1、 模块模块8 8 钢结构钢结构钢结构概述钢结构的材料钢结构的连接钢构件的计算钢屋盖的设计知识目标知识目标（1 1）了解钢结构的类型、特点及应用范围。）了解钢结构的类型、特点及应用范围。（2 2）熟悉钢结构材料的主要性能、品种及规格。）熟悉钢结构材料的主要性能、品种及规格。（3 3）掌握钢结构的连接方法、构造及计算方法。）掌握钢结构的连接方法、构造及计算方法。（4 4）掌握钢构件的设计及计算方法，掌握钢屋盖的设）掌握钢构件的设计及计算方法，掌握钢屋盖的设计方法。计方法。模块模块8 8 钢结构钢结构8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述 8.1.18.1.1钢结构的类型钢结构是工程结构中应用比较广泛
2、的一种建筑结构，按照使用功能及结构组成方式的不同，钢结构主要分为厂房类钢结构、桥梁类钢结构、海上采油平台钢结构和卫星发射钢塔架等，常见的为厂房类钢结构和桥梁类钢结构。8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述厂房类钢结构厂房类钢结构1.厂房类钢结构中的主要承重构件（如钢柱子、钢结构基础、钢梁、钢屋架及钢屋盖等）由钢材组成。厂房类钢结构主要包括轻型钢结构和重型钢结构。8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述桥梁类钢结构桥梁类钢结构2.桥梁类钢结构在公路、铁路领域中有着极为广泛的应用，如板梁桥、桁架桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等。8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述 8.1.28.1.2钢结构的特点钢结构具有以
3、下特点：（1）钢材的重量较轻，抗拉、抗压及抗剪强度相对较高，既适用于跨度大、高度大、承载力大的结构，也适用于抗地震、可移动、易装拆的结构。（2）钢材的塑性和韧性较高，可靠性好，不会因偶然超载或局部超载而发生断裂。（3）钢结构的密封性好，适用于气密性及水密性要求较高的高压容器、大型油库、输送管道等。8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述（4）钢结构制作简便，施工工期短，可降低投资成本。（5）钢结构面积小，相应建筑物的使用面积大，可以提高建筑物的使用价值和经济效益。（6）钢结构的耐腐蚀性差，应采取防护措施。因为钢材在潮湿的环境中易腐蚀，需进行防腐处理，并要经常进行维护，所以会增加投资成本。（7）钢结
4、构的耐火性差。钢材耐热而不耐火，随着温度的升高，钢结构的强度会降低，故应在钢结构表面喷涂防火材料。8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述 8.1.38.1.3钢结构的应用范围钢结构的应用范围很广，应根据钢结构的特点并结合我国国情进行合理的选择。钢结构的应用范围如下：（1）重型钢结构。近年来，随着网架结构的应用，许多工业车间都采用了钢结构，如冶金厂房的平炉车间、转炉车间、混铁炉车间、初轧车间，重型机械厂的铸钢车间、水压机车间、锻压车间等。（2）轻型钢结构。轻型钢结构是一种新型钢结构体系，被广泛应用于中小型房屋建筑、体育场看台雨篷、小型仓库等建筑结构中。8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述（3）大跨
5、度钢结构。大跨度钢结构被广泛应用于飞机装配车间、飞机库、大会堂、体育馆、展览馆等大跨度结构中，其结构体系可为网架、悬索、拱架及框架等。（4）高耸钢结构。大多数高耸结构（如电视塔、通信塔、石油化工塔、火箭发射塔、钻井塔、输电线路塔、大气监测塔、旅游瞭望塔等）均采用钢结构。（5）建筑钢结构。旅馆、饭店、办公大楼等高层建筑采用钢结构的情况越来越多，一些小高层（1216层）建筑、多层（68层）建筑也有采用钢结构的趋势。8.1 8.1 钢结构概述钢结构概述（6）桥梁钢结构。桥梁钢结构的应用越来越多，特别是用于中等跨度和大跨度的斜拉桥。（7）板壳钢结构。钢结构在对密闭性要求较高的容器（如大型储油库、煤气库
6、、炉壳等）及能承受很大内力的板壳结构中都有广泛的应用。（8）移动钢结构。由于钢结构具有强度高、相对较轻的特点，因而在装配式房屋、水工闸门、升船机、桥式吊车及各种塔式吊车、龙门吊车、缆索吊车等移动结构中的应用也越来越多。（9）其他构筑物。钢结构还可应用于一些其他的构筑物中，如栈桥、管道支架、井架和海上采油平台等。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料 8.2.18.2.1钢材的主要性能钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料钢材的力学性能钢材的力学性能1.钢材的力学性能包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、耐疲劳性和冲击韧性。（1）屈服强度。不可逆(塑性)变
7、形开始出现时，金属单位截面上的最低作用外力叫作屈服强度或屈服点。校核钢结构强度时，若根据荷载算得的应力小于材料的容许应力s，则结构是安全的。容许应力s可按式（8-1）计算。（8-1）式中，s为材料屈服强度；K为安全系数。屈服强度是强度计算和确定结构尺寸的最基本参数。Kss 8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料（2）抗拉强度。钢材的抗拉强度表示其能承受的最大拉应力值。在建筑钢结构中，将抗拉强度的上、下限作为控制钢材冶金质量的指标。抗拉强度过低，意味着钢的生产工艺不正常，冶金质量不良(如钢中气体、非金属夹杂物过多等)；抗拉强度过高，则反映轧钢工艺不当，终轧温度太低，使钢材过分硬化，从而引起钢材
8、塑性、韧性的下降。规定了钢材抗拉强度的上、下限，就可以使钢材与钢材之间、钢材与焊缝之间的强度较为接近，使结构具有等强度的要求，避免因材料强度不均而产生过度的应力集中。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料控制抗拉强度的范围可以避免因钢材的强度过高而给冷加工和焊接带来困难。由于钢材应力超过屈服强度后会出现较大的残余变形，造成结构不能正常使用，因而钢结构设计是以屈服强度作为承载力极限状态的标志值，相应地，在一定程度上，抗拉强度即作为强度储备。其储备率可用抗拉强度与屈服强度的比值强屈比(fu/fy)来表示，强屈比越大，则强度储备越大。所以，钢材除要满足屈服强度的要求外，还应符合抗拉强度的要求。8.
9、2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料（3）断后伸长率。断后伸长率不仅是钢材加工工艺性能的重要指标，还可以体现钢材冶金质量的好坏。伸长率是衡量钢材塑性及延性性能的指标。断后伸长率越大，表示钢材的塑性及延性性能越好，钢材断裂前永久塑性变形和吸收能量的能力越强。建筑结构钢的断后伸长率应为1623。钢材的断后伸长率太低，可能是钢材的冶金质量不好所致；钢材的断后伸长率太高，则可能引起钢材的强度、韧性等其他性能下降。随着钢材的屈服强度等级的提高，断后伸长率的指标会有少许降低。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料（4）耐疲劳性。钢筋混凝土构件在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于屈服点时发生突然的脆性
10、断裂，这种现象叫作疲劳破坏。（5）冲击韧性。钢材的冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，以及在低温、应力集中、冲击荷载等作用下衡量抵抗脆性断裂的能力。钢材中的非金属夹杂物、脱氧不良等都将影响钢材的冲击韧性。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料钢材的冲击韧性试验采用V形缺口的标准试件，如图8-1所示。冲击韧性指标用冲击荷载使试件断裂时所吸收的冲击功AKV来表示，单位为J。图8-1 V形缺口的标准试件（单位：cm）8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料钢材的工艺性能钢材的工艺性能2.钢材的工艺性能包括冷弯性能和焊接性能等。（1）冷弯性能。钢材的冷弯性能是指钢材在常温下能承受弯曲而不破裂的能力
11、。钢材的弯曲程度常用弯心直径或弯曲角度与材料厚度的比值来表示，该比值越小，表明钢材的冷弯性能越好。冷弯试验是测定钢材冷弯性能的重要手段。它以试件在规定的弯心直径下弯曲到一定角度不出现裂纹、裂断或分层等缺陷为合格标准。在试验钢材冷弯性能的同时，也可以检验钢材的冶金质量。在冷弯试验中，钢材开始出现裂纹时的弯曲角度及裂纹的扩展情况说明了钢材的抗裂能力，一定程度上反映了钢材的韧性。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料（2）焊接性能。钢材的焊接性能是指钢材适应焊接工艺和焊接方法的能力。焊接性能好的钢材，适应焊接工艺和焊接方法的能力强，因此可采用常用的焊接工艺与焊接方法进行焊接。焊接性能差的钢材进行焊
12、接时，应注意焊后可能出现变形、开裂等现象。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料 8.2.28.2.2钢材的品种及其规格钢材主要包括钢板与钢带、型钢、钢管、钢筋等。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料钢板与钢带钢板与钢带1.一般情况下，钢板是指宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。钢带一般是指长度很长，可成卷供应的钢板。根据钢板的薄厚程度不同，钢板大致可分为薄钢板(厚度不大于4 mm)和厚钢板(厚度大于4 mm)两种。在实际工作中，常将厚度为420 mm的钢板称为中板；将厚度为2060 mm（不包括20 mm）的钢板称为厚板；将厚度在60 mm以上的钢板称为特厚板。成张钢板的规格以厚度宽度长度
13、的毫米数表示。钢带也可分为两种：当宽度大于或等于600 mm时，为宽钢带；当宽度小于600 mm时，为窄钢带。钢带的规格以厚度宽度的毫米数表示。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料型钢型钢2.(1）型钢的种类。按材质的不同，型钢可分为普通型钢和优质型钢。普通型钢是由碳素结构钢和低合金高强度结构钢制成的，主要用于建筑结构和工程结构。优质型钢也称优质型材，是由优质钢（如优质碳素结构钢、合金结构钢、易切削结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢等）制成的，主要用于各种机器结构、工具及有特殊性能要求的结构。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料按生产方法
14、的不同，型钢可分为热轧(锻)型钢、冷弯型钢、冷拉型钢、挤压型钢和焊接型钢。用热轧方法生产型钢，具有生产规模大、效率高、能耗少和成本低等优点，是型钢生产的主要方法。用焊接方法生产型钢，是将矫直后的钢板或钢带剪裁、组合并焊接成型，它不但可以节约金属，而且还可以生产特大尺寸的型材，生产工字钢材的最大尺寸目前已达到2 000 mm508 mm76 mm。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料按截面形状的不同，型钢可分为圆钢、方钢、扁钢、六角钢、等边角钢、不等边角钢、工字钢、槽钢和异型钢等。圆钢、方钢、扁钢、六角钢、等边角钢及不等边角钢等的截面没有明显的凸凹分支部分，也称简单截面型钢或棒钢。在简单截面
15、型钢中，优质钢与特殊性能钢占有相当大的比重。工字钢、槽钢和异型钢的截面有明显的凸凹分支部分，成型比较困难，也称复杂截面型钢，即通常意义上的型钢。异型钢通常是指有专门用途的截面形状比较复杂的型钢，如窗框钢、汽车车轮轮辋钢、履带板型钢及周期截面型钢等。周期截面型钢是指其截面形状沿长度方向呈周期性变化的型钢，如周期犁铧钢、纹杆钢等。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料(2）型钢的规格。角钢的规格。常用热轧角钢有等边角钢和不等边角钢（见图8-2），其长度一般为319 m。图8-2 热轧角钢(a)等边角钢(b)不等边角钢8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料热轧等边角钢的型号用符号“”和肢宽肢厚的
16、毫米数表示。例如，10010表示肢宽为100 mm、肢厚为10 mm的等边角钢。热轧等边角钢的边宽度及边厚度的允许偏差如表8-1所示。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料热轧不等边角钢的型号用符号“”和长肢宽短肢宽肢厚的毫米数表示。例如，100808表示长肢宽为100 mm、短肢宽为80 mm、肢厚为8 mm的不等边角钢。热轧不等边角钢的边宽度及边厚度的允许偏差如表8-2所示。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料工字钢有普通工字钢和轻型工字钢之分，分别用符号“工”和“Q工”及号数表示，号数代表截面高度的毫米数。工20和工32以上的普通工字钢，同一号数中又分a、b和b、c类型，其腹板厚度
17、和翼缘宽度均分别递增2 mm。例如，工36 a表示截面高度为360 mm、腹板厚度为a类的普通工字钢。工字钢宜尽量选用腹板厚度最薄的a类，因其线密度低，而截面惯性矩相对较大。轻型工字钢的翼缘比普通工字钢的翼缘宽而薄，故回转半径相对较大，可节省钢材。轻型工字钢由于宽度方向的惯性矩和回转半径比高度方向小得多，因而在应用上有一定的局限性，一般宜用于单向受弯构件。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料工字钢的通常长度如表8-3所示。每米弯曲度不大于2 mm，总弯曲度不大于总长度的0.2%，并不得有明显的扭曲。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料热轧工字钢截面尺寸的允许偏差应符合下列规定：a.工字
18、钢的高度h、腿宽度b、腰厚度d1尺寸的允许偏差应符合表8-4的规定。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料b.工字钢平均腿厚度t的允许偏差为0.06t。c.工字钢的弯腰挠度不应超过0.15d1。d.工字钢的外缘斜度,单腿不大于1.5%b，双腿不大于2.5%b。e.根据双方协议,相对于工字钢垂直轴的腿的不对称度，不应超过腿宽公差之半。热轧工字钢的定尺、倍尺长度及允许偏差如表8-5所示。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料槽钢的规格。槽钢分普通槽钢和轻型槽钢两种，型号用符号“”和“Q”及号数表示。号数也代表截面高度的毫米数。14和25号以上的普通槽钢同一号数中又分a、b和a、b、c类型，其腹
19、板厚度和翼缘宽度均分别递增2 mm。槽钢截面的高度、腿宽度、腹板厚的尺寸允许偏差如表8-6所示。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料H型钢的规格。轧制H型钢的钢号可分为低合金钢Q345钢和Q390钢，并可指定其质量等级。H型钢按其截面规格可分为以下系列：宽翼缘(HW)。这一系列常用作柱及支撑，其翼缘较宽，截面宽高比为11；弱轴的回转半径相对较大，具有良好的受压承载力；截面规格为100 mm100 mm400 mm400 mm。中翼缘(HM)。这一系列可用作柱和梁，其翼缘宽度比宽翼缘(HW)窄一些，截面宽高比为1211.3，截面规格为150 mm100 mm600 mm300 mm。8.2
20、8.2 钢结构的材料钢结构的材料窄翼缘(HN)。这一系列常用作梁，其翼缘较窄，也称梁型H型钢，截面宽高比为1312，有良好的受弯承载力，截面规格为100900 mm。桩用H型钢(HP)。这一系列常用作钢桩，其宽高比为11，截面规格为200 mm200 mm500 mm500 mm，且大多数这类H型钢的翼缘厚度同腹板。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料钢管钢管3.钢管是一种具有中空截面的长条形管状钢材。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同的情况下，重量较轻，是一种经济截面钢材，故钢管被广泛用于制造结构构件和各种机械零件。钢管按横截面形状的不同可分为圆管和异型管。8.2 8.2 钢结
21、构的材料钢结构的材料钢筋钢筋4.(1）钢筋的种类。按化学成分分类，钢筋可分为碳素钢钢筋和普通低合金钢筋两种。碳素钢钢筋。碳素钢钢筋是由碳素钢轧制而成的。碳素钢钢筋按含碳量多少又可分为低碳钢钢筋、中碳钢钢筋和高碳钢钢筋。含碳量越高，钢筋的强度及硬度也越高，但塑性、韧性、冷弯性能及焊接性能等越低。普通低合金钢筋。普通低合金钢筋是在低碳钢和中碳钢的成分中加入少量元素(硅、锰、钛、稀土等)制成的钢筋。普通低合金钢筋的主要优点是强度高，综合性能好，用钢量比碳素钢少20%左右；常用的有24MnSi、25MnSi、40MnSiV等品种。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料按生产工艺分类，钢筋可分为热轧钢
22、筋、余热处理钢筋、冷加工钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等。热轧钢筋。热轧钢筋是用加热钢坯轧成的条形钢筋，其直径一般为550 mm，分直条和盘条两种。余热处理钢筋。余热处理钢筋又称调质钢筋，是经热轧后立即穿水，进行表面控制冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得到的成品钢筋。其外形为月牙肋。冷加工钢筋。冷加工钢筋有冷拉钢筋和冷拔低碳钢丝两种。冷拉钢筋是将热轧钢筋在常温下进行强力拉伸使其强度提高的一种钢筋。冷拔低碳钢丝由直径为68 mm的普通热轧圆盘条经多次冷拔而成，分甲、乙两个等级。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料碳素钢丝。碳素钢丝是由优质高碳钢盘条经淬火、酸洗、拔制、回火等工艺制成
23、。碳素钢丝按生产工艺可分为冷拉碳素钢丝和矫直回火碳素钢丝两个品种。刻痕钢丝。把热轧大直径高碳钢加热，并经铅浴淬火，然后冷拔多次，钢丝表面再经过刻痕处理而制得的钢丝，称为刻痕钢丝。钢绞线。钢绞线是由光圆碳素钢丝在绞线机上捻合而成的。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料（2）钢筋的规格。冷轧钢筋。冷轧带肋钢筋。冷轧带肋钢筋成品公称直径的范围为412 mm，三面肋和二面肋钢筋的尺寸、重量及允许偏差应符合表8-7的规定。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料冷轧扭钢筋。冷轧扭钢筋是由普通低碳钢热轧盘圆钢筋经冷轧扭工艺制成的。其表面形状为连续的螺旋形，故它与混凝土的黏结力很大，同时具有较高的强度和
24、足够的塑性。冷轧扭钢筋的公称横截面面积和理论质量应符合表8-8的规定。8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料8.2 8.2 钢结构的材料钢结构的材料热轧钢筋。低碳钢热轧圆盘条。盘条的公称直径为5.5 mm、6.0 mm、6.5 mm、7.0 mm、8.0 mm、9.0 mm、10.0 mm、11.0 mm、12.0 mm、13.0 mm、14.0 mm。根据供需双方的协议,也可生产其他尺寸的盘条。盘条的直径允许偏差不大于0.45 mm，不圆度（同一横截面上最大直径与最小直径的差值）不大于0.45 mm。热轧光圆钢筋。热轧光圆钢筋的公称直径为622 mm，推荐的公称直径为6 mm、8 mm、1
25、0 mm、12 mm、16 mm、20 mm。热轧带肋钢筋。热轧带肋钢筋的公称直径为650 mm，推荐的公称直径为6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、16 mm、20 mm、25 mm、32 mm、40 mm、50 mm。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 8.3.18.3.1钢结构的连接方法钢结构的连接方法主要有焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种。目前，焊接连接的应用较为广泛，铆钉连接已基本不采用。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接焊接连接焊接连接1.焊接连接是通过电弧产生热量，使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成一体的方法。其优点是任何形式的构件一般都
26、可直接相连，不会削弱构件截面，且用料经济、构造简单、加工方便、连接刚度大、密封性能好，可全自动或半自动作业，可提高生产效率。也使钢材的承载力、刚度和使用性能受到影响。焊接连接有气焊、接触焊和电弧焊等方法。电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊三种。目前，钢结构中较常用的焊接方法是手工电弧焊。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接螺栓连接螺栓连接2.螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。螺栓连接的优点是施工工艺简单，安装方便，适用于工地安装连接，能更好地保证工程的进度和质量。螺栓连接的缺点是开孔会对构件截面产生一定的削弱，且被连接的构件需要相互搭接或另加拼接板、角钢等连接件，故相对耗材较
27、多，构造比较复杂。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接铆钉连接铆钉连接3.铆钉由顶锻性能好的铆钉钢制成。进行铆钉连接时，先在被连接的构件上制成比钉径大1.01.5 mm的孔，然后将已加热至呈樱桃红色的一端有半圆钉头的铆钉塞入孔内，再用铆钉枪或铆钉机进行铆合，使铆钉填满钉孔，并打成另一铆钉头。铆钉在铆合后冷却收缩，对被连接的板束产生夹紧力。采用铆钉连接时，被连接构件的韧性和塑性都比较好，但比较费工且耗材较多，目前只用于承受较大动力荷载的大跨度钢结构。铆钉连接，在工厂几乎已被焊接连接代替，在工地几乎已被高强度螺栓连接代替。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 8.3.28.3.2焊接连接的
28、构造与计算对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算1.（1）对接焊缝的构造。在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4 mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于12.5的斜角(见图8-3)；当焊件的厚度不同时，焊缝坡口的形式应根据较薄焊件厚度的相关要求取用。图8-3 不同宽度或厚度焊件的拼接(a)不同宽度(b)不同厚度8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接对于较厚的焊件(t20 mm，t为钢板厚度)，应采用V形缝、U形缝、K形缝、X形缝。其中，V形缝和U形缝为单面施焊，在焊缝根部还需补焊。对于没有条件补焊时，要事先在根部加垫板(见图8-4)。当焊件可随意翻
29、转施焊时，使用K形缝和X形缝较好。图8-4 在根部加垫板8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接在厚度或宽度有变化的焊接中，为了使构件传力均匀，应在板的一侧或两侧做成坡度不大于14的斜角，形成平缓的过渡(见图8-5)。图8-5 厚度或宽度有变化的焊件的连接(a)改变厚度(b)改变宽度8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接当采用部分焊透的对接焊缝时，应在设计图中注明坡口的形式和尺寸，其计算厚度he不得小于1.5t，t为较大的焊件厚度。在直接承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。钢板拼接采用对接焊缝时，纵横两个方向的对接焊缝可采用十字形交叉或T形交叉，如图8-6所
30、示。当对接焊缝采用T形交叉时，交叉点的间距不得小于200 mm。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 图8-6 钢板的拼接(a)十字形交叉(b)T形交叉8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接（2）对接焊缝的计算。对接焊缝中的应力分布情况与焊件原来的情况基本相同。下面根据焊缝受力情况分述焊缝的计算公式：轴心力作用下的对接焊缝计算。在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其强度应按式（8-2）计算。（8-2)式中，N为轴心拉力或轴心压力；lw为焊缝长度；t为连接件的较小厚度（在对接接头中），或为腹板的厚度（在T形接头中）；fwt、fwc分别为对接焊缝的
31、抗拉强度设计值和抗压强度设计值。wcwtwfftlN或 8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝计算。在对接接头、T形接头中,承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其正应力和剪应力应分别进行计算。焊缝在弯矩作用下产生正应力，在剪力作用下产生剪应力，其应力分布如图8-8所示。但在同时受到较大正应力和剪应力处（如梁腹板横向对接焊缝的端部），应按式（8-3）计算折算应力。当对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝无法采用引弧板或引出板施焊时，每条焊缝的长度应各减去2t。（8-3）wtf1.1322 8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 图8-8 弯矩和剪力共
32、同作用下的对接焊缝计算简图(a)钢板对接焊缝计算简图（b）工字钢对接焊缝计算简图8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 弯矩作用下焊缝截面上A点的正应力M最大，其计算公式为 （8-4）式中，M为焊缝承受的弯矩；Ww为焊缝计算截面的截面模量。剪力作用下焊缝截面上C点的剪应力最大，可按式（8-5）计算。（8-5)式中，V为焊缝承受的剪力；Iw为焊缝计算截面对其中和轴的惯性矩；Sw为计算剪应力处以上焊缝计算截面对中和轴的面积矩。wMWMtIVSww 8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接对于工字形、箱形等构件，在腹板与翼缘交接处，焊缝截面的B点（见图8-8）同时受到较大正应力1和较大剪应力1的作
33、用，因此还应计算折算应力f。即 2121f3hhWMw01w11tIVSw（8-6)（8-7)（8-8)8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接式中，1为腹板与翼缘交接处焊缝正应力；h0、h分别为焊缝截面处腹板高度、总高度；1为腹板与翼缘交接处焊缝剪应力；S1为B点以上面积对中和轴的面积矩；tw为腹板厚度；其他符号含义同前。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算2.（1）角焊缝的构造。角焊缝主要用于两个不在同一平面的焊件的连接。角焊缝通常有三种主要截面形式，即普通式焊缝、平坡式焊缝和凹面式焊缝。一般规定。钢结构角焊缝的构造应符合下列规定：在直接承受动力荷载
34、的结构中，角焊缝表面应做成直线型或凹型。焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为11.5(长边顺内力方向)，对侧面角焊缝可为11。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接在次要构件或次要焊缝连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝焊段的长度不得小于10hf（hf为角焊缝的焊脚尺寸）或50 mm，其净距不应大于15t(对受压构件)或30t(对受拉构件)，t为较薄焊件的厚度。当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时，每条侧面角焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离；同时两侧面焊缝之间的距离不宜大于16t(当t12 mm时)或190 mm(当t12 mm时)。当角焊缝的端部在构件转角处做长度为2hf的绕角焊时，转角
35、处必须连续施焊。在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25 mm。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接尺寸要求。钢构件角焊缝的尺寸应符合下列规定：hf不得小于1.5t，t为较厚焊件的厚度(当采用低氢型碱性焊条施焊时，t可采用较薄焊件的厚度)。但对埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可减小1 mm；对T形连接的单面角焊缝，应增加1 mm。当焊件厚度等于或小于4 mm时，最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同。hf不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍(钢管结构除外)，但板件(厚度为t)边缘的角焊缝最大焊脚尺寸尚应符合下列要求：当t6 mm时，hft;当t6 mm时，hft-(12)mm。圆孔或槽孔内
36、的角焊缝尺寸也不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接角焊缝的两焊脚尺寸一般相等。当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合最大(最小)焊脚尺寸要求时，可采用不等焊脚尺寸，与较薄焊件接触的焊脚边应符合最小焊脚尺寸的要求，与较厚焊件接触的焊脚边应符合最大焊脚尺寸的要求。侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40 mm。侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布，则其计算长度不受此限。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接单面角焊缝的构造要求。为减少腹板因焊接产生变形并提高工效，当T形
37、接头的腹板厚度不大于8 mm且不要求全熔透时，可采用单面角焊缝，如图8-10所示。图8-10 单面角焊缝8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接单面角焊缝应符合下列规定：单面角焊缝适用于仅承受剪力的焊缝。单面角焊缝仅可用于承受静态荷载和间接动态荷载的、非露天和不接触强腐蚀性介质的结构构件。最小焊脚尺寸及最小根部熔深应符合表8-9的要求。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 (2）角焊缝的计算。在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下。正面角焊缝(作用力垂直于焊缝长度方向)：（8-9)侧面角焊缝(作用力平行于焊缝长度方向)：（8-10)在各种力的综合作用下，f和f共同作用处。（8-11)wff
38、weflhNfwfweflhNfwfffff22 8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接式中，f为按焊缝有效截面(helw)计算，垂直于焊缝长度方向的应力；f为按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；he为角焊缝的计算厚度，对直角角焊缝等于0.7hf，lw为角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hf；fwf为角焊缝的强度设计值；f为正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，f=1.22，对直接承受动力荷载的结构，f=1.0。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接两焊脚边夹角60135的T形接头，其斜角角焊缝的强度应按式（8-9)式（8-11)计算，
39、但取f=1.0，其计算厚度 (根部间隙b、b1或b21.5 mm)或 （5 mm b、b1或b21.5 mm)。2cosfehh 2cossin)(21bbbhhfe、或8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接部分焊透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝的强度，应按式（8-9)式（8-11)计算；在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取f=1.22，其他受力情况下取f=1.0。其计算厚度应采用：V形坡口：当60时，he=s；当60时，he=0.75s。单边V形和K形坡口：当=455时，he=s-3。U形坡口、J形坡口：he=s。其中，s为坡口深度，即根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离，为V形、单
40、边V形或K形坡口角度。当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时，抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接角钢与钢板、圆钢与钢板、圆钢与圆钢之间的角焊缝连接计算。角钢与钢板连接的角焊缝，应按表8-10所列公式计算。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接圆钢与钢板(或型钢的平板部分)、圆钢与圆钢之间的连接焊缝主要用于圆钢、小角钢的轻型钢结构中，应按式（8-12）计算抗剪强度。（8-12）式中，he为角焊缝的计算厚度，对圆钢与钢板(或型钢的平板部分)的连接，he=0.7hf，对圆钢与圆钢的连接，he=0.
41、1(d1+2d2）-a，其中，d1为大圆钢直径，d2为小圆钢直径，a为焊缝表面至两个圆钢公切线的距离；其他符号含义同前。wfweflhNf 8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形3.焊接是一种局部加热的工艺过程。焊接过程中及焊接后，被焊构件内将不可避免地产生焊接应力和焊接变形。(1）焊接应力。在钢结构焊接时，产生的应力主要有以下三种：热应力(或称温度应力)。热应力是在不均匀加热和冷却过程中产生的。它与加热的温度及其不均匀程度、材料的热物理性能及构件本身的刚度有关。组织应力(或称相变应力)。组织应力是金属在相变时由于体积的变化而引起的应力。例如，奥氏体分解为
42、珠光体或转变为马氏体时都会引起体积的膨胀，这种膨胀因受到周围材料的约束而产生应力。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接外约束应力。外约束应力是结构自身的约束条件所造成的应力。结构的形式、焊缝的布置、施焊顺序、构件的自重、冷却过程中其他受热部位的收缩及夹持部件的松紧程度，都会使焊接接头承受不同的应力。通常将（1）和（2）两种应力称为内约束应力。一般根据焊接过程的先后，将焊接过程中焊件内产生的应力称为瞬时应力；焊接后，在焊件中留存下来的应力称为残余应力。同理，残留下来的变形就称为残余变形。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接(2）焊接变形。焊接变形的分类。在焊接过程中，引起钢结构基本尺寸变
43、化的原因主要有三种：与焊缝垂直的横向收缩、与焊缝平行的纵向收缩和角变形（绕焊缝线回转）。由于这三种原因的综合影响，再加上结构的形状、尺寸、周界条件和施焊条件的不同，焊接结构产生的变形状态也很复杂。根据变形的状态不同，对焊接变形一般可做如下分类：横向收缩：垂直于焊缝方向的收缩，如图8-12（a）所示。角变形(横向变形)：厚度方向的非均匀热分布造成的紧靠焊缝线的变形，如图8-12（b）所示。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接回转变形：由于热膨胀而引起的板件在平面内的角变形，如图8-12（c）所示。压曲变形：焊后构件在长度方向上的失稳，如图8-12（d）所示。纵向收缩：沿焊缝方向的收缩，如图8
44、-12（e）所示。纵向弯曲变形：焊后构件在穿过焊缝线并与板件垂直的平面内的变形，如图8-12（f）所示。扭曲变形：焊后构件产生的扭曲，如图8-12（g）所示。波浪变形：当板件变薄时，在板件整体平面上造成的压曲变形，如图8-12（h）所示。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 图8-12 各种焊接变形(a)横向收缩(b)角变形(c)回转变形(d)压曲变形(e)纵向收缩(f)纵向弯曲变形(g)扭曲变形(h)波浪变形8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接焊接变形的控制。虽然焊接应力和焊接变形的发生是不可避免的，但在实际工程中为了减少焊接应力和焊接变形引起的不利影响，就应在结构设计时对焊缝的布置
45、、数量、尺寸和形状等予以更多地考虑。焊接时,应合理选择焊接的方法、顺序和预热等其他工艺措施，尽可能地把焊接应力和焊接变形控制到最低程度。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 8.3.38.3.3螺栓连接的计算螺栓连接可分为两大类型，即普通螺栓连接和高强度螺栓连接。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接普通螺栓连接的计算普通螺栓连接的计算1.(1）普通螺栓承载力设计值。普通螺栓受剪连接中，单个螺栓承载力设计值Nbmin按式（8-13）取值。bbvbNNNcminmin，bvbfdnN42vvtdfNbcbc(8-13)(8-14)(8-15)8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接普通螺栓
46、杆轴受拉连接中，单个螺栓的承载力设计值Nbt按式（8-16）计算。（8-16)式中，de为螺栓在螺纹处的有效直径；fbt为普通螺栓的抗拉强度设计值。btebfdN42t 8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接(2）普通螺栓连接的计算公式。承受轴心力的抗剪连接。承受轴心力的抗剪连接如图8-13所示，需要螺栓数n的要求如下：（8-17)式中，N为一个螺栓受剪承载力实际值；Nmin为一个螺栓受剪承载力设计值。minNNn 图8-13 承受轴心力的抗剪连接8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接承受偏心力的抗剪连接。承受偏心力的抗剪连接如图8-14所示，布置螺栓后，对受力最大的螺栓进行验算，其值应符
47、合下列条件：min22)(NRRRRMyNyMx（8-18）8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接图8-14 承受偏心力的抗剪连接8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 承受轴心力的抗拉连接。承受轴心力的抗拉连接如图8-15所示，所需螺栓的数目应符合式（8-19）的要求。（8-19）式中，Nbt为一个螺栓的受拉承载力设计值。btNNn 图8-15 承受轴心力的抗拉连接8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接 承受偏心力的抗拉连接。承受偏心力的抗拉连接如图8-16所示，布置螺栓后，对受力最大的螺栓进行验算，其值应符合下列条件：（8-20）式中，n为螺栓个数；e为N至螺栓群中心的距离；yi为任
48、意一个螺栓到旋转轴的距离；其他符号含义同前。b2maxtiNyNeynN 图8-16 承受偏心力的抗拉连接8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接同时承受拉力和剪力的螺栓连接。普通螺栓同时承受拉力和剪力时，单个螺栓承载力应分别符合式（8-21）和式（8-22）的要求。122bttbvvNNNNbvNNc（8-21）（8-22）式中，Nv、Nt分别为某个普通螺栓所承受的剪力和拉力；Nbv、Nbt、Nbc分别为一个普通螺栓的受剪承载力设计值、受拉承载力设计值和承压承载力设计值。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接高强度螺栓连接的计算高强度螺栓连接的计算2.(1）高强度螺栓抗剪承载力设计值。在抗
49、剪连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值Nbv应按式（8-23）计算。（8-23)式中，nf为传力摩擦面数目；为摩擦面的抗滑移系数；P为一个高强度螺栓的预拉力。PnNfbv9.0 8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接在抗剪连接中，每个承压型连接高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同，但当剪切面在螺纹处时，其受剪承载力设计值应按螺纹处的有效面积进行计算。承压型连接的高强度螺栓的预拉力P应与摩擦型连接的高强度螺栓相同。在杆轴方向受拉的连接中，单个承压型连接高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同。8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接高强度螺栓抗拉连接的受力特点是依靠预拉力使
50、连接件被压紧传力。当高强度螺栓受到沿螺栓杆轴方向的外拉力时，只要螺栓承担的外拉力设计值Nt不超过其预拉力P，那么螺栓杆内的原预拉力就基本不变。但当NtP时，螺栓可能达到钢材的屈服强度，卸荷后出现松弛现象，预拉力降低。因此钢结构设计规范（GB 500172003）偏安全地规定一个高强度螺栓抗拉承载力设计值为 Nbt=0.8P （8-24)8.3 8.3 钢结构的连接钢结构的连接(2）高强度螺栓连接的计算公式。当高强度螺栓摩擦型连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时，其承载力应按式（8-25）计算。（8-25)式中，Nv、Nt分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；Nbv、Nbt分别为
