第三章钢结构的连接课件.ppt

1、钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院第三章第三章 钢结构的连接钢结构的连接第一节第一节 钢结构的连接方法和特点钢结构的连接方法和特点第二节第二节 焊缝连接形式和焊缝质量检验焊缝连接形式和焊缝质量检验第三节第三节 对接焊缝的构造要求和计算对接焊缝的构造要求和计算第四节第四节 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算第五节第五节 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第六节第六节 普通螺栓连接设计普通螺栓连接设计第七节第七节 高强度螺栓连接设计高强度螺栓连接设计钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院第一节第一节 钢结构

2、的连接方法和特点钢结构的连接方法和特点 钢结构构件由型钢、钢板等通过连接构成，各构件通过钢结构构件由型钢、钢板等通过连接构成，各构件通过安装连接构成整个结构。连接应安全可靠、传力明确、构造安装连接构成整个结构。连接应安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便以及节约钢材。简单、制造方便以及节约钢材。常用连接方法分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接等常用连接方法分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接等(a)焊缝连接焊缝连接 (b)铆钉连接铆钉连接 (c)螺栓连接螺栓连接钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。焊接连接是现代钢结构最主要

3、的连接方法。优点优点：1.构造简单，任何形式的构件都可直接相连；构造简单，任何形式的构件都可直接相连；2.用料经济，不削弱截面；用料经济，不削弱截面；3.制作加工方便，可自动化操作，质量好；制作加工方便，可自动化操作，质量好；4.连接的密闭性好，结构刚度大。连接的密闭性好，结构刚度大。缺点缺点：1.在焊缝附近的热影响区内，钢材组织发生改变，导在焊缝附近的热影响区内，钢材组织发生改变，导致局部材质变脆；致局部材质变脆；2.焊接残余应力和残余变形使受压构件承载焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力力 降低；降低；3.焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生

4、，就容易扩展到整体；易扩展到整体；4.低温冷脆问题突出。低温冷脆问题突出。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 螺栓连接分螺栓连接分普通螺栓连接普通螺栓连接和和高强度螺高强度螺栓连接栓连接 分为分为A、B、C三级。三级。A级与级与B级为精制级为精制螺栓，螺栓，C级为粗制螺栓。级为粗制螺栓。C级螺栓材料性能级螺栓材料性能等级为等级为4.6级或级或4.8级；级；A级和级和B级螺栓材料性级螺栓材料性能等级则为能等级则为5.6级或级或8.8级。级。5.6级其抗拉强级其抗拉强度不小于度不小于500 N/mm2，屈强比为，屈强比为0.6。A、B级螺栓由毛坯在车床上经

5、过切削加工精制级螺栓由毛坯在车床上经过切削加工精制而成；而成；C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。普通螺栓连接装卸便普通螺栓连接装卸便利，设备简单。但螺利，设备简单。但螺栓精度低时不宜受剪，栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和螺栓精度高时加工和安装难度较大。安装难度较大。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 由由45号钢、号钢、40B钢和钢和20 MnTiB钢加工制作，经热处理后，钢加工制作，经热处理后，等级分别称为等级分别称为8.8级和级和10.9级的高强度螺栓抗拉强度应分别不级的高强度螺栓抗拉强度应分别不低于低于800

6、 N/mm2和和1000 N/mm2，屈强比分别为，屈强比分别为0.8和和0.9。高强度螺栓有大六角头型和扭剪型两种，高强度螺栓有大六角头型和扭剪型两种，安装时通过特别安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。使接触面间产生摩擦力，传递外力，这种连接称为使接触面间产生摩擦力，传递外力，这种连接称为高强度高强度螺栓摩擦型螺栓摩擦型连接。高强度螺栓也可同普通螺栓一样，允许接触连接。高强度螺栓也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连接称面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种

7、连接称为为高强度螺栓承压型连接高强度螺栓承压型连接。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 铆钉连接有热铆和冷铆两种，以前在钢结构的连接中应用铆钉连接有热铆和冷铆两种，以前在钢结构的连接中应用较多，但由于铆钉连接构造复杂、生产效率低，现已很少采用。较多，但由于铆钉连接构造复杂、生产效率低，现已很少采用。优点：施工方便，对构件削弱小，可拆换，承受动力荷载，优点：施工方便，对构件削弱小，可拆换，承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好；但耐疲劳，韧性和塑性好；但摩擦面处理，安装工艺略为复杂，摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高。造价略高。优点：传力可靠，韧性优点：

8、传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好；但查，抗动力荷载好；但费钢，费工，连接构造费钢，费工，连接构造复杂、生产效率低。复杂、生产效率低。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 对于冷弯薄壁型钢构件，常用射钉或自攻螺钉连接对于冷弯薄壁型钢构件，常用射钉或自攻螺钉连接。其优。其优点是连接灵活，安装方便，构件无须预先处理，适用于轻钢、点是连接灵活，安装方便，构件无须预先处理，适用于轻钢、薄板结构；缺点是不能承受较大集中力。薄板结构；缺点是不能承受较大集中力。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑

9、学院第二节第二节 焊缝连接形式和焊缝质量检验焊缝连接形式和焊缝质量检验 手工电弧焊是最常用的一种焊接方法。通电后，在涂手工电弧焊是最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧。有药皮的焊条和焊件间产生电弧。a）电路；）电路；b）施焊过程；）施焊过程；1电焊机；电焊机；2导线；导线；3焊件；焊件；4电弧；电弧；5药皮；药皮；6起保护作用的气体；起保护作用的气体；7熔渣；熔渣；8焊缝金属；焊缝金属；9主体金属；主体金属；10焊丝；焊丝；11熔池熔池钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 埋弧焊是电弧在焊剂层埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的电弧焊方

10、法。焊丝下燃烧的电弧焊方法。焊丝送进和焊接方向的移动有专送进和焊接方向的移动有专门机构控制的称为门机构控制的称为埋弧自动埋弧自动电弧焊电弧焊；焊丝送进有专门机；焊丝送进有专门机构控制，焊接方向移动靠工构控制，焊接方向移动靠工人操作的人操作的 称为称为埋弧半自动埋弧半自动电弧焊电弧焊。埋弧自动电弧焊埋弧自动电弧焊1焊丝转盘；焊丝转盘；2转动焊丝的电动机；转动焊丝的电动机；3焊剂漏斗；焊剂漏斗；4电源；电源；5熔化的焊剂；熔化的焊剂；6焊缝金属；焊缝金属；7焊件；焊件；8焊剂；焊剂；9移动方向移动方向钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 气体保护焊采用裸焊丝

11、用从焊枪中气体保护焊采用裸焊丝用从焊枪中喷出的气体保护施焊过程中的电弧、喷出的气体保护施焊过程中的电弧、熔池和高温焊缝金属。利用二氧化碳熔池和高温焊缝金属。利用二氧化碳作为保护气体，称为二氧化碳保护焊。作为保护气体，称为二氧化碳保护焊。电阻焊利用电流通过焊件接触点电阻焊利用电流通过焊件接触点表面电阻所产生的热来熔化金属，再表面电阻所产生的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。通过加压使其焊合。适用于板叠厚度不大于适用于板叠厚度不大于12 mm的的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过可用来缀合壁厚不超过3.5 mm的构件。的构件。钢结构基本原理钢结构基

12、本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 焊缝连接形式可分为对接、搭接、焊缝连接形式可分为对接、搭接、T型连接和角部连型连接和角部连接。接。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。a)对接接头；对接接头；(b)搭接接头；（搭接接头；（c）T形接头；形接头；(d)角接接头。角接接头。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院对接焊缝：对接焊缝：正对接焊缝、斜对接焊缝。正对接焊缝、斜对接焊缝。角焊缝：角焊缝：正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝。正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽

13、理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 施焊时焊缝在焊件之施焊时焊缝在焊件之间的相对空间位置、焊缝间的相对空间位置、焊缝连接可分为连接可分为平焊、横焊、平焊、横焊、立焊和仰焊立焊和仰焊等。等。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透。咬边、未熔合、未焊透。裂纹裂纹焊瘤焊瘤烧穿烧穿弧坑弧坑气孔气孔夹渣夹渣咬边咬边未熔合未熔合未焊透未焊透钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 焊缝缺陷处引起应力集中，对

14、连接的强度、冲击韧性及冷焊缝缺陷处引起应力集中，对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。弯性能等均有不利影响。焊缝质量检验一般可用外观检查及无焊缝质量检验一般可用外观检查及无损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。无损检验目前广泛采用超声波检验，使用灵活经济，对内无损检验目前广泛采用超声波检验，使用灵活经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；最明确可靠的检验方部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；最明确可靠的检验方法是法是x射线或射线或y射线透照或拍片，射线透照或拍片，x 射线应用较广。射线应用较广。钢结构基本原理

15、钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院检检验验标标准准三三 级级肉眼外观检查肉眼外观检查二级二级 肉眼外观检查肉眼外观检查 超声波超声波用于有较大拉应力的较重要连接用于有较大拉应力的较重要连接不得存在裂不得存在裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷一级一级 肉眼外观检查肉眼外观检查 超声波超声波 X X或或射线射线用于抗动力、疲劳荷载的重要连接用于抗动力、疲劳荷载的重要连接不得存在不得存在未满焊、咬边、根部收缩、裂纹、表面气孔、夹渣、电弧未满焊、咬边、根部收缩、裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷擦伤等缺陷用于一般连接用于一般连接所有焊缝

16、均应作外观检验，不允许所有焊缝均应作外观检验，不允许有可见裂纹等缺陷。其它缺陷如咬边、表面气孔、夹渣等有可见裂纹等缺陷。其它缺陷如咬边、表面气孔、夹渣等按规范要求；按规范要求；（GB50205-2001）规定规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 GB50017规范规定，焊缝应根据结构的规范规定，焊缝应根据结构的。（1）需进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透需进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透 力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或力垂直于焊缝长度方

17、向的横向对接焊缝或T型对接与角型对接与角接组合焊缝，接组合焊缝，受拉时应为一级受拉时应为一级，受压时应为二级；受压时应为二级；力平行于焊缝长度方向的力平行于焊缝长度方向的纵向纵向对接焊缝应为对接焊缝应为二级。二级。（2）不计算疲劳的构件，要求与母材等强的对接焊缝应予焊）不计算疲劳的构件，要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应透，其质量等级当受拉时应不低于二级不低于二级，受压时，受压时宜为二级。宜为二级。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院第三节第三节 对接焊缝的构造要求和计算对接焊缝的构造要求和计算 对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫对接

18、焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝。坡口焊缝。当焊件厚当焊件厚度很小（手工焊度很小（手工焊6 mm，埋弧焊，埋弧焊 10 mm）时，可用直边缝。）时，可用直边缝。一一般厚度焊件采用单边般厚度焊件采用单边V形或形或V形焊缝，较厚的焊件（形焊缝，较厚的焊件（t 20 mm），），采用采用U形、形、K形和形和X形坡口。形坡口。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（a）改变宽度；）改变宽度；（b）改变厚度）改变厚度 对接焊缝拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差对接焊缝拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4 mm以上以上时，在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度

19、不大于时，在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的的斜角，以使截面过渡平缓，减小应力集中。斜角，以使截面过渡平缓，减小应力集中。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院在焊缝的起灭弧处，会出现弧坑等缺陷，焊接时设置引弧在焊缝的起灭弧处，会出现弧坑等缺陷，焊接时设置引弧板和引出板。板和引出板。对受静力荷载的结构允许不设置引弧板，焊缝对受静力荷载的结构允许不设置引弧板，焊缝计算长度等于实际长度减计算长度等于实际长度减2t。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 在对接接头和在对接接头和T形接头中，垂直于轴心

20、拉力或轴心压力形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力N的对接焊缝，其强度应按下式计算：的对接焊缝，其强度应按下式计算：钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院wcwtwfftlN或式中：式中：lw焊缝计算长度，焊缝计算长度，钢板宽度钢板宽度b，未采用引弧板施焊时取，未采用引弧板施焊时取(b 2t)mm；t 在对接接头中为被连接两钢板的较小厚度在对接接头中为被连接两钢板的较小厚度 在在T形或角接接头中为对接焊缝所在面钢板的厚度形或角接接头中为对接焊缝所在面钢板的厚度ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。钢结构基本原理钢结构基

21、本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院.sinwtwNfl t.coswvwNfl t/sinwlb加引弧板时，加引弧板时，/sin2wlbtwvf对接焊缝抗剪强度设计值对接焊缝抗剪强度设计值 当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。轴心当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。轴心受拉斜焊缝，可按下列公式计算：受拉斜焊缝，可按下列公式计算：N NN Ntg1.5NNcosNsin钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 对接接头受弯和剪联合作用，焊缝截面矩形，最大值应满对接接头受弯和剪联合作用，焊缝截面矩形，最大值应满足下列强度条

22、件。足下列强度条件。钢板拼接对接直焊缝承受弯矩钢板拼接对接直焊缝承受弯矩设计值设计值M、剪力、剪力V，正应力和，正应力和剪应力最大值发生在不同部位，分别计算：剪应力最大值发生在不同部位，分别计算：钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院验算最大正应力和剪应力验算最大正应力和剪应力还需验算同时承受较大正应力和剪应力处的折算应力：还需验算同时承受较大正应力和剪应力处的折算应力：221131.1wtfwWMwtftIVSwwwvfmax26wtwwMMfWl tmax32wwvwwVSVfI tl t钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学

23、土木建筑学院 正应力应按承受轴心力作用下和弯矩作用下产生的正应力正应力应按承受轴心力作用下和弯矩作用下产生的正应力进行叠加，还需验算剪应力和折算应力。进行叠加，还需验算剪应力和折算应力。wwMNWAwtfwwVSI twvf221131.1wztf钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院第四节第四节 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算 角焊缝是最常用的焊缝。角焊缝是最常用的焊缝。按其截面形式可分为按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝直角角焊缝和斜角角焊缝 按与作用力关系分按与作用力关系分正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝钢结构

24、基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院侧面角焊缝主要承受剪应力。塑性较好，弹性模量低，强侧面角焊缝主要承受剪应力。塑性较好，弹性模量低，强度也较低。由于传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，应力沿度也较低。由于传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态，焊焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态，焊缝越长，应力分布越不均匀，但在进入塑性工作阶段时产生缝越长，应力分布越不均匀，但在进入塑性工作阶段时产生应力重分布，可使不均匀现象趋缓。应力重分布，可使不均匀现象趋缓。正面角焊缝连接传力线有较剧烈弯折，应力复杂，截面中正面

25、角焊缝连接传力线有较剧烈弯折，应力复杂，截面中均存在正应力和剪应力。由于传力时力线弯折，并且焊根处均存在正应力和剪应力。由于传力时力线弯折，并且焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端，故焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端，故焊根处存在着很严重的应力集中。存在着很严重的应力集中。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 焊脚尺寸焊脚尺寸 有效高度有效高度 钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 规范规范规定：除了直接焊接钢管

26、结构的焊脚尺寸规定：除了直接焊接钢管结构的焊脚尺寸hf 不宜不宜大于支管壁厚的大于支管壁厚的2倍之外，倍之外，hf 不宜大于较薄焊件厚度的不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。倍。在板件边缘的角焊缝，当板件厚度在板件边缘的角焊缝，当板件厚度t 6 mm时，时，hf t-（1-2）mm。规范规范规定：角焊缝的焊脚尺寸规定：角焊缝的焊脚尺寸hf 不得小于不得小于 ，t为较厚为较厚焊件厚度。自动焊熔深大，最小焊脚尺寸可减少焊件厚度。自动焊熔深大，最小焊脚尺寸可减少1 mm；对；对T形形连接的单面角焊缝，应增加连接的单面角焊缝，应增加1 mm。当焊件厚度等于或小于。当焊件厚度等于或小于4 mm时，则最小焊脚

27、尺寸应与焊件厚度相同。时，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同。1.5 t钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 若内力沿侧面角烽缝全若内力沿侧面角烽缝全长分布，则计算长度不受此长分布，则计算长度不受此限。限。侧面角焊缝的计算长度不宜大于侧面角焊缝的计算长度不宜大于lw 60hf，当大于上述，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。数值时，其超过部分在计算中不予考虑。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院焊缝太短会使施焊时起焊缝太短会使施焊时起弧灭弧可能引起的弧坑缺陷弧灭弧可能引起的弧坑缺陷相距太近，再加上其它焊缝相距

28、太近，再加上其它焊缝缺陷或尺寸不足将影响承裁缺陷或尺寸不足将影响承裁力过多。力过多。侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度均不得小于侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度均不得小于8hf和和40mm，其实际焊接长度应较前述数值还要大，其实际焊接长度应较前述数值还要大2hf。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 当板件端部仅有两条侧面角焊缝当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时，宜使每条侧面角焊缝计算长连接时，宜使每条侧面角焊缝计算长度度lw其间距其间距b，且间距，且间距 b16tmin(tmin12mm时时)或或190mm(tmin12mm时时)。在搭接连接中，当仅采用

29、在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度度不得小于焊件较小厚度的的5倍，也不得小于倍，也不得小于25 mm，以免焊缝受偏心弯，以免焊缝受偏心弯矩影响太大而破坏。矩影响太大而破坏。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院二、直角角焊缝的计算二、直角角焊缝的计算1、直角角焊缝的基本计算公式、直角角焊缝的基本计算公式 角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度与计算长度的乘积，角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度与计算长度的乘积，而有效厚度而有效厚度he=0.7hf。试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，通常认为试验表明，直角角焊缝

30、的破坏常发生在喉部，通常认为直角角焊缝是以直角角焊缝是以45方向的最小截面作为有效计算截面。方向的最小截面作为有效计算截面。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院我国采用折算应力公式，引入抗力分项系数后，得角焊缝的我国采用折算应力公式，引入抗力分项系数后，得角焊缝的计算式：计算式：222/3()3fwf承受承受Ny和和Nx作用作用yfe wNh l/2f/f/xfe wNh l钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 各应力综合作用下，各应力综合作用下，和和 共同作用处的计算公式为：共同作用处的计算公式为：ff22fwf

31、fff式中式中f正面角焊缝的强度增大系数，正面角焊缝的强度增大系数，31.222f对正面角焊缝，对正面角焊缝，得：，得：0fwfffe wNfh l对侧面角焊缝，对侧面角焊缝，得：，得：0fwffe wNfh l对于对于直接承受动力荷载直接承受动力荷载结构中的焊缝，取结构中的焊缝，取1.0f为什么要考虑为什么要考虑f钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（1 1）用盖板的对接连接）用盖板的对接连接 0N14 0.7wffe wf wNNNNfh lh l三面围焊缝三面围焊缝wffewNfh l只有侧面角焊缝只有侧面角焊缝钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工

32、大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（2）.受受斜向轴心力的角焊缝斜向轴心力的角焊缝对对N力进行分解力进行分解Nx=NsinNy=Ncos 则：则：.sin.cos,ffe we wNNh lh l22fwffff 代入代入钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院wffe wNfh l 得得21sin13f斜焊缝强度增大系数斜焊缝强度增大系数（3 3）受轴心力作用的角钢端部连接）受轴心力作用的角钢端部连接 在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝采用在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝采用两面侧焊，两面侧焊，也可采用三面围焊，也可采用三面围焊，特殊情况也

33、采用特殊情况也采用L形围焊形围焊。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院三面围焊三面围焊可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，求出正面角焊缝所分担的求出正面角焊缝所分担的轴心力轴心力N3。当腹杆为双角钢组成的当腹杆为双角钢组成的T形截面，肢宽为形截面，肢宽为b332 0.7wfffNh bf由平衡条件可得：由平衡条件可得：3311()22NNN beNK Nb332222NNNeNK Nb钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院两面侧焊两面侧焊上式中：上式中：N3=011NK N22NK N11

34、12 0.7wwffNlhf2222 0.7wwffNlhf考虑到每条焊缝两端的起灭弧缺陷，实际考虑到每条焊缝两端的起灭弧缺陷，实际焊缝长度应为计算长度加焊缝长度应为计算长度加2hf 钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院杆件受力小，采用杆件受力小，采用L形围焊形围焊 N2=0 322NK N13NNN3332 0.7ffwwfNhlfL形围焊形围焊钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院2xxNee wNNAh l262Mee wMMWh l3.受轴力、弯矩、剪力时角焊缝计算受轴力、弯矩、剪力时角焊缝计算 (1)双面角

35、焊缝连接承受偏心斜拉力双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N作用作用钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院A点处方向相同，直接叠加点处方向相同，直接叠加剪力剪力Ny在在A点处产生平行于焊缝长度方向应力：点处产生平行于焊缝长度方向应力：2yyyfee wNNAh l22fffwff622Xfe we wNMh lh l钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院焊缝承受剪力焊缝承受剪力V和弯矩和弯矩M=Ve弯矩弯矩M焊缝全截面承受焊缝全截面承受，产生三角形分布的水平弯曲应力，产生三角形分布的水平弯曲应力f1剪力通常假定仅由剪力通常假定

36、仅由腹板焊缝承受腹板焊缝承受，剪应力均匀分布。，剪应力均匀分布。(2)工字梁与钢柱翼缘角焊缝连接工字梁与钢柱翼缘角焊缝连接 钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院应验算应验算A、B点处的焊缝应力点处的焊缝应力(Iw为焊缝截面惯性矩为焊缝截面惯性矩)A点：点：112fwffwhMfIB点：点：22222()ffwewhMVIh l222ffwfffABAh1h2B钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院4.受扭矩与剪力共同作用的角焊缝连接计算受扭矩与剪力共同作用的角焊缝连接计算 三面围焊承受偏心力三面围焊承受偏心力F偏心力

37、产生轴心力偏心力产生轴心力F和扭矩和扭矩T=Fe。FVT焊缝受弯受扭如何判断焊缝受弯受扭如何判断钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院TAArO焊缝承受扭矩时的焊缝承受扭矩时的基本假定基本假定:（1）被连接构件绝对刚性）被连接构件绝对刚性,焊缝变形按弹性考虑焊缝变形按弹性考虑（2）被连接构件绕焊缝形心）被连接构件绕焊缝形心O相互旋转，焊缝任一点变形相互旋转，焊缝任一点变形和应力方向均垂直于该点与和应力方向均垂直于该点与O的连线，大小与的连线，大小与r成正比。成正比。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院J=Ix+IyT

38、fTrnJ分解为分解为x方向和方向和y方向的分力方向的分力yTfTrJTxfTrJhbxxrxrynfTrTfTfc0.7hfVfe we wVFh lh l焊缝强度需要满足：焊缝强度需要满足：22TVffTwfff剪力剪力V作用作用A点引起的应力：点引起的应力：钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院焊缝表示方法焊缝表示方法钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院第五节第五节 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形（1）纵向焊接应力）纵向焊接应力 1.分类分类 纵向焊接应力、纵向焊接应力、横向焊接应力和横向焊接应力

39、和 沿厚度方向的焊接应力沿厚度方向的焊接应力（2）横向焊接应力）横向焊接应力钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（3）厚度方向的焊接应力厚度方向的焊接应力钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 2.2.产生原因产生原因 （1）焊缝出现不均匀温度场：焊缝附近温度最高，可高达）焊缝出现不均匀温度场：焊缝附近温度最高，可高达1600 度以上，在焊缝区以外，温度则急剧下降。度以上，在焊缝区以外，温度则急剧下降。（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律律(变形前

40、的平截面，变形后仍保持平面变形前的平截面，变形后仍保持平面)而受到其相邻较低温度区而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。的约束，使焊缝区产生纵向压应力。（3）由于钢材在）由于钢材在600以上时呈塑性状态以上时呈塑性状态(热塑性状态热塑性状态)，因而，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，塑性变高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失时不能恢复。形当温度下降、压应力消失时不能恢复。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院1.对结构静力强度的影响对结构静力强度的影响 钢结构基本原理钢结构基本

41、原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院焊接应力自相平衡，受拉区应力面积焊接应力自相平衡，受拉区应力面积At，受压区应力面积，受压区应力面积Ac，即，即At=Ac=btfy。截面达到屈服点。截面达到屈服点fy时所承受的外力时所承受的外力()ycyyNABb tfBtf焊接应力不影响结构的静力强度焊接应力不影响结构的静力强度2.对结构刚度的影响对结构刚度的影响 焊接应力降低结构的刚度。焊接应力降低结构的刚度。残余应力的拉杆的抗拉刚度为残余应力的拉杆的抗拉刚度为（B-b）tE，而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为 BtE钢结构基本原理钢结构基

42、本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院3.对低温冷脆的影响对低温冷脆的影响厚板焊接处以及在交叉焊缝部位，产生了阻碍塑性变形的三轴拉厚板焊接处以及在交叉焊缝部位，产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力，阻碍该区域钢材塑性变形的发展，从而增加钢材在低温下应力，阻碍该区域钢材塑性变形的发展，从而增加钢材在低温下的脆断倾向。的脆断倾向。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院4.对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。

43、因此，点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.1.焊接不均匀的加热焊接不均匀的加热 焊接区产生热塑性压缩变形，冷却时焊接区要在纵向和横焊接区产生热塑性压缩变形，冷却时焊接区要在纵向和横向收缩，构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转。向收缩，构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转。2.焊接残余变形焊接残余变形 纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等。纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大

44、学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式。）合理的选择焊缝的尺寸和形式。（2）尽可能能减少不必要的焊缝）尽可能能减少不必要的焊缝。（3）合理地安排焊缝的位置。）合理地安排焊缝的位置。（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（1）采用合理的焊接顺序和方向。）采用合理的焊接顺序和方向。（2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。（3）锤击或辗压焊缝。）锤击或

45、辗压焊缝。（4）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。形。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院第六节第六节 普通螺栓连接设计普通螺栓连接设计 螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求：螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求：（1）受力要求）受力要求（2）构造要求）构造要求（3）施工要求）施工要求 钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（1）受力要求：端距与栓距过大

46、过小都不好，受压时栓距过）受力要求：端距与栓距过大过小都不好，受压时栓距过大板件易发生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉时端距或栓距大板件易发生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉时端距或栓距过小板件易剪切破坏。过小板件易剪切破坏。（2）构造要求：栓距过大则构件接触面不够紧密，潮气易于）构造要求：栓距过大则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而发生锈蚀。侵入缝隙而发生锈蚀。（3）施工要求：保证一定空间转动扳手。）施工要求：保证一定空间转动扳手。螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院钢结构

47、基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院名称 位置和方向 最大容许距离（取两者的较小值）最小容许距离 外排(垂直内力或顺内力方向)8d0 或 12 t 垂直内力方向 16d0 或 24 t 构件受压力 12d0 或 18 t 中间排 顺内力方向 构件受拉力 16d0 或 24 t 中心间距 沿对角线方向 3d0 顺内力方向 2d0 剪切或手工气割边 1.5d0 高强度螺栓 1.5d0 中心至构件边缘距离 垂直内力方向 轧制边、自动气割或锯割边 其它螺栓 4d0 或 8 t 1.2d0 钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院（1

48、）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数端，永久性螺栓数不宜少于两个不宜少于两个。（2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其采用双螺帽或其他防止螺帽松动他防止螺帽松动的有效措施。的有效措施。（3）由于）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用接和临时固定构件用的安装连接中，也

49、可用C级螺栓受剪。级螺栓受剪。（4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板）钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院 按受力情况可分为三类：螺栓只承受剪力；螺栓只承受按受力情况可分为三类：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力作用。拉力；螺栓承受拉力和剪力作用。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院四个阶段：四个阶段：a.摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(0-1)b.滑移阶段滑移阶段(1-2)c.栓杆传力弹性阶段栓杆传力弹性阶段(2-3)d.弹塑性阶段弹塑性阶段

50、(3-4)钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院a.当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓杆剪切破坏。杆剪切破坏。破坏形式破坏形式 b.当螺栓直径较粗而被连当螺栓直径较粗而被连接钢材较薄时，孔壁可能在螺接钢材较薄时，孔壁可能在螺栓杆局部承压或挤压下产生较栓杆局部承压或挤压下产生较大挤压应力和塑性变形，最终大挤压应力和塑性变形，最终导致螺栓孔拉长，称为挤压破导致螺栓孔拉长，称为挤压破坏。坏。钢结构基本原理钢结构基本原理安徽理工大学土木建筑学院安徽理工大学土木建筑学院d.当螺栓孔距板端距离较当螺栓孔距板端距