钢结构设计手册

第三章钢结构的连接第一节钢结构的连接方法第二节焊接方法和焊缝连接形式第三节角焊缝的构造与计算第四节对接焊缝的构造与计算第五节焊接应力和焊接变形第六节螺栓连接的构造第七节普通螺栓连接的工作性能和计算第八节高强度螺栓连接的工作性能和计算第九节混合连接第一节钢结构的连接方法在传力过程中，连接部位应有足够的强度,被连接件间应保持正确的位置，以满足传力和使用要求。钢结构的连接方法：通常有焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种方式。接连栓螺接连钉铆接连缝焊法方接连(a)(b)(c)(a)(b)(c)1、焊缝连接的特点优点：•对几何形体适应性强，构造简单，连接方便，省工省时；•不需打孔，用料经济，不削弱截面，省材省工；•加工方便，可实现自动化操作，工效高；•密闭性好，结构刚度大，整体性较好。缺点：•焊接附近有热影响区，材质变脆；•焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，对裂纹比较敏感；残余变形使结构形状、尺寸发生变化；•焊接裂缝一经发生，便容易扩展，低温冷脆问题突出；对动力荷载比较敏感。•对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大。返回第一节钢结构的连接方法2、铆钉连接的特点•塑性和韧性较好；•连接紧密，传力可靠，质量易于检查；•用于直接承受动力荷载和跨度较大的结构中（如桥梁）•缺点：构造复杂，费工费料。很少使用。3、螺栓连接的特点分普通螺栓连接和高强螺栓连接（1）普通螺栓连接•A、B、C三级：A和B为精制螺栓，C级为粗制螺栓；•材料等级：A和B为8.8级，C级为4.6级或4.8；等级表示：如4.6级指螺栓成品的最低抗拉强度为400N/mm2,屈强比为0.6的螺栓。•加工：A、B级由毛坯在车床上精确加工而成——精制；C级为由未经加工的圆钢压制而成——粗制；第一节钢结构的连接方法•螺孔：A、B级需要钻模钻成（Ⅰ类孔），孔径比螺杆大0.3mm左右；C级为一次冲成或不用钻模钻成（Ⅱ类孔）孔径比螺杆大1.5～3.0mm。•受力：A、B级受力性能好，连接变形小，可以既受拉又受剪，用于重要的连接；C级螺栓连接性能不如A、B级好，主要受拉，用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的次要连接。•费用：A、B级成本昂贵，C级螺栓价格便宜，能用C级螺栓的地方不用A、B级螺栓。（2）高强螺栓连接•高强螺栓用高强度钢材制成，对结构削弱少，可拆换，摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高。分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓。•摩擦型高强螺栓：只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力，以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态。第一节钢结构的连接方法•承压型高强螺栓：允许接触面滑移（剪力超过摩擦力），以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态。•受力：摩擦型高强螺栓剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳，塑性韧性好，特别适用动力荷载，目前可以代替铆接；承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型，剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构。•材料等级：采用45号钢、40B和20MnTiB钢（热处理），材料等级为8.8级或10.9级。•孔径：摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.5～2.0mm；承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.0～1.5mm。4、射钉、自攻螺栓、焊钉连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构，不能受较大集中力。焊钉用于混凝土和钢板的连接。第一节钢结构的连接方法返回第二节焊接方法和焊缝连接形式一、钢结构常用的焊接方法：1、手工电弧焊•最常用，设备简单，操作灵活。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量受焊工的影响大。•焊条选择：焊条应与焊件钢材相适应，Q235选择E43型（E4300~4328)，Q345采用E50型焊条，Q390和Q420采用E55型焊条；不同钢种之间（例Q235与Q345)宜选用低组配方案（E43型），即采用低强度钢材相适应的焊条。E表示焊条（Electrode），前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),后两位为焊接位置、电流及药皮类型等。1234567手工电弧焊1-电源2-导线3-夹具4-焊条5-电弧6-焊件7-焊逢123849101265711自动埋弧电弧焊1电源2导线3夹具4焊丝5电弧6焊件7焊逢8转盘9漏斗10溶剂11熔化的溶剂12移动方向2、自动或半自动埋弧焊大电流、细焊丝，熔深大，适用于厚板焊接。生产效率高，质量高。焊件变形小。自动焊的引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动都是自动的，而半自动焊的焊接前进方式仍是依靠手持焊枪移动。第二节焊接方法和焊缝连接形式123456电阻焊1电源2导线3夹头4焊件5压力6焊逢4、电阻焊等利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。适用于薄壁型钢的焊接，板叠厚度不超过12mm。焊点主要承受剪力，抗拉能力较差。第二节焊接方法和焊缝连接形式3、气体保护焊二氧化碳气体保护焊是近年来发展起来的先进焊接方法。它是利用气体作为保护气体，使被熔化的金属不与空气接触，电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊丝强度高，塑性好。采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈能力，焊缝不易产生气孔，适用于低碳钢、低合金高强度钢以及其他合金钢的焊接。不适于风大的地方施焊。焊接方法焊条焊剂操作方式适应范围质量状况电弧焊手工焊短焊条(350－400mm)附于焊条之药皮全手动工位复杂，形状复杂之焊缝比自动焊略差自动焊连续焊丝焊剂全自动长而简单的焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强半自动焊连续焊丝CO2气体保护人工操作前进任意焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强电阻焊无无通电、加压、机械薄板点焊一般用作构造焊缝气焊短、光焊条无（乙炔还原）手工薄板、小型、不同材质结构中一般用作构造焊缝第二节焊接方法和焊缝连接形式二、焊缝连接形式按照被连接构件的相对位置来分为：•平接（直接对接和盖板对接）：厚度相同或相近的两构件•搭接：不同厚度的两构件，传力不均匀，费材料•T形连接（顶接）：组合截面•角部连接：箱形截面第二节焊接方法和焊缝连接形式盖板对接三、焊缝形式按焊缝和两个被连接件间的相对位置分类。对接焊缝：焊缝和两个被连接件的平行面相连。角焊缝：焊缝和两个被连接件的相交面相连。第二节焊接方法和焊缝连接形式焊逢的形式对接焊逢（直缝）对接焊逢（斜缝）角焊逢（端缝）角焊逢（恻缝）(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)•对接焊缝按受力与焊缝方向分：a）对接正焊缝：作用力方向与焊缝方向正交b）对接斜焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交•角焊缝按受力与焊缝方向分：a）端缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直b）侧缝：作用力方向与焊缝长度方向平行c)斜角焊缝（斜缝）第二节焊接方法和焊缝连接形式逢焊断间和逢焊续连逢焊续连逢焊断间(a)(a)(b)(b)•按焊缝连续性：a）连续角焊缝（重要构件）：受力较好b）断续角焊缝（次要构件）：易发生应力集中断续角焊缝间断距离l≤15t（受压）和l≤30t（受拉），t为较薄件的厚度第二节焊接方法和焊缝连接形式焊逢的施焊位置俯焊立焊横焊仰焊(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)•按施焊位置：平焊（俯焊）、立焊、横焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差，尽量避免。第二节焊接方法和焊缝连接形式四、焊缝缺陷常见的焊接缺陷：裂纹、焊瘤、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满。缺陷的存在削弱受力面积，产生应力集中，易产生裂纹。第二节焊接方法和焊缝连接形式五、焊缝质量检验•焊缝质量等级：《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）对焊缝依其质量检查标准分为一级、二级和三级。•焊缝质量检验方法：外观检查（外部尺寸和缺陷）内部检查（内部缺陷）：超声波探伤检验（主要)、X射线、γ射线等（x射线应用广）检验、磁粉（辅助）、荧光检验（辅助）。三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准，即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹，咬边等缺陷；第二节焊接方法和焊缝连接形式一级焊缝需经外观检查、超声波探伤（检验每条焊缝全部长度）、x射线检验都合格；二级焊缝需外观检查、超声波探伤（检验每条焊缝的20％长度，且不小于200mm）合格；•焊缝等级的选用：①疲劳验算的构件：垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级，受压时为二级；②不进行疲劳计算的构件：对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级，受压时宜为二级；三级焊缝的抗拉强度设计值为主体钢材的85%；③重级工作制吊车和Q≥50T的中级工作制的吊车，吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝，不低于二级；④角焊缝一般为三级，只对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q≥50T的中级工作制的吊车梁的角焊缝外观质量应符合二级。第二节焊接方法和焊缝连接形式焊接时为保证质量，需要注意之处：（1）对不熟悉的钢种焊接时，需做工艺性能和力学性能的试验；（2）焊工要进行考核，持证上岗；（3）焊条、焊丝、焊剂按规定烘焙；（4）多层焊接需连续施焊，每层焊道之间要清理；（5）焊缝出现裂缝，应申报、查明原因，方能处理。第二节焊接方法和焊缝连接形式返回六、焊缝代号、螺栓及其孔眼焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。引出线：横线和带箭头的斜线组成，图形符号和焊脚尺寸标在横线上。图形符号：表示焊缝的基本型式辅助符号：焊缝的辅助要求。螺栓及其孔眼图例见课本表3.3。返回第三节角焊缝的构造与计算一、角焊缝的构造（1）角焊缝的截面形式：直角角焊缝和斜角角焊缝。１）直角焊缝（a）普通焊缝：应力集中较严重（b）平坡焊缝（正面）:承受动力荷载时采用（c）深熔焊缝（侧面）:承受动力荷载时采用2）斜角角焊缝（d）斜锐角焊缝（e）斜钝角焊缝（f）斜凹面角焊缝l主要用于钢管连接中（2）正面角焊缝（端焊缝）、侧面角焊缝1）端缝：焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。端缝破坏强度要高一些，但塑性差。2）侧缝：焊缝长度方向与受力方向平行，其特点为应力分布简单些，但弹性工作阶段分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。侧缝强度低，但塑性较好，两端出现塑性变形后将产生应力重分布，在规定的长度内应力可趋于均匀。（3）角焊缝的构造要求角焊缝的几何特征：焊脚尺寸hf（焊缝直角边的边长）和焊缝计算长度lw。焊脚尺寸hf:过小，冷却快，产生淬硬，裂纹；过大，易烧伤、烧穿，热脆区增大，残余应力和残余变形增大。•最大焊脚尺寸：hf≤1.2tmin；对于构件边缘焊缝,为防咬边，当板件厚度t＞6mm时，一般取hf≤t-(1~2)mm；当t≤6mm时，取hf≤t；tmin为较薄焊件厚。•最小角脚尺寸：hf≥1.5mm；对于T形连接的单面角焊缝，应增加1mm；当板件厚度t≤4mm时，取hf为焊件厚度；对自动焊可减1mm。maxt•焊缝计算长度lw:太长，两端应力与中间应力相差太大；太短，起落弧太近，局部加热严重。•侧面焊缝的最大计算长度：lw≤60hf，当实际长度对于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑；•角焊缝的最小计算长度：lw≥8hf，而且不得小于40mm。搭接连接的构造要求：当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时，为了避免应力传递过分弯折而使构件中应力过分不均，应使每条侧焊缝长度大于它们之间的距离，即lw＞=b。另外为了避免焊缝收缩时引起板件的拱曲过大，还应使b＜16t(当t＞12mm)或200mm(当t=12mm)。当不满足规定时，应加正面角焊缝。在仅用正面焊缝的搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍及25mm，以减小焊缝收缩而产生的残余应力，以及因传力偏心而产生的附加应力。所有围焊的转角处必须连续施焊，对非围焊的角焊缝的端部转角处应连续作2hf的转角焊。角焊缝的构造部位项目构造要求备注焊脚尺寸hf上限；对板边：t1为较薄焊件厚下限；当t2为较厚焊件厚。对自动焊可减1mm；对单面T型焊应加1mm。焊缝长度lw上限（受动力荷载）；（其他情况）；内力沿侧缝全长均匀分布者不限下限8hf或40mm，取两者最大值端部仅有两侧面角焊缝连接长度lw距离l0t为较薄焊件厚端部转角转角处加焊一段长度2hf（两面侧缝时）或用三面围焊转