第三章第三章 钢结构的连接钢结构的连接第一节 钢结构的连接方法连接的作用：将板材或型钢组合成构件，再将构件组合 成整体结构，以保证其共同工作。 连接的影响：方式、质量直接影响钢结构的工作性能。 连接的要求：必须安全可靠、传力明确、构造简单、制 造方便和节约钢材。 连接方法：焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种。焊接连接:在被连接金属件之间的缝隙区域，通过高温使 被连接金属与填充金属熔融结合，冷却后形成牢固连接 的工艺过程称为焊接连接,填充金属带称为焊缝。优点：任何形式的构件都可直接相连，构造简单，制作 加工方便；不削弱截面，用料经济；连接的密闭性好， 结构刚度大；可实现自动化操作，提高焊接结构质量。 缺点：在热影响区内，金相组织发生改变，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。常用焊接方法 ：通常采用电弧焊（包括手工电弧焊）、 埋弧焊(自动或半自动焊)以及气体保护焊等。 手工电弧焊：通电后，在涂有药皮的焊条与焊件之间产 生可达3000的高温电弧，电弧周围的金属被熔为液态 ，形成熔池，同时焊条中的焊丝熔化而滴入熔池，与焊 件的熔融金属结合，冷却后形成焊缝，而焊条上的药皮 在焊接过程中产生气体以保护电弧和熔化的金属，并形 成熔渣覆盖焊缝，防止空气中的氧、氮等有害气体与熔 融金属接触而形成易脆物质。焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧焊条选用原则：所用焊条应与焊件钢材(或称主体金属) 相适应，依据等强度原则：焊条型号： E表示焊条； 第一、二位数字为熔敷金属的最小抗拉强度(kgf/mm2) ； 第三、四位数字表示适用焊接位置、电流种类以及药 皮类型等。Q235钢 E43型焊条(E4300E4328)； Q345钢 E50型焊条(E5001E5048)； Q390钢Q420钢 E55型焊条(E5500E5518)。 不同钢种相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。埋弧焊：电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。 自动电弧焊 焊丝送进和电弧按焊接方向的移动有专门机 构控制完成。 半自动电弧焊 焊丝送进有专门机构，而电弧按焊接方向 的移动靠人手工操作完成。优点 电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接，生产率 高。工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好 、焊件变形小。同时，高焊速也减小了热影响区的范围 。缺点 对焊件边缘的装配精度(如间隙)要求比手工焊高 。 气体保护焊：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。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中的稳定性。 优点 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。缺点 不适用于在风较大的地方施焊。铆钉连接：通过铆钉穿过需连接件而将连接件连接的办法。优点 塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，对主体金属的材质质量要求低。缺点 削弱截面，费钢费工，要求技工技术水平高，劳动条件差。螺栓连接：在被连接件上钻孔，装上螺杆、拧紧螺帽进 行连接，通过螺杆或连接件间的摩擦承受荷载，有普通 螺栓连接和高强度螺栓连接两种。N普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。A与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级。 C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。螺栓等级含义 a.ba:表示螺栓成品的抗拉强度不小于a100N/mm2；b:表示螺栓成品的屈强比（屈服强度/抗拉强度）。4.6：抗拉强度不小于400N/mm2；屈强比为0.6。精制螺栓：毛坯在车床上经过切削加工精制而成。 特点：表面光滑，尺寸准确，对成孔质量要求高。 优点：精度较高，受剪性能好。 缺点：制作和安装复杂，价格较高，少在钢结构中采用。粗制螺栓：由未经加工的圆钢压制而成。 特点：螺栓表面粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成或 不用钻模钻成设计孔径的孔(II类孔)，螺栓孔的直径比螺 栓杆的直径大1.53mm。特点：螺杆与螺孔间有较大的间隙，受剪力作用时，将会 产生较大的剪切滑移，连接的变形大。 优点：安装方便，且能有效地传递拉力，可用于沿螺栓杆 轴受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临 时固定。高强度螺栓连接两种类型： 摩擦型连接：依靠钢材板间摩擦阻力传力，并以剪力不超 过接触面摩擦力作为设计准则； 优点：剪切变形小、弹性好、施工简单、可拆卸； 适用范围：承受动力荷载的部位。承压型连接：允许接触面滑移，以螺杆或连接板达到破坏 的极限承载力作为设计准则。 优点：承载力高、连接紧凑、剪切变形大 适用范围：承受静力荷载或间接动力荷载结构。螺栓：性能等级为8.8级、10.9级。 摩擦型孔径比螺栓公称直径大1.5-2.0mm； 承压型孔径比螺栓公称直径大1.0-1.5mm。 为什么要求 不一致？连接形式对接 搭接 T形连接 角接 焊件的连接形式：焊接件之间的相对关系 第二节 焊缝连接搭接对接T型连接角接对接连接：主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相 互连接。 优点：传力均匀平缓，没有明显应力集中，用料经济； 缺点：焊件边缘需要加工（坡口，V形），被连接两板的 间隙有严格的要求。 搭接连接：适用于不同厚度构件的连接。 优点：构造简单，施工方便； 缺点：传力不均匀，易产生弯矩，材料较费； T形连接 ：常用于制作组合截面。 优点：省工省料； 缺点：焊件间存在缝隙，截面突变，应力集中现象严重 。 角部连接 ： 主要用于制作箱形截面。焊缝形式正对接焊缝斜对接焊缝1、按焊缝与受力方向的相对位置按受力方向划分正对接焊缝：焊缝垂直于力线 对接焊缝斜对接焊缝：焊缝倾斜于力线正面角焊缝：焊缝垂直于力线 角焊缝 侧面角焊缝：焊缝平行于力线斜角焊缝: 焊缝倾斜于力线2、按施焊的位置 平焊、横焊、立焊及仰焊。 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焊高一些。 仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此应尽量 避免采用仰焊。焊缝缺陷 焊缝缺陷：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：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、 咬边、未熔合、未焊透等；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。裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透焊缝质量检验 缺陷削弱焊缝受力面积，导致焊缝处应力集中，对连 接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。 外观检查 检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验 检查内部缺陷，采用超声波检验、磁 粉、荧光检验、X射线或射线透照或拍片。 钢结构工程施工质量验收规范规定焊缝按其检验 方法和质量要求分为一、二、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； 一级、二级焊缝：外观检查及一定数量的超声波检验 并符合相应级别的质量标准。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。 焊缝质量等级及选用(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 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 的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。 (4)角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要 验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊 缝的外观质量应符合二级。焊缝代号图例 焊缝符号表示法规定： 焊缝代号由基本符号、指引线、补充符号和焊缝尺寸hf 。 基本符号：表示焊缝的截面形状，如 表示角焊缝；V表 示V形坡口对接焊缝； 指引线：由横线和带箭头的斜线组成。箭头指到相应焊缝 处，横线的上面和下面用来标注图形符号和焊缝尺寸。 补充符号：表示焊缝的有关特征，如用表示三面围焊， 用 表示现场安装焊缝。hf标 注 方 法相同焊 缝安装焊 缝双面焊 缝单面焊 缝三面围 焊塞焊缝对接焊缝角焊缝形 式第三节 角焊缝的构造要求和计算角焊缝的形式角焊缝：焊缝金属填充在连接板件形成的直角或斜角区 域内。 按截面形式可分为： 直角角焊缝 两焊脚边的夹角为90，微凸的等腰直角三 角形，直角边边长hf称为角焊缝的焊脚尺寸。 he0.7hf为直角角焊缝的有效厚度！。 斜角角焊缝 两焊脚边的夹角不等于90。hf的确定？ 斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。 夹角大于l35或小于60的斜角角焊缝，除钢管结构外， 不宜用作受力焊缝。 正面角焊缝的破坏形式he0.7hf ? ? ?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，焊根处存在着很严重的应力集中。 正面角焊缝的破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形 能力差。 斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角 焊缝之间。侧面角焊缝 主要承受剪应力。 优点：塑性较好，弹性模量低 ，强度也较低，在接近塑性工 作阶段时，产生应力重分布， 可使应力分布的不均匀现象渐 趋缓和。 缺点：传力线通过时产生弯折 ，应力沿焊缝长度方向的分布 不均匀，呈两端大而中间小的 状态，焊缝越长，应力分布不 均匀性越显著。最大焊脚尺寸hf 避免焊区过热、焊缝收缩时产生较大的残余应力和残余 变形，热影响区扩大，产生热脆，较薄焊件烧穿，除钢 管结构外 ，焊脚尺寸hf应该满足：t1为较薄焊件厚度（mm）。 板件边缘的焊缝： 板件厚度t6mm时，hft-(12) mm t6mm时，取hft角焊缝的构造要求 最小焊脚尺寸 焊脚尺寸过小，熔融金属少，施焊时冷却速度过快，产生 淬硬组织，导致母材开裂。 焊脚尺寸 t2为较厚焊件厚度(mm)，焊脚尺寸取整数+1mm。 自动焊熔深较大，最小焊脚尺寸可减小1mm；T形连接的 单面角焊缝，增加1mm；当焊件厚度小于或等于4mm时 ，取与焊件厚度相同。侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大中 间小。焊缝越长，应力集中越明显。 若焊缝长度适宜，两端点处的应力达到屈服强度后，继续 加载，应力会渐趋均匀。 若焊缝长度超过某一限值时，有可能首先在焊缝的两端破 坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度 lw60hf 当实际长度大于上述限值时，其超过部分在计算中不予考 虑。 若内力沿侧面角焊缝全长分布，比如焊接梁翼缘板与腹板 的连接焊缝，计算长度可不受上述限制。角焊缝的最小计算长度 焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝 起灭弧所引起的缺陷相距太近，以及焊缝中可能产生的 其他缺陷(气孔、非金属夹杂等)，使焊缝不够可靠。 搭接连接的侧面角焊缝，如果焊缝长度过小，由于力线 弯折大，会造成严重应力集中。 为了使焊缝能够具有一定的承载能力，侧面角焊缝或正 面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。 搭接连接的构造要求 当板件端部仅有2条侧面角焊缝时，连接的承载力与b/lw 有关，b为两侧焊缝的距离，lw为侧焊缝长度。当b/lw1 时，连接的承载力随着b/lw比值的增大而明显下降。 为使连接强度不致过分降低，要求b/lw1。避免焊缝横向收缩，引起板件向外发生较大拱曲， b16t(t12mm)或190m