第03章-鋼結(jié)構(gòu)連接

1、本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：鋼結(jié)構(gòu)連接鋼結(jié)構(gòu)連接3.1 3.1 連接方法連接方法 3.2 3.2 焊接方法和焊縫形式焊接方法和焊縫形式 3.3 3.3 對接焊縫的構(gòu)造和計算對接焊縫的構(gòu)造和計算3.4 3.4 角焊縫角焊縫的構(gòu)造和計算的構(gòu)造和計算3.5 3.5 焊接應力和焊接變形焊接應力和焊接變形3.6 3.6 螺栓連接的構(gòu)造要求螺栓連接的構(gòu)造要求3.7 3.7 螺栓的工作性能及承載力螺栓的工作性能及承載力3.8 3.8 螺栓連接的設計、驗算螺栓連接的設計、驗算3.1 3.1 連接方法連接方法 鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件制作和整體安裝都離不開零部件和構(gòu)件之間的連接（connection）。鋼結(jié)構(gòu)主要的連接方法是焊接連

2、接和螺栓連接，有時也使用鉚釘連接。 焊接連接 螺栓連接 鉚釘連接 3（1) 1) 焊接連接焊接連接 在被連接金屬件之間的縫隙區(qū)域，通過高溫使被連接金屬與填充金屬熔融結(jié)合，冷卻后形成牢固連接的工藝過程稱為焊接連接（welded connection），填充金屬帶稱為焊縫。 焊接連接不削弱構(gòu)件截面，接頭緊湊，可以采用自動化操作，是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法。但是，由于焊縫附近高溫作用而形成的熱影響區(qū)，使鋼材的金相組織和力學性能發(fā)生變化，材質(zhì)變脆，一旦局部發(fā)生裂紋很容易擴展，尤其在低溫下易發(fā)生脆斷；另外，焊接過程中會產(chǎn)生焊接應力和焊接變形，對結(jié)構(gòu)的工作性能往往有不利影響。連接方法連接方法（2） 螺栓

3、連接 螺栓連接需要在被連接件上鉆孔，裝上螺桿、擰緊螺帽進行連接。5 螺栓（bolt）分為普通螺栓和高強度螺栓兩類。 普通螺栓：分為A、B、C三級。A、B級螺栓稱為精制螺栓，成本較高，其性能等級為8.8級（表示抗拉強度不小于800N/mm2，屈服點與抗拉強度之比為0.8)； C級螺栓為粗制螺栓，成本低，其性能等級為4.6級或4.8級。 高強螺栓：高強度螺栓用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或低合金鋼制作，并經(jīng)過熱處理，材料性能等級達到8.8級以上。高強度螺栓按工作性能不同，又分為摩擦型連接和承壓型連接。 （3）鉚釘連接 鉚釘（rivet）連接是將鉚釘插入鉚孔后施壓使鉚釘端部鉚合，常用加熱鉚合，也可在常溫下鉚合。鉚釘連

4、接的塑性、韌性較好，連接變形小，承受動力荷載時抗疲勞性能好，適合于重型和直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。但由于鉚釘連接費材費工，噪音大，一般情況下很少采用。連接方法連接方法3.2 3.2 焊接方法和焊縫形式焊接方法和焊縫形式3.2.1 3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)的焊接方法鋼結(jié)構(gòu)的焊接方法 常用：電弧焊（手工電弧焊、自動(或半自動)埋弧焊），氣體保護焊及電阻焊 。手工電弧焊 電 弧焊 鉗焊 條熔 池焊 件保 護 氣 體電焊機 手工電弧焊的焊條應與焊件鋼材相匹配，如： Q235-E43；Q345-E50；Q390-E55焊 縫焊 絲 轉(zhuǎn) 盤焊 件焊 劑焊 濟 料 斗送 絲 器電 極移 動 方 向自動埋弧焊 埋弧焊

5、的焊條應與焊件鋼材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn氣體保護焊： 氣體保護焊簡稱氣電焊，是利用惰性氣體或二氧化碳氣體作為保護介質(zhì)，在電弧周圍造成局部的保護層，使被熔化的鋼材不與空氣接觸，因而電弧加熱集中，焊接速度快，熔化深度大，焊縫強度高，塑性好。 電阻焊： 電阻焊是利用電流通過焊件接觸點表面的電阻所產(chǎn)生的熱量來熔化金屬，再通過壓力使其焊合。冷彎薄壁型鋼的焊接常用這種接觸點焊(如圖)。電阻焊適用于板疊厚度不超過12mm的焊接。主 體 金 屬焊 縫夾 具電阻焊 焊接方法焊接方法3.2.2 3.2.2 焊縫形式及焊接連接形式焊

6、縫形式及焊接連接形式焊縫形式主要有兩種：對接焊縫和角焊縫 焊縫形式焊縫形式角焊縫角焊縫 對接焊縫對接焊縫 對 接 焊 縫角 焊 縫 按施焊時焊工所持焊條與焊件間的相對位置關(guān)系，焊縫還分為： 焊縫施焊位置焊縫施焊位置 平焊平焊 橫焊橫焊 立焊立焊仰焊仰焊 平焊立焊橫焊仰焊焊縫形式焊縫形式13連接形式連接形式平接平接 搭接搭接 T T形連接形連接 角接角接 (a)(c)(b)(d)(f)(e)(g)(h)(i) 除上述主要形式外，有時還采用焊釘和槽焊。 即在板件上加工出圓孔或槽孔，在孔內(nèi)進行部分或全部焊接。焊釘和槽焊用于搭接連接可以傳遞剪力，或用于防止搭接部分的鼓曲，或用于組裝件的連接。槽焊焊釘3

7、.2.3 3.2.3 焊縫缺陷和焊縫質(zhì)量檢驗焊縫缺陷和焊縫質(zhì)量檢驗(1)焊縫缺陷焊縫的常見缺陷： 裂紋是焊縫連接中最危險的缺陷（defect）。按裂紋產(chǎn)生的時間，可分為熱裂紋和冷裂紋。 冷 裂 紋熱 裂 紋氣 孔夾 碴未焊透咬邊焊瘤（2） 焊縫質(zhì)量檢驗與焊縫強度 焊縫檢驗就是檢驗焊縫及焊接熱影響區(qū)域有無各種缺陷，并作出相應的處理，評價焊接質(zhì)量、性能是否達到設計要求，確保焊縫安全可靠。 達到不同質(zhì)量檢驗等級的焊縫，焊縫的強度設計值也不同（見附表1.3）。鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50017-2003）對各種情況下的焊縫質(zhì)量等級要求作了相關(guān)規(guī)定，設計時按規(guī)范要求選用。 3.2.4 3.2.4 焊縫代號焊

8、縫代號 焊縫代號用于鋼結(jié)構(gòu)施工圖上對焊縫進行標注，標明焊縫形式、尺寸和輔助要求。常用焊縫代號和標注方法如下： hfhfhfhfccpccphfhf表3.1 焊縫代號及標注方法 當焊縫分布比較復雜或用上述注標方法不能表達清楚時，可在標注焊縫代號的同時，在圖上加柵線表示焊縫。 ( a ）正面焊縫（b ）背面焊縫（c ）安裝焊縫（d )背面安裝焊縫焊縫代號焊縫代號3.3 3.3 對接焊縫的構(gòu)造和計算對接焊縫的構(gòu)造和計算3.3.1 3.3.1 對接焊縫的構(gòu)造對接焊縫的構(gòu)造 對接焊縫常做成帶坡口的形式，故又稱為坡口焊縫。常用的坡口形式有直邊形、單邊V形、V形、U形、K形和X形(如下圖)。做坡口是為了便于

9、施焊，保證焊接質(zhì)量，應根據(jù)焊件的厚度選用不同的坡口形式。坡口形狀參數(shù)有：斜坡角度、鈍邊厚度p和間隙寬度c。pppppc=0.52m mc=23m mc=23m mc=34m mc=34m mc=34m m 當焊件厚度t6mm(手工焊)或t10mm(埋弧焊)時，可采用直邊形焊縫；對于一般厚度（t820mm），可采用單邊V或V形焊縫，斜坡口和間隙c形成一個焊條能夠施焊的空間，使焊縫易于焊透；對于厚度t20mm，應采用施焊空間更大的U形、K形或X形焊縫。 當間隙c過大時，為防止熔化金屬溢出，可采用墊板，施焊成型后，墊板可除去，也可保留。 對接焊縫的構(gòu)造對接焊縫的構(gòu)造( h )( g )對接焊縫加引弧

10、板對接焊縫的構(gòu)造對接焊縫的構(gòu)造 對接焊縫的兩端，常因不能熔透而出現(xiàn)凹形的焊口，焊口處常產(chǎn)生裂紋和應力集中。所以，對接焊縫施焊時應采用引弧板消除此影響；在一些特殊情況下無法采用引弧板時（如T形接頭的對接焊縫），每條焊縫的計算長度（有效長度）焊縫長度2t(t為較薄焊件的厚度)。 在對接焊縫的拼接處，當兩塊焊件的寬度或厚度相差4mm以上時，應分別把較寬或較厚一側(cè)的板件做成不大于1：2.5的斜邊與窄或薄的焊件焊接，使截面緩和過渡以減小應力集中。對接焊縫的構(gòu)造對接焊縫的構(gòu)造( a )( b ) 1： 2 . 5 1： 2 . 53.3.2 3.3.2 對接焊縫的強度計算對接焊縫的強度計算 焊縫的強度計算

11、，就是計算焊縫在各種受力情況下，是否滿足強度條件，保證連接的可靠性。（1）對接焊縫受軸心力作用 對接焊縫與軸力垂直時，焊縫截面的應力均勻分布，強度計算公式為：wwtcwNffl t或（ 3.1）式中 N 軸心拉力或壓力； lw 焊縫的計算長度。未使用引弧板時， lw l2t，采用引弧板時 lwl; NNltl 焊縫的幾何長度；t 被連接件的較小厚度，在T形連接中為腹板厚度;ftw、 fcw對接焊縫的抗拉、抗壓強度設計值（查附表1.3）。 對于焊縫質(zhì)量等級為一、二級的對接焊縫，其強度與鋼材強度相等。因此，如果連接中使用了引弧板，則鋼材強度滿足焊縫強度就滿足，可不驗算。而焊縫質(zhì)量為三級的焊縫，其強

12、度低于鋼材強度，必須按公式（3.1）計算。 對接焊縫的強度計算對接焊縫的強度計算 如果直焊縫的強度不滿足，可使用斜對接焊縫（如圖），使焊縫的長度增加，應力減小。若取焊縫與與作用力之間的夾角56.3o（tan 1.5），斜焊縫的強度不會低于鋼材，可以不驗算。Nbt（2）對接焊縫受彎矩、剪力共同作用 圖示用對接焊縫連接的工字形截面梁，焊縫受彎矩和剪力共同作用。截面上正應力、剪應力分布如圖示，在上、下翼緣邊有最大正應力，在腹板中部有最大剪應力，且都屬于單向應力狀態(tài)，可分別驗算這兩點的抗彎強度和抗剪強度：MVwtwMfW（ 3.2）wwvw wV SfI t（3.3） 另外，在翼緣與腹板相交處，同時受

13、較大正應力和剪應力，且屬于雙向應力狀態(tài)，該點的應力按折算應力計算。考慮到折算應力只是在局部出現(xiàn)，焊縫的強度設計值可提高10，故得計算公式如下：22w11t31.1(3.4)fM M、V V共同作用共同作用式中 Iw焊縫計算截面的慣性矩； Sw計算剪應力處以外的焊縫計算截面對 中和軸的面積矩； Ww焊縫計算截面的抵抗矩； tw腹板厚度； fvw對接焊縫的抗剪強度設計值。式中 1腹板與翼緣交接處由彎矩引起的正應力； 1腹板與翼緣交接處的剪應力；（3）對接焊縫受軸心力、彎矩和剪力共同作用 將軸心力作用產(chǎn)生的正應力與彎矩產(chǎn)生的正應力疊加。此時，最大正應力在翼緣邊，單向受力；其余部分均受正應力和剪應力作

14、用，屬雙向應力狀態(tài)，其中翼緣與腹板相交處正應力和剪應力都較大。需對上述兩點進行強度驗算，計算公式如下：MVMhh0NNNwwNwtcwwNMffAW或（3.5）22wNw11t31.1f（）（3.6）例3.1 3.4 3.4 角焊縫的構(gòu)造和計算角焊縫的構(gòu)造和計算3.4.1 3.4.1 角焊縫的截面形式和受力性能角焊縫的截面形式和受力性能角焊縫截面形式可分為直角角焊縫和斜角角焊縫兩類： 其中直角角焊縫的直角邊邊長hf稱為焊腳尺寸；he稱為焊縫的有效厚度，是計算角焊縫破壞面面積的參數(shù)之一 。 ( a ) 等腰式( b )平坦式( c )凹面式hfhfhf1 . 5 hfhfhfhehehe直角角焊

15、縫及截面形式 斜角角焊縫及截面形式 hfhfhfhfhfhf(a)等腰式( b)平坦式( c)凹面式角焊縫的構(gòu)造角焊縫的構(gòu)造N側(cè)面角焊縫正面角焊縫 角焊縫按受力情況還分為正面角焊縫和側(cè)面角焊縫。焊縫長度方向垂直于力作用方向的角焊縫稱為正面角焊縫(也稱端焊縫)；平行于力作用方向的角焊縫稱為側(cè)面角焊縫（簡稱側(cè)焊縫）。 （ 剪 切 破 壞 面 ）fNN 側(cè)面角焊縫在外力作用下主要承受剪應力，塑性較好，強度較低。在彈性階段，應力沿焊縫長度方向分布不均勻，兩端大而中間小，破壞的起點常在焊縫兩端，破壞面約為450斜面，如圖所示。 破壞過程(演示)受力性能受力性能34 正面角焊縫的應力狀態(tài)比側(cè)面角焊縫復雜，

16、截面上受正應力及剪應力作用，如圖所示。正面角焊縫的強度比側(cè)面角焊縫高，但塑性較差，焊縫根角處應力集中突出，常在此處首先出現(xiàn)裂紋而破壞。 在直接承受動態(tài)荷載的結(jié)構(gòu)中，正面角焊縫的截面常用平坦式，側(cè)面角焊縫的截面常用凹面式。NNNNabcaaaaabbbcccxyx yy xxx yyy x受力性能受力性能3.4.2 3.4.2 角焊縫的構(gòu)造要求角焊縫的構(gòu)造要求 為了避免因焊腳尺寸過大或過小而引起“燒穿”、“變脆”等缺陷，以及焊縫長度太長或太短而出現(xiàn)焊縫受力不均勻等現(xiàn)象，對角焊縫的焊腳尺寸、焊縫長度還有限制。在計算角焊縫連接時，除滿足焊縫的強度條件外，還必須滿足以下構(gòu)造要求：1）最小焊腳尺寸手工焊

17、 ：埋弧自動焊：T型連接的單面角焊縫：式中tmax較厚焊件的厚度。當焊件厚度小于或等于4mm時，最小焊腳尺寸與焊件厚度相同。f,minmax1.5ht（mm）f,minmax1.51ht （mm）f,minmax1.51ht （mm）構(gòu)造要求構(gòu)造要求2）最大焊腳尺寸 式中t較薄焊件的厚度。 f ,max1.2ht 當兩塊鋼板厚度相差懸殊大，用等腰直角角焊縫無法滿足最大、最小焊腳尺寸要求時,可用不等焊腳尺寸，按滿足右圖要求采用（其中t1t2）。hf 1 .5t1t2hf t2t1t1 t2 當角焊縫貼著焊件板邊緣施焊時，為避免產(chǎn)生“咬邊”現(xiàn)象，角焊縫的最大焊腳尺寸應符合圖示要求： 圓孔或槽孔內(nèi)角

18、焊縫的最大焊腳尺寸為圓孔直徑或槽孔短徑的13。3）最小計算長度 w,minf840mmlh且此規(guī)定適合正面角焊縫和側(cè)面角焊縫。 構(gòu)造要求構(gòu)造要求計算長度：max,wwmin,wlll4）最大計算長度 對側(cè)面角焊縫 承受靜力荷載或間接承受動力荷載時, 直接承受動力荷載時, 在滿足受力和構(gòu)造要求的前提下,從減小焊接熱影響的角度來說,應盡可能采用焊腳尺寸小而長度較長的焊縫。w,maxf60lhw,maxf40lhmax, ffmin, fhhh小結(jié)設計時，焊縫需滿足：焊腳尺寸：構(gòu)造要求構(gòu)造要求5）其他構(gòu)造要求 當板件的端部僅有兩側(cè)角焊縫連接時，為避免應力傳遞的過分曲折而使構(gòu)件中應力過分不均，應使每條

19、側(cè)面角焊縫長度不小于兩側(cè)面角焊縫之間的距離b。t1blwbt2N2hf鋼板拱曲構(gòu)造要求構(gòu)造要求 同時，為了避免因焊縫橫向收縮，引起板件拱曲，應使側(cè)面角焊縫之間的距離b不宜大于16t(當t12mm)或190mm(當t12mm)，t為較薄焊件厚度。若不能滿足上述規(guī)定時，應加正面角焊縫或焊釘。 當角焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時，為避免起、滅弧缺陷發(fā)生在應力集中較大的轉(zhuǎn)角處，宜連續(xù)地繞過轉(zhuǎn)角加焊2hf。 在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，且不小于25mm，以減小焊縫收縮應力和偏心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動對連接的影響 LNNNN發(fā)生轉(zhuǎn)動構(gòu)造要求構(gòu)造要求 對次要構(gòu)件且焊縫受力很小時，可采用間斷角焊縫連接。間

20、斷角焊縫長度l必須大于10hf，且不小于50mm；間斷角焊縫的間距e不宜太長，以免因間斷過大，使連接不緊密。對受壓構(gòu)件：間距e 15t對受拉構(gòu)件：間距e30t t較薄焊件的厚度。 連續(xù)角焊縫間斷角焊縫le構(gòu)造要求構(gòu)造要求3.4.3 3.4.3 直角角焊縫計算的基本公式直角角焊縫計算的基本公式 分析計算直角角焊縫時，作如下假定和簡化處理: 假定角焊縫破壞面與直角邊的夾角為45o； 不計焊縫熔入焊件的深度和焊縫表面的弧線高度，偏安全地取破壞面上等腰三角形的高為直角角焊縫的有效厚度he， he 0.7hf。有效厚度he與焊縫計算長度lw的乘積稱為破壞面的有效截面面積。角焊縫計算簡圖hef(/)2 N

21、ylw2 NxffhflwNyNx有 效 截 面因此有角焊縫的強度條件 ：222w/f33f（3.7）式中垂直于焊縫有效截面的正應力； 有效截面上垂直焊縫長度方向的剪應力； 有效截面上平行于焊縫長度方向的剪應力； ffw角焊縫的強度設計值，由角焊縫的抗剪試驗和可靠度分析確定（附表1.3）。 相當于焊縫單向抗拉強度設計值。因為：wf3ffxe wf/ye w()()Nh lNh l， ff22，將 、 、 代人(3.7)式整理得：22w3fff2()f寫為：22wffff()f（3.8）基本公式基本公式 由式（3.8）還可導出正面角焊縫和側(cè)面角焊縫的計算公式：1）當Ny=0,f=0，只有軸心力N

22、x作用，焊縫為正面角焊縫，其計算公式為： wfxe wff()Nh l f（3.9）2）當Nx=0,f0，只有軸心力Ny作用，焊縫為側(cè)面角焊縫，其計算公式為：wfye wf()Nh lf（3.10）式中：f稱為正面角焊縫的強度增大系數(shù)。對承受靜力荷載或間接承受動力荷載結(jié)構(gòu)中的正面角焊縫， 即正面角焊縫的強度是側(cè)面角焊縫強度的1.22倍；對直接承受動力荷載結(jié)構(gòu)中的正面角焊縫，考慮其剛度大，韌性差，將其強度降低使用，取f =1.0。3f21.22 基本公式基本公式lw角焊縫的計算長度?？紤]起、落弧的影響，每條焊縫的計算長度等于實際長度減去2hf。 公式（3.83.10）即為角焊縫計算的基本公式?；?/p>

23、本公式在分析過程中雖作了簡化處理，但計算結(jié)果與試驗結(jié)果相符，滿足角焊縫設計計算要求。3.4.4 3.4.4 各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計算 (1)軸心力作用下的角焊縫連接計算 蓋板連接 可采用兩側(cè)側(cè)面角焊縫連接，正面角焊縫連接和三面圍焊連接。 NNNN 只有側(cè)焊縫連接時，按式(3.10)計算； 只有正面角焊縫連接時，按式（3.9）計算； 采用三面圍焊時，先用式（3.7）計算正面角焊縫所承擔的軸心力N，其余軸心力（N-N）由側(cè)焊縫承擔，即：連接計算連接計算先計算： wewfflhfN再驗算：wfe wf() ()NNh lflw表示連接一側(cè)角焊縫計算長度的總和。

24、 角鋼與節(jié)點板連接 圖示鋼桁架，弦桿和腹桿采用雙角鋼組成的T形截面，腹桿通過節(jié)點板與弦桿連接。角鋼與節(jié)點板的連接采用兩面?zhèn)群笗r：由平衡條件:1212()NNNN bN beN bNe；1122beNNk NbeNNk Nb（3.11）解得：式中k1、k2焊縫內(nèi)力分配系數(shù)；角鋼類型與組合方式不同，內(nèi)力分配系數(shù)不同，按表3.2采用。lwNN1N2b連接計算連接計算49表3.2 焊縫內(nèi)力分配系數(shù)連接計算連接計算 采用三面圍焊的角焊縫時，先按構(gòu)造要求設定正面角焊縫的焊腳尺寸hf3，并求出正面角焊縫所承擔的力N3為：w3f3ff2 0.7Nh b f（3.12）N3blwNN1N2e再根據(jù)平衡條件（M=

25、0）可得：33113322()22(3.13)22NNN beNk NbNNNeNk Nb連接計算連接計算 采用L形圍焊時，令(3.13) 式中的N20，得: 32132(3.14)Nk NNNNN3lwNN1b連接計算連接計算 和對接焊縫情況類似，考慮施焊時起、滅弧在焊縫端部產(chǎn)生的缺陷，取焊縫長度計算長度2hf。 采用兩邊側(cè)面角焊縫連接并在角鋼端部連續(xù)地繞角加焊2hf時，加焊的2hf可抵消起滅弧的影響，取焊縫長度計算長度 對于三面圍焊，要求在角鋼端部轉(zhuǎn)角處連續(xù)施焊，故每條側(cè)焊縫只有一端受起、滅弧的影響，取側(cè)面角焊縫的長度計算長度 hf 。 例3.2 例3.3 連接計算連接計算(2)彎矩、剪力

26、及軸力共同作用的角焊縫連接計算Ff .Nf .VMf .MNVN1VAM力 的 分 解T形 連 接焊 縫N應 力 分 布e0weNf2lhN2f Mwe w62M wMh l weVf2 lhV 連接計算連接計算 根據(jù)剪力V、軸力N和彎距M的作用方向,確定角焊縫有效截面上的危險點為A,按式(3.8) 驗算，即：22wf Nf Mf Vff(3.16)f 設計時，一般已知角焊縫的實際長度，這時可按構(gòu)造要求選焊腳尺寸hf ，再按式（3.16）驗算危險點的強度。如不滿足，可調(diào)整hf (如果hf hf.max時，需調(diào)整焊縫長度)，直到計算結(jié)果滿足強度條件為止。例3.4 連接計算連接計算(3)扭矩、剪力

27、及軸力共同作用下的角焊縫計算 rf TyTA rxAf TyNVf . Nf . VTryeFl1l2NxxxxA AT作用N、V 作用三面圍焊搭接ooo 在扭矩作用下，焊縫上及點剪應力最大，設點產(chǎn)生的剪應力，為便于分析，將其分解為垂直于焊縫長度的應力和平行于焊縫長度的應力，其中：fTT xx0fTT yy0r r Tr Ir r Tr I（ 3.17）連接計算連接計算式中：I0焊縫計算截面的極慣性矩。 設在N、V作用下焊縫的應力均勻分布,則N、V作用產(chǎn)生的應力表示為： f Ne wf Ve w(3.18)Nh lVh l 根據(jù)扭矩T、剪力V和軸力N作用方向，可確定角焊縫上A點的應力最大，且為

28、平面應力狀態(tài)，由式(3.8)得強度計算公式為：22wf Tf VfTfNff(3.19)f 按上述方法計算時，僅A點的應力達到強度設計值，顯然偏于保守。例3.5 連接計算連接計算3.4.5 3.4.5 未焊透的對接焊縫未焊透的對接焊縫 在鋼結(jié)構(gòu)設計中，當板件較厚，而板件間連接受力又很小，若采用3.3節(jié)所述的對接焊縫（焊透），焊縫強度不能充分發(fā)揮。此時可采用不焊透的對接焊縫。 assssaasssV形坡口U形坡口連接計算連接計算 在設計圖紙上必須注明坡口型式（分V型和U型）及尺寸。由圖可知，未焊透的對接焊縫實際上可視為坡口內(nèi)焊接的角焊縫，故計算方法與直角角焊縫相同，用(3.8)(3.10) 式計

29、算, 偏安全地取f =1.0，其he與坡口類型和坡口角度有關(guān)。V型坡口： 當600時,hes。當 600時,he 0.75s(主要是考慮到根部不易焊滿而降低)。U型坡口 he s。s坡口根部至焊縫表面(不考慮余高)的最短距離；V型坡口角度。 另外，不焊透的對接焊縫的有效厚度he不得小于 ，t是坡口所在焊件的較大厚度(mm)。當熔合線處焊縫截面邊長等于或接近于最短距離s時，應驗算焊縫在熔合線上的抗剪強度，抗剪強度設計值取角焊縫的強度設計值乘以0.9。 1.5 t連接計算連接計算3.5 3.5 焊接應力和焊接變形焊接應力和焊接變形3.5.1 3.5.1 焊接應力的成因和分類焊接應力的成因和分類 鋼

30、結(jié)構(gòu)中的焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻過程，由于不均勻的溫度場，使主體金屬的膨脹和收縮不均勻。導致在主體金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，通常稱這種內(nèi)應力為焊接應力。焊接應力的成因可用右圖所示的高溫加熱模型說明。 l ll+ ll拉 伸 變 形壓 縮 變 形拉 伸 變 形壓 縮 變 形拉 伸 變 形壓 縮 變 形高 溫 加 熱冷 卻自然狀態(tài)61 由于焊接溫度在空間任意方向傳遞，故產(chǎn)生的焊接應力也屬于三維應力狀態(tài)，分為縱向焊接應力（與焊縫長度方向平行）、橫向焊接應力（與焊縫長度方向垂直）及沿焊縫厚度方向的焊接應力。（1）縱向焊接應力800500300施 焊 方 向焊接應力焊接應力（2）橫向焊接應力 產(chǎn)生的原因

31、有兩個方面：其一是焊縫的縱向收縮使兩塊鋼板有相向彎曲的趨勢，但焊縫已將其連成整體，因而在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應力，兩端則產(chǎn)生壓應力。其二是因為施焊時，先焊的焊縫逐步冷卻結(jié)硬，具有一定的強度，并阻止后續(xù)焊縫的橫向膨脹，使后續(xù)焊縫產(chǎn)生橫向的熱塑壓縮。+=焊 縫彎 曲 橫 向 應 力 橫 向 收 縮 應 力 橫 向 焊 接 應 力焊接應力焊接應力（3）厚度方向的焊接應力 厚度方向的焊接應力是厚鋼板的對接焊縫連接中，施焊時需多層施焊，受到加熱和冷卻不均勻而產(chǎn)生的。焊縫成形時，與空氣接觸的焊縫表面先冷卻結(jié)硬，中間部分后冷卻，沿厚度方向的收縮受到外面已冷卻焊縫的約束，因而在焊縫內(nèi)部形成沿厚度方向的拉應力，外

32、部為壓應力。當鋼材厚度t20mm時，厚度方向焊接應力較小，可忽略不計；但t50mm時，厚度方向焊接應力可達50Nmm2。 由上可見，如果縱、橫、厚三個方向的焊接應力在焊縫某區(qū)域形成三向拉應力場，將大大降低焊縫的塑性。t焊接應力焊接應力3.5.2 3.5.2 焊接變形焊接變形 在焊接過程中，由于不均勻加熱和冷卻收縮，勢必使構(gòu)件產(chǎn)生局部鼓曲、 歪曲、彎曲或扭轉(zhuǎn)等。焊接變形的基本形式有縱、橫向收縮，角變形，彎曲變形，扭曲變形和波浪形等。實際的焊接變形常常是幾種變形的組合。橫向及縱向收縮彎曲變形扭轉(zhuǎn)變形波浪變形角變形3.5.3 3.5.3 焊接應力和焊接變形對結(jié)構(gòu)工作的影響焊接應力和焊接變形對結(jié)構(gòu)工作

33、的影響（1）焊接應力對結(jié)構(gòu)性能的影響1)對靜力強度的影響：焊接應力不影響結(jié)構(gòu)的靜力強度。2)對構(gòu)件剛度的影響：焊接應力將降低構(gòu)件的剛度3)對構(gòu)件穩(wěn)定性的影響：焊接應力將降低構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。4)對疲勞強度的影響：焊接應力對直接承受動力荷載的焊接結(jié)構(gòu)不利。5)對低溫冷脆的影響：焊接應力導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低溫脆斷。（2）焊接變形的影響 會導致構(gòu)件的安裝困難，有可能改變構(gòu)件的受力方式。例如軸心壓桿，若焊接時產(chǎn)生了彎曲變形，就變成了壓彎構(gòu)件，其強度和穩(wěn)定承載力將受影響。3.5.43.5.4焊縫的合理構(gòu)造及減小焊接應力、變形的措施焊縫的合理構(gòu)造及減小焊接應力、變形的措施（1）焊縫的合理構(gòu)造1)焊縫的焊腳尺寸和

34、焊縫長度應符合構(gòu)造要求，宜采用細長焊縫，不用粗短焊縫。施焊時不得隨意加大焊縫的焊腳尺寸。2)設計時要考慮焊縫是否有施焊空間，并盡量避免仰焊。3)焊縫布置盡可能對稱，以減少焊接變形,圖(a)。4)不宜采用帶銳角的板料做肋板，板料的銳角應切掉，圖(b)，以免焊接時銳角處板材被燒損，影響材質(zhì)。5)焊縫不宜過分集中，避免產(chǎn)生過大的焊接應力甚至產(chǎn)生裂紋，圖(c)。6)當拉力垂直于受力板面時，要考慮鋼板的分層破壞，圖(d)。7)盡量避免焊縫相交，可將次要焊縫中斷，保證主焊縫連續(xù)，圖(e)。(d)(e)正確不正確不正確正確(a)(b)(c)正確不正確不正確正確不正確正確（2）減小焊接應力、變形的措施4 3

35、2 17 66 7551 2 3 4錘擊法預熱法合理的焊接次序42反變形法措施措施預熱法預熱法 錘擊法錘擊法 退火法退火法 合理的焊接次序合理的焊接次序 反變形法反變形法 3.6 3.6 螺栓連接的構(gòu)造要求螺栓連接的構(gòu)造要求3.6.1 3.6.1 螺栓連接形式螺栓連接形式 螺栓連接的基本形式有蓋板對接、T形連接和搭接，如圖3.49所示。P蓋 板 對 接T形 連 接搭 接3.6.2 3.6.2 螺栓直徑與螺栓孔孔徑要求螺栓直徑與螺栓孔孔徑要求I類孔：加工精度達到H12，孔壁表面粗糙度不大于12.5mm，制作費工，成本高；螺桿直徑比螺栓孔直徑小0.3mm。 II類孔：孔壁表面粗糙度不大于25mm,

36、允許加工偏差較大，但成本低。螺桿直徑比螺栓孔徑小1.01.5mm。 摩擦型連接的孔徑比螺栓公稱直徑d大1.52.0mm；承壓型連接的孔徑比螺栓公稱直徑d大1.01.5mm。 構(gòu)造要求構(gòu)造要求3.6.3 3.6.3 螺栓孔的排列螺栓孔的排列 螺栓的排列形式應簡單、整齊、緊湊，排列方法有并列和錯列兩種。邊距邊距線距線距線 距端 距端 距線 距邊距邊距端 距端 距線 距并 列 排 列錯 列 排 列構(gòu)造要求構(gòu)造要求 螺孔在構(gòu)件上的排列應考慮以下要求：1）受力要求：受力方向的端矩太小，構(gòu)件端部被剪斷；受拉構(gòu)件中距太小，拉斷；對受壓構(gòu)件沿外力方向的中距過大，構(gòu)件易發(fā)生張口或鼓曲現(xiàn)象； 2）構(gòu)造要求：邊距和

37、中距不宜過大，中距過大，連接板件間不密實，潮氣容易侵入，造成板件銹蝕；3）施工要求：留有足夠的空間便于扳手轉(zhuǎn)動。構(gòu)造要求構(gòu)造要求板 端 沖 剪 破 壞板端沖剪破壞（演示）74根據(jù)以上要求，規(guī)范規(guī)定了螺孔的允許距離： 表3.5 螺栓孔和鉚釘孔的最大、最小容許距離（mm）； 表3.6 角鋼上螺栓或鉚釘線距表（mm） 表3.7 工字鋼和槽鋼腹板上的螺栓線距表（mm） 表3.8 工字鋼和槽鋼翼緣上的螺栓線距表（mm） 構(gòu)造要求構(gòu)造要求3.7 3.7 螺栓的工作性能及承載力螺栓的工作性能及承載力 螺栓連接中，螺栓的受力形式有三種情況：螺栓只受剪力作用；螺栓只受拉力作用；螺栓受剪力、拉力共同作用。拉拉剪剪

38、剪拉剪拉3.7.1 3.7.1 受剪螺栓的工作性能及承載力受剪螺栓的工作性能及承載力(1)受剪螺栓的工作性能 考察一個螺栓從受剪到剪斷，受剪面上的平均剪應力和連接的變形間的關(guān)系曲線如圖3.54所示，可劃分為以下四個階段：1）摩擦傳力的彈性階段；2）滑移階段；3）螺桿受剪面?zhèn)髁Φ膹椥噪A段；4）彈塑性階段。 0C級 螺 栓高 強 度 螺 栓34212134（2）普通螺栓和承壓型連接高強度螺栓的抗剪承載力 普通螺栓或承壓型高強度螺栓受剪時，當螺桿較細，板件較厚，螺桿可能被剪壞（演示）；為計算方便，假定螺栓受剪面上的剪應力均勻分布，一個剪力螺栓的抗剪承載力設計值為：式中： nv 受剪面數(shù)目，單剪1；雙

39、剪2。 d 螺栓桿公稱直徑； 螺栓的抗剪強度設計值。 42bvvbvdfnN bvf單剪雙剪79 螺桿受剪的同時，孔壁與螺桿柱面發(fā)生擠壓，擠壓應力分布在半圓柱面上。當螺桿較粗，板件相對較薄，薄板的孔壁可能發(fā)生擠壓破壞。承壓計算時，假定承壓面為半圓柱面的投影面，即螺栓的直徑面dt，且壓應力均勻分布。d螺 栓 孔 壓 壞壓 應 力 簡 化 分 布818283 按上述簡化方法，得一個剪力螺栓的抗壓承載力設計值為：式中 在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度； 螺栓的承壓強度設計值，取決于構(gòu)件材料。 一般情況下，一個螺栓的抗剪承載力和抗壓承載力不同，那一種承載力較小，螺栓就發(fā)生那一種破壞。因此，一個受剪

40、螺栓的承載力應取上兩式中的較小值。即： min , bcbcftdN tbcfbvNbcN85（3）摩擦型連接高強度螺栓的抗剪承載力 與普通螺栓和承壓型連接高強度螺栓不同，摩擦型連接高強度螺栓抗剪不是通過螺栓桿受剪，而是通過緊固螺帽在螺栓桿內(nèi)產(chǎn)生很大的預拉力使被連接件壓緊獲得摩擦力，由摩擦力抵抗剪力。因此，要確定摩擦型連接高強度螺栓的抗剪承載力（摩擦力），必須先確定高強度螺栓的預拉力。 綜合考慮各種影響因素后，高強度螺栓預拉力值由下式計算： P0.90.90.9fuAe1.2 式中 fu 螺栓經(jīng)熱處理后的屈服強度； Ae 螺紋處的有效面積，按附表1.6取用。 常用高強度螺栓的預拉力值列于表3.

41、6，應用中可直接查表。 設被連接板間接觸表面的抗滑移系數(shù)為m，傳力的摩擦面數(shù)目為nf。則一個摩擦型連接高強度螺拴的受剪承載力標準值nfmp ；除以抗力分項系數(shù)1.111，得一個摩擦型連接高強度螺拴的受剪承載力設計值：抗滑移系數(shù)m按表3.7采用。小結(jié)：螺栓的抗剪承載力承壓型連接： min , 摩擦型連接：PnNfbv9 . 0 bvNbcNPnNfbv9 . 0 3.7.2 受拉螺栓的承載力(1)普通螺栓和承壓型連接高強度螺栓受拉承載力 螺栓桿受到沿桿軸方向的拉力作用，受拉螺栓的破壞形式為螺栓桿被拉斷。因此，一個普通螺栓或承壓型連接高強度螺栓的抗拉承載力設計值為： 式中 de螺栓在螺紋處的有效直

42、徑。螺栓的有效直徑或有效面積可查附表1.6； 螺栓的抗拉強度設計值。42ebtebtbtdfAfN btf88 采用雙角鋼構(gòu)成的T形連接來傳遞拉力時，通常角鋼的剛度不大，受拉后，垂直于拉力作用方向的角鋼肢會發(fā)生較大的變形，并起杠桿作用，在該肢外側(cè)端部產(chǎn)生撬力Q（演示）。因此，螺栓實際所受拉力N+Q，由于確定Q值比較復雜，在計算中不計Q力，而是采用降低螺栓強度設計值的方法解決，即取 ；并采取構(gòu)造措施加強角鋼的剛度。 ff8 . 0bt 角 鋼 變 形焊 加 勁 肋8990P拉力作用前CP拉力作用后CffNt2）摩擦型連接高強度螺栓受拉承載力 由于高強度螺栓的預拉力作用，被連接構(gòu)件間在外力作用前已

43、經(jīng)有較大的擠壓力。當連接受拉時，構(gòu)件間有松開的趨勢，擠壓力逐步變小。經(jīng)分析，當構(gòu)件剛好被拉開時 Pf1.1P 為了避免外拉力大于預拉力而使板件松開，規(guī)范規(guī)定：每個高強度螺栓的抗拉承載力設計值： 0.8P btN9101 .01 .03.7.3 同時承受剪力和拉力作用的螺栓承載力 螺栓同時承受剪力和拉力作用。試驗結(jié)果表明，螺栓在力與拉力共同作用時，承載力符合圓曲線相關(guān)關(guān)系，計算式為:同時要求普通螺栓：承壓型連接高強度螺栓： 摩擦型連接高強度螺栓： Nt0.8P12btt2bvvNNNNbcvNN 2 . 1bcvNN tfbv25. 19 . 0NPnN 92 其中使用摩擦型連接高強度螺栓時拉力

44、作用使鋼板間的壓力減小，鋼板間的摩擦力就減小，故拉力的作用降低了螺栓的抗剪能力。另外，根據(jù)試驗結(jié)果，板件接觸面上的抗滑移系數(shù)還因板件間壓力的減小而降低。933.8 3.8 螺栓連接的設計、驗算螺栓連接的設計、驗算 設計螺栓連接的基本步驟是： 1) 根據(jù)連接要求選擇螺栓類型和排列方式； 2) 初選螺栓的公稱直徑，按構(gòu)造要求布置螺栓孔； 3) 根據(jù)連接承受的荷載，計算螺栓群中各螺栓的受力情況； 4) 確定所需的螺栓數(shù)或驗算螺栓的承載力。若受力構(gòu)件的截面有削弱，還需對構(gòu)件截面進行強度驗算。 由于螺栓連接的形式不同，螺栓的類型不同，所受的荷載形式不同，螺栓的受力情況也不同。因此，設計時需對各種情況作具

45、體分析。94平 均 值3.8.1 螺栓群均勻受剪如圖所示雙蓋板螺栓連接，螺栓群在軸力作用下受剪。 試驗證明，沿連接的長度方向分布的各螺栓，其所受剪力并不均勻，兩端大，中間小。當l115d0時，考慮連接進入彈塑性階段后，內(nèi)力發(fā)生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐漸接近，可認為軸力N由每個螺栓平均分擔。95nbNN當l115d0時：bNNn連接所需的螺栓數(shù)目n為：h抗剪承載力折減系數(shù)，根據(jù)情況取值。確定了螺栓數(shù)目，螺栓設計即完成。 但對于圖示連接形式，螺栓孔削弱了受拉鋼板的截面面積，因此還需對板件進行強度驗算，強度計算公式為： nAN 板件強度驗算時要注意所采用的螺栓類型、板件的破壞面位置、破壞面的內(nèi)力

46、和凈截面面積。a、普通螺栓和承壓型連接高強度螺栓蓋板內(nèi)力分布構(gòu)件內(nèi)力分布（b）l1e1e2ta1-1截面： Ant（bn1d0）tdneane ) 1(20222212-2截面： An97b、摩擦型連接高強度螺栓 采用摩擦型連接高強度螺栓時，由于摩擦型連接是靠接觸面上的摩擦阻力傳遞剪力，有部分摩擦力在孔前傳遞，因而構(gòu)件凈截面上的內(nèi)力與普通螺栓連接有所不同。 孔前孔后)5 . 01 (5 . 011nnNnnNNN故摩擦型連接構(gòu)件凈截面的強度計算公式為： 例3.6fAnnNn/5 . 011 98e0N3.8.2 螺栓群受軸力作用均勻受拉拉 如圖所示，軸力作用在螺栓群形心，可認為螺栓群均勻受拉，

47、無論采用那種螺栓，每個螺栓的拉力為：btNiNnNN 可確定螺栓數(shù)或驗算螺栓的抗拉承載力。 3.8.3 螺栓群受彎矩M作用 圖示T型連接，在彎矩M作用下，被連接件有順彎矩M作用方向旋轉(zhuǎn)的趨勢，螺栓受拉。根據(jù)采用的螺栓類型和彎矩大小不同，轉(zhuǎn)動中心位置不同，各個螺栓所受拉力大小也不同，需分類計算。 e(a )oMoyy(b )(c )o (d )yy1)采用普通螺栓 普通螺栓的預拉力很小，在圖示彎矩作用下，連接板件的上部會拉開一定的縫隙。因此，可偏安全地認為被連接構(gòu)件是繞底排螺栓軸線轉(zhuǎn)動（演示）并設各螺栓所受拉力的大小與轉(zhuǎn)動中心O的距離成正比。根據(jù)平衡條件得： nMn3M32M21M1yNyNyNyNmM 根據(jù)幾何關(guān)系得:nMniMi2M21M1yNyNyNyN 2i1M1ymMyN由上兩式得:101102 當螺栓群布置在一個狹長帶上時，即y13x1或x13y1時, 上式中可假設xi0或yi0來簡化計算。2)采用高強度螺栓 根據(jù)高強螺栓受拉的限制條件,拉力0.8P。所以，在彎矩M作用下，被連接構(gòu)件的接觸面一直保持緊密貼合，可認為被連接構(gòu)件是繞