钢结构连接与受力分析

余的N－ N1由侧面角焊缝承担。 菱形拼接板（图d） 简化计算不计正面及斜焊缝的f：
N ffw he lw
2、受轴心力作用的角钢连接
当用侧面角焊缝连接时（图a） 肢背 N1=e2 N /（e1+e2）=K1 N
肢尖 N2=e1 N /（e1+e2）=K2 N
三面围焊时（图b）
排列要求
• 受力要求：
钢板端部剪断，端距不应小于2d0; 受拉时，栓距和线距不应过小；
受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大
• 构造要求
栓距和线距不宜过大
• 施工要求
有一定的施工空间
钢板上螺栓和铆钉的容许间距 名称 位置和方向 外排(垂直内力或顺内力方向) 垂直内力方向 中心间距 中间排 顺内力方向 沿对角线方向 顺内力方向 中心至构件边缘距离 剪切或手工气割边 垂直内力方向 轧制边、自动气割或锯割边 高强度螺栓 其它螺栓 4 d 0 或8 t 构件受压力 构件受拉力 最大容许距离 （取两者的较小值） 8d0 或12 t 16d0 或24 t 12d0 或18 t 16d0 或24 t —— 2d0 1.5d0 1.5d0 1.2d0 3d0 最小容许距离
Ae Nfx / 2+Nfy / 2 fx Ae / 2 fy Ae / 2
fx / 2 fy / 2
fy / 2 fx / 2, // fz
则有

fz / 2 fy / 2

2
3 fy / 2 fz / 2
3、弯矩作用下的焊缝
f
M f f f w Ww
4、扭矩作用下的焊缝 焊缝群受扭：
假定 ① 被连接构件是绝对 刚性的，而螺栓则是弹性的； ② 被连接板件绕角焊缝有效 截面形心o旋转，角焊缝上任 一点的应力方向垂直于该点与 形心o的连线，应力的大小与 其距离r的大小成正比。
A
除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截面的破坏，净截面面积为
2 2 An t[2e4 (n2 1) e1 e2 n2d0 ]
b、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算
基本假定
① 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的； ② 各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群形心o的距离r 成正比，力的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直。
施焊前加相反的预变形（图a、b） 焊前预热，焊后回火（图c）
5 合理的焊缝设计
焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心 焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸 焊缝不宜过分集中（图a） 应尽量避免三向焊缝交叉（图b） 考虑钢板分层问题（图c） 焊条易达到（图d） 避免仰焊
6 普通螺栓的构造和计算
1 构造要求 坡口形式
分为 I 形缝、 V 形缝、带钝边单边 V 形缝、带钝边 V 形缝 （也叫Y形缝）、带钝边U形缝、带钝边双单边 V形缝和 双Y形缝等
（a）I形缝；（b）带钝边单边V形缝；（c）Y形缝
（d）带钝边U形缝；（e）带钝边双单边V形缝； （f）双Y形缝；（g）、（h）、（i）加垫板的I形
螺栓数目
b n N / N min
板件净截面强度
N / An f
净截面面积和受力
并列（图a）
N1=N； N2 =N－(n1/n) N ；N3 = N－ (n1+n2)/n N
对被连接板：An=t (b－n1d0)
对拼接板： An =2t1 (b－n3d0)
错 列（图b）
缺点
• 材质劣化
• 残余应力、残余变形
• 一裂即坏、低温冷脆
3 焊缝缺陷 焊缝缺陷
裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、 焊瘤等
(a) 热裂纹；(b) 冷裂纹；(c) 气孔；(d) 烧穿；(e) 夹渣
(f) 根部未焊透；(g) 边缘未熔合；(h) 层间未熔合； (i) 咬边；(j) 焊瘤
• 普通螺栓连接
A、B级螺栓—5.6级和8.8级，d0-d=0.3~0.5mm，钻成孔 C级螺栓—4.6级和4.8级，d0-d=1.0~1.5mm，冲成孔
• 高强度螺栓连接
8.8级和10.9级， d0-d=1.0~1.5mm，钻成孔 摩擦型连接，承压型连接
1 螺栓连接的排列和构造要求
排列方式：并列或错列
3 部分焊透的对接焊缝 计算原则：按角焊缝计算
4 角焊缝的构造和计算
1 构造和强度 截面形状
应力分布
侧面角焊缝的应力分布
角焊缝的应力—位移曲线
正面角焊缝的应力分布
焊脚尺寸
hf 应与焊件的厚度相适应。 对手工焊，hf应不小于 1 ， mm）， .5t为较厚焊件的厚度（ t 对自动焊，可减小1mm； hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。
=1.0 =1.1－l1/150d0 =0.7
一个抗剪螺栓的设计承载力计算 • 抗剪承载力设计值：
N nv
b v
d2
4
f vb
• 承压承载力设计值：
b Nc d t f cb
(a) 单剪
(b) 双剪
(c) 四剪面
一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值。
平衡条件：
T T T N1T r1 N 2 r2 N n rn
根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件
T T N1T N2 Nn r1 r2 rn
则 或
T T N1 N1 2 2 2 T (r 1 r 2 r n ) r r 1 1
T rA ; J Ix Iy J

பைடு நூலகம்
T Ax

T rAy J
T Ay
T rAx J
环焊缝受扭
5、弯矩、剪力和轴心力共同作用
M A
M V N V N ; A ; A Ww he lw he lw
M N A A V 2 ( ) 2 ( A ) ffw f


2
w 2 3 f fz f
可得角焊缝计算的基本公式为
2 2 2 2 ( fx fy fx fy ) fz ffw 3
仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时
f N /(he lw ) ffw
仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时
f N /(he lw ) f ff w
r
i 1
n
2
i
N1T
T r 1 2 ri
T r 1 xi2 yi2
T N1y
T N1x
T y1 xi2 yi2
T x1 2 2 x y i i
验算
T N1 [ N ]b v
c、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算
在扭矩T作用下，螺栓1 受力为
对于板件边缘的焊缝，当t ≤6mm时， hf ≤t ；当t >6mm时， hf ＝t －(1~2)mm。
焊缝长度 lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于 8hf或40mm ，且不宜大于60hf
2 角焊缝计算的基本公式
2 2 2 3( // ) 3 f fw
Nfx fx Ae , Vfy fy Ae , Vfz fz Ae
b b b
1、抗剪螺栓连接
破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端 被剪断；螺栓杆弯曲
受力状态：弹性时两端大而中间小，进入塑性阶段后， 因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。
为防止“解纽扣”破坏，当连接长度l1 较大时，应将螺栓 的承载力乘以折减系数 ： 当 l1≤15d0 时， 当 15d0＜l1≤60d0 时， 当 l1＞60d0 时，
钢结构的连接和节点构造
1 钢结构对连接的要求及连接方法
连接要求
足够的强度、刚度和延性
连接方法
焊接、铆接和螺栓连接
（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接
2 焊接连接的特性
1 焊接方法 电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等
图 7-2
手工电弧焊
图 7-3
自动埋弧焊
1— 电 源 ； 2— 导 线 ； 3— 夹 具 ； 4— 焊 条 ； 5— 药 皮 ； 6— 焊 件
正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hf∑lw3βf ffw 侧面角焊缝承担的力为 肢背 N1 =e2 N /（e1+e2）－N3 /2=K1 N－N3 /2 肢尖 N2 =e1 N /（e1+e2）－N3 /2=K2N－N3 /2
L形焊缝（图c）
正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hf∑lw3βf ffw 侧面角焊缝承担的力为 N1 = N －N3
在剪力V和轴力N作用下，螺栓均匀受力：
V N1y V /n
4 焊缝连接型式及焊缝型式 连接型式
平接、搭接、T形连接和角接
连接型式
对接焊缝和角焊缝
正面角焊缝 侧面角焊缝
连续角焊缝
断续角焊缝
施焊位置
俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊
5 焊缝代号 作用
表明焊缝型式、尺寸和辅助要求
表示方法
由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成
3 对接焊缝的构造和计算
2、抗拉螺栓连接
破坏形式：螺栓杆拉断 抗拉承载力设计值
N
b t
d e2
4
f t b Ae f t b
为考虑撬力的影响，规范 规定普通螺栓抗拉强度设
计值ftb取同样钢号钢材抗
拉强度设计值f的0.8倍(即 ftb=0.8f )
3、螺栓群的内力计算
a.螺栓在轴心力作用下的抗剪计算
轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布
1— 焊 丝 转 盘 ； 2— 转 动 焊 丝 的 电 动 机 ； 3— 焊 剂 漏 斗 ； 4— 电 源 ； 5—熔 化 的 焊 剂 ； 6— 焊 缝 金 属 ； 7— 焊 件 ； 8— 移 动 方 向
2 焊接连接的优缺点 优点
• 省工省材
• 任何形状的构件均可直接连接 • 密封性好，刚度大
注: 1. d0 为螺栓孔或铆钉孔径，t 为外层薄板件厚度。 2. 钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢) 相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。
孔、螺栓图例
2 普通螺栓连接的构造和计算
传力方式：抗剪螺栓 抗拉螺栓 同时抗剪抗拉螺栓
计算方法：螺栓承载力计算 螺栓群中受力最大螺栓 1 单个螺栓的承载力设计值 >= 螺栓1的内力 （1）单个螺栓的承载力设计值 NV 、NC 、Nt （2）螺栓群内力计算
焊缝等级：《钢结构工程施工质量验收规范》 （GB50205）三级
•
• •
三级焊缝：外观检查
二级焊缝：在外观检查的基础上再做无损检验，用超声波检 验每条焊缝的20％长度，且不小于200mm 一级焊缝：在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部 长度，以便揭示焊缝内部缺陷
强度折减：
高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9
缝、带钝边单边V形缝和Y形缝
2 对接焊缝的计算 计算原则
用计算 焊件的方法。I、II级等强不计算，仅计算III级焊缝
（1）轴心受力的对接焊缝
＝N／（lwt）≤fwt或fwc
（2）受弯、受剪的对接焊缝计算
＝M／Ww ≤ fwt
＝VS／（Iwt ）≤ fwV
2 2 zs B 3 B 1.1 f t w
受各力综合作用时
2 w f / f f f f 2
3 常用连接方式的角焊缝计算
1、受轴心力作用的拼接板连接
仅侧面角焊缝（图a）
N f ffw he lw
仅正面角焊缝（图b）
N f f f f w he lw
三面围焊时（图c） 先计算计算正面角焊缝受力N1，剩
6、扭矩、剪力和轴心力共同作用
T rx ; ; ; he lw he lw J J
V A
V
N A
N
T A
T ry
T A
T V A A T T 2 ( ) 2 ( A A ) ffw f
7、塞焊计算
5 焊接残余应力和残余变形
1 焊接残余应力的分类和产生的原因
纵向残余应力
横向残余应力
厚度方向的残余应力
约束状态下的焊接应力
2 焊接残余应力的影响
对结构静力强度的影响
对结构刚度的影响
对压杆稳定的影响
对低温冷脆的影响
对疲劳强度的影响
3 焊接残余变形
残余变形形式
残余变形形式
4 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法
采取合理的施焊次序