鋼結構的連接計算及構造

關于鋼結構的連接計算及構造第一頁，共九十七頁，2022年，8月28日鋼結構連接計算及構造3.1鋼結構的連接方法、形式、表示及特點3.2對接焊縫計算3.3角焊縫計算3.4焊接殘余應力及殘余變形3.5螺栓連接3.6普通螺栓連接3.7高強螺栓連接第二頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.1鋼結構的連接方法、形式、表示及特點鋼材→構件→整體結構鋼結構的連接方法選擇的原則：傳力明確簡捷、強度可靠、保證安全，同時還須構造簡單、材料節(jié)約、施工簡便、造價降低。常用的連接方法一般采用焊接、栓接和鉚接。(a)焊縫連接；(b)鉚釘連接；(c)螺栓連接；(d)緊固件連接鋼結構的連接方法第三頁，共九十七頁，2022年，8月28日連接方法優(yōu)點缺點焊接對幾何形體適應性強，構造簡單，省材省工，易于自動化，工效高對材質要求高，焊接程序嚴格，質量檢驗工作量大鉚接傳力可靠，韌性和塑性好，質量易于檢查，抗動力荷載好費鋼、費工普通螺栓連接裝卸便利，設備簡單螺栓精度低時不宜受剪，螺栓精度高時加工和安裝難度較大高強螺栓連接加工方便，對結構削弱少，可拆換，能承受動力荷載，耐疲勞，塑性、韌性好摩擦面處理，安裝工藝略為復雜，造價略高射釘、自攻螺栓連接靈活，安裝方便，構件無須予先處理，適用于輕鋼、薄板結構不能受較大集中力第四頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊接優(yōu)點：任何形式的構件一般都可直接相連，不削弱構件截面，用料經濟，構造簡單，加工方便，連接剛度大，密封性能好，可采用全自動或半自動作業(yè)，生產效率高。缺點：焊縫附近鋼材，在高溫作用下形成熱影響區(qū)，其金相組織和力學性能發(fā)生變化，導致局部材質變脆；焊接過程中鋼材受到不均勻的加溫和冷卻，使結構產生焊接殘余應力和殘余變形，對結構的承載力、剛度和使用性能有一定的影響。常用的連接方法一般采用焊接、栓接和鉚接。第五頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊接原理鋼結構常用的焊接方法是電弧焊,包括手工電弧焊、自動或半自動埋弧焊及氣體保護焊等。手工電弧焊電路由焊條、焊鉗、焊件、電焊機與導線組成。

通電引弧后，在涂有焊藥的焊條端與焊件間產生電弧，使焊條熔化，熔滴滴入被電弧吹成的焊接溶池中，焊藥燃燒在熔池周圍形成保護氣體，稍冷后在焊縫熔化金屬表面形成熔渣，以隔絕熔池中液體金屬與氧、氮等氣體的接觸，避免形成脆性易裂化合物，焊縫金屬冷卻后與焊件熔成一體。第六頁，共九十七頁，2022年，8月28日手工電弧焊直流手工電弧焊—氬弧焊多功能焊機直流手工電弧焊施焊適于任意空間位置的焊接，特別適于焊接短焊縫所采用的焊條型號應與主體金屬相適應當不同強度鋼材焊接時應選用與強度較低鋼材相適應的焊條。第七頁，共九十七頁，2022年，8月28日自動或半自動埋弧焊自動或半自動埋弧焊主要設備是自動電焊機，沿軌道按設定速度移動，通電引弧后，使埋于焊劑下的焊絲和附近的焊劑熔化，熔渣浮在熔化的焊縫金屬上面，使融化金屬不與空氣接觸，并供給焊縫金屬以必要的合金元素，隨焊機的移動，顆粒狀焊劑不斷從料斗漏下，電弧完全被埋在焊劑之內，同時焊絲自動地邊熔化邊下降，稱為自動埋弧焊。

(沿軌道推移過程由人工控制時，稱為半自動埋弧焊)手工電弧直流/直流脈沖氬弧焊兩用機第八頁，共九十七頁，2022年，8月28日1—焊絲轉盤；2—轉動焊絲的電動機；3—焊劑漏斗；4—電源；5—熔化的焊劑；6—焊縫金屬；7—焊件；8—焊劑；9—移動方向埋弧自動電弧焊原理圖第九頁，共九十七頁，2022年，8月28日門式全自動埋弧焊機第十頁，共九十七頁，2022年，8月28日H型鋼柱上

的焊縫第十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日氣體保護焊設備來自上海怡賓機電氣體保護焊是利用惰性氣體或二氧化碳氣體作為保護介質的一種電弧熔焊方法。直接依靠保護氣體在電弧周圍形成局部的保護層，以防止有害氣體侵入，從而保持焊接過程的穩(wěn)定，氣體保護焊又稱氣電焊。

(最常用的惰性氣體是氬氣)二氧化碳氣體保護焊塑性和抗腐蝕性好，適用于全位置的焊接。但不適用于在風較大的地方施焊第十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日氣體保護焊現(xiàn)場西湖國際大廈施工現(xiàn)場采用二氧化碳氣體保護施焊第十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日杭州廣播電視新樓施工現(xiàn)場采用二氧化碳氣體保護施焊第十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日電阻焊電阻焊是利用電流通過焊件接觸點表面電阻所產生的熱來熔化金屬，再通過加壓使其焊合。電阻焊只適用于板疊厚度不大于12mm的焊接。對冷彎薄壁型鋼構件，電阻焊可用來綴合壁厚不超過3.5mm的構件。第十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日第十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日氣焊第十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日第十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊縫的形式與構造1.按構件的相對位置分：對接連接、搭接連接、Ｔ形連接、角接連接四種第十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日第二十頁，共九十七頁，2022年，8月28日對接焊縫直縫斜縫角焊縫端縫側縫斜焊縫2.按焊縫的種類分第二十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.按施焊位置分俯焊立焊橫焊仰焊第二十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日(a)對接連接；(b)用拼接蓋板的對接連接；(c)搭接連接；(d)、(e)T型連接；(f)、(g)角部連接焊縫連接的形式第二十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊縫的表示在鋼結構施工圖中的焊縫，應遵照《焊縫符號表示法》（GB324—88）和《建筑結構制圖標準》（GB/T50105）的規(guī)定予以標注。焊縫符號:主要由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成。圖形符號:表示焊縫截面的基本形式。引出線:由橫線、斜線及箭頭組成，而橫線由兩條平行的實線與虛線組成，可在實線側或虛線側標注符號，斜線和箭頭則將整個焊縫符號指向圖形的有關焊縫處。

第二十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日連續(xù)角焊縫和間斷角焊縫<=30t(受拉)<=15t(受壓)t第二十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日當焊縫分布不規(guī)則時，在標注焊縫符號的同時，宜在焊縫處加粗線（表示可見焊縫）或柵線（表示不可見焊縫），工地安裝焊縫加×號，如圖下圖。(a)可見焊縫(b)不可見焊縫(c)工地安裝焊縫焊縫標注方法第二十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日第二十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日第二十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊縫缺陷第二十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日(a)裂紋；(b)焊瘤；(c)燒穿；(d)弧坑；(e)氣孔；(f)夾渣；(g)咬邊；(h)未熔合；(i)未焊透焊縫缺陷第三十頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊縫質量檢驗《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）規(guī)定焊縫按其檢驗方法和質量要求分為一級、二級和三級。三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質量標準；設計要求全焊透的一級、二級焊縫則除外觀檢查外，還要求用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗，超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應采用射線探傷檢驗，并應符合國家相應質量標準的要求。一級焊縫超聲波和射線探傷的比例均為100%，二級焊縫超聲波探傷和射線探傷的比例均為20％且均不小于200mm。當焊縫長度小于200mm時，應對整條焊縫探傷。第三十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日鋼結構中一般采用三級焊縫，可滿足通常的強度要求，但其中對接焊縫的抗拉強度有較大的變異性，其設計值僅為主體鋼材的85%左右。因而對有較大拉應力的對接焊縫，以及直接承受動力荷載的重要焊縫，可部分采用二級焊縫，對抗動力和疲勞性能有較高要求處可采用一級焊縫。焊縫質量等級須在施工圖中標注，但三級焊縫不需標注。第三十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日螺栓連接優(yōu)點：施工工藝簡單，安裝方便，特別適用于工地安裝連接，工程進度和質量易得到保證。缺點：因開孔對構件截面有一定的削弱，且被連接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角鋼等連接件，因而比焊接連接用材較多，構造也較繁。常用的連接方法一般采用焊接、栓接和鉚接。第三十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日鉚釘連接常用的連接方法一般采用焊接、栓接和鉚接。第三十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日對接焊縫的計算對接焊縫的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊縫坡口形式與焊件厚度有關。當焊件厚度很?。ㄊ止ず?mm，埋弧焊10mm）時，可用直邊縫。對于一般厚度（6~20mm）的焊件可采用具有斜坡口的單邊V形或V形焊縫。斜坡口和根部間隙c（離縫）共同組成一個焊條能夠運轉的施焊空間，使焊縫易于焊透；對于較厚的焊件（t>20mm），則采用U形、K形和X形坡口。第三十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日(a)直邊縫；(b)單邊V形坡口；(c)V形坡口；(d)U形坡口；(e)K形坡口；(f)X形坡口對接焊縫的坡口形式第三十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日在對接焊縫的拼接處，當焊件的寬度不同或厚度相差4mm以上時，應分別在寬度方向或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大于1:2.5的斜角（圖3.11），以使截面過渡和緩，減小應力集中。（a）改變寬度；（b）改變厚度

用引弧和引出板焊接鋼板拼接第三十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日對接焊縫的強度與所用鋼材的牌號、焊條型號及焊縫質量的檢驗標準等因素有關。抗壓、抗剪強度:與母材強度相同。抗拉強度:由于三級檢驗的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉強度為母材強度的85%，而一、二級檢驗的焊縫的抗拉強度可認為與母材強度相等。第三十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日1、軸心受力的對接焊縫的計算第三十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日式中l(wèi)w—焊縫計算長度；

t—連接件的較小厚度，對T形接頭為腹板厚度； 、—對接焊縫的抗拉、抗壓強度設計值。當加引弧板較為困難而未加時，焊縫長度應減去2t。因此，在一般加引弧板施焊的情況下，所有受壓、受剪的對接焊縫以及受拉的一、二級焊縫，均與母材等強，不用計算，只有受拉的三級焊縫才需要進行計算。第四十頁，共九十七頁，2022年，8月28日2、斜向受力的對接的焊接分別驗證正應力、剪應力，有一定的近似性第四十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日式中l(wèi)w—焊縫的計算長度；加引弧板時，；不加引弧板時，；

—對接焊縫抗剪強度設計值。例GOGO第四十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日3、承受彎矩和剪力聯(lián)合作用的對接焊縫對接接頭受彎矩和剪力的聯(lián)合作用，由于焊縫截面是矩形，正應力與剪應力圖形分別為三角形與拋物線形，其最大值應分別滿足下列強度條件。對接焊縫受彎矩和剪力聯(lián)合作用第四十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日

(3.2)

(3.3)式中，WW—

焊縫截面模量；

SW—

焊縫截面面積矩；

IW—

焊縫截面慣性矩。工字形截面梁的接頭，采用對接焊縫，除應分別驗算最大正應力和剪應力外，對于同時受有較大正應力和較大剪應力處，例如腹板與翼緣的交接點處，還應按下式驗算折算應力：（3-4）例3-2P47第四十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.承受彎、剪、軸力共同作用的對接焊縫對稱工字形截面當工字型鋼梁同時承擔彎矩、剪力、軸力共同作用時：彎矩、軸力由全截面共同承擔，剪力由腹板承擔第四十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日第四十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日第四十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日角焊縫的構造一、角焊縫的形式直角角焊縫普通型深熔直角焊縫平坡凸形斜角角焊縫斜銳焊縫斜鈍焊縫斜凹角焊縫第四十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日大量試驗結果表明，側面角焊縫主要承受剪應力。塑性較好，彈性模量低（N/mm2），強度也較低。正面角焊縫的靜力強度高于側面角焊縫，但塑性差。第四十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日二、最小焊角尺寸第五十頁，共九十七頁，2022年，8月28日三、最大焊角尺寸第五十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日四、角焊縫最小計算長度五、側面角焊縫最大計算長度第五十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日每條側焊縫的長度不宜小于兩側面角焊縫之間的距離。兩側面角焊縫之間的距離b也不宜大于16t(t＞12mm)或190mm（t≤12mm）,t為較薄焊件的厚度。在搭接連接中，當僅采用正面角焊縫時，其搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，也不得小于25mm。焊縫長度及兩側焊縫間距

搭接連接第五十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日桿件與節(jié)點板的焊縫連接(a)兩面?zhèn)群福╞）三面圍焊（c）L形圍焊第五十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日角焊縫的計算單焊縫的三種破壞形式焊縫剪壞焊縫拉壞焊縫斷裂

第五十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日直角角焊縫：計算截面為450斜截面普通形平坡凸形等邊凹形第五十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日斜角角焊縫第五十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日1、當平行于焊縫長度方向時，（側面焊縫）第五十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日2、當垂直于焊縫長度方向時，(正面焊縫)第五十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日3、在其它力和各種力綜合作用時第六十頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.承受軸心力角鋼的角焊接連接（1）側面焊接連接時設N1N2分別為角鋼肢背，肢尖承受的內力第六十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日第六十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日（2）角鋼用三面圍焊時N3作用在正面角焊縫的中間，所以N1、N2個分一半第六十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日（3）角鋼用L形圍焊第六十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日5、彎矩、軸力、剪力共同作用頂接連接角焊縫計算第六十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日第六十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.4焊接殘余應力和焊接變形(a）、(b）縱橫向收縮；(c)面內彎曲變形；(d)角變形；(e)變曲變形；(f)扭曲變形；(g)薄板失穩(wěn)翹曲變形圖3.27焊接殘余變形類別示意圖第六十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊接殘余應力和焊接變形的危害1、焊接應力的影響

對結構靜力強度無影響降低結構的剛度對低溫冷脆的影響是決定性的對結構的疲勞強度有明顯不利影響2、焊接變形的影響焊接變形不但影響結構的尺寸和外形美觀，而且有可能降低結構的承載能力，引起事故。第六十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日焊接殘余應力和焊接變形的防止措施（1）合理的焊縫設計合理的選擇焊縫的尺寸和形式，盡量采用較小的焊縫尺寸。盡可能能減少不必要的焊縫——不適當?shù)卮罅坎捎眉觿爬?。合理地安排焊縫的位置——盡量對稱于中性軸，或接近中性軸盡量避免焊縫的過分集中和交叉——加勁肋進行切角盡量避免在母材厚度方向的收縮應力（2）合理的工藝措施采用合理的焊接順序和方向——先焊工作時受力較大的焊縫或收縮量較大的焊縫。采用反變形法錘擊或輾壓焊縫——在剛焊完時進行。錘擊應保持均勻、適度，避免錘擊過分產生裂紋。對于小尺寸焊件焊前預熱returnGOGO第六十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.5螺栓連接普通螺栓連接按受力情況可分為抗剪連接和抗拉連接，也有同時抗剪和抗拉的?？辜暨B接又有單面受剪和雙面受剪以及多面受剪等不同情況。普通螺栓抗剪連接通普通螺栓抗拉連接第七十頁，共九十七頁，2022年，8月28日1、螺栓的排列螺栓在構件上排列應簡單、統(tǒng)一、整齊而緊湊，通常分為并列和錯列兩種形式。

螺栓的排列return第七十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日2、螺栓在構件上的排列應滿足受力、構造和施工要求：（1）受力要求：在受力方向螺栓的端距過小時，鋼材有剪斷或撕裂的可能。各排螺栓距和線距太小時，構件有沿折線或直線破壞的可能。對受壓構件，當沿作用方向螺栓距過大時，被連板間易發(fā)生鼓曲和張口現(xiàn)象。（2）構造要求：螺栓的中矩及邊距不宜過大，否則鋼板間不能緊密貼合，潮氣侵入縫隙使鋼材銹蝕。（3）施工要求：要保證一定的空間，便于轉動螺栓板手擰緊螺帽。第七十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日GO第七十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日3、螺栓的其他構造要求螺栓連接除了滿足上述螺栓排列的容許距離外，根據不同情況尚應滿足下列構造要求：（1）為了使連接可靠，每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭的一端，永久性螺栓數(shù)不宜少于兩個。但根據實踐經驗，對于組合構件的綴條，其端部連接可采用一個螺栓。（2）對直接承受動力荷載的普通螺栓連接應采用雙螺帽或其他防止螺帽松動的有效措施。例如采用彈簧墊圈，或將螺帽或螺桿焊死等方法。第七十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日（3）由于C級螺栓與孔壁有較大間隙，只宜用于沿其桿軸方向受拉的連接。承受靜力荷載結構的次要連接、可拆卸結構的連接和臨時固定構件用的安裝連接中，也可用C級螺栓受剪。但在重要的連接中，不得采用C級螺栓。應優(yōu)先采用高強度螺栓。（4）沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板（法蘭板），應適當加強其剛度（如加設加勁肋），以減少撬力對螺栓抗拉承載力的不利影響。第七十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日4、孔、螺栓圖例第七十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日普通螺栓連接計算抗剪螺栓----依靠螺桿抗剪和螺桿對孔壁的承壓，傳遞垂直于螺栓的外力抗拉螺栓----依靠螺桿受拉傳遞平行于螺桿的外力第七十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日1、抗剪普通螺栓連接構造破壞形式主要有

a）螺栓剪斷

b）鋼板孔壁擠壓破壞

c）鋼板由于螺孔削弱而凈截面拉斷

d）構件端部被剪壞

e）螺栓彎曲破壞通過計算避免通過構造避免第七十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日第七十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日螺栓剪斷第八十頁，共九十七頁，2022年，8月28日第八十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日第八十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日第八十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日當構件上的螺孔端距大于2d0，就可避免第八十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日當螺栓的夾緊長度不超過直徑的5倍，就可避免第八十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日普通受剪螺栓受力狀態(tài)：