钢结构的连接

第3章钢结构的连接焊接方法和焊接连接形式角焊缝的构造和计算对接焊接的构造和计算焊接残余应力和焊接残余变形螺栓连接的构造C级普通螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算主要内容：掌握焊接连接的特性和计算普通螺栓连接、高强度螺栓连接的性能和计算重点：基本构件通过连接制成整体结构。例如：屋架。在钢结构中，连接的设计、制作、安装占有很重要的地位，所以设计时，在选用合理的连接方式时，应考虑以下问题：1、连接设计与结构内力分析时的假定相一致；2、连接设计应选择最不利的荷载工况；3、传力直接、明确，避免应力集中；4、节点的变形协调；5、避免偏心的影响；6、连接的方式应避免在结构中产生过大的残余应力；7、利用厚钢板时，应避免层间撕裂；8、连接的构造简单，便于施工。钢结构的连接分类：冶金连接——焊接连接铆钉连接机械连接——普通螺栓螺栓连接高强度螺栓焊接连接20世纪20年代发展起来的，是现代钢结构最主要的连接方式。优点：构造简单，加工方便，节省钢材。而且能实现自动化操作，生产效率较高。缺点：焊缝质量易受材料操作的影响，因此对钢材材质要求较高（主要是含碳量），焊接时构件内有残余应力和残余变形，且宜产生裂缝，给疲劳破坏带来隐患。所以，对直接承受动力荷载的结构不宜采用。铆钉连接优点：传力可靠，连接的韧性和塑性较好，质量易于检查。缺点：用钢量大、施工较复杂。在土木工程中很少采用，主要用在飞机制造业。普通螺栓按性能等级分：3.6，4.6，4.8，5.6，5.8，6.8，8.8级。含义：以“4.6”为例：按制作精度分：A、B级和C级。1、A、B级——精制螺栓，栓杆由车床加工而成，表面光滑，尺寸准确，要求螺栓孔为I类孔，允许偏差为0.18～0.25mm。2、C级——粗制螺栓，要求螺栓孔为II类孔，允许偏差为1.5～2.0mm。高强度螺栓与普通螺栓的区别：材料强度高、施工时施加预拉力。按性能等级分：8.8级、10.9级、12.9级从外形上分：1、大六角头螺栓(见图1）：连接副：一个螺栓、一个螺母、二个垫圈。有8.8级、10.9级。2、扭剪型螺栓（见图2）：连接副：一个螺栓、一个螺母、一个垫圈。有8.8级、10.9级。按受力状况分：1、摩擦型连接：预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力，外力通过摩擦力来传递。板件之间不允许产生滑移。2、承压型连接：板件之间允许产生滑移。高强度螺栓连接和普通螺栓连接的区别：普通螺栓扭紧螺帽时螺栓产生的预拉力很小，由板面挤压力产生的摩擦力可以忽略不计。普通螺栓连接抗剪时是依靠孔壁承压和栓杆抗剪来传力。高强度螺栓除了其材料强度高之外，施工时还给螺栓杆施加很大的预拉力，使被连接构件的接触面之间产生挤压力，因此板面之间垂直于螺栓杆方向受剪时有很大的摩擦力。依靠接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移，以达到传递外力的目的，变形较小。高强度螺栓抗剪连接分为摩擦型连接和承压型连接，前者以滑移作为承载能力的极限状态。3.1焊接方法和焊接连接形式3.1.1焊接方法电弧焊电阻焊气体保护焊手工电弧焊：图3-2手工电弧焊1—电源；2—导线；3—夹具；4—焊条；5—电弧；6—焊件手工电弧焊：1、通电后在涂有焊药的焊条与焊件之间产生电弧，熔化焊条而形成焊缝。焊药则随焊条熔化而形成熔渣覆盖的焊缝上，同时产生一种气体，隔离空气与熔化的液体金属，使它不与外界空气接触，保护焊缝不受空气有害气体影响。2、焊条应与焊件的金属强度相适应。Q235钢焊件——E43型系列焊条Q345钢焊件——E50型系列焊条Q390钢焊件——E55型系列焊条当不同钢种的钢材连接时，宜用与低强度钢材相适应的焊条。手工电弧焊的优缺点：优点：操作简单，不受地方、场所、焊件尺寸、形状的限制。缺点：由于是手工操作，受到焊工的技术水平的影响（焊工要分等级），所以焊缝要进行质量检查。（焊缝的外观和内部探伤）自动或半自动埋弧焊：1—转盘；2—电动机；3—漏斗夹具；4—电源焊丝；5—熔化的焊剂电弧；6—焊缝金属；7—焊件；8—焊剂；9—移动方向Q235的焊件——H08、H08A焊丝Q345的焊件——H08A、H08MnA、H10Mn2Q345的焊件——H08MnA、H10Mn2自动焊的焊缝质量均匀，塑性好，冲击韧性高，抗腐蚀性强。半自动焊除人工操作前进外，其余与自动焊相同。适用于焊接受力构件，如：焊接截面中腹板与翼缘的连接等。电阻焊利用电流通过焊件接触点表面产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢（厚度低于3.5mm）的焊接；板叠厚度不超过12mm的焊接。气体保护焊：是利用惰性气体或CO2气体作为保护介质，在电弧周围形成保护层，使被融化的金属不与空气接触，而形成的火焰来熔化焊条，形成焊缝。电弧加热集中，熔化深度大，焊接速度快，焊缝强度高，塑性好，其效率是手工电弧焊的3~4倍。可以手工操作或自动操作。3.1.2焊缝连接型式按被连接构件的相对位置分：平接；T形连接；搭接；角接；3.1.2焊缝连接型式按焊缝本身构造分：对接焊缝；角焊缝；3.1.2焊缝连接型式连续角焊缝受力情况较好，断续角焊缝容易引起应力集中现象，重要结构应避免采用，但可用于一些次要的构件或次要的焊接连接中。断续角焊缝焊段长度不得小于10hf或50mm，且其间断距离L不宜太长，一般在受压构件中不应大于15t，在受拉构件中不应大于30t，t为较薄焊件的厚度。3.1.2焊缝连接型式按施焊位置分：俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊。对接焊缝角焊缝3.1.3焊缝连接的优缺点：优点：（1）不需要在钢材上打孔钻眼，既省工省时，又不使材料的截面积受到减弱（2）任何形状的构件都可直接连接，一般不需要辅助零件，使连接构造简单，传力路线短，适应面广；（3）焊接连接的气密性和水密性都较好，结构刚性也较大，结构的整体性较好。缺点：（1）由于高温作用在焊缝附近形成热影响区，钢材的金相组织和机械性能发生变化，材质变脆；（2）焊接的残余应力会使结构发生脆性破坏和降低压杆稳定的临界荷载，同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化；（3）焊接结构具有连续性，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。3.1.4焊缝的缺陷及焊缝质量检验焊缝在焊接过程中会在焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部产生缺陷，常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；外观检查：直尺、放大镜、磁粉等内部探伤：超声波或射线《钢结构工程施工质量验收规范》GB50202-2001规定，焊缝质量检查标准分为三级，三级只要求焊缝通过外观检查；二级质量检验，即在外观检验的基础上要求超声波检验每条焊缝20%的长度，一级要求用超声波检验每条焊缝的全部长度。注：一、二级焊缝用于等强连接，其焊缝的拉、压、弯时与母材相等，不必计算焊缝的强度。三级焊缝一般只能达到母材强度的85%，应进行验算。若为高空施焊，焊缝强度设计值应乘折减系数0.9。3.1.5焊缝代号焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头的斜线组成。3.2角焊缝的构造和计算3.2.1角焊缝的形式和构造角焊缝按焊缝焊脚边之间的夹角α不同可分:直角角焊缝和斜角角焊缝。在钢结构中，最常用的是直角角焊缝，斜角角焊缝主要用于钢管结构或杆件倾斜相交，其间不用节点板而直接焊接时。直角角焊缝的截面形式:普通焊缝、等边凹型、直线型等几种。一般情况下采用普通焊缝，由于这种焊缝传力线曲折，有一定的应力集中现象。因此在直接承受动力荷载的连接中，为改善受力性能，可采用直线型或凹型焊缝。角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根角至焊缝外边的尺寸。普通焊缝最小截面在45°方向，不计凸出部分的余高称为焊缝截面的有效厚度；对于平坡凸型或直线型焊缝，其焊脚尺寸和有效厚度按图采用。fhfehh7.0fhehwlfh角焊缝的主要尺寸：焊脚尺寸和焊缝计算长度。计算长度取其实际长度减去。fh2hf应与焊件的厚度相适应规范规定：hf应不小于，t为较厚焊件的厚度（），对自动焊，可减小1mm，对T形连接的单面角焊缝应增加1mm；hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。t5.1焊脚尺寸限制（hf和lw）对于板件边缘的焊缝，当t≤6mm时，hf≤t；当t6mm时，hf＝t－(1~2)mm。mmt4焊缝长度不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm，且不宜大于60hf。但如梁及柱的翼缘与腹板的连接焊缝，屋架中弦杆与节点板的连接焊缝，梁的支承加劲肋与腹板的连接焊缝等可不受长度限制，通常为满焊。受动力荷载的侧缝长度比受静力荷载的侧缝长度限制严格。角焊缝的其他构造要求杆件与节点板的连接焊缝每条侧缝长度不宜小于两侧缝之间的距离，同时两侧缝之间的距离不宜大于16t（当t12mm）或190mm（当t≤12mm），t为较薄焊件的厚度。图8.2.11杆件与节点板的焊缝连接a-两面侧焊；b-三面围焊；c-L形围焊a）b）c）杆件与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊（图a），也可用三面围焊（图b），角钢焊件也可用L形围焊（图c），所有围焊的转角必须连续施焊。当角焊缝的端部在构件的转角处时，为避免起落弧缺陷发生在应力集中较大的转角处，宜连续绕转角加焊一段长度，此长度为。fh2直接承受动力荷载的结构，角焊缝表面应为直线型或凹形。焊脚尺寸比例：对正面角焊缝宜为1:1.5（长边顺内力方向），侧面角焊缝可为1:1。搭接连接要求3.2.2角焊缝的工作性能及强度1、角焊缝的强度侧面角焊缝的应力分布（剪应力）侧面角焊缝截面只有剪应力，应力分布沿焊缝长度不均匀，两端大而中间小，焊缝长度越长，越不均匀。破坏起点常在焊缝两端，破坏截面以45°截面居多。正面角焊缝的应力分布（正应力、剪应力）正面角焊缝在外力作用下的应力状态比侧面角焊缝复杂，各个方向均存在拉应力、压应力和剪应力作用，焊缝的根部产生应力集中，通常总是在根脚处首先出现裂缝，然后扩及整个焊缝截面以致断裂。角焊缝的应力—位移曲线正面角焊缝的破坏强度比侧面角焊缝的破坏强度要高一些，二者之比约为1.35～1.55。wff3)(32//22可得角焊缝计算的基本公式为222wfxfyfxfyfzf2()3f2、角焊缝有效截面上的应力及计算公式仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时wfewff/()Nhlf22wffff/fwfewf/()Nhlf式中：—正面角焊缝的强度设计值增大系数。对承受静力荷载和间接承受动力荷载的直角角焊缝取；对直接承受动力荷载的直角角焊缝和斜角角焊缝取。—角焊缝的有效厚度，对于直角角焊缝：；对于斜角角焊缝：—两焊件间角焊缝计算长度总和。每条焊缝取实际长度减去。—角焊缝的强度设计值，参见附表1-2。fehwl22.1f0.1ffehh7.02cosfehhfh2wff圆钢与平板、圆钢与圆钢之间的焊缝的有效厚度：圆钢与平板：圆钢与圆钢：fehh7.0addhe2121.0式中：—大、小圆钢直径。—焊缝表面至两个圆钢公切线距离。21dd、a3.2.3角焊缝的计算1、轴心力作用下角焊缝的计算仅侧面角焊缝wffewNfhl仅正面角焊缝wfffewNfhl通过焊缝重心作用一轴向力N，焊缝的应力可认为是均匀分布的。三面围焊先计算计算正面角焊缝受力N1，剩余的N－N1由侧面角焊缝承担。菱形拼接板式中：—连接一侧所有焊缝的计算长度。减小转角处的应力集中，正面角焊缝长度较小，可简化计算：wfewNfhlwl2.轴心力作用下，角钢与节点板连接的角焊缝计算用侧面角焊缝连接解得：肢背肢尖—角钢角焊缝的内力分配系数NKNeeeN12121NKNeeeN2211221KK、由平衡条件可知：N1+N2=NN1e1=N2e2角钢类型连接形式内力分配系数肢背k1肢尖k2等肢角钢0.700.30不等肢角钢短肢连接0.750.25不等肢