钢结构连接计算

钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第七章
Chapter 7
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接
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7.3.2
对接焊缝的计算
1. 轴心受力的对接焊缝
N f t w 或 f cw （7.3.1） lw t
lw——焊缝计算长度， t——连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度 ; ftw、fcw——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值； （1）对lw的取值：考虑到起落弧缺陷的影响，无引弧板时，焊缝计算长度取 实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。
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2. 承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝
焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分 布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。
max
M 6M 2 ftw （7.3.4） Ww lwt
VS w 3 V w max fV （7.3.5） I w t 2 lw t
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（3） 焊缝代号
表7.2.1 焊缝代号
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对于工字形或T形截面除应分别验算最大正应力与最大剪应 力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:
12 3 12 1.1 f t w
（7.3.6）
式中 : 1、1——为腹板与翼缘 交接处的正应力和剪应力。 1.1为考虑到最大折算应力只 在局部出现，而将强度设计值适 当提高系数。
f
式中
N Mห้องสมุดไป่ตู้1
2
3 12 1.1 f t w
VS1 1 I wt
（7.3.6*）
M h0 M1 Ww h
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对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强 度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完 全相同。
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1）对接焊缝
正对接焊缝 2）角焊缝
斜对接焊缝
T型对接焊缝
图7.2.6
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焊缝分类
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焊缝按施工位置分为： 平焊、立焊、横焊和仰焊。 c) d) b)
3. 受轴力、弯矩和剪力联合作用的对接焊缝
轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应 力，其计算公式为：
N M max N M f tw Aw Ww
（7.3.4*） （7.3.5*）
max
Vmax S w f vw I wt
同样对于工字形、箱形截面，还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力， 其公式为 ：
图7.3.5 直对接焊缝连接
（2）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的 一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算。
（3）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况。a)没有引弧板时需要计 算。b)受拉情况下的三级焊缝。
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（ a）
（ b） （c） 图7.4.1 直角角焊缝截面
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（2）斜角角焊缝 两焊边的夹角a>90°或a<90°的焊缝。通常用于钢漏斗和 钢管结构中。
he
he
he
（d）斜锐角焊缝 （e）斜钝角焊缝 （f）斜凹面角焊缝 图7.4.2 斜角角焊缝截面
7.3
对接焊缝的构造和计算
对接焊缝的构造
7.3.1
1为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。
垫板
图7.3.2
垫板
根部加垫板
垫板
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2. 在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故 焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。
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（2）焊缝质量检验：
外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷。（超声波检验、X射线或r射 线透照或拍片） 《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001规定焊缝按其 检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准； 一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波探 伤检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验， 并应符合国家相应质量标准的要求。
角焊缝的工作性能
（1）侧面角焊缝：焊缝长度方向与受 力方向平行，应力分布简单。主要承受 剪应力，强度低，弹性模量低，但塑性 较好。弹性阶段分布并不均匀，剪应力 两端大，中间小。 （2）正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向 ，受力后应力状态较复杂。焊缝截面各面 都有正应力和剪应力，应力集中严重，焊 缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强 度要高一些，但塑性差，弹性模量大。
VSx1 550 103 824 103 2 1 99.1N/mm I xt 38105 104 12
12 3 12 82.32 3 99.12 190.4N/mm 2
1.1185 203.5N/mm2
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图7.3.7b 弯矩和剪力联合作 用下的对接焊缝
工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要 由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。
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对接焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正对接焊缝(a)：作用力方向与焊缝方向正交。 2）斜对接焊缝(b)：作用力方向与焊缝方向斜交。 角焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 2）侧面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向平行。 3）斜焊缝（c）：作用力方向与焊缝方向斜交。
a) 焊条
平焊
立焊
图7.2.7
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横焊
施焊位置
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仰焊
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3. 焊缝缺陷及焊缝质量检验
（1）焊缝缺陷
焊缝缺陷指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。 常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、 未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。
M——焊缝承受的弯矩； Ww——焊缝截面模量。
图7.3.7a 弯矩和剪力共同作 用下的对接焊缝
V——焊缝承受的剪力； Iw——焊缝计算截面惯性矩； Sw——计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对中和轴的面积矩。
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max
VSx 550 103 190 (260 16 198 190 12 4 I x t 38105 10 12 2
125.1N/mm2 fvw 125N/mm2
c）“1”点的折算应力
190 1 max 82.3N/mm 2 206
a) 改变厚度
b) 改变宽度
图7.3.4 不同厚度或宽度的钢板拼接
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4. 对接焊缝的强度 1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2）三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗 拉强度为母材强度的85%。 3）一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材 强度相等。
N a) N
b)
N
c)
N
N
N
焊接连接
铆钉连接
图7.1.1
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螺栓连接
连接的方式
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• 焊缝连接
• 优点：构造简单、用料经济、连接的密闭性好、结 构刚度大。 • 缺点：焊接高温作用，材质变脆、残余应力残余变 形。
• 螺栓连接
• 优点：连接对材质的影响不大，连接质量稳定，连接 的强度较高。 • 缺点：截面削弱、浪费材料。
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7.2 焊缝连接形式及焊缝形式 （1）焊缝形式：分为对接焊缝和角焊缝。
V F 550kN
M 550 0.30 165kN m
a）最大正应力
max
M h 165 106 206 2 89.2N/mm Ix 2 38105 104
f t w 185N/mm2
b）最大剪应力
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例3.1图
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[ 解] ：
截面几何特征值和内力:
1 I x 1.2 383 2 1.6 26 19.82 38105cm4 12 Sx1 26 1.6 19.8 824cm3
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7.4 角焊缝的构造和计算
7.4.1 角焊缝的构造
1.角焊缝的形式和强度
角焊缝按截面形式（两焊脚边 的夹角）可分为直角角焊缝和 斜角角焊缝。 （1）直角角焊缝 通常做成表面微凸的等 腰直角三角形截面（a）。 对承受动力荷载的结构 中，正面角焊缝的截面 通常采用（b）的形式， 侧面角焊缝的截面则做 成凹面式（c）。
hf—焊脚尺寸；—焊脚边的夹角； he—有效厚度（破坏面上焊缝厚度） 并有， he ＝hfcos/2
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对于α>135 或α<60 斜角角 焊缝,除钢管结构外,不宜用
o
o
作受力焊缝。
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引弧板
图7.3.3
对接焊缝的引弧板
对接焊缝的起弧和落弧点，常因不能熔透而出现焊口， 形成类裂纹和应力集中。
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3.在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差 4mm以上时， 应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5 的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。
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• 焊缝连接 • 螺栓连接
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7.1
钢结构的连接
连接的原则 安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材 连接的方式 焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接
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[例 3.1]计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度。 F=550kN(设计值)，偏心距e=300mm。钢材为Q235B，焊条E43型，手 工焊。焊缝为三级标准，上、下翼缘加引弧板和引出板施焊。