第 5 章 钢结构的连接,主要内容：,5.1 钢结构的连接方法 5.2 焊接方法和焊缝连接形式 5.3 对接焊缝的构造与计算 5.4 角焊缝的构造与计算 5.5 焊接残余应力和残余变形 5.6 普通螺栓连接的构造与计算 5.7 高强螺栓连接的计算,连接要求 足够的强度、刚度和延性。 连接方法 焊接、铆接、螺栓连接。,5.1 钢结构的连接方法,图5-1, 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。,5.1.1 焊缝连接,焊缝连接与螺栓连接、铆钉连接比较：,5.1.2 铆钉连接, 优点 塑性和韧性较好； 传力可靠，质量易于检查； 适用于直接承受动载结构的连接。 缺点 构造复杂； 费钢费工。, 螺栓连接：普通螺栓和高强度螺栓 1. 普通螺栓 A、B级：性能等级为5.6级和8.8级； C级：性能等级为4.6级和4.8级。 2.高强度螺栓 摩擦型连接. 承压型连接.,5.1.3 螺栓连接,电弧焊、气体保护焊和电阻焊等,分：手工电弧焊和埋弧焊,5.2 焊接方法和焊缝连接形式,5.2.1 钢结构常用焊接方法,手工电弧,1.电弧焊,图5-2 手工电弧焊,（a）电路,（b）施焊过程,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,EXX的XX表示焊条的最低抗拉强度。,焊丝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,图5-3 埋弧自动电弧焊,2.气体保护焊 3.电阻焊,5.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式 1.焊缝连接形式,按被连接构件间的相对位置： 平接、搭接、T形连接、角接。,图5-4 焊缝连接的形式,2.焊缝形式 按所受力的方向分：对接正焊缝和对接斜焊缝。,角焊缝：正面角焊缝和侧面角焊缝。,图5-5,按施焊位置：平焊、横焊、立焊及仰焊,焊缝沿长度分布情况：连续角焊缝和断续角焊缝。,图5-6 连续角焊缝和断续角焊缝,图5-7 焊缝施焊位置,5.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验 1.焊缝缺陷,裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边 、未焊透等。,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缝 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。,2.焊缝质量检验,强度折减： 高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9。,钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）分为三级。,焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况分别选用不同的质量等级。,3.焊缝质量等级的规定,作用 表明焊缝形式、尺寸和辅助要求。 表示方法(GB324-88) 由指引线、图形符号、辅助符号和焊缝尺寸等部分组成。 引出线由横线和带箭头的斜线组成。 图形符号表示焊缝的基本形式，如用“”表示角焊缝。 辅助符号表示焊缝的辅助要求，如用“ ”表示现场安装焊缝等。,5.2.4 焊缝代号,焊缝代号,当焊缝分布比较复杂或用上述标注不能表达清楚时，在标注焊缝代号的同时，可在图形上加粗线或栅线表示。,图5-9 栅线表示 （a）正面焊缝（b）背面焊缝（c）安装焊缝,分为：I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、K形缝和X形缝 等。,5.3 对接焊缝的构造与计算,5.3.1对接焊缝的构造, 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。,图5-10 对接焊缝的坡口形式 （a）I形缝；（b）单边V形坡口；（c）V形坡口；（d）U形坡口；（e）K形坡口；（f）X形坡口,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。,不采用引弧板时，计算每条焊缝长度时取实际长度减2t（t为焊件的较小厚度）。,5.3.2 对接焊缝的计算 计算原则,计算焊件的方法。一、二级标准检验焊缝质量，焊缝和构件等强不需计算；仅计算三级焊缝。 1.轴心受力对接焊缝的计算,规范规定当斜缝和作用力间夹角符合tan1.5（ 56）时，斜焊缝的强度不低于焊件强度，不需再计算焊缝强度。,图18-13 轴心力作用下对接焊缝连接,（a）直焊缝,（b）斜焊缝,（5-1）,式中 N 轴心拉力或压力的设计值； lw 焊缝的计算长度，当采用引弧板施焊时，取焊 缝实际长度；当未采用引弧板施焊时，每条焊 缝取实际长度减去2t； t 在对接连接中为连接件的较小厚度；在T形连接 中为腹板厚度； 对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值，查附表 2-4，P215。,或,2.受弯和受剪共同作用时对接焊缝的计算,(5-2),(5-3),焊缝截面的截面模量；,焊缝截面在计算剪应力处以上或以下部分截面对中和轴的面积矩；,焊缝截面对中和轴的惯性矩；,式中,对接焊缝的抗剪强度设计值，查附表2-4。,轴力、弯矩和剪力共同作用时，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。,I字形、箱形、T形等构件：,(5-4),1.1,3.轴心力、弯矩和剪力共同作用时对接焊缝的计算,、 验算点处焊缝截面的正应力和剪应力；,式中,1.1考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高的系数。,例5-1 计算工字型截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝，如图5-15所示。牛腿承受竖向力设计值F=320kN，偏心距e=300mm，钢材为Q235，焊条E43系列，手工焊，施焊时无引弧板，焊缝质量标准为三级。,图5-15 例5-1图,解：.焊缝有效截面的几何特性 因施焊时无引弧板，故每条焊缝的计算长度为焊缝实际长度减去两倍板件的厚度。,.焊缝强度计算 焊缝承受由力F向焊缝截面上简化后产生的弯矩M=Fe和剪力V=F。 最大正应力,最大剪应力,上翼缘和腹板交接处1点的正应力,剪应力,由于1点同时受有较大的正应力和剪应力，故应按式（5-4）验算折算应力,焊缝强度满足要求。,5.4 角焊缝的构造与计算 5.4.1 角焊缝的形式和构造,截面形状,1.角焊缝的形式 角焊缝按两焊脚边的夹角分：直角角焊缝和斜角角焊缝。,图5-16 直角角焊缝截面 （a）普通型；（b）平坦型；（c）凹面型,（a）,（b）,（c）,图5-17 斜角角焊缝截面,图5-18 角焊缝的受力形式 1-侧面角焊缝；2-正面角焊缝；3-斜向角焊缝,等边角焊缝的最小截面和两边焊角成/2角(直角角焊缝为45)称为有效截面或计算截面，不计余高和溶深。直角角焊缝的有效厚度,he=0.7hf,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，T形连接的单面角焊缝，应增加1mm。当焊件厚度等于或小于4mm时，最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同 。,2.角焊缝的构造要求 （1）最小焊脚尺寸,hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。,（2）最大焊脚尺寸,对于板件边缘的焊缝，当t6mm时，hft；当t6mm时，hf t(12)mm。,角焊缝最大hf,焊缝长度lw 也不应太短，其计算长度不宜小于8hf和40mm 。,（4）角焊缝的最小计算长度,当两焊件厚度相差较大且用等焊脚尺寸不能满足最大、最小焊脚尺寸的要求时，可采用不等焊脚尺寸。,最小实际长度应为 8 hf +2 hf =10 hf,（3）不等焊脚尺寸,（5）侧面角焊缝的最大计算长度,侧面角焊缝长度lw 也不应太长，不宜大于60hf，超出部分不计。若内力沿侧面角焊缝全长分布，则不受此限。,侧面角焊缝的应力分布,（6）角焊缝的其他构造要求,图5-20 由槽焊和塞焊防止板件拱曲 （a）焊缝长度及两侧焊缝间距；（b）槽焊 d1.5t，s=（1.52.5）t且200mm，t开槽板厚度，L1开槽长度由设计控制；（c）塞焊 d2.5t，s200mm，s14d,图5-22 杆件与节点板的焊缝连接 （a）两面侧焊；（b）三面围焊；（c）L形围焊,图5-21 搭接连接,5.4.2 角焊缝的计算,简化方法 假定角焊缝的破坏截面均在最小截面，其面积为角焊缝的有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积，此截面称为角焊缝的有效截面。又假定截面上的应力沿焊缝计算长度均匀分布。同时不论是正面焊缝还是侧面焊缝，均按破坏时计算截面上的平均应力来确定其强度，并采用统一的强度设计值进行计算。,1.受轴心力作用时的角焊缝计算,（1）侧面角焊缝的计算,矩形拼接板侧面角焊缝连接,式中 N轴心拉力或压力的设计值； he角焊缝的有效厚度； lw连接一侧所有角焊缝的计算长度之和； 角焊缝的强度设计值。,（2）正面角焊缝的计算,矩形拼接板正面焊缝连接,式中 正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构取 =1.22，对直接承受动力荷载的结构取 =1.0。,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。,（3）三面围焊缝的计算,三面围焊缝直接承受动力荷载作用,矩形拼接板三面围焊缝连接,（4）承受斜向轴心力的角焊缝计算,将 除以 后按下式作矢量叠加计算，即,斜向角焊缝的强度设计值增大系数，其值介于11.22之间。,取 =1.22，代入上式并简化，可得,（5）角钢角焊缝计算,当用侧面角焊缝连接时（图a）,肢背,肢尖,式中 K1、K2角钢肢背、肢尖焊缝内力分配系数。,三面围焊时（图b）,正面角焊缝承担的力为,侧面角焊缝承担的力为,肢背,肢尖,L形焊缝（图c）,正面角焊缝承担的力为: N3 =2k2N,侧面角焊缝承担的力为: N1=NN3,焊缝的计算长度,对双角钢截面,角钢肢背焊缝,角钢肢尖焊缝,L形围焊,正面角焊缝的焊脚尺寸,采用的每条焊缝实际长度应取其计算长度加2hf。,。,例5-2 试设计如图5-26所示一双拼接盖板的对接连接。已知钢板宽B=310mm，厚度t1=16mm，拼接盖板厚度t2=10mm，该连接承受轴心力设计值N=1000kN（静力荷载），钢材为Q235，手工焊，焊条为E43型。,解：设计拼接盖板的对接连接有两种方法：一种方法是假定焊脚尺寸求焊缝长度，再由焊缝长度确定盖板的尺寸；另一种方法是先假定焊脚尺寸和拼接盖板的尺寸，然后验算焊缝的承载力。如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时，则应调整焊脚尺寸，再行验算，直到满足承载力的要求为止。,图5-26 例5-2图,首先确定角焊缝的焊脚尺寸。由于此处的焊缝在板件边缘施焊，且拼接盖板厚度t2=10mm6mm，t2t1，则,取hf=8mm，查附表2-4得角焊缝强度设计值,确定连接方式。拼接盖板的宽度b就是两条侧面角焊缝之间的距离，应根据强度条件和构造要求确定。根据强度条件，在钢材种类相同的情况下，拼接盖板的截面积A应等于或大于被连接钢板的截面积。,选定拼接盖板宽度b=270mm，则 A=270210=5400mm2A=31016=4960 mm2 满足强度要求。 根据构造要求，应满足b160mm。为防止因仅用侧面角焊缝引起板件拱曲过大，应采用三面围焊。 已知正面角焊缝的长度lw1=b=270mm，则正面角焊缝所能承受的内力为,连接一侧侧面角焊缝的总长度为,连接一侧共有4条侧面角焊缝，则一条侧面角焊缝的长度为,拼接盖板的总长度为,取260mm 。,例5-3 如图5-27所示角钢与节点板的连接角焊缝。已知轴心力设计值N=510kN（静力荷载），角钢为2L100808（长肢相连），连接板厚度t=10mm，钢材Q235,手工焊，焊条E43系列。试确定所需焊脚尺寸和焊缝长度。,图5-27 例5-3图,解 采用三面围焊，设角钢肢背、肢尖及端部焊脚尺寸