鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理甲chapter

1、1第第4章章 鋼結(jié)構(gòu)的焊縫連接鋼結(jié)構(gòu)的焊縫連接 2v鋼結(jié)構(gòu)的連接方法鋼結(jié)構(gòu)的連接方法 工廠連接、工地連接 鋼結(jié)構(gòu)的連接有銷釘、螺栓、鉚釘和焊縫等連接。焊縫連接為當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法。 3v鋼結(jié)構(gòu)中所使用的焊接方法鋼結(jié)構(gòu)中所使用的焊接方法 主要有：手工電弧焊、自動(dòng)（或半自動(dòng)）埋弧焊、氣體保護(hù)焊 。設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，焊縫金屬應(yīng)與主體金屬相適應(yīng)，亦即采用的焊條型號(hào)應(yīng)與焊件母材的牌號(hào)相匹配。當(dāng)兩不同強(qiáng)度的鋼材相焊接時(shí)，可采用與較低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊接材料。 4v焊接結(jié)構(gòu)的特性和焊縫連接焊接結(jié)構(gòu)的特性和焊縫連接 優(yōu)點(diǎn) 不需鉆孔和額外的連接件； 密閉性好、剛度和整體性都很大。 5缺點(diǎn) 受焊接時(shí)的高溫影響，

2、焊縫附近的主體金屬中存在“熱影響區(qū)”。 除非正確選用鋼材和焊接工藝，焊縫易存在各種缺陷。 由于焊接結(jié)構(gòu)的剛度大，個(gè)別存在的局部裂紋易擴(kuò)展到整體。 焊接后存在殘余應(yīng)力，降低構(gòu)件的穩(wěn)定性承載能力。 存在殘余變形。 由于焊縫連接存在一些不足，因此設(shè)計(jì)、制造和安裝時(shí)應(yīng)盡量采取措施，避免或減少其不利影響。 6設(shè)計(jì)、制造和安裝時(shí)應(yīng)采取的措施設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)要正確選用鋼材的牌號(hào)。對(duì)鋼材的化學(xué)成分尤其是對(duì)碳、硫和磷的合適含量和鋼材的力學(xué)性能都要提出要求。焊接結(jié)構(gòu)的鋼材必須具有良好的可焊性，即在一定的焊接工藝條件下施焊，焊縫及其附近的主體金屬不會(huì)因焊接而產(chǎn)生裂紋；焊接后，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能不低于原來(lái)主體金屬。 7要

3、正確設(shè)計(jì)焊接節(jié)點(diǎn)，注意盡量減少應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的產(chǎn)生。制造時(shí)要選擇正確的焊接參數(shù)，嚴(yán)格按照已制定的焊接工藝實(shí)施操作。 要注意對(duì)焊工的定期考核。 必須按照鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中對(duì)焊縫質(zhì)量的規(guī)定進(jìn)行檢查和驗(yàn)收。8焊接接頭的形式和焊縫的類別焊接接頭的形式和焊縫的類別 焊縫連接最常用的三種接頭形式為對(duì)接接頭、搭接接頭和T形接頭。 此外還有角形接頭和十字形接頭。 91011常用的兩種主要焊縫：對(duì)接焊縫和角焊縫 對(duì)接焊縫 o 對(duì)接焊縫可用于對(duì)接接頭、T形接頭、角形接頭和十字形接頭。 o 當(dāng)用于對(duì)接和T形接頭時(shí)時(shí)，對(duì)接焊縫傳力最為直接，焊縫受力明確，且基本不產(chǎn)生應(yīng)力集中，構(gòu)造也最簡(jiǎn)單。

4、o 但采用對(duì)接焊縫不僅增加了邊緣加工的工序，而且對(duì)整個(gè)板材斷料長(zhǎng)度的精度有嚴(yán)格要求。 12o對(duì)接焊縫有I、U、X、K、單邊V、V形焊縫。 1314角焊縫 o 角焊縫均位于板件的邊緣處。o 焊縫軸線與板件受力方向一致時(shí)稱為側(cè)面角焊縫。o 焊縫軸線與板件受力方向相垂直時(shí)稱為正面角焊縫.。o 角焊縫可用于搭接、T形接頭、角形接頭和十字形接頭。o 兩焊腳間的夾角為直角時(shí)稱為直角角焊縫。直角角焊縫可簡(jiǎn)稱為角焊縫。絕大多數(shù)角焊縫的兩焊腳尺寸相等。 1516o 角焊縫的受力復(fù)雜，不如對(duì)接焊縫明確，其傳力也沒(méi)有對(duì)接焊縫直接，但由于角焊縫連接不需要對(duì)焊件邊緣進(jìn)行加工，對(duì)板件斷料尺寸的精度要求也沒(méi)有對(duì)接焊縫高，因

5、而角焊縫在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用遠(yuǎn)多于對(duì)接焊縫。17除了對(duì)接焊縫和角焊縫兩種主要焊縫形式外，還有一些次要的焊縫形式，如塞焊縫、槽焊縫和點(diǎn)焊縫。 1819焊接位置焊接位置 施焊時(shí)焊條運(yùn)行與焊縫的相對(duì)位置稱為焊接位置。圖4.15給出了四種焊接位置，即平焊（俯焊）、橫焊（對(duì)角焊縫稱為水平焊）、立焊（又稱豎焊）和仰焊。后三種較難操作，特別是仰焊，焊縫的質(zhì)量最難保證。當(dāng)然，焊接位置是相對(duì)的，有時(shí)是可以調(diào)整的。2021v焊縫代號(hào)（焊縫符號(hào)）焊縫代號(hào)（焊縫符號(hào)） 在鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙上的焊縫應(yīng)采用焊縫代號(hào)表示。有關(guān)焊縫代號(hào)及標(biāo)注方法，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)GB/T501052001中有詳細(xì)規(guī)定。它的主要依據(jù)是另一冊(cè)

6、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)焊縫符號(hào)表示法GB324。 22焊縫符號(hào)由指引線和表示焊縫截面形狀的基本符號(hào)組成，必要時(shí)還可加上輔助符號(hào)、補(bǔ)充符號(hào)和焊縫尺寸符號(hào)。 23指引線一般由帶有箭頭的指引線（箭頭線）和兩條相互平行的基準(zhǔn)線組成。一條基準(zhǔn)線為實(shí)線，另一條為虛線。虛線可以畫在實(shí)線基準(zhǔn)線的上側(cè)或下側(cè)。基準(zhǔn)線一般應(yīng)與圖紙的底邊平行，但特殊情況也可垂直，且為引線方便，允許箭頭線彎折一次。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)GB/T501052001中將基準(zhǔn)線簡(jiǎn)化為一條實(shí)線。 2425基本符號(hào)用以表示焊縫的形狀，鋼結(jié)構(gòu)中常用的一些基本符號(hào)如表4-1。 26基本符號(hào)與基準(zhǔn)線的相對(duì)位置是:o 如果焊縫在接頭的箭頭側(cè)，基本符號(hào)應(yīng)標(biāo)在基準(zhǔn)線

7、的實(shí)線側(cè)；當(dāng)不用虛線基準(zhǔn)線時(shí)，應(yīng)標(biāo)在實(shí)線的上方。 o 如果焊縫在接頭的非箭頭側(cè)，基本符號(hào)應(yīng)標(biāo)在基準(zhǔn)線的虛線側(cè)；當(dāng)不用虛線基準(zhǔn)線時(shí)，應(yīng)標(biāo)在實(shí)線的下方。 o 標(biāo)雙面對(duì)稱焊縫時(shí)，基準(zhǔn)線可只畫實(shí)線一條。 o 當(dāng)為單面的對(duì)接焊縫如V形焊縫、U形焊縫，則箭頭應(yīng)指向有坡口一側(cè)。 2728輔助符號(hào)是表示焊縫表面形狀特征的符號(hào)，如對(duì)接焊縫表面與高部分需要加工，使與焊件表面齊平，則可在對(duì)接焊縫符號(hào)上加一短線，此段劃線即為輔助符號(hào)。補(bǔ)充符號(hào)是為了補(bǔ)充說(shuō)明焊縫的某些特征而采用的符號(hào)。鋼結(jié)構(gòu)圖紙常用的輔助符號(hào)和補(bǔ)充符號(hào)如表4-2。 2930焊縫尺寸在基準(zhǔn)線上的注法是： o 有關(guān)焊縫橫截面的尺寸如角焊縫的焊腳尺寸hf等一

8、律標(biāo)在焊縫基本符號(hào)的左側(cè)。 o 有關(guān)焊縫長(zhǎng)度方向的尺寸如焊縫長(zhǎng)度等一律標(biāo)在焊縫基本符號(hào)的右側(cè)。o 當(dāng)箭頭的方向改變時(shí)，上述原則不變。 o 對(duì)接焊縫的坡口角度、根部間隙等尺寸標(biāo)在焊縫基本符號(hào)的上側(cè)或下側(cè)。31此外，還需注意，上述標(biāo)注方法只適用于表達(dá)兩個(gè)焊件相互焊接的焊縫。如為三個(gè)或三個(gè)以上的焊件兩兩相連，其焊縫符號(hào)及尺寸應(yīng)分別標(biāo)注，如十字形接頭是三個(gè)焊件相連，其連接焊縫如圖4-10標(biāo)注。 3233v對(duì)接焊縫的計(jì)算和構(gòu)造對(duì)接焊縫的計(jì)算和構(gòu)造 對(duì)接焊縫的計(jì)算對(duì)接焊縫的計(jì)算 對(duì)接焊縫的有效截面 :施焊對(duì)接焊縫時(shí)應(yīng)在焊縫的兩端設(shè)置引弧板和引出板。當(dāng)采用引弧板時(shí)，對(duì)接焊縫的有效長(zhǎng)度lw與焊件的寬度相同。當(dāng)

9、焊縫為焊透時(shí)，焊縫的有效厚度與焊件的厚度相同。當(dāng)無(wú)引弧板時(shí)，每條焊縫的有效長(zhǎng)度在計(jì)算時(shí)應(yīng)減去2t。 3435對(duì)接焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 o 缺陷的存在對(duì)焊縫在垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的抗壓強(qiáng)度和沿焊縫長(zhǎng)度方向的抗剪強(qiáng)度影響不大，但對(duì)其抗拉強(qiáng)度將有一定程度的削弱。 o 我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)對(duì)接焊縫的各種強(qiáng)度設(shè)計(jì)值作出規(guī)定：對(duì)接焊縫的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcw、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvw和焊縫質(zhì)量等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)的抗拉和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftw均取與焊件鋼材相同的相應(yīng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而對(duì)焊縫質(zhì)量為三級(jí)的ftw則取相應(yīng)焊件鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f的0.85倍，并取5N/mm2為倍數(shù)的整數(shù)。 36o 關(guān)于焊縫質(zhì)量的等級(jí)劃分見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收

10、規(guī)范。除外觀缺陷檢查外，一(100%超聲波探傷)、二(20%且=200mm超聲波探傷)、三級(jí)(0%)。 o 對(duì)三級(jí)焊縫，焊縫的強(qiáng)度取為母材強(qiáng)度的0.85f。 37對(duì)接焊縫連接的計(jì)算 o 對(duì)一、二級(jí)焊縫可不作驗(yàn)算，而對(duì)三級(jí)焊縫或未采用引弧板時(shí)應(yīng)驗(yàn)算。 o 受彎構(gòu)件截面的強(qiáng)度驗(yàn)算： wtxxfWM38o 在對(duì)接接頭和T形接頭中，承受彎矩和剪力共同作用的對(duì)接焊縫除驗(yàn)算正應(yīng)力和剪應(yīng)力外，還驗(yàn)算 wtf1 . 132239o 當(dāng)鋼板在軸心拉力作用下，對(duì)接焊縫質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)、強(qiáng)度不能滿足要求時(shí)，可采用斜焊縫。此時(shí)焊縫的強(qiáng)度可分別按下式計(jì)算： ffbtNtlNwtw85. 0sinsin2ffbtNtlNw

11、vw58. 0sincoscos40對(duì)接焊縫的構(gòu)造要求對(duì)接焊縫的構(gòu)造要求 對(duì)接焊縫都要求焊透 在對(duì)接焊縫的拼接處，當(dāng)兩焊接寬度不同或厚度相差4毫米以上時(shí)，應(yīng)分別在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1：2.5的斜角。對(duì)直接承受動(dòng)力荷載且需要進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)，斜角坡度不應(yīng)大于1：4。4142多條焊縫交叉時(shí)，交叉點(diǎn)應(yīng)分散。43444546v直角角焊縫的受力性能直角角焊縫的受力性能 角焊縫中用得最多的是兩焊腳相等的直角角焊縫，一般都假定焊縫截面為一直角三角形，并以角焊縫的有效截面為依據(jù)。Ae=helw=0.7hflw,，lw為焊縫的實(shí)際長(zhǎng)度減去2hf。 4748側(cè)面角焊縫受力特征 49正面

12、角焊縫的受力特征 5051v直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算 基本假定基本假定 各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中都普遍采用沿450方向的焊縫截面為計(jì)算時(shí)的破壞面。關(guān)于角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中取相同數(shù)值ffw。 在通過(guò)焊縫形心的拉力、壓力和剪力作用下，假定沿焊縫長(zhǎng)度的應(yīng)力是均勻分布的。 52傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算法傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算法 假定焊縫的強(qiáng)度與焊縫軸線和作用外力間的夾角大小無(wú)關(guān)。由此可得焊縫強(qiáng)度計(jì)算公式：wfwfflhN7 . 053新的強(qiáng)度計(jì)算法新的強(qiáng)度計(jì)算法 我國(guó)在制定設(shè)計(jì)規(guī)范GB17-88時(shí)，采用的公式為 wff3322254進(jìn)一步改進(jìn)后，我國(guó)規(guī)范采用的角焊縫強(qiáng)度計(jì)算的新公式為

13、 wfffyfxfyfxf2225 . 155但規(guī)范中并未直接給出上式，未同時(shí)考慮Nx和Ny同時(shí)作用。規(guī)范規(guī)定：o 在通過(guò)焊縫形心的拉力、壓力或剪力作用下，當(dāng)力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向時(shí) wffwefflhNo當(dāng)力平行于焊縫長(zhǎng)度方向時(shí)， wfwefflhN56 在其他力或各種力綜合作用下， 和 共同作用處， ffwfffff22 為正截面焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，使用于靜力和間接動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)。 22. 1f57v角焊縫的尺寸限制和構(gòu)造要求角焊縫的尺寸限制和構(gòu)造要求 角焊縫的尺寸包括焊腳尺寸和焊縫計(jì)算長(zhǎng)度等。在設(shè)計(jì)角焊縫連接時(shí)，除滿足強(qiáng)度要求外，還必須符合對(duì)其尺寸的限制和構(gòu)造上的要求。 焊腳尺寸 不能

14、過(guò)小，規(guī)范規(guī)定 58手工焊 mmthf5 . 1自動(dòng)焊 mmthf15 . 1T形接頭單面角焊縫， mmthf15 . 1t為較厚焊件的厚度。當(dāng)焊件厚度 mmt4時(shí)，取 thf59焊腳尺寸相對(duì)于焊件厚度也不能過(guò)大，否則可能造成焊件“過(guò)燒”或被燒穿。 設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定： thf2 . 1t為較薄焊件的厚度 板件邊緣處的角焊縫最大焊腳尺寸尚應(yīng)符合下列要求，以避免板件邊緣棱角被燒熔。 當(dāng) 時(shí), mmt6thf當(dāng) 時(shí), mmt6mmthf)21 (6061焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度 角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度不宜過(guò)小，我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定正面角焊縫和側(cè)面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度都應(yīng)滿足 和 fwhl8mmlw40規(guī)范規(guī)定側(cè)面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)

15、度不宜大于 fh6062在次要構(gòu)件或次要焊縫連接中，由于焊縫受力不大，可采用斷續(xù)角焊縫。斷續(xù)角焊縫之間的凈距e不應(yīng)大于15t（對(duì)受壓構(gòu)件）或30t（受拉構(gòu)件），t為較薄焊件厚度。每段角焊縫的長(zhǎng)度l不得小于10hf或50mm。斷續(xù)角焊縫中的應(yīng)力集中較甚，因此只能用于次要構(gòu)件和次要連接中。6364當(dāng)板件的端部?jī)H用兩條側(cè)面角焊縫連接時(shí)，每條側(cè)面角焊縫的長(zhǎng)度不宜小于兩側(cè)面角焊縫之間的距離；同時(shí)兩側(cè)面角焊縫之間的距離不宜大于16t(t12mm時(shí))或200mm(當(dāng)t=12mm時(shí))，t為較薄板件的厚度。當(dāng)不滿足上述要求時(shí)，除設(shè)置側(cè)面角焊縫外，還可另加正面角焊縫或用槽焊縫或電鉚釘將兩板輟合。 6566搭接連接

16、中，搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚度的5倍，并不得小于25mm。 67在直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，為了傳力路線平坦，正面角焊縫宜采用1：1.5的不等焊腳角焊縫。對(duì)側(cè)面角焊縫仍可采用1：1等焊腳角焊縫。為了減少接頭處截面上的應(yīng)力集中程度，角焊縫的表面宜為直線形或凹形。68v直角角焊縫連接的計(jì)算直角角焊縫連接的計(jì)算 直角角焊縫連接的計(jì)算根據(jù)其受力情況的不同，有下列幾種情形。在計(jì)算角焊縫的強(qiáng)度時(shí)，還必須符合規(guī)范規(guī)定的各種尺寸限制和構(gòu)造要求。 69外力外力N通過(guò)焊縫形心時(shí)的計(jì)算通過(guò)焊縫形心時(shí)的計(jì)算 7071例題4-472例題4-573例題4-674例題4-775在彎矩、剪力和軸心力單獨(dú)或共同作用下的T形連

17、接計(jì)算 在軸心力N作用下， 在剪力V作用下，假設(shè)單由豎向角焊縫承受wffwffANwfwffAV176在彎矩M作用下，wffwffWM以上式中，Aw和Ww分別是全體焊縫有效截面的面積和彈性截面模量；Aw1則是豎向角焊縫的有效截面面積。在N、V和M共同作用下，則應(yīng)按下式進(jìn)行驗(yàn)算： wfffff2277例題4-878例題4-979例題4-108081例題4-1182同時(shí)承受剪力和扭矩作用時(shí)的計(jì)算 工程上?？捎龅饺鐖D4.48所示的搭接連接，該處偏心作用的剪力使角焊縫同時(shí)承受剪力和扭矩。而設(shè)計(jì)規(guī)范中往往只規(guī)定了角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ，和 在 與 單獨(dú)或共同作用下的角焊縫強(qiáng)度計(jì)算公式，而對(duì)在扭矩作用下產(chǎn)生

18、的 和 的計(jì)算方法則未作規(guī)定。因此設(shè)計(jì)人員需要直接利用材料力學(xué)的公式進(jìn)行計(jì)算，即彈性計(jì)算方法。但這種方法比較保守，人們還提出了簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。 wffffff8384彈性計(jì)算方法 o 假定被連接的板件是絕對(duì)剛性而連接焊縫則是彈性的。在扭矩作用下，板件將繞焊縫有效截面的形心轉(zhuǎn)動(dòng)，焊縫上任意一點(diǎn)應(yīng)力的方向?qū)⒋怪庇谠擖c(diǎn)至形心的連線，而大小則與該點(diǎn)至形心的距離成正比，即 0ITT或 0ITyTf0ITxTf85o 如圖4.48所示，將每一塊鋼板上的外力移至焊縫有效截面的形心處，則焊縫同時(shí)承受過(guò)形心的剪力和扭矩。假定通過(guò)焊縫形心的剪力由全部焊縫有效截面平均承受，AVVf在剪力和扭矩共同作用下，焊縫1處的強(qiáng)度條件為 wfTffTfVff22控制焊縫強(qiáng)度的只是1點(diǎn)和4點(diǎn)處的應(yīng)力，因此彈性方法是比較保守的，但它是目前用得最多的一種方法。 86簡(jiǎn)化計(jì)算方法 87v焊縫的質(zhì)量等級(jí) 我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017中規(guī)定，在設(shè)計(jì)文件（圖紙等）中對(duì)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)注明所要求的焊縫形式和焊縫的質(zhì)量等級(jí)。 關(guān)于焊縫的質(zhì)量等級(jí)，應(yīng)由設(shè)計(jì)人員對(duì)每條焊縫作出說(shuō)明，以便制造和安裝單位據(jù)此進(jìn)行質(zhì)量檢查。 新修訂的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中特別給出了一些原則和規(guī)定。 焊縫的質(zhì)量等級(jí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特性（動(dòng)力或靜力荷載