影响：限制抗拉承载力在0.8P以内2、高强度螺栓的抗拉连接计算﹡ ﹡抗拉承载力: ﹡ ﹡轴心拉力的螺栓数：﹡ ﹡弯矩作用时：(c)• 板不被拉开时，中和轴在螺栓群形心处；• 板可被拉开时，与普通螺栓一样，中和轴在最外排受压螺栓形心处﹡ ﹡承载力极限状态7.7.5 同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算• 由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低;每个螺栓的抗剪承载力也随之减少；• 抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低 2、高强度螺栓承压型连接且 当剪切面在螺纹处时，取 1、高强度螺栓摩擦型连接﹡ ﹡叠放板材的弯曲变形7.8 焊接梁翼缘焊缝的计算﹡ ﹡无局部压应力时的梁翼缘焊缝受力焊缝受力： 焊脚尺寸： ﹡ ﹡双层翼缘板时的焊缝受力﹡ ﹡有局部压应力时的梁翼缘焊缝受力则 。