钢结构设计原理钢结构设计原理第三章 钢结构的连接 3.1 钢结构的连接方法和特点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。 连接方式及其质量直接影响钢结构的工作性能。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。3.1.1焊接连接最主要的连接方法。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。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。钢结构常用焊接方法 1.手工电弧焊 最常用的一种焊 接方法。通电后 在涂有药皮的焊 条与焊件之间产 生电弧。手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材(或称主体金 属)相适应： Q235钢 E43型焊条(E4300E4328)； Q345钢 E50型焊条(E5000E5048)； Q390钢Q420钢 E55型焊条(E5500E5518)。 E表示焊条、前两位数字为熔敷金属的最小抗拉 强度(以kgfmm2表示)，第三、四位数字表示 适用焊接位置、电流以及药皮类型等。 不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢 材相适应的焊条。2 埋弧焊(自动或半自动) 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。 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。但埋弧焊对焊件边缘的装配精 度(如间隙)要求比手工焊高。 埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属强度相适应 ，即要求焊缝与主体金属等强度。 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。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。 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。但不适用于在风较大的地方施焊。 3.1.2 铆钉连接制孔和打铆。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。削弱截面，费钢费工，要求技工技术水平高，劳动条件差。很少采用，被焊接和螺栓连接所取代。3.1.3 螺栓连接 普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。 1 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。小数点前面的数字表示螺栓成品的抗拉强度不 小于400N/mm2，小数点及小数点以后数字表示 其屈强比为0.6或0.8。A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加 工精制而成。表面光滑，尺寸准确，对成孔质量 要求高。有较高的精度，因而受剪性能好。制作 和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用 C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。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1.52mm。螺栓 杆与螺栓孔之间有较大的间隙，受剪力作用时， 将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。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。2.高强度螺栓连接两种类型 摩擦型连接：依靠摩擦阻力传力，并以剪力不超 过接触面摩擦力作为设计准则； 承压型连接：允许接触面滑移，以连接达到破坏 的极限承载力作为设计准则。 采用45号钢、40B钢和20MnTiB钢加工而成，经 热处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于800N mm2和1000Nmm2，即前者的性能等级为8.8级 ，后者的性能等级为10.9级。 摩擦型连接螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5- 2.0mm；承压型连接高强度螺栓的孔径比螺栓公 称直径大1.0-1.5mm。 摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工 较简单，可拆卸，耐疲劳，特别适用于承受动 力荷载的结构。承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑， 但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结 构中。3.2.1 焊缝的形式 3.2 焊缝和焊接连接的形式角焊缝和坡口焊缝。 1.角焊缝 连接板件不必坡口，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。he 0.7hf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 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。 2. 坡口焊缝 焊件常需做成坡口，焊缝金属填充在坡口内。 坡口形式与焊件厚度有关： 焊件厚度很小(小于等于10mm)：直边缝。 一般厚度(t=1020mm) :具有斜坡口的单边V形或V形焊 缝。 斜坡口和离缝b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。 较厚的焊件(t20mm)，则采用U形、K形和X形坡口。 V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。 坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准 建筑钢结构焊接规程要求进行。对接焊缝：两构件在同一平面内； 对接与角接组合焊缝：T形、十字形或角接 接头的坡口焊缝。3.2.2 焊接连接的形式 3.2焊缝和焊接连接形式1.焊接连接形式 被连接板件的相互位置：对接、搭接、T形连接和角部 连接四种。 连接所采用的焊缝主要有坡口焊缝和角焊缝。 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。 采用对接焊缝，两构件在同一平面内，传力均匀平缓 ，没有明显的应力集中，用料经济，但是焊件边缘需 要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求 。采用双盖板和角焊缝，传力不均匀、费料，但施工 简便，所连接两板的间隙大小无需严格控制。 搭接连接：适用于不同厚度构件的连接。传力不均匀 ，材料较费，构造简单，施工方便，广泛应用。 T形连接 省工省料，常用于制作组合截面。 采用角焊缝连接 焊件间存在缝隙，截面突变，应 力集中现象严重，疲劳强度较低，可用于不直接 承受动力荷载结构的连接中。 采用坡口焊缝 对于直接承受动力荷载的结构，如 重级工作制吊车梁，其上翼缘与腹板的连接。 角部连接 主要用于制作箱形截面。 2.焊缝的施焊位置平焊、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。3.3 焊缝缺陷和质量检验 3.3.1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。3.3.2 焊缝质量检验 缺陷削弱焊缝受力面积，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。焊缝质 量检验极为重要。 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，用磁 粉、荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外还可采 用X射线或射线透照或拍片，X射线应用较广。 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、 二级焊缝除外观检查外，还要求一定数量的超声波检 验并符合相应级别的质量标准。3.3.3 焊缝代号图例 焊缝符号表示法规定：焊缝代号由引出线、图形 符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头 的斜线组成。箭头指到图形上的相应焊缝处，横线的 上面和下面用来标注图形符号和焊缝尺寸。当引出线 的箭头指向焊缝所在的一面时，应将图形符号和焊缝 尺寸等标注在水平横线的上面；当箭头指向对应焊缝 所在的另一面时，则应将图形符号和焊缝尺寸标注在 水平横线的下面。必要时，可在水平横线的末端加一 尾部作为其他说明之用。图形符号表示焊缝的基本型 式，如用 表示角焊缝，用V表示V型坡口的对接焊缝 。辅助符号表示焊缝的辅助要求，如用 表示现场安装 焊缝等。3.4 角焊缝的构造要求和计算 角焊缝按其与作用力的关系可分为： 正面角焊缝 焊缝长度方向与作用力垂直； 侧面角焊缝 焊缝长度方向与作用力平行； 斜焊缝 焊缝长度方向与作用力方向成一角度；围焊缝 正面、侧面、斜焊缝组成的混合焊缝。侧面角焊缝 主要承受剪 应力，塑性较好，弹性模 量低，强度也较低。 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，但在届临塑 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。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。3.4.1 角焊缝的构造要求 1. 最小焊脚尺寸 焊脚尺寸过小，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。 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。3.4.1 角焊缝的构造要求 2 最大焊脚尺寸 避免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 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。 不等角焊角尺寸。3.4.1 角焊缝的构造要求 3 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。3.4.1 角焊缝的构造要求 4 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。3.4.1 角焊缝的构造要求 5 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/lw 1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