第三章 钢结构的连接

1、第第三三章章大纲要求大纲要求1.1.了解钢结构连接的种类及各自的特点；了解钢结构连接的种类及各自的特点；2.2.了解焊接连接的工作性能，了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算掌握焊接连接的计算方法及构造要求；方法及构造要求；3.3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构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；工作的影响；4.4.了解螺栓连接的工作性能，了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算掌握螺栓连接的计算和构造要求。和构造要求。第一节第一节 连接分类及特点连接分类及特点一、一、概述概述 连接连接焊缝连接焊缝连接紧固件连接紧固件连接对接焊缝对接焊缝角焊缝角焊缝铆钉铆钉

2、螺栓螺栓焊透焊透部分焊透部分焊透正面角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝斜焊缝普通螺栓普通螺栓高强度螺栓高强度螺栓摩擦型摩擦型承压型承压型 (a) 焊缝连接； (b) 铆钉连接； (c) 螺栓连接（a a）焊缝连接焊缝连接 对接焊缝连接对接焊缝连接优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。 角焊缝连接角焊缝连接第一节第一节 连接分类及特点连接分类及特点（b）螺栓连接）螺栓连接 优点：连接刚度大，传力可靠；优点：连接刚度大，传力可靠； 分为：分为： 普通螺栓连接普通螺栓

3、连接 高强度螺栓连接高强度螺栓连接（c）铆钉连接）铆钉连接N缺点：对施工技术要求很高，缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，劳动强度大，施工条件差， 施施工速度慢。工速度慢。（1）焊缝连接方法及其特点）焊缝连接方法及其特点1.1.手工电弧焊手工电弧焊A、焊条的选择：、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材焊条应与焊件钢材相适应。相适应。原理：利用电弧产生热量原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形熔化焊条和母材形 成焊缝。成焊缝。 二，焊接连接二，焊接连接 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧Q390Q390、Q420Q420钢选择钢选择E55E55型焊

4、条型焊条(E5500-5518)(E5500-5518)Q345Q345钢选择钢选择E50E50型焊条型焊条(E5000-5048)(E5000-5048)B B、焊条的表示方法：、焊条的表示方法：E焊条焊条( (Electrode) )第第1 1、2 2位数字为熔融金属的最小抗拉强度位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2) )第第3 3、4 4适用焊接位置、电流及药皮的类型。适用焊接位置、电流及药皮的类型。不同钢种的钢材焊接，宜采用与不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度低强度钢材相适应的焊条。钢材相适应的焊条。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，缺点：质量波动大，要求焊工等级

5、高，劳动强度大，效率低。效率低。 优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；Q235Q235钢选择钢选择E43E43型焊条（型焊条（E4300-E4328)E4300-E4328)C C、优、缺点、优、缺点2.2.埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊（自动或半自动）、焊丝转盘焊丝转盘送丝器送丝器焊剂漏斗焊剂漏斗焊剂焊剂熔渣熔渣焊件焊件埋弧自动焊埋弧自动焊A A、焊丝的选择应与焊件等强度。、焊丝的选择应与焊件等强度。 B B、优、缺点：、优、缺点： 优点优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。焊接质量好

6、。 缺点缺点：设备投资大，施工位置受限等。：设备投资大，施工位置受限等。 送送丝丝器器机机器器3.3.气体保护焊气体保护焊 优点：焊接速度快，焊接质优点：焊接速度快，焊接质量好。量好。 缺点：施工条件受限制等。缺点：施工条件受限制等。（ 被连接钢材的相互位置）对接连接搭接连接T型连接角部连接焊缝连接形式 （2 2） 焊缝连接形式及焊缝种类焊缝连接形式及焊缝种类1.1.焊缝连接形式焊缝连接形式图图3.3 T3.3 T形连接形连接图图3.4 3.4 搭接连接搭接连接搭接搭接角部连接角部连接T形连接形连接对接对接搭接搭接焊缝连接形式焊缝连接形式图图3.5 3.5 焊缝连接的形式焊缝连接的形式(a)(

7、a)对接连接；对接连接；(b)(b)用拼接盖板的对接连接；用拼接盖板的对接连接；(c)(c)搭接连接；搭接连接；(d)(d)、(e) T(e) T形连接；形连接；(f)(f)、(g)(g)角部连角部连接接2.2.焊缝形式焊缝形式（1）对接焊缝对接焊缝正对接焊缝正对接焊缝T型对接焊缝型对接焊缝斜对接焊缝斜对接焊缝 在两焊件连接面的在两焊件连接面的间隙内间隙内，用熔化的焊条金属，用熔化的焊条金属填塞，并与焊件熔化部分相结合，形成的焊缝称为填塞，并与焊件熔化部分相结合，形成的焊缝称为对接焊缝对接焊缝。又分为全熔透和部分熔透。又分为全熔透和部分熔透( (非熔透非熔透) )两种。两种。2.2.焊缝形式焊

8、缝形式（2）角焊缝角焊缝 焊缝金属填充在被连接件形成的直（斜）焊缝金属填充在被连接件形成的直（斜）角区域内的焊缝称为角区域内的焊缝称为角焊缝角焊缝, ,应用广泛。应用广泛。平焊（俯焊）平焊（俯焊） 横焊横焊 立焊立焊 仰焊仰焊 图图3.8 3.8 焊缝施焊位置焊缝施焊位置 (a) (a)平焊；平焊；(b)(b)横焊；横焊；(c)(c)立焊；立焊；(d)(d)仰焊仰焊3. 3. 焊缝的施焊方位焊缝的施焊方位（3 3）焊缝缺陷及焊缝质量控制）焊缝缺陷及焊缝质量控制1.1.焊缝缺陷焊缝缺陷2.2.焊缝质量检查焊缝质量检查外观检查：外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损探伤

9、：内部无损探伤：检验内部缺陷。检验内部缺陷。 内部检验主要采用超声内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方荧光检验等辅助检验方法。还可以采用法。还可以采用X X射线或射线或射线透照或拍片。射线透照或拍片。钢结构工程施工及验收规范钢结构工程施工及验收规范规定：规定： 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。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焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；三级质量标准； 一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超

10、声波检验并符合相应级别的质量标准。量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。 设计中对焊缝质量等级不应提出不恰当的要求。设计中对焊缝质量等级不应提出不恰当的要求。 钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017-2010GB50017-2010）中，对焊缝）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：质量等级的选用有如下规定： (1) (1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向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。的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。 3.3.焊缝质量等级及选用焊缝质量等级及选用(2) (2) 在不需要进行疲劳计算的构件中

11、，凡要求与母材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。等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。 （）重级工作制和起重量（）重级工作制和起重量 的中级工作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，与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。不应低于二级。 （）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力（）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的中级工荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角

12、焊缝的外观质量应符合二级。作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。4.4.焊缝图纸表示焊缝图纸表示焊缝代号由焊缝代号由引出线引出线、图形符号图形符号和和辅助符号辅助符号三部分组成。三部分组成。表表3.1 3.1 焊缝符号焊缝符号表表3.1 3.1 焊缝符号焊缝符号续表续表 焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时，在焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时，在标注焊缝代号的同时，可在图形上加标注焊缝代号的同时，可在图形上加栅线栅线表示，甚至可加注必表示，甚至可加注必要的说明，直至表达清楚。要的说明，直至表达清楚。 (a)正面焊缝； (b)背面焊缝； (c)安装焊缝 三、铆钉、螺栓连

13、接三、铆钉、螺栓连接 1 1. .铆钉连接铆钉连接 已不用 2 2. .普通螺栓连接普通螺栓连接 普通螺栓连接施工较简便，拆装也很方便，它是安装连接普通螺栓连接施工较简便，拆装也很方便，它是安装连接的一种的一种重要方法重要方法。 螺栓材料的性能统一用螺栓的性能等级来表示，分为A、B、C三个级别。 A、B级为精制精制螺栓,用于机械，有“5.6级”和“8.8级”。孔为I类孔。 C级为粗制粗制螺栓，用于建筑，有“4.6级”和“4.8级”，由未经加工的圆钢压制而成。成孔一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成，属类孔。 小数点前的数字“4”、“5”、“8表示螺栓材料的抗拉强度不小于不小于400N/m

14、m2、500 N/mm2和800 N/mm2，小数点及后面的数字“0.6”、“0.8”表示螺栓材料的屈强比屈强比。 3.高强度螺栓连接高强度螺栓连接 高强度螺栓采用高强度钢材制成。分8.8级、10.9级级 ，螺母和垫圈也采用经过热处理的45号和35号钢制成。 高强度螺栓连接分为摩擦型摩擦型高强度螺栓连接和承压型承压型高强度螺栓连接。孔一般采用类钻孔，孔径比螺栓杆公称直径大1.52mm(摩擦型)或11.5mm(承压型)。 摩擦型摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，抗疲劳性能好，特别适用于承受动力荷载的结构。 承压型承压型高强度螺栓连接的承载力比摩擦型的高，可节约螺栓，但剪切变形稍大，一般用于承受

15、静力荷载。 第二节第二节 对接焊缝连接设计对接焊缝连接设计 一、对接焊缝的构造一、对接焊缝的构造 对接焊缝的焊件为了对接焊缝的焊件为了保证焊透保证焊透常需做成坡口，故又叫常需做成坡口，故又叫坡坡口焊缝口焊缝。 坡口形式有直线形坡口形式有直线形( (不切坡口不切坡口) )、半、半V V形形( (单边单边V V形形) )、全、全V V形、双形、双V V形形(X(X形形) )、U U形、形、K K形。形。 坡口形式与焊件坡口形式与焊件厚度厚度有关。有关。 坡口形式和尺寸一般由施工单位根据坡口形式和尺寸一般由施工单位根据建筑钢结构焊接建筑钢结构焊接技术规程技术规程的规定再结合本企业的经验确定。的规定再

16、结合本企业的经验确定。 对于较厚的焊件对于较厚的焊件(t20mm)(t20mm)，则采用，则采用U U形、形、K K形和形和X X形坡口。形坡口。对于对于V V形缝和形缝和U U形缝需对焊缝根部进行形缝需对焊缝根部进行补焊补焊。(a)直边缝；(b) (g)单边V形坡口；(c)V形坡口；(d)X形坡口；(e)U形坡口；(f)K形坡口 不同宽度和厚度板件的拼接 在对接焊缝的拼接处，当板宽或板厚不同时，规范在对接焊缝的拼接处，当板宽或板厚不同时，规范规定：当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差规定：当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm4mm以上以上时，时，应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大应

17、分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于于1:2.51:2.5的斜角的斜角。但对于直接承受动力荷载且需要验算。但对于直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构，图中斜角坡度不应大于疲劳的结构，图中斜角坡度不应大于1:41:4。 焊缝的起灭弧处，常会出现焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑弧坑等缺陷，这些缺陷等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故凡要求对承载力影响极大，故凡要求等强等强的的对接焊缝对接焊缝施焊时应施焊时应设置设置引弧板引弧板和和引出板引出板（常常简述为（常常简述为引弧板引弧板），焊后将它），焊后将它割除。割除。 在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝立体交叉和在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝

18、立体交叉和在一处集中大量焊缝，同时焊缝的布置应尽可能对称于在一处集中大量焊缝，同时焊缝的布置应尽可能对称于构件形心轴，构件形心轴，以减少应力集中现象并降低残余应力的影以减少应力集中现象并降低残余应力的影响响。 二、对接焊缝的计算二、对接焊缝的计算 对接焊缝分焊透焊透和部分焊透部分焊透两种。 部分焊透的对接焊缝受力时应力状态复杂，一般按角焊缝的方式处理。以下所述的对接焊缝除非说明均指的是以下所述的对接焊缝除非说明均指的是焊透的焊透的。 焊缝金属的强度一般高于母材，所以对接焊缝连接的破坏通常不会在焊缝金属部位，而是在母材或焊缝附近的热影响区热影响区。但是，由于焊接技术问题，焊缝中难免存在气孔、夹渣

19、、咬边、未焊透等缺陷缺陷。试验证明，这些缺陷对受压和受剪的对接焊缝影响不大，但对受拉受拉的对接焊缝影响却较为显著。 一一、二级二级焊缝的抗拉强度可与母材相等，而三级三级焊缝允许存在的缺陷较多，其抗拉强度取为母材强度的85%85%。 1.1.对接焊缝受轴心力作用：对接焊缝受轴心力作用： N N轴心拉力或压力；轴心拉力或压力； l lw w 焊缝的计算长度。施焊时，焊缝两端设置引弧板焊缝的计算长度。施焊时，焊缝两端设置引弧板 和和引出板时，取焊缝的实际长度；无引弧板和引出板时，取实际长引出板时，取焊缝的实际长度；无引弧板和引出板时，取实际长度减去度减去2t2t； t t在对接接头中连接件的较小厚度

20、；在在对接接头中连接件的较小厚度；在T T形接头中为腹板厚度；形接头中为腹板厚度； 对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值，见附录对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值，见附录1 1附表附表1.21.2。 仅三级焊缝的抗拉强度比母材低。故当设置引弧板仅三级焊缝的抗拉强度比母材低。故当设置引弧板和引出板时，只有三级焊缝才需按式和引出板时，只有三级焊缝才需按式(3.1(3.1) )进行抗拉强进行抗拉强度验算。度验算。 wwtwfftlNc或wwtffc、 (a)垂直焊缝； (b)斜向焊缝 如果用直缝不能满足抗拉强度要求时，可采用如如果用直缝不能满足抗拉强度要求时，可采用如(b)(b)图所示的图所示的斜斜对接焊缝。

21、计算表明，焊缝与作用力对接焊缝。计算表明，焊缝与作用力N N的夹的夹角满足时，斜焊缝长度的增加能抵消抗拉强度的不足，角满足时，斜焊缝长度的增加能抵消抗拉强度的不足，可不再进行验算可不再进行验算。 采用对接焊缝通常为二级采用对接焊缝通常为二级, ,必要时取一级。必要时取一级。2 2. . 对接焊缝承受弯矩和剪力的共同作用对接焊缝承受弯矩和剪力的共同作用wwtwffWMc或wvwwftIVS M M、V V焊缝截面所承受的弯矩、剪力；焊缝截面所承受的弯矩、剪力； W Ww w、I Iw w焊缝截面对中性轴的焊缝截面对中性轴的抗弯模量抗弯模量和和惯性矩惯性矩，注意无引弧，注意无引弧板和引出板时，每条

22、焊缝的计算长度等于实际长度减去板和引出板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t2t； S Sw w计算剪应力处以上焊缝截面对中性轴的计算剪应力处以上焊缝截面对中性轴的面积矩面积矩； 对接焊缝的抗剪强度设计值，见附录对接焊缝的抗剪强度设计值，见附录1 1附表附表1.21.2； wvf对接焊缝受弯矩和剪力联合作用图图(b)(b)所示是工字形截面粱的对接焊缝接头，除应分别验算最大正所示是工字形截面粱的对接焊缝接头，除应分别验算最大正应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力的应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力的腹板与腹板与翼缘交接点处翼缘交接点处，还应按下式验算，还应按下

23、式验算折算应力折算应力： 1 1、 1 1验算点处的焊缝正应力和剪应力；验算点处的焊缝正应力和剪应力；1.11.1考虑到最大折算应力只在考虑到最大折算应力只在局部局部出现，而将强度设计值适当出现，而将强度设计值适当提高的系数。提高的系数。wtf1 . 1321213 3、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 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：maxmaxwNMtwwNMfAW，1max1max柱牛腿NV1焊缝计算截面max由M=Vee由N由Vh0ht8m24m150KN/m1610001610250单位：mmX

24、例1：简支梁的截面荷载（含梁自重在内的设计值）如下图所示，在距支座2.4m处有翼缘和腹板的拼接连接，试设计其拼接的对接焊缝。已知钢材为Q235，采用E43型焊条，手工焊，三级质量标准，施焊时采用引弧板。maxmax1610001610250单位：mmX111一、计算距支座2.4m处的截面内力m10082 . 14 . 21504 . 2815021kNMkNV2404 . 21504150二、焊缝计算截面的几何特性4633w102898121000240121032250mmI366w106163. 55161028982mmhIWw361w10032. 250816250mmS36w1028

25、2. 32505001050816250mmS三、焊缝强度验算1、最大正应力2266wmax/185/5 .179106163. 5101008mmNfmmNWMwt2、最大剪应力22663wmax/125/2 .271010289810282. 310240tmmNfmmNIVSwvww3、“1”点的折算应力20max1/9 .173103210005 .179mmNhh2663w11/8 .161010289810032. 210240tmmNIVSww22222121/2041851 . 11 . 1/1768 .16339.173mmNfmmNwt通过以上计算，最大正应力、最大剪应力和

26、折算应力均满足要求。三、部分焊透的对接焊缝 部分焊透的对接焊缝常用于外部需要平整的重型箱形截面柱和厚板T形连接。 部分焊透的对接焊缝必须在设计图上注明坡口的形式和尺寸。坡口形式分（单边）V形、U形和J形，其强度计算方法与下节所述的直角角焊缝相似。(a)双面V形坡口;(b)单边V形坡口;(c)双面单边V形坡口；(d)U形坡口；(e)J形坡口第三节第三节 角焊缝连接设计角焊缝连接设计 一、角焊缝形式一、角焊缝形式 角焊缝受力特点与对接焊缝完全不同，其的应力状态要复杂得多，且容易引起应力集中现象，但对被连接件加工精度要求低、施工方便而常常被采用。 角焊缝一般用于搭接连接和搭接连接和T T形连接形连接

27、。 焊缝长度方向垂直于力作用方向称为正面角焊缝正面角焊缝（亦称端端焊缝）、平行于力作用方向称为侧面角焊缝侧面角焊缝（亦称侧侧焊缝）、如图。正面角焊缝正面角焊缝 受力复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。正面角焊缝的破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形能力差。caxy正面角焊缝的应力状态NNcb2NacaobxyxyxabyxcaxabyN2N正面角焊缝的破坏形式正面角焊缝的破坏形式侧面角焊缝侧面角焊缝 主要承受剪应力，塑性较好，弹性模量低，强度也较低。传力线通过时产生弯折，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著，但

28、在届临塑性工作阶段时，产生应力重分布，可使应力分布的不均匀现象渐趋缓和。侧焊缝的应力和破坏截面N剪切破坏面Nf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。 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）=0o30o60o=90o试验焊缝NN角焊缝沿长度方向角焊缝沿长度方向：连续角焊缝、断续角焊缝。连续角焊缝连续角焊缝: :受力性能较好，主要的形式。断续角焊缝断续角焊缝: :起、灭弧处容易引起应力集中，只用于次要构件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝焊段

29、的长度不得小于不得小于10h10hf f 或或50mm50mm;间断角焊缝的间断距离l不宜过长，以免连接不紧密，潮气侵入引起构件锈蚀。受压构件中应满足l l15t15t；受拉构件中l l30t30t，t t为较薄焊件的厚度为较薄焊件的厚度。hehfhf等焊角（凸形）等焊角（凸形）hehf1.5hf不等焊角不等焊角1 1、角焊缝的形式、角焊缝的形式: :二、角焊缝的形式和受力分析二、角焊缝的形式和受力分析直角角焊缝、斜角角焊缝直角角焊缝、斜角角焊缝（1 1）直角角焊缝）直角角焊缝hehfhf等焊角等焊角（凹形（凹形）按he=0.7hf斜角角焊缝按he=0.7hf(a)hfhfhfhfa）锐角角焊

30、缝；b）钝角角焊缝(b)按he=hf coshfhfhfhf2按he=hf cos2（2）斜角角焊缝斜角角焊缝对于对于135135o o或或606mmt6mm时，时，h hf,maxf,maxt-(1t-(12)mm2)mm；hf ft t1 1t3 3、不等焊脚尺寸的应用、不等焊脚尺寸的应用：当两焊件厚度相差悬殊时(下图)，用等焊脚尺寸往往无法满足最大和最小焊脚尺寸的规定。为解决这一矛盾，规范推荐采用不等焊脚尺寸。12 . 1 thf在十字形接头中，为避免厚度为t2的板“过烧过烧”，宜将焊脚尺寸控制在hft2（且1.2t1）4.4.侧面角焊缝的最小计算长度侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚对

31、于焊脚尺寸大而长度小尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生的其他缺陷严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生的其他缺陷（气孔，夹渣等），使焊缝可靠性降低；另外，侧面（气孔，夹渣等），使焊缝可靠性降低；另外，侧面角焊缝多用于搭接连接，作用力有角焊缝多用于搭接连接，作用力有偏心偏心，若焊缝过小，若焊缝过小，则偏心弯矩的影响就越大，使焊缝的承载力降低。故则偏心弯矩的影响就越大，使焊缝的承载力降低。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：mmhlfw408且不得小于且不得小于 5.5.侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊

32、缝的最大计算长度 侧面角焊缝在侧面角焊缝在弹性工作阶段弹性工作阶段沿长度方向受力不均，沿长度方向受力不均，两端大而中间小两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。焊缝长度越长，应力集中系数越大。若焊缝长度适宜，焊缝两端达到屈服强度后，继续加若焊缝长度适宜，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：可能破坏首先发生在焊缝两端，故：fwhl60 注注： 1 1、当实际长度大于以上值时，超过部分不与考虑；、当实际长度大于以上值时，超过部分不与考虑； 2 2、当内力沿侧焊缝全长分布

33、时，不受上式限制。、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。（静载）（静载）6 6、搭接长度、搭接长度 采用正面角焊缝的搭接连接，受力时会产生附附加弯矩加弯矩，搭接长度越小，附加弯矩影响越大；另外，焊缝距离越近，收缩应力也越大。因此规定：搭接长度不得小于焊件较小厚度的搭接长度不得小于焊件较小厚度的5 5倍，倍，也不得小于也不得小于25mm25mm。1525mmt且t1t2 （t t1 1t t2 2）7 7、侧焊缝长度与距离要求、侧焊缝长度与距离要求 试验结果表明，采用两侧面角焊缝的搭接连接，连接的承载力与b b/ /l lw w有关，b为两侧焊缝的距离，lw为侧焊缝长度。当b/lw1时，连接

34、的承载力随着b/lw比值的增大而明显下降。为使连接强度不致过分降低，要求b b/ /l lw w11。避免焊缝横向收缩横向收缩，引起板件向外发生较大拱曲拱曲， b不宜大于16t(t12mm)或190mm(t12mm)，t为较薄薄焊件的厚度。四、角焊缝的围焊和绕角焊四、角焊缝的围焊和绕角焊 围焊分为三面围焊三面围焊和L L形围焊形围焊。围焊的转角处转角处是连接的重要部位，如在此处熄火或起落弧会加大应力集中的影响，所以所有围焊的转角处必须连续施必须连续施焊焊。 在非围焊的情况下，角焊缝的端部正好在构件连接的转角处，如此处做长度为2h2hf f的绕角焊的绕角焊，可以避免起落弧缺陷引起转角处过大的应力

35、集中。五、直角角焊缝的强度计算五、直角角焊缝的强度计算 分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理假定和简化处理: 假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45； 不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he，he0.7hf。 1 1、基本假定、基本假定he焊脚尺寸 hf焊根熔深焊缝厚度有效厚度凸度焊趾一、直角角焊缝强度计算的基本公式一、直角角焊缝强度计算的基本公式 有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积，有效截面面积，并假定计算时有效截面上应力均匀分应力均匀分布布。 2 2、有效截面上的应力状态、有效截面上的应力状态在外

36、力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： 正应力 垂直于焊缝有效截面（面外垂直） 剪应力平行于焊缝长度方向（面内平行） 剪应力垂直于焊缝长度方向（面内垂直） 3 3、直角角焊缝的强度计算基本公式、直角角焊缝的强度计算基本公式 在通过焊缝形心形心的拉力、压力或剪力作用下： 对正面正面角焊缝： 对侧面侧面角焊缝： f f和f 共同作用时：wffewffhlNwfewffhlNwfffff22 式中 f f 按焊缝有效截面（ helw ）计算，垂直于焊缝长度方向的应力； f f 按焊缝有效截面计算，平行焊缝长度方向的应力; he角焊缝的计算厚度；h he e=0.7h=0.7hf f ；lw角焊缝

37、的计算长度，有引弧板为lf；无引弧板为lf 2hf；f f 正面角焊缝的强度增大系数强度增大系数;承受静载和间静载和间接承受动载接承受动载时为1.22，直接承受动载动载时为1.0。 二、角焊缝的计算二、角焊缝的计算 1 1、承受轴心力作用时角焊缝连接计算、承受轴心力作用时角焊缝连接计算A A、仅采用侧面角焊缝连接：仅采用侧面角焊缝连接：wfwefflhN NNB B、采用三面围焊连接：、采用三面围焊连接：ewwffhlfN wfewffhlNN 计算侧面角焊缝侧面角焊缝的强度（确定焊缝长度）： 承受斜向轴心力斜向轴心力的角焊缝计算： 将力N分解为垂直于和平行于焊 缝方向的分力,利用基本公式计算

38、。 将力N分解为垂直于和平行于焊缝方向的分力 则wfwefflhNNweflhNsinsinNNxcosNNyweflhNcoswfwewefflhNlhN22cossin222wfe we w2sinsincos133NNfh lh lwffe wNfh l则受斜向轴心力受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：令：3sin112f为斜焊缝强度增大系数。1.221.201.141.121.081.041.021.00 f 907060504030200查f表A A、仅采用侧面角焊缝连接、仅采用侧面角焊缝连接)113()103(221121 eNeNNNN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :故故: :

39、)133()123(2211212121 NkeeeNNNkeeeNN肢肢尖尖焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数肢肢背背焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数 2211212121keeekkeeekNe1e2bN1N2xxl lw1w1l lw2w22 2、承、承受轴心力的角钢角焊缝计算受轴心力的角钢角焊缝计算)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题: :)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxl lw1w1l lw2w2B B、采用三面围焊采用三面围焊)213(2

40、)203(2322311 NNkNNNkN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :)183(333 wffewfhlN )193(33 wffefbhN 余下的问题同情况余下的问题同情况A，即，即: :Ne1e2bN1N2xxN3l lw1w1l lw2w2)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题: :)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxN3l lw1w1l lw2w2(1)(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算偏心轴力作用下角焊缝强度计算NeNx xNy y2

41、wl2wlMANxNxM MNyNy 2,6weewxAflhMhlN ewyAfhlN , wfAffAff 2,2, h he eh he et t3 3、弯矩、轴心力和剪力联合作用下的角焊缝连接计算、弯矩、轴心力和剪力联合作用下的角焊缝连接计算( (2) ) 工字型截面梁（或牛腿）工字型截面梁（或牛腿）角角焊缝强度计算焊缝强度计算h1fAfAfBfBf fwffwfAfhIM 21对于对于A点：点：式中：式中：I Iw w全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩； h h1 1两翼缘焊缝最外侧间的距离。两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxh h2BBAh1MeFVM对

42、于对于B点：点： 2,2,22weffBwfBlhVhIM wffBffBf 22 强度验算公式：强度验算公式：式中：式中：h h2 2、l lw,2w,2腹板焊缝的计算长度；腹板焊缝的计算长度； h he,2e,2腹板焊缝截面有效高度。腹板焊缝截面有效高度。h1f1f1f2f2f fxxh h2BBAh1MVM（3 3）T T形截面牛腿角焊缝连接计算形截面牛腿角焊缝连接计算 “A”点由弯矩产生的应力为： 由剪力F产生的剪应力为： 式中 IW 全部焊缝有效截面对其中和轴的惯性矩； y2中和轴至A点的距离。 竖直焊缝有效面积之和有效面积之和。2yIFewf22 weflhF22 welh 验算：

43、wfffff22假定假定: :A A、被连接件绝对刚性，焊缝、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：为弹性，即：T T作用下被连作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋接件有绕焊缝形心旋转的趋势；势；B B、T T作用下焊缝群上任意点的作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与形心的连线，且大小与r r成成正比；正比；C C、在、在V V作用下，焊缝群上的应作用下，焊缝群上的应力均匀分布。力均匀分布。4 4、承受扭矩或扭矩与剪力联合作用的角焊缝连接计算、承受扭矩或扭矩与剪力联合作用的角焊缝连接计算将将F F向焊缝群形心向焊缝群形心简化得简化得: : V=F

44、 V=F T=F(e T=F(e1 1+e+e2 2) )Fe1e2x0l l1l l2xxyyAA0TVr故：该连接的设计控制点故：该连接的设计控制点 为为A A点和点和AA点点xxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e)253( yxPTAIIrTIrT T作用下作用下A点应力点应力: :将其沿将其沿x x轴轴和和y y轴分解轴分解: :)273(cos)263(sin rrIrTrrIrTxPTTAyyPTTAx e2x0l l1l l2xxyyAA0TVr剪力剪力V作用下作用下,A,A点应力点应力: : weVVAylhV A A点垂直于焊缝长度方点垂直

45、于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAyVAyf A A点平行于焊缝长度方点平行于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAxf 强度验算公式：强度验算公式：wfffff 22 wfTAxfVAyTAyf 22 即：即：思考思考: :以上计算方法为近似计算，为什么以上计算方法为近似计算，为什么? ?V VxxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e第四节第四节 焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余应力和焊接残余变形 一、焊接残余应力及残余变形的产生一、焊接残余应力及残余变形的产生 钢材在焊接时，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，高温部分的钢材要求较大的膨胀伸长，

46、但受到邻近钢材的约束，从而在焊件内部引起较高的温度应力，并在焊接过程中随时间和温度而不断变化，这种应力称为焊接应力焊接应力。 焊接应力较高的部位将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力焊接残余应力。 在焊接和冷却过程中，由于焊件受热和冷却都不均匀，除产生内应力外，还会产生变形。 焊接和冷却过程中焊件产生的变形称为焊接变形焊接变形，冷却后残存于焊件的变形称为焊接残余变形焊接残余变形。 焊接残余应力和变形的产生是内外因共同作用造成的：内因内因：钢材本身具有热胀冷缩的性质，而且随温度的升高钢材屈服强度要大幅度降低；外因外因：钢材在焊接过程中受到了不均

47、匀的热过程，钢材的收缩受到了外界或内部的约束，进入了屈服阶段，产生了塑性变形。二、焊接残余应力二、焊接残余应力 1 1、焊接残余应力的分类、焊接残余应力的分类 A A、纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向; ; B B、横向焊接残余应力横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向; ; C C、沿厚度方向的焊接残余应力沿厚度方向的焊接残余应力 2 2、焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力产生的原因 （1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀

48、大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性塑性压缩压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm-+ （2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力产生的原因产生的原因: :1 1、焊缝的纵向收缩，使焊件

49、有反向、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，的趋势，导致两焊件在焊缝处导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压中部受拉，两端受压；2 2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生膨胀，产生横向塑性压缩变形横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关。(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩

50、 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的横向应力xy+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向焊缝横向残余应力残余应力yx不同施焊方向下不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-+施施焊焊方方向向(e)-+-施施焊焊方方向向( f )xyyx（3 3）沿厚度方向的焊接残余应力）沿厚度方向的焊接残余应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的接时沿厚度方向已凝固的

51、先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生膨胀，产生塑性压缩变形塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力x x、y y 外，外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力还存在沿厚度方向的焊接残余应力z z，这三种应力形，这三种应力形成同号成同号( (受拉受拉) )三向应力，大大三向应力，大大降低连接的塑性降低连接的塑性。-+-321x xy

52、 yz z（4 4）焊接残余应力对结构性能的影响）焊接残余应力对结构性能的影响1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响f f+-b bf fy y+-b bf fy yNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：因焊接残余应力自相平衡，故： yytyftBftbBNN 当板件全截面达到当板件全截面达到fy，即，即N=Ny时：时：结论：结论：焊接残余应焊接残余应力力对结构的对结构的静力强度没静力强度没有影响。有影响。+-f fy yf fb bB Bt tftbBNftbNcyt )(2 2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响A、当焊接残余应力存在时，因截面的、当焊接残余应力存在时，因截面的b

53、t部分拉应部分拉应力已经达到力已经达到fy ，故该部分刚度为零，故该部分刚度为零（屈服），（屈服），这时这时在在N作用下应变增量为：作用下应变增量为： EtbBN 1 f f+-b bf fy yNN+-f fy yf fNNb bB Bt t因为因为B-bBB-b 2 2。结论：结论： 焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。了结构的刚度。B、当截面上没有焊接残余应力时，在、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增作用下应变增量为：量为：EtBN 2 另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使

54、其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。 EtbBN 1 对于厚板或交叉焊缝，将产生对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。 所以，所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施脆性能的重要措施。3 3、对低温冷脆的影响、对低温冷脆的影响4 4、对疲劳强度的影响、对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的

55、屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感敏感区域区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不有明显的不利影响利影响。三、焊接残余变形三、焊接残余变形 在焊接过程中，由于不均匀的加热和冷却，与焊件残余应力相伴而生的就是焊件残余变形焊件残余变形。焊接区在纵向和横向收缩时，势必导致构件产生局部鼓曲局部鼓曲、弯曲弯曲、歪曲歪曲和扭转扭转等。 焊接残余变形包括纵横收缩纵横收缩、弯曲变形弯曲变形、角变形角变形、凹凸变形凹凸变形、扭曲变形扭曲变形和畸变变形畸变变形等，通常是几种变形的组合。 焊接残余变形不仅影响结构的尺寸精度

56、和外观，使施工装配困难，而且会导致构件的初弯曲、初扭曲、初偏心等，使受力时产生附加的弯矩、扭矩和变形，从而降低其强度和稳定性。因此，任一焊接变形超过验收规任一焊接变形超过验收规范的规定时，必须进行校正。范的规定时，必须进行校正。三、焊接残余变形三、焊接残余变形 焊接变形包括：焊接变形包括：纵向收缩、纵向收缩、横向收缩横向收缩、弯曲变形弯曲变形、角变形角变形和和扭曲变形扭曲变形等，通常是几种变形的组合。等，通常是几种变形的组合。 四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施1 1、设计上的措施；、设计上的措施；（1 1）焊接位置的合理安排）焊接位置的合理安排（2 2）

57、焊缝尺寸要适当）焊缝尺寸要适当（3 3）焊缝数量要少，且不宜过分集中）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4 4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉（5 5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2 2、加工工艺上的措施、加工工艺上的措施（1 1）采用合理的施焊顺序）采用合理的施焊顺序（2 2）采用反变形处理）采用反变形处理（3 3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理第五节第五节 普通螺栓连接设计普通螺栓连接设计 一、普通螺栓连接构造一、普通螺栓连接构造 1 1. .最少螺栓数要求最少螺栓数要求

58、每一杆件在节点上以及拼接接头一端，螺栓数目不宜少于2个。 2 2. .螺栓排列螺栓排列 螺栓的排列应尽量简单、统一、紧凑 ,常用的螺栓布置有并列和错列两种。 钢结构中常用的螺栓为M20-M24，受力螺栓一般不小于M16。 a.a.并列并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大；件截面削弱大；B B 错列错列A A 并列并列中距中距中距中距边距边距边距边距端距端距b.b.错列错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小；面削弱小； 3.3.螺栓排列的要求（确定螺栓间距的依据）螺栓排列的要求（确定螺栓

59、间距的依据）（1 1）受力要求）受力要求: : 垂直受力方向：垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不螺栓的边距和端距不能太小；能太小； 顺力作用方向：顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，为了防止板件被拉断或剪坏，端距端距不能太小；不能太小； 对于受压构件：对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，为防止连接板件发生鼓曲，中距不中距不能太大。能太大。（2 2）构造要求；）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。不密，

60、潮气侵入腐蚀钢材。 （3 3）施工要求；）施工要求；为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3d3do o。根据以上要求，规范给定了螺栓的最大和最小容许间距。根据以上要求，规范给定了螺栓的最大和最小容许间距。图3.55 螺栓排列的最小和最大间距（a）并列时最小间距 （b）错列时最小间距 （c）最大间距三、螺栓连接的其他构造要求三、螺栓连接的其他构造要求直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽双螺帽，或其他，或其他措施以防螺帽松动；措施以防螺帽松动；C C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用级螺栓宜用于沿杆轴方向的受