钢结构讲义3

第三章钢结构的连接23456鸟巢节点7§3.1连接的种类和特点钢结构中连接占用重要地位，因为：①构件、结构通过连接来实现；②连接方式影响结构的构造、工艺、造价；③连接质量影响结构的安全、使用寿命。焊接连接螺栓连接铆钉连接对接连接搭接连接垂直连接一焊接连接焊接连接是钢结构最主要的连接方法连接型式连接方法8①不削弱截面、经济；②构件间可直接焊接、构造简单、制造省工；③连接的密封性好、刚度大。①焊缝热影响区材料变脆；②产生焊接残余应力和焊接残余变形；③对裂缝敏感，局部裂纹发生易扩展到整体。1.钢结构常用的焊接方法①手工电弧焊采用焊条，操作灵活方便，特别适于短焊缝。Q235→E43Q345→E50Q390、Q420→E55不同钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案，即宜采用与低强度钢材相适应的焊条。优点缺点焊条型号应与主体金属的强度相适应9焊条型号E××××前两位数字表示熔敷金属的抗拉强度；kgf/mm2第三位数字表示适用的施焊方位0、1全方位施焊；2平焊；4立焊。第四位数字表示药皮种类和电流，药皮的作用：在焊接过程中产生气体，保护电弧和熔化金属，并形成熔渣覆盖着焊缝，防止空气中的氧气、氮气与熔化金属接触形成易脆的化合物。②埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法，电弧完全被埋在焊剂之内。自动埋弧电弧焊半自动埋弧电弧焊分为10自动埋弧电弧焊：焊丝送进和电弧移动由专门机构控制。半自动埋弧电弧焊：焊丝送进由专门机构控制，而电弧的移动由人工操作。焊接时，要采用与被焊钢材强度相应的焊丝、焊剂。③气体保护焊气体保护焊是利用二氧化碳或其它惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。气体代替焊剂，是由焊枪中喷出的，在电弧周围形成局部的保护层，防止有害气体的侵入。电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，结果是焊缝强度高，塑性好。气体保护焊既可手工操作，也可进行自动焊接。适用全方位施焊，施焊时应采取避风措施。112.焊缝形式和焊接连接的型式①焊缝的形式对接焊缝角焊缝②焊接连接的型式对接连接：传力平顺、厚板时开坡口、费工。搭接连接：省工、费料、力线弯折、应力集中较严重。省工、省料、截面有突变、应力集中较严重，用在不承受动力荷载结构中。开K形坡口，减小应力集中，可承受动载。称为：对接与角接组合焊缝。板厚时开坡口垂直连接：12③焊缝的施焊方位根据所持焊条与焊件间的相互位置，施焊方位分为平焊(俯焊)、立焊、横焊、仰焊四种，按照文字所述顺序操作渐难，质量保证渐难。3.焊缝的缺陷①裂纹：最危险缺陷，出现在焊缝内部或热影响区内，导致裂纹尖端应力集中现象严重，易脆断。13钢材化学成分不当，含C量过高；焊接工艺不合适，电流、速度等；所用焊条不符合要求及施焊次序不恰当。②气孔：气体在焊缝金属冷却前没有逸出而形成。降低塑性、密实性。③夹渣：是在焊缝金属内部或与母材熔合处形成的非金属夹杂物。危害同气孔。焊接工艺不当；焊接材料不符合要求。④未熔合：指母材与熔化金属之间局部未熔合的现象。削弱连接强度，产生应力集中，易脆断。产生原因产生原因14⑤咬肉：是在焊缝一侧或两侧与母材交界处形成的凹坑。减少母材有效面积，造成应力集中。⑥未焊透削弱连接强度，产生应力集中4.焊缝质量检验焊缝质量检验分为三级：三级：只要求做外观检查，即检查焊缝尺寸、有无裂纹、咬肉等现象。通过此检查的焊缝称三级质量焊缝。二级：三级基础上+超声波检查，通过此检查的焊缝称二级质量焊缝。一级：二级基础上+X射线检查，通过此检查的焊缝称一级质量焊缝。155.焊缝的表示方法二螺栓连接粗制螺栓连接精制螺栓连接高强螺栓摩擦型连接高强螺栓承压型连接hfhfhf［hfhfpha单面角焊缝双面角焊缝三面围焊缝围焊缝现场安装焊缝对接焊缝普通螺栓连接高强螺栓连接螺栓连接（坡口角度）（对接间隔）（P：钝边高度）16由未经加工的圆钢压制而成，螺栓粗糙，螺杆直径比螺孔小3～1.5mm，要求Ⅱ类孔，栓孔间隙大，受剪时易产生滑移，导致螺栓群中各个螺栓受力不均，故宜用于受拉，不宜用于受剪。采用冲孔或不用钻模钻成的孔。采用钻模钻孔或冲孔后扩孔，孔壁平滑，质量高。切削加工而成，孔径等于杆径，Ⅰ类孔，抗剪性能好，但成本高，现较少采用。高强螺栓安装时使用特别的扳手，以较大的扭矩拧紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。预拉力把连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力。粗制普通螺栓：（C级螺栓）Ⅰ类孔：Ⅱ类孔：精制普通螺栓：（A、B级螺栓）17传力机理靠板件间的摩擦阻力传力，以摩擦阻力被克服为承载力的极限状态。孔径大于螺栓公称直径1.5～2.0mm，Ⅱ类孔，受力好，耐疲劳，用于受动力荷载结构。靠摩擦阻力和栓杆共同传力，以栓杆被剪断或板件被挤压破坏为承载力的极限状态。承载力较前者高。Ⅱ类孔，孔径大于螺栓公称直径1.0~1.5mm受剪变形大，只适用于承受静载。螺栓的性能统一用螺栓的性能等级表示，如4.6级、8.8级、10.9级。小数点前的数字表示螺栓材料的最低抗拉强度，小数点及后面的数字表示屈强比。承压型连接：摩擦型连接：184.6级、8.8级、10.9级螺栓最低抗拉强度分别属于400N/mm2、800N/mm2、1000N/mm2级。C级螺栓为4.6级或4.8级，由Q235钢制造。A、B级螺栓为5.6级或8.8级，采用低合金钢或再经热处理后制成。高强螺栓为8.8级或10.9级，材料为45号钢、40B钢、20MnTiB钢制成。螺栓表示方法：三铆钉连接铆钉通常采用BL2和BL3钢制成。铆钉孔的质量影响连接的质量和受力性能，重要结构采用I类孔。永久螺栓高强度螺栓安装螺栓19铆钉连接分为热铆和冷铆两种，热铆由烧红的钉坯插入构件的孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成，冷铆是在常温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板阻止，故钉杆中产生了收缩拉紧力，拉紧力使连接十分紧密，钢板接触面上产生了很大的摩擦力。当构件受剪力作用时，可大大提高连接性能。铆钉连接制造工艺复杂，费工费料，现已很少采用。§3.2角焊缝的构造、工作和计算一角焊缝的构造角焊缝分为直角角焊缝和斜角角焊缝。直角角焊缝：hf：焊脚尺寸he：有效厚度，he＝0.7hfhfhfhe20斜角角焊缝：主要用于钢管，非钢管中，α60°，α135°，不宜用于受力。直角角焊缝的截面型式：普通焊缝二角焊缝的焊脚尺寸与计算长度热量小，冷却快，焊缝易产生裂纹不易焊透ααhf1.5hfhfhf传力平顺，改善应力集中，可受动荷。平坡焊缝深熔焊缝hf小→→力线弯折，应力集中。21hfmin≥1.5≥4mmt：较厚焊件厚对埋弧自动焊，hfmin减小1mm，对T形连接的单面角焊缝，hfmin增加1mm。薄焊件易烧穿，冷却后，焊接变形大热影响区大，容易脆裂hfmax≤1.2tt：薄焊件厚贴边角焊缝还应满足：hfmax＝t(t≤6mm)hfmax＝t–(1~2)mm(t6mm)故：hfmin≤hf≤hfmax角焊缝的计算长度(并非几何长度)起落弧太近，影响焊缝的可靠性局部过热，材质变脆thf大→→过短→→h2wflllw40mmh8wminfl贴边22lw过长→应力分布不均→多余长度不计入lw，但焊接工字梁翼缘与腹板连接处的焊缝、加劲肋与腹板的焊缝，不受此限。故：搭接：t：薄焊件厚度目的：减小附加弯矩引起的应力要求：(减小力线弯折程度)b16t(t12mm)b≤190mm(t≤12mm)目的防止横向收缩、起拱。b且：h60wmaxfllllwmaxwwminbwllwNNVσ⊥Me≥5t≥25mm23转角处构件应力集中，如在此处起弧、落弧，可能出现弧坑和咬肉现象，加大应力集中程度，故采用绕角焊，减小应力集中程度。或围起来。（受压）t：薄件厚，但转角处不能断焊。三角焊缝连接的基本计算公式焊缝长度方向和受力方向平行的焊缝为侧面焊缝，焊缝长度方向和受力方向垂直的焊缝为正面焊缝，焊缝长度方向和受力方向既不平行又不垂直的焊缝为斜焊缝。2hf2hf间断角焊缝的间断距离绕角焊：15tl30tl（受拉）24试验表明：侧面焊缝的破坏截面多在45°截面；正面焊缝的破坏截面多不在45°截面；正面焊缝的破坏强度大，也认为在45°截面破坏。1.侧面焊缝的受力分析将N转化为剪力V和弯矩M＝Ne，M产生垂直于轴向方向的σ⊥，较小，忽略。V产生沿轴向的τ∥(τf)，τ∥沿轴向分布不均，«规范»规定在规定的计算长度范围内是均匀分布的。NNτ∥Nflffwwe)(NhτNNVσ⊥Me25式中：he＝0.7hfffw：角焊缝的设计强度（实际为抗剪设计强度）2.正面焊缝的受力分析将N转化为V和M＝Ne(小、忽略)V作用下，应力分布较复杂，计算时按均布。将应力σf分解为：NNNNeV=Nαflffw)h(Nσwe（*）)(Nsinαwehσl)(Ncosαwehτl2σf)(2Nwehl2σf)(2Nwehlσ⊥τ⊥NsinαNcosασfα263.一般情况N分解为Nx和Nz，Nz产生τf（τ∥），Nx产生σf，即σ⊥，τ⊥，焊缝计算截面上产生剪应力τf，正应力σ⊥，剪应力τ⊥，处于复杂应力状态。相当于角焊缝的抗拉强度设计值。采用上式，需求截面上的应力分量，繁琐。NzθxNheτ⊥σ⊥τf)(cosθNwehτlf2)(2Nsinθσhσwefl2)(2Nsinθσhτwefl)ττ3(σσ222eqfffw3折算应力NxNzσfσ⊥τ⊥τfffw327βf：正面焊缝强度设计值增大系数分析：①当θ＝0°，即侧面焊缝，此时βf＝1.0③当0°θ90°，即斜焊缝，得出：正面焊缝的强度设计值是侧面焊缝强度设计值的1.22倍，试验也注明了此点。)(Ncosθwehτlf)(2Nsinθwehσl)(2Nsinθwehτlflfffwβ)whe(Nn3θsin11β2f式中：flfffw)whe(Nτnflfff1.22)whe(Nσnw（**）代入上面折算应力公式，整理得：将②当θ＝90°，即正面焊缝，此时βf＝1.22flfffβ)whe(Nnw28考虑正面焊缝的强度较大，易脆性破坏，«规范»规定：正面焊缝承受动力荷载时，按式计算；正面焊缝承受静力荷载时，按式计算。应用折算应力公式，需求截面上的应力分量τf、σ⊥、τ⊥，比较繁，«规范»将其简化，fffffw223])2σ(3[)2σ(τ2ffffw223τ3σ2ffffw22τ)(1.22σffffw22τσ得：即：即：将τf2σσf2στf)ττ3(σσ222eqfffw3此即为受静载或间接受动载的计算公式，若承受动力荷载，取βf=1.0代入折算应力公式（*）（**）29四角焊缝连接的计算1.用盖板的对接连接承受轴心力作用时盖板的截面大小，要满足即：A被f被＝A盖f盖由A盖的大小确定采用一块或两块盖板。仅采用侧面焊缝时：为盖板缝一侧焊缝总计算长度，一条焊缝计算长度为，n：焊缝条数盖板长＝10mm：表示两块被连接板之间的缝隙。仅采用正面焊缝时：NNflffw)whe(Nτ或据此式求出等强度要求，flff1.22hσwwe)(N（受静载或间接动载）lwlwnwwllmm10)h22(wfl30采用三面围焊时：先求出正面焊缝所能承受的力：2.角钢连接的角焊缝的计算①承受轴心力作用的角钢采用侧面焊缝连接角钢截面重心到肢尖、肢背的距离不等，因而肢背、肢尖焊缝所承担的内力不等。对肢尖取矩：N1（e1+e2）＝Ne2flffwwe)(Nhσ（直接受动载）或flfwwe)(1.22Nh然后计算侧面焊缝：flffw)whe(N'NτNN1N2e1e2NkNN12121eee31式中：k1、k2分别是肢背、肢尖的内力分配系数（查表）②承受轴心力作用的角钢采用三面围焊缝连接先求出正面焊缝（充分发挥作用）所承担的内力，分别对肢背、肢尖取矩，可得：因而肢背、肢