钢结构的连接和节点构造.doc

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1、第7章 钢结构的连接和节点构造7.1钢结构对连接的要求及连接方法 钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成构件，各构件再通过一定的安装连接而形成整体结构。连接部位应有足够的强度、刚度及延性。接连接构件问应保持正确的相互位置，以满足传力和使用要求。连接的加工和安装比较复杂、费工，因此选定合适的连接方案和节点构造是钢结构设计中重要的环节。连接设计不合理会影响结构的造价、安全和寿命。 设计时应根据连接节点的位置及其所要求的强度和刚度，合理地确定连接方式及节点的细部构造和计算方法，并应注意以下几点； (1)连接的设计应与结构内力分析时的假定相一致；(2)结构的荷载，内力组合应能提供连接的最不利受力工况；

2、(3)连接的构造应传力直接，各零件受力明确，并尽可能避免严重的应力集中；(4)连接的计算模型应能考虑刚度不同的零件间的变形协调；（5）构件相互连接的节点应尽可能避免偏心，不能完全避免时应考虑偏心的影响；(6)避免在结构内产生过大的残余应力，尤其是约束造成的残余应力，避免焊缝过度密集；(7)厚钢板沿厚度方向受力容易出现层间撕裂，节点设计时应予以充分注意；(8)连接的构造应便于制作、安装，综合造价低。 钢结构的连接方法可分为焊接、铆接、普通螺栓连接和高强度螺栓连接(如图7-1)焊接连接是钢结构最主要的连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、连接的密封性好

3、、刚度大。缺点是焊接残余应力和残余变形对结构有不利影响，焊接结构的低温冷脆问题也比较突出。目前除少数直接承受动载结构的某些连接，如重级工作制吊车粱和柱及制动梁的相互连接、标架式桥梁的节点连接，从目前使用情况看不宜采用焊接外，焊接可广泛用于工业与民用建筑钢结构和桥梁钢结构。 铆钉连接的优点是塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，适用于直接承受动载结构的连接。缺点是构造复杂，用钢量多，日前已很少采用。 普通螺栓连接的优点是施工简单、拆装方便。缺点是用钢量多。适用于安装连接和需要经常拆装的结构。普通螺栓又分为C级螺栓和A级、B级螺栓。C级螺栓一般用Q235钢(用于螺栓时也称为4.6级)制成。 A、

4、B级螺栓一般用45号钢和35号钢(用于螺栓时也称88级)制成。A、B两级的区别只是尺寸不同，其中A级包括d24，且的螺栓，B级包括或的螺栓， d为螺杆直径，L为螺杆长度。C级螺栓加工租糙，尺寸不够准确，只要求II类孔，成本低，栓径和孔径之差，设计规范未作规定，通常多取mm。由于螺栓杆与螺孔之间存在着较大的间隙，传递剪力时，连接较早产生滑移(7-2)，但传递拉力的性能仍较好，所以C级螺栓广泛用于承受拉力的安装连接，不重要的连接或用作安装时的临时固定。A、B级螺校需要机械加工，尺寸准确，要求I类孔，栓径和孔径的公称尺寸相同，容许偏差为间隙。这种螺拴连接传递剪力的性能较好，变形很小，但制造和安装比较

5、复杂，价格昂贵，目前在钢结构中较少采用。 I类孔的精度要求为连接板组装时，孔口精确对准，孔壁平滑，孔轴线与板面垂直。质量达不到I类孔要求的都为II类孔。 高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别是：普通螺栓扭紧螺帽时螺栓产生的预拉力很小，由板面挤压力产生的摩擦力可以忽略不计。普通螺栓连接抗剪时是依靠孔壁承压和栓杆抗剪来传力。高强度螺栓除了其材料强度高之外，施工时还给螺栓杆施加很大的预拉力，使被连接构件的接触面之间产生挤压力，因此板面之间垂直于螺栓杆方向受剪时有很大的摩擦力。依靠接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移，以达到传递外力的目的，因而变形较小(图7-2中3)。高强度螺栓抗剪连接分为摩擦型连接和

6、承压型连接。前者以滑移作为承载能力的极限状态，后者的极限状态和普通螺栓连接相同。 高强度螺栓摩擦型连接只利用摩擦传力这一工作阶段，具有连接紧密、受力良好、耐疲劳、可拆换、安装简单以及动力荷载作用下不易松动等优点，目前在桥梁、工业与民用建筑结构中得到广泛应用。尤其在栓焊衍架桥、重级工作制厂房的吊车梁系统和重要建筑物的支撑连接中已被证明据有明显的优越性。高强度螺栓承压型连接，起初由摩擦传力，后期则依靠栓杆抗剪和承压传力，它的承载能力比摩擦型的高，可以节约钢材，也具有连接紧密，可拆换，安装简单等优点。但这种连接在摩擦力被克服后的剪切变形较大，规范规定高强度螺栓承压型连接不得用于直接承受动力荷载的结构

7、。7.2焊接连接的特性7.2.1 常用焊接方法 钢结构中一般采用的焊接方法有电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。 电弧焊的质量比较可靠，是钢结构最常用的焊接方法。电弧焊可分为手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊。手工电弧焊(7-3)是通电后在涂有焊药的焊条与焊件间产生电弧，由电弧提供热源，使焊条熔化，滴落在焊件上被电弧所收成的小凹槽熔池中，并与焊件熔化部分结成焊缝。由焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖熔池，防止空气中的氧、氮等有害气体与熔化的液体金属接触而形成脆性易裂的化合物。焊缝质量随焊工的技术水平而变化。手工电弧焊焊条应与焊件金属强度相适应，对Q235钢焊件用43系列型焊条，Q345钠焊件用E50系

8、列型焊条，Q390钢悍件用E55系列型焊条。对不同钢种的钢材连接时，宜用与低强度钢材相适应的焊条。自动或半自动埋孤焊是将光焊丝埋在焊剂层下，通电后，由电弧的作用使焊丝和焊剂熔化。熔化后的焊剂浮在熔化金属表面保护熔化金属，使之不与外界空气接触，有时焊剂还可供给焊缝必要的合金元素，以改善焊缝质量。自动焊的电流大、热量集中而熔深大，并且焊缝质量均匀，塑性好，冲击韧性高。半自动焊除由人上操作进行外，其余过程与自动焊相同，焊缝质量介于自动焊与手上焊之间。自动或半自动埋弧焊所采用的焊丝和焊剂要保证其熔敷金属的抗拉强度不低于相应手工焊焊条的数值，对Q235钢焊件，可采用H08、H08A等焊丝；对Q345钢焊

9、件可采用H08A、H08MnA和H10Mn2焊丝。对Q390钢焊件可采用H08MnA、H10Mn2和H08MnMoA焊丝。 电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻来熔化金属，焊丝作为电极伸人并穿过渣池，使渣他产生电阻热将焊件金属及焊丝熔化，沉积于熔池中，形成焊缝。电渣焊一般在立焊位置进行，目前多用熔嘴电渣焊，以管状焊条作为熔嘴，焊丝从管内递进。 气体保护焊是用焊枪中喷出的惰性气体代替焊剂，焊丝可自动送入，如CO2气体保护焊是以CO2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，熔化深度大，焊接连度快,焊缝强度高，塑性好。气体保护焊既可用手工操作，也可进行自动焊接。气体保护焊在操作时应采

10、取避风措施，否则容易出现焊坑、气孔等缺陷。电阻焊(图7-5)是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。在一般钢结构中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不超过35mm的构件，如将两个冷弯槽钢或C形钢组合为I形截面构件。722 焊缝连接的优缺点焊缝连接与螺栓连接、铆钉连接比较有下列优点：(1)不需要在钢材上打孔钻眼，既省工，又不减损钢材截面，使材料可以充分利用；（2）任何形状的构件都可以直接相连，不需要辅助零件，构造简单； (3) 焊缝连接的密封性好，结构刚度大。 但是焊缝连接也存在下列问题： (1)由于施焊时的

11、高温作用，形成焊缝附近的热影响区，使钢材的金属组织和机械性能发生变化，材质变脆； (2)焊接的残余应力使焊接结构发生脆性破坏的可能性增大，残余变形使其尺寸和形状发生变化，矫正费工； (3)焊接结构对整体性不利的一面是，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。焊接结构低温冷脆问题比较突出 723 悍缝缺陷 焊缝中可能存在裂纹、气孔、烧穿和未焊透等缺陷。 裂纹(图7-6中a、b)是焊缝连接中最危险的缺陷。按产生的时间不同可分为热裂纹和冷裂纹，前者是在焊接时产生的后考是在焊缝冷却过程中产生的。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当，未采用合适的电流、弧长、施焊速度、焊条和施焊次序等。如果采用合理的施焊次

12、序，可以减少焊接应力，避免出现裂纹；进行预热，缓慢冷却或焊后热处理，可以减少裂纹形成。 气孔(图7-6c)是由空气侵入或受潮的药皮熔化时产生气体而形成的，也可能是焊件金属上的油、锈、垢物等引起的。气孔在焊缝内或均匀分布，或存在于焊缝某一部位，如焊趾或焊跟处。 焊缝的其他缺陷有烧穿(图7-6d)，夹渣(图7-6e)，未焊透(图7-6f、g、h)，咬边(图7-6i)，焊瘤(图7-6j)等。焊缝的缺陷将削弱焊缝的受力面积，而且在缺陷处形成应力集中，裂缝往住无从那里开始，并扩展开裂，成为连接破坏的根源，对结构很为不利。因此，焊缝质量检查极为重要；钢结构工程施工质量验收规范规定，焊缝质量检查标准分为三级

13、，其中第三级只要求通过外观检查，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。对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝，必须进行一级或二级质量检验，即在外观检查的基础上再做无损检验。 焊缝质量与施焊条件有关，对于施焊条件较差的高空安装焊缝应乘以折减系数0.9。724 焊缝连接型式及焊缝型式 连接型式：焊缝连接型式按被连接构件间的相对位置分为平接、搭接、T形连接和角接四种。这些连接所采用的焊缝型式主要有对接焊缝和角捍缝。 图7-7(a)所示为用对接焊缝的平接连接，它的特点是用料经济，传力均匀平缓，没有明显的应力集中，承受动力荷载的性能较好。但是焊件边缘需要加工

14、，对接连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。 图7-7(b)所示为用拼接板和角焊缝的平接连接，这种连接传力不均匀、费料，但施工简便，所接两板的间隙大小无需严格控制。 图7-7(c)所示为用顶板和角焊缝的平接连接，施工简便，用于受压构件较好。受拉构件为了避免层间撕裂，不宣采用。 图7-7(d)所示为用角焊缝的搭接连接，这种连接传力不均匀，材料较费、但构造简单，施工方便，目前还广泛应用。 图7-7(e)所示为用角焊缝的T形连接，构造简单，受力性能较差，应用也颇广泛。 图7-7(f)所示为焊透的T形连接，其性能与对接焊缝相同。在重要的结构中用它代替图7-7(e)的连接。长期实践证明：这种要求焊透的T

15、形连接焊缝即使有未焊透现象，但因腹板边缘经过加工、焊缝收缩后使翼缘和腹板顶得十分紧密，焊缝受力情况大为改善，一般能保证使用要求。 图7-7(g)、(h)所示为用角焊缝和对接焊缝的角接连接。焊缝型式： 对接焊缝按所受力的方向可分为对接正焊缝和对接斜焊缝(图7-8a、b)。角焊缝长度方向垂直于力作用方向的称为正面角焊缝，平行于力作用方向的称为侧面角焊缝，如图7-8(c)所示。焊缝按沿长度方向的分布情况来分，有连缝角焊缝和断缝角焊缝两种型式(图7-9)。连缝角焊缝受力性能较好，为主要的角焊缝形式。断缝角焊缝容易引起应力集中，重要结构中应避免采用，它只用于一些次要构件的连接或次要焊缝中，断缝焊缝的间断

16、距离L不宜太长，以免因距离过大使连接不易紧密，潮气易侵入而引起锈蚀。间断距离L一般在受压构件中不应大于15t，在受拉构件中不应大于30t，t为较薄构件的厚度。 焊缝按施焊位置分，有俯焊(平焊)、立焊、横焊、仰焊几种(图7-10)。俯焊的施焊工作方便质量最易保证。立焊、横焊的质量及生产效率比俯焊的差一些。仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此府尽量避免采用仰焊焊缝725 焊 缝 代 号 在钢结构施工图上要用焊缝代号标明焊缝型式、尺寸和辅助要求。焊缝符号表示方法GB32488规定：焊缝符导由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成，必要时可加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。 指引线一般由箭头

17、线和基准线(一条为实线，另一条为虚线)所组成。基准线一般应与图纸的底边相平行，特殊情况也可与底边相垂直，当引出线的箭头指向焊缝所在的一面时，应将焊缝符号标注在基准线的实线上：当箭头指向对应焊缝所在的另一面时，应将焊缝符号标注在基准线的虚线上，见图7-11。基本符号用以表示焊缝截面形状，符号的线条宜粗于指引线，常用的某些基本符号如表7-1所示。辅助符号用以表示焊缝表面形状特征，如对接焊缝表面余高部分需加工使之与焊件表面齐平，则需在基本符号上加一短划，此短划即为辅助符号，见表7-2。73 对接焊缝的构造和计算 731 对接焊缝的构造要求 对接焊缝按坡口形式分为I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝，带钝

18、边V形缝(也叫Y形缝)、带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等，后二者过去分别称为K形缝和X形缝(图7-13)。当焊件厚度t很小(t不大于10mm)，可采用不切坡口的I形缝。对于一板厚度(t1020mm)的焊件，可采用有斜坡口的带钝边单边V形缝或Y形缝。以便斜坡口和焊缝跟部共同形成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透。对于较厚的焊件(t20mm)，应采用带钝边U形缝或带钝边双单边V形缝或双Y形缝。关于坡口的形式与尺寸可参看行业标准建筑钢结构焊接技术规程。 在钢板宽度或厚度有变化的连接中，为了减少应力集中，应从板的一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5的斜坡(图7-14)，形成平缓过渡。

19、如板厚相差不大于4mm时，可不做斜坡图7-14d。焊缝的计算厚度取较薄板的厚度。 对接焊缝的起弧和落弧点，常因不能熔透而出现焊口，形成类裂纹和应力集中。为消除焊口影响。焊接时可将焊缝的起点和终点延伸至引弧板(图7-15)上，焊后将引弧板切除，并用砂轮将表面磨平。对于焊透的T形连接焊缝，其构造要求如图7-16所示。 钢板的拼接采用对接焊缝时，纵横两方向的对接焊缝，可采用十字形交叉或T形交叉。当为T形交叉时，交叉点间的距离不得小于20mm，且拼接料的长度和宽度均不得小于300mm(图7-17)。 在直接承受动载的结构中，为提高疲劳强度，应将对接焊缝的表面磨平，打磨方向应与应力方向平行。垂直于受力方

20、向的焊缝应采用焊透的对接焊缝，不宜采用部分焊透的对接焊缝。732 对接焊缝的计算 对接焊缝的应力分布情况，基本上与焊件原来的情况相同，可用计算焊件的力法进行计算。对于重要的构件，按一、二级标准检验焊缝质量，焊缝和构件等强，不必另行计算。 (1)轴心受力的对接焊缝(图7-18)应按(7-1)式计算 733 部分焊透的对接焊缝 在钢结构设计中，有时遇到板件较厚，而板件间连接受力较小时，可以采用部分焊透的对接焊缝(图7-21)，例如当用四块较厚的钢板焊成的箱形截面轴心受压柱时，由于焊缝主要起联系作用，就可以用部分焊透的坡口焊缝(图7-21f)。 当垂直于焊缝长度方向受力时，因部分焊透处的应力集中带来

21、不利的影响，对于直接承受动力荷裁的连接不宜采用；但当平行于焊缝长度方向受力时，其影响较小可以采用。 其中，：s为坡口根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离，a为V形坡口的夹角。当熔合线处截面边长等于或接近于最短距离s时(图7-2l中b、e)，其抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9采用。74 角焊缝的构造和计算侧面角焊缝主要承受剪力作用。在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大而中间小(图7-24a)。图7-24(b)表示焊缝越长剪应力分布越不均匀。但由于侧面角焊缝的塑性较好，两端出现塑性变形，产生应力重分布，在规范规定长度范围内，应力分布可趋于均匀。不难理解，在图7-24(a

22、)所示连接范围内，板的应力分布也是不均匀的。正面角焊缝的应力状态比侧面角焊缝复杂，其破坏强度比侧面角焊缝的要高，但塑性变形要差一些(图7-25)。在外力作用下，由于力线弯折，产生较大的应力集中，焊缝跟部应力集中最为严重(图7-26b)，故破坏总是首先在跟部出现裂缝，然后扩展至整个截面。正面角焊缝焊脚截面AB和BC上都有正应力和剪应力(图7-26b)，且分布不均匀，但沿焊缝长度的应力分布则比较均匀、两端的应力略比中间的为低(图7-26a)。 等边角焊缝的最小截面和两边焊脚成角(直角角焊缝为450)称为有效截面(图7-31中BDEF)或计算截面，不计入余高和熔深。实验证明，多数角焊缝破坏都发生在这

23、一截面。计算时假定有效截面上应力均匀分布，并且不分抗拉、抗压或抗剪都采用同一强度设计值。 2角焊缝的尺寸限制 在直接承受动力荷载的结构中，为了减缓应力集中，角焊缝表面应做成直线形或凹形(图7-23d，c)。焊缝直角边的比例：对正面角焊缝宜为1：15，见图7-23（b）(长边顺内力方向)，侧面角焊缝可为1：1(图7-23a)。角焊缝的焊脚尺寸hf不应过小(图7-27)，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。焊缝缝的冷却速度和好件的厚度有关，焊件越厚则焊缝冷却越快，在焊件刚度较大的情况下，焊缝也容易产生裂纹。因此，规范规定：角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于，t为较厚焊件厚度(单位取

24、mm)；对自动焊，最小焊脚尺寸可减小1mm；对T形连接的单面角焊缝，应增加1mm；当焊件厚度小于4mm时，则取与焊件厚度相同。 角焊缝的焊脚尺寸hf如果太大，则焊缝收缩时将产生较大的焊接变形，且热影响区扩大，容易产生脆裂，较薄焊件容易烧穿。因此，规范规定；角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的12倍(图7-28a)(钢管结构除外)。但板件(厚度为t)的边缘焊缝最大hf,尚应符合下列要求：(a) 当时， (图7-28c)；(b)当t6mm时，hft- (12)mm(图7-28b)。当两焊件厚度相差悬殊,用等焊脚尺寸无法满足最大、最小焊缝厚度要求时，可用不等焊脚尺寸按满足图7-27(b)所示要求采

25、用。角焊缝长度lw也有最大和最小的限制：焊缝的厚度大而长度过小时，会使焊件局部加热严重，且起落弧坑相距太近，加上一些可能产生的缺陷，使焊缝不够可靠。因此，侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。另外，已如图7-24所示：侧面角焊缝的应力沿其长度分布并不均匀,两端大,中间小；它的长度与厚度之比越大，其差别也就越大；当此比值过大时，焊缝端部应力就会达到极值而破坏，而中部焊缝还未充分发挥其承载能力。这种现象对承受动力荷载的构件尤为不利。因此，侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf。但内力若沿侧面角焊缝全长分布，其计算长度不受此限。 3角焊缝的其他构造要求 杆件与节点板的连接焊缝(图7

26、-29)，一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，对角钢杆件也可用L形围焊(图7-35c)，所有围焊的转角处必须连续施焊。当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2 hf的绕角焊(图7-29c)，以免起落弧缺陷发生在应力集中较大的转角处，从而改善连接的工作。 当板件仅用两条侧焊缝连接时，为了避免应力传递的过分弯折而使板什应力过分不均，宜使 (图7-29a)，同时为了避免因焊缝横向收缩时引起板件拱曲太大(图7-29a)，宜使 (t12mm时)或200mm(时)，t为较簿焊件厚度。当b不满足此规定时，应加正面角焊缝，或加槽焊(图7-29b)或塞焊(图7-29c)。 搭接连接不能只用一条正面角悍缝

27、传力(图7-30a)，并且搭接长度不得小于焊件较小厚度的五倍，同时不得小于25mm。742 角焊缝计算的基本公式 743 常用连接方式的角焊缝计算 1受轴心力焊件的拼接板连接 当焊件受轴心力，且轴力通过连接焊缝群形心时，焊缝有效截面上的应力可认为是均匀分布的。用拼接板将两焊件连成整体，需要计算拼接板和连接一侧(左侧或右侧)角焊缝的强度。 图7-34(a)所示为矩形拼接板，侧面角焊缝连接。此时，外力与焊缝长度方向平行，可按(7-7)式计算2受轴心力角钢的连接 当用侧面角焊缝连接角钢时，虽然轴心力通过角钢截面形心，但肢背焊缝和肢尖焊缝到形心的距离不相等(图7-35a)，受力大小不等。设肢背焊缝受力

28、为N1，肢尖焊缝受力为N2，由平衡条件得： 3弯矩作用下角焊缝计算 当力矩作用平面与焊缝群所在乎面垂直时，焊缝受弯(图7-36)。弯矩在焊缝有效截面上产生和焊缝长度方向垂直的应力f，此弯曲应力呈三角形分布，边缘应力最大，图7-36(b)给出焊缝有效截面，计算公式为4扭矩作用下角焊缝计算焊缝群受扭 当力矩作用平面与焊缝群所在平面平行时，焊缝受扭(图7-37)。计算时采取下述假定：被连接件在扭矩作用下绕焊缝有效截面的形心O旋转，焊缝有效截面上任一点的应力方向垂直于该点与形心O的连线，应力大小与其到形心距离r成正比。按上述假定，焊缝有效截面上距形心最远点应力最大，为5弯矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝

29、计算将连接(图7-39)所受水平力N，垂直力V平移到焊缝群形心，得到一弯矩M=Ve，剪力V和轴力N。弯矩作用下，焊缝有效截面上的应力为三角形分布，方向与焊缝长度方向垂直。剪力V在焊缝有效截面上产生沿焊缝长度方向均匀分布的应力。N力产生垂直于焊缝长度方向，均匀分布的应力。三种应力状态叠加后，危险点A的受力状态如图7-39所示。744 喇叭形焊缝的计算 喇叭形焊缝可分为单边喇叭形焊缝(图7-49)和喇叭形焊缝(图7-50)。单边喇叭形焊缝的焊脚尺寸hf不得小于被连接扳件的厚度。745 电阻点焊 电阻点焊可用于冷弯薄壁型钢构件的缀合或组合连接，每个焊点的抗剪承载力设计值按表7-4采用。7. 5 焊接

30、残余应力和焊接残余变形7.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因 (1)纵向焊接残余应力：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，焊缝及附近温度最高，达16000C以上，其邻近区域则温度急剧下降(图7-51)。不均匀的温度场要求产生不均匀的膨胀。高温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低，膨胀较小的钢材的限制，产生了热状态塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩得比原始长度稍短，这种缩短变形受到两侧钢材的限制，使焊缝区产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接残余应力是一种没有荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平

31、衡。这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力(图7-51c)。用三块板焊成的工字形截面，焊接残余应力如图7-51(d)所示。(2) 横向残余应力：横向残余应力产生的原因有二，一是由于焊缝纵向收缩，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，于是在焊缝中部产生横向拉应力，而在两端产生横向压应力(图7-52中a、b)。二是焊缝在施焊过程中，先后冷却的时间不同，先焊的焊缝已经凝固，且具有一定的强度，会因止后焊焊缝在横向的自由膨胀，使其发生横向的塑性压缩变形。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，同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力。横向收缩引

32、起的横向应力与施焊方向和顺序有关（图7-52中c、d、e）。焊缝的横向残余应力是上述两种原因产生的应力合成的结果，如图7-52(f)就是图7-52(b)和图7-52(c)应力合成的结果。(3) 沿焊缝厚度方向的残余应力：在厚钢板的连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接残余应力x、y外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接残余应力z (图7-53)。这三种应力形成比较严重的同号三轴应力，大大降低结构连接的塑性。 (4) 约束状态下产生的焊接应力：实际焊接接头中，有的焊件并不能自由伸缩，如图7-54(a)所示焊接，在施焊时，焊缝及其附近高温钢板的横向膨胀受到阻碍而产生横向塑性压缩。焊缝冷却后，

33、由于收缩受到约束，便产生了约束应力，图7-54(b)、(c)表示这种接头中残余应力分布特点：ef截面上有约束，截面全部是受拉的，如果沿此截面切开，大部分应力得到释放，才呈自相平衡的残余应力分布。当钢板两边的嵌固程度越大，两边约束点间的距离越短时，产生的约束应力也就越大。因此，设计接头及考虑焊缝的施焊次序时，要尽可能使焊件能够自由伸缩，以便减少约束应力。752 焊接残余应力的影响 (1)对结构静力强度的影响：对于具有一定塑性的材料，在静力荷载作用下，焊接残余应力是不会影响结构强度的。例如图7-55(a)给出了外荷载N=0时纵向残余应力r的分布情况。当施加轴心拉力时，板中残余应力已达屈服强度fy的

34、塑性区域内的应力不再增大，力N就仅由弹性区域承担，焊缝两侧受压区的应力由原来的受压逐渐变为受拉，最后应力也达到fy。如图7-55(b)所示。所以有残余应力焊件的承载能力和没有残余应力者完全相同，可见残余应力不影响结构的静力强度。(2)对结构刚度的影响：焊接残余应力会降低结构的刚度。如图7-56所示。(3)对压杆稳定的影响：焊接残余应力使压杆的挠曲刚度减小，从而必定降低其稳定承载能力。详细分析见第四章。 (4)对低温冷脆的影响：在厚板和有三向交叉焊缝(图7-57)的情况下，将产生三向焊接残余应力，阻碍塑性变形，在低温下使裂纹容易发生和发展，加速构件的脆性破坏。 (5)对疲劳强度的影响：焊接残余应

35、力对疲劳强度有不利的影响，原因就在丁焊缝及其近旁的高额残余拉应力。如果对悍缝及近旁金属的表面进行锤击，使之趋于横向扩张，但被下层材料阻止而产生残余压应力，那么疲劳强度会有所提高。753 烽接残余变形 在施焊时由于焊缝的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生一些残余变形，如纵向缩短，横向缩短，弯曲变形，角变形和扭曲变形等(图7-58)。这些变形如果超出验收规范的规定，必须加以矫正，使其不致影响构件的使用和承载能力。754 减少焊缝残余应力和焊接残余变形的方法1. 采用合理的施焊次序；例如钢板对按时采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，工字形截面按对角跳焊等(图7-59)。2施焊前给构件以一个和焊接变形

36、相反的预变形，使构件在焊接后产生的焊接变形与之正好抵消(图7-60a、b)。 3对于小尺寸焊件，在施焊前预热，或施焊后回火(加热至6000C左右，然后缓慢冷却)，可以消除焊接残余应力。也可用机械方法或氧乙炔局部加热反弯(图7-60c)以消除焊接变形。 755 合理的焊缝设计 为了减少焊接应力与焊接变形，设计时在构造上要采用一些措施。例如 (1)焊接的位置要合理，焊缝的布置应尽可能对称于构件重心，以减小焊接变形。 (2)焊缝尺寸要适当，在容许范围内，可以采用较小的焊脚尺寸，并加大焊缝长度，使需要的焊缝总面积不变，以免因焊脚尺寸过大而引起过大的焊接残余应力。焊缝过厚还可能引起施焊时烧穿、过热等现象

37、。(3) 焊缝不宜过分集中，图7-61(a)中a2比a1好。 (4)应尽量避免三向焊缝相交，为此可使次要焊缝中断，主要焊缝连续通过 (图7-61b)。(5)要考虑钢板的分层问题。本章第二节已经提到过垂直于板面传递拉力是不合理的，图7-61(c)中c2比c1好。 此外，为了保证焊接结构的质量、还应注意以下问题： 1要考虑施焊时，焊条是否易于到达。图7-61(d)中d1的右侧焊缝很难焊好，而d2则较易焊好。2焊缝连接构造要尽可能避免仰焊。7.6普通螺栓连接的构造和计算761 螺栓的排列和构造要求 螺栓在构件上的排列可以是并列或错列(图7-62、7-63、7-64)，排列时应考虑虑下列要求：(1)受

38、力要求：为避免钢板端部不被剪断(参看图7-66d)，螺栓的端距不应小于2d0，d0为螺栓孔径。 (2)构造要求：若栓距及线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而发生锈蚀。 (3)施工要求：要保证有一定的空间，便于转动螺栓搬手。根据以上要求，规范规定钢板上螺栓的最大和最小间距如图7-62及表7-5所示。在钢结构施工图上螺栓及栓孔的表示方法如表7-9所示。762 普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能 普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为抗剪螺栓和抗拉螺栓连接。图7-65中螺栓1为抗剪螺栓，依靠螺栓杆的承压和抗剪来传力。螺栓2在下面设有支托的情况为抗拉螺栓。如果不设支托，则螺栓2兼承拉力和剪力

39、。GB50017规范规定，C级螺栓只能在次要连接和临时性连接中用来抗剪。因此，即使有传力承托，在一般正规连接中螺栓l应该用焊缝或高强度螺栓代替。 1抗剪螺栓连接 抗剪螺栓连接在受力以后，首先由构件间的摩擦力抵抗外力。不过摩撩力很小，构件间不久就出现滑移，螺栓杆和螺栓孔壁发生接触，使螺拴杆受剪，同时螺栓杆和孔壁间互相接触挤压。图7-66表示螺栓连接有五种可能破坏情况。其中对螺栓杆被剪断、孔壁挤压以及板被拉断，要进行计算。 当连接处于弹性阶段时，螺栓群中各螺栓受力不相等，两瑞大而中间小(图7-67b)，超过弹性阶段出现塑性变形后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀(图7-67c)。但当构件的节点处或

40、拼接缝的一侧螺栓很多，且沿受力方向的连接长度l1过大时,端部的螺栓会因受力过大而首先破坏，随后依次向内发展逐个破坏(即所谓解纽扣现象)。 一个抗剪螺栓的设计承裁能力按下面两式计算： 2抗拉螺栓连接 在抗拉螺栓连接(图7-69)中，外力趋向于将被连接构件拉开，而使螺栓受拉，最后螺栓杆会被拉断。一个抗拉螺栓的承载力设计值按下式计算在采用螺栓的T形连接中，必须借助附件(角钢)才能实现(图7-69a)。通常角钢的刚度不大，受拉后，垂直于拉力作用方向的角钢肢会发生较大的变形，并起杠杆作用。规范规定的普通螺栓抗拉强度设计值是取同样钢号钢材抗拉强度设计值f的0.8倍(即)。如果在构造上采取一些措施加强角钢刚

41、度，可使其不致产生Q力，或产生Q力甚小，例如在角钢两肢间设置加劲肋(图7-69b)，就是增大刚度的一种有效办法。7.6.3 螺栓群的计算1螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算当外力通过螺栓群形心时，假定诸螺栓平均分担剪力，图7-70（a）中接头一边所需要的螺栓数目为2螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算承受扭矩的螺栓连接，一般都是先布置好螺栓，再计算受力最大螺栓所承受的剪力和一个抗剪螺栓的承载力设计值进行比较。图7-72所示连接，螺栓群承受扭矩T，而使每个螺栓受剪。设各螺栓至其形心的距离7.7高强度螺栓连接的性能和计算771 高强度螺栓连接的性能高强度螺栓的性能等级有109级(有20MnTiB钢和35VB钢

42、)和88级（有40B钢、45号钢和35号钢)。40B钢和45号钢已经使用多年，但二者的淬透性不够理想，只能用于直径不大于24mm的高强度螺栓。级别划分的小数点前数字是螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后数字是屈强比(屈服强度fy与抗拉强fu的比值)，如88级钢材的最低抗拉强度是800Nmm2，屈服强度是0.8 800=640N/mm2。高强度螺栓所用的螺帽和垫圈采用45号钢或35号钢制成。高强度螺栓孔应采用钻成孔，摩擦型的孔径比螺栓公称直径大1.52.0mm，承压型的孔径则大1.01.5mm。 高强度螺栓摩擦型连接单纯依靠被连接构件间的摩擦力传递剪力，以剪力等于摩擦力为承载能力的极限状态。高强

43、度螺栓承压型连接的传力特征是剪力超过摩擦力时，构件间发生相互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，开始受剪并和孔壁承压。但是，另一方面，摩擦力随外力继续增大而逐渐减弱，到连接接近破坏时，剪力全由杆身承担。高强度螺栓承压型连接以螺栓或钢板破坏为承载能力的极限状态，可能的破坏形式和普通螺栓相同。承受拉力的高强度螺栓连接，由于预拉力作用，构件间在承受荷载前已经有较大的挤压力，拉力作用首先要抵消这种挤压力。至构件完全被拉开后，高强度螺栓的受拉力情况就和普通螺栓受拉相同。不过这种连接的变形要小得多。当拉力小于挤压力时，构件未被拉开，可以减少锈蚀危害，改善连接的疲劳性能。高强度螺栓连接中板件间的挤压力和摩擦力对外力的

44、传递有很大影响。栓杆预拉力，连接表面的抗滑移系数和钢材种类都直接影响到高强度螺栓连接的承载力。 1高强度螺栓的预拉力 高强度螺栓的预拉力是通过扭紧螺帽实现的。一般采用扭矩法、转角法或扭掉螺栓梅花头来控制预拉力。 扭矩法：扭矩T用下式求得转角法：分初拧和终拧两步。初拧是先用普通扳手使被连接构件相互紧密贴合，终拧就是以初拧的贴紧位置为起点，根据按螺栓直径和板叠厚度所确定的终拧角度，用强有力的扳手旋转螺母，拧至预定角度值时，螺栓的拉力即达到了所需要的预拉力数值。扭剪法：扭剪型高强度螺栓的受力特征与一般高强度螺栓相同，只是施加预拉力的方法为用拧断螺栓梅花头切口处截面(图7-78do直径处)来控制预拉力

45、数值。这种螺栓施加顶拉力简单、准确。 高强度螺栓的设计预拉力值由材料强度和螺栓有效截面确定，并且考虑了(a)在扭紧螺栓时扭矩使螺栓产生的剪应力将降低螺栓的承拉能力，故对材料抗拉强度除以系数1.2；(b)施工时为补偿预拉力的松弛要对螺栓超张拉5%10%，故乘以系数0.9；(c)材料抗力的变异等影响，乘以系数0.9。由于以抗拉强度为准，再引进一个附加安全系数0.9。这样，预拉力设计值由下式计算。 2高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数 高强度螺栓摩擦型连接完全依靠被连接构件间的摩擦阻力传力，而摩擦阻力的大小除了螺栓的预拉力外，与被连构件材料及其接触面的表面处理所确定的摩擦面抗滑移系数有关。规范规定的摩

46、擦面抗滑移系数值如表7-11。承压型连接的扳件接触面只要求清除油污及浮锈。 3高强度螺栓的排列 高强度螺栓的排列和普通螺栓相同，应符合图7-62图7-63、表7-5表7-8的要求。它沿受力方向的连接长度l1，亦考虑l1 15d。时对设计承载力的不利影响。772 高强度螺栓的抗剪承载力设计值(1)高强度螺栓摩擦型连接：高强度螺栓摩擦型连接承受剪力时的设计准则是外力不得超过摩擦阻力。每个螺栓的摩擦阻力应该是nfP，但是考虑到整个连接中各个螺栓受力未必均匀，乘以系数R，故一个高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：(2)高强度螺栓承压型连接：高强度螺栓承压型连接受剪时，为了充分利用高强度螺栓的潜力，高强度螺栓承压型连接的极限承载力由杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动的作用。计算方法和普通螺栓相同。承载力设计值仍按(7-27)式和(7-28)式计算，只是、用承压型高强度螺栓的强度设计值。773 高强度螺栓群的抗剪计算1轴心力作用时 构件净截面强度验算：对承压型连接，构件净截面强度验算和普通螺接连接的相同。对摩