鋼結構的連接

關于鋼結構的連接大綱要求1.了解鋼結構連接的種類及各自的特點；2.了解焊接連接的工作性能，掌握焊接連接的計算方法及構造要求；3.了解焊接應力和焊接變形產生的原因及其對結構工作的影響；4.了解螺栓連接的工作性能，掌握螺栓連接的計算和構造要求。第2頁,共135頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)

連接分類及特點一、概述

連接焊縫連接緊固件連接對接焊縫角焊縫鉚釘螺栓焊透部分焊透正面角焊縫側面角焊縫斜焊縫普通螺栓高強度螺栓摩擦型承壓型(a)焊縫連接；(b)鉚釘連接；(c)螺栓連接第3頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（a）焊縫連接

對接焊縫連接優(yōu)點：不削弱截面，方便施工，連接剛度大；缺點：材質易脆，存在殘余應力，對裂紋敏感。

角焊縫連接第一節(jié)

連接分類及特點第4頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（b）螺栓連接

優(yōu)點：連接剛度大，傳力可靠；

分為：

普通螺栓連接高強度螺栓連接（c）鉚釘連接N缺點：對施工技術要求很高，勞動強度大，施工條件差，施工速度慢。第5頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（1）焊縫連接方法及其特點1.手工電弧焊A、焊條的選擇：焊條應與焊件鋼材相適應。原理：利用電弧產生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

二，焊接連接

焊機導線熔池焊條焊鉗保護氣體焊件電弧第6頁,共135頁，2024年2月25日，星期天Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--5518)Q345鋼選擇E50型焊條(E5000--5048)B、焊條的表示方法：E—焊條(Electrode)第1、2位數字為熔融金屬的最小抗拉強度（kgf/mm2)第3、4適用焊接位置、電流及藥皮的類型。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強度鋼材相適應的焊條。缺點：質量波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，效率低。優(yōu)點：方便，特別在高空和野外作業(yè)，小型焊接；Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)C、優(yōu)、缺點第7頁,共135頁，2024年2月25日，星期天2.埋弧焊（自動或半自動）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動焊第8頁,共135頁，2024年2月25日，星期天A、焊絲的選擇應與焊件等強度。B、優(yōu)、缺點：

優(yōu)點：自動化程度高，焊接速度快，勞動強度低，焊接質量好。

缺點：設備投資大，施工位置受限等。送絲器機器第9頁,共135頁，2024年2月25日，星期天3.氣體保護焊

優(yōu)點：焊接速度快，焊接質量好。缺點：施工條件受限制等。第10頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（被連接鋼材的相互位置）對接連接搭接連接T型連接角部連接焊縫連接形式

（2）焊縫連接形式及焊縫種類1.焊縫連接形式圖3.3T形連接圖3.4搭接連接第11頁,共135頁，2024年2月25日，星期天搭接角部連接T形連接對接搭接第12頁,共135頁，2024年2月25日，星期天焊縫連接形式圖3.5焊縫連接的形式(a)對接連接；(b)用拼接蓋板的對接連接；(c)搭接連接；(d)、(e)T形連接；(f)、(g)角部連接第13頁,共135頁，2024年2月25日，星期天2.焊縫形式（1）對接焊縫正對接焊縫T型對接焊縫斜對接焊縫

在兩焊件連接面的間隙內，用熔化的焊條金屬填塞，并與焊件熔化部分相結合，形成的焊縫稱為對接焊縫。又分為全熔透和部分熔透(非熔透)兩種。第14頁,共135頁，2024年2月25日，星期天2.焊縫形式（2）角焊縫

焊縫金屬填充在被連接件形成的直（斜）角區(qū)域內的焊縫稱為角焊縫,應用廣泛。第15頁,共135頁，2024年2月25日，星期天平焊（俯焊）橫焊立焊仰焊

圖3.8焊縫施焊位置(a)平焊；(b)橫焊；(c)立焊；(d)仰焊3.焊縫的施焊方位第16頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（3）焊縫缺陷及焊縫質量控制1.焊縫缺陷第17頁,共135頁，2024年2月25日，星期天2.焊縫質量檢查外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸；內部無損探傷：檢驗內部缺陷。

內部檢驗主要采用超聲波，有時還用磁粉檢驗熒光檢驗等輔助檢驗方法。還可以采用X射線或γ射線透照或拍片。第18頁,共135頁，2024年2月25日，星期天《鋼結構工程施工及驗收規(guī)范》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；

一、二級焊縫除外觀檢查外，尚要求一定數量的超聲波檢驗并符合相應級別的質量標準。第19頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

設計中對焊縫質量等級不應提出不恰當的要求。

《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017--2010）中，對焊縫質量等級的選用有如下規(guī)定：

(1)需要進行疲勞計算的構件中，垂直于作用力方向的橫向對接焊縫受拉時應為一級，受壓時應為二級。3.焊縫質量等級及選用(2)在不需要進行疲勞計算的構件中，凡要求與母材等強的受拉對接焊縫應不低于二級；受壓時宜為二級。第20頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

（３）重級工作制和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的Ｔ形接頭焊透的對接與角接組合焊縫，不應低于二級。（４）角焊縫質量等級一般為三級，直接承受動力荷載且需要驗算疲勞和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級工作制吊車梁的角焊縫的外觀質量應符合二級。第21頁,共135頁，2024年2月25日，星期天4.焊縫圖紙表示焊縫代號由引出線、圖形符號和輔助符號三部分組成。表3.1焊縫符號第22頁,共135頁，2024年2月25日，星期天表3.1焊縫符號續(xù)表第23頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

焊縫分布比較復雜或用上述標注方法不能表達清楚時，在標注焊縫代號的同時，可在圖形上加柵線表示，甚至可加注必要的說明，直至表達清楚。(a)正面焊縫；(b)背面焊縫；(c)安裝焊縫三、鉚釘、螺栓連接

1.鉚釘連接

已不用2.普通螺栓連接

普通螺栓連接施工較簡便，拆裝也很方便，它是安裝連接的一種重要方法。第24頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

螺栓材料的性能統(tǒng)一用螺栓的性能等級來表示，分為A、B、C三個級別。A、B級為精制螺栓,用于機械，有“5.6級”和“8.8級”?？诪镮類孔。C級為粗制螺栓，用于建筑，有“4.6級”和“4.8級”，由未經加工的圓鋼壓制而成。成孔一般采用在單個零件上一次沖成或不用鉆模鉆成，屬Ⅱ類孔。小數點前的數字“4”、“5”、“8‘’表示螺栓材料的抗拉強度不小于400N/mm2、500N/mm2和800N/mm2，小數點及后面的數字“0.6”、“0.8”表示螺栓材料的屈強比。

第25頁,共135頁，2024年2月25日，星期天3.高強度螺栓連接

高強度螺栓采用高強度鋼材制成。分8.8級、10.9級

，螺母和墊圈也采用經過熱處理的45號和35號鋼制成。高強度螺栓連接分為摩擦型高強度螺栓連接和承壓型高強度螺栓連接?？滓话悴捎芒蝾愩@孔，孔徑比螺栓桿公稱直徑大1.5～2mm(摩擦型)或1～1.5mm(承壓型)。

摩擦型連接的剪切變形小，彈性性能好，抗疲勞性能好，特別適用于承受動力荷載的結構。

承壓型高強度螺栓連接的承載力比摩擦型的高，可節(jié)約螺栓，但剪切變形稍大，一般用于承受靜力荷載。

第26頁,共135頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)

對接焊縫連接設計一、對接焊縫的構造對接焊縫的焊件為了保證焊透常需做成坡口，故又叫坡口焊縫。坡口形式有直線形(不切坡口)、半V形(單邊V形)、全V形、雙V形(X形)、U形、K形。坡口形式與焊件厚度有關。坡口形式和尺寸一般由施工單位根據《建筑鋼結構焊接技術規(guī)程》的規(guī)定再結合本企業(yè)的經驗確定。對于較厚的焊件(t>20mm)，則采用U形、K形和X形坡口。對于V形縫和U形縫需對焊縫根部進行補焊。第27頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(a)直邊縫；(b)(g)單邊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頁,共135頁，2024年2月25日，星期天不同寬度和厚度板件的拼接

在對接焊縫的拼接處，當板寬或板厚不同時，規(guī)范規(guī)定：當焊件的寬度不同或厚度在一側相差4mm以上時，應分別在寬度或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大于1:2.5的斜角。但對于直接承受動力荷載且需要驗算疲勞的結構，圖中斜角坡度不應大于1:4。第29頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

焊縫的起滅弧處，常會出現弧坑等缺陷，這些缺陷對承載力影響極大，故凡要求等強的對接焊縫施焊時應設置引弧板和引出板（常常簡述為引弧板），焊后將它割除。在設計中不得任意加大焊縫，避免焊縫立體交叉和在一處集中大量焊縫，同時焊縫的布置應盡可能對稱于構件形心軸，以減少應力集中現象并降低殘余應力的影響。

第30頁,共135頁，2024年2月25日，星期天二、對接焊縫的計算對接焊縫分焊透和部分焊透兩種。部分焊透的對接焊縫受力時應力狀態(tài)復雜，一般按角焊縫的方式處理。以下所述的對接焊縫除非說明均指的是焊透的。焊縫金屬的強度一般高于母材，所以對接焊縫連接的破壞通常不會在焊縫金屬部位，而是在母材或焊縫附近的熱影響區(qū)。但是，由于焊接技術問題，焊縫中難免存在氣孔、夾渣、咬邊、未焊透等缺陷。試驗證明，這些缺陷對受壓和受剪的對接焊縫影響不大，但對受拉的對接焊縫影響卻較為顯著。一、二級焊縫的抗拉強度可與母材相等，而三級焊縫允許存在的缺陷較多，其抗拉強度取為母材強度的85%。

第31頁,共135頁，2024年2月25日，星期天1.對接焊縫受軸心力作用：N

軸心拉力或壓力；

lw

焊縫的計算長度。施焊時，焊縫兩端設置引弧板和引出板時，取焊縫的實際長度；無引弧板和引出板時，取實際長度減去2t；

t

在對接接頭中連接件的較小厚度；在T形接頭中為腹板厚度；

對接焊縫的抗拉、抗壓強度設計值，見附錄1附表1.2。

僅三級焊縫的抗拉強度比母材低。故當設置引弧板和引出板時，只有三級焊縫才需按式(3.1)進行抗拉強度驗算。

第32頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(a)垂直焊縫；(b)斜向焊縫

如果用直縫不能滿足抗拉強度要求時，可采用如(b)圖所示的斜對接焊縫。計算表明，焊縫與作用力N的夾角滿足時，斜焊縫長度的增加能抵消抗拉強度的不足，可不再進行驗算。

采用對接焊縫通常為二級,必要時取一級。第33頁,共135頁，2024年2月25日，星期天2.對接焊縫承受彎矩和剪力的共同作用M、V

焊縫截面所承受的彎矩、剪力；Ww、Iw

焊縫截面對中性軸的抗彎模量和慣性矩，注意無引弧板和引出板時，每條焊縫的計算長度等于實際長度減去2t；Sw

計算剪應力處以上焊縫截面對中性軸的面積矩；

對接焊縫的抗剪強度設計值，見附錄1附表1.2；

第34頁,共135頁，2024年2月25日，星期天對接焊縫受彎矩和剪力聯合作用圖(b)所示是工字形截面粱的對接焊縫接頭，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的腹板與翼緣交接點處，還應按下式驗算折算應力：

1、

1

驗算點處的焊縫正應力和剪應力；1.1

考慮到最大折算應力只在局部出現，而將強度設計值適當提高的系數。第35頁,共135頁，2024年2月25日，星期天3、承受軸心力、彎矩和剪力共同作用的對接焊縫

軸力和彎矩作用下對接焊縫產生正應力，剪力作用下產生剪應力，其計算公式為：τ1τmaxσ1σmax柱牛腿NV1焊縫計算截面σmax由M=Vee由N由Vh0ht第36頁,共135頁，2024年2月25日，星期天例1：簡支梁的截面荷載（含梁自重在內的設計值）如下圖所示，在距支座2.4m處有翼緣和腹板的拼接連接，試設計其拼接的對接焊縫。已知鋼材為Q235，采用E43型焊條，手工焊，三級質量標準，施焊時采用引弧板。第37頁,共135頁，2024年2月25日，星期天一、計算距支座2.4m處的截面內力二、焊縫計算截面的幾何特性第38頁,共135頁，2024年2月25日，星期天三、焊縫強度驗算1、最大正應力2、最大剪應力3、“1”點的折算應力第39頁,共135頁，2024年2月25日，星期天通過以上計算，最大正應力、最大剪應力和折算應力均滿足要求。第40頁,共135頁，2024年2月25日，星期天三、部分焊透的對接焊縫部分焊透的對接焊縫常用于外部需要平整的重型箱形截面柱和厚板T形連接。部分焊透的對接焊縫必須在設計圖上注明坡口的形式和尺寸。坡口形式分（單邊）V形、U形和J形，其強度計算方法與下節(jié)所述的直角角焊縫相似。(a)雙面V形坡口;(b)單邊V形坡口;(c)雙面單邊V形坡口；(d)U形坡口；(e)J形坡口第41頁,共135頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)角焊縫連接設計一、角焊縫形式角焊縫受力特點與對接焊縫完全不同，其的應力狀態(tài)要復雜得多，且容易引起應力集中現象，但對被連接件加工精度要求低、施工方便而常常被采用。角焊縫一般用于搭接連接和T形連接。焊縫長度方向垂直于力作用方向稱為正面角焊縫（亦稱端焊縫）、平行于力作用方向稱為側面角焊縫（亦稱側焊縫）、如圖。第42頁,共135頁，2024年2月25日，星期天正面角焊縫

受力復雜，截面中的各面均存在正應力和剪應力，焊根處存在著很嚴重的應力集中。正面角焊縫的破壞強度高于側面角焊縫，但塑性變形能力差。caτxy正面角焊縫的應力狀態(tài)NNcb2NacaobτxyσxτyxabτyxcaσxabσyN2N第43頁,共135頁，2024年2月25日，星期天正面角焊縫的破壞形式第44頁,共135頁，2024年2月25日，星期天側面角焊縫主要承受剪應力，塑性較好，彈性模量低，強度也較低。傳力線通過時產生彎折，應力沿焊縫長度方向的分布不均勻，呈兩端大而中間小的狀態(tài)。焊縫越長，應力分布不均勻性越顯著，但在屆臨塑性工作階段時，產生應力重分布，可使應力分布的不均勻現象漸趨緩和。側焊縫的應力和破壞截面N剪切破壞面Nτf第45頁,共135頁，2024年2月25日，星期天斜焊縫斜焊縫的受力性能介于側面角焊縫和正面角焊縫之間。

θ為試驗焊縫與試件水平方向的夾角。角焊縫應力與變形關系正面角焊縫側面角焊縫斜角角焊縫側縫端縫50040030020010021焊縫變形（mm）焊縫平均應力N/alw（N/mm2）θ=0o30o60oθ=90oθ試驗焊縫NN第46頁,共135頁，2024年2月25日，星期天角焊縫沿長度方向：連續(xù)角焊縫、斷續(xù)角焊縫。連續(xù)角焊縫:受力性能較好，主要的形式。斷續(xù)角焊縫:起、滅弧處容易引起應力集中，只用于次要構件的連接或受力很小的連接中。間斷角焊縫焊段的長度不得小于10hf或50mm;間斷角焊縫的間斷距離l不宜過長，以免連接不緊密，潮氣侵入引起構件銹蝕。受壓構件中應滿足l≤15t；受拉構件中l(wèi)≤30t，t為較薄焊件的厚度。第47頁,共135頁，2024年2月25日，星期天hehfhf等焊角（凸形）hehf1.5hf不等焊角1、角焊縫的形式:二、角焊縫的形式和受力分析直角角焊縫、斜角角焊縫（1）直角角焊縫hehfhf等焊角（凹形）第48頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（2）斜角角焊縫對于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結構外,不宜用作受力焊縫，主要作為構造焊縫。第49頁,共135頁，2024年2月25日，星期天角焊縫的表面一般做成凸形，但對直接承受動力荷載結構中的角焊縫，為了減少應力集中，常將焊縫表面做成凹形。但是經驗表明，由于凹形表面收縮時拉應力較大，容易在焊后產生裂紋，而凸形焊縫收縮時反而不容易開裂。正面角焊縫的根部(圖中的“A”點)和趾部(圖中的“B”點)都有很大的應力集中。應力集中系數隨根部的熔深大小和焊趾處斜邊與水平邊夾角

而變。增大熔深和減小夾角

均可大大降低應力集中系數。第50頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

側面角焊縫(圖a)主要承受剪應力，塑性較好，彈性模量低，強度也較低。傳力線通過側面角焊縫時產生彎折，因而應力沿焊縫長度方向的分布不均勻，呈兩端大而中間小的狀態(tài)。正面角焊縫(圖b)由于力線彎折受力更復雜，截面中的各面均存在正應力和剪應力，焊根處存在著很嚴重的應力集中。另一方面由于在焊根處正好是兩焊件接觸面的端部，相當于裂縫的尖端。正面角焊縫的靜力破壞強度高于側面角焊縫，但塑性變形要差些。角焊縫的應力第51頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

1、最小焊腳尺寸hf.min：如果板件厚度較大而焊縫過小，則施焊時焊縫冷卻速度過快而產生淬硬組織，易使焊縫附近主體金屬產生裂紋。要求：式中，t——較厚板件的厚度，單位mm（堿性焊條例外）；計算時焊腳尺寸取整數。當焊件厚度hf≤4mm時，則最小焊腳尺寸應與焊件厚度相同，即hf=t。自動焊熔深較大，最小焊腳尺寸可減小1mm；T形連接的單面角焊縫，增加1mm。三、角焊縫的尺寸要求第52頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

2、最大焊腳尺寸hf,max

為了避免焊縫處局部過熱，減小焊件的焊接殘余應力和殘余變形，hf,max應滿足以下要求:

hf,max≤1.2t式中:t---較薄焊件厚度。tt1hf

對于板件邊緣的角焊縫,尚應滿足以下要求：

當t≤6mm時，hf,max≤t；當t>6mm時，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t第53頁,共135頁，2024年2月25日，星期天3、不等焊腳尺寸的應用：當兩焊件厚度相差懸殊時(下圖)，用等焊腳尺寸往往無法滿足最大和最小焊腳尺寸的規(guī)定。為解決這一矛盾，規(guī)范推薦采用不等焊腳尺寸。在十字形接頭中，為避免厚度為t2的板“過燒”，宜將焊腳尺寸控制在hf≤t2（且1.2t1）第54頁,共135頁，2024年2月25日，星期天4.側面角焊縫的最小計算長度

對于焊腳尺寸大而長度小的焊縫，焊件局部加熱嚴重且起落弧坑相距太近，以及可能產生的其他缺陷（氣孔，夾渣等），使焊縫可靠性降低；另外，側面角焊縫多用于搭接連接，作用力有偏心，若焊縫過小，則偏心彎矩的影響就越大，使焊縫的承載力降低。故為了使焊縫具有一定的承載力，規(guī)范規(guī)定：第55頁,共135頁，2024年2月25日，星期天5.側面角焊縫的最大計算長度

側面角焊縫在彈性工作階段沿長度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長度越長，應力集中系數越大。若焊縫長度適宜，焊縫兩端達到屈服強度后，繼續(xù)加載，應力會漸趨均勻；當焊縫長度達到一定的長度后，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：注：

1、當實際長度大于以上值時，超過部分不與考慮；

2、當內力沿側焊縫全長分布時，不受上式限制。（靜載）第56頁,共135頁，2024年2月25日，星期天6、搭接長度采用正面角焊縫的搭接連接，受力時會產生附加彎矩，搭接長度越小，附加彎矩影響越大；另外，焊縫距離越近，收縮應力也越大。因此規(guī)定：搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，也不得小于25mm。t1t2

（t1＜t2）第57頁,共135頁，2024年2月25日，星期天7、側焊縫長度與距離要求

試驗結果表明，采用兩側面角焊縫的搭接連接，連接的承載力與b/lw有關，b為兩側焊縫的距離，lw為側焊縫長度。當b/lw＞1時，連接的承載力隨著b/lw比值的增大而明顯下降。為使連接強度不致過分降低，要求b/lw≤1。避免焊縫橫向收縮，引起板件向外發(fā)生較大拱曲，b不宜大于16t(t＞12mm)或190mm(t≤12mm)，t為較薄焊件的厚度。第58頁,共135頁，2024年2月25日，星期天四、角焊縫的圍焊和繞角焊圍焊分為三面圍焊和L形圍焊。圍焊的轉角處是連接的重要部位，如在此處熄火或起落弧會加大應力集中的影響，所以所有圍焊的轉角處必須連續(xù)施焊。在非圍焊的情況下，角焊縫的端部正好在構件連接的轉角處，如此處做長度為2hf的繞角焊，可以避免起落弧缺陷引起轉角處過大的應力集中。第59頁,共135頁，2024年2月25日，星期天五、直角角焊縫的強度計算

分析計算直角角焊縫時，作如下假定和簡化處理:

①假定角焊縫破壞面與直角邊的夾角為45°；

②

不計焊縫熔入焊件的深度和焊縫表面的弧線高度，偏安全地取破壞面上等腰三角形的高為直角角焊縫的有效厚度he，he＝0.7hf。

1、基本假定he焊腳尺寸hf焊根熔深焊縫厚度有效厚度凸度焊趾一、直角角焊縫強度計算的基本公式第60頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

③有效厚度he與焊縫計算長度lw的乘積稱為破壞面的有效截面面積，并假定計算時有效截面上應力均勻分布。

2、有效截面上的應力狀態(tài)在外力作用下，直角角焊縫有效截面上有三個應力：

—正應力垂直于焊縫有效截面（面外垂直）

∥—剪應力平行于焊縫長度方向（面內平行）

—剪應力垂直于焊縫長度方向（面內垂直）

第61頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

3、直角角焊縫的強度計算基本公式⑴在通過焊縫形心的拉力、壓力或剪力作用下：對正面角焊縫：對側面角焊縫：⑵σf和τf

共同作用時：第62頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

式中σf

―按焊縫有效截面（helw

）計算，垂直于焊縫長度方向的應力；τf

―按焊縫有效截面計算，平行焊縫長度方向的應力;he―角焊縫的計算厚度；he=0.7hf

；lw―角焊縫的計算長度，有引弧板為lf；無引弧板為lf

–2hf；βf

―正面角焊縫的強度增大系數;承受靜載和間接承受動載時為1.22，直接承受動載時為1.0。第63頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

二、角焊縫的計算1、承受軸心力作用時角焊縫連接計算A、僅采用側面角焊縫連接：NNB、采用三面圍焊連接：第64頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

計算側面角焊縫的強度（確定焊縫長度）：承受斜向軸心力的角焊縫計算：將力N分解為垂直于和平行于焊縫方向的分力,利用基本公式計算。將力N分解為垂直于和平行于焊縫方向的分力則第65頁,共135頁，2024年2月25日，星期天則受斜向軸心力角焊縫的計算公式為：令：為斜焊縫強度增大系數。1.221.201.141.121.081.041.021.00

f90°70°60°50°40°30°20°0°

查

f表第66頁,共135頁，2024年2月25日，星期天A、僅采用側面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw22、承受軸心力的角鋼角焊縫計算第67頁,共135頁，2024年2月25日，星期天對于校核問題:對于設計問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2第68頁,共135頁，2024年2月25日，星期天B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第69頁,共135頁，2024年2月25日，星期天對于校核問題:對于設計問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第70頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(1)偏心軸力作用下角焊縫強度計算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet3、彎矩、軸心力和剪力聯合作用下的角焊縫連接計算第71頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(2)工字型截面梁（或牛腿）角焊縫強度計算h1σfAσfBτf對于A點：式中：Iw—全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩；

h1—兩翼緣焊縫最外側間的距離。xxhh2BB’Ah1MeFVM第72頁,共135頁，2024年2月25日，星期天對于B點：強度驗算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊縫的計算長度；

he,2—腹板焊縫截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM第73頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（3）T形截面牛腿角焊縫連接計算“A”點由彎矩產生的應力為：由剪力F產生的剪應力為：式中IW—全部焊縫有效截面對其中和軸的慣性矩；

y2—中和軸至A點的距離。

—豎直焊縫有效面積之和。第74頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

驗算：第75頁,共135頁，2024年2月25日，星期天假定:A、被連接件絕對剛性，焊縫為彈性，即：T作用下被連接件有繞焊縫形心旋轉的趨勢；B、T作用下焊縫群上任意點的應力方向垂直于該點與焊縫形心的連線，且大小與r成正比；C、在V作用下，焊縫群上的應力均勻分布。4、承受扭矩或扭矩與剪力聯合作用的角焊縫連接計算將F向焊縫群形心簡化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：該連接的設計控制點為A點和A’點第76頁,共135頁，2024年2月25日，星期天xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A點應力:將其沿x軸和y軸分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr第77頁,共135頁，2024年2月25日，星期天剪力V作用下,A點應力:A點垂直于焊縫長度方向的應力為:A點平行于焊縫長度方向的應力為:強度驗算公式：思考:以上計算方法為近似計算，為什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe第78頁,共135頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)焊接殘余應力和焊接殘余變形

一、焊接殘余應力及殘余變形的產生第79頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

鋼材在焊接時，在焊件上產生局部高溫的不均勻溫度場，高溫部分的鋼材要求較大的膨脹伸長，但受到鄰近鋼材的約束，從而在焊件內部引起較高的溫度應力，并在焊接過程中隨時間和溫度而不斷變化，這種應力稱為焊接應力。焊接應力較高的部位將達到鋼材的屈服強度而發(fā)生塑性變形，因而鋼材冷卻后將有殘存于焊件內的應力，稱為焊接殘余應力。第80頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

在焊接和冷卻過程中，由于焊件受熱和冷卻都不均勻，除產生內應力外，還會產生變形。

焊接和冷卻過程中焊件產生的變形稱為焊接變形，冷卻后殘存于焊件的變形稱為焊接殘余變形。

焊接殘余應力和變形的產生是內外因共同作用造成的：內因：鋼材本身具有熱脹冷縮的性質，而且隨溫度的升高鋼材屈服強度要大幅度降低；外因：鋼材在焊接過程中受到了不均勻的熱過程，鋼材的收縮受到了外界或內部的約束，進入了屈服階段，產生了塑性變形。第81頁,共135頁，2024年2月25日，星期天二、焊接殘余應力

1、焊接殘余應力的分類

A、縱向焊接殘余應力—沿焊縫長度方向;B、橫向焊接殘余應力—垂直于焊縫長度方向;C、沿厚度方向的焊接殘余應力

2、焊接殘余應力產生的原因（1）縱向焊接殘余應力第82頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產生不均勻的溫度場，焊縫處可達1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側溫度低、膨脹小的鋼材限制，產生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側鋼材的限制而產生拉應力。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應力可以使鋼材達到屈服強度。焊接殘余應力是無荷載的內應力，故在焊件內自相平衡，這必然在焊縫稍遠區(qū)產生壓應力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++第83頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

（2）橫向焊接殘余應力產生的原因:1、焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產生拉應力，而先焊焊縫產生壓應力，因應力自相平衡，更遠處焊縫則產生拉應力；應力分布與施焊方向有關。第84頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產生的橫向殘余應力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx第85頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（3）沿厚度方向的焊接殘余應力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產生拉應力，而先焊焊縫產生壓應力，因應力自相平衡，更遠處焊縫則產生拉應力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應力σx、σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應力σz，這三種應力形成同號(受拉)三向應力，大大降低連接的塑性。-+-321σxσyσz第86頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（4）焊接殘余應力對結構性能的影響1、對結構靜力強度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應力自相平衡，故：當板件全截面達到fy，即N=Ny時：結論：焊接殘余應力對結構的靜力強度沒有影響。+--fyfbBt第87頁,共135頁，2024年2月25日，星期天2、對結構剛度的影響A、當焊接殘余應力存在時，因截面的bt部分拉應力已經達到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作用下應變增量為：f+--bfyNN+--fyfNNbBt第88頁,共135頁，2024年2月25日，星期天因為B-b<B，所以△ε1>△ε2。結論：焊接殘余應力的存在增大了結構的變形，即降低了結構的剛度。B、當截面上沒有焊接殘余應力時，在N作用下應變增量為：

另外，對于軸心受壓構件，焊接殘余應力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力（詳見第五章）。第89頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

對于厚板或交叉焊縫，將產生三向焊接殘余拉應力，限制了其塑性的發(fā)展，增加了鋼材低溫脆斷傾向。所以，降低或消除焊接殘余應力是改善結構低溫冷脆性能的重要措施。3、對低溫冷脆的影響4、對疲勞強度的影響

在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應力通常達到鋼材的屈服強度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘余應力對結構的疲勞強度有明顯的不利影響。第90頁,共135頁，2024年2月25日，星期天三、焊接殘余變形

在焊接過程中，由于不均勻的加熱和冷卻，與焊件殘余應力相伴而生的就是焊件殘余變形。焊接區(qū)在縱向和橫向收縮時，勢必導致構件產生局部鼓曲、彎曲、歪曲和扭轉等。

焊接殘余變形包括縱橫收縮、彎曲變形、角變形、凹凸變形、扭曲變形和畸變變形等，通常是幾種變形的組合。

焊接殘余變形不僅影響結構的尺寸精度和外觀，使施工裝配困難，而且會導致構件的初彎曲、初扭曲、初偏心等，使受力時產生附加的彎矩、扭矩和變形，從而降低其強度和穩(wěn)定性。因此，任一焊接變形超過驗收規(guī)范的規(guī)定時，必須進行校正。第91頁,共135頁，2024年2月25日，星期天三、焊接殘余變形

焊接變形包括：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等，通常是幾種變形的組合。

第92頁,共135頁，2024年2月25日，星期天四、減小焊接殘余應力和焊接變形的措施1、設計上的措施；（1）焊接位置的合理安排（2）焊縫尺寸要適當（3）焊縫數量要少，且不宜過分集中（4）應盡量避免兩條以上的焊縫垂直交叉（5）應盡量避免母材在厚度方向的收縮應力2、加工工藝上的措施（1）采用合理的施焊順序（2）采用反變形處理（3）小尺寸焊件，應焊前預熱或焊后回火處理第93頁,共135頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)普通螺栓連接設計

一、普通螺栓連接構造1.最少螺栓數要求

每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭一端，螺栓數目不宜少于2個。2.螺栓排列螺栓的排列應盡量簡單、統(tǒng)一、緊湊

,常用的螺栓布置有并列和錯列兩種。

鋼結構中常用的螺栓為M20-M24，受力螺栓一般不小于M16。

第94頁,共135頁，2024年2月25日，星期天a.并列—簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構件截面削弱大；B錯列A并列中距中距邊距邊距端距b.錯列—排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構件截面削弱??；

第95頁,共135頁，2024年2月25日，星期天3.螺栓排列的要求（確定螺栓間距的依據）（1）受力要求:

垂直受力方向：為了防止螺栓應力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太?。?/p>

順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太小；

對于受壓構件：為防止連接板件發(fā)生鼓曲，中距不能太大。（2）構造要求；

螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。第96頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

（3）施工要求；為了便于扳手擰緊螺母，螺栓中距應不小于3do。根據以上要求，規(guī)范給定了螺栓的最大和最小容許間距。第97頁,共135頁，2024年2月25日，星期天圖3.55螺栓排列的最小和最大間距（a）并列時最小間距（b）錯列時最小間距（c）最大間距第98頁,共135頁，2024年2月25日，星期天三、螺栓連接的其他構造要求直接承受動荷載的普通螺栓連接應采用雙螺帽，或其他措施以防螺帽松動；C級螺栓宜用于沿桿軸方向的受拉連接，以下情況可用于抗剪連接：

1、承受靜載或間接動載的次要連接；

2、承受靜載的可拆卸結構連接；

3、臨時固定構件的安裝連接。型鋼構件拼接采用高強螺栓連接時，為保證接觸面緊密，應采用鋼板而不能采用型鋼作為拼接件；第99頁,共135頁，2024年2月25日，星期天四、普通螺栓的抗剪連接計算

普通螺栓連接按受力情況可分為三類：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頁,共135頁，2024年2月25日，星期天1.破壞類型（1）螺栓桿被剪壞

栓桿較細而板件較厚時（2）孔壁的擠壓破壞

栓桿較粗而板件較薄時（3）板件被拉斷

截面削弱過多時

以上破壞形式予以計算解決。N/2NN/2NNNN第101頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（4）板件端部被剪壞(拉豁)

端矩過小時；端矩不應小于2dONN（5）栓桿彎曲破壞螺栓桿過長；栓桿長度不應大于5d這兩種破壞構造解決N/2NN/2第102頁,共135頁，2024年2月25日，星期天2.抗剪連接的工作性能對圖示螺栓連接做抗剪試驗,即可得到板件上a、b兩點相對位移δ和作用力N的關系曲線,該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個階段,即：

(1)摩擦傳力的彈性階段(0~1段)

直線段—連接處于彈性狀態(tài)；

該階段較短，摩擦力較小。NδO1234NNabNN/2N/2第103頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(2)滑移階段(1~2段)

克服摩擦力后，板件間突然發(fā)生水平滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的距離，表現在曲線上為水平段。NδO1234abNN/2N/2

(3)栓桿傳力的彈性階段(2~3段)

該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力。栓桿除主要受剪力外、還有拉力、彎矩作用，孔壁受擠壓。由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導致的板件間摩擦力的增大，N-δ關系以曲線狀態(tài)上升。第104頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

(4)彈塑性階段(3~4段)

達到‘3’后，即使給荷載以很小的增量，連接的剪切變形迅速增大，直到連接破壞。

‘4’點（曲線的最高點）即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。NδO1234abNN/2N/2Nu第105頁,共135頁，2024年2月25日，星期天3.單個普通螺栓抗剪承載力計算

由破壞形式知抗剪螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況，故單栓抗剪承載力由以下兩式決定:nv—剪切面數目；d—螺栓桿直徑；fvb、fcb—螺栓抗剪和承壓強度設計值；參考附表1.3∑t—連接接頭一側承壓構件總厚度的較小值。單栓抗剪承載力：抗剪承載力：承壓承載力：d第106頁,共135頁，2024年2月25日，星期天剪切面數目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2第107頁,共135頁，2024年2月25日，星期天4.普通螺栓群的抗剪承載力計算（1）普通螺栓群軸心受剪N/2Nl1N/2平均值螺栓的內力分布

試驗證明,栓群在軸力作用下各個螺栓的內力沿栓群長度方向不均勻，兩端大,中間小。

當l1≤15d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)后，內力重新分布，各個螺栓內力趨于相同，故設計時假定N有各螺栓均擔。所以，連接所需螺栓數為：第108頁,共135頁，2024年2月25日，星期天

當l1>15d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)后，即使內力重新分布,各個螺栓內力也難以均勻，端部螺栓首先破壞,然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強度折減系數η與l1/d0的關系曲線。ECCS試驗曲線8.8級

M22我國規(guī)范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長連接螺栓的內力分布故，連接所需栓數：第109頁,共135頁，2024年2月25日，星期天NNbtt1b1

普通螺栓群軸心力作用下，為了防止板件被拉斷尚應進行板件的凈截面驗算。拼接板的危險截面為2-2截面:A、螺栓采用并列排列時:主板的危險截面為1-1截面:1122第110頁,共135頁，2024年2月25日，星期天NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用錯列排列時:主板的危險截面為1--1和1’--1’截面:111’1’第111頁,共135頁，2024年2月25日，星期天NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險截面為2--2和2’--2’截面:222’2’第112頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（2）普通螺栓群偏心受剪F作用下每個螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下連接按彈性設計，其假定為：

（1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；

（2）T作用下連接板件繞栓群形心轉動，各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關系，方向與ri垂直。第113頁,共135頁，2024年2月25日，星期天TxyN1TN1TxN1Tyr11

顯然，T作用下‘1’號螺栓所受剪力最大（r1最大）。由假定‘(2)’得由上式得:由力的平衡條件得：第114頁,共135頁，2024年2月25日，星期天TxyN1TN1TxN1Tyr11將上式代入可得:將N1T沿坐標軸分解得:第115頁,共135頁，2024年2月25日，星期天由此可得螺栓1的強度驗算公式為:

另外,當螺栓布置比較狹長(如y1≥3x1)時,可進行如下簡化計算：令:xi=0，則N1Ty=0第116頁,共135頁，2024年2月25日，星期天（一）普通螺栓抗拉連接的工作性能五、普通螺栓的抗拉連接

抗拉螺栓連接在外力作用下，連接板件接觸面有脫開趨勢，螺栓桿受桿軸方向拉力作用，以栓桿被拉斷為其破壞形式。（二）單個普通螺栓的抗拉承載力設計值式中：Ae--螺栓的有效截面面積；參考附表8.1

de--螺栓的有效直徑；

ftb--螺栓的抗拉強度設計值。第117頁,共135頁，2024年2月25日，星期天dedndmd公式的兩點說明：（1）螺栓的有效截面面積

因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是有效直徑de而不是凈直徑dn，現行國家標準?。旱?18頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(2）螺栓垂直連接件的剛度對螺栓抗拉承載力的影響

A、螺栓受拉時，一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞，即螺桿并非軸心受拉，當連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開的趨勢（杠桿作用），使螺桿中的拉力增加（撬力Q）并產生彎曲現象。連接件剛度越小撬力越大。試驗證明影響撬力的因素較多，其大小難以確定，規(guī)范采取簡化計算的方法，取ftb=0.8f（f—螺栓鋼材的抗拉強度設計值）來考慮其影響。第119頁,共135頁，2024年2月25日，星期天B、在構造上可以通過加強連接件的剛度的方法，來減小杠桿作用引起的撬力，如設加勁肋，可以減小甚至消除撬力的影響。第120頁,共135頁，2024年2月25日，星期天(三）普通螺栓群的軸拉設計

一般假定每個螺栓均勻受力，因此，連接所需的螺栓數為：N第121頁,共135頁，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