7-钢结构连接 钢结构设计原理 教学课件

lwmi n ma8x hf,(4m 0 )m
设计： lwmin lwlwmax
（6）搭接连接的构造要求
①在搭接连接中，搭接长度L≥5t min ，且≥25mm。 为了减少收缩应力
以及因偏心在钢板与连 接件中产生的次应力
图3.18 搭接连接
②当板件端部仅有两侧面角焊缝时，lw≥b (b为两侧焊缝距离) 同时 b16t(t12m m ) 或 190m m (t12m m )
（2）正面角焊缝应力状态复杂，可能沿45o截面破 坏，也可能沿溶合边破坏；
（3）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差。
he 0.7hf
hf he
图3.23 焊脚尺寸及有效焊脚厚度
计算步骤：
（1）求出同一平面焊缝群的形心； （2）将荷载向形心简化，找出最不利位置； （3）分别求出各荷载分量在最不利位置产生
钢 结构
基本原理
土木工程学院
2019年——2019年第二学期
3 钢结构的连接
本章内容：(1) 钢结构的连接方法 (2) 焊接方法和焊接连接形式 (3) 角焊缝的构造与计算 (4) 对接焊缝的构造与计算 (5) 螺栓连接的构造 (6) 普通螺栓连接的工作性能和计算 (7) 高强度螺栓连接的工作性能和计算
按截面形式划分 直角角焊缝
角焊缝 斜角角焊缝
角焊缝一般用直角角焊缝。
夹角 135 或 60
的斜角角焊缝，不宜用作 受力焊缝(钢管结构除外).
图3.11 直角角焊缝截面
h f ——角焊缝的焊脚尺寸
图3.12 斜角角焊缝截面
h e ——角焊缝的计算厚度，对直角角焊缝：he 0.7hf
按角焊缝与作用力的关系分:侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝 1、侧面角焊缝—平行于力的作用方向
效率低。
手工电弧焊
焊条：焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。
Q235—E43××焊条； Q345—E50××焊条； Q390（Q420）—E55××焊条。 E——焊条；型号由四部分组成 E×× ×× 前两位数 — 焊缝金属最小抗拉强度(43kg/mm2)； 后两位数 — 焊接位置、电流及药皮类型。 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。
侧面角焊缝沿长度受力不均匀，两端大中间小, 所以一般均规定其最大计算长度。
lw
60hf 40hf
静力荷载 动力荷载
注：若内力沿角焊缝全长分布，则计算长度不受此限
注意：焊脚尺寸和焊缝计算长度取mm的整数，小数点 以后都进为1。
（5）角焊缝的最小计算长度
防止局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距 太近，及其他缺陷，使得焊缝不可靠。
l
N
2.两面侧 侧焊 面： 角 lw 焊 l2h 缝 f
l
3.L形围焊 正 侧： 面 面角 角llw w 焊 焊 ll 缝 缝 h hff N 4.绕角焊：侧面角焊缝 lw=l
l
N
(绕角焊的2hf不在内)
l
N
l
N
N 2hf
N
l
l
l
图3.20 角焊缝长度的计算
焊缝实际长度 l取为5mm的倍数，如192mm取为195mm， 196mm取为200mm。
的应力； （4）区分正面角焊缝受力和侧面角焊缝受力，
视荷载种类（静荷或动荷）代入角焊缝 的基本计算公式进行计算。 （5）验算是否满足构造要求。
1、侧面角焊缝
（作用力平行于焊缝方向）
f
N
helw

f
w f
N
N
f
图3.24 侧面角焊缝的应力分布示意图
2、正面角焊缝
（作用力垂直于焊缝方向）
f N helwfffw1.2f2 fw
3.3.3 直角角焊缝强度计算的基本公式
受力特点： （1）侧面角焊缝的破坏大多在45o截面； he 0.7hf
图3.21 侧焊缝破坏形式
(a)实际剪坏面；(b)计算剪坏面
图3.22 角焊缝截面
h—焊缝厚度； hf—焊缝厚度；he—焊缝有效厚度(焊 喉部位)；h1—熔深；h2—凸度；d—焊趾；e—焊跟
a LL
N
N
b t
N
N
N
图3.13 侧面角焊缝受力示意图
图3.14 侧焊缝的应力
侧面角焊缝强度低、塑性好；应力沿长度方向分布不均 匀，呈两端大而中间小的状态。
2、正面角焊缝—垂直于力的作用方向 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；强度高，塑性差。
图3.15 正面角焊缝应力状态
3、斜焊缝—受力性能和强度值介于正面角焊缝 和侧面角焊缝之间。
为了避免焊缝 横向收缩时引 起板件的拱曲 大。
③围焊的转角处
必须连续施焊.
非围焊，可在
构件转角处作 长度2h f 的绕 角焊。
图3.19 焊缝长度及两侧焊缝间距
角焊缝的计算长度 lw 和实际长度 l 的关系：
1.三面围 正 侧 焊 面 面 ： 角 角llw 焊 w 焊 ll 缝 缝 hf N
2

2 f


ffw
3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算
1.承受轴心力作用时角焊缝连接计算
(1) 用盖板的对接连接承受轴心力时
①两面侧焊
由
f
N helw

f
w f
得
lw

N 0.7hf
f
w f
lw

lw 4
2hf
盖板长度： L板2lwa
(由构造确定hf )
La L
（2）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母
材等强的对接焊缝应焊透。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Q≥500kN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T形接头均要求焊透，质量等级 不应低于二级。
（4）不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分 焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的 角焊缝，一般仅要求外观质量检查，具体规定如下: 三级检验;承受动力荷载且需要验算疲劳和Q≥500kN 的中级吊车梁，二级。
摩擦型：只靠摩擦阻力传力，以剪力达到接触面的摩擦力 作为承载力极限状态——设计准则。
承压型：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承 载力极限状态——设计准则。
摩擦型螺栓连接：变形小，弹性性能好，耐疲劳，施工较 简单，适用于承受动力荷载的结构。
承压型螺栓连接：承载力高于摩擦型连接，连接紧凑，剪 切变形大，不能用于承受动力荷载的结构。
对接连接 搭接连接 T型连接 角部连接
图3.3 T形连接 图3.4 搭接连接
焊缝连接形式
图3.5 焊缝连接的形式
(a)对接连接；(b)用拼接盖板的对接连接；(c)搭接连接；(d)、(e) T形连接；(f)、(g)角部连接
2.焊缝形式
(1)按焊缝的截面形式分
对接焊缝 角焊缝
图3.6 焊缝形式
(a)正对接连接；(b)斜对接焊缝；(c)角焊缝
3.2.4 焊缝代号、螺栓及其孔眼图例
《焊缝符号表示法》规定：焊缝符号一般由基本 符号与指引线组成，必要时还可加上补充符号和焊缝 尺寸。
基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用“ ”表示 角焊缝,用“V”表示V形坡口听对接焊缝； 补充符号：补充说明焊缝的某些特征，如用“ ”表 示现场安装焊缝，用“ ”表示焊件三面带有焊缝； 指引线 ：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指 向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符 号和焊缝尺寸等。
普通螺栓：靠螺栓杆承压和
3、螺栓连接
受剪传递荷载
高强螺栓
图3.2 螺栓连接
3.1.2 连接特点
1、焊缝连接
优点：（1）构造简单，制造省工； （2）不削弱截面，经济； （3）连接刚度大，密闭性能好； （4）易采用自动化作业，生产效率高。
缺点：（1）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆； （2）产生焊接残余应力和残余应变； （3）裂缝易扩展，低温下易脆断。
2、螺栓连接
优点：安装拆卸方便。 缺点：构造复杂，削弱截面，不经济。
1、普通螺栓连接
由235钢制成，根据加工精度分A、B、C三级。 A 、 B 级 精 制 螺 栓 ,Ⅰ 类 孔 ， 孔 径 比 杆 径 大 0.30.5mm，抗剪性能好, 制造安装费工，少用。 C 级粗制螺栓,Ⅱ类孔，孔径比杆径大1.5-2.0mm， 抗剪性能差，但传递拉力性能好，性能等级为4.6级 或4.8级。
2. 自动（半自动）埋弧焊
电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。 优点：质量好，效率高； 缺点：需要专用设备。
3. 气体保护焊
利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为 保护介质的一种方法。 优点：质量好； 缺点：对环境要求高。
3.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式
1.焊缝连接形式
（ 被连接钢材的相互位置）
焊缝连接形式
本章重点：角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计 算，高强度螺栓连接的计算。
本章难点：如何运用相关公式进行各种连接计算。
3.1 钢结构的连接方法
3.1.1 钢结构连接种类
焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接
对接焊缝 1、焊接
角焊缝
2、铆接
(a)
(b)
(c)
图3.1 钢结构的连接方法
(a) 、(b)焊缝连接；(c)铆钉连接
N
N
f
图3.25 正面角焊缝的应力分布示意图
f ---正面角焊缝强度增大系数，1.22 。
当承受动力荷载时： f 1.0
3、斜向角焊缝
f
θHale Waihona Puke fNx=Nsinθ
f
N
Ny= Ncos θ
f f

Ny
helw Nx helw
图3.26 斜向轴心力作用


f f
2、高强螺栓连接
（1）性能等级 高强钢材制成：优质碳素钢：35号、45号
合 金 钢：20MnTiB、40B、35VB 性能等级：8.8级、10.9级。
小数点前8、10——螺栓材料经热加工后的最低抗拉 强度为800、1000N/mm2；
小数点后0.8、0.9——屈强比 f0.2/ fu
（2）按抗剪性能分
2.焊缝质量检验
三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸） 二级：除外观检查，超声波抽检 一级：同二级
3.焊缝质量等级的选用 （1）需要进行疲劳计算的构件，凡是对接焊缝均应 焊透。其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或T形对 接与角接组合焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级； 作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。
（3）焊缝的施焊方位
平焊（俯焊） 横焊
立焊
仰焊
图3.8 焊缝施焊位置
(a)平焊；(b)横焊；(c)立焊；(d)仰焊
3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验
1、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
图3.9 焊缝缺陷
(a)裂纹；(b)焊瘤；(c)烧穿；(d)弧坑；(e)气孔；(f)夹渣；(g)咬边；(h)未熔合；(i)未焊缝
3.3.2 角焊缝构造要求
（1）最大焊脚尺寸
为避免焊缝区基本金属“过热”，减少焊件 的残余应力和残余变形。
hf max1.2tmin
对边缘角焊缝
① t6mm ,hfma x t
② t6m,m hfmaxt(1~2m)m
图3.16 最大焊脚尺寸
（2）最小焊脚尺寸要求
焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度 快而产生淬硬组织。
表3.1 焊缝符号
表3.1 焊缝符号
续表
当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚 时,在标注焊缝符号的同时,可在图形上加栅线表示。
图3.10 用栅线表示焊缝
(a)正面焊缝；(b)背面焊缝；(c)安装焊缝
表3.2 螺栓及其孔眼图例
3. 3 角焊缝的构造和计算
3.3.1 角焊缝的形式与强度
正对接焊缝：焊缝垂直于力线
按 受
对接焊缝 斜对接焊缝：焊缝倾斜于力线
力
方
向 划
正面角焊缝：焊缝垂直于力线
分 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)焊缝沿长度方向的布置
图3.7 连接角焊缝和断续角焊缝
注意: L不宜过长
在受压构件中 L≤15t
在受拉构件中 L≤30t
（t为较薄焊 件的厚度）
N
N
b t
N
N
图3.27 受轴心力的盖板连接 (只有侧面角焊缝)
3.2 焊接方法和焊缝连接形式
3.2.1 钢结构常用焊接方法
电弧焊： 手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。
1.手工电弧焊
打火引弧---电弧周围的金属液化(溶池)—焊条熔化— 滴入溶池—与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。 优点：方便，特别在高空和野外作业； 缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，
hfmin 1.5 tmax
对自动焊: 对T型连接的单面角焊缝：
hf min 1mm
hf min 1mm
当焊件厚度 t4mm ,hfmint
设计： hfmi n hf hfmax
（3）不等焊脚尺寸的构造要求
当焊件的厚度相差较大且 等焊脚尺寸不能符合要求时， 可采用不等焊脚尺寸。
（4）侧面角焊缝的最大计算长度 图3.17 不等焊脚尺寸的构造要求