钢结构的连接(焊接)

去2t1，t1—较薄焊件厚度引；弧板
3）当wk.baidu.com件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡
度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过
度，减小应力集中。
≤1:2.5
≤1:2.5
3.对接焊缝的优缺点
【优点】用料经济、传力均匀、无明显的应力集中， 利于承受动力荷载。
【缺点】需剖口，焊件长度要求精确。
• 19世纪20-30年代出现铆钉连 接。把铆钉加热到10001500oC，用铆钉枪铆合。
§8.2 对接焊缝的构造与计算
一、对接焊缝的构造
1.对接焊缝的坡口形式
对接焊缝的焊件常做坡口（edge preparation）， 坡口形式与板厚和施工条件有关。 可不做坡口,采用直边缝···················t<6mm(手工焊)
···················t<10mm(埋弧焊) 宜采用单边V形和双边V形坡口··········t=7~20mm
宜采用U形、K形、X形坡口···············t>20mm
t--焊件厚度
C=0.5~2mm
（a）
α
p
C=2~3mm
（C）
p
C=3~4mm
（e）
α
C=2~3mm
（b）
N
N
lw
【试验表明】侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较 低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故
剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf
越大剪应力分布越不均匀。
B. 破坏形式
（2）正面角焊缝
A. 应力分析
正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差， 但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%--55%以上。
（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
2. 焊缝的方位
（不是“竖焊”）
（不是“俯焊”）
3.焊接连接形式
平接 顶接
搭接
顶
接
焊接的优点
* 构造简单，任何形式的构件都可直接相连；
小 结
* 用料经济，不削弱截面；
* 制作加工方便，可实现自动化操作；
* 连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。
为与母材相同，不予计算。三级焊缝需进行计算；
对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构
件强度计算相同。
记住啦！
【强调】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%，三级检验的焊缝的强度低于母材。 3）一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度 相等。
当 t≤6mm时，hf,max≤t； 当 t>6mm时，hf,max≤t-(1~2)mm；
t t
hf t1
hf
t1
2、最小焊脚尺寸hf,min
为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬 硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:
hf ,min ≥ 1.5 t2 (计算数值只进不舍！)
式中: t2----较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 当t2≤4mm时, hf,min=t2
例题：
§8.3 角焊缝的构造与计算
一、角焊缝的形式和受力分析
1、角焊缝的形式: 直角角焊缝、斜角角焊缝
（1）直角角焊缝
hf hf
hf
he
hf 普通式
he
1.5hf 平坦式
he
hf 凹面式
（2）斜角角焊缝
对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,
不宜用作受力焊缝。
按 h e= 0 .7 h f
钢结构常用焊接方法
1. 电弧焊
焊机
焊条 保护气体
焊钳
焊件
电弧
熔池
导线
原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。
记 住 啦
A、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材相适应。 Q235钢选择——E43型焊条（E4300--E4328) Q345钢选择——E50型焊条(E5000--5048) Q390、Q420钢选择——E55型焊条(E5500--5518)
焊接的缺点
* 焊缝附近有热影响区，钢材的金相组织发生改变，导致局部 材质变脆； * 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏、降低压杆稳定的临 界荷载，残余变形使结构形状、尺寸发生变化； * 焊接裂缝一经发生，便容易扩展到整体； * 低温冷脆问题较为突出。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
2.焊缝质量检查
外观检查(visual inspection)：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验(non-destruction test) ：检验内部缺陷。
注:内部检验主要采用超声波(ultrasonic inspection) ， 有时还用磁粉检验(magnetic particle )荧光检验等辅助 检验方法。还可以采用X射线(X-radiography)或γ射 线透照或拍片。
《钢结构工程施工及验收规范》规定： 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级
和三级。 一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数
量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。
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；
3.焊缝质量等级及选用
《钢结构设计规范》（GB50017--2003）中，对焊 缝质量等级的选用有如下规定： (1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向 的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。
B. 正面角焊缝的破坏形 式
（3）斜角焊缝
斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。
二、角焊缝的构造
1、最大焊脚尺寸hf,max(leg size)
为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应
力和残余变形，hf,max应满足以下要求: hf,max≤1.2t1（钢管结构除外）
式中: t1---较薄焊件厚度。 对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：
1.轴心力作用下的对接焊缝计算
σ
=
N lwt
≤
ft
w或f
w c
N
N
(8 −1)
lw
t
式中：N—轴心拉力或压力；(A) t—板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；
ftw、fcw —对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。
当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。
N
Nsinθ
Ncosθ
θ
lw
N
t
(B)
σ
=
N sin θ
4.焊缝代号(welding symbol)
二、对接焊缝的计算
焊透（full penetration）
对接焊缝分为
部分焊透（partial penetration）
（自学）
动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受
力方向的连接焊缝；
N
N
t
对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视
(2) 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材 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＞５０ｔ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形接头焊透的对接与角接组合焊 缝，不应低于二级。
（４）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷 载且需要验算疲劳和起重量Ｑ＞５０ｔ的中级工作制 吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。
2). 高强度螺栓连接
20世纪中叶开始采用。 高强度螺栓则用高强度 钢材制成并经热处理。拧紧螺栓使板件接触面产 生很大摩擦力，依靠摩擦力传力。连接紧密，耐 疲劳，承受动载可靠。是现代钢结构最主要的连 接方法之一。
三、铆钉连接
【优点】连接刚度大，传力可靠；
【缺点】对施工技术要求很高，劳动 强度大，施工条件差， 施工速度慢。 现已很少采用。
B、焊条的表示方法： E—焊条(Electrode)
第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2) 第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。
不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。
C、优、缺点 【优点】方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；
【缺点】质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度 大，效率低。
【优点】不削弱截面，方便施工，连接刚度大，密 封性好； 【缺点】材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。
20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现代钢结构最 主要的连接方法。
对接焊缝连接 (butt welding)
角焊缝连接 (fillet welding)
1.焊缝形式
对接焊缝按受力与焊缝方向分：
2．电阻焊
电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热 量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊 接，常用电阻点焊，板叠总厚度一般不超过12mm，焊点应 主要承受剪力，其抗拉(撕裂)能力较差。
3．电渣焊
电渣焊是利用电流通过熔渣所产生 的电阻热作为热源，将填充金属和 母材熔化，凝固后形成金属原子间 牢固连接。 缺点是输入的热量大，接头在高温 下停留时间长、焊缝附近容易过 热，焊缝金属呈粗大结晶的铸态组 织，冲击韧性低，焊件在焊后一般 需要进行正火和回火热处理。
第 八 章
(Connections)
要求
1.了解钢结构连接的种类及各自的特点； 2.了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算
方法及构造要求； 3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构
工作的影响； 4.了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算
和构造要求。
一、焊§缝8连.1接钢结构的连接方法
σ max
=M Ww
=
6M lw2t
≤
ftw
τ max
= VSw Iwt
=
3⋅ V 2 lwt
≤
fVw
t
(8 − 4)
lw
V M
A
στ
式中：Ww—焊缝截面模量； Sw--焊缝截面面积矩； Iw--焊缝截面惯性矩。
（2）工字形截面梁对接连接计算
τ max
M V
1 焊缝截面
σ1
σmax
ττ1
A、对于焊缝的σmax和τmax应满足式8-4要求；
B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力
尚应满足：
σ12 + 3τ12 ≤ 1.1 ftw
(8 − 7)
1.1的含义 是什么？
【系数1.1】 考虑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。
【说明】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。
按
h e= h f c o s
α 2
f
h
α
hf
α
hf
hf
按 h e= 0 .7 h f
按
h e= h f c o s
α 2
f
h
α
hf
α
hf
hf
(a )
(b )
斜角角焊缝 a） 锐 角 角 焊 缝 ； b） 钝 角 角 焊 缝
2.直角角焊缝的受力分析
（1）侧面角焊缝（侧焊缝）
A. 应力分析
剪应力τf
正对接焊缝(a)：作用力方向与
对接焊缝
焊缝方向正交。
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：
正面角焊缝：作用力方向与
焊缝长度方向垂直。 角焊缝 侧面角焊缝：作用力方向与
焊缝长度方向平行。
斜焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
二、螺栓连接
分为： 普通螺栓连接 高强度螺栓连接
【优点】施工方便；
【缺点】削弱截面， 费
工费料。
N
1）．普通螺栓连接
（1）C级螺栓连接：用圆钢制成，杆身粗糙，尺寸不 很准确。主要用于受拉连接和安装螺栓。
（2）A、B级螺栓连接：螺杆机加工制成，尺寸准确，
孔加工精度高。制造安装费工。A级：d≤24mm， l≤150mm 和10d，B级：d>24mm，l>150mm 和10d。
p
C=3~4mm
（d）
p
C=3~4mm
（f）
2.对接焊缝的构造处理
1）V形、U形坡口焊缝单面施焊，为防止熔化金属流
淌必要时可在坡口下加垫板或者补焊；
垫板
垫板
垫板
2）对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引
弧板（run-on tab）引出，焊完后将其切去；不能
做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减
lw t
≤
f t w 或 f cw
(8 − 2 )
τ
=
N cosθ
lw t
≤
f
w v
(8 − 3 )
规范规定，当斜焊缝倾角θ≦56.3°，即tanθ≦1.5时，
可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。
2.M、V共同作用下的对接焊缝计算
（1）板件间对接连接 因焊缝截面为矩形，M、 V共同作用下应力图为： 故其强度计算公式为：
焊缝缺陷及焊缝质量检查 1.焊缝缺陷(weld defect)
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(crack)、焊瘤、烧穿、弧坑、 气孔(porosity)、夹渣(slag inclusion)、咬边 (undercut)、未熔合、未焊透(lack of penetration) 等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。