钢结构课件第三章.ppt

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,第三章连接Chapter3Connections,焊缝连接,螺栓连接,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.1钢结构的连接,连接的方式焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接,连接的原则安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材,图3.1.1连接的方式,螺栓连接,铆钉连接,焊接连接,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.1.1焊缝连接,1.钢结构常用的焊接方法,电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊。

（1）手工电弧焊,原理：

利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。

图3.1.2手工电弧焊,优点：

方便，适用于任意空间位置的焊接，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接。

缺点：

质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,A、焊条的选择：

焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。

Q390、Q420钢选择E55型焊条（E5500-E5518）,Q345钢选择E50型焊条（E5001-E5048）,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328）,B、焊条的表示方法：

E焊条（Electrode）,第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2）,第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。

不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。

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（2）埋弧焊（自动或半自动）,电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。

机器,优点：

自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。

缺点：

设备投资大，施工位置受限。

焊丝的选择应与焊件等强度。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,（3）气体保护焊,利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。

直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵入。

优点：

没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。

缺点：

施工条件受限制，不适用于在风较大的地方施焊。

（4）电阻焊,利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属，再通过压力使其焊合。

适用于板叠厚度不大于12的焊接。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,*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，整体性好。

焊接的缺点,*焊缝附近有热影响区，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；*焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏、降低压杆稳定的临界荷载，残余变形使结构形状、尺寸发生变化；*焊接裂缝一经发生，便容易扩展到整体；*低温冷脆问题较为突出。

焊接的优点,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,2.焊缝连接形式及焊缝形式,

（1）焊缝连接形式：

分为对接、搭接、T形连接和角部连接。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,

（2）焊缝形式：

分为对接焊缝和角焊缝。

对接焊缝按受力与焊缝方向分：

1）正对接焊缝（a）：

作用力方向与焊缝方向正交。

2）斜对接焊缝（b）：

作用力方向与焊缝方向斜交。

角焊缝按受力与焊缝方向分：

1）正面角焊缝（c）：

作用力方向与焊缝长度方向垂直。

2）侧面角焊缝（c）：

作用力方向与焊缝长度方向平行。

3）斜焊缝（c）：

作用力方向与焊缝方向斜交。

图3.1.5焊缝形式,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,1）对接焊缝,2）角焊缝,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,角焊缝沿长度方向的布置,1）连续角焊缝：

受力性能较好，为主要的角焊缝形式。

2）间断角焊缝：

在起、灭弧处容易引起应力集中。

平焊、立焊、横焊和仰焊。

焊缝按施工位置分为：

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.焊缝缺陷及焊缝质量检验,

（1）焊缝缺陷焊缝缺陷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。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,

（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r射线透照或拍片）,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；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。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,（3）焊缝质量等级及选用,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）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50t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，但对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,（4）焊缝代号,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.1.2螺栓连接,1.普通螺栓连接,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,2.高强度螺栓连接,高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母的合称。

由45号、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成。

45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,主要连接方法及优缺点,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.2对接焊缝的构造和计算,3.2.1对接焊缝的构造,1.对接焊缝的坡口形式,对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。

坡口形式与焊件厚度有关。

图3.2.1对接焊缝的坡口形式,a）直边缝：

适合板厚t10mmb）单边V形、c）双边V形：

适合板厚t1020mmd）U形、e）K形、f）X形：

适合板厚t20mm,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,2.对接焊缝的优缺点,优点：

用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。

缺点：

需剖口，焊件长度要求精确。

3.对接焊缝的构造处理,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,1）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。

2）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。

3）在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:

2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,4.对接焊缝的强度,1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。

2）三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%。

3）一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.2.2对接焊缝的计算,1.轴心受力的对接焊缝,图3.2.5直对接焊缝连接,（3.2.1）,lw焊缝计算长度，t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度;ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（P382表1.3）；,

（1）对lw的取值：

考虑到起落弧缺陷的影响，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。

（2）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算。

（3）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况。

a）没有引弧板时需要计算。

b）受拉情况下的三级焊缝。

（3.2.2）,（3.2.3）,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,斜向受力的对接焊缝,对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心，并与焊缝长度方向呈夹角，其计算公式为：

lw斜焊缝计算长度。

加引弧板时，lwb/sinq；不加引弧板时，lwb/sinq2t。

fvw对接焊缝抗剪设计强度。

（P382表1.3）,规范规定，当斜焊缝倾角q56.3，即tanq1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,2.承受弯距和剪力联合作用的对接焊缝,焊缝内应力分布同母材。

焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。

（3.2.5）,（3.2.4）,图3.2.7a弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝,M焊缝承受的弯矩；Ww焊缝截面模量。

V焊缝承受的剪力；Iw焊缝计算截面惯性矩；Sw计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对中和轴的面积矩。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,对于工字形或T形截面除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:

（3.2.6）,式中:

1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。

1.1为考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高系数。

图3.2.7b弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝,工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.受轴力、弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：

（3.2.4*）,（3.2.5*）,同样对于工字形、箱形截面，还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力，其公式为：

（3.2.6*）,式中,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,对于梁柱节点处的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪应力均匀分布，其计算公式为：

Aw牛腿处腹板的焊缝计算面积。

（3.2.5*）,对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。

1.角焊缝的形式和强度,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.3角焊缝的构造和计算,3.3.1角焊缝的构造,角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。

（1）直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。

对承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用（b）的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹面式（c）。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,

（2）斜角角焊缝两焊边的夹角a90或a90的焊缝。

通常用于钢漏斗和钢管结构中。

hf焊脚尺寸；焊脚边的夹角；he有效厚度（破坏面上焊缝厚度）并有，hehfcos/2,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,

（2）正面角焊缝：

焊缝垂直于受力方向，受力后应力状态较复杂。

焊缝截面各面都有正应力和剪应力，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，但塑性差，弹性模量大。

（1）侧面角焊缝：

焊缝长度方向与受力方向平行，应力分布简单。

主要承受剪应力，强度低，弹性模量低，但塑性较好。

弹性阶段分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。

角焊缝的工作性能,图3.3.3角焊缝的应力分布,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,破坏形式,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,图3.3.4角焊缝荷载与变形关系,斜焊缝的受力性能和强度介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。

q为试验焊缝与试件水平方向的夹角。

正面角焊缝的破坏强度比侧面角焊缝高。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,2.构造要求,角焊缝构造包括三个方面：

焊脚尺寸、焊缝长度和减小焊缝应力集中的措施。

角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸-hf,

（1）焊脚尺寸,为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:

a）最小焊脚尺寸（hf,min）,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,自动焊（温度高而均匀）：

手工焊角焊缝：

t较厚焊件的厚度。

焊件厚度t4mm时：

取hfmin=t,T形连接单面角焊缝（冷却快）：

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,b）最大焊脚尺寸（hfmax）,对板件（厚度t）边缘的角焊缝（贴边焊）当t6mm时，hfmaxt；当t6mm时，hfmaxt-（12）mm。

为了避免焊缝局部过热，烧穿较薄的焊件，减小焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:

直接焊接钢管结构的尺寸不宜大于支管壁厚的2倍。

对于圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,

（2）角焊缝计算长度,角焊缝计算长度（lw）取值lwminlwlwmax,焊脚尺寸的取值hfminhfhfmax,最小计算长度（lwmin）,为了使焊缝能有一定的承载能力，根据使用经验，侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：

lwmin8hf和40mm,考虑到焊缝两端的缺陷，其实际长度应较前述数值还要大2hf,lwmax60hf若实际长度超过以上数值，则超过部分不纳入计算长度中。

若内力沿侧焊缝全长分布时，计算长度不受此限制。

b）侧焊缝最大计算长度（lwmax）,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,（3）减小角焊缝应力集中的措施,图3.3.5侧焊缝引起焊件拱曲,为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，b16t（t12mm）或200mm（t12mm）；,a）构件端部仅有两边侧缝连接时：

试验结果表明，连接的承载力与b/lw有关。

为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，每条侧缝长度b/lw1；,b为两侧缝之间的距离；lw为焊缝长度；t为较薄焊件的厚度。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,c）直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：

正面角焊缝宜为1:

1.5，长边与内力方向一致；侧面角焊缝可用直角焊缝为1:

1。

b）仅用正面角焊缝的搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。

d）当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。

避开起落弧发生在转角处的应力集中。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,e）在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。

断续角焊缝的长度不得小于10hf或50mm，断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。

以防板件局部凸曲鼓起，而对受力不利或潮气易于侵入而引起锈蚀。

图3.3.7断续角焊缝,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,焊角尺寸：

hf,1）焊缝的破坏面,3.3.2直角焊缝的基本计算公式,试验表明，直角角焊缝的破坏常沿有效厚度方向发生。

图3.3.8直角角焊缝截面,有效厚度：

he（0.7hf）,焊缝厚度：

有效厚度+熔深+凸度,有效截面：

有效厚度计算长度,计算时假定有效截面上应力均匀分布。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,2）有效截面上的应力状态,图3.3.9角焊缝有效截面上的应力,国际标准化组织（ISO）推荐用式（3.3.1）确定角焊缝的极限强度,在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：

正应力，与焊缝长度方向（面外垂直）剪应力，与焊缝长度方向（面内平行）剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直）,上式相当于国产Q235钢提出，其它钢种公式左边系数（1.73.0）,式中：

fuw-焊缝金属的抗拉强度,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,（3.3.3）,ffw角焊缝强度设计值,我国规范采用了折算应力公式，引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为：

出于偏于安全考虑，且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会（ECCS），将（3.3.1）的1.8改为3即：

ffw由角焊缝抗剪条件确定，所以公式右边相当于角焊缝抗拉强度设计值。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,图3.3.10直角角焊缝的计算,如图所示承受互相垂直的Ny、Nx两个轴心力作用的直角角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力f，其在有效截面上引起的应力值为：

（3.3.4）,f对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为和。

对直角角焊缝：

3）实用计算方法,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,图3.3.10直角角焊缝的计算,沿焊缝长度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力f。

（3.3.5）,钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：

（3.3.6）,f正面角焊缝的强度设计值增大系数。

静载时f1.22，对直接承受动力荷载的结构，f1.0。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,正面角焊缝f0，力N与焊缝长度方向垂直。

侧面角焊缝f0，力N与焊缝长度方向平行。

（3.3.7）,（3.3.8）,以上各式中：

he=0.7hf；lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。

钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure,第三章连接,Chapter3Connections,3.3.3角焊缝的计算,1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算,当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。

（1）用盖板的对接连接,A、仅采用侧面角焊缝连接,Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,钢结构设计原理DesignPrinciplesof