钢结构设计原理第三章

图3.10 直角角焊缝截面
图3.11 斜角角焊缝截面
二、侧面角焊缝受力分析
主要承受剪力，塑性较 好，弹性模量低，强度 较低 应力沿焊缝长度方向分 布不均匀，两端大，中 间小 经过塑性变形，应力重 分布，可使应力分布不 均匀的现象趋缓
图3.12 侧焊缝的应力
三、正面角焊缝受力分析
应力复杂，强度较高，塑性变形差
按沿长度方向的布置，分为连续角焊缝和间断角 焊缝；
图3.6 连续角焊缝和断续角焊缝
按施焊位置分为平焊、横焊、立焊及仰焊。
图3.7 焊缝施焊位置 （a）平焊；（b）横焊；（c）立焊；（d）仰焊
3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验
一、 焊缝缺陷
图3.8 焊缝缺陷 （a）裂纹；（b）焊瘤；（c）烧穿；（d）弧坑； （e）气孔；（f）夹渣；（g）咬边；（h）未熔合；（i）未焊透
三、焊缝质量等级的选用按《钢结构设计规范》 （GB50017-2003）的要求。
3.2.4 焊缝符号、螺栓及其孔眼图例 焊缝符号、
表3.2 焊缝符号
《焊缝符号表示法》规定：焊缝代号由引出线、 图形符号和辅助符号三部分组成。
注：”c”表示焊件之间的离缝距离；“p”表示焊件的端部宽度；“a”表示对接焊 缝的坡口角度；“hf”表示角焊缝的焊脚尺寸
2 2 N3 = 4helw3 f f = 4×0.7×10× 150 +100 ×160= 8076kN . w
连接一侧焊缝所能承受的内力为：
N ' = N1 + N2 + N3 = 109.3 + 492.8 + 807.6 = 1409.7kN > N = 1400kN
满足要求。
（2）承受斜向轴心力的角焊缝连接计算
式中 N1、N2—角钢肢背和肢尖上的侧面角焊缝所分担的轴力； e—角钢的形心距； α1、α2—角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，设计时 可近似取 α = 2 ， α = 1
1
3
2
3
例3.3 试确定如图所示承受静态轴心力的三面 围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知 角钢为2∟125×10，与厚度为8mm的节点板 连接，其肢背搭接长度为300mm，焊脚尺寸 均为hf=8mm，钢材为Q235B，手工焊，焊条 为E43型。
N2 = α2N
lw 2 =
N1 = α1N
N2 w 2 × 0 .7 h f 1 f f
实际焊缝长度为计算长度加2hf。
三面围焊： 端焊缝承受的力： 肢背：
N1 =
N3 = 2× 0.7hf 3bβ f f f
w
N (b − e) N3 N − = α1N − 3 b 2 2 Ne N3 N N2 = − = α2 N − 3 b 2 2
图3.13 正面角焊缝应力状态
关于hfmax
3.3.2 角焊缝的构造要求
hf ≥ 1.5 t
图3.14 最大焊脚尺寸
h f ≥ 1 .5 t h f ≥ 4 mm 关于hfmin 侧面角焊缝的最大计算长度 lw ≤ 60 h f (静 ) l w ≤ 40 h f (动 ) 角焊缝最小计算长度 l w ≥ 40 mm lw ≥ 8 h f
作用于焊缝有效截面的上 应力有： 垂直于焊缝有效截面的 正力 σ ⊥ 垂直于焊缝长度方向的 剪应力 ⊥ 沿焊缝长度方向的剪应 力 τ ∥
τ
图3.18 角焊缝有效截面上的应力
图3.19 直角角焊缝的计算
Nx σ ⊥= τ ⊥= τf = τ ∥= 2 he ∑ lw 式中 Ny—垂直于焊缝长度方向的轴心力； he—角焊缝的有效厚度，对直角角焊缝等于0.7hf,hf为 焊脚尺寸； lw—焊缝的计算长度，考虑起灭弧缺陷，按各条焊缝的 实际长度每端减去hf计算。
1
N 1400 × 10 3 ∑ lw = = = 1250 mm w 0 .7 × 10 × 160 he f f
一条侧焊缝的实际长度为：
lw =
'
∑ lw 1250 + 2h f = + 20 = 333mm < 60h f = 60 ×10 = 600mm 4 4
所需拼接盖板长度：
L = 2lw +10 = 2 × 333+10 = 676mm
搭接连接的构造要求
搭接连接的构造要求
b ≤ 200mm
当板件端部仅有两侧面角焊缝时，每条侧焊缝的长度不宜小于 两侧焊缝之间的距离 即
b ≤1 lw
b ≤ 16 t
（ t > 12 mm 时）
b ≤ 200 mm ( t ≤ 12 mm 时 )
3.3.3直角角焊缝强度计算的基本公式 直角角焊缝强度计算的基本公式
3.1.2 铆钉连接
优点：传力可靠，塑性、韧性好，运用于 动力结构中 缺点：构造、工艺复杂，费工费料
3.1.3 螺栓连接
一、普通螺栓连接 A、B级 精制螺栓，很少使用 C级 粗制螺栓，4.6级或4.8级， 传递拉力好，剪切连接变形较大 二、高强度螺栓连接 摩擦型：只依靠板层间的摩擦阻力传力，并以剪力 不超过接触面摩擦力为设计准则。 承压型：允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限 承载力为设计准则 材料：45＃中碳钢，40B，20MnTiB加工经热处理。 强度等级：8.8级，10.9级
二、焊缝质量检验
焊缝缺陷的存在将削弱焊缝的受力面积，在缺陷处 引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯 性能等均有不利影响。因此．焊缝质量检验极为重 要。 《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。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 的超声波检验并符合相应级别的质量标准。
解：角焊缝的焊脚尺寸hf应根据板件厚度确定：
焊缝在板件边缘时施焊，拼接盖板厚度 t2=16mm>6mm，t2<t1，则 hfmax=t-(1~2)=16-(1~2)=15mm或14mm hfmin=1.5 t =1.5 28 =7.9mm 取hf=10mm，查附表1.2 得角焊缝强度设计值ffw=160N/mm2 （1）采用两面侧焊时
满足要求，故选定拼接盖板尺寸为680mm×240mm×16mm。
（2）采用三面围焊时 正面角焊缝所能承受的内力为：
N' = 2helw β f f f = 2× 0.7×10× 240×1.22×160= 6559kN .
' w
所需焊缝的总长度为：
N − N ' (1400 − 655 . 9 ) × 10 3 ∑ lw = = = 664 mm w 0 . 7 × 10 × 160 he f f
'
，取680mm
式中，10mm为两块被连接钢板间的间隙。 选定拼接盖板宽度b=240mm，则：
A' = 240 × 2 ×16 = 7680mm2 > A = 270 × 28 = 7560mm
满足强度要求。 根据构造要求可知 且
b = 240mm < lw = 313mm
b < 16t = 16 ×16 = 256mm
当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达 清楚时，在标注焊缝代号的同时，可在图形上 加栅线表示：
图3.9 用栅线表示焊缝 （a）正面焊缝；（b）背面焊缝；（c）安装焊缝 表3.3 螺栓及其孔眼图例
3.3 角焊缝的构造与计算
3.3.1 角焊缝的形式和强度
一、截面形式 直角角焊缝 斜角角焊缝 普通型 坡式 凹面式
解：正面角焊缝所能承受的内力N3为
N3 = 2helw3β f f f = 2 × 0.7 × 8×125×1.22×160 = 273.3kN
w
肢背角焊缝所能承受的内力N1为
w
N1 = 2helw1 f f = 2 × 0.7 × 8 × (300 − 8)×160 = 523.3kN N 273.3 N1 = α1 N − 3 = 0.67 N − = 523.3kN 2 2 523.3 +136.7 则 N= = 985.1kN 0.67
Ny σf = he ∑ lw
σf
根据试验结果，并与材料的折算应力计算公式一致， 得下式 2 2 2 w w
σ ⊥ + （τ ⊥ + τ∥ ） fu = 3 f f 3 =
式中 fuw—焊缝金属的抗拉强度； ffw—角焊缝抗剪强度。
σf 2 w （ ） + τf 2 ≤ f f βf
将σ⊥、τ⊥、τ∥代入，得：
对接焊接 正对接 斜对接 K形对接焊缝 正面角焊缝：力的方向与焊缝长度方向垂直 侧面角焊缝：力的方向与焊缝长度方向平行 斜角焊缝：力的方向与焊缝长度方向倾斜
角焊缝
按所受力的方向，对接焊缝分为正对接焊缝和斜 对接焊缝，角焊缝可分为正面角焊缝、侧面角焊 缝和斜面角焊缝；
图3.5 焊缝形式 （a）正对接焊缝；（b）斜对接焊缝；（c）角焊缝
图3.2 手工电弧焊
图3.3 埋弧自动电弧焊
3.2.2 焊缝形式和接头形式
一、焊缝连接形式
按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角 部连接四种。
图3.4 焊缝连接的形式 （a）对接连接；（b）用拼接盖板的对接连接；（c）搭接连接；（d）、（e）T形连接（f）、 （g）角部连接
二、焊缝形式
3.钢结构的连接 钢结构的连接
3.1 钢结构的连接方法
钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连 接和螺栓连接三种：
图3.1 钢结构的连接方法 （a）焊缝连接；（b）螺栓连接；（c）铆钉连接
3.1.1 焊接连接
优点：构造简单，用料经济，加工方便， 结构刚度大，密闭性好 缺点：热影响区材质变脆，产生焊接应力
3.2 焊接方法和焊缝连接形式
3.2.1 钢结构常用焊接方法
1．手工电孤焊 设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特 别适于焊接短焊缝，但生产效率低，劳动强度大，焊接质量 不易保证。 2．埋孤焊(自动或半自动) 焊接时的工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，形成的焊 缝质量好，焊件变形小，但对焊件边缘装配精读要求高。 3.气体保护焊 利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质的一种电弧 熔焊方法。形成的焊缝强度比手工电弧焊高，塑性和抗腐蚀 性好，适用于全位置的焊接。但不适用于野外或有风的地方 施焊。
（ 4
σf
2
）+τ f ≤ 3 f f
2
w
或
式中 σf —按焊缝有效截面（ helw ）计算，垂直于焊缝长
度方向的应力； τf —按焊缝的有效截面（ helw ）计算，沿焊缝长度 方向的剪应力；
βf—正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力 荷载或间接承受动力荷载的结构， β f = 3 = 1.22 2 1 当为斜焊缝时， βf = 2
当采用三面围焊时， 正面角焊缝承担的力：
N ' = β f f f源自文库∑ helw
w
N = β f f f ∑ helw
' w
侧面角焊缝强度：
N − N' w τf = ≤ ff ∑ helw
图3.21 受轴心力的盖板连接
例3.2 试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢 板宽B=270mm，厚度t1=28mm，拼接盖板厚 度t2=16mm。该连接承受静态轴心力 N=1400kN（设计值），钢材为Q235B，手 工焊，焊条为E43型。
一条侧面焊缝的长度为：
lw =
'
∑ lw 664 + hf = + 10 = 176 mm 4 4
，取为180mm。
拼接盖板的长度为： L = 2lw' +10 = 2 ×180+10 = 370mm
（3）采用菱形拼接盖板时 正面角焊缝： N = 2h l β f w = 2×0.7×10× 40×1.22×160=109.3kN 1 e w1 f f 侧面角焊缝： N = 4h l f w = 4×0.7×10×(120−10)×160= 4928kN . 2 f w2 f 斜焊缝：
1−sin θ 3
ffw—角焊缝的抗拉、抗剪和抗压强度设计值。 对正面角焊缝： 对侧面角焊缝：
N w σf = ≤ βf ff h el w
τ
f
=
N w ≤ ff h elw
对承受直接动力荷载的焊缝连接，βf=1
3.3.4 直角角焊缝连接的计算
一、承受轴心力作用时角焊缝连接计算
（1）用盖板的对接连接承受轴心力（拉力或压力）时
N x = N sin θ
N y = N cos θ
N sin θ σf = ∑ helw
N cosθ τf = ∑helw
σf 2 w 2 （ ） + τf ≤ f f βf
图3.22 斜向轴心力作用
则
（3）承受轴心力的角钢角焊缝计算
图3.23 桁架腹杆与节点板的连接
两面侧焊：
N3 = 0 N1 lw1 = w 2 × 0 .7 h f 1 f f