第四章 钢结构基本构件之钢结构的连接与构造(二)

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
应力分布
侧面角焊缝的应力分布
角焊缝的应力—位移曲线
正面角焊缝的应力分布
焊脚尺寸
hf 应与焊件的厚度相适应。 对手工焊，hf应不小于 1.5 t ，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。
Nfx fx Ae , Vfy fy Ae , Vfz fz Ae
Ae Nfx / 2+Nfy / 2 fx Ae / 2 fy Ae / 2
fx / 2 fy / 2
fy / 2 fx / 2, // fz
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
f
M f f f w Ww
4、扭矩作用下的焊缝 焊缝群受扭：
假定 ① 被连接构件是绝对 刚性的，而螺栓则是弹性的； ② 被连接板件绕角焊缝有效 截面形心o旋转，角焊缝上任 一点的应力方向垂直于该点与 形心o的连线，应力的大小与 其距离r的大小成正比。
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， 当 15d0＜l1≤60d0 时， 当 l1＞60d0 时，
=1.0 =1.1－l1/150d0 =0.7
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或40mm ，且不宜大于60hf
7.4.2 角焊缝计算的基本公式
2 2 2 3( // ) 3 f fw
焊缝等级：《钢结构工程施工质量验收规范》 （GB50205）三级
•
• •
三级焊缝：外观检查
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
强度折减：
高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9
7.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因
纵向残余应力
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
对结构刚度的影响
对压杆稳定的影响
对低温冷脆的影响
对疲劳强度的影响
7.5.3 焊接残余变形
残余变形形式
残余变形形式
4
f t b Ae f t b
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
1、螺栓在轴心力作用下的抗剪计算
螺栓数目
b n N / N min
板件净截面强度
N / An f
1— 焊 丝 转 盘 ； 2— 转 动 焊 丝 的 电 动 机 ； 3— 焊 剂 漏 斗 ； 4— 电 源 ； 5—熔 化 的 焊 剂 ； 6— 焊 缝 金 属 ； 7— 焊 件 ； 8— 移 动 方 向
7.2.2 焊接连接的优缺点 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
注: 1. d0 为螺栓孔或铆钉孔径，t 为外层薄板件厚度。 2. 钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢) 相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。
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
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)
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
2 2 An t[2e4 (n2 1) e1 e2 n2d0 ]
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
焊接位置要合理，布置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
则有

fz / 2 fy / 2

2
3 fy / 2 fz / 2


2
w 2 fz 3 f f
可得角焊缝计算的基本公式为
2 2 2 2 ( fx fy fx fy ) fz ffw 3
仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时
2、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算
基本假定
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：
T T T N1T r1 N 2 r2 N n rn
6、扭矩、剪力和轴心力共同作用
T rx ; ; ; he lw he lw J J
V A
V
N A
N
T A
T ry
T A
T V A A 2 T T ( ) ( A A ) 2 f f w f
7、塞焊计算
7.5 焊接残余应力和残余变形
一个抗剪螺栓的设计承载力计算 • 抗剪承载力设计值：
N nv
b v
d2
4
f vb
• 承压承载力设计值：
b N c d t f cb
(a) 单剪
(b) 双剪
(c) 四剪面
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：螺栓焊缝（图a）
N f ffw he lw
仅正面角焊缝（图b）
N f f f f w he lw
三面围焊时（图c） 先计算计算正面角焊缝受力N1，剩
余的N－ N1由侧面角焊缝承担。 菱形拼接板（图d） 简化计算不计正面及斜焊缝的f：
N ffw he lw
根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件
T T N1T N2 Nn r1 r2 rn
则 或
T T N1 N1 2 2 2 T (r r2 rn ) 1 r r 1 1
r
i 1
n
2
i
N1T
T r 1 2 ri
T r 1 xi2 yi2
A
T rA ; J Ix Iy J

T Ax

T rAy J
T Ay
T rAx J
环焊缝受扭
5、弯矩、剪力和轴心力共同作用
M A
M V N V N ; A ; A Ww he lw he lw
M N A A 2 V ( ) ( A ) 2 f f w f
7.3 对接焊缝的构造和计算
7.3.1 构造要求 坡口形式
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、带钝边双单边V形缝和 双Y形缝等
（a）I形缝；（b）带钝边单边V形缝；（c）Y形缝
（d）带钝边U形缝；（e）带钝边双单边V形缝； （f）双Y形缝；（g）、（h）、（i）加垫板的I形
f N /(he lw ) ffw
仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时
f N /(he lw ) f ff w
同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时
f / f f2 ffw
2
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
缺点
• 材质劣化
• 残余应力、残余变形
• 一裂即坏、低温冷脆
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
(a) 热裂纹；(b) 冷裂纹；(c) 气孔；(d) 烧穿；(e) 夹渣
(f) 根部未焊透；(g) 边缘未熔合；(h) 层间未熔合； (i) 咬边；(j) 焊瘤
缝、带钝边单边V形缝和Y形缝
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／（lwt）≤fwt或fwc
（2）受弯、受剪的对接焊缝计算
＝M／Ww ≤ fwt
＝VS／（Iwt ）≤ fwV
2 2 zs B 3 B 1.1 f t w
则螺栓1受的最大剪力N1应满足：
N1
N T V T b ( N1x N1x )2 ( N1y N1y )2 Nmin
4、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算
n N / N tb
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
M M M m( N1M y1 N 2 y2 N n yn )