3钢结构的连接

第三章大纲要求1.了解钢结构连接的种类及各自的特点；2.了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算方法及构造要求；3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响；4.了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算和构造要求。§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。铆钉连接连接方法焊缝连接螺栓连接铆钉连接螺栓连接搭接连接连接形式对接连接T、L形连接一、焊接连接焊接连接是钢结构最主要的连接方法。①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。优点缺点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。焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧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。焊条型号应与主体金属的强度相适应焊条型号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。、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔化的焊剂焊件焊缝金属移动方向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。气体保护焊即可手工操作，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。焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧①焊缝的种类对接焊缝：板厚时开坡口角焊缝对接焊缝角焊缝2.焊缝种类和焊缝连接的形式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、传力不均匀、应力集中较严重省工、费料、传力不均匀、应力集中较严重T形连接：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。L形连接：开K形坡口，减小应力集中，可承受动载。③焊缝的施焊方位照文字所述顺序操作渐难，质量保证渐难。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，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。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；产生原因所用焊条不符合要求及施焊次序不当。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。产生原因: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。⑤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。5.焊缝的表示方法单面角焊缝双面角焊缝三面围焊缝二、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普通螺栓连接高强螺栓连接螺栓连接粗制普通螺栓：（C级螺栓）Ⅱ类孔：采用冲孔或不用钻模钻成的孔。Ⅰ类孔：采用钻模钻孔或冲孔后扩孔，孔壁平滑，质量高。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。精制普通螺栓：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。（A、B级螺栓）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。承压型连接：摩擦型连接：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。Ⅱ类孔，受力好，耐疲劳，用于承受动力荷载结构，孔径大于螺栓公称直径1.5～2.0mm。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级等。小数点前的数字表示螺栓材料的抗拉强度，小数点及后面的数字表示屈强比。4.6级、8.8级、10.9级螺栓强度分别属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：永久螺栓高强度螺栓安装螺栓三、铆钉连接铆钉通常采用ML2和ML3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。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，但被顶头之间的钢板阻止，故钉杆中产生了收缩拉紧力，拉紧力使连接十分紧密。当构件受剪力作用时，钢板接触面上产生很大的摩擦力，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对接焊缝连接设计一、对接焊缝的构造对接焊缝往往设坡口，应根据焊件厚度按保证焊缝质量，便于施焊及减小焊缝截面积的原则选用。坡口形式：（a）直边缝：b适用板厚δ＜10mm（b）单边V形缝：b550（c）双边V形缝：b600p适用δ＝10～20mmbp（d）U形缝：（e）K形缝：bp055（f）X形缝：bp060p称为钝边，有拖住熔化金属的作用，p取大了或角度取小了，导致焊不透，p取小了或角度取大了，导致焊条和工时的浪费，p、b常取2mm。也可由施工单位据«建筑钢结构焊接技术规程»并结合实际情况确定。当间隙b较大时，可采用垫板，施焊后，垫板可保留，也可除去。变截面钢板拼接：1、改变宽度：2、改变厚度：当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。厚差小于4mm时，由焊缝找坡，计算时，焊缝厚度取薄板厚度。焊缝的起点和终点，不易焊透而出现凹陷的焊口，易引起裂纹和应力集中，故设引弧板，使起弧、落弧在引弧板上发生。tllw2若设引弧板困难而没设，则计算长度为：(t：薄板厚度)二、对接焊缝的工作和计算对接焊缝分焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝焊透：是指焊缝金属充满整个连接截面并与母材熔合成一体。（一）焊透的对接焊缝的计算焊缝有缺陷，«规范»规定：对接焊缝的抗压设计强度与母材相同。受拉的对接焊缝对焊缝的缺陷敏感，降低静力强度和疲劳强度，«规范»规定：通过一、二级质量检验标准的焊缝，其抗拉设计强度与母材的抗拉设计强度相同，质量属于三级的焊缝，焊缝的抗拉设计强度等于母材抗拉设计强度的0.85倍。对接焊缝往往做成加高形式，取计算厚度时不计加高部分，承受动力荷载时需磨平。1.受轴心力对接焊缝的计算（三级质量焊缝受拉）NNtwlwtwftlNt：两块对接板较小厚度，T形连接腹板厚度焊缝中应力：当焊缝中应力大于焊缝的强度时，采用斜焊缝增加焊缝长度，降低焊缝中应力，以提高连接承载力。lw：焊缝的计算长度，用引弧板时，取实际长度，不设引弧板时，取实际长度减2t。ftw：对接焊缝抗拉强度设计值。NNtθNsinθNcosθwtwftlNsinwvwftlNcos另:当tanθ≤1.5时,不用验算!2、M、V共同作用下的对接焊缝计算tMVwlστ焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：wtwwftlMWM2max6wVwwftIVS式中：Ww—计算截面对中性轴的抗弯模量Sw—计算截面某点以上截面面积对中性轴的面积距Iw--计算截面对中性轴的惯性矩（1）板件间对接连接wwtwffWMc或wV23maxwlt计算点处的折算应力：wtf1.13221.1—考虑最大折算应力只在局部出现（2）工字形截面梁对接连接计算MV1焊缝截面A、对于焊缝的σmax和τmax应满足式3.2、3.3的要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足下式要求：)314(1.132121wtf1.1—考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。3、在轴心力、M和V共同作用下的对接焊缝计算wlttMVwlNNτNMN在M作业下产生σΜ，在N作用下产生σN，V作用下产生τNMtlNwN危险点处的折算应力：wtNMf1.13221焊缝截面例题3-1：试验算图3.12（a）所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=500mm，t=12mm，轴心拉力的设计值N=1100kN。钢材为Q235BF，手工焊，焊条为E43型，三级焊缝，施焊时不用引弧板。mmlw476122500直缝连接计算长度:解6.192124761011003tlNw焊缝正应力2/185mmNfwt5.1tan改用斜焊缝，mmlw579122sin/500斜焊缝计算长度3.13112579sin101100sin3tlNw正应力2/185mmNfwt23/1255.8812579cos101100cosmmNftlNwvw剪应力例题3-2：计算工字型截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度。F=550kN（设计值），偏心距e=300mm。钢材为Q235BF，焊条为E43型，手工焊。三级焊缝。上下翼缘加引弧板施焊。焊缝截面MV:解:截面几何特征和内力43381.338012260121162380260121mmIx361004.12/1901219019816260mmSx3511024.819816260mmSxkNFV550mkNFeM1653.0550:最大正应力为121081.31004.110550863maxtIVSwx2/1251.125mmNfwv:最大剪应力为86max1081.3206101652wwIhMWM2/1852.89mmNfwt:1点处的折算应力为21/3.82206190mmmaxN285311/1.99121081.31024.810550mmNtlVSwx练习：如图所示对接焊缝，计算T型截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度。已知牛腿翼缘宽度为130mm，厚度12mm，腹板高度200mm，厚度10mm，牛腿承受竖向力设计值V＝150kN，e＝150mm，钢材为Q345，焊条E50型，施焊时无引弧板，焊缝质量等级为三级。解：因施焊时无引弧板，故翼缘焊缝的计