第20章鋼結(jié)構(gòu)的連接

第20章鋼結(jié)構(gòu)的連接

20.1鋼結(jié)構(gòu)連接的方法

橋梁鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件如梁、柱、桁架等，是由鋼板、型鋼等連接而成，而基本構(gòu)件則通過安

裝連接成整體結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的連接方式可分為焊接連接、螺栓連接和鉀釘連接三種（圖20-1）。螺栓

連接又分為普通螺栓連接和高強度螺栓連接兩種。早期的鋼結(jié)構(gòu)常采用卸釘連接，但這種連接構(gòu)造

復(fù)雜，用鋼量大，施工周期長，因此，目前已被焊縫連接和高強度螺栓連接所替代。

鋼結(jié)構(gòu)的連接不僅用于將部件組成桿件、將桿件組成承重結(jié)構(gòu)，更重要的是將桿件的內(nèi)力傳遞

給節(jié)點板或另一段桿件（當用于構(gòu)件拼接時）。若連接和接頭的承載能力小于構(gòu)件的承載能力，則構(gòu)

件的承載能力就不能充分發(fā)揮。工程實踐證明，連接設(shè)計是否合理和連接部位質(zhì)量的好壞，直接影

響著鋼結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命，而且鋼結(jié)構(gòu)連接和接頭的維修和加固往往比結(jié)構(gòu)本身的維修和加固

更困難。因此，連接在鋼結(jié)構(gòu)中占有很重要的地位，將直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的制造、安裝、經(jīng)濟指標

以及使用性能。連接的設(shè)計應(yīng)符合安全可靠、傳力明確、構(gòu)造簡單以及節(jié)約鋼材的原則。

a）b）c）

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理印TT

圖20-1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法

a）焊縫連接b）螺栓連接c）鉀釘連接

20.2焊縫連接

焊縫連接是以手工弧焊或自動、半自動埋弧焊接作為連接手段并用金屬焊條或焊絲作為材料將

鋼構(gòu)件和部件連接成整體的方法。它的優(yōu)點不需要在鋼材上開孔，截面不會受到削弱，構(gòu)造簡單，

施工方便；節(jié)省鋼材；易于采用自動化操作，生產(chǎn)效率高.

焊接連接的缺點是在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材的金相組織和力學性能會發(fā)生變化，使材料

局部變脆；焊接過程中鋼材受到不均勻的高溫和冷卻，會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，對結(jié)構(gòu)的

承載能力有不利影響。焊接結(jié)構(gòu)對裂紋很敏感，低溫冷脆問題較突出。此外，焊縫質(zhì)量易受操作人

員技術(shù)熟練程度的影響。但這些缺點都可以采用科學合理的焊接工藝來解決。

20.2.1鋼結(jié)構(gòu)中的焊接方法和焊縫連接的形式

1）焊接方法

鋼結(jié)構(gòu)的焊接方法很多，如電弧焊、電渣焊和電阻焊，其中主要采用電弧焊。電弧焊又分為手

工電弧焊、埋弧焊以及氣體保護焊。

（1）手工電弧焊

手工電弧焊是最常用的一種焊接方法。其原理是將包有藥皮的焊條和焊件分別作為電源的兩極

形成電弧，電弧的高溫可達3000℃。在高溫作用下，電弧周圍的金屬熔化成液態(tài)，形成熔池，同時

焊條中的焊絲熔化進入熔池中，與焊件的熔融金屬相互結(jié)合，冷卻后形成焊縫。焊條藥皮則在焊接

過程中產(chǎn)生氣體以保護電弧和熔化金屬，并形成焊渣覆蓋在焊縫表面，以防止氧、氮等有害氣體與

熔化金屬結(jié)合形成脆性化合物。

手工電弧焊的設(shè)備簡單、操作方便，適用范圍大，但其生產(chǎn)效率低、勞動強度大，焊接質(zhì)量在

一定程度上取決于施焊者的熟練程度。

3

手工電弧焊應(yīng)選用與焊接構(gòu)件鋼材的強度相適應(yīng)、焊縫的塑性及沖擊韌性較高、抗裂性較好的

焊條型號。對于Q235鋼采用E43型焊條（E4300-E4316）,對Q345（16Mn,16Mnq）鋼采用E50

型焊條（E5000-E5018）,對Q390（15MnV,15MnVq）鋼采用E55焊條（E5500?E5518）。其中E表

示焊條，型號中的前兩位數(shù)字表示焊條熔敷金屬的抗拉強度，以43、50、55kgf/mm2計，第3、4

位數(shù)字表示藥皮類型和適用的焊接電源要求（如交、直流和正、反接要求）。

（2）埋弧焊

埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊。焊絲進入和電弧按焊接方向的移動有專門設(shè)備控

制完成的稱為埋弧自動電弧焊；焊絲進入有專門設(shè)備控制，而電弧按焊接方向的移動靠人工操作完

成的稱為埋弧半自動電弧焊。埋弧焊所采用的焊絲和焊劑應(yīng)與焊件鋼材相匹配，應(yīng)符合國家現(xiàn)行標

準《焊接用焊絲》（GB1300）的規(guī)定。如對Q235鋼常用HO8A焊絲配合高鎰高硅型焊劑，對Q345

（16Mn,16Mnq）鋼和Q390（15MnV,15MnVq）鋼常用H08MnA、H10Mn2焊絲。

埋弧焊的優(yōu)點是工藝條件穩(wěn)定、與大氣隔離保護效果好、電弧熱量集中；熔深大、焊縫的化學

成分均勻；焊縫質(zhì)量好、塑性和韌性較高，工廠生產(chǎn)效率高。

（3）氣體保護焊

氣體保護焊是利用二氧化碳（CO?）氣體或其他惰性氣體作為保護介質(zhì)的一種電弧熔焊方法，

依靠保護氣體在電弧周圍形成局部的隔離區(qū)，以防止有害氣體的侵入，保證了焊接過程的穩(wěn)定性。

氣體保護焊的優(yōu)點是電弧熱量集中，焊接速度快，焊件熔深大，熱影響區(qū)較小，焊接變形較?。?/p>

由于焊縫熔化區(qū)不產(chǎn)生焊渣，焊接過程中能清楚地看到焊縫成型的全過程；氣體保護焊所形成的焊

縫強度比手工電弧焊高、塑性和抗腐蝕性較好，特別適用于厚鋼板或厚度100mm以上的特厚鋼板的

連接。其缺點是設(shè)備較復(fù)雜，不適用野外或有風的地方施焊。

2）焊縫連接的形式

焊縫連接接頭形式及焊縫類型可按板件相對位置、構(gòu)造和施焊位置來劃分。按板件的相對位置

可分為對接（將連接的構(gòu)件、部件或板件在同一平面內(nèi)相互連接成整體的連接方式）、搭接（將連接

的構(gòu)件、部件或板件相互重疊連接成整體的方式）、T形連接和角部連接等類型（圖20-2）。

圖20-2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

焊縫按構(gòu)造可分為對接焊縫和角焊縫兩種形式。圖20-2a）所示對接連接采用對接焊縫，特點是

用料省，傳力平順，應(yīng)力集中小，疲勞強度高，承受動力荷載性能好；但截面要開坡口，制造較費

工。圖20-2b）所示對接連接采用角焊縫與蓋板拼接，制造簡單；但用料費，通過蓋板傳力，應(yīng)力集

中現(xiàn)象較明顯，故疲勞強度低。圖20-2c）所示搭接連接采用角焊縫，其特點與圖20-2b）相同，但

施工更簡單，故在臨時結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多。圖20-2d）和圖20-2f）為采用角焊縫的T形連接，加工簡單,

但腹板焊不透，受力性能稍差。而圖20-2e）和圖20-2g）的T形連接采用K形坡口對接焊縫，可使

連接部位焊透，因此疲勞強度高。

焊縫按施焊位置可分為俯焊（又稱平焊）、立焊、橫焊和仰焊等（圖20-3）。俯焊施焊方便、焊

3

縫質(zhì)量容易得到保證，應(yīng)盡量采用。立焊和橫焊因施焊較困難，焊縫質(zhì)量和焊接效率均較俯焊低。

仰焊施焊最為困難，焊縫質(zhì)量不易得到保證，因此在設(shè)計和制作中應(yīng)使大多數(shù)焊縫能在俯焊，盡量

避免仰焊。

圖20-3焊縫的施焊位置

a）俯焊b）立焊c）橫焊d）仰焊

3）焊縫連接的缺陷及質(zhì)量檢驗

焊接接頭產(chǎn)生不符合設(shè)計或工藝要求的現(xiàn)象稱為焊縫缺陷。常見的缺陷有裂紋、焊瘤（熔化的

金屬流淌在焊縫以外的母材上所形成的金屬瘤）、燒穿（熔化金屬自坡口背面流出形成穿孔的現(xiàn)象）、

弧坑、氣孔（焊接后殘留在焊縫中的空氣所形成的空穴）、夾渣（焊接后殘留在焊縫中的熔渣）、咬

邊（沿焊趾處母材部位產(chǎn)生的溝槽或凹槽）、未熔合、未焊透以及焊縫外形尺寸不符合要求、焊縫成

形不良等。缺陷的存在將削弱焊縫的受力面積和引起應(yīng)力集中，故對連接的強度（承載能力）、塑性

和沖擊韌性等受力性能產(chǎn)生不利影響，其中裂紋的危害最大，它會導(dǎo)致產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中并易于

擴展引起斷裂。因此，必須對焊縫的質(zhì)量按連接的受力性能和所處部位進行分級檢驗。

焊縫質(zhì)量檢驗的方法一般可采用外觀檢查和無損檢驗。前者是用肉眼或低倍放大鏡等來檢查焊

縫的外觀缺陷和幾何尺寸，后者用超聲探傷、射線探傷、磁粉探傷及可滲透探傷等手段，在不損壞

被檢查焊縫性能和完整性的情況下，對焊縫質(zhì)量是否符合規(guī)定要求和設(shè)計要求所進行的檢驗。工程

上常用的無損檢驗方法有超聲波檢驗、X射線以及/射線檢驗等，其中超聲波檢驗?zāi)壳安捎米顬閺V

泛，使用靈活、對內(nèi)部缺陷反應(yīng)靈敏，但不易識別缺陷性質(zhì)，有時還用磁粉檢驗、熒光檢驗等簡單

的方法作為輔助。焊縫的質(zhì)量要求可分為一級、二級和三級。三級焊縫只要求對焊縫作外觀檢查并

應(yīng)符合三級質(zhì)量標準，二級、一級焊縫則除外觀檢查外，還要求一定數(shù)量的超聲波檢驗并應(yīng)符合相

應(yīng)級別的質(zhì)量標準，當超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應(yīng)采用射線探傷。

焊縫應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載性質(zhì)、焊縫形式、工作環(huán)境以及應(yīng)力狀態(tài)選用不同的質(zhì)量等級

要求。對需要進行疲勞計算的構(gòu)件（其對接焊縫均應(yīng)焊透），當其橫向?qū)樱ɑ騎形對接與角接組合）

焊縫受拉時應(yīng)采用一級焊縫；對直接承受動力荷載作用的其他焊縫，或雖不直接承受動力荷載作用

但要求與母材等強的受拉焊縫（焊透），應(yīng)采用二級或不低于二級的焊縫；對承受靜力荷載作用或間

接承受動力荷載作用的一般構(gòu)件，采用三級焊縫。

20.2.2對接焊縫的構(gòu)造與計算

1）對接焊縫的構(gòu)造

對接焊縫是在兩焊件坡口面之間或一焊件的坡口面與另一焊件表面之間焊接的焊縫，應(yīng)根據(jù)焊

件厚度和施工條件將焊件邊緣加工成適當形式和尺寸的坡口（指在焊接部位加工成一定形狀的溝

槽），以保證焊件在全厚度內(nèi)焊透，坡口形式的選用應(yīng)按國家標準《手工電弧基本形式與尺寸》（GB

985-80）和《埋弧焊焊接接頭的基本型式與尺寸》（GB986-80）的要求進行。

3

圖20-4對接焊縫的坡口形式

a)不開設(shè)坡口防b)V形坡口c)U形坡口d)X形坡口e)K形坡口f)單邊V形坡口

常見的坡口形式有V形、U形、X形、K形、單邊V形等(圖20-4)。各種坡口中，沿焊件厚

度方向通常有高度為〃、間隙為c的部分不開坡口，稱為鈍邊。當采用手工焊，焊件厚度f很小

(<10mm),可不開設(shè)坡口，但焊件應(yīng)保證間隙C的要求。對于一般厚度f=(10?20)mm的焊件可

采用V形坡口，對于厚度，>20的焊件可采用U形、K形或X形坡口，其中V形和U形坡口為單

面施焊，背面清根補焊。在T形或角接接頭中，以及對接接頭一邊焊件不便開設(shè)坡口時，可采用K

形、單邊V形或單邊U形坡口。

在每條焊縫的兩端，經(jīng)常因焊接時起弧、滅弧的影響而出現(xiàn)弧坑、未熔透等缺陷，容易引起應(yīng)

力集中，對承受動力作用的結(jié)構(gòu)的影響不利。因此，對接焊縫應(yīng)在兩端設(shè)置引弧板(圖20-5),引弧

板的鋼材和坡口應(yīng)與焊件相同，引弧板長度對手工焊不小于60mm,對自動焊不小于150mm。引弧

板在焊接完后用氣割切除，并將板邊沿受力方向修磨平整。當受條件限制無法放置引弧板時，焊縫

計算長度應(yīng)按實際長度減去10mm。

圖20-5對接焊縫施焊的引弧板

在鋼板寬度和厚度有變化的焊接中，當焊件寬度不等或厚度相差4mm以上時，為了使構(gòu)件受力

均勻，應(yīng)將較寬或較厚板的一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1：4的斜角，形成平緩的過渡，以減小應(yīng)力

集中(圖20-6)。當對接焊接的兩鋼板厚度之差不超過4mm時，則可采用焊縫表面斜坡來過渡。

.iIb)

比迂v二9匯盧二三

圖20-6鋼板的對接(對接焊縫)

a)改變寬度b)改變厚度

2)對接焊縫的計算

(1)軸心拉力作用的對接焊縫

當為直對接焊縫時[圖20-7a)],假設(shè)對接焊縫中的應(yīng)力分布與被連接構(gòu)件的應(yīng)力分布相同，則

與軸心拉力或壓力垂直的對接焊縫，應(yīng)按下式計算強度：

N

(7=—<[<T,](20-1)

式中N—軸心拉力；

4一焊縫的計算長度，采用引弧板時取焊縫實際長度，未采用引弧板時取實際長度減去

10mm；

f一對接焊縫中焊件的較小厚度；

[巴]一對接焊縫的抗拉容許應(yīng)力。

N———rF7"1------NN———[..7-]———N

3

圖20-7軸心受力的對接焊縫

a)直對接焊縫b)斜對接焊縫

如采用圖20-7a)所示直對接焊縫不能滿足要求時，可采用圖20-7b所示的斜對接焊縫。為計算

斜對接焊縫，把軸向拉力分解為Nsin。及NcosO,分別驗算正應(yīng)力和剪應(yīng)力，即：

?爺24閉(20-3)

W

式中6—作用力方向與焊縫長度方向間的夾角；

[T]一對接焊縫抗剪容許應(yīng)力。

《公路橋規(guī)》(JTJ025-86)規(guī)定，對接焊縫的抗拉容許應(yīng)力匕J和抗剪容許應(yīng)力工]均與被連接

鋼材的相應(yīng)容許應(yīng)力相同。但由于三級檢驗的對接焊縫質(zhì)量不易保證，其抗拉容許應(yīng)力低于被連接

鋼材的容許應(yīng)力(約為85%),因此，只有三級檢驗的承受軸心拉力的對接焊縫才需按式(20-1)、

式(20-2)和式(20-3)進行強度驗算。

(2)彎矩和剪力共同作用的對接焊縫

圖20-8對接焊縫承受彎矩和剪力共同作用

a)矩形截面對接焊縫b)工字形截面對接焊縫

對于采用對接焊縫的鋼板拼接[圖20-8a)],受到彎矩和剪力共同作用時，對接焊縫的最大正應(yīng)

力和最大剪應(yīng)力不在同一點出現(xiàn)，焊縫強度可分別計算：

M

<r=—<[0-1(20-4)

VS

r=y^<[r](20-5)

式中M、V一彎矩和剪力計算值：

心一焊縫截面模量；

Sw一焊縫截面面積矩；

/w一焊縫截面慣性矩。

對于采用對接焊縫的T形或工字形截面梁，當正應(yīng)力和剪應(yīng)力在同一位置均較大，例如圖20-8

b)所示腹板與翼緣的交接處，除應(yīng)按式(20-4)和式(20-5)分別驗算對接焊縫最大正應(yīng)力和剪應(yīng)

力外，還應(yīng)按下式驗算腹板和翼緣交接處對接焊縫的折算應(yīng)力：

Jcr；+3.41gl(20-6)

式中/、/分別為腹板與翼緣交接處焊縫的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；而式中的1」為考慮最大折算應(yīng)力只

在局部出現(xiàn)的強度提高系數(shù)。

(3)軸心力、彎矩和剪力共同作用的對接焊縫

3

對接焊縫上同時作用有軸力、彎矩和剪力時，焊縫的最大正應(yīng)力為軸力與彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力之

和，剪應(yīng)力按式（20.5）驗算，折算應(yīng)力按式（20.6）驗算。

20.2.3角焊縫的構(gòu)造與計算

1）角焊縫的構(gòu)造

（1）角焊縫的形式

角焊縫是指兩焊件形成一定角度相交面上的焊縫，按受力方向和位置可分為垂直于受力方向的

正面角焊縫；平行于受力方向的側(cè)面角焊縫；傾斜于受力方向的斜向角焊縫；垂直于受力方向角焊

縫和平行于受力方向角焊縫組成的周圍角焊縫。按截面形式可分為兩焊腳邊夾角為宜角的直角角焊

縫（圖20-9）和夾角為銳角或鈍角的斜角角焊縫（圖20-10）。

圖20-9直角角焊縫截面圖20-10斜角角焊縫截面

a）普通焊筵b）平坡焊縫c）深熔焊縫a）斜銳角焊縫b）斜鈍角焊縫c）斜凹面鈍角焊健

直角角焊縫的截面形式有普通焊縫（等邊）、平坡焊縫和深熔焊縫。一般采用普通直角焊縫［圖

20-9a）1，但普通直角焊縫受力時力線彎折，應(yīng)力集中嚴重，在焊縫根部容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此在

直接承受動力荷載的直角焊縫連接中常采用兩焊腳尺寸比例為1:1.5的平坡焊縫［圖20-9b）］或如圖

20-9c）所示的深熔直角焊縫。圖中％為角焊縫的焊腳尺寸，它是在角焊縫橫截面中畫出最大等腰三

角形的等腰邊長度。丸=九cos45。a0.7%稱為角焊縫的有效厚度（指在角焊縫橫截面中所畫出最大

等腰三角形的等腰高度）。

斜角角焊縫常用于鋼管結(jié)構(gòu)中。對于135?；颉?lt;60。的斜角斜焊縫，除了鋼管結(jié)構(gòu)外，不宜

用作受力焊縫。計算時取有效厚度人=/?,cos—（當a>90。時）或〃=0.74（當a490°時），如

cf2

圖20-10所示。

（2）角焊縫尺寸的構(gòu)造要求

①最大焊腳尺寸

如果焊腳尺寸脫過大，在施焊時導(dǎo)致熱量集中，焊縫冷卻收縮時容易產(chǎn)生較大的焊接殘余變形

和三向焊接殘余應(yīng)力，還使熱影響區(qū)擴大，容易產(chǎn)生脆性斷裂；焊腳尺寸過大還可能使較薄的焊件

燒穿；并且當焊腳尺寸與板件邊緣等厚時，易產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象。因此，要求最大焊腳尺寸441.2a?［圖

20-lla）］,a”為較薄焊件的厚度。對于圖20-11b）所示的板件邊緣的角焊縫還應(yīng)滿足當八46mm時,

h（<；或當r|>6mm時，hf<tx-（l~2）mm,4為較薄焊件厚度。

a)口

圖20-11最大焊腳尺寸

a）一般角焊縫b）板件邊緣角焊縫

②最小焊腳尺寸

焊腳尺寸太小會使焊縫存在缺陷或尺寸不足而影響承載能力，同時，若焊件較厚，焊縫冷卻速

度快，則在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生淬硬組織，容易形成收縮裂紋。因此，角焊縫的最小焊腳尺寸應(yīng)滿足

421.5〃二（mm）,4?為較厚焊件的厚度。對埋弧自動焊，兒可減少1mm；對T形連接的單面

3

角焊縫應(yīng)增加1mm；當，血”44nlm時，取/?=f。

③側(cè)面角焊縫的最大計算長度

側(cè)面角焊縫的應(yīng)力沿長度分布不均勻，兩端大、中間小。焊縫越長其應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象就

越嚴重，焊縫端部的應(yīng)力將首先達到極限強度而破壞，此時焊縫中部尚未能充分發(fā)揮其承載能力。

因此規(guī)定側(cè)面角焊縫承受動載時，計算長度44504,承受靜載時，計算長度50%,當大于

此規(guī)定時，超過的部分在計算中不予考慮。若內(nèi)力沿側(cè)面角焊縫全長分布時（如焊接工字形梁翼緣

與腹板的連接縫），其計算長度不受此限制。

④角焊縫的最小計算長度

焊縫的計算長度太小會使施焊時起弧點與滅弧點的距離太近，將使焊件的局部加熱嚴重，焊縫

缺陷集中造成應(yīng)力集中，使焊縫不夠可靠。因此，角焊縫的最小計算長度應(yīng)滿足4284（自動焊）

和不小于40mm（手工焊）的要求。

⑤搭接連接的構(gòu)造要求

在搭接連接中，搭接長度應(yīng)不小于5及25mm（圖20-12）,g-為接頭較薄焊件的厚度，且

不應(yīng)只采用一條正面角焊縫來傳力，以保證更好地傳力、減少焊接收縮應(yīng)力和搭接接頭偏心影響產(chǎn)

生的次應(yīng)力。

>5,min

圖20-12搭接連接的角焊縫

當板件端部僅有兩條側(cè)面角焊縫連接時（圖20-13）,為了避免應(yīng)力傳遞過分彎折而使構(gòu)件中的

應(yīng)力不均勻，每條側(cè)面角焊縫的計算長度應(yīng)大于兩側(cè)面焊縫之間的間距，即為了避免焊縫

橫向收縮時引起板件拱曲過大，間距b應(yīng)滿足64160“（/min>12mm時）或200mm（tmin<12mm時）。

當不滿足此規(guī)定時，應(yīng)加正面角焊縫。

圖20-13焊縫長度及兩側(cè)焊縫間距

構(gòu)件轉(zhuǎn)角處截面突變，會產(chǎn)生應(yīng)力集中。當角焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時，為避免起滅弧的缺

陷加劇應(yīng)力集中的影響，可按圖20-13作長度為的2%的繞角焊，且必須連續(xù)施焊，不能斷焊。同

理，當采用周圍角焊縫時，在轉(zhuǎn)角處也必須連續(xù)施焊。

（3）角焊縫的受力特點

側(cè)面角焊縫主要承受平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)力r作用。在彈性階段，應(yīng)力沿焊縫長度方向

分布不均勻，兩端大、中間?。蹐D20-14a）］,但塑性較好，可產(chǎn)生應(yīng)力重分布。進入彈塑性階段后，

在不超過最大計算長度的規(guī)定時，應(yīng)力分布可趨于均勻。破壞常由兩端開始，在出現(xiàn)裂紋后，即很

快地沿焊縫有效截面（最小截面）迅速斷裂。

3

b)

a)

圖20-14角焊縫及其應(yīng)力分布

a）側(cè)面角焊縫b）正面角焊縫

正面角焊縫內(nèi)應(yīng)力沿焊縫長度方向比較均勻，兩端比中間略低。但應(yīng)力狀態(tài)比側(cè)面角焊縫復(fù)雜,

兩焊腳邊均有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，且分布不均勻[圖20-14b）]。在有效截面上有垂直于

焊縫長度方向的剪應(yīng)力Q和正應(yīng)力4的作用。由于在焊縫根角處存在應(yīng)力集中，故裂紋首先在此處

產(chǎn)生，隨即整條焊縫斷裂。正面角焊縫的破壞可能發(fā)生在兩焊腳邊或沿角焊縫45°方向的焊縫有效

截面（最小截面）上?正面角焊縫剛度大、塑性差，破壞時變形小，但強度較高，其平均破壞強度

是側(cè)面角焊縫的強度的1.35?1.55倍。

為了計算簡化，假定應(yīng)力沿焊縫計算長度線性分布，不論受到哪種應(yīng)力作用，均按受剪計算；，

不考慮正面角焊縫的強度提高。

2）角焊縫的計算

（1）軸心力作用下角焊縫的計算

根據(jù)上述簡化假定，當構(gòu)件承受軸心力作用時，正面角焊縫和側(cè)面角焊縫的強度按計算式為:

式中N一作用于連接構(gòu)件的軸向力計算值：

上一角焊縫的有效厚度；

Z/“一連接一側(cè)共同負擔同一方向力的角焊縫的總計算長度，其中每條連續(xù)施焊的手工焊縫

實際長度減去10mm,對自動焊的焊縫按實際長度計算；

[t（]—角焊縫的容許應(yīng)力，其值按焊件鋼材的容許剪應(yīng)力取用。如焊件為Q235鋼，取

22

[Tf]=85N/mm；焊件為Q345鋼，J=120N/mm?

例20-1圖20-15所示連接中，被拼接的板寬b=500mm,厚14mm；兩塊拼接板厚為r=10mm,

/,=300mm,l2=450mmo鋼材采用Q235鋼，焊條為E43型，手工焊。軸向拉力計算值N=1118.6kN,

試確定該連接角焊縫的焊腳尺寸。

圖20-15軸心力作用下角焊縫的計算（尺寸單位：mm）

3

解：傳遞軸向力N的焊縫計算長度為

Z/w=2(2/1+12-2x5)=2(2x300+450—10)=2080mm

由附表4-1查得Q235鋼時角焊縫的容許應(yīng)力[%]=85MPa

需要的角焊縫有效厚度為

1118600

h=-------=6.3mm

e認.憶］2080x85

h

焊腳尺寸-=9mm

0.7

焊件鋼板最大厚度fmax=14,切"，最小厚度根機，故焊腳尺寸4=9mm,滿足1.5亞二

=5.6mm</if<1.2Zmin=12mm。

(2)軸心力作用下角鋼角焊縫的計算

在鋼桁架中，角鋼腹桿與節(jié)點板的連接一般采用兩面?zhèn)群缚p，也可采用三面圍焊，在特殊情況

下也允許采用L形圍焊。腹桿受到軸心力作用時，為避免焊縫偏心受力而產(chǎn)生附加彎矩，焊縫所傳

遞的合力的作用線應(yīng)與角鋼桿件的軸線重合(圖20-16)。

圖20-16角鋼焊接的角焊縫及軸力作用分配

a)兩面?zhèn)群竍)三面?zhèn)群竎)L形焊

當承受軸心力的角鋼用兩面?zhèn)群缚p連接時[圖20-16a)],利用N,+N2=N和N&=N2e2兩個

平衡條件，可以解得：

N,=4.N=k、N

e.+e,

1.(20-8)

N2=一J?N=k,N

'e,+G'

式中匕、心一角鋼肢背和肢尖的焊縫分配系數(shù)，實際設(shè)計時，對各種尺寸的角鋼，匕和心可取作

常數(shù)，由表20-1直接查得；

e,、q-分別為角鋼肢背與角鋼肢尖至角鋼構(gòu)件形心的距離；

角鋼角焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)表表20-1

內(nèi)力分配系數(shù)

角鋼類型連接形式

肢背一

肢尖k2

等肢角鋼nr0.700.30

不等肢角鋼短肢連接十0.750.25

不等肢角鋼長肢連接T0.650.35

當采用三面圍焊時[圖20-16b)],可先選定端焊縫的厚度九，并計算出它所能承受的內(nèi)力:

■=姑田

再通過平衡關(guān)系，可以解得：

3

%.N_L=kN

N、=

G+422

(20-9)

e,NN

M=N——i=k,N——

G+622

對于圖20-16c)所示的L形焊縫，則不需先選定端焊縫的厚度九，而令式(20-9)的凡=0,

可得:

N、=(1-2&W

(20-10)

NJ、=2k/、Ny

例20-2圖20-16a)所示的兩面?zhèn)群缚p連接中，作用力計算值N=700kN,角鋼為2/100X10,

連接板厚，=10mm,鋼材為Q345鋼，手工焊，焊條為E50型，試設(shè)計角鋼與連接板的連接角焊縫。

解：由附表4-1查得Q345鋼的容許拉應(yīng)力［b］=200MPa,則側(cè)焊縫的容許應(yīng)力［rj=120MPa。

取4=8/出7?,小于4皿=1。一(1~2)mm=8~9mm和大于=1.5jid=4.7mm。角焊縫

有效厚度=5.6mm。

采用兩面?zhèn)群?，肢背和肢尖分擔的?nèi)力分別為

N、=3=0.7x700000=490000N

N2=^7V=0.3x700000=210000N

肢背和肢尖所需要的焊縫實際長度分別為

N490000

--------!------+10mm=-----------------+10=375mm,取380mm

2x/?cx[rr]2x5.6x120

-----安卜10mm=-21—F10=166mm，取170mm

2x/zcx[rf]-------------2x5.6x120

側(cè)焊縫長度4滿足大于84=8x8=64mm,且小于60%=60x8=480mm,符合要求。

(3)扭矩和剪力共同作用下角焊縫的計算

圖20-17表示用三面圍焊縫連接的兩塊鋼板，在焊縫平面內(nèi)作用著一個不通過圍焊縫形心的偏

心力N。假定被連接的構(gòu)件是絕對剛性的，只有焊縫是彈性的，并且被連接的構(gòu)件繞圍焊縫的形心

。旋轉(zhuǎn)，焊縫上任意一點的變形發(fā)生在垂直于該點與形心。點的連線方向上，其大小與這兩點之間

的距離r成正比。將外力N移至通過焊縫形心。的y軸上，等效為作用于圍焊縫形心上的豎向力N

和扭矩T=M。下面考察最大應(yīng)力點(如4點)的應(yīng)力。

圖20-17承受扭矩和剪力的角焊縫連接

a)連接接頭受力示意b)角焊縫計算截面圖c)A點應(yīng)力

由作用于焊縫形心上的豎向力N在焊縫中產(chǎn)生的剪應(yīng)力為：

3

N

(20-11)

由扭矩T=Ne在焊縫中產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為：

Tr

(20-12)

將耳分解成為x軸和y軸的分力為：

式中尸一圍焊縫的形心。至焊縫最遠點4的距離；

J一圍焊縫的計算截面積對其形心0點的極慣性矩，J=^+

/、一圍焊縫對。x軸的慣性矩；

/，一圍焊縫對。y軸的慣性矩。

A點的應(yīng)力由外,、%和0組合而成。因此，焊縫中的最大組合應(yīng)力驗算公式為：

——+（%+.）?[乙1（20-13）

々為焊縫最大應(yīng)力，保證了7A則焊縫其余各點的強度均得到保證。

例20-3如圖20-17中所示連接，/]=300mm,l2=400mm,手工焊，偏心力計算值N=118kN,

偏心矩e=400mm,鋼材采用Q235鋼，焊條為E43就。試進行焊縫設(shè)計。

解：設(shè)外=8mm,角焊縫有效厚度a=0.7x8=5.6mm。連續(xù)角焊縫長度,減去兩端弧坑10mm

后，得到焊縫有效截面如圖20-18所示。

（1）焊縫有效截面幾何特征

y.

UZZV///ZZZ1

―一―295_

圖20-18角焊縫有效計算截面圖(尺寸單位：mm)

形心位置

_2x5.6x295x(1x295+2.8)

x=-------------------------=89mm

5.6x(2x295+411.2)

I=—x5.6x(411.2)3+2x5.6x295x(202.8)2-168.33xlO6mm4

12

32264

/v=2x5.6x(295)+5.6x295x(61.3)]+411.2x5.6x(89)=54.62x10mm

6

J=/、+/=168.33xlO+54.62x106=222.95x106mm斗

q=295-89=206mmry=2056mm

(2)角焊縫強度驗算

T=7Ve=118xl03x400=47200xl03Nmm

3

_47200xio3x205.6

=43.5N/mm2

~T~~222.95xlO6

%47200X103X206

r=--=---------------=43.A6NNT//mm2

Tv'J222.95xlO6

.A...=_____魯刃__=21,1N/mm2

0.7%z/w0.7x8x(295x2+411.2)

T=":+(G，+TJ=J43.5,+(43.6+215y=78N/mm2<[r,]=85N/mm2。

滿足要求。'

(4)彎矩、剪力、軸心力共同作用下角焊縫的計算

圖20-19復(fù)雜受力下的角焊縫

如圖20-19所示，N引起角焊縫中水平方向均布剪應(yīng)力外，V引起垂直方向的均布剪應(yīng)力八，

M引起水平方向按三角形分布的剪應(yīng)力rM,最大應(yīng)力在角焊縫的上端A點。

,NN

由=—=-----

①2磯

V_VV

則角焊縫A點處強度驗算公式為：

■J(「N+T4匕](20-14)

由此，也可得到以下焊縫接頭各種受力情況的角焊縫計算公式

彎矩和剪力共同作用時：T=g+Tv2與⑷(20-15)

彎矩和軸力共同作用時：r=rN+rM<[rf](20-16)

僅受彎矩作用時：r=rM<[rr](20-17)

例20-4鋼柱與支托連接接頭的構(gòu)造和受力見圖20-20,采用Q235鋼和E43型焊條，計算支托

與鋼柱連接的角焊縫。

圖20-20例20-4圖(尺寸單位：mm)

a)連接接頭立而圖b)連接接頭正面圖c)角焊縫有效截面汁算圖

3

解：支托與鋼柱的連接受彎矩和剪力的共同作用。剪力計算值V=120x10,N；彎矩計算值

M=120000x200=24()00xlO3Nmnio

角焊縫焊腳尺寸取九=10mm；角焊縫有效厚度"=0.7x10=7mm,其計算簡圖可近似的用圖

20-20c)表示。

(1)焊縫有效截面幾何特征

水平角焊縫的有效面積：A'=0.74Z/：=7x2(200-10)=2660mm2

垂直角焊縫的有效面積：4=熔：=7x2(300-10)=4060mm2

角焊縫的全部有效面積：&=A+4=266()+4()60=672()mm2

1290

角焊縫重心位置：y=——(4060x——+2660x2950)=204mm

67202

焊縫的慣性矩和最小抵抗矩

1?901

/=—x2x7x(290)3+4060(204----)2+2x—xl90x73

12212

+2660(295-204)2=64.63xlO6mm4

64.63xlO6..3

uW/=---------=31.68x1i0n4mm

f204

(2)角焊縫強度驗算

彎矩計算值由接頭全部角焊縫承受。但支托翼緣的剛度較小，假定剪力V僅由垂直角焊縫承受,

角焊縫的最大應(yīng)力產(chǎn)生在下端點

3

M24000xlO2

T..=——=---------------=75.8N/mm-

"%31.68X104'

V120x103.八,/2

r=—=-------=29.6N/mm*'

vA"4060

222222

T=JrM+rv=V75.8+29.6=81.3N/mm＜憶］=85N/mm,滿足要求。

20.2.4焊接殘余應(yīng)力及殘余變形

鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中，在焊件上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，高溫部分的鋼材膨脹受到鄰近

鋼材的約束，從而在焊件內(nèi)部引起較高的溫度應(yīng)力和變形，稱為焊接應(yīng)力和焊接變形。焊接應(yīng)力較

高的部位產(chǎn)生塑性變形，冷卻后將殘存于構(gòu)件內(nèi)部，因而將殘存于構(gòu)件內(nèi)部的焊接應(yīng)力和焊接變形,

稱為焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。

1)焊接殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力是一種無荷載作用的內(nèi)應(yīng)力，因此會在構(gòu)件內(nèi)自相平衡。焊接殘余應(yīng)力包括縱向

應(yīng)力、橫向應(yīng)力和構(gòu)件厚度方向的應(yīng)力。

(1)縱向焊接殘余應(yīng)力

縱向焊接殘余應(yīng)力是指沿焊縫長度方向的應(yīng)力。在施焊時，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫

附近的溫度可高達1600℃以上，鄰近區(qū)域則溫度急劇降低。不均勻的溫度場產(chǎn)生了不均勻的膨脹，

焊縫附近高溫處的鋼材膨脹最大，溫度較低區(qū)域膨脹較小。膨脹大的區(qū)域受到周圍膨脹小的區(qū)域的

限制，產(chǎn)生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時，產(chǎn)生熱塑性壓縮的焊縫趨向于縮短，但受到兩側(cè)鋼材限制

而產(chǎn)生了縱向拉應(yīng)力，兩側(cè)鋼材因中間焊縫收縮而產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力［圖20-21a)

(2)橫向焊接殘余應(yīng)力

橫向焊接殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力。以鋼板焊接為例，橫向

焊接殘余應(yīng)力由兩部分組成：一部分是焊縫縱向收縮，它除產(chǎn)生上述縱向應(yīng)力外，還使兩塊鋼板趨

向于形成反方向的彎曲變形，但焊縫已將其連成整體，因此在兩塊板的中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，兩端

產(chǎn)生壓應(yīng)力［圖20-21b)］；另一部分由于焊縫在施焊過程中冷卻時間的不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，

3

會阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使它發(fā)生橫向塑性壓縮變形。當先焊部分凝固后，中間焊縫部分

逐漸冷卻，后焊部分開始冷卻，這三部分產(chǎn)生杠桿作用，使后焊部分收縮而受拉，先焊部分因杠桿

作用也受拉，中間部分則受壓［圖20-21C）總的橫向焊接殘余應(yīng)力如圖20-21e所示?

（3）厚度方向焊接殘余應(yīng)力

厚度方向焊接殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。較厚鋼板焊接時，

焊縫厚度方向中部冷卻比表面緩慢，形成中間焊縫受拉，四周受壓的狀態(tài)?因此，焊縫除了縱向和

橫向應(yīng)力之外，在厚度方向還存在焊接殘余應(yīng)力（圖20-22）。

e)PQ

?)O

圖20-21焊接殘余應(yīng)力圖20-22厚度方向殘余應(yīng)力

a）縱向殘余應(yīng)力b）焊接殘余變形c）橫向殘余應(yīng)力（縱向收縮引起的）

d）橫向殘余應(yīng)力（橫向收縮引起的）e）橫向殘余應(yīng)力總和

由圖20-21和圖20-22可見，焊接殘余應(yīng)力是自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，其拉應(yīng)力合力與壓應(yīng)力合力相

等。因此，對于沒有嚴重應(yīng)力集中的焊接構(gòu)件，在靜力荷載作用下，只要鋼材具有一定的塑性變形

能力，焊接殘余應(yīng)力不會影響構(gòu)件的承載能力。

焊接殘余應(yīng)力與外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力組合后將使構(gòu)件截面的一部分提前進入塑性狀態(tài)（該部分的

剛度降為零）而喪失繼續(xù)承受荷載的能力，此后的荷載增加僅由彈性部分承擔，因此，焊接殘余應(yīng)

力將使構(gòu)件的變形增大、剛度降低。

如前所述，對于有殘余應(yīng)力的受壓桿件，殘余壓應(yīng)力區(qū)域提前進入塑性狀態(tài)，截面的彈性區(qū)域

逐漸縮小，桿件的抗彎剛度也相應(yīng)減小，因此降低了壓桿的穩(wěn)定承載力。

在焊接構(gòu)件中均存在雙向或三向殘余應(yīng)力，當形成同號應(yīng)力，尤其是同號拉應(yīng)力時，由于塑性

變形受到約束，使焊縫附近的材料變脆，裂縫容易產(chǎn)生和開展，因而降低了焊縫及其附近鋼材的疲

勞強度，尤其是在低溫情況下，冷脆現(xiàn)象更明顯。另一方面，最大焊接殘余應(yīng)力常達到或接近鋼材

的屈服點，這將促使疲勞裂紋更容易形成和擴展，從而降低了構(gòu)件的疲勞強度。

2）焊接殘余變形

在焊接過程中，焊件不均勻受熱和不均勻冷卻將產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。焊接殘余

變形包括縱向和橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形等，如圖20-23所示。

圖20-23焊接變形

a）縱向和橫向收縮b）彎曲變形c）角變形d）波浪變形e）扭曲變形

焊接殘余變形影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和外觀，并可能導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生初彎曲、初扭曲以及初偏心等,

從而使構(gòu)件受力時產(chǎn)生附加彎矩、扭矩和變形，引起其承載能力降低。

3

3）減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的方法

減少焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形應(yīng)從構(gòu)造和焊接工藝兩方面采取措施。

（1）構(gòu)造措施

①為避免焊接熱量集中引起焊接應(yīng)力過于集中，應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量以及焊縫的厚度和長度。

搭接角焊縫一般設(shè)計成焊腳尺寸適當小而焊縫長度相應(yīng)長些；焊縫盡量對稱布置，盡量避免焊縫過

于集中或多方向焊縫相交于一點，例如桁架桿件交叉的節(jié)點上，焊縫間留一定的間距；拼接梁的翼

緣對接處與腹板對接處應(yīng)錯開一定的距離，加勁肋內(nèi)面切角應(yīng)避免其焊縫與翼緣和腹板間的主要受

力焊縫交叉。

②為避免截面突變引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，連接過渡應(yīng)盡量平緩。如寬度和厚度不同的鋼板拼接時

采用不大于1:4的坡度過渡；直接承受動力荷載結(jié)構(gòu)的角焊縫采用凹形或平坡形角焊縫；搭接連接

中搭接長度應(yīng)不小于5口.及25mm,并且不應(yīng)只采用一條正面角焊縫來傳力。

③為避免焊接缺陷引起應(yīng)力集中，焊縫應(yīng)布置在便于施焊的位置，并且有合適的空間和角度，

盡量避免仰焊。

（2）焊接工藝措施

①采取適當?shù)暮附禹樞蚝头较颍▓D20-24）,例如為了使每次施焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形有

所抵消，應(yīng)盡量采用對稱焊、分段焊、厚度方向分層焊、鋼板分塊拼焊、工字形頂接時采用對角跳

焊；為使收縮量或受力較大的焊縫留有伸縮余地，減小殘余變形，先焊收縮量較大的焊縫，后焊收

縮量較小的焊縫；先焊受力較大的焊縫，后焊受力較次要的焊縫：鋼板分塊拼接先焊短焊縫，后焊

直通長焊縫。圖20-24中的阿拉伯數(shù)字表示了施焊的順序。

②施加反變形。施焊前使構(gòu)件有一個和焊接變形相反的預(yù)變形，焊接后產(chǎn)生的焊接變形與預(yù)變

形可以相互抵消。這種方法可減小焊接殘余變形，但不會消除焊接殘余應(yīng)力。

③施焊前預(yù)熱。在施焊前將構(gòu)件整體或局部預(yù)熱至（100-300）℃,施焊后保溫一段時間，以

減小焊接和冷卻過程中溫度的不均勻程度，從而降低焊接殘余應(yīng)力并減少發(fā)生裂紋的危險。較厚的

鋼材或在低溫環(huán)境下焊接時，通常應(yīng)對焊縫附近局部進行預(yù)熱。

④施焊后高溫回火。在施焊后加熱到600℃左右進行高溫回火，保持一段恒溫后緩慢冷卻。對

于尺寸較小的焊件可進行整體高溫回火，由于加熱已達到鋼材的熱塑性溫度，可消除大部分殘余應(yīng)

力，而對尺寸較大焊件可對焊縫附近或殘余應(yīng)力較大部位進行局部高溫回火，以減小殘余應(yīng)力。

⑤錘擊。用小錘輕擊焊縫，使焊縫得到舒張，可降低焊接殘余應(yīng)力。

圖20-24合理的施焊順序

a）施焊順序b）沿厚度分層焊c）對角跳焊d）鋼板分塊拼接

20.3普通螺栓連接的構(gòu)造與計算

普通螺栓連接是用螺栓將構(gòu)件或板部件連成整體的連接方式。螺栓是由墩粗的頭部、帶螺紋的

圓柱形桿身、配合螺母、墊圈組成并可拆卸的緊固件。普通螺栓分為A、B和C三級，其中A和B

級為精制螺栓，C級為粗制螺栓。

A和B級精制螺栓的桿身在車床上加工制成，表面光滑，尺寸精確；螺栓孔是在裝配好的構(gòu)件

上鉆成或用鉆模鉆成（稱為I類孔），孔壁光滑,對孔準確，孔徑與螺栓桿徑相等（但分別允許正負

3

公差）。A