钢结构的连接和节点构造

第7章钢结构的连接和节点构造7.1钢结构对连接的要求及连接方法钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成构件，各构件再通过一定的安装连接而形成整体结构。连接部位应有足够的强度、刚度及延性。接连接构件问应保持正确的相互位置，以满足传力和使用要求。连接的加工和安装比较复杂、费工，因此选定合适的连接方案和节点构造是钢结构设计中重要的环节。连接设计不合理会影响结构的造价、安全和寿命。设计时应根据连接节点的位置及其所要求的强度和刚度，合理地确定连接方式及节点的细部构造和计算方法，并应注意以下几点；(1)连接的设计应与结构内力分析时的假定相一致；(2)结构的荷载，内力组合应能提供连接的最不利受力工况；(3)连接的构造应传力直接，各零件受力明确，并尽可能避免严重的应力集中；(4)连接的计算模型应能考虑刚度不同的零件间的变形协调；（5）构件相互连接的节点应尽可能避免偏心，不能完全避免时应考虑偏心的影响；(6)避免在结构内产生过大的残余应力，尤其是约束造成的残余应力，避免焊缝过度密集；(7)厚钢板沿厚度方向受力容易出现层间撕裂，节点设计时应予以充分注意；(8)连接的构造应便于制作、安装，综合造价低。钢结构的连接方法可分为焊接、铆接、普通螺栓连接和高强度螺栓连接(如图7-1)焊接连接是钢结构最主要的连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、连接的密封性好、刚度大。缺点是焊接残余应力和残余变形对结构有不利影响，焊接结构的低温冷脆问题也比较突出。目前除少数直接承受动载结构的某些连接，如重级工作制吊车粱和柱及制动梁的相互连接、标架式桥梁的节点连接，从目前使用情况看不宜采用焊接外，焊接可广泛用于工业与民用建筑钢结构和桥梁钢结构。铆钉连接的优点是塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，适用于直接承受动载结构的连接。缺点是构造复杂，用钢量多，日前已很少采用。普通螺栓连接的优点是施工简单、拆装方便。缺点是用钢量多。适用于安装连接和需要经常拆装的结构。普通螺栓又分为C级螺栓和A级、B级螺栓。C级螺栓一般用Q235钢(用于螺栓时也称为4.6级)制成。A、B级螺栓一般用45号钢和35号钢(用于螺栓时也称8．8级)制成。A、B两级的区别只是尺寸不同，其中A级包括d24，且mmL150的螺栓，B级包括24d或mmL150的螺栓，d为螺杆直径，L为螺杆长度。C级螺栓加工租糙，尺寸不够准确，只要求II类孔，成本低，栓径和孔径之差，设计规范未作规定，通常多取0.2~5.1mm。由于螺栓杆与螺孔之间存在着较大的间隙，传递剪力时，连接较早产生滑移(7-2)，但传递拉力的性能仍较好，所以C级螺栓广泛用于承受拉力的安装连接，不重要的连接或用作安装时的临时固定。A、B级螺校需要机械加工，尺寸准确，要求I类孔，栓径和孔径的公称尺寸相同，容许偏差为mm25.0~18.0间隙。这种螺拴连接传递剪力的性能较好，变形很小，但制造和安装比较复杂，价格昂贵，目前在钢结构中较少采用。I类孔的精度要求为连接板组装时，孔口精确对准，孔壁平滑，孔轴线与板面垂直。质量达不到I类孔要求的都为II类孔。高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别是：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，因而变形较小(图7-2中3)。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，后者的极限状态和普通螺栓连接相同。高强度螺栓摩擦型连接只利用摩擦传力这一工作阶段，具有连接紧密、受力良好、耐疲劳、可拆换、安装简单以及动力荷载作用下不易松动等优点，目前在桥梁、工业与民用建筑结构中得到广泛应用。尤其在栓焊衍架桥、重级工作制厂房的吊车梁系统和重要建筑物的支撑连接中已被证明据有明显的优越性。高强度螺栓承压型连接，起初由摩擦传力，后期则依靠栓杆抗剪和承压传力，它的承载能力比摩擦型的高，可以节约钢材，也具有连接紧密，可拆换，安装简单等优点。但这种连接在摩擦力被克服后的剪切变形较大，规范规定高强度螺栓承压型连接不得用于直接承受动力荷载的结构。7.2焊接连接的特性7.2.1常用焊接方法钢结构中一般采用的焊接方法有电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。电弧焊的质量比较可靠，是钢结构最常用的焊接方法。电弧焊可分为手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊。手工电弧焊(7-3)是通电后在涂有焊药的焊条与焊件间产生电弧，由电弧提供热源，使焊条熔化，滴落在焊件上被电弧所收成的小凹槽熔池中，并与焊件熔化部分结成焊缝。由焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖熔池，防止空气中的氧、氮等有害气体与熔化的液体金属接触而形成脆性易裂的化合物。焊缝质量随焊工的技术水平而变化。手工电弧焊焊条应与焊件金属强度相适应，对Q235钢焊件用43系列型焊条，Q345钠焊件用E50系列型焊条，Q390钢悍件用E55系列型焊条。对不同钢种的钢材连接时，宜用与低强度钢材相适应的焊条。自动或半自动埋孤焊是将光焊丝埋在焊剂层下，通电后，由电弧的作用使焊丝和焊剂熔化。熔化后的焊剂浮在熔化金属表面保护熔化金属，使之不与外界空气接触，有时焊剂还可供给焊缝必要的合金元素，以改善焊缝质量。自动焊的电流大、热量集中而熔深大，并且焊缝质量均匀，塑性好，冲击韧性高。半自动焊除由人上操作进行外，其余过程与自动焊相同，焊缝质量介于自动焊与手上焊之间。自动或半自动埋弧焊所采用的焊丝和焊剂要保证其熔敷金属的抗拉强度不低于相应手工焊焊条的数值，对Q235钢焊件，可采用H08、H08A等焊丝；对Q345钢焊件可采用H08A、H08MnA和H10Mn2焊丝。对Q390钢焊件可采用H08MnA、H10Mn2和H08MnMoA焊丝。电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻来熔化金属，焊丝作为电极伸人并穿过渣池，使渣他产生电阻热将焊件金属及焊丝熔化，沉积于熔池中，形成焊缝。电渣焊一般在立焊位置进行，目前多用熔嘴电渣焊，以管状焊条作为熔嘴，焊丝从管内递进。气体保护焊是用焊枪中喷出的惰性气体代替焊剂，焊丝可自动送入，如CO2气体保护焊是以CO2作为保护气体，使被熔化的金属不与空气接触，电弧加热集中，熔化深度大，焊接连度快,焊缝强度高，塑性好。气体保护焊既可用手工操作，也可进行自动焊接。气体保护焊在操作时应采取避风措施，否则容易出现焊坑、气孔等缺陷。电阻焊(图7-5)是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。在一般钢结构中电阻焊只适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3．5mm的构件，如将两个冷弯槽钢或C形钢组合为I形截面构件。7．2．2焊缝连接的优缺点焊缝连接与螺栓连接、铆钉连接比较有下列优点：(1)不需要在钢材上打孔钻眼，既省工，又不减损钢材截面，使材料可以充分利用；（2）任何形状的构件都可以直接相连，不需要辅助零件，构造简单；(3)焊缝连接的密封性好，结构刚度大。但是焊缝连接也存在下列问题：(1)由于施焊时的高温作用，形成焊缝附近的热影响区，使钢材的金属组织和机械性能发生变化，材质变脆；(2)焊接的残余应力使焊接结构发生脆性破坏的可能性增大，残余变形使其尺寸和形状发生变化，矫正费工；(3)焊接结构对整体性不利的一面是，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。焊接结构低温冷脆问题比较突出7．2．3悍缝缺陷焊缝中可能存在裂纹、气孔、烧穿和未焊透等缺陷。裂纹(图7-6中a、b)是焊缝连接中最危险的缺陷。按产生的时间不同．可分为热裂纹和冷裂纹，前者是在焊接时产生的．后考是在焊缝冷却过程中产生的。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当，未采用合适的电流、弧长、施焊速度、焊条和施焊次序等。如果采用合理的施焊次序，可以减少焊接应力，避免出现裂纹；进行预热，缓慢冷却或焊后热处理，可以减少裂纹形成。气孔(图7-6c)是由空气侵入或受潮的药皮熔化时产生气体而形成的，也可能是焊件金属上的油、锈、垢物等引起的。气孔在焊缝内或均匀分布，或存在于焊缝某一部位，如焊趾或焊跟处。焊缝的其他缺陷有烧穿(图7-6d)，夹渣(图7-6e)，未焊透(图7-6f、g、h)，咬边(图7-6i)，焊瘤(图7-6j)等。焊缝的缺陷将削弱焊缝的受力面积，而且在缺陷处形成应力集中，裂缝往住无从那里开始，并扩展开裂，成为连接破坏的根源，对结构很为不利。因此，焊缝质量检查极为重要；《钢结构工程施工质量验收规范》规定，焊缝质量检查标准分为三级，其中第三级只要求通过外观检查，即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹、咬边等缺陷。对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝，必须进行一级或二级质量检验，即在外观检查的基础上再做无损检验。焊缝质量与施焊条件有关，对于施焊条件较差的高空安装焊缝应乘以折减系数0.9。7．2．4焊缝连接型式及焊缝型式连接型式：焊缝连接型式按被连接构件间的相对位置分为平接、搭接、T形连接和角接四种。这些连接所采用的焊缝型式主要有对接焊缝和角捍缝。图7-7(a)所示为用对接焊缝的平接连接，它的特点是用料经济，传力均匀平缓，没有明显的应力集中，承受动力荷载的性能较好。但是焊件边缘需要加工，对接连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。图7-7(b)所示为用拼接板和角焊缝的平接连接，这种连接传力不均匀、费料，但施工简便，所接两板的间隙大小无需严格控制。图7-7(c)所示为用顶板和角焊缝的平接连接，施工简便，用于受压构件较好。受拉构件为了避免层间撕裂，不宣采用。图7-7(d)所示为用角焊缝的搭接连接，这种连接传力不均匀，材料较费、但构造简单，施工方便，目前还广泛应用。图7-7(e)所示为用角焊缝的T形连接，构造简单，受力性能较差，应用也颇广泛。图7-7(f)所示为焊透的T形连接，其性能与对接焊缝相同。在重要的结构中用它代替图7-7(e)的连接。长期实践证明：这种要求焊透的T形连接焊缝．即使有未焊透现象，但因腹板边缘经过加工、焊缝收缩后使翼缘和腹板顶得十分紧密，焊缝受力情况大为改善，一般能保证使用要求。图7-7(g)、(h)所示为用角焊缝和对接焊缝的角接连接。焊缝型式：对接焊缝按所受力的方向可分为对接正焊缝和对接斜焊缝(图7-8a、b)。角焊缝长度方向垂直于力作用方向的称为正面角焊缝，平行于力作用方向的称为侧面角焊缝，如图7-8(c)所示。焊缝按沿长度方向的分布情况来分，有连缝角焊缝和断缝角焊缝两种型式(图7-9)。连缝角焊缝受力性能较好，为主要的角焊缝形式。断缝角焊缝容易引起应力集中，重要结构中应避免采用，它只用于一些次要构件的连接或次要焊缝中，断缝焊缝的间断距离L不宜太长，以免因距离过大使连接不易紧密，潮气易侵入而引起锈蚀。间断距离L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为较薄构件的厚度。焊缝按施焊位置分，有俯焊(平焊)、立焊、横焊、仰焊几种(图7-10)。俯焊的施焊工作方便．质量最易保证。立焊、横焊的质量及生产效率比俯焊的差一些。仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此府尽量避免采用仰焊焊缝7．2．5焊缝代号在钢结构施工图上要用焊缝代号标明焊缝型式、尺寸和辅助要求。《焊缝符号表示方法》GB324—88规定：焊缝符导由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成，必要时可加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。指引线一般由箭头线和基准线(一条为实线，另一条为虚线)所组成。基准线一般应与图纸的底边相平行，特殊情况也可与底边相垂直，当引出线的箭头指向焊缝所在的一面时，应将焊缝符号标注在基准线的实线上：当箭头指向对应焊缝所在的另一面时，应将焊缝符号标注在基准线的虚线上，见图7-11。基本符号用以表示焊缝截面形状，符号的线条宜粗于指引线，常用的某些基本符号如表7-1所示。辅助符号用以表示焊缝表面形状特征，如对接