1、专题五：专题五： 钢结构工程钢结构工程 华北电力大学华北电力大学 刘金朋刘金朋 钢结构是采用钢板、型钢通过连接而形成的结构，钢结构是采用钢板、型钢通过连接而形成的结构， 与其他材料的结构相比，钢结构具有强度高、重量轻、与其他材料的结构相比，钢结构具有强度高、重量轻、 结构制作工业化程度高、施工工期短等特点，因此，在结构制作工业化程度高、施工工期短等特点，因此，在 现代工程建设中，钢结构得到了广泛的应用。现代工程建设中，钢结构得到了广泛的应用。 第一节第一节 钢结构及其材料特性钢结构及其材料特性 1钢结构的特点（优点钢结构的特点（优点+不足）不足） 钢结构与其他材料建成的结构相比，具有以下几个方
2、面钢结构与其他材料建成的结构相比，具有以下几个方面 的特点（优势）：的特点（优势）： 钢结构强度高，延性好钢结构强度高，延性好 与混凝土、砖石和木材等建筑材料相比，钢材强度高，钢与混凝土、砖石和木材等建筑材料相比，钢材强度高，钢 材材质均匀性好，且具有良好的材材质均匀性好，且具有良好的塑性和韧性塑性和韧性。这种特性使钢材。这种特性使钢材 适合于建造大跨度、承载重的结构。适合于建造大跨度、承载重的结构。 钢材材质均匀性好和塑性好的特点，使钢结构在一般条件钢材材质均匀性好和塑性好的特点，使钢结构在一般条件 下不会出现超载而突然破坏，可以依靠变形增大调整内力并进下不会出现超载而突然破坏，可以依靠变形
3、增大调整内力并进 行重新分配，为结构补强加固提供了余地。行重新分配，为结构补强加固提供了余地。 钢材韧性好的特点，使钢结构适合在动力荷载下工作，使钢钢材韧性好的特点，使钢结构适合在动力荷载下工作，使钢 结构具有优越的抗震性能。结构具有优越的抗震性能。 钢结构的重量轻钢结构的重量轻 与混凝土材料相比，钢材虽然密度较大，但其强度高，与混凝土材料相比，钢材虽然密度较大，但其强度高， 重量轻，为其安装运输提供了便利条件，同时减轻了基础重量轻，为其安装运输提供了便利条件，同时减轻了基础 的负荷。的负荷。 钢结构制作便利钢结构制作便利 与混凝土、砖石结构的施工相比，钢结构工业化程度高，所与混凝土、砖石结构
4、的施工相比，钢结构工业化程度高，所 用材料均可在工厂制作，具备成批生产加工的条件，且制作精密用材料均可在工厂制作，具备成批生产加工的条件，且制作精密 度较高。运到施工现场后通过组装，便于形成整体结构。施工中度较高。运到施工现场后通过组装，便于形成整体结构。施工中 安装简便，施工机械化程度高，周期短，可全天候施工作业。安装简便，施工机械化程度高，周期短，可全天候施工作业。 钢结构密闭性好钢结构密闭性好 钢结构的材料通过焊接连接可以做到完全密封，适宜钢结构的材料通过焊接连接可以做到完全密封，适宜 建造对气密性和水密性有一定要求的高压容器、大型油库建造对气密性和水密性有一定要求的高压容器、大型油库
5、油罐、输油或输水压力管道等。油罐、输油或输水压力管道等。 钢结构结构形式灵活钢结构结构形式灵活 钢结构可以较大程度地超越结构形式的束缚，通过各种钢结构可以较大程度地超越结构形式的束缚，通过各种 线形的构件，组合出多种形式的空间和新奇优美的造型。线形的构件，组合出多种形式的空间和新奇优美的造型。 钢结构结构形式灵活钢结构结构形式灵活 钢结构符合可持续发展的需要钢结构符合可持续发展的需要 钢结构产业对资源和能源的利用相对合理，对环境破坏钢结构产业对资源和能源的利用相对合理，对环境破坏 相对较少，利于实现绿色化施工，施工中的边角废料可以回相对较少，利于实现绿色化施工，施工中的边角废料可以回 收利用。
6、同时，由于在施工中较少使用砂、石、水泥等散料，收利用。同时，由于在施工中较少使用砂、石、水泥等散料， 从而很大程度的避免了扬尘、废水等污染问题。从而很大程度的避免了扬尘、废水等污染问题。 钢结构符合可持续发展的需要钢结构符合可持续发展的需要 钢结构的缺点及不足钢结构的缺点及不足 钢结构耐腐蚀性差钢结构耐腐蚀性差 由于钢材容易腐蚀，因此其维护费用较高。对钢结构特别是由于钢材容易腐蚀，因此其维护费用较高。对钢结构特别是 薄壁构件必须注意防腐保护，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不薄壁构件必须注意防腐保护，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不 宜采用钢结构。在施工过程中也应避免使结构受潮、淋雨。宜采用钢结构。
7、在施工过程中也应避免使结构受潮、淋雨。 钢材耐热但不耐火钢材耐热但不耐火 钢材受热时，当温度在钢材受热时，当温度在250度以内时，其主要力学性能降度以内时，其主要力学性能降 低不多，但当温度超过低不多，但当温度超过250度以后，材质发生较大变化，强度度以后，材质发生较大变化，强度 逐步降低；当温度达逐步降低；当温度达600时，钢材已不能继续承载，因此，时，钢材已不能继续承载，因此， 钢结构设计规范钢结构设计规范规定钢材表面温度超过规定钢材表面温度超过150度后即需加以度后即需加以 隔热防护和防火保护措施。隔热防护和防火保护措施。 钢结构可能发生脆性断裂钢结构可能发生脆性断裂 钢结构在低温和某些
8、条件下，可能发生脆性断裂，还钢结构在低温和某些条件下，可能发生脆性断裂，还 有厚板的层状撕裂，这对于钢结构的安全使用极为不利。有厚板的层状撕裂，这对于钢结构的安全使用极为不利。 钢结构容易发生失稳和变形破坏钢结构容易发生失稳和变形破坏 钢结构质量轻的优点来自其构件一般截面小而薄，但受压钢结构质量轻的优点来自其构件一般截面小而薄，但受压 时易被发生失稳和变形破坏，所以需要附设加劲肋或缀材达到时易被发生失稳和变形破坏，所以需要附设加劲肋或缀材达到 增强结构的稳定性、减小结构使用阶段变形的目的，从而相应增强结构的稳定性、减小结构使用阶段变形的目的，从而相应 增加了构件连接的工作量和繁杂程度。增加了构
9、件连接的工作量和繁杂程度。 2.钢材的种类钢材的种类 按照用途可分为按照用途可分为结构钢、工具钢、特殊用途钢结构钢、工具钢、特殊用途钢等。等。 2.钢材的种类钢材的种类 按照化学成分分为按照化学成分分为碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢。 2.钢材的种类钢材的种类 目前，建筑用钢的主要品种有中厚板、薄板、镀锌目前，建筑用钢的主要品种有中厚板、薄板、镀锌 卷板、彩色深层卷板、卷板、彩色深层卷板、中小型钢（工字钢、槽钢、角钢）中小型钢（工字钢、槽钢、角钢）、 热轧或焊接热轧或焊接H型钢、焊管（直缝管和螺旋管）、冷弯型钢型钢、焊管（直缝管和螺旋管）、冷弯型钢 及无缝钢管等，特别是及无缝钢管等，特别是热轧热
10、轧H型钢型钢的生产对钢结构发展起的生产对钢结构发展起 到推动作用。随着钢结构建筑的大量兴建，建筑钢材的需到推动作用。随着钢结构建筑的大量兴建，建筑钢材的需 求呈多样化趋势，发展趋势是以中厚板为主，求呈多样化趋势，发展趋势是以中厚板为主，H型钢、冷型钢、冷 弯型钢、钢管、彩色涂层卷板需求增加，大中型角钢、工弯型钢、钢管、彩色涂层卷板需求增加，大中型角钢、工 字钢、槽钢用量减少。字钢、槽钢用量减少。 热轧钢板热轧钢板 热轧钢板包括热轧钢板包括厚钢板、薄钢板和扁钢厚钢板、薄钢板和扁钢等。等。 厚钢板的厚度一般为厚钢板的厚度一般为4.5-60mm，宽度为，宽度为600-3000mm，长度为，长度为 4
11、-12m，广泛用于焊接构件的组成。薄钢板的厚度为，广泛用于焊接构件的组成。薄钢板的厚度为0.35-4mm，宽度，宽度 为为500-1500mm，长度为，长度为0.5-4m，是冷弯薄壁型钢的原料。扁钢的，是冷弯薄壁型钢的原料。扁钢的 厚度为厚度为4-60mm，宽度为，宽度为12-200mm长度为长度为3-9m。钢板的表示方。钢板的表示方 法是在钢板横断面符号法是在钢板横断面符号“”后加后加“厚厚x宽宽x长长”，单位毫米。，单位毫米。 热轧型钢热轧型钢 热轧型钢包括热轧型钢包括角钢、工字钢、角钢、工字钢、H型钢、槽钢和钢管型钢、槽钢和钢管等。等。 角钢分为等边和不等边两种，主要用来制作桁架等格构式
12、结构的角钢分为等边和不等边两种，主要用来制作桁架等格构式结构的 杆件和支撑等连接杆件，等边角钢的表示方法是在符号杆件和支撑等连接杆件，等边角钢的表示方法是在符号“L”后加后加“边边 长长x厚度厚度”，如，如L125x 8；不等边角钢的表示方法是在符号；不等边角钢的表示方法是在符号“L”后加后加 “长边宽长边宽x短边宽短边宽x厚度厚度”，如乙，如乙125x 80 x 8，单位均为，单位均为mm。角。角 钢的长度一般为钢的长度一般为3-19m，规格有，规格有L 20x 3-L200x24和和L 25x16x 3-L 200 x 125x18。 工字钢工字钢分力普通分力普通工字钢和轻型工字钢工字钢和
13、轻型工字钢，这两种工字钢的两个主轴，这两种工字钢的两个主轴 方向的惯性矩相差较大，不宜单独用作受压构件，而宜用作腹板平面内方向的惯性矩相差较大，不宜单独用作受压构件，而宜用作腹板平面内 受弯的构件或由工字钢与其他型钢组成的组合构件或格构式构件。受弯的构件或由工字钢与其他型钢组成的组合构件或格构式构件。 普通工字钢的型号是用符号普通工字钢的型号是用符号“工工”后加截面高度的厘米数来表示；后加截面高度的厘米数来表示； 20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，同一号数分为号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，同一号数分为a、b或或a、 b、c等类别，等类别，a类腹板较薄；类腹板较薄；如工如工36a表示
14、截面高度为表示截面高度为36cm的的a类工类工 字钢。字钢。轻型工字钢的腹板和翼缘均比普通工字钢的薄，因而在相同重量轻型工字钢的腹板和翼缘均比普通工字钢的薄，因而在相同重量 的前提下截面回转半径较大。的前提下截面回转半径较大。 H型钢是目前使用很广泛的热轧型钢型钢是目前使用很广泛的热轧型钢，与普通工字钢相比，其翼缘板的内，与普通工字钢相比，其翼缘板的内 外两侧平行，便于与其他构件连接。其基本类型可分为宽翼缘外两侧平行，便于与其他构件连接。其基本类型可分为宽翼缘H型钢（代号型钢（代号 HW，翼缘宽度，翼缘宽度b与截面高度与截面高度h相等）、中翼缘相等）、中翼缘H型钢（代号型钢（代号HM，b(1
15、223)h）及窄翼缘）及窄翼缘H型钢（代号型钢（代号HN，b(1312)h）。）。 各种各种H型钢均可按型钢均可按T型钢供应，代号分别为型钢供应，代号分别为TW、TM、TN。H型钢和型钢和T型型 钢的型号分别为代号后加钢的型号分别为代号后加“高度高度 x宽度宽度x腹板厚度腹板厚度x翼缘厚度，例如翼缘厚度，例如 HW400x 400x13x 21和和TW200x400 x13x 21等，单位均为等，单位均为mm。 宽翼缘和中翼缘宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用于钢梁等型钢则适用于钢梁等 受弯构件。受弯构件。 槽钢槽钢分为普通槽钢和轻型槽
16、钢两种，适于作檩条等双分为普通槽钢和轻型槽钢两种，适于作檩条等双 向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件。普通槽向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件。普通槽 钢的型号与工字钢相似，如钢的型号与工字钢相似，如36a指截面高度为指截面高度为36cm、 腹板厚度为腹板厚度为a类的槽钢。号码相同的轻型槽钢，其翼缘和类的槽钢。号码相同的轻型槽钢，其翼缘和 腹板较普通槽钢宽而薄，回转半径较大，重量较轻。腹板较普通槽钢宽而薄，回转半径较大，重量较轻。 钢管钢管有热轧无缝钢管或由钢板卷好的焊接钢管两种。钢有热轧无缝钢管或由钢板卷好的焊接钢管两种。钢 管截面对称，外形圆滑，受力性能良好，由于回转半径较
17、大，管截面对称，外形圆滑，受力性能良好，由于回转半径较大， 常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件，常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件， 在钢管混凝土柱中也有广泛的应用。规格用符号在钢管混凝土柱中也有广泛的应用。规格用符号“”后加后加 “外径外径x壁厚壁厚”表示，如表示，如400 x16，单位为，单位为mm。 3.钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 钢材的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢材只钢材的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢材只 是其中的一部分，用作钢结构的钢材必须满足下列要求。是其中的一部分，用作钢结构的钢材必须满足下列要求。 强度要求强度要
18、求 用作钢结构的钢材必须具有较高的抗拉强度和屈服点。抗用作钢结构的钢材必须具有较高的抗拉强度和屈服点。抗 拉强度是钢材塑性变形和将破坏时的强度，其值高可以减小截拉强度是钢材塑性变形和将破坏时的强度，其值高可以减小截 面，减轻自重，结构的安全也才能得到保障。面，减轻自重，结构的安全也才能得到保障。 加工性能加工性能 钢材应具有良好的加工性能，以保证其易于组成各种形式钢材应具有良好的加工性能，以保证其易于组成各种形式 的结构。加工性能包括冷热加工和可焊性能。根据结构的具体的结构。加工性能包括冷热加工和可焊性能。根据结构的具体 工作条件，在必要时还要求钢材具有低温和腐蚀性环境下的作工作条件，在必要时
19、还要求钢材具有低温和腐蚀性环境下的作 业性能。业性能。 变形能力变形能力 钢材有两种完全不同的破坏形式：钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏塑性破坏和脆性破坏。 塑性破坏塑性破坏的主要特征是破坏前具有较大的塑件变形，常在钢材表面出的主要特征是破坏前具有较大的塑件变形，常在钢材表面出 现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线，只有当构件中的应力达到抗拉强现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线，只有当构件中的应力达到抗拉强 度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。 由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，由于塑性破坏前总有
20、较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长， 容易被发现和抢修加固，因此，不至于发生严重后果。容易被发现和抢修加固，因此，不至于发生严重后果。 此外，钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力可以实现构件和结构的此外，钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力可以实现构件和结构的 内力重分布，使结构原先受力不等的部分应力趋于均匀，提高了结构的内力重分布，使结构原先受力不等的部分应力趋于均匀，提高了结构的 承载能力。承载能力。 脆性破坏脆性破坏的主要特征是破坏前塑性变形很小或根本没有的主要特征是破坏前塑性变形很小或根本没有 塑性变形而突然迅速断裂。断裂从应力集中处开始，破坏后塑性变形而突然迅速断裂。断裂从应力集中处开始
21、，破坏后 的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。 由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉 和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严 重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意 防止这种破坏的发生。防止这种破坏的发生。 4.影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素 化学成分的影响化学成分的影响 钢材中含有很多金属元素，直接影响了钢材的性能。其中：钢材中含有很多金属元素，直接影响
22、了钢材的性能。其中： 碳是钢中重要元素，碳含量的提高，钢的强度逐渐增强，而塑性、碳是钢中重要元素，碳含量的提高，钢的强度逐渐增强，而塑性、 韧性和冷弯性能、可焊性、抗腐蚀性却在下降，因此钢结构一般不韧性和冷弯性能、可焊性、抗腐蚀性却在下降，因此钢结构一般不 选用含碳量高的钢材。选用含碳量高的钢材。 硅是一种强脱氧剂，适量的硅含量，可提高钢材强度，改善钢硅是一种强脱氧剂，适量的硅含量，可提高钢材强度，改善钢 的冷脆倾向，但过量则焊接性能不好；的冷脆倾向，但过量则焊接性能不好； 铝是一种强脱氧剂，能够细化晶粒，提高钢的强度和低温韧性；铝是一种强脱氧剂，能够细化晶粒，提高钢的强度和低温韧性； 铜可以
23、显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度；但对铜可以显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度；但对 钢材的可焊性有不利影响。钢材的可焊性有不利影响。 钢材硬化的影响钢材硬化的影响 冷作硬化：常温下对钢材进行冷拉、冷弯、冲孔、剪冷作硬化：常温下对钢材进行冷拉、冷弯、冲孔、剪 切等冷加工，会使钢材发生塑性变形，降低了钢材的韧性切等冷加工，会使钢材发生塑性变形，降低了钢材的韧性 和塑性；和塑性； 高温时，溶于钢中的少量碳和氮会逐渐析出，提高高温时，溶于钢中的少量碳和氮会逐渐析出，提高 强度，塑性和韧性降低，称为时效硬化，俗称老化。强度，塑性和韧性降低，称为时效硬化，俗称老化。 温度的影响温度的影
24、响 钢材的性能受温度影响十分明显，温度升高与降低将使钢材性能钢材的性能受温度影响十分明显，温度升高与降低将使钢材性能 发生较大变化：发生较大变化： 200度以内：钢材性能没有很大变化；度以内：钢材性能没有很大变化； 430度度-540度：强度急剧下降；度：强度急剧下降； 600度：强度几乎为度：强度几乎为0，不能承受荷载；，不能承受荷载； 250度左右时：抗拉强度有局部性的提高，屈服点回升，塑性降度左右时：抗拉强度有局部性的提高，屈服点回升，塑性降 低；该区间进行热加工很容易引起裂纹。低；该区间进行热加工很容易引起裂纹。 一般钢材的设计应以一般钢材的设计应以150度的规定为适宜，超过之后应对结
25、构采度的规定为适宜，超过之后应对结构采 取有效的防护措施。取有效的防护措施。 应力集中的影响应力集中的影响 由于实际结构中不可避免地存在着孔洞、槽口、凹角、截面突由于实际结构中不可避免地存在着孔洞、槽口、凹角、截面突 变及钢材内部缺陷等，钢材截面中的应力分布不再保持均匀，而是变及钢材内部缺陷等，钢材截面中的应力分布不再保持均匀，而是 出现局部区域高峰应力，另外区域应力降低，形成所谓的应力集中出现局部区域高峰应力，另外区域应力降低，形成所谓的应力集中 现象。现象。 研究表明，在应力高峰区域总是存在同类的双向或三向应力，使研究表明，在应力高峰区域总是存在同类的双向或三向应力，使 材料处于复杂受力状
26、态，应力场会使钢材有变脆的趋势，而且应力材料处于复杂受力状态，应力场会使钢材有变脆的趋势，而且应力 越集中，趋势越严重，钢材越趋于脆性。截面尺寸改变程度越大的越集中，趋势越严重，钢材越趋于脆性。截面尺寸改变程度越大的 试件，其应力集中越严重，引起钢材脆性破坏的危险性越大。试件，其应力集中越严重，引起钢材脆性破坏的危险性越大。 反复荷载作用的影响反复荷载作用的影响 钢材在直接、连续的反复荷载作用下，先在其缺陷钢材在直接、连续的反复荷载作用下，先在其缺陷 处发生塑性变形和硬化而生成微观裂痕，然后逐渐发展为处发生塑性变形和硬化而生成微观裂痕，然后逐渐发展为 宏观裂纹；宏观裂纹； 构件截面削弱并在裂纹
27、尖端出现应力集中现象，使构件截面削弱并在裂纹尖端出现应力集中现象，使 材料处于三向拉伸应力状态。长期频繁的直接承受动力荷材料处于三向拉伸应力状态。长期频繁的直接承受动力荷 载的钢结构构件及其连接，在设计中必须进行钢材的疲劳载的钢结构构件及其连接，在设计中必须进行钢材的疲劳 计算。计算。 钢结构的连接是将型钢或钢板等组合成构件，并将各钢结构的连接是将型钢或钢板等组合成构件，并将各 构件组装成整个结构。钢结构的连接方法通常有构件组装成整个结构。钢结构的连接方法通常有焊缝连接、焊缝连接、 铆钉连接和螺栓连接铆钉连接和螺栓连接三种。三种。 施工时需遵循安全可靠、传力施工时需遵循安全可靠、传力 明确、构
28、造简单、制作方便的原则明确、构造简单、制作方便的原则. 第二节第二节 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 一、焊缝连接一、焊缝连接 焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方法，优点是构造简单、对几何焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方法，优点是构造简单、对几何 形体适应性强，任何形式的构件均可以直接连接，不削弱截面，省工省材，形体适应性强，任何形式的构件均可以直接连接，不削弱截面，省工省材， 制作加工方便，可实现自动化操作，工效高，质量可靠，连接的密闭性好，制作加工方便，可实现自动化操作，工效高，质量可靠，连接的密闭性好， 结构的刚度大。结构的刚度大。 缺点是缺点是焊缝附近热影响区内，钢材的金相组织会发
29、生不同程焊缝附近热影响区内，钢材的金相组织会发生不同程 度的改变，导致局部材质劣化变脆，焊接残余应力和残余变形度的改变，导致局部材质劣化变脆，焊接残余应力和残余变形 使受压构件的承载力下降。使受压构件的承载力下降。 焊接对钢材裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展焊接对钢材裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展 到整体。同时，低温冷脆问题也比较突出，对材料要求高，焊到整体。同时，低温冷脆问题也比较突出，对材料要求高，焊 接程序严格，质量检验工作量大。接程序严格，质量检验工作量大。 二、铆钉连接二、铆钉连接 铆钉连接有铆钉连接有热铆和冷铆热铆和冷铆两种。热铆是由烧红的钉坯插入构件两种。热铆是
30、由烧红的钉坯插入构件 的钉孔中，用铆钉枪或压铆机将连接件铆合而成；冷铆是在常温的钉孔中，用铆钉枪或压铆机将连接件铆合而成；冷铆是在常温 下铆合而成。铆钉通常用专用钢材制成，应具有良好的韧性。下铆合而成。铆钉通常用专用钢材制成，应具有良好的韧性。 在钢结构中，一般采用热铆，铆钉打铆完成后，铆杆由高温在钢结构中，一般采用热铆，铆钉打铆完成后，铆杆由高温 逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板所阻止因此钉杆中产逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板所阻止因此钉杆中产 生收缩应力，对钢板则产生压紧力，使得连接部位十分紧密。当生收缩应力，对钢板则产生压紧力，使得连接部位十分紧密。当 构件受剪力作用时，钢
31、板接触面上产生很大的摩擦力，因而大大构件受剪力作用时，钢板接触面上产生很大的摩擦力，因而大大 提高了连接件的工作性能。提高了连接件的工作性能。 二、铆钉连接二、铆钉连接 铆钉连接的质量和受力性能与钉孔的制作方法密切相关。钉孔的制作方法铆钉连接的质量和受力性能与钉孔的制作方法密切相关。钉孔的制作方法 分为两类：一类孔是用钻模钻成，或先钻成较小的孔，装配时再扩孔而成。分为两类：一类孔是用钻模钻成，或先钻成较小的孔，装配时再扩孔而成。 此类孔质量较好，外观整齐，规格尺寸易于保证。另一类孔是采用冲成方此类孔质量较好，外观整齐，规格尺寸易于保证。另一类孔是采用冲成方 法，虽制法简单，但构建拼装时钉孔不易
32、对齐，质量较差。重要的结构一法，虽制法简单，但构建拼装时钉孔不易对齐，质量较差。重要的结构一 般采用一类孔。般采用一类孔。 与焊缝连接比较，铆钉连接的钢构件塑性和韧性较好，质量易于检查，连与焊缝连接比较，铆钉连接的钢构件塑性和韧性较好，质量易于检查，连 接可靠，抗动力荷载性能好，对主体钢材的材质要求低；但是铆钉连接的接可靠，抗动力荷载性能好，对主体钢材的材质要求低；但是铆钉连接的 构造复杂，制孔和打铆费钢、费工，钉孔削弱钢材截面。因此，铆钉连接构造复杂，制孔和打铆费钢、费工，钉孔削弱钢材截面。因此，铆钉连接 除了在一些重型和直接承受动力荷载的结构中仍有应用外，一般钢结构已除了在一些重型和直接承
33、受动力荷载的结构中仍有应用外，一般钢结构已 很少使用。很少使用。 三、螺栓连接三、螺栓连接 分为分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。两种。 1.普通螺栓连接普通螺栓连接 普通螺栓可分为普通螺栓可分为A、B、C三级，三级，A级和级和B级为精制螺级为精制螺 栓，栓，C级为粗制螺栓。级为粗制螺栓。 三、螺栓连接三、螺栓连接 C级螺栓材料性能等级可分为级螺栓材料性能等级可分为4.6级和级和4.8级两个级别。级两个级别。 小数点前的数字表示螺栓成品的抗拉强度不小于小数点前的数字表示螺栓成品的抗拉强度不小于 400N/平方毫米，小数点后的数字表示其屈强比为平方毫米，小数点后的
34、数字表示其屈强比为 0.6或或0.8。 A级和级和B级螺栓材料性能等级则分为级螺栓材料性能等级则分为5.6级和级和8.8级，其级，其 抗拉强度分别不小于抗拉强度分别不小于500N/平方毫米和平方毫米和800N/平方毫平方毫 米，屈强比分别为米，屈强比分别为0.6或或0.8。 A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精制级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精制 而成的，该螺栓表面光滑，尺寸准确，螺杆直径与螺栓而成的，该螺栓表面光滑，尺寸准确，螺杆直径与螺栓 孔径相同；但螺杆直径仅允许负公差，螺栓孔直径仅允孔径相同；但螺杆直径仅允许负公差，螺栓孔直径仅允 许正公差，对成孔质量要求高。此类螺栓
35、受剪性能好，许正公差，对成孔质量要求高。此类螺栓受剪性能好， 但制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用。但制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用。 三、螺栓连接三、螺栓连接 C级螺栓是由未经加工的圆钢压制而成的。由于螺栓面级螺栓是由未经加工的圆钢压制而成的。由于螺栓面 粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成，螺栓孔的直径粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成，螺栓孔的直径 比螺栓杆的直径大比螺栓杆的直径大1.5-3mm。 对于采用对于采用C级螺栓的钢构件连接，由于螺栓与螺栓孔之级螺栓的钢构件连接，由于螺栓与螺栓孔之 间有较大间隙，受剪力作用时，将会产生较大的剪切位间有较大间隙，受剪力作
36、用时，将会产生较大的剪切位 移，连接处的变形较大，但安装方便，能够有效的传承移，连接处的变形较大，但安装方便，能够有效的传承 拉力，因此一般可用于沿螺栓杆轴间的受拉连接及次要拉力，因此一般可用于沿螺栓杆轴间的受拉连接及次要 结构的抗剪连接或安装时的临时固定。结构的抗剪连接或安装时的临时固定。 2、高强度螺栓连接、高强度螺栓连接 高强度螺栓一般采用高强度螺栓一般采用45号钢、号钢、40B钢和钢和20MnTiB钢加工制作而成，经热钢加工制作而成，经热 处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于800N/平方毫米和平方毫米和1000N/平方毫平方毫 米，且屈强比分别为米，且屈强
37、比分别为0.8和和0.9，即前者的性能等级为，即前者的性能等级为8.8，后者的性能等，后者的性能等 级为级为10.9级。级。 安装高强度螺栓时，需通过特别的扳手，以较大的扭矩上紧螺母，使螺杆安装高强度螺栓时，需通过特别的扳手，以较大的扭矩上紧螺母，使螺杆 产生很大的预拉力，将被连接的部件夹紧。当以部件的接触面摩擦力传递产生很大的预拉力，将被连接的部件夹紧。当以部件的接触面摩擦力传递 外力时，该连接方法称为高强度螺栓摩擦型连接。当允许接触面滑移，依外力时，该连接方法称为高强度螺栓摩擦型连接。当允许接触面滑移，依 靠螺栓受剪和孔壁承压来传递外力时，该连接方法称为高强度螺栓承压型靠螺栓受剪和孔壁承压
38、来传递外力时，该连接方法称为高强度螺栓承压型 连接。连接。 摩擦型连接高强度螺栓的孔径一般比螺栓公称直径摩擦型连接高强度螺栓的孔径一般比螺栓公称直径d大大1.5-2mm，承，承 压型连接高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大压型连接高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1-1.5mm。摩擦型连接的。摩擦型连接的 优点是施工方便，对构件的削弱较小，可拆换，螺栓的剪切变形小，能承优点是施工方便，对构件的削弱较小，可拆换，螺栓的剪切变形小，能承 受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好，包含了普通螺栓和铆钉连接的优点，受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好，包含了普通螺栓和铆钉连接的优点， 目前已成为代替铆钉连接的主要连接形
39、式，特别适用于承受动力荷载的结目前已成为代替铆钉连接的主要连接形式，特别适用于承受动力荷载的结 构中。承压型连接的承载力高于摩擦型连接，但整体性、刚度均较差，剪构中。承压型连接的承载力高于摩擦型连接，但整体性、刚度均较差，剪 切变形大，强度储备相对较低，因此不得用于承受动力荷载的结构中。切变形大，强度储备相对较低，因此不得用于承受动力荷载的结构中。 一、焊接连接方法一、焊接连接方法 钢结构常用的焊接方法有钢结构常用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊等。等。 1、手工电弧焊、手工电弧焊 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
40、条和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 焊件之间产生电弧。电弧提供温度可高达焊件之间产生电弧。电弧提供温度可高达3000度的热源，使焊条中的焊丝度的热源，使焊条中的焊丝 熔化，滴落在焊件上被电弧所吹成的小凹槽熔池中，由焊条药皮形成的熔熔化，滴落在焊件上被电弧所吹成的小凹槽熔池中，由焊条药皮形成的熔 渣和气体覆盖着焊缝熔池，防止空气中的氧、氮等有害气体与熔化的液体渣和气体覆盖着焊缝熔池，防止空气中的氧、氮等有害气体与熔化的液体 金属接触，避免形成脆性易裂的化合物，并在焊缝金属冷却后把被连接件金属接触，避免形成脆性易裂的化合物，并在焊缝金属冷却后把被连接件 连成一体。连成
41、一体。 手工电弧焊的设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，手工电弧焊的设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接， 特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技 术水平和精神状态有很大关系。术水平和精神状态有很大关系。 第三节第三节 焊接连接焊接连接 手工电弧焊手工电弧焊 手工电弧焊手工电弧焊 焊接焊接 埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。 利用埋弧焊进行焊接时，由于埋弧焊产生的电弧热量利用埋弧焊进行焊接时，由于埋弧焊产生的电弧热量 集中，溶深大
42、，因此，这种焊接方法适用于厚板的焊接，集中，溶深大，因此，这种焊接方法适用于厚板的焊接， 且具有很高的生产效率。且具有很高的生产效率。 这种方法有自动和半自动焊接之分。这种方法有自动和半自动焊接之分。 焊接时，当焊丝送进和焊接方向的移动有专门的机构控制时，这焊接时，当焊丝送进和焊接方向的移动有专门的机构控制时，这 种焊接称为自动埋弧焊。种焊接称为自动埋弧焊。 若焊丝送进有专门机构控制，而焊接方向的移动靠人工操作，则若焊丝送进有专门机构控制，而焊接方向的移动靠人工操作，则 称为半自动埋弧焊。称为半自动埋弧焊。 如果在焊接中采用了自动或者半自动操作，焊接的工艺条件稳定，如果在焊接中采用了自动或者半
43、自动操作，焊接的工艺条件稳定， 较高的焊速也减小了热影响区的范围，那么焊缝的质量也就比较较高的焊速也减小了热影响区的范围，那么焊缝的质量也就比较 高，焊件变形小。高，焊件变形小。 在焊接时，埋弧焊的焊丝不涂药皮，施焊端被焊剂所覆盖，电弧在焊接时，埋弧焊的焊丝不涂药皮，施焊端被焊剂所覆盖，电弧 完全被埋在焊剂之内，所以，焊缝在高温时不会被氧化。埋弧焊完全被埋在焊剂之内，所以，焊缝在高温时不会被氧化。埋弧焊 对焊件边缘的装配精度要求比手工电弧焊高。对焊件边缘的装配精度要求比手工电弧焊高。 气体保护焊气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰件气体作为保护介质的一种电弧是利用二氧化碳气体或其他惰件气体作为
44、保护介质的一种电弧 熔焊方法。焊接时，这种方法直接依靠保护气体在电弧周围形成局部保护熔焊方法。焊接时，这种方法直接依靠保护气体在电弧周围形成局部保护 层，以防止有害气体的侵入，并保证了焊接过程的稳定性。层，以防止有害气体的侵入，并保证了焊接过程的稳定性。 气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清楚看到焊缝成型的过程。气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清楚看到焊缝成型的过程。 由于气体保护焊接时热量集中，焊接速度快，焊件熔深大，因此所形成的由于气体保护焊接时热量集中，焊接速度快，焊件熔深大，因此所形成的 焊缝强度比手工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置的焊接，但焊缝强度比手工电弧焊
45、高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置的焊接，但 不适用于在风较大的地方施焊。不适用于在风较大的地方施焊。 电阻焊电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面时，电阻所产生是利用电流通过焊件接触点表面时，电阻所产生 的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。电阻焊所产生的的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。电阻焊所产生的 能量相对较小，只适用于板厚度不大于能量相对较小，只适用于板厚度不大于12mm的钢材焊的钢材焊 接。接。 2.焊缝的施焊方法焊缝的施焊方法 焊缝按施焊位分为焊缝按施焊位分为平焊、立焊、横焊及仰焊平焊、立焊、横焊及仰焊。 平焊又称俯焊，施焊方便，质量最好。平焊又称俯焊，施焊方便，质量最好。 立焊和横
46、焊要求焊工的操作水平比较高，焊缝质量及生产效率比平焊差一些。立焊和横焊要求焊工的操作水平比较高，焊缝质量及生产效率比平焊差一些。 仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此应尽量避免采用仰焊。仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此应尽量避免采用仰焊。 3.焊缝连接的形式焊缝连接的形式 焊缝连接的形式按被连接钢材的相互置可分为焊缝连接的形式按被连接钢材的相互置可分为对接、对接、 搭接、搭接、T形连接和角部连接形连接和角部连接四种。这些连接所采用的焊缝四种。这些连接所采用的焊缝 主要有对接焊缝和角焊缝。主要有对接焊缝和角焊缝。 对接连接对接连接主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相主要用于厚度
47、相同或接近相同的两构件的相 互连接。对接连接的两构件在同一个平面内，传力均匀平互连接。对接连接的两构件在同一个平面内，传力均匀平 缓，没有明显的应力集中，且用料经济。但是焊件边缘需缓，没有明显的应力集中，且用料经济。但是焊件边缘需 要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。 搭接连接搭接连接比较费料，但传力均匀、施工简便，广泛应用比较费料，但传力均匀、施工简便，广泛应用 于钢桁架结构中。于钢桁架结构中。 T形连接形连接省工省料，常用于制作组合截面。当采用角省工省料，常用于制作组合截面。当采用角 焊缝连接时，焊件间存在缝隙、截面突变，应力集中
48、现象焊缝连接时，焊件间存在缝隙、截面突变，应力集中现象 严重，疲劳强度较低，可用于不直接承受动力荷载的结构。严重，疲劳强度较低，可用于不直接承受动力荷载的结构。 角部连接角部连接主要用于制作箱形截面构件。主要用于制作箱形截面构件。 4.焊缝的构造要求焊缝的构造要求 焊缝的最小长度焊缝的最小长度 焊缝的焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝的焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重， 焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近，加之焊缝中可能产生的焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近，加之焊缝中可能产生的 其他缺陷使焊缝不够可靠。因此，如果焊缝长度过小，也会其他缺陷使焊缝不够可靠。因此，如果焊缝长度过
49、小，也会 造成严重的应力集中，造成严重的应力集中，侧面角焊缝或正面角焊缝侧面角焊缝或正面角焊缝的长度均不的长度均不 得小于得小于8倍的焊缝高度和倍的焊缝高度和40 mm。 侧面角焊缝的最大长度侧面角焊缝的最大长度 侧面角焊缝的应力沿长度分布不均匀，两端较小，中间侧面角焊缝的应力沿长度分布不均匀，两端较小，中间 大，且焊缝越长差别越大。当焊缝太长时，虽然仍有因塑性大，且焊缝越长差别越大。当焊缝太长时，虽然仍有因塑性 变形产生的内力重分布，但两端应力可首先达到强度极限而变形产生的内力重分布，但两端应力可首先达到强度极限而 破坏。因此，侧面角焊缝的长度不宜大于破坏。因此，侧面角焊缝的长度不宜大于60倍的焊缝高倍的焊缝高 度。度。 焊接残余应力的消除焊接残余应力的消除 焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊
