1、20 钢结构的连接20.1 20.1 概述概述1、连接：受力性连接，缀连性连接2、连接方法:焊接连接、铆钉连接、螺栓(高强螺栓)连接(图20-1)3、各种连接的优缺点(1)焊接：主要方法。不削弱构件截面，刚性好，构造简单，施工便捷，自动化操作。焊接应力和变形 (2)铆钉连接：费料费工，塑性韧性好，动荷载结构。 (3)螺栓连接 普通螺栓连接：装拆方便，施工简单。安装连接和临时性结构 高强螺栓连接：强度高、工作可靠、安装简便迅速，永久性结构20.2 20.2 焊接连接焊接连接20.2.120.2.1钢结构中常见的焊接方法和焊缝连接形式1）焊接方法（1）电弧焊原理（2）电弧焊分类：手工焊、自动焊和半
2、自动焊2 2）焊接形式和焊接计算对接、搭接和角接(图20-2) 20.2.1对接焊缝的构造与计算1）构造（1）优点：用料经济、传力均匀、平顺，没有显著的应力集中（2）双面施焊，引弧板（图205），坡口形式(图204)，手工焊，自动焊见国家标准GB985-80和GB986-80。（3）不等宽、不等厚的焊接，为了使构件受力均匀，应将较厚板的一侧或两侧做成不大于1：4的斜角，形成平缓的过渡，减少应力集中。（图206） 2）对接焊缝的计算（1）轴心拉力作用下的对接焊缝直对接焊缝（图20-7a），假设对接焊缝中的应力分布与被连接构件的应力分布相同，按下式计算强度：式中 ：N 轴心拉力 l 焊缝的计算长度
3、 t 对接焊缝中焊件中的较小厚度 t 对接焊缝的抗拉容许应力 twNl t（20-1）如采用207a）所示不能满足要求时：可采用207b）所示的斜对接焊缝，分别验算正应力和剪应力，即：sintwNl tcos wNl t（20-3）（20-2）式中 作用力方向与焊缝方向的夹角 对接焊缝抗剪容许应力 （2）弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝对于采用对接焊缝的钢板拼接（图20-8a），对接焊缝的最大正应力和最大剪应力不在同一点出现，焊缝强度可分别计算：tMW wVSI t（20-4）（20-5）式中 M、V弯矩和剪力计算值 W焊缝截面抵抗矩 S 焊缝截面面积矩 I 焊缝截面惯性矩对于采用对接焊缝的T形
4、或工字型截面梁（图20-8b）所示腹板与翼缘交接处，还应验算对接焊缝的折算应力：22131.1t（20-6） 20.1.3角焊缝的构造与计算 1） 角焊缝的构造 （1）角焊缝的形式角焊缝是指两焊件形成一定角度相交面上的焊缝。 按照受力方向和位置可分为：垂直于受力方向的正面角焊缝（图示a）平行于受力方向的侧面角焊缝（图示b）倾斜于受力方向的斜向角焊缝垂直和平行于受力方向的角焊缝组成的周围角焊缝（图示c）按照截面形式：两焊脚边夹角为直角的直角角焊缝（图20-9）两焊脚边夹角为锐角和钝角的斜角角焊缝（图20-10） 直角角焊缝的截面形式有普通焊缝（等边）、平坡焊缝和深熔焊缝。一般采用普通直角焊缝（图
5、20-9a），但是普通直角焊缝受力时力线弯折，应力集中严重，焊缝根部容易开裂。因此在直接承受动力荷载的直角焊缝常采用平坡焊缝（图20-9b）和深熔焊缝（图20-9c）。斜角焊缝常用于钢管结构中。对于135或60的斜角焊缝,除了钢管结构外,不宜用作受力焊缝。（2）角焊缝尺寸的构造要求最大焊角尺寸焊角尺寸hf不宜过大，否则施焊时导致热量集中，焊缝冷缩时导致焊接残余变形和三向焊接残余应力，使热影响区扩大，产生脆性断裂；并且焊脚尺寸与板件边缘等厚时，易产生咬边现象。因此，要求最大焊脚尺寸hf1.2tmin（图20-11a），tmin为较薄焊件的厚度。对于图20-11b所示的板件边缘的角焊缝还应满足：当
6、t16时， hft1 ；当t16时， hft1（12）；t1为较薄焊件厚度。最小焊脚尺寸焊脚尺寸太小会使焊缝存在缺陷或尺寸不足而影响承载力，同时，若焊件较厚，焊缝冷却速度快，则在焊缝内部产生淬硬组织，容易形成收缩裂纹。因此， 角焊缝的最小焊脚尺寸应满足hf1.5 （）， tmax较厚的焊件的厚度。对埋弧自动焊， hf可减少1；对T形连接的单面角焊缝应增加1；当tmax4时，取hf tmax。侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝的应力沿长度分布不均匀，两端大，中间小。焊缝中部尚未能充分发挥其承载力。因此，规定侧面角焊缝承受动载时，计算长度l50 hf，承受静载时，计算长度l60 hf，当大于此规定
7、时，超过的部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限制。角焊缝的最小计算长度计算长度太小会使使焊时起弧点与灭弧点的距离太maxt近，将使焊件的局部加热过重，焊缝缺陷集中，使焊缝不够可靠。因此，角焊缝的最小计算长度应满足l8hf（自动焊）和不小于40（手工焊）的要求。搭接连接的构造要求在搭接连接中,搭接长度应不小于5tmin和25(图20-12), tmin为接头较薄焊件的厚度,且不应只采用一条正面角焊缝的来传力。当板件端部仅有两条侧面角焊缝时（图20-13），为了避免应力传递过分弯折而使构件中应力不均匀，每条侧面角焊缝的长度应大于两侧面角焊缝之间的间距，即lb。为了
8、避免焊缝横向收缩时引起板件拱曲过大，间距b应满足b16tmin（tmin12时）或200 （tmin12时）。当不满足该规定时，应加正面角焊缝。 构件转角处截面突变，会产生应力集中。当角焊缝断部在构件转角处时，为避免起灭弧的缺陷加剧应力集中的影响，可按图10-23作为的2hf的绕角焊，且必须连续施焊，不能断焊。同理，当采用周围角焊缝时，在转角处也必须连续施焊。 （3）角焊缝的受力特点侧面角焊缝主要承受平行与焊缝长度剪应力的作用。弹性阶段，应力分布不均匀，两端大、中间小（图20-14a），但塑性较好，可产生应力重分布。进入弹塑性阶段后，在不超过最大计算长度的规定时，应力分布可趋于均匀，破坏常由两
9、端开始，在出现裂纹后，即很快地沿焊缝有效截面（最小截面）迅速破裂。正面角焊缝内应力沿焊缝长度方向比较均匀，两端比中间略低。但应力状态比侧面角焊缝复杂，两焊脚边均有拉应力、压应力和剪应力作用，且分布不均匀（图20-14b）。在有效截面上有垂直于焊缝方向的剪应力正应力 的作用。由于在焊缝根角出存在应力集中，故裂纹首先在此处产生，随即整条焊缝断裂。正面角焊缝的破坏可能发生在两焊脚边或有效截面上。正截面刚度大，塑性差，破坏时变形小，但强度较高，其平均破坏强度是侧面角焊缝强度的1.351.55倍。为了简化计算，假定应力沿焊缝计算长度线形分布，不论受到哪种应力的作用，均按受剪计算，不考虑正面角焊缝的强度提
10、高。 2）角焊缝的计算角焊缝强度计算的简化：无论正面角焊缝还是侧面角焊缝，均以沿角焊缝45方向的焊缝有效截面作为计算破坏截面。角焊缝有效面积为每条角焊缝的有效厚度和有效长度的乘积，而角焊缝有效长度为每条角焊缝实际长度减去规定的减小值。角焊缝抗拉、抗压或抗剪均采用同一容许应力f。在通过焊缝形心的拉力、压力、剪应力作用下，假定角焊缝有效截面上均为剪应力。（1）轴心力作用下角焊缝的计算当构件承受轴心力作用时，角焊缝中应力认为是均匀的，正面角焊缝的强度计算公式为feNhl（20-7）式中 N作用于连接构件的轴向力计算值； he角焊缝的有效厚度； l连接一侧共同负担同一方向力的角焊缝的总计算长度，其中每
11、条连续施焊的手工焊缝实际长度减去10，对自动焊的焊缝按实际长度计算。 f角焊缝的容许应力，其值按焊件钢材的容许应力取用。 例例20-1 20-1 图20-15所示连接中，被拼接的板宽b=500，厚14；两块拼接板厚t=10，l1=300， l2=450。钢材采用Q235钢，焊条为E43型手工焊。轴向拉力计算值N=1118.6KN,试确定该连接角焊缝的焊脚尺寸。 解：解：传递轴向力N的焊缝计算长度为122(22 5)2(2 300450 10)2080wlllmm 由附表4-1查得Q235钢角焊缝的容许应力为f85MPa 需要的角焊缝有效高度为 焊脚尺寸hfhe/0.79 焊件钢板最大厚度tma
12、x14，最小厚度tmin10，故焊脚尺寸hf9，满足1.5 (5.6)hf1.2tmin(=12) 。1186006.32080 85ewfNhmmlmaxt（2）轴心力作用下角钢角焊缝的计算在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接一般采用两面侧焊缝，也可采用三面围焊，在特殊情况下也允许采用L形围焊。腹杆受到轴心力作用时，为避免焊缝偏心受力而产生附加弯矩，焊缝所传递的合力作用线的合力作用线应与角钢杆件的轴线重合。（图20-16） 当承受轴心力作用的角钢用两面侧焊缝连接时图（20-16a），利用N1+N2=N和N1e1=N2e2两个平衡条件，可得到2111212212eNNk NeeeNNk Nee（
13、20-8）式中 k1、k2角钢肢背和肢尖的焊缝分配系数，实 际设计时，视为常数，查 表20-1 e1、e2分别为角钢肢背与角钢肢间至角钢形心的距离。 当采用三面围焊（图20-16b）时，可先选定端焊缝的厚度hf，并计算出它所能承受的内力。3e ffNh l 再通过平衡关系，可得到：332111233122122222NNeNNk NeeNNeNNk Nee（20-9） 对于图20-16c）所示的L形焊缝，则不需先选定端焊缝的厚度hf，而令式（20-9）的N2=0，可得到：1232(1 2)2NkNNk N（20-10） 例例20-2 20-2 图20-16a）所示的两面侧焊缝连接中，作用力计算
14、值N=700kN，角钢为210010，连接板厚t=10，钢材为Q345钢，手工焊，焊条为E50型，试设计角钢与连接板的连接角焊缝。 解：解：由附表查得Q345钢的容许拉应力=200MPa，则侧焊缝的容许应力f=120MPa。 取hf=8，小于hfmax=10-（12）=89和大于hfmin=1.5 4.7。角焊缝有效高度he5.6。 采用两面侧焊，肢背和肢尖分担的内力分别为 N1k1N0.7700000490000N N2k2N0.3700000210000N 肢背和肢尖所需要的焊缝实际长度为1149000010mm10375mm,380mm22 5.6 120wefNlh取222100001
15、0mm10166mm,370mm22 5.6 120wefNlh取 侧焊缝长度lw满足大于8hf，且小于60hf的规定，符合要求。10 （3）扭矩和剪力共同作用下角焊缝计算 角焊缝的破坏主要是由剪应力引起的，所以在扭矩和建立作用下，仍计算角焊缝有效截面上由扭矩和剪力所引起的最大剪应力。 以图20-17推导公式，如图所示，将外力N移至通过焊缝形心O的y轴上，等效为作用于围焊缝形心上的竖向力N和扭矩TNe。下面考察最大应力点（如A点）的应力。 由作用于焊缝形心上的竖向力N在焊缝中产生的剪应力为NyewNhl（20-11） 由扭矩TNe在焊缝中产生的剪应力为TTrJ（20-12） 将T分解成x轴和y
16、轴上分力：yyTxTxxTyTrTrrJrTrrJ式中r围焊缝的形心O至焊缝最远点A的距离； J围焊缝的计算截面积对形心O点的极惯性 矩，JIxIy； Ix围焊缝对ox轴的惯性矩； Iy围焊缝对oy轴的惯性矩 A点的应力由Ny、Tx、Ty组合而成。因此焊缝中的最大组合应力验算公式为：22()ATxTyNyf（20-13） （3）弯矩、剪力、轴向力共同作用下的角焊缝计算 如图20-19所示，N引起角焊缝中水平方向均布剪应力N ，V引起垂直方向的均布剪应力v ,M引起水平方向按三角形分布的剪应力M ，最大应力在角焊缝的上端A点。2Nfe wNNAh l2vfe wVVAh l23Mfe wMMWh
17、 l 则角焊缝A点处强度验算公式为：22()ANMVf（20-14） 由此，也可以得到以下焊缝接头各种受力情况的角焊缝计算公式为: 弯矩和剪力共同作用时： 弯矩和轴力共同作用时： 仅受弯矩作用时： 22MVfNMfMf20.2.4焊接残余应力及残余变形 1焊接残余应力 1）概念：应力，高温，冷却不一致，内应力与初变形。 例：对接焊接：焊接，高温熔融，远温度低，焊区膨胀受限，塑性变形。冷却：焊区收缩受阻产生拉应力，平衡远压应力，如图示。 2）焊接残余应力的分类：焊接残余应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在构件内自相平衡。焊接残余应力包括： (1)纵向焊接残余应力：是指沿焊缝长度方向的残余应力
18、（图20-21a） (2)横向残余应力：是垂直于焊缝方向且平行于构件表面的应力。（图20-21b20-21e） (3)厚度方向焊接残余应力：是指垂直于焊缝方向且垂直于构件表面的应力。（如下图20-22） 3）后果：静荷影响小，但过早进入塑性状态，降低刚度变形增大；降低抗低温冷脆能力及疲劳强度，裂纹或导致脆坏。 2.焊接残余变形 1）冷却时，两方向受已结硬焊层和焊件的约束，产生弯曲或翘曲（如图20-22），纵横向变形图。 2）后果：降低承载能力，影响正常使用。 3）减小和限制措施 (1)构造方面: 为避免焊接热量集中引起焊接应力过于集中，应尽量减少焊缝数量以及焊缝的厚度和长度。 为避免截面突变引起应力集中现象，连接过渡应尽量平缓。 为避免焊接缺陷引起应力集中，焊缝应布置在便于施焊的位置，并且有合适的空间和角度，尽量避免仰焊。 (2)焊接工艺措施： 采取适当的焊接顺序和方向。（图20-24） 施加反变形。 施焊前预热。 施焊后高温回火。 锤击。
