鋼結(jié)構(gòu)第三章連接

第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接

第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接方法

一、結(jié)構(gòu)的連接方法

20世紀(jì)初開始在工程結(jié)構(gòu)上較廣泛應(yīng)用。焊接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法之一。優(yōu)點：不削弱構(gòu)件截面，構(gòu)造簡單，節(jié)約鋼材，加工方便，可采用自動化操作，生產(chǎn)效率高。剛度較大、密封性能好。

缺點：焊縫附近存在熱影響區(qū)，由高溫快速降到常溫，使鋼材脆性加大；存在焊接殘余應(yīng)力及殘余變形；焊接結(jié)構(gòu)低溫冷脆問題也比較突出。1、焊縫連接2、鉚釘連接及特點

鉚釘連接是用一端帶有半圓形預(yù)制釘頭的鉚釘，將釘桿燒紅迅速插入被連接件的釘孔中，再用鉚釘槍將另一端也打鉚成釘頭，使連接達到緊固。缺點費工費料、勞動強度高。因施工噪音巨大，目前承重鋼結(jié)構(gòu)連接中已很少應(yīng)用。優(yōu)點傳力可靠，塑性、韌性好，動力性能好

3、螺栓連接分為：普通螺栓連接、高強度螺栓連接N主要連接方法及優(yōu)缺點連接方法優(yōu)點缺點焊接對幾何形體適應(yīng)性強，構(gòu)造簡單，省材省工，易于自動化，工效高。焊接殘余應(yīng)力大且不易控制，焊接變形大。對材質(zhì)要求高，質(zhì)量檢驗工作量大。鉚接傳力可靠，韌性和塑性好，質(zhì)量易于檢查，抗動力荷載好。費鋼、費工。目前很少采用普通螺栓連接裝卸便利，設(shè)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(jié)構(gòu)削弱少，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(fù)雜，造價略高第二節(jié)焊接方法、焊縫類型和質(zhì)量級別

一、鋼結(jié)構(gòu)中常用的焊接方法

1．電弧焊焊條或焊絲與焊件間產(chǎn)生的電弧熱，使焊條和焊件熔化，二者凝結(jié)成焊縫。

原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

(1)手工電弧焊

焊機導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護氣體焊件電弧A、焊條的選擇：焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)。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(shù)字為熔融金屬的最小抗拉強度（N/mm2)第3、4位數(shù)字為適用焊接位置、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(yīng)的焊條。缺點：質(zhì)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（2）埋弧焊（自動或半自動）

屬于機械化焊接，電弧埋在焊劑層下。采用盤狀連續(xù)的光焊絲在散粒狀焊劑下燃弧焊接，散粒狀焊劑的作用與手工焊焊條的藥皮相同。埋弧焊節(jié)省焊絲和電能，勞動條件好，生產(chǎn)效率高；焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可靠，塑性和韌性也較好，但不如手工焊靈活。A、焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強度。埋弧焊所采用的焊絲和焊劑應(yīng)與焊件鋼材相匹配。對Q235鋼常用H08A等焊絲，對Q345鋼和Q390和Q420鋼常用H08MnA，H10Mn2等焊絲。選擇焊絲時，尚需同時選用相應(yīng)的焊劑。焊劑有無錳型及高、中、低錳型焊劑。

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(zhì)量好。

缺點：設(shè)備投資大，施工位置受限等。、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動焊(3)二氧化碳氣體保護焊

利用CO2氣體作為保護氣體，使焊縫金屬不與空氣接觸，電弧加熱集中，焊接速度快，熔化深度大，焊縫強度高，塑性好。CO2氣體保護焊采用高錳高硅型焊絲，具有較強的抗銹能力。優(yōu)點：焊接速度快，焊接質(zhì)量好。

缺點：施工條件受限制等。2、熔嘴電渣焊高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中較多地采用箱形截面鋼柱，在梁柱截面區(qū)的柱截面內(nèi)需設(shè)置與梁翼緣等厚的加勁板（橫隔板），而加勁板應(yīng)與箱形截面柱的四塊鋼板采用坡口熔透焊。但是，當(dāng)采用一般手工焊時，加勁板邊緣的最后一條邊的焊縫無法焊接，因此需要采用熔嘴電渣焊。熔嘴電渣焊是用細直徑冷拔無縫鋼管外涂藥皮制成的管焊條作為熔嘴，焊絲在管內(nèi)送進。二、焊縫連接形式及焊縫類型焊縫連接形式按被連接構(gòu)件間的相對位置分為對接(Butt)、搭接(Lap)、T形連接(Tee)和角接(Corner)四種。焊縫按其構(gòu)造來分，可分為對接焊縫(Groovewelds)和角焊縫(Filletwelds)兩種類型。焊縫按其施焊位置分為俯焊(平焊flap)、立焊(vertical)、橫焊(haorizontal)和仰視焊(overhead)。設(shè)計和施工時應(yīng)盡量避免采用仰焊焊縫。三、焊縫缺陷、質(zhì)量檢驗和焊縫級別1．焊縫缺陷

主要有外觀缺陷：①焊縫尺寸偏差；②咬邊；③弧坑，起弧或落弧處焊縫所形成的凹坑；內(nèi)部缺陷：④未熔合；⑤母材被燒穿；⑥氣孔；⑦非金屬夾渣；⑧裂紋等缺陷，均會引起應(yīng)力集中削弱焊縫有效截面，降低承載能力。若發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋，應(yīng)徹底鏟除后補焊。

2.焊縫質(zhì)量檢查外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸（肉眼、放大鏡、磁粉、帶色液體等）；內(nèi)部無損檢驗：檢驗內(nèi)部缺陷（聲波、射線等）。

內(nèi)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。《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定：焊縫按其檢驗方法和質(zhì)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

一、二級焊縫除外觀檢查外，尚要求一定數(shù)量的超聲波檢驗并符合相應(yīng)級別的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3.焊縫級別4.焊縫代號按《建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50105-2010)和《焊縫符號表示法》(GB/T324-2008)執(zhí)行。

第三節(jié)對接焊縫連接的構(gòu)造和計算

1、對接焊縫的坡口形式:一、對接焊縫(Groovewelds)的構(gòu)造

對接焊縫的焊件常做坡口(groove)，坡口形式與板厚和施工條件有關(guān)。

t--焊件厚度(1)當(dāng):t<6mm(手工焊),t<10mm(埋弧焊)時可不做坡口,采用直邊縫;(2)t=7~20mm時，宜采用單邊V形和雙邊V形坡口;

(3)t>20mm時，宜采用U形、K形、X形坡口。C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）2、當(dāng)板件厚度或?qū)挾仍谝粋?cè)相差大于4mm時，應(yīng)做坡度不大于1:2.5(靜載)或1:4(動載)的斜角，以平緩過度，減小應(yīng)力集中?！?:2.5≤1:2.53、對接焊縫的起、滅弧點易出現(xiàn)缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后將其切去；不能做引弧板時，每條焊縫的計算長度等于實際長度減去2t1，t1—較薄焊件厚度；二、對接焊縫的強度計算1．對接直焊縫承受軸心力N或

式中—焊縫的計算長度，當(dāng)未采用引弧板時，每條焊縫取實際長度減去2t，當(dāng)采用引弧板時，取焊縫實際長度，t—為焊縫的計算厚度。

NNlwtA2．對接焊縫承受剪力和彎矩對接焊縫承受彎矩M和剪力V作用時，按下式驗算其焊縫強度在正應(yīng)力和剪應(yīng)力都較大之處，還應(yīng)按下式驗算該點的折算應(yīng)力：

MV1焊縫截面σmaxτσ1τ1τmax

3．工字形截面對接焊縫承受彎矩、剪力和軸心力共同作用時，應(yīng)按下列各式驗算焊縫強度：第四節(jié)角焊縫連接的構(gòu)造和計算一、受力情況和構(gòu)造要求

1、角焊縫的形式和受力情況側(cè)焊縫--長度方向與作用力方向平行的角焊縫稱為側(cè)焊縫。

端焊縫--長度方向與作用力方向垂直的角焊縫稱為端焊縫。

角焊縫兩焊腳邊的夾角α一般為90。（直角角焊縫），若該夾角大于或小于90。；則稱為斜角角焊縫。側(cè)焊縫主要承受剪力作用。在彈性階段，應(yīng)力沿焊縫長度分布不均，但由于其塑性較好，在出現(xiàn)塑性變形后，將產(chǎn)生應(yīng)力重分布，在規(guī)范規(guī)定的焊縫長度范圍內(nèi)，應(yīng)力分布可趨于均勻。端焊縫的應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，其破壞強度比側(cè)焊縫的高（約高22%左右），但塑性變形要差一些。2、角焊縫的構(gòu)造要求1）焊腳尺寸：如圖3-14

，稱角焊縫截面直角邊的尺寸hf為角焊縫的焊腳尺寸。若hf過小，熱量小，易被周圍金屬快速吸收，從而冷卻過快而產(chǎn)生淬硬組織，使金屬變脆，容易形成裂紋。hf過大，易使焊件過燒，改變金相組織，且易燒穿較薄焊件。所以hf不能過大或過小，一般應(yīng)滿足，當(dāng)焊縫位于板邊時，應(yīng)hf≤t。

3．計算截面2）焊縫長度lw

當(dāng)hf大而lw過小時，易使焊件局部受熱嚴重，且焊縫起滅弧的弧坑相距太近，起滅弧區(qū)段占比例高，加上可能出現(xiàn)的其他缺陷，也使焊縫不夠可靠。lw過大，側(cè)面角焊縫沿長度方向的剪應(yīng)力分布很不均勻，焊縫兩端已達破壞應(yīng)力，而中部應(yīng)力還較小。故側(cè)焊縫長度應(yīng)滿足：8hf≤lw≤60hf（承受靜力荷載或間接受動力荷載）8hf≤lw≤40hf（直接承受動力荷載）二、角焊縫的強度計算角焊縫的計算方法：不同的《規(guī)范》有不同的計算方法。折算應(yīng)力法—考慮焊縫有效截面的應(yīng)力狀態(tài)，按第四強度理論計算（GB50017—2013采用的方法）；單一應(yīng)力法—不考慮焊縫有效截面的實際應(yīng)力狀態(tài)，均按單一剪應(yīng)力計算（SL74-2013鋼閘門規(guī)范采用）1、角焊縫計算的基本公式如圖3-19所示，角焊縫有效截面上同時存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則可按第四強度理論計算其等效應(yīng)力為：(2)軸向力垂直于焊縫長度方向作用時（軸向力作用的正面角焊縫）強度可提高22%。(3)平行于焊縫長度方向的應(yīng)力τf和垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力σf共同作用時對于比較簡單的受力情況，該計算公式可簡化為：(1)軸向力沿焊縫長度方向作用時（軸向力作用的側(cè)面角焊縫）

(4)上述公式適用條件適用于非直接動力荷載作用。當(dāng)直接動力荷載作用時，考慮正面角焊縫塑性性能較差，取它和側(cè)面角焊縫的強度相同，把式中1.22變?yōu)?。按容許應(yīng)力法計算焊接連接時，強度均取角焊縫的容許剪應(yīng)力，應(yīng)力根據(jù)荷載標(biāo)準(zhǔn)值求得。3.軸心力作用（軸心力通過連接角焊縫群的中心）時的角焊縫計算：取應(yīng)力是均勻分布的。（1）只布置側(cè)焊縫時：拼接縫一側(cè)有四條側(cè)焊縫（上下蓋板各兩條），取焊腳尺寸hf≤t-(1～2)mm,則每條側(cè)焊縫的實際焊接長度為：拼接板長度為：其中，c為接縫寬度，可取10～20mm（2）三面圍焊時

先取hf值，求出正面角焊縫所能承擔(dān)的內(nèi)力N3：再由N-N3，再計算每條側(cè)面角焊縫長度。拼接板長度為：其中，c為接縫寬度，可取10-20mm

角鋼與節(jié)點板的焊縫連接計算:

（1）當(dāng)用側(cè)面角焊縫連接鋼板與角鋼時

應(yīng)使焊縫受力合力通過角鋼軸線。通過調(diào)節(jié)焊縫面積來實現(xiàn)。依∑X=0、∑M=0得:

肢背焊縫內(nèi)力N1和肢尖焊縫內(nèi)力N2求得后，再根據(jù)構(gòu)造要求和強度條件計算確定肢背和肢尖的焊腳尺寸和長度。（2）為使連接緊湊，可采用圍焊縫先選定正面角焊縫的hf，其承載力為：則肢背和肢尖焊縫的內(nèi)力為：肢背N1=k1N-N3/肢尖N2=k2N-N3/2然后按側(cè)焊縫確定肢背和肢尖焊縫尺寸。（3）當(dāng)受力較小可采用L形焊縫由上式中的N2=0,可得：N3=2k2N，

N1=N-N3，然后可確定各焊縫尺寸。肢背和肢尖可采用不同的焊腳尺寸hf，這樣可使肢背和肢尖的焊縫長度lw接近相等。

4．彎矩、剪力和軸心力共同作用時T形接頭的角焊縫計算

把荷載向焊縫中心平移，確定受力最大的應(yīng)力點，依應(yīng)力性質(zhì)組合，驗算最危險點的強度。

5．扭矩T作用(T平面‖焊縫平面)

扭矩T作用(T平面‖焊縫平面)假定（1）被連接件是剛性的，焊縫是彈性的；(2)被連接件繞焊縫形心O點轉(zhuǎn)動。焊縫上任一點應(yīng)力與該點與焊縫中心距離r的大小成正比，方向與r垂直?？傻迷擖c應(yīng)力沿x、y方向的分量為：式中，rx、ry——分別為r在x和y方向上的分量。因此，在扭矩T作用下，距焊縫形心最遠的強度驗算公式為：6.扭矩、剪力和軸力共同作用下搭接連接的角焊縫計算

把荷載向焊縫中心平移，確定受力最大的應(yīng)力點，依應(yīng)力性質(zhì)組合，驗算最危險點的強度。第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形一、焊接殘余應(yīng)力的種類和產(chǎn)生的原因

1、縱向殘余應(yīng)力（應(yīng)力方向‖焊縫長度方向）構(gòu)件產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力的三個充分必要條件：⑴構(gòu)件上存在不均勻的溫度場；⑵構(gòu)件進入了熱塑性狀態(tài)；⑶組成構(gòu)件的各個（假想）縱向纖維不能自由縱向變形。在同時滿足上述三個條件的情況下，構(gòu)件將產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力。

構(gòu)件在焊接、熱軋、熱切割等熱處理時將會同時滿足上述三個充分必要條件；故將會產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力?？v向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律：

構(gòu)件的縱向殘余應(yīng)力為自相平衡的內(nèi)應(yīng)力（合力為零），其分布表現(xiàn)為溫度高的焊縫附近區(qū)域為拉應(yīng)力，而遠離焊縫區(qū)溫度較低的區(qū)域為壓應(yīng)力。拉壓合力為零?？v向殘余應(yīng)力的分布如下圖所示。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++2．橫向殘余應(yīng)力

橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有：焊后焊縫縱向收縮，兩塊鋼板趨向于彎成弓形，但由于焊縫將兩塊鋼板連成整體，于是在焊縫中部和兩端分別產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力和橫向壓應(yīng)力如圖（3-10a、b）。施焊時先焊的焊縫先冷卻凝固，具有一定的強度，會阻止后焊焊縫在橫向的自由變形，產(chǎn)生橫向應(yīng)力。

3．沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力

外邊先冷卻而受壓，中間冷卻慢而受拉。

這三種應(yīng)力可能形成比較嚴重的同號三軸應(yīng)力；會大大降低結(jié)構(gòu)連接的塑性。這就是焊接結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞的原因之一。

二、焊接殘余變形

焊接過程中的局部加熱和不均勻的冷卻收縮，使焊件在產(chǎn)生殘余應(yīng)力的同時還將伴隨產(chǎn)生焊接殘余變形，如縱向和橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形等。三、焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的影響1．焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響(1)強度

殘余應(yīng)力是自平衡力系，不影響結(jié)構(gòu)的強度。(2)剛度

殘余應(yīng)力與荷載應(yīng)力相加以后，部分材料將提前進入屈服階段，繼續(xù)增加的外力將僅由彈性區(qū)承擔(dān)，因此構(gòu)件變形將加快，剛度降低。(3)構(gòu)件的穩(wěn)定性

荷載引起的壓應(yīng)力與截面殘余壓應(yīng)力疊加時，會使部分截面屈服，降低抗彎剛度EI，將降低構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。(4)疲勞和低溫冷脆

殘余應(yīng)力為三向同號應(yīng)力狀態(tài)時，材料易轉(zhuǎn)向脆性，使裂紋容易產(chǎn)生和開展，導(dǎo)致疲勞強度降低，易導(dǎo)致低溫脆性斷裂。2．焊接殘余變形對結(jié)構(gòu)的影響影響結(jié)構(gòu)的尺寸，使裝配困難，影響使用質(zhì)量;過大的變形將顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至使結(jié)構(gòu)不能使用。四、減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的方法1.合理設(shè)計：hf不宜過大；焊縫不宜過分集中和三向交叉。2.合理制造：合理的焊接工藝。3.矯正。第六節(jié)普通螺栓連接的構(gòu)造和計算一、普通螺栓的種類和特性

1.表示：普通螺栓為粗牙大六角頭型，代號用字母M與公稱直徑(毫米)表示,如M18，M20，M22，M24。2.按制作精度分類：分為A、B、C級螺栓。C級采用4.6、4.8級（小數(shù)點前的數(shù)字代表抗拉強度，單位為MPa，小數(shù)部分代表屈強比)材料制作，只要求Ⅱ類孔(在單個零件上一次沖成或不用鉆模鉆成設(shè)計孔徑的孔)，栓徑比孔徑小1.5～2.0mm。A、B級螺栓采用5.6或8.8級材料（45號和35號鋼）制作，要求Ⅰ類孔（用鉆模鉆成或在裝配好后擴鉆至設(shè)計孔徑），栓徑比孔徑小0.3mm左右。二、普通螺栓連接的構(gòu)造要求1、螺栓的直徑

在同一結(jié)構(gòu)連接中，為便于鉆孔及螺栓安裝并方便計算，宜采用同一直徑的螺栓。其直徑大小有受力和構(gòu)件尺寸綜合確定。常用直徑為M18、M20、M22、M24等。2、螺栓的排列和間距

螺栓的排列應(yīng)簡單、統(tǒng)一而緊湊，既要滿足受力要求，又要構(gòu)造合理便于安裝。

三、普通螺栓連接受力性能和強度計算拉剪螺栓受剪螺栓受拉螺栓NNF1