钢结构的连接

关于钢结构的连接大纲要求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。第2页,共135页，2024年2月25日，星期天第一节

连接分类及特点一、概述

连接焊缝连接紧固件连接对接焊缝角焊缝铆钉螺栓焊透部分焊透正面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝普通螺栓高强度螺栓摩擦型承压型(a)焊缝连接；(b)铆钉连接；(c)螺栓连接第3页,共135页，2024年2月25日，星期天（a）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；缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。

角焊缝连接第一节

连接分类及特点第4页,共135页，2024年2月25日，星期天（b）螺栓连接

优点：连接刚度大，传力可靠；

分为：

普通螺栓连接高强度螺栓连接（c）铆钉连接N缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，施工速度慢。第5页,共135页，2024年2月25日，星期天（1）焊缝连接方法及其特点1.手工电弧焊A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。

二，焊接连接

焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧第6页,共135页，2024年2月25日，星期天Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500--5518)Q345钢选择E50型焊条(E5000--5048)B、焊条的表示方法：E—焊条(Electrode)第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)第3、4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。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；Q235钢选择E43型焊条（E4300--E4328)C、优、缺点第7页,共135页，2024年2月25日，星期天2.埋弧焊（自动或半自动）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件埋弧自动焊第8页,共135页，2024年2月25日，星期天A、焊丝的选择应与焊件等强度。B、优、缺点：

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，施工位置受限等。送丝器机器第9页,共135页，2024年2月25日，星期天3.气体保护焊

优点：焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制等。第10页,共135页，2024年2月25日，星期天（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）焊缝连接形式及焊缝种类1.焊缝连接形式图3.3T形连接图3.4搭接连接第11页,共135页，2024年2月25日，星期天搭接角部连接T形连接对接搭接第12页,共135页，2024年2月25日，星期天焊缝连接形式图3.5焊缝连接的形式(a)对接连接；(b)用拼接盖板的对接连接；(c)搭接连接；(d)、(e)T形连接；(f)、(g)角部连接第13页,共135页，2024年2月25日，星期天2.焊缝形式（1）对接焊缝正对接焊缝T型对接焊缝斜对接焊缝

在两焊件连接面的间隙内，用熔化的焊条金属填塞，并与焊件熔化部分相结合，形成的焊缝称为对接焊缝。又分为全熔透和部分熔透(非熔透)两种。第14页,共135页，2024年2月25日，星期天2.焊缝形式（2）角焊缝

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焊缝,应用广泛。第15页,共135页，2024年2月25日，星期天平焊（俯焊）横焊立焊仰焊

图3.8焊缝施焊位置(a)平焊；(b)横焊；(c)立焊；(d)仰焊3.焊缝的施焊方位第16页,共135页，2024年2月25日，星期天（3）焊缝缺陷及焊缝质量控制1.焊缝缺陷第17页,共135页，2024年2月25日，星期天2.焊缝质量检查外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损探伤：检验内部缺陷。

内部检验主要采用超声波，有时还用磁粉检验荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线或γ射线透照或拍片。第18页,共135页，2024年2月25日，星期天《钢结构工程施工及验收规范》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、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。第19页,共135页，2024年2月25日，星期天

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》（GB50017--2010）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。3.焊缝质量等级及选用(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。第20页,共135页，2024年2月25日，星期天

（３）重级工作制和起重量Ｑ＞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Ｔ形接头焊透的对接与角接组合焊缝，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＞５０ｔ的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。第21页,共135页，2024年2月25日，星期天4.焊缝图纸表示焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。表3.1焊缝符号第22页,共135页，2024年2月25日，星期天表3.1焊缝符号续表第23页,共135页，2024年2月25日，星期天

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，可在图形上加栅线表示，甚至可加注必要的说明，直至表达清楚。(a)正面焊缝；(b)背面焊缝；(c)安装焊缝三、铆钉、螺栓连接

1.铆钉连接

已不用2.普通螺栓连接

普通螺栓连接施工较简便，拆装也很方便，它是安装连接的一种重要方法。第24页,共135页，2024年2月25日，星期天

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级为精制螺栓,用于机械，有“5.6级”和“8.8级”。孔为I类孔。C级为粗制螺栓，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Ⅱ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400N/mm2、500N/mm2和800N/mm2，小数点及后面的数字“0.6”、“0.8”表示螺栓材料的屈强比。

第25页,共135页，2024年2月25日，星期天3.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

，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高强度螺栓连接和承压型高强度螺栓连接。孔一般采用Ⅱ类钻孔，孔径比螺栓杆公称直径大1.5～2mm(摩擦型)或1～1.5mm(承压型)。

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，一般用于承受静力荷载。

第26页,共135页，2024年2月25日，星期天第二节

对接焊缝连接设计一、对接焊缝的构造对接焊缝的焊件为了保证焊透常需做成坡口，故又叫坡口焊缝。坡口形式有直线形(不切坡口)、半V形(单边V形)、全V形、双V形(X形)、U形、K形。坡口形式与焊件厚度有关。坡口形式和尺寸一般由施工单位根据《建筑钢结构焊接技术规程》的规定再结合本企业的经验确定。对于较厚的焊件(t>20mm)，则采用U形、K形和X形坡口。对于V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。第27页,共135页，2024年2月25日，星期天(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

第28页,共135页，2024年2月25日，星期天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，规范规定：当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角。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1:4。第29页,共135页，2024年2月25日，星期天

焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故凡要求等强的对接焊缝施焊时应设置引弧板和引出板（常常简述为引弧板），焊后将它割除。在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝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构件形心轴，以减少应力集中现象并降低残余应力的影响。

第30页,共135页，2024年2月25日，星期天二、对接焊缝的计算对接焊缝分焊透和部分焊透两种。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。但是，由于焊接技术问题，焊缝中难免存在气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。试验证明，这些缺陷对受压和受剪的对接焊缝影响不大，但对受拉的对接焊缝影响却较为显著。一、二级焊缝的抗拉强度可与母材相等，而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%。

第31页,共135页，2024年2月25日，星期天1.对接焊缝受轴心力作用：N

轴心拉力或压力；

lw

焊缝的计算长度。施焊时，焊缝两端设置引弧板和引出板时，取焊缝的实际长度；无引弧板和引出板时，取实际长度减去2t；

t

在对接接头中连接件的较小厚度；在T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1附表1.2。

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(3.1)进行抗拉强度验算。

第32页,共135页，2024年2月25日，星期天(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(b)图所示的斜对接焊缝。计算表明，焊缝与作用力N的夹角满足时，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。

采用对接焊缝通常为二级,必要时取一级。第33页,共135页，2024年2月25日，星期天2.对接焊缝承受弯矩和剪力的共同作用M、V

焊缝截面所承受的弯矩、剪力；Ww、Iw

焊缝截面对中性轴的抗弯模量和惯性矩，注意无引弧板和引出板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t；Sw

计算剪应力处以上焊缝截面对中性轴的面积矩；

对接焊缝的抗剪强度设计值，见附录1附表1.2；

第34页,共135页，2024年2月25日，星期天对接焊缝受弯矩和剪力联合作用图(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翼缘交接点处，还应按下式验算折算应力：

1、

1

验算点处的焊缝正应力和剪应力；1.1

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的系数。第35页,共135页，2024年2月25日，星期天3、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：τ1τmaxσ1σmax柱牛腿NV1焊缝计算截面σmax由M=Vee由N由Vh0ht第36页,共135页，2024年2月25日，星期天例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。第37页,共135页，2024年2月25日，星期天一、计算距支座2.4m处的截面内力二、焊缝计算截面的几何特性第38页,共135页，2024年2月25日，星期天三、焊缝强度验算1、最大正应力2、最大剪应力3、“1”点的折算应力第39页,共135页，2024年2月25日，星期天通过以上计算，最大正应力、最大剪应力和折算应力均满足要求。第40页,共135页，2024年2月25日，星期天三、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41页,共135页，2024年2月25日，星期天第三节角焊缝连接设计一、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T形连接。焊缝长度方向垂直于力作用方向称为正面角焊缝（亦称端焊缝）、平行于力作用方向称为侧面角焊缝（亦称侧焊缝）、如图。第42页,共135页，2024年2月25日，星期天正面角焊缝

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。caτxy正面角焊缝的应力状态NNcb2NacaobτxyσxτyxabτyxcaσxabσyN2N第43页,共135页，2024年2月25日，星期天正面角焊缝的破坏形式第44页,共135页，2024年2月25日，星期天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Nτf第45页,共135页，2024年2月25日，星期天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第46页,共135页，2024年2月25日，星期天角焊缝沿长度方向：连续角焊缝、断续角焊缝。连续角焊缝:受力性能较好，主要的形式。断续角焊缝: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。间断角焊缝焊段的长度不得小于10hf或50mm;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≤15t；受拉构件中l≤30t，t为较薄焊件的厚度。第47页,共135页，2024年2月25日，星期天hehfhf等焊角（凸形）hehf1.5hf不等焊角1、角焊缝的形式:二、角焊缝的形式和受力分析直角角焊缝、斜角角焊缝（1）直角角焊缝hehfhf等焊角（凹形）第48页,共135页，2024年2月25日，星期天（2）斜角角焊缝对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝，主要作为构造焊缝。第49页,共135页，2024年2月25日，星期天角焊缝的表面一般做成凸形，但对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，为了减少应力集中，常将焊缝表面做成凹形。但是经验表明，由于凹形表面收缩时拉应力较大，容易在焊后产生裂纹，而凸形焊缝收缩时反而不容易开裂。正面角焊缝的根部(图中的“A”点)和趾部(图中的“B”点)都有很大的应力集中。应力集中系数随根部的熔深大小和焊趾处斜边与水平边夹角

而变。增大熔深和减小夹角

均可大大降低应力集中系数。第50页,共135页，2024年2月25日，星期天

侧面角焊缝(图a)主要承受剪应力，塑性较好，弹性模量低，强度也较低。传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，因而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。正面角焊缝(图b)由于力线弯折受力更复杂，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。另一方面由于在焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端。正面角焊缝的静力破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形要差些。角焊缝的应力第51页,共135页，2024年2月25日，星期天

1、最小焊脚尺寸hf.min：如果板件厚度较大而焊缝过小，则施焊时焊缝冷却速度过快而产生淬硬组织，易使焊缝附近主体金属产生裂纹。要求：式中，t——较厚板件的厚度，单位mm（碱性焊条例外）；计算时焊脚尺寸取整数。当焊件厚度hf≤4mm时，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同，即hf=t。自动焊熔深较大，最小焊脚尺寸可减小1mm；T形连接的单面角焊缝，增加1mm。三、角焊缝的尺寸要求第52页,共135页，2024年2月25日，星期天

2、最大焊脚尺寸hf,max

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，hf,max应满足以下要求:

hf,max≤1.2t式中:t---较薄焊件厚度。tt1hf

对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：

当t≤6mm时，hf,max≤t；当t>6mm时，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t第53页,共135页，2024年2月25日，星期天3、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。在十字形接头中，为避免厚度为t2的板“过烧”，宜将焊脚尺寸控制在hf≤t2（且1.2t1）第54页,共135页，2024年2月25日，星期天4.侧面角焊缝的最小计算长度

对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，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（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，作用力有偏心，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。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：第55页,共135页，2024年2月25日，星期天5.侧面角焊缝的最大计算长度

侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。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：注：

1、当实际长度大于以上值时，超过部分不与考虑；

2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。（静载）第56页,共135页，2024年2月25日，星期天6、搭接长度采用正面角焊缝的搭接连接，受力时会产生附加弯矩，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5倍，也不得小于25mm。t1t2

（t1＜t2）第57页,共135页，2024年2月25日，星期天7、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/lw有关，b为两侧焊缝的距离，lw为侧焊缝长度。当b/lw＞1时，连接的承载力随着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/lw≤1。避免焊缝横向收缩，引起板件向外发生较大拱曲，b不宜大于16t(t＞12mm)或190mm(t≤12mm)，t为较薄焊件的厚度。第58页,共135页，2024年2月25日，星期天四、角焊缝的围焊和绕角焊围焊分为三面围焊和L形围焊。围焊的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2hf的绕角焊，可以避免起落弧缺陷引起转角处过大的应力集中。第59页,共135页，2024年2月25日，星期天五、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:

①假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45°；

②

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，he＝0.7hf。

1、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第60页,共135页，2024年2月25日，星期天

③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，并假定计算时有效截面上应力均匀分布。

2、有效截面上的应力状态在外力作用下，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）

第61页,共135页，2024年2月25日，星期天

3、直角角焊缝的强度计算基本公式⑴在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下：对正面角焊缝：对侧面角焊缝：⑵σf和τf

共同作用时：第62页,共135页，2024年2月25日，星期天

式中σf

―按焊缝有效截面（helw

）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；τf

―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；he=0.7hf

；lw―角焊缝的计算长度，有引弧板为lf；无引弧板为lf

–2hf；βf

―正面角焊缝的强度增大系数;承受静载和间接承受动载时为1.22，直接承受动载时为1.0。第63页,共135页，2024年2月25日，星期天

二、角焊缝的计算1、承受轴心力作用时角焊缝连接计算A、仅采用侧面角焊缝连接：NNB、采用三面围焊连接：第64页,共135页，2024年2月25日，星期天

计算侧面角焊缝的强度（确定焊缝长度）：承受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。将力N分解为垂直于和平行于焊缝方向的分力则第65页,共135页，2024年2月25日，星期天则受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：令：为斜焊缝强度增大系数。1.221.201.141.121.081.041.021.00

f90°70°60°50°40°30°20°0°

查

f表第66页,共135页，2024年2月25日，星期天A、仅采用侧面角焊缝连接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw22、承受轴心力的角钢角焊缝计算第67页,共135页，2024年2月25日，星期天对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2第68页,共135页，2024年2月25日，星期天B、采用三面围焊由力及力矩平衡得:余下的问题同情况‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第69页,共135页，2024年2月25日，星期天对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第70页,共135页，2024年2月25日，星期天(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet3、弯矩、轴心力和剪力联合作用下的角焊缝连接计算第71页,共135页，2024年2月25日，星期天(2)工字型截面梁（或牛腿）角焊缝强度计算h1σfAσfBτf对于A点：式中：Iw—全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；

h1—两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxhh2BB’Ah1MeFVM第72页,共135页，2024年2月25日，星期天对于B点：强度验算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊缝的计算长度；

he,2—腹板焊缝截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM第73页,共135页，2024年2月25日，星期天（3）T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。第74页,共135页，2024年2月25日，星期天

验算：第75页,共135页，2024年2月25日，星期天假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。4、承受扭矩或扭矩与剪力联合作用的角焊缝连接计算将F向焊缝群形心简化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：该连接的设计控制点为A点和A’点第76页,共135页，2024年2月25日，星期天xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A点应力:将其沿x轴和y轴分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr第77页,共135页，2024年2月25日，星期天剪力V作用下,A点应力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为:A点平行于焊缝长度方向的应力为:强度验算公式：思考:以上计算方法为近似计算，为什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe第78页,共135页，2024年2月25日，星期天第四节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第79页,共135页，2024年2月25日，星期天

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，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。第80页,共135页，2024年2月25日，星期天

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，冷却后残存于焊件的变形称为焊接残余变形。

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：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：钢材在焊接过程中受到了不均匀的热过程，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。第81页,共135页，2024年2月25日，星期天二、焊接残余应力

1、焊接残余应力的分类

A、纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;B、横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向;C、沿厚度方向的焊接残余应力

2、焊接残余应力产生的原因（1）纵向焊接残余应力第82页,共135页，2024年2月25日，星期天

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，焊缝冷却时被塑性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。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。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++第83页,共135页，2024年2月25日，星期天

（2）横向焊接残余应力产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。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，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。第84页,共135页，2024年2月25日，星期天(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx第85页,共135页，2024年2月25日，星期天（3）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，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。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，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，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σx、σy

外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力σz，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。-+-321σxσyσz第86页,共135页，2024年2月25日，星期天（4）焊接残余应力对结构性能的影响1、对结构静力强度的影响f+--bfy+--bfyNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+--fyfbBt第87页,共135页，2024年2月25日，星期天2、对结构刚度的影响A、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy

，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：f+--bfyNN+--fyfNNbBt第88页,共135页，2024年2月25日，星期天因为B-b<B，所以△ε1>△ε2。结论：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。B、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：

另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。第89页,共135页，2024年2月25日，星期天

对于厚板或交叉焊缝，将产生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。所以，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。3、对低温冷脆的影响4、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钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。第90页,共135页，2024年2月25日，星期天三、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。焊接区在纵向和横向收缩时，势必导致构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等。

焊接残余变形包括纵横收缩、弯曲变形、角变形、凹凸变形、扭曲变形和畸变变形等，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范的规定时，必须进行校正。第91页,共135页，2024年2月25日，星期天三、焊接残余变形

焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。

第92页,共135页，2024年2月25日，星期天四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施1、设计上的措施；（1）焊接位置的合理安排（2）焊缝尺寸要适当（3）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉（5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2、加工工艺上的措施（1）采用合理的施焊顺序（2）采用反变形处理（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理第93页,共135页，2024年2月25日，星期天第五节普通螺栓连接设计

一、普通螺栓连接构造1.最少螺栓数要求

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.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。

第94页,共135页，2024年2月25日，星期天a.并列—简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构件截面削弱大；B错列A并列中距中距边距边距端距b.错列—排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截面削弱小；

第95页,共135页，2024年2月25日，星期天3.螺栓排列的要求（确定螺栓间距的依据）（1）受力要求:

垂直受力方向：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，螺栓的边距和端距不能太小；

顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；

对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。（2）构造要求；

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。第96页,共135页，2024年2月25日，星期天

（3）施工要求；为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。根据以上要求，规范给定了螺栓的最大和最小容许间距。第97页,共135页，2024年2月25日，星期天图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）最大间距第98页,共135页，2024年2月25日，星期天三、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双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：

1、承受静载或间接动载的次要连接；

2、承受静载的可拆卸结构连接；

3、临时固定构件的安装连接。型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；第99页,共135页，2024年2月25日，星期天四、普通螺栓的抗剪连接计算

普通螺栓连接按受力情况可分为三类：①螺栓只承受剪力；②螺栓只承受拉力；③螺栓承受拉力和剪力的共同作用。

FNFA

只受剪力B

只受拉力C剪力和拉力共同作用第100页,共135页，2024年2月25日，星期天1.破坏类型（1）螺栓杆被剪坏

栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏

栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断

截面削弱过多时

以上破坏形式予以计算解决。N/2NN/2NNNN第101页,共135页，2024年2月25日，星期天（4）板件端部被剪坏(拉豁)

端矩过小时；端矩不应小于2dONN（5）栓杆弯曲破坏螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d这两种破坏构造解决N/2NN/2第102页,共135页，2024年2月25日，星期天2.抗剪连接的工作性能对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移δ和作用力N的关系曲线,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,即：

(1)摩擦传力的弹性阶段(0~1段)

直线段—连接处于弹性状态；

该阶段较短，摩擦力较小。NδO1234NNabNN/2N/2第103页,共135页，2024年2月25日，星期天(2)滑移阶段(1~2段)

克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。NδO1234abNN/2N/2

(3)栓杆传力的弹性阶段(2~3段)

该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆除主要受剪力外、还有拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-δ关系以曲线状态上升。第104页,共135页，2024年2月25日，星期天

(4)弹塑性阶段(3~4段)

达到‘3’后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。

‘4’点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。NδO1234abNN/2N/2Nu第105页,共135页，2024年2月25日，星期天3.单个普通螺栓抗剪承载力计算

由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓抗剪承载力由以下两式决定:nv—剪切面数目；d—螺栓杆直径；fvb、fcb—螺栓抗剪和承压强度设计值；参考附表1.3∑t—连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。单栓抗剪承载力：抗剪承载力：承压承载力：d第106页,共135页，2024年2月25日，星期天剪切面数目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2第107页,共135页，2024年2月25日，星期天4.普通螺栓群的抗剪承载力计算（1）普通螺栓群轴心受剪N/2Nl1N/2平均值螺栓的内力分布

试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，两端大,中间小。

当l1≤15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N有各螺栓均担。所以，连接所需螺栓数为：第108页,共135页，2024年2月25日，星期天

当l1>15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏,然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数η与l1/d0的关系曲线。ECCS试验曲线8.8级

M22我国规范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值长连接螺栓的内力分布故，连接所需栓数：第109页,共135页，2024年2月25日，星期天NNbtt1b1

普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。拼接板的危险截面为2-2截面:A、螺栓采用并列排列时:主板的危险截面为1-1截面:1122第110页,共135页，2024年2月25日，星期天NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用错列排列时:主板的危险截面为1--1和1’--1’截面:111’1’第111页,共135页，2024年2月25日，星期天NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危险截面为2--2和2’--2’截面:222’2’第112页,共135页，2024年2月25日，星期天（2）普通螺栓群偏心受剪F作用下每个螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下连接按弹性设计，其假定为：

（1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；

（2）T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系，方向与ri垂直。第113页,共135页，2024年2月25日，星期天TxyN1TN1TxN1Tyr11

显然，T作用下‘1’号螺栓所受剪力最大（r1最大）。由假定‘(2)’得由上式得:由力的平衡条件得：第114页,共135页，2024年2月25日，星期天TxyN1TN1TxN1Tyr11将上式代入可得:将N1T沿坐标轴分解得:第115页,共135页，2024年2月25日，星期天由此可得螺栓1的强度验算公式为:

另外,当螺栓布置比较狭长(如y1≥3x1)时,可进行如下简化计算：令:xi=0，则N1Ty=0第116页,共135页，2024年2月25日，星期天（一）普通螺栓抗拉连接的工作性能五、普通螺栓的抗拉连接

抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。（二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值式中：Ae--螺栓的有效截面面积；参考附表8.1

de--螺栓的有效直径；

ftb--螺栓的抗拉强度设计值。第117页,共135页，2024年2月25日，星期天dedndmd公式的两点说明：（1）螺栓的有效截面面积

因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：第118页,共135页，2024年2月25日，星期天(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响

A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。第119页,共135页，2024年2月25日，星期天B、在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。第120页,共135页，2024年2月25日，星期天(三）普通螺栓群的轴拉设计

一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：N第121页,共135页，2024年2月25日，星期天(四）普通螺栓群在偏心拉力作用下（了解）

偏心力作