第3章 钢结构的连接

设计原理钢结构第三章钢结构的连接设计原理钢结构第三章钢结构的连接1.了解钢结构连接的种类及特点。2.了解焊接的工作性能，掌握焊接连接的构造要求和计算方法。3.掌握螺栓连接的构造要求和计算方法。4.掌握焊接残余应力和残余变形产生的原因及对结构工作性能的影响。3.1钢结构的连接方法3.2焊接方法和焊缝连接形式3.3角焊缝的构造与计算3.4对接焊缝的构造与计算3.5焊接应力和焊接变形3.6螺栓连接的构造3.7普通螺栓连接的工作性能和计算3.8高强度螺栓连接的工作性能和计算本章目录基本要求设计原理钢结构第三章钢结构的连接第3.1节钢结构的连接方法1.概述2.焊缝连接3.螺栓连接4.铆钉连接了解钢结构的连接方法及特点本节目录基本要求设计原理钢结构第三章钢结构的连接3.1.1概述连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构件,或将若干构件组合成整体结构,以保证其共同工作。钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种。焊接连接螺栓连接铆钉连接图3.1.1设计原理钢结构第三章钢结构的连接3.1.2焊缝连接对接焊缝连接角焊缝连接焊缝连接优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。设计原理钢结构第三章钢结构的连接缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形降低受压构件承载力；对裂纹敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。3.1.3螺栓连接普通螺栓连接高强度螺栓连接螺栓连接粗制螺栓C级精制螺栓A、B级摩擦型高强度螺栓承压型高强度螺栓设计原理钢结构第三章钢结构的连接铆钉连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合,常用加热铆合，也可在常温下铆合。铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受动力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受动力荷载的结构。但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很少采用。3.1.4铆钉连接图3.1.2设计原理钢结构第三章钢结构的连接图3.1.3铆钉连接设计原理钢结构第三章钢结构的连接第3.2节焊接方法和焊缝连接形式1.钢结构常用焊接方法2.焊缝连接形式及焊缝形式3.焊缝缺陷及焊缝质量检验了解焊缝连接类型、焊接方法及质量要求等本节目录基本要求设计原理钢结构第三章钢结构的连接1、手工电弧焊3.2.1钢结构常用焊接方法（1）原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧图3.2.1手工电弧焊设计原理钢结构第三章钢结构的连接（4）焊条的表示方法：E后面加4个数字E—表示焊条(Electrode)前两位数字为熔融金属的最小抗拉强度（N/mm2)后两位数字表示适用焊接位置、电流种类及药皮类型等。（2）优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，持别适于焊接短焊缝。（3）缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量取决于焊工的精神状态与技术水平，质量波动大。设计原理钢结构第三章钢结构的连接（5）焊条的选择焊条应与焊件钢材相适应；不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。如：Q390、Q420钢——E55型焊条(E5500--5518)Q345钢——E50型焊条(E5000--5048)Q235钢——E43型焊条（E4300--E4328)2、埋弧焊（自动或半自动）（1）原理：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。设计原理钢结构第三章钢结构的连接图3.2.2埋弧自动电弧焊焊丝转盘送丝器悍剂漏斗悍剂悍件熔渣悍缝金属（2）优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低；电弧热量集中，熔深大，热影响区小；工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。设计原理钢结构第三章钢结构的连接（3）缺点：装配精度要求高，设备投资大，施工位置受限等。（4）焊丝的选择：埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA;Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn等。3、气体保护焊气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触。其优点：电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。设计原理钢结构第三章钢结构的连接1、焊缝连接形式3.2.2焊缝连接形式及焊缝形式按被连接钢材的相互位置，可分为：（1）对接连接有拼接盖板的对接连接设计原理钢结构第三章钢结构的连接（2）搭接连接（3）T形连接（4）角部连接设计原理钢结构第三章钢结构的连接（5）焊钉连接N（6）槽焊连接N设计原理钢结构第三章钢结构的连接2、焊缝形式（1）——正交——平行——斜交对接焊缝角焊缝正对接焊缝斜对接焊缝按受力方向正面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝正交斜交设计原理钢结构第三章钢结构的连接（2）角焊缝沿长度方向的布置分为：①连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。②断续角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，用于次要构件或受力小的连接。长度b≥10hf或50mm受压时间断距离l≤15t;受拉时l≤30t，其中t为较薄焊件的厚度。bl间隔角焊缝连续角焊缝设计原理钢结构第三章钢结构的连接（3）角焊缝按施焊位置分为：船形位置焊（平焊）立焊立焊仰焊仰焊仰焊横焊横焊平焊图3.2.3设计原理钢结构第三章钢结构的连接1、焊缝缺陷3.2.3焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。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；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。设计原理钢结构第三章钢结构的连接图3.2.4焊缝缺陷裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透设计原理钢结构第三章钢结构的连接2、焊缝质量检验外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷。（超声波检验、X射线或γ射线透照或拍片）3、焊缝质量等级及选用《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；（1）焊缝质量等级设计原理钢结构第三章钢结构的连接一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波探伤检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。《钢结构设计规范》(GB50017—2003)中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：①需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。（2）焊缝等级选用设计原理钢结构第三章钢结构的连接②在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。③重级工作制和起重量Ｑ＞500kN的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的Ｔ形接头焊透的对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级。④角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Ｑ＞500kN的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。设计原理钢结构第三章钢结构的连接（3）焊缝符号标注方法相同焊缝安装焊缝双面焊缝单面焊缝三角围焊塞焊缝对接焊缝角焊缝形式hfOhfhfacvacphf[hfpccaahf设计原理钢结构第三章钢结构的连接第3.3节角焊缝的构造与计算1.角焊缝的形式和强度2.角焊缝的构造要求3.直角角焊缝强度计算的基本公式4.直角角焊缝计算1.掌握角焊缝形式、受力特点及构造要求本节目录基本要求2.掌握直角角焊缝的计算方法设计原理钢结构第三章钢结构的连接3.3.1角焊缝的形式和强度1、角焊缝的形式角焊缝按截面形式（根据两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。应用情况如下：直角斜角图3.3.1设计原理钢结构第三章钢结构的连接（1）直角角焊缝hfhf等腰式hf1.5hf平坡式凹面式hfhf图中：hf称为焊脚尺寸；he称为焊缝的有效厚度直角角焊缝通常焊成表面微凸的等腰直角三角形截面。对直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝截面通常焊成平坡形式，侧面角焊缝截面则焊成凹面形式。设计原理钢结构第三章钢结构的连接（2）斜角角焊缝两焊边夹角α90°或α90°的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。hfα锐角hfα钝角凸面hfα钝角凹面对于α135°或α60°斜角角焊缝，除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。设计原理钢结构第三章钢结构的连接2、直角角焊缝的布置按角焊缝与外力的关系可分为：（1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。（2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。（3）斜焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。N侧面角焊缝侧面角焊缝正面角焊缝斜焊缝统称为围焊缝图3.3.2设计原理钢结构第三章钢结构的连接3、直角角焊缝的受力分析（1）侧面角焊缝（侧焊缝）试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，但塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故弹性阶段剪应力沿焊缝长度分布不均匀，呈两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。但在接近塑性工作阶段时，应力趋于均布。图3.3.3侧焊缝的应力和破坏截面NNτf设计原理钢结构第三章钢结构的连接（2）正面角焊缝（端焊缝）正面角焊缝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。破坏强度要高一些，与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上，但塑性较差。caτxy图3.3.4端焊缝的应力状态NNcb2NacaobτxyσxτyxabτyxcaσxabσyN2N设计原理钢结构第三章钢结构的连接（3）斜焊缝斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正面角焊缝之间。θ为试验焊缝与试件水平方向的夹角。角焊缝应力与变形关系正面角焊缝侧面角焊缝斜角角焊缝侧缝端缝50040030020010021焊缝变形（mm）焊缝平均应力N/alw（N/mm2）θ=0o30o60oθ=90oθ试验焊缝NN图3.3.5设计原理钢结构第三章钢结构的连接4、破坏截面的提出直角角焊缝破坏试验结果表明：侧焊缝破坏沿45°喉截面居多端焊缝破坏则多不在45°喉截面而直角角焊缝中：侧焊缝破坏强度最低端焊缝破坏强度最高，是侧焊缝的1.35～1.55倍斜焊缝居中故为简化计算，偏于安全地假定破坏发生于45°喉截面上。设计原理钢结构第三章钢结构的连接5、有效截面hfhf等腰式hf1.5hf平坡式凹面式hfhf图中：hf称为焊脚尺寸；he称为焊缝的有效厚度，he=0.7hf，略去余高。有效截面（计算截面）面积——45°方向截面上有效厚度与焊缝计算长度的乘积。设计原理钢结构第三章钢结构的连接3.3.2角焊缝的构造要求1、焊角尺寸hf的构造要求为了避免因焊脚尺寸过大或过小而引起“烧穿”、“变脆”等缺陷，以及焊缝长度太长或太短而出现焊缝受力不均匀等现象，对角焊缝的焊脚尺寸、焊缝长度还有限制。在计算角焊缝连接时，除满足焊缝的强度条件外，还必须满足以下构造要求。（1）最大焊脚尺寸为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，除钢管结构除外，hf,max应满足以下要求:设计原理钢结构第三章钢结构的连接若另一焊件厚度t1＜t时，还应满足hf,max≤1.2t1hf,max≤1.2t1式中:t1—较薄焊件厚度。对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：当t6mm时，hf,max≤t-(1～2)mm当t≤6mm时，hf,max≤thftt1t1＜ttt1hf贴边焊缝设计原理钢结构第三章钢结构的连接（2）最小焊脚尺寸为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min还应满足以下要求:,min1.5fht式中:t——较厚焊件厚度另外：对埋弧自动焊hf,min可减小1mm;对T形连接单面角焊缝hf,min应增加1mm;当t≤4mm时,hf,min=t取整mm数，小数点以后只进不舍。hftt1t1＜t设计原理钢结构第三章钢结构的连接（3）设计焊角尺寸hf应满足（1）侧面角焊缝的最大计算长度,min,maxfffhhh2、焊缝计算长度的