《金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》第二章金屬結(jié)構(gòu)的連接

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接目錄

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

§2.1金屬結(jié)構(gòu)連接概述

§2.2金屬結(jié)構(gòu)的連接方法

§2.3焊縫連接

§2.4螺栓連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接目的:

金屬結(jié)構(gòu)件在制造和組裝時(shí)，無(wú)論是把基本桿件制成部件，還是各桿件組裝成整體，都必不可少要用連接實(shí)現(xiàn)。如果連接設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，影響結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度。因此，連接的設(shè)計(jì)同構(gòu)件本身設(shè)計(jì)一樣重要。

好的連接評(píng)判原則：

安全可靠，節(jié)約材料，構(gòu)造簡(jiǎn)單和施工方便?！?.1金屬結(jié)構(gòu)連接概述2.金屬結(jié)構(gòu)的連接金屬結(jié)構(gòu)的連接方法可分為：焊縫連接、螺栓連接、鉚釘連接（圖2－1）。§2.2金屬結(jié)構(gòu)的連接方法圖2－1金屬結(jié)構(gòu)的連接方法（a）焊縫連接；（b）螺栓連接；（c）鉚釘連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接金屬結(jié)構(gòu)連接的特點(diǎn)連接方法優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)焊縫連接不削弱構(gòu)件截面，密封性好，對(duì)幾何形體適應(yīng)性強(qiáng)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，省材省工，易于自動(dòng)化，工效高。易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力和變形，對(duì)材質(zhì)要求高，焊接程序嚴(yán)格，質(zhì)量檢驗(yàn)工作量大。普通螺栓連接裝卸便利，設(shè)備簡(jiǎn)單螺栓精度低時(shí)不宜受剪，螺栓精度高時(shí)加工和安裝難度較大。高強(qiáng)螺栓連接加工方便，對(duì)結(jié)構(gòu)削弱少，可拆換，能承受動(dòng)力荷載，耐疲勞。摩擦面處理，安裝工藝略為復(fù)雜，造價(jià)略高。鉚釘連接韌性和塑性好，傳力可靠，質(zhì)量易于檢查，抗動(dòng)力荷載好。費(fèi)鋼、費(fèi)工、噪聲大。射釘、自攻螺栓連接靈活，安裝方便，構(gòu)件無(wú)須予先處理，適用于輕鋼、薄板結(jié)構(gòu)。不能受較大集中力。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.3.1焊縫連接的特性

§2.3.2焊縫強(qiáng)度§2.3.3角焊縫的受力情況及強(qiáng)度計(jì)算

§2.3.4對(duì)接焊縫的受力情況及強(qiáng)度計(jì)算

§2.3.5焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形§2.3焊縫連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

§2.3.1焊縫連接的特性一、金屬結(jié)構(gòu)中常用的焊接方法電弧焊電阻焊氣焊常用的焊接方法手工電弧焊自動(dòng)埋弧焊半自動(dòng)埋弧焊CO2氣體保護(hù)焊2.金屬結(jié)構(gòu)的連接二、焊縫連接的特點(diǎn)

焊接連接與鉚釘、螺栓連接比較，有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴不需打孔，省工省時(shí)；

⑵任何形狀的構(gòu)件可直接連接，連接構(gòu)造方便；

⑶氣密性、水密性好，結(jié)構(gòu)剛度較大，整體性較好。缺點(diǎn)：

⑴焊縫附近有熱影響區(qū)，材質(zhì)變脆；

⑵焊接的殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞，殘余變形使結(jié)構(gòu)形狀尺寸發(fā)生變化；

⑶焊接裂縫一經(jīng)發(fā)生，便容易擴(kuò)展。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接常見(jiàn)的焊縫缺陷：裂紋、氣孔、未焊透、夾渣、咬邊、燒穿、凹坑、塌陷、未焊滿等（圖2－2）。三、焊縫缺陷圖2－2常見(jiàn)焊縫缺陷2.金屬結(jié)構(gòu)的連接焊接檢驗(yàn)按GB50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中要求，焊縫質(zhì)量分為三級(jí)。

A級(jí)（三級(jí)）：全部外觀檢查。

B級(jí)（二級(jí)）：在全部外觀檢查的基礎(chǔ)上做超聲波檢驗(yàn)（抽取50％）

C級(jí)（一級(jí)）：在A、B級(jí)檢查后對(duì)局部做x射線檢驗(yàn)（對(duì)不同的結(jié)構(gòu)還可用部頒標(biāo)準(zhǔn)，如水工鋼結(jié)構(gòu)可用《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》SL36，又如，《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗(yàn)收規(guī)范》等。）四、焊縫檢驗(yàn)

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

五、焊縫標(biāo)注焊縫代號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T324-1988)1234N1－箭頭線2－實(shí)基線3－虛基線4－尾線N－標(biāo)注焊縫方法或相同的焊縫數(shù)量。焊縫在非箭頭側(cè)，將焊縫符號(hào)注在基線的虛線側(cè)。對(duì)稱焊縫及雙面焊不加虛線。說(shuō)明：在《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗(yàn)收規(guī)程》

中無(wú)虛線、尾部。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接六、焊縫連接型式及焊縫型式

⑴焊縫連接型式焊縫連接型式主要有四種：平接、搭接、T形連接和角接（圖2－3）。(a)(b)(c)(d)(e)圖2－3焊縫連接型式(a)平接；(b)搭接；(c)、(d)T形連接；(e)角接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

⑵焊縫型式焊縫可分為對(duì)接焊縫和角焊縫。①對(duì)接焊縫按受力與焊縫方向分：

a）直縫：作用力方向與焊縫方向正交。

b）斜縫：作用力方向與焊縫方向斜交。

②角焊縫按受力與焊縫方向分：

a）正面角焊縫（端焊縫）：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向垂直。

b）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向平行。

③按焊縫連續(xù)性：

a）連續(xù)焊縫：受力較好。b）斷續(xù)焊縫：易發(fā)生應(yīng)力集中。

④按施工位置：俯焊、立焊、橫焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊縫質(zhì)量也最好，仰焊最差。

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接七、焊縫強(qiáng)度焊縫強(qiáng)度主要取決于焊縫金屬和母材金屬的強(qiáng)度。并與焊接型式、應(yīng)力集中程度以及焊接工藝等因素有關(guān)（見(jiàn)書(shū)中表2－1）。對(duì)接焊縫：受壓對(duì)接焊縫：抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（）與母材相同。受拉對(duì)接焊縫：一級(jí)和二級(jí)焊縫的抗拉和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（）與母材相同；三級(jí)焊縫的抗拉和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取母材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.85倍。角焊縫：抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（）取統(tǒng)一的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接八、角焊縫的受力情況及強(qiáng)度計(jì)算(一)角焊縫的受力情況及構(gòu)造要求

⑴角焊縫的截面型式

角焊縫按兩焊腳邊間夾角不同可分為：直角角焊縫、斜角角焊縫（圖2－4）。直角角焊縫又可分為：普通式、平坡式和深溶式（凹面式）（圖2－4）。斜角角焊縫：銳角角焊縫、鈍角角焊縫（有凸、凹面）（圖2－4）。直角角焊縫的有效厚度：圖2－4角焊縫截面型式斜角角焊縫的有效厚度：當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，（2－1）2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵角焊縫的受力情況角焊縫按其長(zhǎng)度方向與受力方向的相對(duì)位置可分為：正面角焊縫（端焊縫）、側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）、圍焊縫。側(cè)面角焊縫主要承受剪力作用。在彈性階段，應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向分布不均勻，但塑性正面角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，其破壞強(qiáng)度比側(cè)面角焊縫高，但塑性較差（圖2－6）。圖2－5側(cè)面角焊縫應(yīng)力分布較好，在規(guī)范長(zhǎng)度范圍內(nèi)，應(yīng)力分布可趨于均勻（圖2－5）。圖2－6正面角焊縫應(yīng)力分布2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑶角焊縫的尺寸限制

①最小焊腳尺寸（取整毫米數(shù)）：且②最大焊腳尺寸（取整毫米數(shù)）：

③板件邊緣(厚度為t)的角焊縫，最大焊腳尺寸尚應(yīng)符合下列要求：當(dāng)時(shí)，?。划?dāng)時(shí)，取。選擇的焊腳尺寸應(yīng)符合：④角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的限制對(duì)側(cè)焊縫：受靜力荷載時(shí)，；

受動(dòng)力荷載時(shí)，

；

對(duì)側(cè)焊縫和端焊縫：或40mm；

角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的適宜值為：⑤在搭接連接中，當(dāng)僅采用正面角焊縫時(shí)，搭接長(zhǎng)度應(yīng)或25mm。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（二）角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算⑴角焊縫計(jì)算的基本公式現(xiàn)以圖2-7所示的受力情況為例，導(dǎo)出角焊縫計(jì)算的基本公式。

Nx在焊縫有效截面上引起的沿焊縫軸線方向的剪應(yīng)力為：

Ny在焊縫有效截面上引起的垂直于焊縫軸線方向的應(yīng)力為：

將σf沿焊縫有效截面的法向和垂直于焊縫軸線的切向分解得：

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，角焊縫的強(qiáng)度條件為：2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2－7直角角焊縫的計(jì)算圖2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑴角焊縫計(jì)算的基本公式（續(xù)一）將式(2-2)、(2-4)、(2-5)代入式(2-6)得：

或?qū)懗桑菏街校害耭─正面角焊縫（端焊縫）的強(qiáng)度增大系數(shù)。其值為：承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載時(shí)：βf＝(3/2)1/2＝1.22

直接承受動(dòng)力荷載時(shí)：βf＝1.0

正面角焊縫（端焊縫），Nx＝0，即τf＝0，其算式為：

側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫），Ny＝0，即σf＝0，其算式為：

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接①角焊縫連接對(duì)稱焊件當(dāng)只有側(cè)焊縫時(shí)，按式(2-10)計(jì)算；當(dāng)只有端焊縫時(shí)，按式(2-9)計(jì)算；采用圍焊縫時(shí)，先按式(2-9)計(jì)算端縫承擔(dān)的內(nèi)力N，所余內(nèi)力(N-N)由側(cè)焊縫承擔(dān)。若承受動(dòng)力荷載作用，軸心力Ｎ由全部焊縫有效截面平均承擔(dān)(f＝1.0)。(2)角焊縫受拉力、壓力或剪力作用

②采用三面圍焊縫連接不對(duì)稱焊件(圖2－8)計(jì)算步驟：

a.選定端焊縫的hf，計(jì)算它能承擔(dān)的內(nèi)力；

b.按下式確定角鋼肢背、肢尖承擔(dān)的內(nèi)力：N1＝(b2/b)N－N3/2＝k1N－N3/2N2＝(b1/b)N－N3/2＝k2N－N3/2

c.選定側(cè)焊縫的hf，按式(2－10)求出側(cè)焊縫的lw1和lw2。若無(wú)端焊縫，則令上式中的N3＝0即可。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2－8受軸心力作用的角鋼和節(jié)點(diǎn)板焊縫連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑶角焊縫受彎矩、剪力和軸心力共同作用（圖2－9）圖2－9受彎、受剪、受拉的角焊縫計(jì)算在彎矩作用下產(chǎn)生x方向（垂直于焊縫長(zhǎng)度方向）的應(yīng)力為：在剪力作用下產(chǎn)生y方向（平行于焊縫長(zhǎng)度方向）的應(yīng)力為：在軸力作用下產(chǎn)生x方向（垂直于焊縫長(zhǎng)度方向）的應(yīng)力為：這三個(gè)應(yīng)力代入式（2－8）得2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑷角焊縫受扭矩、軸力、剪力共同作用（圖2－10）圖2－10受扭、受拉、受剪的角焊縫計(jì)算扭矩M在焊縫有效截面上引起的應(yīng)力：扭矩M引起三面圍焊最遠(yuǎn)點(diǎn)A的應(yīng)力沿x、y方向分解：式中：—焊縫計(jì)算截面（有效截面）對(duì)形心的極慣性矩；

、—焊縫角點(diǎn)到焊縫形心軸的距離。剪力V、軸力N在A點(diǎn)引起的應(yīng)力為：式(2-16b)和式(2-16c)代入式(2-8)得角焊縫計(jì)算習(xí)題2-1試驗(yàn)算圖2.1所示直角角焊縫的強(qiáng)度。已知焊縫承受的斜向靜力荷載設(shè)計(jì)值F＝280kN，θ＝60°，角焊縫的焊腳尺寸hf＝8mm，實(shí)際長(zhǎng)度l＝

155mm，鋼材為Q235-B，手工焊，焊條E43型。2-3在圖2.2所示角鋼和節(jié)點(diǎn)板采用兩邊側(cè)焊縫的連接中，N＝660kN（靜力荷載，設(shè)計(jì)值），角鋼為2∠110×10，節(jié)點(diǎn)板厚度t＝12mm，鋼材為Q235B，焊條為E43系列型，手工焊。試確定所需角焊縫的焊腳尺寸hf和實(shí)際長(zhǎng)度l。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接九、對(duì)接焊縫的受力情況及強(qiáng)度計(jì)算(一)對(duì)接焊縫的構(gòu)造要求為保證焊件熔透，當(dāng)焊件厚度大于10mm時(shí)，須對(duì)焊件接頭處進(jìn)行加工，以形成其具有規(guī)則的幾何形狀的溝槽（坡口）。對(duì)接焊縫的坡口形式（圖2－11）：直邊Ⅰ形、單邊V形、雙邊V形、U形、K形縫、X形縫等。板厚t10mmt＝10～20mmt>20mm優(yōu)點(diǎn)：用料經(jīng)濟(jì)、傳力均勻、無(wú)明顯的應(yīng)力集中，利于承受動(dòng)力荷載。

缺點(diǎn)：需開(kāi)坡口，焊件長(zhǎng)度要精確。圖2－11對(duì)接焊縫構(gòu)造2.金屬結(jié)構(gòu)的連接(二)對(duì)接焊縫的構(gòu)造處理

⑴起落弧處易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工復(fù)雜，除承受動(dòng)力荷載外，一般不用，計(jì)算時(shí)將焊縫長(zhǎng)度兩端各減去2t，t為連接件的較小厚度。

⑵變厚度板對(duì)接，在板的一面或兩面切成坡度不大于1：4的斜面，避免應(yīng)力集中。

⑶變寬度板對(duì)接，在板的一側(cè)或兩側(cè)切成坡度不大于1：4的斜邊，避免應(yīng)力集中。圖2－12不同厚度或?qū)挾鹊匿摪迤唇?.金屬結(jié)構(gòu)的連接(三)對(duì)接焊縫的強(qiáng)度計(jì)算⑴軸心受力時(shí)⑵斜向受力時(shí)⑶彎矩和剪力共同作⑷軸力、彎矩和剪力共同⑴軸心受力時(shí)對(duì)接焊縫的計(jì)算─式中N軸心拉力或壓力；Nlw─焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，無(wú)引弧板時(shí)，焊縫長(zhǎng)度取實(shí)長(zhǎng)減去2t，有引弧板時(shí)，取實(shí)長(zhǎng)。─對(duì)接焊縫的抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。教材p35表2－1。

─平接時(shí)為焊件的較小厚度，頂接時(shí)取腹板厚；t（2－17）圖2－13軸心受力的對(duì)接焊縫連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵對(duì)接斜向焊縫受力計(jì)算主要用于焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值低于構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的連接中。

優(yōu)點(diǎn)：抗動(dòng)力荷載性能較好缺點(diǎn)：較費(fèi)材料當(dāng)tg

1.5即

56.3時(shí)，可不驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度。

（2－18）（2－19）—對(duì)接焊縫抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值?！毕蚝缚p計(jì)算長(zhǎng)度。圖2－14斜向受力的焊縫2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑶彎矩和剪力共同作用時(shí)對(duì)接焊縫的計(jì)算焊縫內(nèi)應(yīng)力分布同母材。同時(shí)受彎、剪時(shí)，分別驗(yàn)算最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力。—焊縫截面抵抗矩;—焊縫截面上計(jì)算點(diǎn)處以上（以下）截面對(duì)中和軸的面積矩。對(duì)于腹板和翼緣的交界點(diǎn)，正應(yīng)力、剪應(yīng)力雖不是最大，但都比較大，所以需驗(yàn)算折算應(yīng)力。（2－20）（2－21）（2－22）圖2－15彎矩和剪力共同作用下的對(duì)接焊縫2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑷軸力、彎矩和剪力共同作用時(shí)對(duì)接焊的縫計(jì)算

牛腿和柱的對(duì)接焊縫，剪力全部由腹板承受并均勻分布，彎矩、拉力由全截面承擔(dān)，與梁計(jì)算相同，截面形式和截面上各種應(yīng)力分布見(jiàn)圖2-16。牛腿截面為非對(duì)稱，在拉力作用下全截面均勻受拉，在剪力作用下，整個(gè)腹板截面按均勻抗剪考慮，在彎矩作用下，中和軸以上受拉，中和軸以下受壓。因此圖中1、2、3、4點(diǎn)均需強(qiáng)度驗(yàn)算。點(diǎn)1為下翼緣最外緣的點(diǎn)，點(diǎn)2為下翼緣與腹板的交界點(diǎn)，點(diǎn)3為上翼緣與腹板的交界點(diǎn)，點(diǎn)4為上翼緣最外緣的點(diǎn)。圖2－16軸力、彎矩和剪力共同作用下的對(duì)接焊縫2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑷軸力、彎矩和剪力共同作用時(shí)對(duì)接焊的縫計(jì)算（續(xù)）點(diǎn)1：點(diǎn)2：點(diǎn)3：點(diǎn)4：—有效抗剪面積，—整個(gè)焊縫截面的截面積；—各個(gè)計(jì)算點(diǎn)到中和軸的距離。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接例題某主梁腹板采用圖2－17所示的對(duì)接焊縫拼接（有引弧板）。已知拼接截面處的內(nèi)力M＝980KN·m；Q＝200KN，荷載均為設(shè)計(jì)荷載值。鋼材為Q235鋼，焊條E425型，手工焊接且用普通方法檢查焊縫質(zhì)量。試驗(yàn)算對(duì)接焊縫強(qiáng)度。解：圖2－172.金屬結(jié)構(gòu)的連接

金屬結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中，局部區(qū)域受到劇烈的高溫作用，引起不均勻的加熱和冷卻，使構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形。由于在冷卻時(shí)焊縫和焊縫附近的鋼材不能自由收縮，受到約束而產(chǎn)生焊接應(yīng)力（殘余應(yīng)力）。焊接殘余應(yīng)力是自平衡應(yīng)力。焊接變形和焊接應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題之一，它直接影響結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作。十、焊接應(yīng)力與焊接變形2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（一）殘余應(yīng)力的影響⑴靜力及部分區(qū)域的應(yīng)力疊加對(duì)強(qiáng)度無(wú)影響

⑵降低構(gòu)件的剛度焊接殘余應(yīng)力的存在增大了結(jié)構(gòu)的變形，故降低了結(jié)構(gòu)的剛度。

⑶降低構(gòu)件的穩(wěn)定承載力由于剛度降低，有效截面減小，過(guò)早地進(jìn)入彈塑性區(qū)，彈性模量降低，所以穩(wěn)定承載力降低。⑷降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度殘余應(yīng)力的存在，加快了疲勞裂紋的開(kāi)展速度（雙向或三向拉應(yīng)力場(chǎng)），因此，疲勞強(qiáng)度降低。

⑸加劇低溫冷脆。

材料在低溫下呈脆性，焊接殘余應(yīng)力的同號(hào)拉力場(chǎng)會(huì)阻礙材料塑性的發(fā)展，加重了脆性因素。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（二）焊接變形的產(chǎn)生和防止焊接變形：金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中，局部區(qū)域受到很強(qiáng)的高溫作用，在此不均勻的加熱和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的變形稱為焊接變形。

焊接變形是由于焊接過(guò)程中焊區(qū)的收縮變形引起的，表現(xiàn)在構(gòu)件局部的鼓起、歪曲、彎曲或扭曲等。焊接變形對(duì)構(gòu)件的影響：

⑴安裝困難，且產(chǎn)生附加應(yīng)力；

⑵降低結(jié)構(gòu)承載能力；⑶影響結(jié)構(gòu)外觀。表現(xiàn)主要有：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形、扭曲變形等（圖2－18）。圖2－18焊接變形2.金屬結(jié)構(gòu)的連接（三）減少殘余應(yīng)力和焊接變形的方法⑴設(shè)計(jì)方面

①采用細(xì)長(zhǎng)、不采用短粗的焊縫；

②對(duì)稱布置焊縫，減小變形；

③不等高連接加不大于1/4的斜坡；

④盡量防止銳角連接；

⑤焊縫不宜過(guò)于集中，不要出現(xiàn)交叉焊縫；

⑥注意施焊方便，以保證焊接質(zhì)量。⑵制造方面

①采用合理的焊接工藝，如分段退焊、分層焊、對(duì)稱焊、鋼板分塊拼接、對(duì)角跳焊（工字形截面）等（圖2－19）；②制造過(guò)程中，采用減少殘余應(yīng)力和焊接變形的方法；

③焊后消除殘余應(yīng)力和矯正變形使結(jié)構(gòu)有一個(gè)和焊接變形相反的預(yù)變形。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2－19

合理的焊接順序212435613423212.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.4螺栓連接

§2.4.1螺栓連接的排列和構(gòu)造要求

一、螺栓的排列二、螺栓、螺栓孔圖例

§2.4.2高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能和計(jì)算

一、高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能二、一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力三、一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力四、高強(qiáng)度螺栓同時(shí)承受剪力和拉力的計(jì)算五、高強(qiáng)度螺栓群的連接計(jì)算2.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.4.1螺栓連接的排列和構(gòu)造要求一、螺栓的排列

螺栓和鉚釘?shù)呐帕型ǔ７譃椴⒘校▓D2-20(a)）和錯(cuò)列（圖2-20(b)）兩種形式。

(a)(b)圖2-20鋼板的螺栓(鉚釘)排列

螺栓在構(gòu)件上的排列應(yīng)考慮的要求

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑴受力要求

⑵構(gòu)造要求

⑶施工要求

根據(jù)以上要求，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的連接板件上螺栓和鉚釘?shù)娜菰S距離見(jiàn)表2－1。

表2－1螺栓或鉚釘?shù)淖畲蟆⒆钚∪菰S距離

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接名稱位置和方向最大容許距離(取兩者的較小值)最小容許距離中心間距外排（垂直內(nèi)力方向或順內(nèi)力方向）或中間排垂直內(nèi)力方向或順內(nèi)力方向構(gòu)件受壓力或構(gòu)件受拉力或沿對(duì)角線方向中心至構(gòu)件邊緣距離順內(nèi)力方向或垂直內(nèi)力方向剪切邊或手工氣割邊軋制邊、自動(dòng)氣割或鋸割邊高強(qiáng)度螺栓其他螺栓或鉚釘二、螺栓、螺栓孔圖例2.金屬結(jié)構(gòu)的連接§2.4.2高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能和計(jì)算2.金屬結(jié)構(gòu)的連接一、高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接只依靠被連接板件間的摩擦力傳遞剪力，以剪力等于摩擦力作為承載能力的極限狀態(tài)。高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的傳力特征是剪力超過(guò)摩擦力時(shí)，板件間發(fā)生相互滑移，螺栓桿身與孔壁接觸，開(kāi)始受剪并和孔壁承壓。以螺栓或鋼板破壞作為承載能力的極限狀態(tài)，可能的破壞形式和普通螺栓相同。⑴高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力高強(qiáng)度螺栓連接摩擦型連接承壓型連接①預(yù)拉力的控制方法2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強(qiáng)度螺栓分大六角頭型(圖2-21(a))和扭剪型(圖2-21(b))兩種，大六角頭螺栓的預(yù)拉力控制方法包括扭矩法和轉(zhuǎn)角法。

a.扭矩法一般采用可直接顯示或控制扭矩的特定扭矩扳手。扭矩法是通過(guò)控制擰緊力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)控制預(yù)拉力。優(yōu)點(diǎn)：施加預(yù)拉力簡(jiǎn)單，易實(shí)施，費(fèi)用少。缺點(diǎn)：由于連接件和被連接件的表面質(zhì)量和擰緊速度的差異，測(cè)得的預(yù)拉力值誤差大且分散，一般誤差為±25％。(a)(b)圖2-21高強(qiáng)度螺栓①預(yù)拉力的控制方法(續(xù))2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

b.轉(zhuǎn)角法先用普通扳手進(jìn)行初擰，使被連接板件相互緊密貼合，再以初擰位置為起點(diǎn)，按終擰角度，用長(zhǎng)扳手或風(fēng)動(dòng)扳手旋轉(zhuǎn)螺母，擰至該角度值時(shí)，螺栓的拉力即達(dá)到施工控制預(yù)拉力。扭剪型高強(qiáng)度螺栓(圖2－21(b))

特點(diǎn)：強(qiáng)度高，安裝簡(jiǎn)便，質(zhì)量便于控制，可以單面擰緊，對(duì)操作人員沒(méi)有特殊要求。②預(yù)拉力的計(jì)算

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值P由下式計(jì)算，并取5kN的整倍數(shù)。式中：—螺栓螺紋處的有效面積；

—螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度。式(2-23)中的系數(shù)考慮了以下幾個(gè)因素：

a.擰緊螺帽時(shí)螺栓同時(shí)受到由預(yù)拉力引起的拉應(yīng)力和由扭矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用。試驗(yàn)表明，可取系數(shù)1.2考慮擰緊螺栓時(shí)扭矩對(duì)螺桿的不利影響。

b.施工時(shí)為了彌補(bǔ)高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的松弛損失，一般超張拉5％～10％，為此考慮一個(gè)超張拉系數(shù)0.9。

c.考慮螺栓材質(zhì)的不均勻性，引入一個(gè)折減系數(shù)0.9。

d.由于以螺栓的抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)，為了安全引入一個(gè)安全系數(shù)0.9。各種規(guī)格高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的取值列于表2－2。

(2-23)表2－2一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力P2.金屬結(jié)構(gòu)的連接螺栓的性能等級(jí)

螺栓公稱直徑（mm）

M16M20M22M24M27M308.8級(jí)8012515017523028010.9級(jí)100155190225290355注：螺栓的性能等級(jí)“m.n級(jí)”，m表示螺栓成品的抗拉強(qiáng)度不小于

m×100N/mm2，.n表示螺栓材料的屈強(qiáng)比，即屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值。

⑵抗滑移系數(shù)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接摩擦面抗滑移系數(shù)的大小與連接處板件接觸面的處理方法和板件的鋼號(hào)有關(guān)。試驗(yàn)表明，此系數(shù)值隨被連接板件接觸面間的壓緊力減小而降低。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦采用的接觸面處理方法包括噴砂、噴砂后涂無(wú)機(jī)富鋅漆、噴砂后生銹以及用鋼絲刷消除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面等。各種處理方法相應(yīng)的抗滑移系數(shù)μ值列于表2－3。

表2－3摩擦面抗滑移系數(shù)μ值

在連接處構(gòu)件接觸面的處理方法

板件的鋼號(hào)

Q235鋼Q345、Q390鋼Q420鋼噴砂0.450.500.50噴砂（丸）后涂無(wú)機(jī)富鋅漆0.350.400.40噴砂（丸）后生銹0.450.500.50鋼絲刷消除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面0.300.350.40二、一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪連接的工作性能可通過(guò)連接的抗剪試驗(yàn)得到，試驗(yàn)得出的相對(duì)位移δ與作用力N的關(guān)系曲線如圖2-22所示。由曲線可見(jiàn)，試件由零載一直加載至連接破壞的全過(guò)程，經(jīng)歷了四個(gè)階段，即彈性階段、相對(duì)滑移階段、螺栓直接傳力階段和彈塑性階段。

圖2-22單個(gè)螺栓的抗剪試驗(yàn)結(jié)果⑴摩擦型連接2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接是以板件間出現(xiàn)滑動(dòng)作為抗剪承載能力的極限狀態(tài)，故其最大承載力點(diǎn)應(yīng)取板件間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的起始點(diǎn)“1”點(diǎn)。摩擦型連接的承載力取決于板件接觸面的摩擦力，而此摩擦力的大小與螺栓所受預(yù)拉力、摩擦面的抗滑移系數(shù)以及連接的傳力摩擦面數(shù)有關(guān)。因此，一個(gè)摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：式中：0.9—抗力分項(xiàng)系數(shù)的倒數(shù)；—傳力摩擦面數(shù)目，單剪時(shí)，，雙剪時(shí)，，依此類推；

P—一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)拉力，按表2－2采用；

μ—摩擦面抗滑移系數(shù)，按表2－3采用。(2-24)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接承壓型連接受剪時(shí)，從受力直到破壞的荷載－位移曲線如圖2-22所示，由于它允許接觸面滑動(dòng)并以連接達(dá)到破壞的極限狀態(tài)作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，因此承壓型連接的最大抗剪承載力應(yīng)取圖2-22曲線最高點(diǎn)，即“4”點(diǎn)。高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的計(jì)算方法與普通螺栓連接相同。一個(gè)承壓型高強(qiáng)度螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：⑵承壓型連接

式中：nv—受剪面數(shù)目，單剪時(shí)，nv＝1，雙剪時(shí)，nv＝2，依此類推；

d—螺栓桿直徑（螺栓的公稱直徑）；

—高強(qiáng)度螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按表采用。一個(gè)承壓型高強(qiáng)度螺栓承壓承載力設(shè)計(jì)值為：(2-25a)式中：—在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度；

—高強(qiáng)度螺栓承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按表采用。

(2-25b)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接

⑴摩擦型連接單個(gè)高強(qiáng)度螺栓承受外拉力時(shí)，由試驗(yàn)得知，當(dāng)外拉力大于螺桿的預(yù)拉力時(shí)，卸荷后螺桿中的預(yù)拉力會(huì)變小，即發(fā)生松弛現(xiàn)象。但當(dāng)外拉力小于螺桿預(yù)拉力的80％時(shí)，即無(wú)松弛現(xiàn)象發(fā)生。也就是說(shuō)，被連接板件接觸面間仍保持一定的壓緊力。因此，現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，在桿軸方向受拉力的高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接中，單個(gè)高強(qiáng)度螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值取為：三、一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力

⑵承壓型連接一個(gè)承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法與普通螺栓相同，按下式計(jì)算（計(jì)算結(jié)果與0.8P相差不大）。(2-26)式中：de—螺栓的有效直徑；

—螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按表采用。(2-27)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2-23高強(qiáng)度螺栓受拉力作用

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接四、高強(qiáng)度螺栓同時(shí)承受剪力和拉力的計(jì)算

⑴摩擦型連接如前所述，當(dāng)螺栓所受外拉力Nt≤0.8P時(shí)，雖然螺桿中的預(yù)拉力P基本不變，但板層間壓力減小到P－Nt。試驗(yàn)研究表明，這時(shí)接觸面的抗滑移系數(shù)μ也有所降低，而且μ值隨Nt的增大而減小。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》將Nt乘以系數(shù)1.125來(lái)考慮μ值降低的不利影響，故一個(gè)摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓有外拉力作用時(shí)的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：式中：1.111——抗力分項(xiàng)系數(shù)。(2-28)將，代人上式，則式中：Nv，Nt—某個(gè)螺栓所承受的剪力和拉力。(2-29)2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵承壓型連接同時(shí)承受剪力和桿軸方向外拉力的承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的計(jì)算方法與普通螺栓相同，即按下式計(jì)算。（2－30）此外，尚應(yīng)按下式計(jì)算孔壁承壓。（2－31）式中：—高強(qiáng)度螺栓的承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按表采用。

各種受力情況的單個(gè)高強(qiáng)度螺栓承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算式列于表2-4中。

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接表2-4單個(gè)高強(qiáng)度螺栓承載力設(shè)計(jì)值序號(hào)連接種類受力狀態(tài)計(jì)算式備注1高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接受剪受拉兼受剪拉

或：2高強(qiáng)度螺栓承壓型連接受剪剪切面在螺紋處時(shí)

受拉兼受剪拉2.金屬結(jié)構(gòu)的連接五、高強(qiáng)度螺栓群的連接計(jì)算

⑴高強(qiáng)度螺栓群的抗剪計(jì)算

①軸心力作用時(shí)軸心力作用的高強(qiáng)度螺栓群抗剪連接所需螺栓數(shù)目由下式確定。（2－31）對(duì)摩擦型連接，按式（2-24）計(jì)算。對(duì)承壓型連接，為分別按式（2-25a）與式（2-25b）計(jì)算值的較小值。當(dāng)剪切面在螺紋處時(shí)，計(jì)算應(yīng)將d改為de。

②扭矩或扭矩、剪力共同作用時(shí)高強(qiáng)度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用時(shí)的抗剪計(jì)算方法與普通螺栓群相同，但應(yīng)采用高強(qiáng)度螺栓承載力設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接a.扭矩作用時(shí)首先布置螺栓，然后計(jì)算受力最大螺栓所承受的剪力，再和一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值（取值同上）進(jìn)行比較。

計(jì)算時(shí)作如下假定：

(a)被連接構(gòu)件是剛性的，而螺栓是彈性的；

(b)各螺栓繞螺栓群形心O旋轉(zhuǎn)(圖2-24)其受力大小與其至螺栓群形心的距離成正比，力的方向與其和螺栓群形心的連線垂直。則受力最大螺栓所承受的剪力為：（2－32）圖2-24扭矩作用的螺栓群當(dāng)螺栓布置成狹長(zhǎng)帶時(shí)，例如y1＞3x1時(shí)，式（2－32）可簡(jiǎn)化為:（2－33）設(shè)計(jì)時(shí)，受力最大的一個(gè)螺栓所承受的設(shè)計(jì)剪力應(yīng)不大于高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值，即（2－34）2.金屬結(jié)構(gòu)的連接b.扭矩、剪力和軸心力共同作用時(shí)圖2-25所示的螺栓群，承受扭矩T、剪力V和軸心力N的共同作用。設(shè)計(jì)時(shí)，通常先布置好螺栓，再進(jìn)行驗(yàn)算。在扭矩T作用下，螺栓1、2、3、4受力最大為，其在x、y兩個(gè)方向的分力為:在剪力V和軸心力N的作用下，螺栓均勻受力，每個(gè)螺栓受力為:以上各力對(duì)于螺栓都是剪力，故受力最大螺栓1承受的合力N1應(yīng)滿足下式:（2－35）2.金屬結(jié)構(gòu)的連接圖2-25扭矩、剪力和軸心力共同作用的螺栓群2.金屬結(jié)構(gòu)的連接⑵高強(qiáng)度螺栓群的抗拉計(jì)算①軸心力作用時(shí)高強(qiáng)度螺栓群連接所需螺栓數(shù)目（2－36）式中：N—作用于螺栓群的軸心拉力設(shè)計(jì)值；

—單個(gè)高強(qiáng)度螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值。2.金屬結(jié)構(gòu)的連接②彎矩作用時(shí)高強(qiáng)度螺栓的外拉力總是小于預(yù)拉力P，在連接受彎矩作用(圖2-26(a))而使螺栓沿栓桿方向受力時(shí)，被連接構(gòu)件的接觸面一直保持緊密貼合，因此可認(rèn)為中和軸在螺栓群的形心軸上(圖2-26(b))，最外排螺栓受力最大。則高強(qiáng)度螺栓群因彎矩受拉時(shí)最大拉力螺栓的驗(yàn)算式為：（2－37）(a)(b)圖2-26承受彎矩的高強(qiáng)度螺栓連接

2.金屬結(jié)構(gòu)的連接高強(qiáng)度螺栓承受偏心拉力作用時(shí)，螺栓的最大拉力不得超過(guò)0.8P，能夠保證板層之間始終保持緊密貼合，端板不會(huì)被拉開(kāi)，故高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接和承壓型連接均可按普通螺栓小偏心受拉計(jì)算，即③偏心拉力作用時(shí)（2－38）式中：N1—最大受力螺栓的拉力；

N—作用于螺栓群的偏心拉力