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1、第3.1节钢结构的连接方法1.概述2.焊缝连接3.螺栓连接4.铆钉连接了解钢结构的连接方法及特点本节目录基本要求第1页/共176页概述连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构件,或将若干构件组合成整体结构,以保证其共同工作。钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种。焊接连接螺栓连接铆钉连接图3.1.1第2页/共176页焊缝连接对接焊缝连接角焊缝连接焊缝连接优点：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，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。第3页/共176页缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形降低受压构
2、件承载力；对裂纹敏感，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。螺栓连接普通螺栓连接高强度螺栓连接螺栓连接粗制螺栓C级精制螺栓A、B级摩擦型高强度螺栓承压型高强度螺栓第4页/共176页铆钉连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合,常用加热铆合，也可在常温下铆合。铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受动力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受动力荷载的结构。但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很少采用。铆钉连接图3.1.2第5页/共176页图铆钉连接第6页/共176页第3.2节焊接方法和焊缝连接形式1.钢结构常用焊接方法2.焊缝连接形式及焊缝形式3.焊缝缺陷及焊缝质量
3、检验了解焊缝连接类型、焊接方法及质量要求等本节目录基本要求第7页/共176页1、手工电弧焊钢结构常用焊接方法（1）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图3.2.1手工电弧焊第8页/共176页（4）焊条的表示方法：E后面加4个数字E表示焊条(Electrode)前两位数字为熔融金属的最小抗拉强度（N/mm2)后两位数字表示适用焊接位置、电流种类及药皮类型等。（2）优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，持别适于焊接短焊缝。（3）缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量取决于焊工的精神状态与技术水平，质量波动大。第9页/共176页（5）焊条
4、的选择焊条应与焊件钢材相适应；不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。如：Q390、Q420钢E55型焊条(E5500-5518)Q345钢E50型焊条(E5000-5048)Q235钢E43型焊条（E4300-E4328)2、埋弧焊（自动或半自动）（1）原理：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。第10页/共176页图3.2.2埋弧自动电弧焊焊丝转盘送丝器悍剂漏斗悍剂悍件熔渣悍缝金属（2）优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低；电弧热量集中，熔深大，热影响区小；工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。第11页/共176页（3）缺点：装配精度要求高，设备
5、投资大，施工位置受限等。（4）焊丝的选择：埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA;Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn等。3、气体保护焊气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触。其优点：电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。第12页/共176页1、焊缝连接形式焊缝连接形式及焊缝形式按被连接钢材的相互位置，可分为：（1）对接连接有拼接盖板的对接连接第13页/共176页（2）搭接连接（3）T形连接（4）角部连接第14页/共176页（5）焊钉连接N（6）槽焊连接N
6、第15页/共176页2、焊缝形式（1）正交平行斜交对接焊缝角焊缝正对接焊缝斜对接焊缝按受力方向正面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝正交斜交第16页/共176页（2）角焊缝沿长度方向的布置分为：连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。断续角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，用于次要构件或受力小的连接。长度b10hf或50mm受压时间断距离l15t;受拉时l30t，其中t为较薄焊件的厚度。bl间隔角焊缝连续角焊缝第17页/共176页（3）角焊缝按施焊位置分为：船形位置焊（平焊）立焊立焊仰焊仰焊仰焊横焊横焊横焊平焊图3.2.3第18页/共176页1、焊缝缺陷焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷是指焊接过程中
7、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、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。第19页/共176页图3.2.4焊缝缺陷裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透第20页/共176页2、焊缝质量检验外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷。（超声波检验、X射线或射线透照或拍片）3、焊缝质量等级及选用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量标准；（1）焊缝质量等级第21页/共176页一级、
8、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波探伤检验，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。钢结构设计规范(GB500172003)中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。（2）焊缝等级选用第22页/共176页在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。重级工作制和起重量500kN的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝
9、，质量不应低于二级。角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量500kN的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。第23页/共176页（3）焊缝符号标注方法相同焊缝安装焊缝双面焊缝单面焊缝三角围焊塞焊缝对接焊缝角焊缝形式hfOhfhfacv90或135或6mm时，hf,maxt-(12)mm当t6mm时，hf,maxthftt1t1ttt1hf贴边焊缝第36页/共176页（2）最小焊脚尺寸为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min还应满足以下要求:式中:t较厚焊件厚度另外：对埋弧自动焊hf,min可减小1mm;对T形连接单面角焊缝h
10、f,min应增加1mm;当t4mm时,hf,min=t取整mm数，小数点以后只进不舍。hftt1t1t第37页/共176页（3）设计焊角尺寸hf应满足（1）侧面角焊缝的最大计算长度2、焊缝计算长度的构造要求侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均两端大而中间小。焊缝越长，应力集中越显著。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；但是当焊缝长度超过某一限值后，可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发展，最终导致焊缝破坏。第38页/共176页当实际长度大于以上限值时，计算时超出部分不予考虑；但当内力沿侧焊缝全长分布时，lw不受此限制.故侧面焊缝计算长度：（2）侧面角
11、焊缝的最小计算长度对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起灭弧坑相距太近，使焊缝不可靠。焊缝越短应力集中也越严重，故根据经验，规定：此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。第39页/共176页（3）侧面角焊缝的计算长度当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：3、搭接连接的构造要求NNlw2hf2hfNNl2l1b钢板拱曲图3.3.6第40页/共176页试验结果表明，连接的承载力与b/lw有关。当b/lw1时，连接承载力随比值增大明显下降，这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致，为防止连接强度过分降低，规范规定：b/lw1为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，要求：b16t（t12
12、mm）或190mm（t12mm）式中：b为两侧焊缝的距离；lw为侧焊缝计算长度；t为较薄焊件的厚度。第41页/共176页在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。t1t2（t1t2）图3.3.72hf2hf2hf焊缝绕角2hf图3.3.8第42页/共176页直角角焊缝强度计算的基本公式分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理:假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45；不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he，he0.
13、7hf。1、基本假定hc焊脚尺寸焊根熔深焊缝厚度有效厚度凸度焊趾图3.3.9第43页/共176页有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积。计算时假定有效截面上应力均匀分布。2、有效截面上的应力状态在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：正应力垂直于焊缝有效截面（面外垂直）剪应力平行于焊缝长度方向（面内平行）剪应力垂直于焊缝长度方向（面内垂直）图3.3.10第44页/共176页3、破坏时的极限条件国际标准化组织(ISO)推荐用式(3-1)确定角焊缝的极限强度:式中：fuw-焊缝金属的抗拉强度出于偏于安全考虑,且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会(EC
14、CS)，将(3-1)的1.8改为3即：第45页/共176页我国规范采用了以上折算应力公式，但由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的，故引入抗力分项系数后上式又可表达为以下图为例，推导直角角焊缝强度计算的实用公式。4、直角角焊缝的强度计算公式ffw角焊缝强度设计值第46页/共176页f对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为和。Nf+VVN破坏截面图3.3.11第47页/共176页在V作用下，在有效截面内产生与焊缝长度方向平行的剪应力为：（3-4）在N作用下,产生与有效截面成45交角的平均应力为（3-5）可将f分解为和，如下（3-6）第48页/共176页将式（3-4）和
15、式（3-6）代入式（3-3），得上式即为规范给定的直角角焊缝强度计算通用公式。f正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时f1.22，对直接承受动载的结构，f1.0。第49页/共176页对正面角焊缝，f0，力N与焊缝长度方向垂直，则对侧面角焊缝，f0，力V与焊缝长度方向平行，则（3-8）（3-9）式中：he=0.7hf；lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。第50页/共176页直角角焊缝连接的计算1、轴心力作用时角焊缝的计算（1）承受斜向轴心力的T形角焊缝连接方法一：分力法求解将力N分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力：Nx=Nsin，Ny=Ncos计算应力：NxNy
16、NffN图3.3.12第51页/共176页代入式3-7验算焊缝强度，即:方法二：直接法求解将式3-10和式3-11代入式3-12，可得:第52页/共176页将代入上式，得（3-13）则受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：令：为斜焊缝强度增大系数。第53页/共176页1.221.201.141.121.081.041.021.00f907060504030200查f表当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。盖板对接连接可采用两侧侧面角焊缝连接，正面角焊缝连接和三面围焊连接。（2）轴心力作用下的盖板对接连接第54页/共176页仅采用侧面角焊缝连接lw连接一侧的侧面角
17、焊缝计算长度的总和。图中NNlw图3.3.13第55页/共176页采用三面围焊连接（矩形盖板）先计算正面角焊缝承担的内力lw连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和。再计算侧面角焊缝的强度lw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和NNlwlw图3.3.14第56页/共176页或直接由下式计算：图中：或NNlwlw图3.3.14第57页/共176页采用三面围焊连接（菱形盖板）NNlw1lw3lw2图3.3.15第58页/共176页在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合
18、。（3）承受轴心力的角钢角焊缝连接如左图钢桁架节点，弦杆和腹杆采用双角钢组成的T形截面，腹杆通过节点板与弦杆连接。6-11010-1506-11010-150817019013012028525图3.3.16第59页/共176页仅用侧面焊缝连接解上式，得由力及力矩平衡得：（3-14）肢背焊缝xxlw1lw2NN1N2cb图3.3.17第60页/共176页肢尖焊缝（3-15）k1角钢肢背焊缝的内力分配系数；k2角钢肢尖焊缝的内力分配系数。式中：在N1、N2作用下，肢背、肢尖焊缝的计算长度为：（3-16）（3-17）hf1肢背焊缝的焊角尺寸；hf2肢尖焊缝的焊角尺寸。式中：第61页/共176页角钢
19、与节点板连接焊缝的内力分配系数0.350.65不等边角钢（长边相连）0.250.75不等边角钢（短边相连）0.30.7等边角钢肢尖k2肢背k1内力分配系数截面及连接情况第62页/共176页采用三面围焊设计时先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，并求出它所分担的内力N3：（3-18）通过平衡关系，可得肢背和肢尖焊缝分担的内力为:xxlw1lw2NN1N2cbN3图3.3.18第63页/共176页利用式3-16和3-17可得肢背、肢尖焊缝的计算长度。肢背焊缝（3-19）肢尖焊缝（3-20）采用L形围焊xxlw1NN1cbN3图3.3.19第64页/共176页令N20，由式3-20，得：L形围焊角焊缝计
20、算公式为：（3-22）若求出得hf3大于hfmax,则不能采用L形围焊（3-21）由水平平衡关系，得：（3-23）（3-24）未采用绕角焊时采用绕角焊时第65页/共176页2、受弯矩M、轴力N、剪力V联合作用的角焊缝计算（1）偏心斜拉力作用在偏心斜拉力作用下，角焊缝可看作同时承受轴心力Nx、剪力Ny和弯矩M=Nxe的共同作用。有效截面helwAM=NxeNxANNyeA由Nx由NyA由M图3.3.20第66页/共176页由轴心拉力Nx产生的应力：由弯矩M产生的最大应力：因A点应力为最大，所以是设计控制点。对A点：A点由轴心拉力Nx和弯矩M产生的应力方向相同，直接叠加得：第67页/共176页A点
21、由剪力Ny产生的应力：则角焊缝强度计算公式为：第68页/共176页（2）V、M共同作用下角焊缝强度计算假设：腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩由全部焊缝承受对于翼缘最外纤维1点处：f2f1MV1腹板焊缝f12翼缘焊缝xxh1h2图3.3.21第69页/共176页式中:Iw全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；h1上、下翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离。对翼缘与腹板焊缝交点2处：h2腹板焊缝的实际长度；lw2腹板焊缝的计算长度；he2腹板焊缝有效截面高度；式中：腹板焊缝有效截面面积之和。第70页/共176页则腹板焊缝在2点的强度验算式为：工字梁与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是假设腹板焊缝只承受剪力，
22、翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩M化为一对水平力H=M/h。则：腹板焊缝的强度计算式：翼缘焊缝的强度计算式：第71页/共176页（3）承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝计算搭接扭矩顶接弯矩注意区分偏心受力时：VyOrrTxxTxTyAyyAr1ry0.7hf0.7hfxxltx0yyl2e1e2AVTArrT图3.3.22第72页/共176页将F向焊缝群形心简化得:剪力：V=F扭矩：T=F(e1+e2)计算时按弹性理论假定:被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。在轴心力V作用下，焊缝
23、群上的应力均匀分布。经过分析，可知：A点和A点为该连接的设计控制点T作用下A点应力:第73页/共176页将其沿x轴和y轴分解:Ip为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip=Ix+IyIx，Iy焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩；rx，ry为焊缝形心到焊缝验算点A的距离在x、y方向的投影长度。剪力V作用下，A点应力:第74页/共176页A点垂直于焊缝长度方向的应力为:f=Ty+Vy，平行于焊缝长度方向的应力为:f=Tx则A点强度验算公式：即：第75页/共176页第3.4节对接焊缝的构造与计算1.对接焊缝的构造2.对接焊缝的计算掌握对接焊缝构造和计算方法本节目录基本要求第76页/共176页对接焊缝的构造(
24、1)对手工焊，焊件厚度t6mm；对埋弧焊t10mm时可不做坡口，采用直边缝。1、对接焊缝的坡口形式对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。C=0.52mm直边缝第77页/共176页(2)当焊件厚度t=720mm时，宜采用单边V形或双边V形坡口。(3)当t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。U形坡口C=34mmpC=34mmpK形坡口C=23mm单边V形坡口C=23mm双边V形坡口p第78页/共176页2、对接焊缝的优缺点优点：用料经济、力线不弯折、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。缺点：经常需开坡剖口，焊件下料精度要求高。3、对接焊缝的构造处理（1）在
25、焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。引弧板和引出板引弧板引出板C=34mmpX形坡口第79页/共176页（2）当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于的斜角，以平缓过度，减小应力集中。对于直接受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度应不大于1:4。改变宽度1:2.51:2.5改变厚度1:2.5对接焊缝的计算对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种，后面不做特殊说明，均指焊透的对接焊缝。第80页/共176页对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。1、轴心受力的对接焊缝lw焊缝计算长度，无引弧板和引出板时，焊缝计算长度取实
26、际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度。ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。taNNNN图3.4.1第81页/共176页（2）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况：没有引弧板时需要计算；受拉情况下的三级焊缝。其余：（1）在一般加引弧板施焊的情况下，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。受拉三级对接焊缝以5N/mm2倍数取整说明：（3）当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接，如下：第82页/共176页lw斜焊缝计算长度。设引弧板时，lwb/sin；不设引弧板时，lwb/sin2t。fvw对接焊缝抗剪设计强度
27、。经计算，当tg1.5时，对接斜焊缝强度不低于母材，可不用检算。taNNNN图3.4.2第83页/共176页2、承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布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：（1）板件间对接连接lwtMVVMlwt图3.4.3第84页/共176页M焊缝承受的设计弯矩；Ww焊缝计算截面模量。V焊缝承受的设计剪力；Iw焊缝计算截面惯性矩；Sw计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对中和轴的面积矩。（2）工字形截面梁对接连接计算对于工字形截面梁的对接接头，除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接
28、处的折算应力：第85页/共176页（2）工字形截面梁对接连接计算式中：1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。1.1考虑到最大折算应力只在局部出现，故将强度设计值适当提高。计算截面翼缘与腹板交接处1max1maxMMVV图3.4.4第86页/共176页3、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：1max1max柱牛腿NV1焊缝计算截面max由M=Vee由N由Vh0ht图3.4.5第87页/共176页腹板与翼缘交界处的折算应力:式中焊透的对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，其计算方法与母材的强度计算完
29、全相同。第88页/共176页第3.5节焊接应力和焊接变形1.焊接应力的分类和产生的原因2.焊接应力对结构工作性能的影响3.焊接变形4.减小焊接应力和焊接变形的措施1.了解焊接应力产生的主要原因、分类以及对结构性能影响2.了解减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施本节目录基本要求第89页/共176页焊接应力的分类和产生的原因1.焊接残余应力的分类纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力。厚度方向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀和收缩不均匀。导致在主体
30、金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。第90页/共176页2.焊接残余应力产生的原因（1）纵向焊接残余应力施焊时焊缝及附近的温度场800oC500oC300oC纵向焊接残余应力300oC500oC800oC64208cm6248cm图3.5.1第91页/共176页焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度可高达1600C，而邻近区域温度骤降。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到周围钢材的限制而产生残余拉应力。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，
31、这必然在焊缝稍远区产生残余压应力。对于低碳钢和低合金钢，这种拉应力可以达到钢材的屈服强度。第92页/共176页焊缝的纵向收缩：使焊件有反向弯曲变形的趋势，而实际又不能分开，于是导致两焊件在焊缝处中间产生横向拉应力，两端则产生压应力；由以下两部分收缩力所引起（2）横向焊接残余应力施焊先后约束影响：焊接时先焊焊缝已凝固，会阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生横向拉应力。第93页/共176页（3）沿厚度方向的焊接残余应力xyz图3.5.3焊缝的纵向收缩施焊先后约束影响横向焊接残
32、余应力图3.5.2第94页/共176页在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。焊缝冷却成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。当钢材厚度t20mm时,厚度方向焊接应力较小,可忽略;但t50mm时,厚度方向焊接应力可达50Nmm2如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。第95页/共176页焊接应力对结构性能的影响1、对结构静力强度的影响因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截
33、面达到fy，即N=Ny时：因此：焊接残余应力对结构的静力强度无影响。Bfy面积=AtN=0Ac2Ac2AcNNbfyabcdfefyN=Ny=N/Bt无残余应力有残余应力e图3.5.4第96页/共176页2、对结构刚度的影响当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy，故该部分刚度为零（已屈服），这时在N作用下应变增量为：当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：因此：存在焊接残余应力将使结构变形增大，即降低了结构的刚度。以上图轴心受拉杆件为例：12显然：第97页/共176页3、对压杆稳定承载力的影响对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。5、
34、对疲劳强度的影响4、对低温冷脆的影响对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。三向焊接残余应力xzy第98页/共176页焊接变形1、焊接残余变形的种类在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。实际的焊
35、接变形常常是几种变形的组合。纵向及横向收缩角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形图3.5.5第99页/共176页2、焊接变形对结构性能的影响焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正；影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载力，引起事故。减小焊接应力和焊接变形的措施1.设计方面的措施推荐不推荐推荐不推荐（1）合理安排焊缝的位置（对称布置焊缝可减小焊接变形）第100页/共176页（4）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力（2）合理的选择焊缝的尺寸和形式（3）尽量避免焊缝的过分集中和交叉推荐不推荐推荐不推荐切角推荐不推荐易引起层状撕裂第101页/共176页2、工艺上的措施（1）采用合理的施焊顺序分块
36、拼接12345分段退焊5432112345877866IIIIII对角跳焊1234沿厚度分层焊IIIIII图第102页/共176页（2）采用反变形处理（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理焊前反变形图3.5.7第103页/共176页第3.6节螺栓连接的构造1.螺栓的种类2.螺栓的排列3.螺栓连接的构造要求了解螺栓的排列形式和要求本节目录基本要求第104页/共176页螺栓的种类普通螺栓类型精制螺栓粗制螺栓性能等级A级和B级C级5.6级和8.8级4.6级和4.8级加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为0.250.5mm类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为1
37、.53mm抗剪性能好较差用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定1、普通螺栓第105页/共176页性能等级的含义：5表示fu500N/mm2,0.6表示fy/fu=0.6如5.6级由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级2、高强度螺栓连接大六角头螺栓扭剪型螺栓12341-螺栓；2-垫圈；3-螺母；4-螺丝;5-槽口1435图3.6.1第106页/共176页高强度螺栓分类：根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。传力途径：摩擦型依
38、靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。承压型依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5-2.0mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0-1.5mm。第107页/共176页螺栓的排列1、排列形式分类螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。并列端距中距边距中距边距错列端距边距边距中距3d0图3.6.2第108页/共176页并列简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。错
39、列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。2、螺栓排列的要求（1）受力要求在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。第109页/共176页平行于受力方向：端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于2d0；受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距（2）构造要求边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的最
40、大容许间距第110页/共176页（3）施工要求要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。端距端距中距边距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0端距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距并列错列图3.6.3第111页/共176页螺栓或铆钉的最大、最小容许距离1.2d0其他螺栓或铆钉高强度螺栓轧制边自动精密气割或锯割边1.5d0剪切边或手工气割边垂直内力方向2d04d0或8t顺内力方向中心至构件边缘距离沿对角线方向16d0或24t拉力12d0或18t压力顺内力方向16d0或24t垂直内力方向中间排3d08d0或12t外
41、排（垂直内力方向或顺内力方向）中心间距最小容许距离最大容许距离（取两者中的小值）位置和方向名称注：(1)d0为螺栓孔或铆钉孔直径，t为外层较薄板件的厚度；(2)钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢等)相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。第112页/共176页螺栓连接的构造要求螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：（1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。（2）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动。（3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有：承
42、受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。（4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。第113页/共176页第3.7节普通螺栓连接的工作性能和计算1.普通螺栓的抗剪连接2.普通螺栓的抗拉连接3.普通螺栓受剪力和拉力的联合作用1.掌握普通螺栓连接的工作特点及破坏形式本节目录基本要求2.掌握普通螺栓连接的计算方法第114页/共176页普通螺栓的抗剪连接1、抗剪连接工作性能和破坏形式（1）工作性能对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段
43、。NN/2N/2ba012341234N普通螺栓高强度螺栓图3.7.1第115页/共176页摩擦传力的弹性阶段(0-1段)直线段连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。滑移阶段(1-2段)水平段摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段)曲线上升段该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。第116页/共176页弹塑性阶段(3-4段)荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接
44、最后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载。（2）抗剪连接的破坏形式栓杆被剪坏破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时NN第117页/共176页孔壁被挤压破坏破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时NN板件被拉断破坏条件：截面削弱过多时NN由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。板件端部被剪坏破坏条件：端矩a过小时构造保证措施：端矩不应小于2d0aNN第118页/共176页栓杆弯曲破坏破坏条件：螺栓杆过长时构造保证措施：栓杆长度不应大于5d前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑和两种
45、形式破坏。N/2NN/22、单个普通螺栓抗剪连接的承载力计算由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压（即螺栓承压）两种情况。（1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：第119页/共176页式中：nv受剪面数目，单剪=1；双剪=2。d螺栓杆公称直径；fvb螺栓的抗剪强度设计值。NN/2N/2t2t1t3NNt2t1d第120页/共176页（2）螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗，板件相对较薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布，则单
46、栓承压设计承载力：dfcb螺栓承压强度设计值；t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。式中：对双剪：取t1与t2+t3中较小者对单剪：取t1与t2中较小者第121页/共176页一个抗剪普通螺栓的承载力设计值：3、普通螺栓群抗剪连接计算（1）普通螺栓群轴心受剪试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大,中间小。l1NN/2N/2平均值图3.7.2第122页/共176页当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N由各螺栓平均分担。即连接所需螺栓数为：当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即
47、使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：第123页/共176页因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：当时，当时，以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。ECCS试验曲线（8.8级M22）我国规范1.00.750.50.25020406080l1/d0图3.7.3第124页/共176页F作用下每个螺栓平均受力，则（2）普通螺栓群偏心受剪eF=F+TOr1x1y1y2N1TxN1TyN1TNt21F作用扭矩T作用图3.7.4第125页/共176页栓群在扭矩T=
48、Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下：连接件绝对刚性,螺栓弹性；连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线垂直。“1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。计算公式推导如下：设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1、r2、r3，rn，各螺栓承受的分力分别为N1T、N2T、N3T，NnT，根据平衡条件得：第126页/共176页将上式代回(a)，得用k表达的T式：由假设得到，（k为常数）（a）（b）（c）第127页/共176页螺栓“1”离形心最远是危险螺栓,联合（c）和（b）得最大剪力N1T将N1T分解为水平和竖直分力：xi第i
49、个螺栓中心的x坐标yi第i个螺栓中心的y坐标第128页/共176页受力最大螺栓“1”所受的合力为:如果y13x1，则可假定xi=0，由此得N1Ty=0，则计算式为：第129页/共176页普通螺栓的抗拉连接1、单个普通螺栓的抗拉承载力螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，抗拉螺栓的破坏形式表现为栓杆被拉断。假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，因此，一个普通螺栓的抗拉承载力设计值为：Ae螺栓在螺纹处的有效截面积；de螺栓有效直径；ftb螺栓的抗拉强度设计值，ftb0.8f。式中：第130页/共176页当传递拉力杆件刚度不大时，如图T形连接在受拉后将发生较大的变形，并起杠杆作用，在外侧端部产生撬力Q，因
50、此，螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。试验证明影响撬力的因素较多，由于确定Q值比较复杂，在计算中不计Q力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值);并采取构造措施加强连接的刚度，如设加劲肋。考虑撬力：NtN+QNtNtQQb2N图3.7.6加劲肋设加劲肋加强翼缘2N图3.7.7第131页/共176页2、普通螺栓群轴心受拉当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：式中：3、普通螺栓群在弯矩作用下Ntb为单个普通螺栓的抗拉承载力设计值在弯矩M作用下，被连接件有顺弯矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓受拉。N图3.