1、,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 Design Principles of Steel Structure,第3章 連 接Chapter 3 Connections,焊縫連接,螺栓連接,主要內(nèi)容,鋼結(jié)構(gòu)的連接,對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,焊接殘余應(yīng)力和焊接變形,普通螺栓的構(gòu)造和計(jì)算,高強(qiáng)度螺栓的構(gòu)造和計(jì)算,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,連接的方式 焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接,連接的原則 安全可靠、傳力明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造方便和節(jié)約鋼材,圖3.1.1 連接的方式,螺栓連接,鉚釘連接,焊接連接,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,缺點(diǎn),第三章 連 接,Chapter 3 Connections,* 構(gòu)造簡(jiǎn)單 任何形式的

2、構(gòu)件都可直接相連； * 用料經(jīng)濟(jì) 不削弱截面； * 制作加工方便 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作； * 連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好。,* 材質(zhì)易變脆； * 產(chǎn)生殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變、焊接缺陷 * 降低壓桿穩(wěn)定、影響疲勞強(qiáng)度 * 對(duì)裂紋十分敏感 * 低溫冷脆問(wèn)題較為突出。,優(yōu)點(diǎn),3.1.1 焊縫連接,1. 焊縫連接的特點(diǎn),現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最基本的連接方式，應(yīng)用最廣泛。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,2. 鋼結(jié)構(gòu)常用的焊接方法,電阻焊,氣體保護(hù)焊,（1）手工電弧焊,原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化涂有焊藥焊條和母材形成焊縫。,優(yōu)點(diǎn)：方便，適應(yīng)性強(qiáng)，特別適用于在高空和野外作業(yè)，小型焊接，應(yīng)用最廣泛。,缺點(diǎn)：質(zhì)量波動(dòng)大，要求焊

3、工等級(jí)高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,A、焊條的選擇： 焊條應(yīng)與焊件鋼材（主體金屬）相適應(yīng)。,Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500-E5518),Q345鋼選擇E50型焊條 (E5001-E5048),Q235鋼選擇E43型焊條（E4300-E4328),B、焊條的表示方法：,E焊條(Electrode),第1、2位數(shù)字為熔敷金屬的最小抗拉強(qiáng)度（kgf/mm2),第3、4表示適用焊接位置、電流及藥皮的類(lèi)型。,不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊條。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,（2）埋弧焊（自動(dòng)或半自動(dòng)）,光焊絲埋在焊劑下，通電后電弧使焊絲、焊件、焊劑熔化

4、形成焊縫。 焊劑溶化后形成焊渣浮在溶化金屬表面，隔絕空氣接觸，供給必要的合金元素。,優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，焊接速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊縫質(zhì)量好。 缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，施工位置受限。,焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強(qiáng)度。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,（4）電阻焊,（3）氣體保護(hù)焊,利用焊槍噴出的CO2或其他惰性氣體代替焊劑的電弧溶焊方法。直接依靠保護(hù)氣體在電弧周?chē)纬杀Ｗo(hù)層，以防止有害氣體的侵入。,優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有熔渣，焊接速度快，焊接質(zhì)量好。 缺點(diǎn)：施工條件受限制，不適用于在風(fēng)較大的地方施焊。,利用電流通過(guò)焊件接觸點(diǎn)表面的電阻所產(chǎn)生的熱量來(lái)溶化金屬，再通過(guò)壓力使其焊合。適用于板疊厚度不大于12的焊接。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連

5、接,3. 焊接接頭及焊縫形式,（1）焊接接頭：分為對(duì)接、搭接、T形連接和角部連接。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,（2）焊縫形式：分為對(duì)接焊縫和角焊縫。,對(duì)接焊縫按受力與焊縫方向分： 1）直對(duì)接焊縫 2）斜對(duì)接焊縫,角焊縫按受力與焊縫方向分： 1）正面角焊縫：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向垂直。 2）側(cè)面角焊縫：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向平行。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,對(duì)接與角接組合焊縫,角焊縫沿長(zhǎng)度方向的布置,1）連續(xù)角焊縫：受力性能較好，為主要的角焊縫形式。 2）間斷角焊縫：在起、滅弧處容易引起應(yīng)力集中。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,不重要或受力小的構(gòu)件，可采用間斷角焊縫連接,平焊、立焊、橫焊和仰焊。,施焊方式,

6、圖3.1.6 施焊方式,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,4. 焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量等級(jí),（1）焊縫缺陷 焊縫缺陷指焊接過(guò)程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。常見(jiàn)的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等；以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,（2）焊縫質(zhì)量等級(jí),鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50205-2001規(guī)定焊縫按其檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。 三級(jí)焊縫只要求對(duì)全部焊縫作外觀檢查且符合三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，適用于一般連接。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,外觀檢查（肉眼）尺寸偏差、表面缺陷； 無(wú)損檢驗(yàn)（儀器）檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷（超聲波探傷、X射

7、線探傷、磁粉探傷、滲透探傷）。,二級(jí)焊縫：外觀檢查+無(wú)損檢驗(yàn)（超聲波探傷）合格，用于受較大拉應(yīng)力的重要連接。 一級(jí)焊縫：外觀檢查+無(wú)損檢驗(yàn)（超聲波探傷、X射線探傷）合格，用于抗動(dòng)力、需要驗(yàn)算疲勞的重要連接。,（3）焊縫質(zhì)量等級(jí)及選用,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）中，對(duì)焊縫質(zhì)量等級(jí)的選用有如下規(guī)定：,1） 需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p受拉時(shí)應(yīng)為一級(jí)，受壓時(shí)應(yīng)為二級(jí)。平行于作用力方向的縱向?qū)雍缚p應(yīng)為二級(jí)。,2） 在不需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，凡要求與母材等強(qiáng)的受拉對(duì)接焊縫應(yīng)不低于二級(jí)；受壓時(shí)宜為二級(jí)。,3） 重級(jí)工作制和起重量50t的中級(jí)工作制吊車(chē)梁的腹

8、板與上翼緣板之間以及吊車(chē)桁架上弦桿與節(jié)點(diǎn)板之間的形接頭焊透的對(duì)接與角接組合焊縫，質(zhì)量不應(yīng)低于二級(jí)。,4） 角焊縫質(zhì)量等級(jí)一般為三級(jí)，但對(duì)直接承受動(dòng)力荷載且需要驗(yàn)算疲勞和起重量Q50t的中級(jí)工作制吊車(chē)梁的角焊縫的外觀質(zhì)量應(yīng)符合二級(jí)。,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,5. 焊縫符號(hào)及標(biāo)注方法,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,焊縫符號(hào)主要由圖形符號(hào)、輔助符號(hào)和引出線等部分組成,焊縫符號(hào)表示法（GB/T324-1988）,建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50105-2001）,3.1.2 螺栓連接,Chapter 3 Connections,1. 普通螺栓連接,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,2. 高強(qiáng)度螺栓連接,高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)螺桿和

9、配套螺母、墊圈的合稱(chēng)。,由45號(hào)、40B和20MnTiB鋼經(jīng)過(guò)熱處理加工而成。,45號(hào)8.8級(jí)；40B和20MnTiB10.9級(jí),（a）大六角頭螺栓 （b）扭剪型螺栓,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,（a）大六角頭螺栓,（b）扭剪型螺栓,高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接和承壓型連接比較,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,鉚釘連接及特點(diǎn),鉚釘連接是用一端帶有半圓形預(yù)制釘頭的鉚釘，將釘桿燒紅迅速插入被連接件的釘孔中，再用鉚釘槍將另一端也打鉚成釘頭，使連接達(dá)到緊固。,目前承重鋼結(jié)構(gòu)連接中已很少應(yīng)用。,主要連接方法及優(yōu)缺點(diǎn),3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接,1. 對(duì)接焊縫的坡口形式,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,3.2.1 對(duì)接焊縫的構(gòu)造,對(duì)接焊

10、縫的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊縫。坡口形式與焊件厚度有關(guān)。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,板厚t 10mm,3.對(duì)接焊縫的構(gòu)造處理,2.對(duì)接焊縫的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：用料經(jīng)濟(jì)、傳力均勻、無(wú)明顯的應(yīng)力集中，利于承受動(dòng)力荷載。 缺點(diǎn)：需剖口，焊件長(zhǎng)度要求精確。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,1）為防止熔化金屬流淌必要時(shí)可在坡口下加墊板。,2）在焊縫的起滅弧處，常會(huì)出現(xiàn)弧坑等缺陷，故焊接時(shí)可設(shè)置引弧板和引出板，焊后將它們割除。,3）在對(duì)接焊縫的拼接處，當(dāng)焊件的寬度不同或厚度相差4mm以上時(shí)，應(yīng)分別在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面過(guò)渡和緩，減小應(yīng)力集中。,3.2 對(duì)

11、接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,4. 對(duì)接焊縫的強(qiáng)度,1）受壓、受剪的對(duì)接焊縫與母材強(qiáng)度相等。 2）三級(jí)質(zhì)量的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉強(qiáng)度為母材強(qiáng)度的85%。 3）一、二級(jí)質(zhì)量的焊縫的抗拉強(qiáng)度可認(rèn)為與母材強(qiáng)度相等。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,3.2.2 對(duì)接焊縫的計(jì)算,1. 軸心受力的對(duì)接焊縫,（3.2.1）,N軸心拉力或壓力設(shè)計(jì)值 lw焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，無(wú)引弧板時(shí)，焊縫計(jì)算長(zhǎng)度取實(shí)際長(zhǎng)度減去2t；有引弧板時(shí)，取實(shí)際長(zhǎng)度。 t連接件的較小厚度，對(duì)T形接頭為腹板的厚度 ; ftw、fcw對(duì)接焊縫的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（P382表1.3）。,與構(gòu)件母材強(qiáng)度計(jì)算方法相同，采用材料力學(xué)的計(jì)算公式 加引弧板

12、（引出板）施焊的情況下，一、二級(jí)對(duì)接焊縫不需計(jì)算。 三級(jí)焊縫受拉時(shí)，或無(wú)引弧板（引出板）時(shí)才驗(yàn)算。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,要點(diǎn),斜向受力的對(duì)接焊縫,對(duì)接焊縫斜向受力是指作用力通過(guò)焊縫重心，并與焊縫長(zhǎng)度方向呈夾角，其計(jì)算公式為：,lw斜焊縫計(jì)算長(zhǎng)度。加引弧板時(shí)，lwb/sinq；不加引弧板時(shí)，lwb/sinq2t。 fvw對(duì)接焊縫抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度。（P382表1.3）,規(guī)范規(guī)定，當(dāng)斜焊縫傾角56.3，即tan1.5時(shí)，可認(rèn)為對(duì)接斜焊縫與母材等強(qiáng)，不用計(jì)算。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,b,（3.2.2）,（3.2.3）,2. 承受彎距和剪力聯(lián)合作用的對(duì)接焊縫,焊縫內(nèi)應(yīng)力分布同母材。焊縫截面

13、是矩形，正應(yīng)力與剪應(yīng)力圖形分布分別為三角形與拋物線形，其最大值應(yīng)分別滿(mǎn)足下列強(qiáng)度條件。,（3.2.5）,（3.2.4）,M焊縫承受的彎矩； Ww焊縫截面模量。,V焊縫承受的剪力； Iw焊縫計(jì)算截面慣性矩； Sw焊縫截面計(jì)算剪應(yīng)力處以上部分對(duì)中和軸的面積矩。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,對(duì)于工字形或T形截面除應(yīng)分別驗(yàn)算最大正應(yīng)力與最大剪應(yīng)力外，還應(yīng)驗(yàn)算腹板與翼緣交接處的折算應(yīng)力:,（3.2.6）,式中 : 1、1為腹板與翼緣交接處的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。 1.1為考慮到最大折算應(yīng)力只在焊縫局部出現(xiàn)，而將焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值適當(dāng)提高的系數(shù)。,工字形截面梁在彎曲時(shí)，彎曲正應(yīng)力主要由上、下翼緣承擔(dān)，剪應(yīng)力主要由

14、腹板承擔(dān)，這使得截面上各處的材料能達(dá)到充分的利用。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,3. 受軸力、彎矩和剪力聯(lián)合作用的對(duì)接焊縫,軸力和彎矩作用下對(duì)接焊縫產(chǎn)生正應(yīng)力，剪力作用下產(chǎn)生剪應(yīng)力，其計(jì)算公式為：,（3.2.4*）,（3.2.5*）,（3.2.6*）,式中：,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,1,2,對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)處的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪應(yīng)力均勻分布，其計(jì)算公式為：,Aw牛腿處腹板的焊縫計(jì)算面積。,（3.2.5*）,對(duì)接焊縫的計(jì)算除考慮焊縫長(zhǎng)度是否減少，焊縫強(qiáng)度要否折減外，對(duì)接焊縫的計(jì)算方法與母材的強(qiáng)度計(jì)算完全相同。,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,對(duì)接焊縫計(jì)算步驟,確定荷載； 進(jìn)行截面應(yīng)

15、力狀態(tài)分析； 計(jì)算截面幾何特征值； 強(qiáng)度驗(yàn)算。,不同作用情況下對(duì)接焊縫計(jì)算（矩形、I形）,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,驗(yàn)算如圖所示的鋼板對(duì)接焊縫的連接。M=1008kN.m，V=240KN，鋼材Q235，E43焊條，手工焊，質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)，采用引弧板。,1. 截面幾何特征值計(jì)算,【例題3.1】,【解】,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,2. 焊縫強(qiáng)度計(jì)算,驗(yàn)算如圖所示牛腿與柱的對(duì)接焊縫連接。F=170kN，鋼材Q390，E55焊條，手工焊，質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)，不采用引弧板。,【例題3.2】,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,2. 荷載計(jì)算,1. 截面幾何特征值計(jì)算,【解】,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,

16、3. 焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算,3.2 對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,1.角焊縫的形式和強(qiáng)度,3.3.1 角焊縫的構(gòu)造,3.3 角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,角焊縫按截面形式（兩焊腳邊的夾角）可分為直角角焊縫和斜角角焊縫。,（1）直角角焊縫 通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。對(duì)承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，正面角焊縫的截面通常采用（b）的形式，側(cè)面角焊縫的截面則做成凹面式（c）。,3.3 角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,（2）斜角角焊縫 兩焊邊的夾角90或90的焊縫。通常用于鋼漏斗和鋼管結(jié)構(gòu)中。,hf焊腳尺寸；焊腳邊的夾角； he有效厚度（破壞面上焊縫厚度） 并有， he hfcos/2,對(duì)于135o或60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外

17、,不宜用作受力焊縫。,3.3 角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,（2）正面角焊縫：焊縫垂直于受力方向，應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜。焊縫截面各面都有正應(yīng)力和剪應(yīng)力，分布不均勻，焊縫根部形成高峰應(yīng)力，易于開(kāi)裂。破壞強(qiáng)度高，但塑性差，彈性模量大。,（1）側(cè)面角焊縫：焊縫長(zhǎng)度方向與受力方向平行，應(yīng)力分布簡(jiǎn)單。主要承受剪應(yīng)力，彈性階段分布并不均勻，剪應(yīng)力兩端大，中間??；強(qiáng)度低，彈性模量低，但塑性較好。,角焊縫的工作性能,圖3.3.3 角焊縫的應(yīng)力分布,3.3 角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,圖3.3.4 角焊縫荷載與變形關(guān)系,斜焊縫的受力性能和強(qiáng)度介于正面角焊縫和側(cè)面角焊縫之間。,q為試驗(yàn)焊縫與試件水平方向的夾角。,正面角焊縫的破壞強(qiáng)度比側(cè)

18、面角焊縫高。,3.3 角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,2.構(gòu)造要求,角焊縫的焊腳尺寸是指焊縫根腳至焊縫外邊的尺寸-hf,（1）焊腳尺寸,為了保證焊縫的最小承載能力以及防止焊縫由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開(kāi)裂。,a) 最小焊腳尺寸(hf,min),3.3 角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,手工焊角焊縫：,t較厚焊件的厚度。,自動(dòng)焊（溫度高而均勻）：,焊件厚度t4mm時(shí)：取hfmin= t,T形連接單面角焊縫（冷卻快）：,b) 最大焊腳尺寸(hfmax),對(duì)板件（厚度t ）邊緣的角焊縫（貼邊焊） 當(dāng)t6mm時(shí)，hfmaxt ； 當(dāng)t6mm時(shí)，hfmaxt - (12)mm 。,為了避免焊縫局部過(guò)熱，燒穿較薄的焊件，減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形。hf,max應(yīng)滿(mǎn)足以下要求:,直接焊接鋼管結(jié)構(gòu)的尺寸不宜大于支管壁厚的2倍。對(duì)于圓孔或槽孔內(nèi)的角焊縫尺寸不宜大于圓孔直徑或槽孔短徑的1/3。,3.3 角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算,（2）角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度,角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度（lw）取值lwminlw lwmax,焊腳尺寸的取值 hfmin hf hfmax,最小計(jì)算長(zhǎng)度（lwmin）,為了使焊縫能有一定的承載能力，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，側(cè)面角焊縫和正面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度均不得小于：lwmin8hf 和40mm,考慮到焊縫兩端的缺陷，其實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)較前述數(shù)值還要大2hf,lwmax60hf