钢结构第三章焊接连接

第三章钢结构的连接焊接连接螺栓连接铆钉连接构造要求和计算焊接连接螺栓连接铆钉连接焊接连接螺栓连接铆钉连接3.1钢结构的连接方法和特点焊接连接螺栓连接铆钉铆钉机一、焊接连接对接焊缝连接优点：构造简单，制作加工方便；不削弱截面；连接刚度大；可实现自动化操作。缺点：材质易脆；存在残余应力；对裂纹敏感。角焊缝连接焊接连接是钢结构中最常用的一种连接方法：焊接方法：电弧焊埋弧焊气体保护焊手工电弧焊自动和半自动1.手工电弧焊原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧Q235钢E43型焊条(E4300~E4328)；Q345钢E50型焊条(E5000~E5048)；Q390钢Q420钢E55型焊条(E5500~E5518)。注：不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。B、焊条的表示方法：E—焊条(Electrode)第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（MPa)第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。E43型熔融金属的最小抗拉强度为≥420MPa；E50型熔融金属的最小抗拉强度为≥490MPa；E55型熔融金属的最小抗拉强度为≥550MPa；E4300：平、仰、立、横；交流或直流正、反接；特殊性；E4322：平；交流或直流；正接氧化铁型；缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接技术直接影响焊接质量。优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置焊接；C、手工电弧焊的优、缺点：优点：连接刚度大，传力可靠；二、铆钉连接缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，施工速度慢。铆钉连接是利用铆钉将两个或两个以上的元件(一般为板材或型材)连接在一起的方法，简称铆接。铆钉有空心和实心两大类。铆钉连接包括制孔和打铆两个工序。螺栓连接普通螺栓高强螺栓三、螺栓连接精制螺栓摩擦型连接承压型连接粗制螺栓粗制普通螺栓（C级）:材料的性能等级为4.6或4.8级；4表示fu≥400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；精制普通螺栓（A、B级）:材料的性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu≥500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；1、普通螺栓：（A、B、C三级）摩擦型连接：摩擦型连接依靠被连接板件之间强大的摩擦阻力来承受外力，以摩擦阻力被克服作为承载能力的极限状态。为了提高摩擦阻力，一般要对接触面进行处理，并施加预压力。摩擦型螺栓连接的螺栓孔径比螺栓直径大1.5~2.0mm。摩擦型连接有很大的摩阻力，剪切变形小，特别适用于承受动力荷载的结构中。摩擦型连接承压型连接2、高强度螺栓连接承压型连接：承压型连接允许被连接板件之间接触面发生相对滑移，以栓杆被剪断或承压破坏作为承载能力的极限状态。承压型螺栓连接的螺栓孔径比螺栓直径大1.0~1.5mm。承压型连接的承载力比摩擦型连接高，可节约螺栓，但剪切变形大，故不能用于承受动力荷载的结构中。3.2焊缝和焊接连接的形式一、焊缝的形式（2）对接焊缝正对接焊缝（1）角焊缝T型对接焊缝斜对接焊缝1、角焊缝定义：角焊缝连接不必坡口，焊缝金属直接填充在被连接板件形成的直角或斜角区。角焊缝直角角焊缝斜角角焊缝hfhf普通式hf1.5hf平坡式（1）直角角焊缝hfhf凹面式一般情况下直接承受动力荷载的结构中焊脚尺寸计算厚度按he=0.7hf斜角角焊缝按he=0.7hf(a)hfαhfhfhfαa）锐角角焊缝；b）钝角角焊缝(b)按he=hfcoshfhfαhfhfαα2按he=hfcosα2（2）斜角角焊缝对于α135o或α60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。直边缝：单边V形缝：双边V形缝：适用板厚δ＜10mm适用板厚δ＝10～20mmU形缝：K形缝：X形缝：适用板厚δ＞20mm2、对接焊缝（坡口焊缝）αα二、焊接连接的形式搭接对接角部连接T型连接平焊横焊仰焊施焊位置：平焊（又称俯焊），施工最方便；横焊和立焊对焊工的操作水平要求较高；仰焊的操作条件是最差的，焊缝质量很难保证，尽量避免采用。3.3焊缝缺陷和质量检验一、焊缝缺陷常见的缺陷有：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。裂纹焊瘤烧穿弧坑裂纹气孔夹渣未焊透二、焊缝质量检验质量检验外观检查内部无损检查检查外观缺陷和几何尺寸检查内部缺陷，采用超声波检验，用磁粉、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γ射线透照或拍片，X射线应用较广。超探仪40《钢结构工程施工及验收规范》规定：焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准。一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。三、焊缝代号图例焊缝代号基本符号指引线表示焊缝的截面形式横线带箭头的斜线焊缝代号3.4角焊缝的构造要求和计算基本概念正面角焊缝：焊缝长度方向与作用力垂直；侧面角焊缝：焊缝长度方向与作用力平行；斜焊缝：焊缝长度方向与作用力呈一定角度；角焊缝按其与作用力的关系可分为：1、正面角焊缝各面均存在正应力和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。ABCB1C1A1ACBNNσxσy2、侧面角焊缝主要承受剪应力(沿长度方向)N注：所取截面为45°斜截面3、斜焊缝斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。构造要求一、角焊缝构造要求1、最小焊脚尺寸ℎ𝑓≥1.5𝑡2𝒕𝟐−−较厚焊件的厚度注意：1、自动焊熔深较大，最小焊脚尺寸减少1mm；2、T型连接的单面角焊缝，应增加1mm；3、当焊件厚度小于或等4mm时，取焊件厚度相同。2、最大焊脚尺寸ℎ𝑓≤1.2𝑡1𝒕𝟏−−较薄焊件的厚度对板件边缘的角焊缝：1、当板件厚度大于6mm，取𝒉𝒇≤𝒕−(𝟏~𝟐)；2、当板件厚度小于等于6mm，取𝒉𝒇≤𝒕；较厚焊件的厚度较薄焊件的厚度注：焊脚尺寸取整数小结：最小焊脚尺寸1、自动焊：减少1mm2、T型连接的单面角焊缝：增加1mm3、焊件厚度小于等于4mm：取与焊件厚度相同最大焊脚尺寸板件边缘角焊缝：t6mm时，取t-(1~2)mm；t≤6mm时，取t；几种特殊情况下的最大最小焊脚尺寸的规定：3、角焊缝的最小计算长度𝒍𝒘𝒍𝒘≥𝒎𝒂𝒙𝟖𝒉𝒇,𝟒𝟎𝒎𝒎防止焊缝长度过小，力线弯折大，造成严重的应力集中。正面角焊缝：4、侧面角焊缝的最大计算长度𝒍𝒘𝒍𝒘≤𝟔𝟎𝒉𝒇侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大中间小，焊缝越长，应力集中越明显；如果长度过长，有可能在焊缝的两端破坏。(1)仅有侧面角焊缝时：（t为较薄焊件的厚度）(2)仅有正面角焊缝时：（t为较薄焊件的厚度）t5mm25，5、搭接连接的构造要求否则应力分布不均匀，承载力下降6、断续角焊缝的构造要求：角焊缝沿长度方向布置连续角焊缝断续角焊缝主要的焊缝形式应力集中现象明显4.绕角焊转角处构件存在应力集中现象，如果在此处起、灭弧。可能出现弧坑、咬肉等现象，加大应力集中，故应该采用绕角焊，或者采用三面围焊。7、减少角焊缝应力集中的措施：设计计算23ffwffff22直角角焊缝强度计算基本公式：正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时取1.0直角角焊缝计算公式：有效截面（计算截面）fwu=)+(8.1+2//22ττσ⊥⊥直角角焊缝的极限强度公式：适合于Q235钢fττσwu=)+)(3~7.1(+2//22⊥⊥fwf3)(32//22其他钢种直角角焊缝的极限强度公式：能适合大部分钢种当作用斜向轴心力F：FNV沿长度方向垂直于长度方向FNVf2/flwheVττf==//fτNVlhσwefN=将上述应力代入到折算应力公式中：fwfff33242223ffwffff22其中，23ffwffff22直角角焊缝强度计算基本公式：正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时取1.0对正面角焊缝：wffweffβlhNσ≤=对侧面角焊缝wfwefflhNτ≤=不同受力情况下角焊缝连接计算：轴心力作用弯矩、轴心力和剪力共同作用扭矩和剪力共同作用1、轴心力作用下角焊缝的连接计算只有正面角焊缝时：a.盖板连接的角焊缝只有侧面角焊缝只有正面角焊缝三面围焊b.承受斜向轴力的角焊缝c.承受轴心力的角钢角焊缝a.盖板的角焊缝的连接计算采用三面围焊时：wffweffβlhNσ≤∑=（1）只有侧面角焊缝时：wfwefflhNτ≤∑=（2）只有正面角焊缝时：（3）采用三面围焊时：先求出正面焊缝所能承受的力然后计算侧面焊缝11wewfflhfNwfwefflhNN1只有正面角焊缝时：采用三面围焊时：b.承受斜向轴力的角焊缝weflhNσ=weflhVτ=fwffff22分力法wfwewefθlhFθθlhF≤-∑∑3sin1=cos+5.1sin2223sin112f令：wfθfwefβlhF≤∑斜焊缝的计算公式:直接法验算如下角焊缝的强度，已知斜向力F=250KN，角度，焊脚尺寸，焊缝实际长度，钢材Q235B钢，手工焊，E43型焊条。o60mmhf8mml155例题3-11、分力法代入到式（3-8）中，得：满足要求。2、直接法wfθfwefβlhF≤∑斜焊缝的计算公式:6.139=∑weθflhβF最后代入公式：满足要求。试设计采用拼接盖板的对接连接，已知钢板宽度B=270mm，厚度，拼接盖板厚度，该连接承受的轴心静力荷载设计值N=1400KN,钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。mmt282mmt161例题3-2跟焊缝的受力形式有关两面侧焊采用菱形盖板三面围焊1、采用两面侧焊拼接盖板的宽度b的确定？应满足：在钢材种类相同的情况下，拼接盖板的截面积应大于等于被连接钢板的截面积。同时需满足构造构造要求：(1)仅有侧面角焊缝时：（t为较薄焊件的厚度）𝒃=𝟐𝟒𝟎𝒎𝒎≤𝒍𝒘=𝟑𝟑𝟎𝒎𝒎𝒃≤𝟏𝟔×𝟏𝟔=𝟐𝟓𝟔𝒎𝒎满足要求，故盖板尺寸为-16×240×6802、采用三面围焊可减少侧面角焊缝长度，继而减少盖板尺寸。假设拼接盖板的宽度和厚度与采用两面侧焊时相同未知量：盖板的长度L先求出正面焊缝所能承受的力然后计算侧面焊缝11wewfflhfNwfwefflhNN1wfwefflhNN1代入式中3、采用菱形拼接盖板可减小角部的应力集中，继而改善连接的工作性能。设计思路：假定菱形拼接盖板的尺寸，然后进行验算。正面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝c.承受轴心力的角钢角焊缝两面侧焊三面围焊L形围焊三面围焊：NN1N2eN3b已知量：N，e，b未知量：N1，N2，N3首先确定正面角焊缝所能承受的最大力：N1，N2NebNbN=2+31N1N2𝑁3=2×0.7×ℎ𝑓3𝑏𝛽𝑓𝑓𝑓𝑤2、角钢连接的角焊缝计算22)(3131NNkNbebNN223232NNkNbNeNwffwfhNl1117.0×2=wffwfhNl2227.02同理，注：k1，k2称为轴力分配系数，可查表两面侧焊：bNN1N2e即：N3=0223232NNkNbNeN22)(3131NNkNbebNNNkN11NkN22(2)两面侧焊NN1eN3(3)L形围焊NkN23231NNNL形围焊：即：N2=0223232NNkNbNeN22)(3131NNkNbebNN一桁架的腹杆，截面为2∟140×10，钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。杆件承受静力荷载，由恒荷载标准值产生的,由活荷载标准值产生的。构件与16mm厚的节点板相连接，如图所示，分别设计下列情况时此节点的连接：(1)三面围焊；(2)两面侧焊；(3)L形围焊。)2.1(250