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1、目录学习情景3 钢结构的连接构造.46 综合任务一焊缝连接构造.46 一、焊缝连接的特点.46 二、钢结构的常用焊接方法.46 三、焊接连接形式及焊缝形式.48 四、焊缝缺陷及质量检验.48 五、对接焊缝构造要求.48 七、角焊缝构造要求.48 八、焊接残余应力和变形.48 综合任务二螺栓连接构造.48 一、普通螺栓连接构造.48 二、其他构造要求.48 三、高强度螺栓连接构造.48 四、轻钢结构的紧固件连接构造.48 综合任务三轻钢结构紧固件连接的构造和计算.48 学习情景 3 钢结构的连接构造钢结构构件是由型钢、钢板等通过螺栓或焊缝连接构成的，各构件再通过安装连接架构成整个结构。因此，连接
2、在钢结构中处于重要地位。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。钢结构的连接可分为焊接、铆接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等。目前以焊接连接应用最为广泛，螺栓其次。铆接由于费工费料，基本已经不采用。本部分主要讲述钢结构中的焊接连接和螺栓连接的施工工艺、构造要求和受力分析。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 46 页 -(a)焊缝连接；(b)铆钉连接；(c)螺栓连接；(d)紧固件连接图 3.1 钢结构的连接方法示意图综合任务一焊缝连接构造一、焊缝连接的特点焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。其优点是：构造简单，任何形式
3、的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；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。二、钢结构的常用焊接方法1、手工电弧焊手工电弧焊是最常用的一种焊接方法（图 3.2），通电后在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧。电弧提供热量使焊条中的焊丝熔化，滴落在焊件被电弧吹成的小凹槽熔池中，电焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖着熔池，隔绝空气中的氧、氮等气体，避免形成脆性易裂的化合物。焊缝金属冷却后
4、把被连接件连成一体。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 46 页 -a)电路；b)焊接过程；1-焊机；2-导线；3-焊件；4-电弧；5-药皮；6-起保护作用的气体；7-熔焊；8-焊缝金属；9-焊件金属；10-焊丝；11-熔池图 3.2 手工电弧焊示意图手工电弧焊设备简单，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术水平和精神状态有很大的关系。手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材（或称主体金属）相适应，例如：对Q235钢采用 E43型焊条（E4300E4328）；对 Q345钢采用E50型焊条（E5000 E5048
5、）；对 390 钢和 Q420钢采用 E55型焊条（E5500E5518）。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（kgf/mm2）,第三、四位数字表示适用焊接位置、电流及药皮类型等。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相适应的焊条。2、自动或半自动埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。焊丝送进和焊接方向的移动有专门机构控制的称埋弧自动电弧焊（图3.3）；焊丝送进有专门机构控制，而焊接方向的移动靠工人操作的称为埋弧半自动电弧焊。电弧焊的焊丝不涂药皮，但施焊端靠由焊剂漏头自名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 46
6、 页 -动流下的颗粒状焊剂所覆盖，电弧完全被埋在焊剂之内，电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接，生产率高。由于采用了自动或半自动化操作，焊接时工艺条件稳定，焊缝化学成分均匀，故焊缝质量好，焊件变形小。同时，高焊速也减小了热影响区的范围。但埋弧焊对焊件边缘的装配精度（如间隙）要求比手工电弧焊高。埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属的力学性能相适应，并应符合现行国家标准的规定。1焊丝转盘；2转动焊丝的电动机；3焊剂漏斗；4电源；5熔化的焊剂；6焊缝金属；7焊件；8焊剂；9移动方向图 3.3 埋弧自动电弧焊3、气体保护焊气体保护焊俗称气保焊，是利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法
7、。它直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层，以防止有害气体侵入并保证焊接过程的稳定性。气保焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清楚地看到焊缝成型过程；由于保护气体是喷射的，有助于熔滴的过渡；又由于热量集名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 46 页 -中，焊接速度快，焊件熔深大，故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。但不适用于在风较大的地方施焊或需要充分的放风设施。4、电阻焊电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面电阻所产生的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。电阻焊只适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚
8、不超过3.5mm的构件，如将两个冷弯槽钢或C型钢组合成 I 型截面构件等。三、焊接连接形式及焊缝形式1、焊缝连接形式焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T 型连接和角部连部四种（图3.4）。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。对接连接主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相互连接。图3.4（a）所示为采用对接焊缝的对接连接，由于相互连接的两构件在同一平面内，因而传力均匀平缓，没有明显的应力集中，且用料经济，但是焊件边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 46 页 -(a)对接连接；(b)用拼接盖板
9、的对接连接；(c)搭接连接；(d)、(e)T 型连接；(f)、(g)角部连接图 3.4 焊缝连接的形式图 3.4（b）所示为用双层盖板和角焊缝的对接连接，这种连接传力不均匀、费料，但施工简便，所连接两板的间隙大小无需严格控制。图 3.4（c）所示为用角焊缝的搭接连接，特别适用于不同厚度构件的连接。搭接连接传力不均匀，材料较费，但构造简单，施工方便，目前仍广泛应用。T型连接省工省料，常用于制作组合截面。当采用角焊缝连接时（图3.4d），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结构的连接中。对于直接承受动荷载的结构，如重级工作制吊车梁，其上翼缘与腹板的连接
10、，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 46 页 -应采用如图 3.4（e）所示的焊透的T形对接与角接组合焊缝进行连接。角部连接（图 3.4f、g）主要用于制作箱形截面。2、焊缝形式对接焊缝按所受力的方向分为正对接焊缝（图3.5a）和斜对接焊缝（图3.5b）。角焊缝（图 3.5c）可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。(a)正对接焊缝；(b)斜对接焊缝；(c)角焊缝图 3.5 焊缝形式焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和间断角焊缝二种（图3.6）。连续角焊缝的受力性能较好，为主要的角焊缝形式。间断角焊缝的起、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
11、件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝的间断距离 l 不宜过长，以免连接不紧密，潮气侵入引起构件锈蚀。一般在受压构件中应满足l 15t；在受拉构件中 l 30t，t 为较薄焊件的厚度。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 46 页 -图 3.6 连续角焊缝和间断角焊缝焊缝按施焊位置分为平焊、横焊、立焊及仰焊（图3.7）。平焊（又称俯焊）施焊方便。立焊和横焊要求焊工的操作水平比平较高。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。(a)平焊 (b)横焊 (c)立焊 (d)仰焊图 3.7 焊缝施焊位置3、焊缝符号与标注方法在钢结构施工图中的焊缝，应遵照焊缝符
12、号表示法（GB 32488）和建筑结构制图标准（GB/T50105）的规定予以标注。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。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，如图 3.8 和表 3.1。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 46 页 -(a)可见焊缝 (b)不可见焊缝 (c)工地安装焊缝图 3.8 焊缝标注
13、方法表 3.1 焊缝符号标注方法焊缝形式对接焊缝角焊缝I 型坡口V 型坡口T 型连接单面双面标注方法焊缝形式塞焊缝三面围焊安装焊缝相同焊缝围焊缝名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 46 页 -标注方法四、焊缝缺陷及质量检验1、焊缝缺陷焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。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（图3.9）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。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件（如电流、电压、焊速、施焊次序等）选择不合适；焊件表面油污未清
14、除干净等。2、焊缝质量检验焊缝缺陷的存在将削弱焊缝的受力面积，在缺陷处引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。因此，焊缝质量检验极为重要。焊缝质量检验一般可用外观检查及内部无损检验，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检验。该方法使用灵活、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。该方法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 r 射线透照或拍片。钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）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
15、量标准；设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 46 页 -检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。一级焊缝超声波和射线探伤的比例均为 100%，二级焊缝超声波探伤和射线探伤的比例均为20且均不小于 200mm。当焊缝长度小于200mm 时，应对整条焊缝探伤。探伤应符合钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法(GB 11345)或钢熔化焊对接接头射线照像和质量分级(GB 3323)的规定。(a)裂纹；(b)焊瘤；(c)烧穿；(d)弧坑；(e)气
16、孔；(f)夹渣；(g)咬边；(h)未熔合；(i)未焊透图 3.9 焊缝缺陷3、焊缝质量等级GB50017规范规定，焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质量等级：（1）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 型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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 46 页 -（2）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
17、于二级，受压时宜为二级。（3）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。（4）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等于或大于50t 的中级工作制吊车梁，焊缝的外观质量标准应符合二级；对其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。钢结构中一般采用三级焊缝，可满足通常的强度要求，但其中对接焊缝的抗拉强度有较大的变异性，其设计值仅为主体钢材的85
18、%左右。因而对有较大拉应力的对接焊缝，以及直接承受动力荷载的重要焊缝，可部分采用二级焊缝，对抗动力和疲劳性能有较高要求处可采用一级焊缝。焊缝质量等级须在施工图中标注，但三级焊缝不需标注。五、对接焊缝构造要求对接焊缝包括焊透的对接焊缝和T 形对接与角接组合焊接（以下简称对接焊缝），以及部分焊透的对接焊缝和T 形对接与角接组合焊缝。由于部分焊透的对接焊缝的受力与角焊缝相似，将在下节中介绍。1、对接焊缝的构造对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊6mm，埋弧焊 10mm）时，可用直边缝。对于一般厚度的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或 V形焊缝。斜坡
19、口和根部间隙c 共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；钝边p 有托住熔化金属的作用。对于较厚的焊件（t20mm），则采用 U形、K形和 X形坡口（图 3.10）。对于V 形缝和 U 形缝需对焊缝根部进行补焊。对接焊缝坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准手工电弧焊焊接接头的基本名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 46 页 -形式与尺寸和埋弧焊焊接接头的基本型式与尺寸的要求进行。(a)直边缝；(b)单边 V形坡口；(c)V形坡口；(d)U形坡口；(e)K形坡口；(f)X形坡口图 3.10 对接焊缝的坡口形式在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚
20、度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5 的斜角（图 3.11），以使截面过渡和缓，减小应力集中。在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时一般应设置引弧板和引出板（图3.12），焊后将它割除。对受静力荷载的结构设置引弧（出）板有困难时，允许不设置引弧（出）板，此时，可令焊缝计算长度等于实际长度减2t（此处 t 为较薄焊件厚度）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 46 页 -（a）改变宽度；（b）改变厚度图 3.12 用引弧和引出板焊接图 3.11 钢板拼接六、对接焊缝的计算基础对接焊缝的强度
21、与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。如果焊缝中不存在任何缺陷，焊缝金属的强度是高于母材的。全由于焊接技术问题，焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。实验证明，焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。当缺陷面积与焊件截面积之比超过5%时，对接焊缝的抗拉强度将明显下降。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。由于对接焊缝是焊件截面的组成部分，焊缝中的应力分布情况基本上与焊件原来的情况相同，故计算方法与构件的强度计算
22、一样。1、轴心受力的对接焊缝在对接接头和 T 形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力N的对接焊缝（图 3.13），其强度应按下式计算：wtwNfl t或wcf（3.1）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 46 页 -式中wl焊缝计算长度；t连接件的较小厚度，对T 形接头为腹板厚度；wtf、wcf对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。图 3.13 直对接焊缝按施工及验收规范的规定，对接焊缝施焊时均应加引弧板，以避免焊缝两端的起落弧缺陷，这样，焊缝计算长度应取为实际长度。但在某些特殊情况下，如T形接头，当加引弧板较为困难而未加时，则计算每条焊缝长度应减去2t。因此，在一般加引弧板
23、施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算，只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。图3.14 所示的轴心受拉斜焊缝，可按下列公式计算：sinwvwNfl t(3.2)式中wl焊缝的计算长度；加引弧板时，/sinwlb；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 46 页 -不加引弧板时，/sin2wlbt；wvf对接焊缝抗剪强度设计值。图 3.14 斜对接焊缝当斜焊缝倾角 56.3，即 tg 1.5 时，可认为与母材等强，不用计算。斜对接焊缝在 20 世纪 50 年代用得较多，由于消耗材料较
24、多，施工也不方便，已逐渐摒弃不用，而代之以直对接焊缝。直缝一般加引弧板施焊，若抗拉强度不满足要求，可采用二级检验标准，或将接头位置挪至内力较小处。例 3.1试验算图 3.15 所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm,t=22mm，轴心力的设计值为N=2500kN。钢材为 Q235-B，手工焊，焊条为 E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 46 页 -图 3.15 例题 3-1 图 解 直缝连接其计算长度wl=54cm。焊缝正应力为：2500000210.454022wtwNMPafl t不满 足 要 求，改 用 斜
25、对 接 焊 缝，取 截 割 斜 度 为 15：1，即=56o，焊 缝 长 度sinalw。故 此 时 焊 缝 的正 应 力 为：2500000sin 56174.454022owtMPaf剪应力也满足要求，这就说明当tan 1.5 时，焊缝强度能够保证，可不必验算。2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝图 3.16（a）所示对接接头受弯矩和剪力的联合作用，由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 46 页 -max26wtwwMMfWlt(3.3)max32wwvwwVSVfI t
26、l t(3.4)式中，wW焊缝截面模量；wS焊缝截面面积矩；wI焊缝截面惯性矩。图 3.16（b）所示是工字形截面梁的接头，采用对接焊缝，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处，例如腹板与翼缘的交接点处，还应按下式验算折算应力：221131.1wtf（3.5）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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 46 页 -图 3.16 对接焊缝受弯矩和剪力联合作用3、承受轴心力，弯矩和剪力联合作用的对接焊缝当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力
27、和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力仍按式（3.4）验算，折算应力仍按式（3.5）验算。除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。七、角焊缝构造要求1、角焊缝的形式和强度角焊缝是最常用的焊缝。角焊缝按其与作用力的关系可分为：焊缝长度方向与作用力垂直的正面角焊缝；焊缝长度方向与作用力平行的侧面角焊缝以及斜焊缝。按其截面形式可分为直角角焊缝（图3.17）和斜角角焊缝（图3.18）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 46 页 -图 3.17 直角角焊缝截面图 3.18 斜角角焊缝截面直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直
28、角三角形截面（图 3.17a）。在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面常采用图3.17（b）所示的坦式，侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图3.17c）。图中的 hf 为焊角尺寸。两焊脚边的夹角 90或90的焊缝称为斜角角焊缝（图3.18）。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角135或60的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。大量试验结果表明，侧面角焊缝（图3.19a）主要承受剪应力。塑性较好，弹性模量低（4E=710N/mm 2），强度也较低。传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。焊缝越长，应力分布越不均匀，但在进入塑性工作
29、阶段时产生应力重分布，可使应力分布的不均匀现象渐趋缓和。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 46 页 -图 3.19 角焊缝的应力状态正面角焊缝（图 3.19b）受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是两焊件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面角焊缝的静力强度高于侧面角焊缝。国内外试验结果表明，相当于Q235钢和 E43型焊条焊成的正面角焊缝的平均破坏强度比侧面角焊缝要高出35%以上（图 3.20）。低合金钢的试验结果也有类似情况。由图3.20 看出，斜焊缝的受力性能和强度介于正面角焊
30、缝和侧面角焊缝之间。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 46 页 -图 3.20 角焊缝荷载与变形关系2、角焊缝的构造要求（1)最大焊脚尺寸为了避免烧穿较薄的焊件，减少焊接应力和焊接变形，角焊缝的焊脚尺寸不宜太大。规范规定：除了直接焊接钢管结构的焊脚尺寸fh不宜大于支管壁厚的2 倍之外，fh不宜大于较薄焊件厚度的1.2 倍。在板件边缘的角焊缝，当板件厚度t 6mm 时，fht；当 t 6mm 时，fht-（1-2）mm；。圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。（2)最小焊脚尺寸名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 4
31、6 页 -焊脚尺寸不宜太小，以保证焊缝的最小承载能力，并防止焊缝因冷却过快而产生裂纹。规范规定：角焊缝的焊脚尺寸fh不得小于1.5t，t 为较厚焊件厚度（单位：mm）；自动焊熔深大，最小焊脚尺寸可减少1mm，对 T 形连接的单面角焊缝，应增加1mm，当焊件厚度等于或小于4mm 时，则最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。（3)侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝的计算长度不宜大于60fh，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。这是因为侧焊缝应力沿长度分布不均匀，两端较中间大，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。若内力沿测面角焊缝
32、全长分布时，比如焊接梁翼缘板与腹板的连接焊缝，计算长度可不受上述限制。（4)角焊缝的最小计算长度角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，以及焊缝中可能产生的其他缺陷，使焊缝不够可靠。对搭接连接的侧面角焊缝而言，如果焊缝长度过小，由于力线弯折大，也会造成严重应力集中。因此，为了使焊缝能够有一定的承载能力，根据使用经验，侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度均不得小于8fh和 40mm，也就是说，其实际焊接长度应较前述数值还要大2fh（单位：mm）。（5)搭接连接的构造要求当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时（图3.21），试验结果表明，连接的承载力与wlb/有
33、关。b 为两侧焊缝的距离，wl为侧焊缝长度。当wlb/1 时，连接的承载力随着wlb/比值的增大而明显下降。这主要是因应力传递的过分弯折使构件中应力分布不均匀造成的。为使连接强度不致过分降低，应使每条侧焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离，即wlb/1。两侧面角焊缝之间的距名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 46 页 -离 b 也不宜大于 16t(t 12mm)或 200mm（t 12mm）,t 为较薄焊件的厚度，以免因焊缝横向收缩，引起板件发生较大拱曲。在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时（图3.22），其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5 倍，也不得小于25mm
34、，以免焊缝受偏心弯矩影响太大而破坏。图 3.21 焊缝长度及两侧焊缝间距图 3.22 搭接连接杆件端部搭接采用三面围焊时，在转角处截面突变，会产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2fh的绕角焊（图 3.21）。杆件与节点板的连接焊缝宜采用两面侧焊，也可用三面围焊，对角钢杆件可采用L 形围焊（图 3.23），所有围焊的转角处也必须连续施焊。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 46 页 -(a)两面侧焊（b）三面围焊（c）L 形围焊图
35、 3.23 杆件与节点板的焊缝连接八、焊接残余应力和变形1、焊接残余应力的成因焊接残余应力简称焊接应力，有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。（1）纵向焊接应力焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600以上，而邻近区域温度则急剧下降（图3.24）。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材
36、的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力（图3.24c）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 25 页，共 46 页 -（a）、（b）施焊时焊缝及附近的温度场；（c）钢板上的纵向焊接应力图 3.24 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力（2）横向焊接应力横向焊接应力产生的原因有二：一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力（图3.25b）。二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其
37、发生横向塑性压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力（图3.25c）。焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果（图 3.25d）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 26 页，共 46 页 -(a)(b)施焊时焊缝及附近的温度场；(c)钢板上的纵向焊接应力图 3.25 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力（3）厚度方向的焊接应力在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接应力x、y 外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力z（图 3.26）。在最后冷却的焊缝中部，
38、这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。图 3.26 厚板中的焊接残余应力名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 27 页，共 46 页 -2、焊接残余变形的成因在焊接过程中，由于不均匀的加热，在焊接区局部产生了热塑性压缩变形，当冷却时焊接区要在纵向和横向收缩，势必导致构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等。焊接残余变形包括纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等（图3.27），且通常是几种变形的组合。任一焊接变形超过验收规范的规定时，必须进行校正，以免影响构件在正常使用条件下的承载能力。(a）、(b）纵横向收缩；(c)面内弯曲变形；(d)角变形；(e)变曲变形；(f)扭
39、曲变形；(g)薄板失稳翘曲变形图 3.27 焊接残余变形类别示意图九、焊接应力和变形对结构的影响与防止1、焊接应力的影响（1）对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。设轴心受拉构件在受荷前（N=0）截名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 28 页，共 46 页 -面上就存在纵向焊接应力，并假设其分布如图3.28（a）所示。在轴心力 N作用下，截面 bt 部分的焊接拉应力已达屈服点fy，应力不再增加，如果钢材具有一定的塑性，拉力N就仅由受压的弹性区承担。两侧受压区应力由原来受压逐渐变为受拉，最后应力也达到屈服点 fy，这时
40、全截面应力都达到fy（图 3.28b）。图 3.28 具有焊接残余应力的轴心受拉杆受荷过程由于焊接应力自相平衡，帮受拉区应力面积tA（实际为总残余拉力）必然和受压区应力面积cA（总残余压力）相等，即tcyAAbtf。则构件全截面达到屈服点yf时所承受的外力()ycyyNABb tfBtf。而yBtf即是无焊接应力且无应力集中现象的轴心受拉构件，当全截面上的应力达到yf时所承受的外力。由此可知，有焊接应力构件的承载能力和无焊接应力者完全相同，即焊接应力不影响结构的强度。（2）对结构刚度的影响构件上的焊接应力会降低结构的刚度。仍以图 3.28 为例，由于截面的bt部分的拉应力已达yf，这部分的刚度
41、为零，则具有图 3.28名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 29 页，共 46 页 -（a）所示残余应力的拉杆的抗拉刚度为（B-b）tE，而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为BtE，显然 Bte(B-b)tE，即焊接残余应力的杆件的抗拉刚度降低了，在外力作用下其变形将会较无残余应力的大，对结构工作不利。残余应力的存在将较大的影响压杆的稳定性，有关内容将在稍后介绍。（3）对低温冷脆的影响焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的，必须引起足够的重视。在厚板和具有严重缺陷的焊缝中，以及在交叉焊缝（图3.29）的情况下，产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。图 3.
42、29 三向交叉焊缝的残余应力（4）对疲劳强度的影响在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。2、焊接变形的影响名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 30 页，共 46 页 -焊接变形是焊接结构中经常出现的问题。焊接构件出现了变形，就需要花许多工时去矫正。比较复杂的变形，矫正的工作量可能比焊接的工作量还要大。有时变形太大，甚至无法矫正，变成废品。焊接变形不但影响结构的尺寸和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，引起事故。可通过合理的焊缝设计和焊接工艺措施来控制焊接结构焊接应力和
43、变形。（1）合理的焊缝设计合理的选择焊缝的尺寸和形式，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸。因为焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊缝的焊接变形和焊接应力也大。尽可能能减少不必要的焊缝。在设计焊接结构时，常常采用加劲肋来提高板结构的稳定性和刚度。但是为了减轻自重采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，反而不经济。因为这样做不但增加了装配和焊接的工作量，而且易引起较大的焊接变形，增加校正工时。合理地安排焊缝的位置。安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴（图3.30a、c），这对减少梁、柱等构件的焊接变形有良好的效果。而图3.30 中的（b）和（d）是不正确的。尽量
44、避免焊缝的过分集中和交叉。如几块钢板交汇一处进行连接时，应采用图3.30（e）的方式，避免采用图3.30(f)的方式，以免热量集中，引起过大的焊接变形和应力，恶化母材的组织构造。又如图3.30（g）中，为了让腹板与翼缘的纵向连接焊缝连续通过，加劲肋进行切角，其与翼缘和腹板的连接焊缝均在切角处中断，避免了三条焊缝的交叉。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 31 页，共 46 页 -图 3.30 焊缝布置举例尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。如图3.30（i）的构造措施是正确的，而图3.30（j）的构造常引起厚板的层状撕裂（由约束收缩焊接应力引起的）。（2）合理的工艺措施采用合理的焊
45、接顺序和方向。尽量使焊缝能自由收缩，先焊工作时受力较大的焊缝或收缩量较大的焊缝。如图3.31 示在工地焊接工字梁的接头时，应留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝1，再焊腹板对接缝2。又如图 3.32 所示的拼接板的施焊顺序：先焊短焊缝1、2，最后焊长焊缝3，可使各长条板自由收缩后再连成整体。上述措施均可有效地降低焊接应力。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 32 页，共 46 页 -1、2-对接焊缝 3-角焊缝图 3.31 按受力大小确定焊接顺序图 3.32 按焊缝布置确定焊接次序采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。事先估计好结构变形的大小和方向。然后在装配时给
46、予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后的构件保持设计的要求，例如图3.33 所示为焊前反变形的设置。图 3.33 焊接前反应形图 3.34 降低局部刚度减小的内应力在焊接封闭焊缝或其他刚性较大，自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝的自由度，减小焊接应力，如图 3.34 所示。锤击或辗压焊缝，使焊缝得到延伸，从而降低焊接应力。锤击或辗压焊缝均应在刚焊完时进行。锤击应保持均匀、适度，避免名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 33 页，共 46 页 -锤击过分产生裂纹。对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。也可采用
47、刚性固定法将构件加以固定来限制焊接变形，但却增加了焊接残余应力。综合任务二螺栓连接构造螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。一、普通螺栓连接构造1、关于螺栓的基本知识螺栓有不同的性能等级，如“4.6 级”、“8.8 级”、“10.9 级”等，是由螺栓材料而区分的。小数点前的数字表示螺栓材料的最低抗拉强度 fu,4 即为 400N/mm2；小数点及后面的数字（0.6、0.8 等）则表示材料的屈强比，普通螺栓用 Q235A F 钢制成，属于 4.6 级。A、B级螺栓配类孔适用于受剪连接；C级螺栓配类孔（冲孔或不用钻模钻孔）适用于受拉连接。螺栓的代号用字母M与公称直径的毫米数表示，如M16、M
48、18等，常用的螺栓是M16，M20和 M24。螺栓长度的选用，在考虑连接件叠合厚度的同时，还应考虑两头垫圈、螺母的厚度并外露23 扣丝扣。C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。由于螺栓表面粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成的孔（类孔）。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大1.5 3mm。对于采用 C级螺栓的连接，由于螺杆与栓孔之间有较大的间隙，受剪力作用时，将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。但安装方便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精制而成。表面光滑，尺寸准确，螺杆直径与螺栓孔
49、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。由于有较高的精度，因而受剪性能好。但制作和安装复杂，价格较高，已很名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 34 页，共 46 页 -少在钢结构中采用。2、普通螺栓连接普通螺栓连接的连接件包括螺栓杆、螺母和垫圈。普通螺栓用普通碳素结构钢或低合金结构钢制成；分粗制螺栓和精制螺栓两种。粗制螺栓由未经加工的圆杆制成，螺栓孔径比螺栓杆径大1.0 1.5 毫米，制作简单，安装方便，但受剪切时性能较差，只用于次要构件的连接或工地临时固定，或用在借螺栓传递拉力的连接上。精制螺栓由棒钢在车床上切削加工制成，杆径比孔径小0.3 0
50、.5 毫米，其受剪力的性能优于粗制螺栓，但由于制作和安装都比较复杂，很少应用。普通螺栓连接按受力情况可分为抗剪连接和抗拉连接，也有同时抗剪和抗拉的。抗剪连接又有单面受剪和双面受剪以及多面受剪等不同情况。在普通螺栓抗剪连接中，当拧紧螺母时,螺栓内产生的预拉力不大;连接受力时，被连接的板件之间的摩擦力克服后,产生滑移,栓杆与孔壁接触，此时主要靠螺栓杆剪切和栓杆与孔壁互相挤压传力(图 3.35a、b)。当螺栓杆直径相对较小时,螺栓沿受剪面剪断,称剪切破坏（图3.35c）。当板件相对较薄时，孔壁被挤压而破坏,或板件端部被螺栓冲开（图3.35d、e），称承压破坏。当被连接板件截面较小，也可能在有螺栓的截