钢桥连接

钢桥连接1020104403 土木1014 彭一龄一、钢桥的连接方式1.焊接焊接是现代钢桥最主要的连接方式。

栓焊桥(工厂制造为焊接，工地拼接为高强度螺栓连接)和全焊桥(工厂制造和工地拼接均为焊接)。

栓焊桥和全焊桥统称为焊接桥。

⑴优点焊接刚度较大，密封性较好；对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便使用；一般不需要附加连接板、连接角钢等零件；一般不需要在钢材上开孔，不使截面受削弱。

⑵缺点焊接塑性和韧性较差，脆性较大，疲劳强度较低；焊接附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能；焊接可能出现气孔、夹渣、咬边、弧坑裂纹、根部收缩、接头不良等，影响结构疲劳强度。

2.螺栓连接螺栓连接分为普通螺栓连接和高强螺栓连接。

普通螺栓连接用普通扳手拧紧，通过螺杆承受剪力和杆件孔壁压力或者螺杆受拉来传力；高强度螺栓连接用高强度钢材制成并经热处理，用特制的、能控制扭矩或螺栓拉力的扳手拧紧，使螺栓用较高的预拉应力值，相应的高度夹紧被连接的板件，使部件接触面产生很大的摩擦力，主要通过摩擦力或者板件间的预压力来传力。

⑴优点安装方便，特别适用于工地安装连接；普通螺栓便于拆卸。

适用于需要装拆的结构连接和临时性连接；高强螺栓强度高、对螺孔加工精度要求较低、连接构件间不宜产生滑动、刚度大。

适合构件间的工地现场安装连接。

⑵缺点需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量；螺栓孔会削弱构件截面；被连接板件需要互相搭接或另加角钢或拼接板等连接件，多费钢材。

⑶普通螺栓连接①C级螺栓连接经过未加工的圆钢制成，材料性能属于4.6、4.8级，采用Q235BF。

尺寸不很准确，孔径比螺栓直径大1~2mm，结构装配和螺栓装拆方便，比较适用于承受拉力。

受剪性能较差，各个螺栓受力较不均匀。

常用于承受拉力的安装螺栓连接、次要结构和可拆卸结构的受剪性能、安装时的临时连接。

②A、B级螺栓连接采用45号钢或35号钢，材料性能属于8.8级，螺杆经过加工，表明光滑尺寸准确，按尺寸规格又分为A、B两级。

直径d≤24mm,长度l ≤150mm和10d，为A级；直径d>24mm,长度l >150mm和10d，为B级。

加工精度高、尺寸准确和杆壁接触紧密；可承受较大的剪力、拉力；抗疲劳性能较好；连接变形较小。

但制造、安装较费工，价格昂贵，目前在钢桥中很少采用，已经被摩擦型高强度螺栓代替。

⑷高强度螺栓连接高强螺栓的杆身、螺帽和垫圈都用抗拉强度很高的钢材制成。

①摩擦型高强度螺栓的摩擦连接是用拧紧高强度螺栓使部件间产生摩擦力来传力的连接方法。

由于它是以较大的面积来传力，所以有效的缓解了螺孔附近的应力集中现象，从而耐疲劳性能和接头的刚度显著提高。

孔径比螺栓直径大1.5~2mm，靠螺栓拧紧力所提供的摩擦力作为抵抗外载方式。

产生急剧变形（主滑动）时的荷载作为设计强度标准。

整体性和刚度好、变形小、受力可靠、耐疲劳，但是螺栓的高强度没被充分利用。

②承压型承压型高强度螺栓连接孔径比螺栓直径大1~1.5mm，靠被连接板件间的预压力作为抵抗外载方式。

以杆身剪切或孔壁承压破坏时的荷载作为连接受剪的极限承载力作为设计强度标准。

螺栓的高强度得到充分利用，设计承载力>摩擦型，但是整体性和刚度差，变形大。

3.铆钉连接铆钉连接在受力和设计上与普通螺栓连接相仿。

钢结构中一般用热铆，即把预制的一端带有铆钉头的铆钉加热到1000℃左右，插入铆钉孔，然后用压缩空气铆钉枪连续锤击或压铆机挤压形成另一端的钉头。

预制铆钉杆径比孔径小1~1.5mm。

优点：铆钉连接的塑性、韧性和整体性好；连接变形小；传力可靠；承受动力荷载时的疲劳性能好；缺点：铆钉连接的构造复杂，用钢量大，施工麻烦，打铆时噪声大。

使用情况：早期钢桥的主要连接形式，目前已很少采用，已被焊接或高强螺栓连接取代。

二、焊缝连接1.焊接方法钢桥中主要采用电弧焊和栓钉焊。

电弧焊用于钢板和型钢等的连接，栓钉焊仅用于栓钉的焊接。

⑴电弧焊电弧焊是利用焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热将金属加热并熔化的焊接方式。

①手工电弧焊手工电弧焊是钢结构制造中最常用的焊接方式，其设备简单，操作灵活，适用性和可达性强。

缺点是生产效率低且变异性打，施焊是电弧光较强。

②埋弧焊埋弧焊一般为自动或半自动焊，是焊接过程机械化的一种主要方法。

焊丝采用成盘连续的光焊丝，焊接是按照与熔化速度相匹配的速度自动下送。

优点是与大气隔离保护效果好，且无金属飞溅，弧光不外露；可采用较大电流使熔深加大，相应可减少对接焊缝间隙和坡口角度；节省材料和电能，劳动条件好，效率高。

焊缝表面呈均匀鱼鳞状，质量可靠，塑性和韧性也较高。

③气体保护焊焊接时采用成盘光焊丝，围绕焊丝由喷嘴喷出保护气体，把电弧、熔池与大气隔离。

保护气体常用CO2或CO2与氩、氦、等惰性气体的混合气体。

优点是电弧在气体压缩下热量集中，焊速较快，熔池较小，可减小焊扫层数和汉口尺寸，热影响区较窄，焊接变形小；电弧可见，焊接容易对中，容易实现各位置焊接；焊后无熔渣或少熔渣，效率高。

CO2气体保护焊有较高的抗锈和还原能力。

缺点是设备复杂，电弧光较强，金属飞溅多，焊缝表面不如埋弧焊平滑。

⑵栓钉焊栓钉是一种特制的剪力连接件，广泛应用与组合梁桥和其他钢与混凝土结构中。

栓钉由栓头、栓杆和焊熔端三部分组成。

2.焊缝连接分类⑴按焊体钢材的连接方式进行分类分为对接接头、搭接接头、T形接头、角接接头等。

⑵按焊缝本身的构造进行分类分为角焊缝、全熔透坡口焊缝、部分熔透坡口焊缝。

①角焊缝的截面形式②坡口焊缝的各种形式③各种焊缝的特点、适用范围ⅰ角焊缝：主要用于应力方向平行于焊缝轴线（侧焊缝）的情况。

ⅱ全熔透焊缝：主要用于钢板对接和焊缝受拉应力时。

ⅲ部分熔透焊缝：在钢桥中较少采用。

在斜拉桥、悬索桥的钢塔中，板件全断面受压，并且板厚很大不宜完全焊透时采用。

⑶按焊缝施焊时的姿态进行分类分为平焊、横焊、立焊和仰焊。

4.焊缝符号及其表示方法焊缝符号由基线、箭头线、基本焊接符号、辅助焊接符号、焊接尺寸和特注符号组成。

5.焊接残余应力与残余变形钢材在焊接是产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心可达1600℃以上。

高温部分钢材要求较大的膨胀伸长但受到邻近钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中随时间和温度而不断变化，称为焊接应力。

焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力称为焊接残余应力；在焊件加热和冷却过程中的不均匀，还会产生变形。

焊接和冷却过程中焊件产生的变形称为焊接变形，冷却后残存于焊件的变形称为焊接残余变形。

三、角焊缝的设计与计算1.角焊缝的布置和受力性能按受力方向可分为测角焊缝、端角焊缝、斜向角焊缝、周围角焊缝。

⑴侧角焊缝主要承受剪力，应力状态比端角焊缝单纯。

弹性受力阶段，剪应力中间小两头大的不均匀分布；塑性受力阶段，侧角焊缝塑性较好，受力增大进入塑性状态时，剪应力分布将渐趋均匀，破坏时可按全长均匀受力考虑。

剪切破坏一般发生在45°有效厚度he=0.7ht的最小截面处。

⑵端角焊缝角焊缝垂直于受力方向，沿焊缝长度的应力分布较均匀。

在两个焊脚和有效厚度面上有复杂和不均匀的正应力和剪应力，应力集中严重，在焊缝根部有很大的高峰正应力。

端角焊缝的破坏位置：焊脚或有效厚度面，属于正应力和剪应力的综合破坏。

端角焊缝的刚度较大，变形较小，塑性较差，性质较脆，疲劳强度低，不适用于对疲劳要求较高的钢桥连接。

⑶斜向角焊缝角焊缝倾斜于受力方向，常用在杆件倾斜相交的情况，受力方向和焊缝轴线成倾斜角度，应力情况复杂，受力性能介于侧角焊缝和端角焊缝之间。

⑷周围角焊缝几个方向混合使用的角焊缝，把板件交搭处的所有交搭线尽可能多地加以焊接，成为开口或封闭的周围角焊缝。

2.角焊缝尺寸的构造要求3.角焊缝连接的计算按照《钢结构设计规范》规定的角焊缝设计方法进行计算，认为直角角焊缝的破坏总是沿其最小截面，即45°方向的有效截面。

四、高强螺栓连接1.高强螺栓连接的构造⑴螺栓的直径与孔径同一结构中同类型螺栓宜采用一种统一规格，当结构螺栓数众多且各部分杆件截面和受力相差较大时，可考虑用2~3种螺栓直径。

标准螺栓直径为M12、14、16、18、20、22、24、27、30mm。

考虑螺纹对螺栓杆截面的削弱，受拉时一般按螺纹处的有效截面面积计算。

⑵螺栓的长度高强度螺栓的长度应为紧固连接板厚度加上一个螺母和螺栓连接副垫圈的厚度。

按下式计算，并取5mm的整倍数。

⑶螺栓的排列和间距螺栓的排列要简单、统一而紧凑，使构造合理，安装方便。

⑷高强螺栓的预拉力高强螺栓的预拉力值希望能尽可能高一些，但要保证不会再拧紧过程中屈服或断裂。

2.高强螺栓的受力性能和承载力⑴摩擦型高强螺栓①抗剪性能和承载力摩擦型高强螺栓受剪是的设计准则是外剪力不超过摩擦力，故设计值为：②抗拉性能和承载力高强螺栓拧紧后，螺栓受预拉力力P，螺杆被拉长。

被连接钢板间受预压力C=P，当螺栓受外拉力N后，外力N的平衡主要靠C减小，而P增加的不多。

高强度螺栓受拉时，要求C 不要降低太多，以使钢板间仍保持有适当的夹紧力，保持成一个整体；要求P不要过大，以免螺杆打到屈服或引起较大松弛，规定：③同时抗剪和抗拉的承载力外拉力使构件接触面的夹紧力降低，直接降低了摩擦力，因而高强螺栓的抗剪承载力降低。

⑵承压型高强螺栓①抗剪性能和承载力规范规定，承压型高强螺栓只适用于承受静力或间接动力荷载结构中的连接。

②抗拉性能和承载力需要计算一个螺栓的抗拉承载力设计值，计算方法与摩擦型相同。

③同时抗剪和抗拉的承载力3.高强螺栓连接的设计计算螺栓的直径和数量，根据接头承载力的要求确定。

根据接头设计承载力的不同要求，有全承载力、最小承载力、综合承载力三种设计方法。

⑴全承载力设计方法（全强设计法）要求接头的设计承载力≥母材构件的承载力。

受压构件的连接，上述能满足。

受拉构件的连接，接头的设计承载力<母材构件的承载力。

当母材构件的实际应力很小时，此法很不经济。

⑵最小承载力设计方法要求接头的设计承载力≥杆件实际承受的荷载大小。

此法最为经济。

当母材构件的实际应力很小时，接头承载力有可能与母材构件的承载力相差悬殊，接头成为整体构件的薄弱点，对构件整体受力产生不利影响。

⑶综合承载力设计方法既不使得接头承载力降低过多，又不过分追求接头承载力。

此法同时考虑母材构件的承载力和构件的实际受力大小，综合确定接头承载力。

美国AASHTO规定：构件实际受力<构件承载力的75%时，接头承载力按母材构件承载力的75%设计；构件实际受力≥构件承载力的75%时，接头承载力按母材构件承载力与实际受力的平均值设计。