10.钢结构的连接

钢结构的常用连接方法
钢结构的连接通常有焊接、铆接和螺栓连接三种方式。

铆接很少采用，常用焊接和螺栓连接。

1 、焊接连接
是当前钢结构最主要的连接方式，它的优点是构造简单，用钢省，加工方便，连接的密闭性好，易于采用自动化作业。

焊接连接的缺点是焊件会产生残余应力和残余变形，焊缝附近材质变脆，焊缝质量易受材料、操作的影响，对钢材材性要求较高，高强度钢更要有严格的焊接程序。

2 、螺栓连接
其分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。

1．普通螺栓连接
普通螺栓的优点是装卸便利，不需特殊设备。

普通螺栓又分为C级螺栓(又称粗制螺栓)和A、B级螺栓(又称精制螺栓)两种。

C级螺栓制作精度较差，宜用于承受拉力的连接，或用于次要结构和可拆卸结构的受剪连接以及安装时的临时固定。

A、B级螺栓受力性能较好，但其加工费用较高且安装费时费工，目前建筑结构中很少使用。

2．高强度螺栓连接
高强度螺栓传递剪力的机理与普通螺栓不同，它是靠被连接板间的强大摩擦阻力传递剪力，变形较小。

其优点是施工简单、受力好、耐疲劳且可以撤换以及在动力荷载作用下不致松动。

从受力特征的不同，高强度螺栓连接可分为摩擦型和承压型两种。

摩擦型连接：外力仅依靠部件接触面间的摩擦力来传递。

其特点是连接紧密，变形小，传力可靠，疲劳性能好，主要用于直接承受动力荷载的结构、构件的连接。

承压型连接：起初由摩擦传力，后期同普通螺栓连接一样，依靠杆和螺孔之间的抗剪和承压来传力。

连接承载力一般比摩擦型连接高，可节约钢材。

但在摩擦力被克服后变形较大，故仅适用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构、构件的连接。

3 、铆钉连接
铆钉连接费工费料、劳动条件差、成本高，现在很少采用，多被焊接及高强度螺栓连接所代替。

焊接连接
1 、焊接方法、焊接接头、焊缝形式等
1.焊接方法
钢结构常用电渣焊、气体保护焊和电阻焊等的是电弧焊，分为手工电弧焊、自动焊和半自动焊。

以手工电弧焊为最常用，设备简单，操作方便，但质量波动较大。

焊接接头有平接、搭接、T形连接和角接，所采用的焊缝主要有对接焊缝及角焊缝两种。

角焊缝的形式可分直角角焊缝与斜角角焊缝，直角角焊缝的截面形式有普通焊缝、平坡焊缝、深熔焊缝等。

一般情况下采用普通焊缝。

焊缝符号由基本符号、辅助符号和引出线组成，必要时还可以加上补充符号和焊接尺寸符号。

根据对焊缝的质量要求，分为一级、二级和三级。

按要求选用。

2 、对接焊缝的计算
1.轴心受力的对接焊缝计算
计算公式:
lw——焊缝长度，当采用引弧板施焊时，取焊缝实际长度；当不采用引弧板时，每条焊缝长度应减去2t;
t——在对接接头中为连接件的较小厚度，在T形接头中为腹板的厚度；
、——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。

当正对接焊缝连接的强度低于焊件强度时，为提高连接的承载力，可改用斜焊缝，使焊缝长度增长。

只要焊缝和作用力之间夹角θ满足tgθ≤1.5时（即θ≤56°），可不再计算焊缝强度（图10－7b）。

图对接焊缝
计算例题
【例】验算下图所示的钢板对接焊缝强度，轴心拉力设计值N=710KN，Q235钢、E43焊条，焊缝质量等级为三级。

图受弯、受剪对接焊缝
【解】1)验算钢板承载力：ltf=500×8×215N/mm2=860000N=860KN＞710KN
查表得三级对接焊缝抗拉强度设计值=185N/mm2
2)验算焊缝应力：
N/mm2< N/mm2 满足要求
2.受弯受剪的对接焊缝计算
矩形截面的对接焊缝，应分别计算在弯矩与剪力作用下的最大正应力与最大剪应力满足强度条件。

式中W w———焊缝截面的截面模量；
I w———焊缝截面对中和轴的惯性矩；
Sw———焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩；
、——分别为对接焊缝的抗拉强度、抗剪强度设计值。

工字形截面对接时尚应验算受拉区同时受有较大正应力σ1与较大剪应力τ1处（梁腹板与翼缘交接处）的折算应力（下图）。

工字形截面受弯受剪对接焊缝
3 、角焊缝的计算
1.5 ，角焊缝强度计算公式：
肢背承受的力肢尖承受的力
w3 (
型焊条手工焊=160N/mm2
=1.5
f
=2×
图10－20
=512mm
一条侧焊缝实际长度+6=134
轴力分配：肢背
w =435mm
条，每条焊缝实长=234
肢尖=313mm
条，每条焊缝实长= 2×
螺栓连接
1 、螺栓连接分类
螺栓连接分普通螺栓连接与高强度螺栓连接。

普通螺栓分A、B、C三级，螺栓材料性能等级表示为小数点前数字表示螺栓最低抗拉强度，小数点后数字表示螺栓的屈强比，即屈服强度和抗拉强度的比值。

例如5.6级，小数点前表示最低抗拉强度500N/mm2，小数点后数字表示屈强比为0.6。

普通螺栓宜用于沿其杆轴方向受拉的连接，在下列情况下可用于受剪连接：承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的次要连接；承受静力荷载的可拆卸结构的连接；临时固定构件用的安装连接。

高强度螺栓其材料性能等级有8.8级和10.9级。

安装时用特制的板手拧紧螺帽，使螺栓得到强大的预拉力，把连接件夹紧，从而产生强大的摩擦力。

2 、螺栓的排列
螺栓的距离应符合一定的要求。

3 、螺栓及孔表示法
（见表10－4）
4 、普通螺栓连接的计算
普通螺栓连接按传力方式分为受剪螺栓和受拉螺栓。

当外力垂直螺杆时为受剪螺栓，依靠螺杆的承压和受剪传递外力。

当外力平行螺杆时为受拉螺栓，依靠螺杆受拉传递外力。

1.受剪螺栓连接计算内容
如图所示的螺栓连接，在外力作用下螺杆截面受剪；螺杆与连接件接触处受挤压。

承压面是以高度为t，直径为d的半个圆周面，近似计算取通过直径的垂直面dt（图10－23c）。

（a）单剪（b）双剪（c）承压面
图10－23 受剪螺栓连接
为防止螺栓连接破坏，应进行螺栓受剪、连接件承压及连接件强度计算。

计算公式：
螺栓承载力设计值应取受剪和承压承载力设计值中的较小者。

一个螺栓的受剪承载力设计值为：
一个螺栓的承压承载力设计值为：
式中：n v——螺栓的受剪面数目；
d——螺栓杆直径；
Σt——在不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值；
f vb、f cb——螺栓的抗剪强度设计值和承压强度设计值；
当外力通过螺栓群中心时，则所需的螺栓为：
式中：N——作用于构件的轴向力设计值；
N bmin——N vb和N cb中的较小值。

构件或连接件净截面强度验算：
式中：f——钢材的抗拉强度设计值；
A n——构件或连接板的净截面面积。

当有螺栓群连接时，按以下方法计算各截面的N与相应的An：
如图10－26a为并列螺栓连接，左边板件所承受的轴力N通过共有n个（9个）螺栓传至两块连接板，每个螺栓传递N/n力。

然后两块连接板通过右边n个（9个）螺栓把力N传给右边板件。

从力的传递过程中可计算出各截面的受力情况。

对板件来说，板件截面1-1承受全部N，板件截面2-2承受2/3N，因1/3N已通过第1列螺栓传给连接板，板件截面3-3承受1/3N，因2/3N已通过第1列、第2列螺栓传给连接板。

如写成一般表达式，则截面1-1承受N，截面2-2
承受（n1为第一列螺栓数），截面3-3承受。

以截面1-1受力最大，应验算1-1截面：
板件1-1截面承受N，相应的截面积为An=t（b－n1d0）（10－16）
对于连接板来说，以截面3-3受力最大，应验算3-3截面：
（a）并列（b）错列
图10－26 力的传递及净截面面积计算
连接板3-3截面承受N，相应的截面积为An=2t1（b－n3d0）（10－17）
（n3为第3列螺栓数）
如图10－26b为错列螺栓连接，对于板件，除需验算1-1截面外，尚需验算2-2截面（折线截面）。

2-2截面的净面积及轴力为：
取轴力最大值N，相应的净面积
式中n2为折线截面2-2上的螺栓数，中括号内表示2-2截面的直线与折线的总长度。

计算连接板的净截面面积时，其方法相同，但计算的部位应在连接板受力最大处。

计算例题
【例】两块截面宽为340mm，厚12mm的钢板，承受轴向力N=600KN，采用双盖板普通C级螺栓连接（图10－27），螺栓杆直径d=20mm，孔径d0=21.5mm，Q235钢，试进行螺栓连接计算。

【解】1)一个螺栓的抗剪承载力设计值
2)一个螺栓的承压承载力设计值
Ncb=d∑t fcb=20×12×305=73200N
3)螺栓个数计算
最小承载力N bmin=73200N
连接件一侧需要螺栓数为
个，采用并列式排列，取9个，按规定的距离布置。

4)钢板截面强度验算：
板件净截面积（1-1截面）
An=t（b－n1d0）=12（340－3×21.5）=3306mm2
连接板截面积（3-3截面）
An=2t1（b－n3d0）=2×8（340－3×21.5）=4408mm2
2.受拉螺栓连接计算
一个螺栓的抗拉承载力设计值为：
式中 d e——螺栓有效直径（查表）；
Ae——螺栓有效面积（查表）；
f tb——螺栓的抗拉强度设计值。

当外力N作用于螺栓群中心时，假定每个螺栓所受拉力相等，则所需螺栓数为：。