同济钢结构课程课件第三章连接构造与计算

本章导读（5）
本章的知识点分布：
1、钢结构的基本连接方式 2、焊接连接形式与焊接连接特性 3、焊接应力与焊接变形 4、对接焊缝的构造 5、对接焊接的计算 6、角焊缝的构造 7、角焊缝的受力特点 8、角焊缝的计算 9、普通螺栓连接的构造 10、普通螺栓的受力特点和设计承载力 11、普通螺栓连接的计算 12、高强度螺栓连接的构造 13、高强度螺栓连接的计算
焊
焊
2 焊接连接形式及特性（5）
焊丝
2.1 焊接工艺－－气体保护焊
• 采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝 • 电弧使焊丝熔化形成焊缝 • CO2气体保护被焊金属与空气接触
焊接速度快，熔化深度大 可手工焊，也可自动化操作 目前工厂很常用的焊接方法 室外施焊要有避风措施，防止气孔、焊坑缺陷
，以实现在节点处传递内力。 具体设计时应根据荷载设计值所产生的结构或构件内力响应进行
连接节点的计算。 正确计算节点所承受（或传递）的内力是保证节点安全传力的前
提，而根据节点连接的传力机理选择适当连接方式以及连接件的布置 则取决于结构或构件所承受的荷载特征、连接处的构件截面形状、构 件尺寸、连接区的尺度、节点刚度要求、不同连接方式的构造要求、 施工的可能性等诸多因素。
3.3 降低焊接应力和焊接变形的措施
加工措施
合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。 施焊前，预加反向变形。
分多道焊缝
焊接次序交替进行
预加反变形
4 对接焊缝的构造（1）
4.1 坡口形式
板厚 t < 10 mm
板厚 t = 10 ~ 20 mm
电阻焊
利用电流通过待连接焊件的表面产生的热量融化金属、通过压力使之 熔合－－用于厚度不超过12mm钢板和薄壁型钢焊接
2 焊接连接形式及特性（3）
2.1 焊接工艺－－手工电弧焊
• 采用涂有焊药的焊条 • 通电后，焊条与焊件之间产生电弧 • 高热量使焊条熔化而形成焊缝
设备简单，适应性强
，应用最广泛
传力可靠，韧性和塑性好，质量易于 检查，抗动力性能好
费钢、费工，开孔对构件截面有一定削弱
普通螺栓 连接
装拆便利，设备简单
粗制螺栓不宜受剪，精制螺栓加工和安装 难度较大，开孔对构件截面有一定削弱
高强螺栓 加工方便，可拆换，能承受动力荷载 连 接 ，耐疲劳，塑性、韧性好
射钉、自攻 灵活，安装方便，构件无须预先处理 螺栓连接 ，适用于轻钢、薄板结构
钢结构连接的基本方式(6)
1.5 栓（焊）钉连接的特点
• 栓钉将钢板与混凝土板连接起来 • 栓钉承受剪力
钢结构连接的基本方式(7)
1.6 射钉、自攻螺钉的特点
• 用于薄壁构件（压型钢板屋面板、墙板与梁、柱）的连接 • 可采用射枪、铆枪等专用工具安装
射 钉 枪
钢结构连接的基本方式(8)
1.7 基本连接方式对比
•施工简单，装拆方便，对安装工的要求高 优点 •摩擦型高强度螺栓连接动力性能好
•耐疲劳，易阻止裂纹扩展 缺点 • 费料、开孔截面削弱
• 螺栓孔加工精度要求高
钢结构发展方向 工厂构件焊接、工地节点螺栓连接
钢结构连接的基本方式(5)
1.4 铆钉连接的特点 优点 塑性、韧性好，动力性能好 缺点 费料、加热铆合过程极其费工 目前承重钢结构连接中已很少应用
2.1 焊接工艺
电弧焊
利用通电后焊接材料（焊条或焊丝）和焊件之间产生电弧，熔化焊接材 料形成焊缝，需要使用焊条：
手工电弧焊： Q235－E43系列， Q345－E50系列Q390－E55系列 不同钢种连接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条 －－质量不易保证，用于现场焊
自动（半自动）埋弧焊： Q235－H08、H08A、H08MnA焊丝， Q345、Q390－ H08A、H08E、H10Mn2
3 焊接应力与焊接变形（2）
3.1 焊接应力
1.纵向焊接应力－－沿焊缝方向 两板焊接 －－焊缝区受拉、两侧受压 焊接工字钢－－腹板中央受压，两端受拉 翼缘中央受拉，两端受压
2.横向焊接应力－－垂直焊缝方向 A. 焊缝纵向收缩导致两块板反向弯曲－－中间横向受拉，两端受压 B. 施焊先后不同，则冷却时间不同，导致后焊部分收缩受拉，先冷 部分受杠杆作用也受拉，中间部分受压 A和B两种作用叠加
钢结构连接的基本方式(1)
1.1 钢结构的基本连接方式
焊缝连接
螺栓连接
铆钉连接
钢结构连接的基本方式(2)
1.1 钢结构的基本连接方式
1.焊接连接
（冶金式）
使金属高温融化后形成整体 采用焊接材料： 电弧焊、气焊、电渣焊 不采用焊接材料： 电阻焊
2.紧固件连接
（机械式）
螺栓： 普通螺栓：精制螺栓(A、B级) 粗制螺栓(C级)
本章导读（2）
本章的学习内容有：
1、钢结构的连接方式 2、焊接连接的特性 3、焊接应力与焊接变形对接焊缝的构造和计算 4、对接焊缝的构造和计算 5、角焊缝的构造和计算 6、普通螺栓连接的构造和计算 7、高强度螺栓连接的构造和计算
本章导读（3）
本章的学习重点是：
1、各种连接方式的构造要求 2、各种连接方式的传力机理 3、典型焊接连接节点的计算方法 4、典型螺栓连接节点的计算方法
• 采用乙炔在氧气中燃烧的火焰来熔化焊条 • 适用于钢板厚度薄的连接，一般小厂家备用此焊接设备
2 焊接连接形式及特性（8）
2.1 焊接工艺－－电阻焊
• 不采用焊接材料 • 电流通过焊件表面
的电阻，产生热量
• 熔化金属，再加压
力而焊合
• 适宜板厚不大于12
mm的焊接
• 冷弯薄壁型钢连接
常采用此焊接方法
质量波动大，生产率
低，劳动强度大
导线
2 焊接连接形式及特性（4）
2.1 焊接工艺－－自动、半自动 电弧焊
• 采用无涂层焊药的焊丝，埋在焊剂下 • 通电后电弧使焊丝、焊剂熔化形成焊缝 • 熔化后的焊剂成为焊渣，浮在金属面上
焊缝质量好，生产效率高 需专用焊接设备，成本高
全
半
自
自
动
动
埋
埋
弧
弧
第3章 钢结构的连接
本章导学（1）
钢结构连接－－钢结构是一种由预制材料（钢材）制作，通过工厂加工成 构件，再经工地现场拼装而形成的结构，因此，构件与构件之间的连 接节点是形成钢结构并保证结构安全正常工作的重要组成部分。
设计钢结构连接的基本原则 合理设计连接，保证节点具有足够的承载能力和适当的节点刚度
3.厚度方向焊接应力－－表面受压，中央受拉 4.焊接应力的影响－－
A. 由于承载时可扩展塑性区，常温下受静载不影响强度，但会影响刚度 B. 焊缝中的三向应力阻碍塑性变形的发展，导致开裂，降低疲劳强度 C. 降低构件稳定性，和使构件提前进入塑性工作阶段
3 焊接应力与焊接变形（3）
3.1 焊接应力
Z (厚度方向 焊接应力)
2 焊接连接形式及特性（9）
2.2 焊缝形式－－对接焊缝与角焊缝
对接焊缝
直焊缝
• 用料经济，传力平稳，动力性能好 • 较厚的板需开剖口，费工
斜焊缝
角焊缝
• 施工简便
侧焊缝（与力平行）
• 传力不均，应力集中严重，搭接时费料
端焊缝（与力垂直）
2 焊接连接形式及特性（9）
2.2 焊缝形式－－连续焊缝与间断焊缝
•施工快速 — 可自动化操作
•连接的密闭性好，刚度大，整体性好
缺点
• 材质易变脆 • 产生残余应力、残余变形、焊接缺陷 • 对钢结构疲劳、稳定有不利影响 • 较多地依赖焊工的技能水平 • 质量检验要求较高时检验工作量较大
现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛
钢结构连接的基本方式(4)
1.3 螺栓连接的特点
不得存在未满焊、咬边、根部收缩、裂纹、表面气孔、夹渣 、电弧擦伤等缺陷
无损检测：一级焊缝全数检验，
超声波
二级焊缝抽检20％以上 检测设备
3 焊接应力与焊接变形（1）
3.1 焊接应力 产生原因
焊缝
θ 变形
压住
内应力
焊缝周围温度场
焊接残余变形 — 由焊缝及其周围不均匀热胀冷缩引起 焊接残余应力 — 由焊缝冷却收缩受到阻碍引起
4．对小尺寸构件可在焊前预热，或在焊后回火加热至600℃左右，然后缓 慢冷却；
5．采用机械方法校正焊接变形。
3 焊接应力与焊接变形（7）
3.3 降低焊接应力和焊接变形的措施
设计措施
合理安排焊缝位置 焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错
差
好
差

好
差
好
加劲板开孔，让主要焊缝 通过，次要焊缝中断
3 焊接应力与焊接变形（8）
高强度螺栓： 铆钉： 钉连接： (射钉、自攻螺钉、焊钉)
3.其他
（化学式）
强力胶：直接粘合零件
化学浆锚螺栓：通过结构胶将锚栓与锚固基础结 合成一个整体，用于钢构件与混凝土构件的连接
钢结构连接的基本方式(3)
1.2 焊接的特点
优点
•构造简单 — 任何形状的构件可直接连接，无需辅助零配件
•省工省料 — 加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面
2 焊接连接形式及特性（6）
2.1 焊接工艺－－电渣焊
• 采用管状焊条(熔嘴),焊丝从管内进入 • 电流通过熔渣产生的电阻热，熔化焊件和焊丝形成焊缝 • 常用于高层建筑等箱形柱内部的横隔板焊接 • 有消耗和非消耗熔嘴式电渣焊之分
消耗熔嘴式
非消耗 熔嘴式
2 焊接连接形式及特性（7）
2.1 焊接工艺－－气焊
连接方法
优点
缺点
焊接 铆接
对焊件几何形体适应性强，构造简单 ，省材省工，工效高，连接连续性强, 可达到气密和水密要求，节点刚度大
对材质要求高，焊接程序严格，质量检验 工作量大,要求高;存在有焊接缺陷的可能 ，产生焊接应力和焊接变形，导致材料脆 化，对构件的疲劳强度和稳定性产生影响; 一旦开裂则裂缝开展较快,对焊工技术等级 要求较高
摩擦面处理及安装工艺略为复杂，造价略 高，对构件截面削弱相对较小，质量检验 要求高
不能承受较大集中力
2 焊接连接形式及特性（1）
2.1 焊接工艺
1. 电弧焊 2. 气体保护焊 3. 电渣焊 4. 气焊 5. 电阻焊
（1）手工电弧焊 （2）自动埋弧焊 （3）半自动埋弧焊
2 焊接连接形式及特性（2）
－－质量均匀，塑性、冲击韧性好，用于规则构件的工厂焊
气体保护焊 采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝，电弧使焊丝熔化形成焊缝 CO2气体保护被焊金属与空气接触
电渣焊
利用电流通过熔渣所产生的电阻热熔化填充金属和母材，凝固后形成连 接
气焊
利用乙炔在氧气中燃烧形成的火焰融化焊条形成焊缝－－用于薄钢板 和小型结构焊接
波浪变形
3 焊接应力与焊接变形（6）
3.3 降低焊接应力和焊接变形的措施
1. 选择合理的施焊顺序(分段、分层、分块等)；
2．采用合理的焊缝设计： （1）尽量避免三向焊缝汇交； （2）控制焊缝厚度不要过大； （3）尽量对称布置焊缝； （4）不宜单独使用端缝。
3．施焊前使构件有一个和焊接变形相反的预变形；
连续焊缝
间断焊缝 不重要或受力小的构件，可采用间断焊缝连接
2 焊接连接形式及特性（9）
2.2 焊缝形式－－施焊方位
俯焊 质量好
横焊
立焊
质量一般
仰焊 质量差
2 焊接连接形式及特性（9）
2.3 焊缝缺陷
热裂纹
冷裂纹
气孔
烧穿
夹渣
根部未焊透
边缘未熔合
焊缝层间未熔合
咬边
焊瘤
2 焊接连接形式及特性（9）
2.4 焊缝质量检验
2 焊接连接形式及特性（9）
2.2 焊缝形式－－焊缝的不同分类
根据焊件相对位置
平接 搭接
顶接
根据焊缝构造
对接焊缝（直缝和斜缝） 角焊缝（侧缝和端缝） 组合形式
平接（对接焊
缝）
搭接（角焊缝）
根据焊缝连续性 根据施焊位置
连续焊 间断焊
角接
俯焊 立焊 横焊 仰焊
对接焊缝
顶接
（T型连接）
角焊缝
对接 焊缝
角焊缝
本章导读（4）
本章的学习方法是：
1、认识实践作先导－－实物、图片、现场参观等 2、基本概念为基础－－传力机理、连接特性等 3、强化对构造要求的理解－－构造要求量多面广 4、典型连接例题、习题训练－－
适用环境、参数计算、设计和验算步骤、计算方法等
5、相关工程规范学习－－
《钢结构设计原理》 《建筑钢结构焊接技术规程》等。
纵向焊接应力
Y (纵向焊接应力 )
焊缝
X (横向焊接应力)
平板
工字形截面
3 焊接应力与焊接变形（4）
3.1 焊接应力
收缩
施焊
横向焊接应力
方向
第一部分
第二部分
应力分布
＋
=
合成 应力
厚度方向焊接应力
3 焊接应力与焊接变形（5）
3.2 焊接变形
与焊接应力同时产生，由焊区收缩变形导致
纵向收缩 横向收缩 弯曲 角变形 波浪变形 扭曲变形
检 三级
验
二级
标
准 一级
肉眼外观检查
用于一般连接－－所有焊缝均应作外观检验，不允许有可
见裂纹等缺陷。其它缺陷如咬边、表面气孔、夹渣等按规范要求；
肉眼外观检查 ＋ 超声波 用于有较大拉应力的较重要连接－－
不得存在裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷
肉眼外观检查 ＋ 超声波 ＋ X射线 用于抗动力、疲劳荷载的重要连接－－