4焊缝连接钢结构.

钢结构——原理与设计第4章钢结构的焊缝连接第4章钢结构的焊缝连接主要内容：钢结构的连接方法焊接结构的特性和焊缝类别对接焊缝的计算和构造直角角焊缝的受力性能和强度计算直角角焊缝连接的计算和构造要求焊缝的质量等级重点：直角角焊缝的受力性能和强度计算直角角焊缝连接的计算和构造要求钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接（connections）构成的，各构件再通过安装连接架构成整个结构。因此，连接在钢结构中处于重要的枢纽地位。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。钢结构的连接方法可分为销钉、铆钉连接、螺栓连接、焊缝连接、射钉等。4.1钢结构的连接方法4.1钢结构的连接方法连接方法优点缺点焊接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力一、手工电弧焊4.2钢结构中所使用的焊接方法简介是最常用的一种焊接方法。通电后产生电弧使焊条中的焊丝熔化，滴落在焊件上被电弧所吹成的小凹槽熔池中。由焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖着熔池，防止空气与熔化的液体金属接触，避免形成脆性易裂的化合物。焊缝金属冷却后把被连接件连成一体。将正极接于焊件，负极接于焊条时，称为正接，反之为反接。正极的热量略高于负极，焊件厚度较大时，宜用正接。焊条选用用于焊接Q235钢的焊条型号为E43××；焊接Q345钢的焊条型号为E50××；焊接Q390钢和Q420钢的焊条型号为E55××；两不同强度的钢材相焊接时，可采用与较低强度钢材相适应的焊接材料。手工电弧焊设备简单，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，焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系。焊条型号中字母E表示焊条（electrode)，前两位数字(单位kgf/mm2)为焊条钢丝的最小抗拉强度，后两位数字表示适用连接位置、电流及药皮类型等。二、自动（或半自动）埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。焊丝不涂药皮，但施焊端靠由焊剂漏头自动流下的颗粒状焊剂所覆盖，电弧完全被埋在焊剂之内，电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接，具有很高的生产率。由于采用了自动或半自动化操作，焊接时的工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，故焊成的焊缝的质量好，焊件变形小。埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属的力学性能相适应，并应符合现行国家标准的规定。1、焊丝转盘；2、送丝电机；3、焊剂漏斗；4、电源；5、融化的焊剂；6、焊缝金属；7、焊件；8、焊剂；9、移动方向三、气体保护焊气体保护焊是利用保护气（二氧化碳气体或其他惰性气体）代替焊剂作为保护介质的一种电弧熔焊方法。它直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层，以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程的稳定性。气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清楚地看到焊缝成型的过程；由于保护气体是喷射的，有助于熔滴的过渡；又由于热量集中，焊接速度快，焊件熔深大，故所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。但不适用于在风较大的地方施焊。4.3焊接结构的特性和焊缝类别4.3.1.焊接结构的特性焊接连接(weldedconnection)是现代钢结构最主要的连接方法。1.焊接与铆钉、螺栓连接比较，有以下优点：不需钻孔，省工省时；任何形状的构件可直接连接，连接构造方便；气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性较好。2.缺点：焊接附近有热影响区，材质变脆，塑性和韧性降低；焊缝易产生各种缺陷；焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状、尺寸发生变化。常见的焊接缺陷（P46-47）：冷裂纹焊缝热裂纹冷裂纹热裂纹焊缝边缘未熔合根部未焊透咬肉焊瘤夹渣气孔图4.6焊接中的缺陷裂纹、边缘未熔合、根部未焊透、咬肉、焊瘤、夹渣、气孔。焊接残余应力——焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形，在钢材冷却后这些部位残存的应力。它是构件未受荷载时的应力，是自相平衡的内应力体系。焊接残余变形——在焊接和冷却过程中焊件产生的变形。焊接结构的钢材必须具有良好的可焊性（P48）1）在一定的焊接工艺条件下施焊，焊缝及其附近的主体金属不会因焊接而产生裂纹；焊接后，结构的力学性能不低于原来主体金属。2）为了保证钢材具有良好的可焊性，碳素结构钢中碳的含量应是C≤0.20％，3）要正确设计焊接节点，注意尽量减少应力集中和焊接残余应力、残余变形的产生。二、焊接接头的形式和焊缝的类别1.焊缝接头形式：对接、搭接、T形连接、角接、十字连接。对接焊缝角焊缝(a)(b)(c)对接焊缝角焊缝焊缝接头形式（a）对接连接；（b）搭接连接；（c）T形连接；（d）角形连接；（e）十字形连接(d)(e)对接焊缝角焊缝对接与角接组合焊缝角焊缝2.焊缝的类型：（1）对接焊缝（坡口焊缝）：当用于对接和T形接头时，对接焊缝传力最为直接，焊缝受力明确，且基本不产生应力集中，构造也最简单。图4.9对接焊缝的坡口形式（a）Ⅰ形焊缝；（b）单边V形焊缝；（c）V形焊缝；（d）U形焊缝；（e）X形焊缝；（f）双边U形焊缝；（g）K形焊缝焊缝t≤10t≤20t20t20t≤20t20t20ttttttt(a)(b)(d)(f)(g)(e)(c)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，焊件长度要精确。2.焊缝的类型：（2）角焊缝（用于搭接和T型接头）侧面角焊缝（侧缝）：焊缝轴线与板件受力方向一致；其特点为应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。侧缝强度低，但塑性较好。正面角焊缝（端缝）：焊缝轴线与板件受力方向相垂直；其特点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。端缝破坏强度要高一些，但塑性差。侧面角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝NNNN图4.11搭接连接中的角焊缝直角角焊缝：两焊脚间的夹角为直角（P50）；斜角角焊缝：两焊脚间的夹角不是直角(主要用于钢管连接中)。角焊缝除用于搭接接头外，还可用于T形接头、角形接头和十字形接头。余高hehehe焊脚hfhf1.5hfhfhfhfhf（K）（K）K（a）等焊脚直角角焊缝；（b）不等焊脚直角角焊缝；（c）凹面直角角焊缝(a)图4.12直角角焊缝的截面形状(b)(c)N钢板钝角角焊缝钢板锐角角焊缝he:有效厚度（3）其它类型焊缝塞焊缝（a）槽焊缝（b）点焊缝（c）(c)塞焊缝角钢角焊缝钢板角焊缝槽焊缝(b)角焊缝点焊缝(a)(c)图4.14塞焊缝、槽焊缝和点焊缝三、焊接位置（P51）——施焊时焊条运行与焊缝的相对位置(a)(b)(c)(d)图4.15焊接位置（a）平焊（俯焊）；（b）横焊（水平焊）；（c）立焊（竖焊）；（d）仰焊尽量避免仰焊4.4焊缝符号—依据是国家标准《焊缝符号表示法》GB324焊缝符号基准线箭头线箭头线基准线焊缝符号(c)(b)(a)图4.17指引线的画法（a）焊件上的V形对接焊缝；（b）指引线及焊缝的基本符号，虚线在实线下侧；（c）同（b），但箭头线弯折一次，实线画在虚线下侧焊缝符号由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成，必要时还可加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。常用焊缝基本符号摘录名称封底焊缝对接焊缝角焊缝塞焊缝与槽焊缝点焊缝Ⅰ形焊缝Ⅴ型焊缝单边Ⅴ形焊缝带钝边的Ⅴ形焊缝带钝边的U形焊缝符号注：1.符号的线条宜粗于指引线。2.单边V形焊缝与角焊缝符号的竖向边永远画在符号的左边。常用焊缝基本符号摘录基本符合与基准线的相对位置（P52）1)如果焊缝在接头的箭头侧，基本符号应标在基准线的实线侧；当不用虚线基准线时，应标在实线上方。2)如果焊缝在接头的非箭头侧，基本符号应标在基准线的虚线侧；当不用虚线基准线时，应标在实线下方。3)标双面对称焊缝时，基准线可只画实线一条。4）当为单面的对接焊缝如V型、U型焊缝，箭头应指向有坡口一侧（P52、53图4.17表4.2）非箭头侧箭头侧标法为或或非箭头侧箭头侧标法为或或标法为(a)(b)(c)(d)图4.18焊缝基本符号与基准线的相对位置（a）焊缝在箭头侧；（b）焊缝在非箭头侧；（c）双面对称布置的角焊缝；（d）双面对称U形对接焊缝焊缝标注举例焊缝符号中的辅助符号与补充符号焊缝符号中的辅助符号与补充符号注：1.工地现场焊符号的旗尖指向基准线的尾部。2.尾部符号用以标注需说明的焊接工艺方法和相同焊缝数量符号。焊件1焊件2焊件3hf＝8mm88图4.19三个焊件两两相连时的焊缝标注方法4.5对接焊缝的计算（P55）4.5.1对接焊缝的计算1.对接焊缝的有效截面引弧焊缝长度规定：对埋弧焊应大于50mm，对手工电弧焊和气体保护焊应大于20mm。焊接完毕，用气割切除引弧板，并修磨平整，严禁用锤击落。当无引弧板和引出板时，有效长度lw取b-2t。当有引弧板和引出板时，有效长度lw取焊件的宽度b。《钢结构工程施工质量验收规范》规定（P55）一级焊缝要求作外观缺陷检查，对每条焊缝长度100%进行超声波探伤。二级焊缝要求作外观缺陷检查，对每条焊缝长度20%且不小于200mm进行超声波探伤。三级焊缝要求仅作外观检查，不进行超声波检查。2.对接焊缝的强度设计值（P523表1.2）抗压强度设计值fcw、抗剪强度设计值fvw和焊缝质量为一、二级时的抗拉和抗弯强度设计值ftw均取与焊件钢材相同的相应强度设计值f、fv；焊缝质量为三级的抗拉和抗弯强度设计值则取相应焊件钢材强度设计值的0.85倍，即ftw=0.85f，并取以5N/mm2为倍数的整数。抗压fcw抗剪fvw焊缝质量为下列等级时，抗拉ftw一级、二级三级ffvf0.85f对接焊缝的强度设计值3.对接焊缝连接的计算（P56）计算原则：一、二级焊缝质量且有引弧板时不进行焊缝强度计算（一二级焊缝强度设计值与母材相等），仅计算三级焊缝或一、二级焊缝无引弧板时。轴心受力的对接焊缝wwtcwwvwsincosNffltNflt轴心力作用下对接焊缝连接说明当tanθ≤1.5时，焊缝强度能够保证，可不必验算。[例题]试验算图示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm，t=22mm，轴心力的设计值为N=2400kN。钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。解：查表P523，附表1.2得直缝连接其计算长度lw=a=540mm，焊接正应力为32224001054022202/175/wtNatNmmfNmm23222sin240010sin6754022171.2/175/wtNatNmmfNmm322sincos240010sin67cos6772.7/120/54022wvNNmmfNmmat改用斜对接焊缝，取斜焊缝与作用力间的夹角θ=67°焊缝中的正应力、减应力和折算应力分别为（不可）说明当θ67°时，焊缝强度能够保证，可不必验算。（可）（可）w2w2tv175/,120/fNmmfNmm受弯的对接焊缝（纯弯或弯矩最大处剪力为0时）：wmaxwtMWf22wmax1t1131.1xxxwfVSIt受弯、剪的工形截面对接焊缝受弯受剪的对接焊缝wmaxwtwmaxmaxxxvxwMWfVSfIt对接焊缝的强度条件式（P56）4.5.2对接焊缝的构造要求（P57）对接焊缝都要求焊透，起落弧处易有焊接缺陷，用引弧板。但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用。变宽度板或变厚度（相差4mm以上）板对接，在