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第八章钢结构的连接主要内容•连接方式和特点•对接焊缝的构造和计算•角焊缝的构造和计算•普通螺栓的构造和计算•高强度螺栓的构造和计算第一节钢结构的连接方式铆钉连接螺栓连接焊缝连接焊接连接的特点•材质易变脆•产生残余应力、残余变形、焊接缺陷•对钢结构疲劳、稳定有不利影响•较多地依赖焊工的技能水平缺点现代钢结构昀基本的连接方式，应用昀广泛优点•构造简单—任何形状的构件可直接连接，无需辅助零配件•省工省料—加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面•施工快速—可自动化操作•连接的密闭性好，刚度大，整体性好螺栓连接的特点工厂构件焊接、工地节点螺栓连接钢结构发展方向优点•施工简单，装拆方便，对安装工的要求高•高强度螺栓摩擦型连接动力性能好•耐疲劳，易阻止裂纹扩展缺点•费料、开孔截面削弱•螺栓孔加工精度要求高传统铆钉的连接特点优点塑性、韧性好，动力性能好缺点费料、加热铆合过程极其费工目前承重钢结构连接中已很少应用栓（焊）钉连接的特点•栓钉将钢板与混凝土板连接起来•栓钉承受剪力射钉、自攻螺钉、新型铆钉射钉枪•用于薄壁构件（压型钢板屋面板、墙板与梁、柱）的连接•可采用射枪、铆枪等专用工具安装第二节焊接连接的特性1.电弧焊2.气体保护焊3.电渣焊4.气焊5.电阻焊（1）手工电弧焊（2）自动埋弧焊（3）半自动埋弧焊一.焊接方法手工电弧焊•采用涂有焊药的焊条•通电后，焊条与焊件之间产生电弧•高热量使焊条熔化而形成焊缝设备简单，适应性强，应用昀广泛质量波动大，生产率低，劳动强度大导线自动、半自动埋弧焊•采用无涂层焊药的焊丝，埋在焊剂下•通电后电弧使焊丝、焊剂熔化形成焊缝•熔化后的焊剂成为焊渣，浮在金属面上半自动埋弧焊焊缝质量好，生产效率高需专用焊接设备，成本高全自动埋弧焊气体保护焊焊接速度快，熔化深度大可手工焊，也可自动化操作目前工厂很常用的焊接方法室外施焊要有避风措施，防止气孔、焊坑缺陷•采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝•电弧使焊丝熔化形成焊缝•CO2气体保护被焊金属与空气接触焊丝电渣焊非消耗熔嘴式•采用管状焊条(熔嘴),焊丝从管内进入•电流通过熔渣产生的电阻热，熔化焊件和焊丝，形成焊缝•有消耗和非消耗熔嘴式电渣焊之分消耗熔嘴式电渣焊（续）电渣焊常用于高层建筑等箱形柱内部的横隔板焊接气焊•采用乙炔在氧气中燃烧的火焰来熔化焊条•适用于钢板厚度薄的连接，一般小厂家备用此焊接设备电阻焊•不采用焊接材料•电流通过焊件表面的电阻，产生热量•熔化金属，再加压力而焊合•适宜板厚不大于12mm的焊接•冷弯薄壁型钢连接常采用此焊接方法二、焊缝连接形式平接（对接焊缝）搭接（角焊缝）顶接（T型连接）对接焊缝角焊缝角接对接焊缝角焊缝焊缝形式及其特点对接焊缝直焊缝斜焊缝•用料经济，传力平稳，动力性能好•较厚的板需开剖口，费工•施工简便•传力不均，应力集中严重，搭接时费料角焊缝侧焊缝（与力平行）端焊缝（与力垂直）角焊缝施焊方式间断焊缝连续焊缝不重要或受力小的构件，可采用间断焊缝连接施焊姿势俯焊横焊立焊仰焊质量好质量一般质量差三、焊接缺陷热裂纹冷裂纹气孔烧穿夹渣根部未焊透边缘未熔合焊缝层间未熔合咬边焊瘤四、焊缝质量检验检验标准三级肉眼外观检查二级肉眼外观检查＋超声波一级肉眼外观检查＋超声波＋X射线用于一般连接用于有较大拉应力的较重要连接用于抗动力、疲劳荷载的重要连接超声波检测设备焊缝周围温度场五、焊接应力和变形产生原因焊接残余变形—由焊缝及其周围不均匀热胀冷缩引起焊接残余应力—由焊缝冷却收缩受到阻止引起压住内应力焊缝θ变形焊接残余应力分类X(横向焊接应力)Y(纵向焊接应力)Z(厚度方向焊接应力)焊缝纵向焊接应力平板工字形截面焊接残余应力分类（续）第一部分施焊方向收缩横向焊接应力应力分布第二部分厚度方向焊接应力＋=合成应力焊接残余应力特点•板内焊接残余应力自身平衡•焊接残余应力常形成三向拉应力，且达到fy数值•焊接残余应力的影响9对疲劳、刚度、压杆稳定产生不利作用9对塑性变形能力好的钢材强度没有大的影响焊接残余变形波浪变形残余变形的不利影响•构件装配困难•构件受力状况恶化减小焊接残余变形措施设计措施合理安排焊缝位置焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错差好差好差好劲板开孔，让主要焊缝通过，次要焊缝中断减小焊接残余变形措施（续）加工措施合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。施焊前，预加反向变形。焊接次序交替进行分多道焊缝预加反变形直边缝单边V形缝双边V形缝板厚t10mm板厚t=10~20mmU形缝K形缝X形缝板厚t20mm第三节对接焊缝的构造和计算对接焊缝构造处理－剖口型式对接焊缝构造处理－平缓过渡不同宽度不同厚度可不设斜坡引弧板对接焊缝构造和计算要点•与构件母材强度计算方法相同•采用一般的材料力学、弹性力学计算公式•一级、二级检验的对接焊缝强度可与母材等强，可不验算对接焊缝的计算（一）轴心受力N直焊缝引弧板wcwtwwfftlN或≤=σN—轴心拉力或压力tw—焊缝厚度（不同板连接时为较小板厚）lw—焊缝计算长度，有引弧板lw＝L，无引弧板lw＝L－2t（较小板厚）—对接焊缝抗拉或抗压设计强度wcwtff或焊缝应力验算式中：对接焊缝的计算（二）轴心受力N斜焊缝焊缝应力简化验算wcwtwwfftlNsin或≤=θσcoswvwwftlN≤=θτlw—斜焊缝计算长度，—对接焊缝抗拉（压）设计强度wcwtff或规范规定当，可不验算。5.1≤θtgwvf—对接焊缝抗剪设计强度对接焊缝的计算（三）弯矩M剪力V平板梁工字形梁应力分布应力分布弯矩M剪力V轴力N应力分布对接焊缝的计算（四）弯矩M剪力V梁柱连接处、柱牛腿处atw焊缝截面应力分布与一般梁中连接计算不同：剪力仅由梁或牛腿腹板承受第四节角焊缝的构造和计算直角焊缝斜角焊缝普通型深熔型平坡型直角焊缝截面形式适宜动力荷载，但施焊不便施焊方便，昀常用角焊缝尺寸限制要求角焊缝高度hf不应太小——不能焊透，实际承载力不足焊缝冷却太快容易开裂不应太大——焊缝冷却后产生较大变形较薄焊件容易烧穿角焊缝长度lw不应太短——焊缝起、落弧坑太近，焊缝不可靠规范：lw≥8hf和40mm不应太长——焊缝应力分布更加不均匀规范：lw≤60hf具体要求详见教材角焊缝受力特性－侧焊缝侧焊缝应力分布•主要受剪应力，分布不均，两头大中间小•剪断面常发生在45°斜平面上•强度较低，塑性较好角焊缝受力特性－端焊缝•端焊缝应力状态远比侧焊缝复杂•正、剪应力都有，且分布很不均匀•根部应力集中昀厉害，常常是开裂的起源点•焊缝破坏强度高，但塑性差端焊缝应力分布ABCD角焊缝受力特性－侧焊缝V与端焊缝比较θ＝90°侧焊缝θ＝0°端焊缝荷载－变形曲线端焊缝侧焊缝角焊缝强度验算方法计算截面均取焊缝45°处有效截面（假定破坏截面）有效焊缝高度he＝0.7hf(焊缝高度)hfhfhe有效截面计算焊缝长度lw＝每条连续焊缝的长度－2hf（每端扣hf）角焊缝强度验算方法(续)计算公式wf2f2f)(f≤+τβσf—端焊缝强度增大系数fβ直角焊缝斜角焊缝＝1.0＝1.22静载、间接动载＝1.0直接动载fσ≤wfffβfτ当＝0时fσ≤wfffτ＝0时式中：fτ—平行焊缝长度方向的应力fσ—垂直焊缝长度方向的应力wff—角焊缝强度设计值NV角焊缝fσfτ端焊缝侧焊缝危险点角焊缝强度验算示例（一）拼接板连接－受轴力N，通过连接焊缝群形心两边侧焊两边端焊验算－端焊缝强度提高系数验算认为焊缝有效截面上应力均匀分布一条单独的焊缝，每端扣除hf角焊缝强度验算示例（一）验算拼接板连接－受轴力N，通过连接焊缝群形心四周围焊当焊缝受直接动力荷载时：由端焊缝1N1122再验算侧焊缝N1lw1N2，lw2减小拼接板角部应力集中四周菱形围焊简化验算－无论静载、动载12NNN−=角焊缝强度验算示例（二）角钢连接－受轴力N肢背焊缝肢尖焊缝blw2lw1两边侧焊由平衡条件N1、N2不均匀分配角钢连接焊缝内力分配0.350.65不等肢角钢长肢连接0.250.75不等肢角钢短肢连接0.300.70等肢角钢肢尖K2肢背K1内力分配系数连接形式角钢类型角焊缝强度验算示例（二）角钢连接－受轴力Nblw2lw1三面围焊由端焊缝强度验算确定由平衡角焊缝强度验算示例（三）梁柱连接－受弯矩M、剪力V、轴力N作用wffwawMaNfafIMyANβσσσ≤+=+=危险点a：验算wffbffbf≤⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛22τβσ＋',wvfbwbwMbNfbAVIMyAN==+=+=ττσσσ危险点b：仅腹板焊缝截面梁柱连接整个焊缝截面焊缝应力分布弯矩轴力剪力加劲肋整个截面Aw,Iw焊缝截面＝V(a+e)角焊缝强度验算示例（四）柱子牛腿连接－受扭矩T、剪力V、轴力N作用∑=weVfxlhNτ轴力N产生A点的应力∑=weVfylhVσ剪力V产生的A点应力VfyTfyfσσσ+=NfxTfxfτττ+=X方向合应力：Y方向合应力：wfffff≤⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛22τβσ＋验算：扭矩T产生的应力：焊缝为弹性体，板为刚性体，绕形心o旋转zwxTfyzwyTxfzwTITrITrITrf===τττ,A点：极惯性矩Izw=Ixw+Iyw第五节普通螺栓的构造和计算A级B级区别：仅尺寸不同，A级d≤24，L≤150mm；B级d＞24，L＞150mm精度要求高方便安装抗剪抗拉均好抗剪差抗拉好受力特点目前应用减少精度高尺寸准确成本高0.3~0.55.68.8优质碳素钢45号钢35号钢A级B级精制螺栓承拉应用多临时固定粗糙尺寸不准成本低1.0~1.54.64.8普通碳素钢Q235C级粗制螺栓应用加工孔径d0与栓径d之差(mm)强度等级钢材分类I类孔：孔壁粗糙度小，孔径偏差允许+0.25mm，对应A、B级螺栓II类孔：孔壁粗糙度大，孔径偏差允许+1mm，对应C级螺栓普通螺栓连接构造（续一）钢板上螺栓排列角钢上螺栓排列并列螺栓错列螺栓螺栓容许间距普通螺栓连接构造（续二）受力要求——螺距过小：钢板剪坏。螺距过大：受压时钢板张开。构造要求——螺距过大：连接不紧密，潮气侵入腐蚀。施工要求——螺距过小：施工时转动扳手困难。螺栓间距布置要求普通螺栓连接构造（续三）螺栓昀大和昀小容许间距普通螺栓的承载力剪力螺栓——受力垂直螺杆，承剪、承压。连接件有错动趋势拉力螺栓——受力平行螺杆，承拉。连接件有脱开趋势。依据受力方式剪力螺栓拉力螺栓剪力螺栓的5种破坏形式（1）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）（2）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）（3）钢板拉断（板开孔，截面削弱）（4）钢板剪坏（螺栓端距过小）（5）螺栓弯曲破坏（板过厚，螺栓细长）防止螺栓破坏措施(1)(2)(3)通过计算解决(4)(5)通过构造解决端距≥2d。螺杆长度≤5d剪力螺栓的承载力计算bv2vbv4fdnN⋅⋅⋅=π单剪面nv=1四剪面nv=4双剪面nv=2一个螺栓的抗剪承载力剪面数螺杆直径螺栓抗剪设计强度bcbc)(ftdN⋅⋅=∑一个螺栓的承压承载力同一受力方向的承压构件的较小总厚度螺栓承压设计强度一个剪力螺栓的设计承载力{}bcbvbmin,minNNN=一个螺栓所受剪力bminvNN≤验算NvNv公式条件：各剪面上剪力相同剪力螺栓群不均匀受力弹性阶段受力状态l1塑性阶段受力状态当l1≥15d。，采用承载力折减系数考虑螺栓群受力不均拉力螺栓撬力的概念产生撬力的原因——角钢抗弯刚度不足，水平肢有较大变形对螺栓受力影响——使螺栓拉力增大减小撬力的措施——增强角钢抗弯刚度，加大厚度或增设加劲肋螺栓拉力：Pf=N/2+V刚度越小，V越大NN撬力加劲肋拉力螺栓的承载力计算一个螺栓的抗拉承载力抗拉验算bttNN≤一个螺栓所受的拉力bt2ebt4fdN⋅⋅=πff0.8bt=螺栓有效直径螺栓抗拉设计强度考虑撬力的影响同时剪、拉的螺栓承载力计算一个螺栓受的剪力一个螺栓受的拉力承拉设计强度承剪设计强度承压设计强度1)()(2btt2bvv≤+NNNNbcvNN≤同时满足普通螺栓群连接强度计算螺栓群受轴力N螺栓总数n（1）螺栓抗剪计算{}bcbv,minNN=bminvnNNN≤=求n时，取整数（2）钢板强度计算fANn≤=σ钢材抗拉