钢结构的连接A.

第三章钢结构的连接•第一节连接分类及特点•一.概述连接的方式可分为两大类：焊缝连接和紧固件（螺栓、铆钉等）连接。•焊接，又可分为对接焊缝连接和角焊缝连接.•紧固件连接指的是为铆钉连接和螺栓连接，常简称栓钉连接，而螺栓连接又有普通螺栓连接和高强度螺栓连接.•二、焊缝连接•1.焊缝连接方法•（1）电弧焊•最常用的一种焊接方法，分为手工电弧焊和（半）自动埋弧焊.•图3-1-2连接示例(a)焊缝连接；(b)铆钉连接立焊；(c)螺栓连接图3-1-3手工焊示意图图3-1-4自动焊示意图•手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材(或称主体金属)相适应，一般为：•Q235钢采用E43型焊条(E4300～E4328)；•Q345钢采用E50型焊条(E5000～E5048)；•Q390钢和Q420钢采用E55型焊条(E5500～E5518)。•焊条型号中，字母E表示焊条，前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度(即分别为420、490、540N/mm2)，第三、四位数字表示适用焊接位置、电流以及药皮类型等。•不同钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案，即宜采用与低强度钢材相适应的焊条。•埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属强度相适应，即要求焊缝与主体金属等强度。•（2）电阻焊•电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面时的电阻所产生的热量，来熔化焊件金属，再利用压力使其焊合。它适用于焊接厚度为6～12mm的板束。•(3)电渣焊•电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的热阻，来熔化金属，使之焊合。特别适用于焊接40mm厚度以上的焊件，而且焊件可以不开坡口。(4)气体保护焊气体保护焊是用焊枪中喷出的惰性气体及自动送人焊丝代替焊剂和焊条的一种焊接方法。主要用于手工操作，与手工电弧焊相比较，速度快，焊接变形小。焊缝连接的优点是：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，既可手工施焊也可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大，整体性较好。其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，易使局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使构件受力时变形增加、降低了构件的稳定性；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。3.焊缝连接形式和焊缝种类•焊缝连接按被连接钢材的相互位置可分为对接（或平接）、搭接（或错接）、T形（或顶接）连接和角接等。在T形连接中也有被连接件不是垂直的情况。•(a)对接；(b)用拼接盖板的对接；(c)搭接；(d)、(e)T形连接；(f)、(g)角接•按照焊缝的空间位置，即施焊的方位，焊缝又可分为平焊、立焊、横焊和仰焊。•(a)平焊；(b)立焊；(c)横焊；(d)仰焊•对接焊缝和角焊缝•在两焊件连接面的间隙内，用熔化的焊条金属填塞，并与焊件熔化部分相结合，形成的焊缝称为对接焊缝。又分为全熔透和部分熔透(非熔透)两种。•焊缝金属填充在被连接件形成的直（斜）角区域内的焊缝称为角焊缝,广泛应用。•4.焊缝缺陷与焊接质量控制•常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等，以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。•焊缝质量检验一般采用外观检查和内部无损探伤两种方法，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。•内部无损检验目前广泛采用超声波，使用灵活、经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；有时还用磁粉检验、荧光检验等较简单的方法作为辅助；此外还可采用x射线或射线透照或拍片，尤其x射线应用较广泛。•《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)中规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝则除外观检查且符合一级、二级质量标准外，还要求超声波检验并符合相应级别的质量标准，若超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤。外观和探伤检查的位置和数量也有专门的规定。•设计中对焊缝质量等级不应提出不恰当的要求•(i)在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质量等级为作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T形对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级；•(ii)不需要计算疲劳的构件中，凡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不低于二级，受压时宜为二级；•(iii)重级工作制和起重量Q≥50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透，焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝，其质量等级不应低于二级；•(iv)不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量Q≥50t的中级工作制吊车粱，焊缝的外观质量应符合二级；对其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。•5.焊缝图纸表示•焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头的斜线组成。箭头指到图形上的相应焊缝处，横线的上面和下面用来标注图形符号和焊缝尺寸。当引出线的箭头指向焊缝所在的一面时，应将图形符号和焊缝尺寸等标注在水平•横线的上面；当箭头指向对应焊缝所在的另一面时，则应将图形符号和焊缝尺寸标注在水平横线的下面。焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时，在标注焊缝代号的同时，可在图形上加栅线表示，甚至可加注必要的说明，直至表达清楚。•(a)正面焊缝；(b)背面埠缝；(c)安装焊缝•三、铆钉、螺栓连接1.铆钉连接•已不用•2.普通螺栓连接•普通螺栓连接施工较简便，拆装也很方便，它是安装连接的一种重要方法。•螺栓材料的性能统一用螺栓的性能等级来表示，分为A、B、C三个级别。A、B级用于机械，建筑用C级螺栓，有“4.6级”和“4.8级”，而用于A、B级螺栓的有“5.6级”和“8.8级”。小数点前的数字“4”、“5”、“8‘’表示螺栓材料的抗拉强度不小于400N/mm2、500N/mm2和800N/mm2，小数点及后面的数字“0.6”、“0.8”表示螺栓材料的屈强比。•A、B级为精制螺栓,孔为I类孔。虽然精度高，受剪性能好，但制作复杂，安装困难，价格较高，很少在钢结构中采用.•C级螺栓为粗制螺栓，由未经加工的圆钢压制而成。成孔一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成，属Ⅱ类孔。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大2～3mm(螺栓杆直径小于24mm的为2mm、大于24的为3mm、)。•3.高强度螺栓连接•高强度螺栓采用高强度钢材制成。分8.8级、10.9级,，螺母和垫圈也采用经过热处理的45号和35号钢制成。•高强度螺栓连接分为摩擦型高强度螺栓连接和承压型高强度螺栓连接。孔一般采用Ⅱ类钻孔，孔径比螺栓杆公称直径大1.5～2mm(摩擦型)或1～1.5mm(承压型)。•摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，抗疲劳性能好，特别适用于承受动力荷载的结构。•承压型高强度螺栓连接的承载力比摩擦型的高，可节约螺栓，但剪切变形稍大，一般用于承受静力荷载。•通常对连接板件的接触面进行处理,以提高摩擦阻力.•螺栓连接称为紧固件连接。•第二节对接焊缝连接设计•一、对接焊缝的构造•对接焊缝的焊件为了保证焊透常需做成坡口，故又叫坡口焊缝。•坡口形式有直线形(不切坡口)、半V形(单边V形)、全V形、双V形(X形)、U形、K形。•坡口形式与焊件厚度有关。•坡口形式和尺寸一般由施工单位根据《建筑钢结构焊接技术规程》的规定再结合本企业的经验确定。•对于较厚的焊件(t20mm)，则采用U形、K形和X形坡口。对于V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。•当板宽或板厚不同时，规范规定：当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于l：2．5的斜角.(a)直边缝；(b)(g)单边V形坡口；(c)V形坡口；(d)X形坡口；(e)U形坡口；(f)K形坡口不同宽度和厚度板件的拼接•焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故凡要求等强的对接焊缝施焊时应设置引弧板和引出板（常常简述为引弧板），焊后将它割除。•在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝，同时焊缝的布置应尽可能对称于构件形心轴，以减少应力集中现象并降低残余应力的影响。二、对接焊缝的计算•对接焊缝分焊透和部分焊透两种.焊缝金属的强度一般高于母材，所以对接焊缝连接的破坏通常不会在焊缝金属部位，而是在母材或焊缝附近的热影响区。但是，由于焊接技术问题，焊缝中难免存在气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。试验证明，这些缺陷对受压和受剪的对接焊缝影响不大，但对受拉的对接焊缝影响却较为显著。•一、二级焊缝的抗拉强度可与母材相等，而三级焊缝允许存在的缺陷较多，其抗拉强度取为母材强度的85%。•1.对接焊缝受轴心力作用：•式中N轴心拉力或压力；lw焊缝的计算长度。施焊时，焊缝两端设置引弧板和引出板时，取焊缝的实际长度；无引弧板和引出板时，取实际长度减去2t；t在对接接头中连接件的较小厚度；在T形接头中为腹板厚度；对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值，见附录1附表1.2。仅三级焊缝的抗拉强度比母材低。故当设置引弧板和引出板时，只有三级焊缝才需按式(3.3.1)进行抗拉强度验算。wwtwfftlNc或wwtffc、•(a)垂直焊缝；(b)斜向焊缝如果用直缝不能满足抗拉强度要求时，可采用如图3-2-4(b)所示的斜对接焊缝。计算表明，焊缝与作用力N的夹角满足时，斜焊缝长度的增加能抵消抗拉强度的不足，可不再进行验算.采用对接焊缝通常为二级,必要时取一级2.对接焊缝承受弯矩和剪力的共同作用5.1tanwwtwffWMc或wvwwftIVS•式中M、V焊缝截面所承受的弯矩、剪力；•Ww、Iw焊缝截面对中性轴的抗弯模量和惯性矩，注意无引弧板和引出板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t；Sw计算剪应力处以上焊缝截面对中性轴的面积矩；•对接焊缝的抗剪强度设计值，见附录1附表1.2；wvf对接焊缝受弯矩和剪力联合作用•图(b)所示是工字形截面粱的对接焊缝接头，除应分别验算最大正应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力的腹板与翼缘交接点处，还应按下式验算折算应力：•式中1、1验算点处的焊缝正应力和剪应力；•1.1考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高的系数。•3.承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝•当轴心力与弯矩、剪力共同作用时，焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之和，剪应力、折算应力按前述公式验算。•三、部分焊透的对接焊缝•部分焊透的对接焊缝常用于外部需要平整的重型箱形截面柱和厚板T形连接。•部分焊透的对接焊缝必须在设计图上注明坡口的形式和尺寸。坡口形式分（单边）V形、U形和J形，其强度计算方法与下节所述的直角角焊缝相似.wtf1.132121(a)双面V形坡口;(b)单边V形坡口;(c)双面单边V形坡口；(d)U形坡口；(e)J形坡口第三节角焊缝连接设计一、角焊缝形式角焊缝受力特点与对接焊缝完全不同，其的应力状态要复杂得多，且容易引起应力集中现象，但对被连接件加工精度要求低、施工方便而常常被采用。•角焊缝一般用于搭接连接和T形连接。焊缝长度方向垂直于力作用方向称为正面角焊缝（亦称端焊缝）、平行于力作用方向称为侧面角焊缝（亦称侧焊缝）、如图3-3-1。焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和断续角焊缝二种(图3-3-2)。连续角焊缝的受力性能较好，为主要的角焊缝形式。断续角焊缝的起、灭弧处容易引起应力集中，重要结构应避免采用，只能用于一些次要构件或次要焊缝的连接中。断续角焊缝焊段的长度不得小于10hf（hf为焊角尺寸）或50mm，断续角焊缝的间断距离l也不宜过长，以免连接不紧密，潮气侵入引起构件锈蚀。二、角焊缝截面与受力特点•当角焊缝两焊脚边的夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝，是建筑结构中最常用的角焊缝.(a)等焊角（凸形）；(b