钢结构常用的连接方法

17连接（1）掌握钢结构常用的连接方法、特点及应（2）了解对接焊缝的工作性能，掌握对接焊（3）了解角焊缝的工作性能，掌握角焊缝的本章提要（4）了解焊接应力、焊接变形的形成原因，了（5）了解普通螺栓连接的工作性能、破坏形态，（6）了解高强螺栓连接的工作性能，掌握高强螺栓连接的计算方法。本章内容17.1钢结构的连接方法17.2焊接的基本知识17.3对接焊缝的构造与计算17.4角焊缝的构造与计算17.5焊接残余应力与焊接变形17.6普通螺栓连接的构造与计算17.7高强度螺栓连接的构造与计算17.1钢结构的连接方法钢结构的连接方法有焊接、铆钉连接和螺栓连接三种（图17.1）。图17.1钢结构连接方法(a)焊接；(b)铆接；(c)栓接铆钉连接是将一端带有预制钉头的铆钉，插入被连接件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机将另一端压成封闭钉头而成。焊接是钢结构最主要的连接方式，优点是任何形状的结构都可以用焊缝连接，构造简单，省工省料，而且能实现自动化操作，生产效率高。螺栓连接分普通螺栓连接和高强螺栓连接。普通螺栓是用A3F(Q235－A·F）钢制造的，按加工精度分为A、B、C三级。高强螺栓系用高强钢材制成，可对栓杆施加很大的紧固预拉力，使板叠压得很紧，利用板间的摩擦阻力传递剪力，这就是摩擦型高强螺栓连接。17.2焊接的基本知识焊接方法有电弧焊、接触焊、汽焊等。电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊三种。目前，钢（1）手工电弧焊与焊条如图17.2所示，电焊机即是一个降压变压器，其两个电极一极连焊钳（焊条），一极连焊件。常用的焊条牌号有E43型、E50型和E55型等。17.2.1焊接方法（2）自动焊自动焊设备（自动电焊机）工艺原理如图17.3所示。图17.2手工电弧焊图17.3自动埋弧电弧焊焊缝连接按构件的相对位置可分为平接、搭接、顶接、角接等形式。焊缝按构造可分为对接焊缝和角焊缝两种，如图17.4所示。对接焊缝省料、传力均匀、强度高，但边缘须作坡口，尺寸要求严且制造费工。焊缝按施焊位置又可分为平焊、立焊、横焊、仰焊，平焊施焊最方便，质量易于保证；仰焊施焊条件最差，质量不易保证，设计时应尽量避免（图17.5）。17.2.2焊缝与焊缝连接形式图17.4焊缝连接形式图17.5焊缝的施焊位置（平、立、横、仰）在钢结构施工图中的焊缝，应遵照《焊缝符号表示法》（GB324—88）和《建筑结构制图标准》（GB/T50105）的规定予以标注（见表17.1）。焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。图形符号表示焊缝截面的基本形式。引出线由横线、斜线及箭头组成，而横线由两条平行的实线与虚线组成，可在实线侧或虚线侧标注符号，斜线和箭头则将整个焊缝符号指向图形的有关焊缝处。17.2.3焊缝符号与标注方法当焊缝分布不规则时，在标注焊缝符号的同时，宜在焊缝处加粗线（表示可见焊缝）或栅线（表示不可见焊缝），工地安装焊缝加×号（图17.6表17.1焊缝符号图17.6焊缝标注图形(a)可见焊缝；(b)不可见焊缝；(c）工地安装焊缝焊接质量将直接影响焊缝的强度，对焊缝的质量应按其受力性质和所处的部位进行分级检验。质量检验分为三级，其中三级质量检验只对全部焊缝作外观检查，即只检查焊缝外观缺陷（气孔、咬边）和几何尺寸是否符合三级标准的要求；二级的检验项目规定除对全部焊缝按二级标准检查外观外，还须按要求用超声波抽查焊缝长度的50%；一级的检验项目则规定除对全部焊缝按一级标准检查外观外，尚需按要求用超声波检查，并用X射线抽查焊缝长度2%，且部分拍片。17.2.4焊缝质量级别对接焊缝的质量分一、二、三级，其中一、二级质量的强度与母材相同，三级质量的抗拉强度设计值则降低了15%。角焊缝均为三级质量，其强度设计值不论拉、压、剪均取统一值。17.3对接焊缝的构造与计算（1）选择正确的坡口与间隙保证焊透如图17.7所示，根据焊接条件和钢板的厚度可选择图中的各种坡口形式，图中的坡口形式（由钢板厚度决定）、间隙c和角度α可参见国家有关标准。（2）设置引弧板焊缝的起弧灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，引起应力集中并易产生裂纹。可设引弧板于两端，其材料和坡口形式同于焊件，在焊接完毕后切除（图17.8）。17.3.1对接焊缝的构造（3）清渣补焊U形和V形焊缝主要为正面焊，其根部往往没有焊透而存在缺陷。所以一面焊完后，应反过来清渣（4）不同厚度与宽度钢板的连接在钢板拼接处，当焊件宽度不同或厚度在一侧相差超过4mm时，应分别在宽度或厚度方向从一侧或双侧做成坡度不大于1∶2.5的斜角（如图17.9）所示，形成平缓过渡，减少应力集中。（5）应在设计图中注明坡口的形式与尺寸，其有效厚度he不得小于1.5√t,t为坡口所在焊件的较大厚度。图17.7对接焊缝的坡口形式图17.8引弧板图17.9钢板变截面平接(a)变宽度；(b)变厚度（1）轴心力作用时的计算如图17.10所示的受拉对接焊缝，当采用一、二级质量时，焊缝截面的抗拉、抗压和抗剪的强度设计值同于母材，只要连接板能承受拉力N，则焊缝不必计算；当采用三级质量时，抗拉、抗剪强度设计值不变，唯抗拉强度设计值降低15%，可采用斜焊缝。对于斜焊缝只须验算正应力，即17.3.2对接焊缝的计算wcwNflt当tanθ≤1.5（即θ≤56°19′）时，则斜焊缝不必验算。2sinsinwtwNNfltbt（2）如图17.11所示对接焊缝，应验算边缘纤维的最大正应力、中和轴处的最大剪应力和腹板与翼缘连接处的折算应力。maxmax221131.1wt【例17.1】验算如图17.10所示的钢板对接焊缝，钢板截面500mm×10mm，轴向拉力N=1000kN，钢材为Q235A·F，焊条E43【解】（1）A×f=1075kN＞N=1000kN（2）σ=208.3N/mm2＞ftw=185N/mm2（3）改为斜缝，令tanθ=1.5σ=144.2N/mm2＜ftw=185N/mm2【例17.2】如图17.12所示，验算工字形牛腿与柱的对接焊缝，N=270kN(设计值)，偏心距e=300mm，钢材为Q235，E43型焊条，手工焊焊缝质量三级，无引弧板。【解】（1）焊缝受力M=Ne=270×300=8100kN·cmV=N=270kN(2)截面几何特征Iw=13544.6cm4Ww=677.2cm3Sw=397.5cm3S1=253.5cm3(3)强度验算σmax=119.6N/mm2＜ftw=185N/mm2τmax=99N/mm2＜fvw=185N/mm2σ1=113.6N/mm2τ1=63.2N/mm2σeq=157.8N/mm21.1ftw=203.5N/mm2图17.10轴心力作用时的对接焊缝图17.11弯矩和剪力共同作用时对接焊缝图17.10轴心力作用时的对接焊缝图17.12例17.2附图17.4角焊缝的构造与计算在搭接或顶接板件的边缘，所焊截面为三角形的焊缝叫做角焊缝。角焊缝按外力作用方向可分为平行于力作用方向的侧面角焊缝、垂直于力作用方向的正面角焊缝以及与力作用方向斜交的斜向角焊缝（图17.13角焊缝两边夹角为直角的称为直角角焊缝（图17.14），夹角为锐角或钝角的称为斜角角焊缝（图17.15）。17.4.1角焊缝的构造直角角焊缝（简称角焊缝）截面分普通式、平坡式和凹式三种，一般多采用普通式。角焊缝的构造要求：（1）角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于1.5√t，t为较厚钢板的厚度。（2）角焊缝的焊脚尺寸hf不能过大，否则易发生损伤构件的过烧现象和咬边现象，且易产生较大的焊接残余应力和焊接变形。（3）角焊缝的两焊脚尺寸一般为相等。（4）侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。（5）侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf或40hf；当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。（6）在次要构件或次要焊接连接时，可采用断续角焊缝。（7）当板件端部仅有两侧角焊缝连接时，每条侧焊缝长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离；同时两侧面角焊缝之间的距离不宜大于16t或190mm，t为较薄焊件的厚度。（8）当角焊缝的端部在构件转角处作长度为2hf的绕角焊时，转角处须连续施焊，以避免在应力（9）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25mm图17.13侧面、正面与斜向角焊缝图17.14直角角焊缝截面形式(a)普通型；(b)平坡式；(c)凹式图17.15斜角角焊缝截面角焊缝的应力状态是比较复杂的，应力分布是不均匀的，破坏始自应力集中最严重的根角A处，如图17.16。在设计计算中，均假定破坏截面为45°喉部截面，即图17.16中的AD截面，称为计算截面，he为有效厚度。正面焊缝的破坏强度较侧面焊缝高，约为侧面焊缝的1.35~1.55倍。17.4.2角焊缝的计算17.4.2.1角焊缝的受力特点图17.16轴力N作用下的角焊缝17.4.2.2角焊缝在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下的强度计算(1)正面角焊缝或作用力垂直于焊缝长度方向时(2)侧面角焊缝或作用力平行于焊缝长度方向时(3)当作用力与焊缝长度方向斜交时，应分别计算焊缝在两个方向的σf和τf，然后按下式计算：wiftewNfhlwitewNfhl(4)如图17.13，有正面、侧面、斜向各种角焊缝组成的周围角焊缝，假设破坏时各部分角焊缝都达到各22()fwftff()wtfewNfhl图17.13侧面、正面与斜向角焊缝17.4.2.3在各种力综合作用下角焊缝强度的计算如图17.17所示，角焊缝受M、N、V的综合作用，N引起垂直于焊缝长度方向的应力σfN；V引起沿焊缝长度方向的应力τfV；M引起垂直于焊缝长度方向，按三角形分布的应力σfM；即：2220.7620.720.7NfwffwMfwffwVfwffwNNAhlNMWhlVVAhl式(17.10)~(17.12)分别给出了一般表达式和图示矩形焊缝计算截面的计算式最大应力在焊缝的上端，其验算公式为22()()fVwftffNMfff图17.17综合作用下的角焊缝17.4.2.4角钢与节点板连接焊缝计算在普通钢屋架中，双角钢截面轴力腹杆与节点板的连接一般多采用两面侧焊；受有动力荷载时，可采用三面围焊；受力较小时，可采用L形围焊，围焊的转角处必须连续施焊（1）两面侧焊图17.18(a)为两面侧焊，双角钢截面的轴线位置可由角钢表查出e1值得到，则焊缝的形心应在截面轴线上。设肢背焊缝承受力N1、肢尖焊缝承受力N2，由N1+N2=NN1e1=N2e2解之可得2111212212eNNKNeeeNNKNee求得N1和N2后，设出合理的肢背、肢尖的焊脚尺寸hf1和hf2，即可计算出肢背、肢尖所需的焊缝长度lw1和lw2。（2）图17.18(b)为三面围焊，要点也是使焊缝的形心位于角钢截面的轴线上。先设出端缝的焊脚尺寸hf3，则端缝承担的力N3N3=2×0.7hf3lw3βfffw而lw3=b(肢宽)，对N2处取矩∑M=0Ne2-N1(e1+e2)-N3（e1+e2）/2=0N1=Ne2/(e1+e2)-N3/2=K1N-N3/2N2=K2N-N3/2（3）L利用式（17.17），令N2=0N3=2K2NN1=N-2K2N【例17.3】将例17.1改为双盖板角焊缝平接（图17.19）。钢板截面500mm×10mm,N=1000kN（设计值），钢材为Q235A·F，焊条E43型。【解】（1）采用2块460mm×6mm的矩形盖板，三面围A=2×46×0.6=55.2cm2＞50cm2按构造要求设hf=5mm，则连接一侧的一条侧焊缝的lw1=176mm取为180mm盖板长度l=2×180+10=370mm（2）为避免矩形盖板四角处焊缝的应力集中，改为（b）图的菱形盖板，不考虑端缝的βf，则接头一侧单面∑lw=893mm图（b∑lw=906＞893mm【例17.4】由2φ140×90×8(长肢相连)双角钢与节点板（厚1