第3章鋼結(jié)構(gòu)連接16.9

衢州學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院3.掌握各種連接（焊接、螺栓連接）和各類構(gòu)件(梁、桿、柱)的工作性能、破壞特征及其設(shè)計的基本方法。2.掌握鋼結(jié)構(gòu)材料的主要性能及其主要影響因素，并能正確地選擇鋼材；1.了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展概況,掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；鋼結(jié)構(gòu)原理的基本要求4.熟悉與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。教學(xué)參考書及規(guī)范:1.鋼結(jié)構(gòu)（第三版）戴國欣

主編武漢工業(yè)大學(xué)出版社2.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范

（GB50017-2003)3.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范

（GB50205-2001)第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接重點(diǎn)：1.掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。2．了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。3．了解鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展趨勢。§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接簡介一、焊縫連接優(yōu)點(diǎn)：不削弱截面，方便施工，連接剛度大；缺點(diǎn)：材質(zhì)易脆，存在殘余應(yīng)力，對裂紋敏感。

對接焊縫連接角焊縫連接二、鉚釘連接

優(yōu)點(diǎn)：連接剛度大，傳力可靠；缺點(diǎn)：對施工技術(shù)要求很高，勞動強(qiáng)度大，施工條件差，施工速度慢。N

分為：

普通螺栓連接

高強(qiáng)度螺栓連接三、螺栓連接§3.2

焊接方法和焊接連接形式3.2.1鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法1.手工電弧焊原理：利用電弧產(chǎn)生熱量

熔化焊條和母材形

成焊縫。

A、焊條的選擇：

焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)。

焊機(jī)導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護(hù)氣體焊件電弧Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)Q345鋼選擇E50型焊條(E5000--5048)Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--5518)B、焊條的表示方法：E—焊條(Electrode)第1、2位數(shù)字為熔融金屬的最小抗拉強(qiáng)度（kgf/mm2)第3、4適用焊接位置、電流及藥皮的類型。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊條。優(yōu)點(diǎn)：方便，特別在高空和野外作業(yè)，小型焊接；缺點(diǎn)：質(zhì)量波動大，要求焊工等級高，勞動強(qiáng)度大，效率低。2.埋弧焊（自動或半自動）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動焊A、焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強(qiáng)度。B、優(yōu)、缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：自動化程度高，焊接速度快，勞動強(qiáng)度低，焊接質(zhì)量好。

缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，施工位置受限等。3.氣體保護(hù)焊優(yōu)、缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：焊接速度快，焊接質(zhì)量好。

缺點(diǎn)：施工條件受限制等。3.2.2焊接連接形式和焊縫形式1.焊接連接形式角部連接焊接連接形式（按被連接構(gòu)件的相對位置）對接鏈接采用拼接蓋板的對接鏈接搭接連接T形鏈接角部連接2.焊縫形式（1）對接焊縫正對接焊縫斜對接焊縫T型對接焊縫（2）角焊縫2.焊縫質(zhì)量檢查外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸；內(nèi)部無損檢驗：檢驗內(nèi)部缺陷。

內(nèi)部檢驗主要采用超聲

波，有時還用磁粉檢驗

熒光檢驗等輔助檢驗方法。還可以采用X射線或γ射線透照或拍片?！朵摻Y(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定：

焊縫按其檢驗方法和質(zhì)量要求分為一級、二級和三級。

一、二級焊縫除外觀檢查外，尚要求一定數(shù)量的超聲波檢驗并符合相應(yīng)級別的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；3.2.3焊縫連接的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要在鋼材上打孔鉆眼，既省工省時，又不使材料的截面積受到減弱（2）任何形狀的構(gòu)件都可直接連接，一般不需要輔助零件，使連接構(gòu)造簡單，傳力路線短，適應(yīng)面廣；（3）焊接連接的氣密性和水密性都較好，結(jié)構(gòu)剛性也較大，結(jié)構(gòu)的整體性較好。缺點(diǎn)：

（1）由于高溫作用在焊縫附近形成熱影響區(qū)，鋼材的金相組織和機(jī)械性能發(fā)生變化，材質(zhì)變脆；（2）焊接的殘余應(yīng)力會使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞和降低壓桿穩(wěn)定的臨界荷載，同時殘余變形還會使構(gòu)件尺寸和形狀發(fā)生變化；（3）焊接結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性，局部裂縫一經(jīng)發(fā)生便容易擴(kuò)展到整體。3.2.4焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢查1.焊縫缺陷3.2.5焊縫代號§3.3角焊縫的構(gòu)造與計算3.3.1角焊縫的形式和構(gòu)造1.角焊縫的形式:直角角焊縫、斜角角焊縫（1）直角角焊縫hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式hehfhf凹面式（2）斜角角焊縫對于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外,不宜用作受力焊縫。2.角焊縫的構(gòu)造1）最大焊腳尺寸hf,max

為了避免焊縫處局部過熱，減小焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，hf,max應(yīng)滿足以下要求:hf,max≤1.2t1（鋼管結(jié)構(gòu)除外）式中:t1---較薄焊件厚度。

對于板件邊緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：

當(dāng)t≤6mm時，hf,max≤t；

當(dāng)t>6mm時，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1ttt1hf2）最小焊腳尺寸hf,min

為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

式中:t2----較厚焊件厚度

另:對于埋弧自動焊hf,min可減去1mm;

對于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當(dāng)t2≤4mm時,hf,min=t23）側(cè)面角焊縫的最大計算長度

側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長度越長，應(yīng)力集中系數(shù)越大。如果焊縫長度不是太大，焊縫兩端達(dá)到屈服強(qiáng)度后，繼續(xù)加載，應(yīng)力會漸趨均勻；當(dāng)焊縫長度達(dá)到一定的長度后，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：注：

1、當(dāng)實(shí)際長度大于以上值時，計算時不與考慮；2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長分布時，不受上式限制。4）側(cè)面角焊縫的最小計算長度

對于焊腳尺寸大而長度小的焊縫，焊件局部加熱嚴(yán)重且起落弧坑相距太近，以及可能產(chǎn)生缺陷，使焊縫不可靠。故為了使焊縫具有一定的承載力，規(guī)范規(guī)定：5）搭接連接的構(gòu)造要求

當(dāng)板件端部僅采用兩條側(cè)面角焊縫連接時：

A.為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，規(guī)范規(guī)定：B.為了避免焊縫橫向收縮時引起板件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)定：bt1t2C.當(dāng)角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hfD.在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度

的5倍，且不得小于25mm。t1t23.3.2角焊縫的工作性能及強(qiáng)度1.角焊縫的強(qiáng)度A.應(yīng)力分析NlwN剪應(yīng)力τf

試驗表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力，強(qiáng)度相對較低，塑性性能較好。因外力通過焊縫時發(fā)生彎折，故剪應(yīng)力沿焊縫長度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻。B.破壞形式（2）正面角焊縫A.應(yīng)力分析

正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑性較差，但強(qiáng)度較高，與側(cè)面角焊縫相比可高出35%--55%以上。B.正面角焊縫的破壞形式（3）斜角焊縫

斜焊縫的受力性能介于側(cè)面角焊縫和正側(cè)面角焊縫之間。2.角焊縫有效截面上的應(yīng)力

1）試驗表明，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，故通常將45o截面作為計算截面，作用在該截面上的應(yīng)力如下圖所示：hfhehh1h2deτ┻τ∥helwh---焊縫厚度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根2）實(shí)際上計算截面的各應(yīng)力分量的計算比較繁難，為了簡化計算，規(guī)范假定：焊縫在有效截面處破壞，且各應(yīng)力分量滿足以下折算應(yīng)力公式:

┻┻∥3）由于我國規(guī)范給定的角焊縫強(qiáng)度設(shè)計值，是根據(jù)抗剪條件確定的故上式又可表達(dá)為：--焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw3.基本計算公式┻┻∥NNyNxσfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf將3—3、3—4式，代入3—2式得：式3—5即為，規(guī)范給定的角焊縫強(qiáng)度計算通用公式βf—正面角焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)；靜載時取1.22，動載時取1.0。對于正面角焊縫，τf=0，由3—5式得：對于側(cè)面角焊縫，σf=0，由3—5式得：

以上各式中：he=0.7hf；

lw—角焊縫計算長度，考慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其

實(shí)際長度減去2hf。3.3.3角焊縫的計算1.軸心力作用下軸心力作用下的蓋板對接連接:A、僅采用側(cè)面角焊縫連接：B、采用三面圍焊連接：NNlwlw’算例1

如圖所示兩塊板厚t＝14mm的板采用上下兩塊蓋板（板厚t＝8mm）連接，鋼材采用Q235，手工焊，焊條E43，承受靜態(tài)軸心力N＝500KN，已知端縫長度為Lw1＝400mm，側(cè)縫長度為Lw2＝300mm，根據(jù)下列情況設(shè)計焊縫：（1）僅有側(cè)面角焊縫；（2）僅有正面角焊縫；解：根據(jù)構(gòu)造要求焊角尺寸

≤

hf≤1.2x8

≤t-(1～2)所以取hf=6mm（2）僅有正面角焊縫；（1）僅有側(cè)面角焊縫；可得角焊縫計算的基本公式為僅有平行于焊縫長度方向的軸心力時僅有一垂直于焊縫長度方向的軸心力時同時有平行和垂直于焊縫長度方向的軸心力時2.軸心力作用下，角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接的角焊縫計算2.角鋼角焊縫連接A、僅采用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw22.軸心力作用下，角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接的角焊縫計算算例2

如圖所示某桁架腹桿采用角鋼2L140X10，用角焊縫三面圍焊與節(jié)點(diǎn)板連接，鋼材采用Q235，手工焊，焊條E43，承受靜態(tài)軸心力N＝1170KN，已知焊角尺寸hf＝8mm，肢背焊縫長度Lw1＝400mm，肢尖焊縫長度Lw2＝250mm，驗算焊縫連接是否安全：1）正面角焊縫承擔(dān)的力

N3

=0.7hf∑lw3βf

ffw

＝0.7x8x140x2x1.22x160＝306kN2）肢背受力：3)肢尖受力：N1

=K1

N－N3

/2＝0.7x1170-306/2=666kN≤0.7x8x2x(400-8)x160=702kNN2

=K2N－N3

/2＝0.3x1170-306/2=198kN≤0.7x8x2x(250-8)x160=434kN3.N、M、V共同作用下NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(1)偏心軸力作用下角焊縫強(qiáng)度計算算例3驗算如圖所示牛腿與鋼柱連接角焊縫強(qiáng)度。鋼材采用Q235，手工焊，焊條E43，N＝300KN，V＝200KN，e＝100mm，已知焊角尺寸hf＝8mm，焊縫長度Lw＝400mm。剪力V產(chǎn)生彎矩M＝Ve產(chǎn)生軸力N產(chǎn)生焊縫強(qiáng)度驗算：4.T、V共同作用下Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr假定:A、被連接件絕對剛性，焊縫為彈性，即：T作用下被連接件有繞焊縫形心旋轉(zhuǎn)的趨勢；B、T作用下焊縫群上任意點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與焊縫形心的連線，且大小與r成正比；C、在V作用下，焊縫群上的應(yīng)力均勻分布。將F向焊縫群形心簡化得:V=FT=F(e1+e2)故：該連接的設(shè)計控制點(diǎn)

為A點(diǎn)和A’點(diǎn)xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhee2x0l1l2xxyyAA’0TVrT作用下A點(diǎn)應(yīng)力:將其沿x軸和y軸分解:剪力V作用下,A點(diǎn)應(yīng)力:A點(diǎn)垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力為:A點(diǎn)平行于焊縫長度方向的應(yīng)力為:強(qiáng)度驗算公式：思考:以上計算方法為近似計算，為什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe§3.4對接焊縫的構(gòu)造與計算3.4.1對接焊縫的構(gòu)造1、對接焊縫的坡口形式:t--焊件厚度(1)當(dāng):t<6mm(手工焊),t<10mm(埋弧焊)時可不做坡

口,采用直邊縫;(2)t=7~20mm時，宜采用單邊V形和雙邊V形坡口;(3)t>20mm時，宜采用U形、K形、X形坡口。

對接焊縫的焊件常做坡口，坡口形式與板厚和施工條件有關(guān)。C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）2、V形、U形坡口焊縫單面施焊，但背面需進(jìn)行補(bǔ)焊；3、對接焊縫的起、滅弧點(diǎn)易出現(xiàn)缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后將其切去；不能做引弧板時，每條焊縫的計算長度等于實(shí)際長度減去2t1t1—較薄焊件厚度；4、當(dāng)板件厚度或?qū)挾仍谝粋?cè)相差大于4mm時，應(yīng)做坡度不大于1:2.5(靜載)或1:4(動載)的斜角，以平緩過度，減小應(yīng)力集中?！?:2.5≤1:2.53.4.2對接焊縫的計算對接焊縫分為：焊透和部分焊透（自學(xué)）兩種；動荷載作用下部分焊透的對接焊縫不宜用做垂直受力方向的連接焊縫；對于靜載作用下的一級和二級對接焊縫其強(qiáng)度可視為與母材相同，不與計算。三級焊縫需進(jìn)行計算；對接焊縫可視作焊件的一部分，故其計算方法與構(gòu)件強(qiáng)度計算相同。NNt1.軸心力作用下的對接焊縫計算式中：N—軸心拉力或壓力；t—板件較小厚度；T形連接中為腹板厚度；ftw、fcw

—對接焊縫的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。NNlwtA

當(dāng)不滿足上式時，可采用斜對接焊縫連接如圖B。另:當(dāng)tanθ≤1.5時,不用驗算!NNtBθNsinθNcosθlw2.M、V共同作用下的對接焊縫計算（1）板件間對接連接因焊縫截面為矩形，M、V共同作用下應(yīng)力圖為：故其強(qiáng)度計算公式為：lwtAMVστ式中：Ww—焊縫截面模量；Sw--焊縫截面面積矩；Iw--焊縫截面慣性矩。（2）工字形截面梁對接連接計算MV1焊縫截面A、對于焊縫的σmax和τmax應(yīng)滿足式3-29和3-30要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、對于翼緣與腹板交接點(diǎn)焊縫（1點(diǎn)），其折算應(yīng)力尚應(yīng)滿足下式要求：1.1—考慮最大折算應(yīng)力只在局部出現(xiàn)的強(qiáng)度增大系數(shù)。-320x20-320x20-1160x10算例5如圖所示焊接工字形梁僅在腹板上設(shè)一道對接拼接焊縫，鋼材采用Q345，手工焊，焊條E50，拼接處彎矩M＝2600kNm，剪力V＝244kN，設(shè)置引弧板，質(zhì)量等級三級，試驗算強(qiáng)度。驗算內(nèi)容：（1）最大應(yīng)力驗算（2）折算應(yīng)力驗算（1）焊縫所處截面的慣性矩：上翼緣對x軸的面積矩：上半截面對x軸的面積矩：（2）焊縫最大應(yīng)力驗算：（2）折算應(yīng)力驗算：腹板與上翼緣交界點(diǎn)折算應(yīng)力：§3.5焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘余應(yīng)力的分類及其產(chǎn)生的原因

1、焊接殘余應(yīng)力的分類A、縱向焊接殘余應(yīng)力—沿焊縫長度方向;B、橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長度方向;C、沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力。

2、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

（1）縱向焊接殘余應(yīng)力

焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫處可達(dá)1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++產(chǎn)生的原因:1、焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為，橫向焊接殘余應(yīng)力。

（2）橫向焊接殘余應(yīng)力(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力-+-321σxσyσz

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力σx,σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力σz，這三種應(yīng)力形成同號(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。二、焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響1、對結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即N=Ny時：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度沒有影響。+--fyfbBt2、對結(jié)構(gòu)剛度的影響A、當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作用下應(yīng)變增量為：f+--bfyNN+--fyfNNbBt因為B-b<B，所以△ε1>△ε2。結(jié)論：

焊接殘余應(yīng)力的存在增大了結(jié)構(gòu)的變形，即降低了結(jié)構(gòu)的剛度。

另外，對于軸心受壓構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力（詳見第五章）。B、當(dāng)截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時，在N作用下應(yīng)變增量為：3、對低溫冷脆的影響4、對疲勞強(qiáng)度的影響

對于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力，限制了其塑性的發(fā)展，增加了鋼材低溫脆斷傾向。

所以，降低或消除焊接殘余應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要措施。

在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯的不利影響。三、焊接變形

焊接變形包括：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等，通常是幾種變形的組合。

四、減小焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的措施1、設(shè)計上的措施；（1）焊接位置的合理安排（2）焊縫尺寸要適當(dāng)（3）焊縫數(shù)量要少，且不宜過分集中（4）應(yīng)盡量避免兩條以上的焊縫垂直交叉（5）應(yīng)盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力2、加工工藝上的措施（1）采用合理的施焊順序（2）采用反變形處理（3）小尺寸焊件，應(yīng)焊前預(yù)熱或焊后回火處理§3.6螺栓連接的構(gòu)造螺栓的種類1.普通螺栓C級---粗制螺栓，性能等級為4.6或4.8級；4表示fu≥400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅱ類孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d)＝1～3mm。A、B級---精制螺栓，性能等級為5.6或8.8級;5或8表示fu≥500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅰ類孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d)＝0.3～0.5mm。按其加工的精細(xì)程度和強(qiáng)度分為:A、B、C三個級別。2.高強(qiáng)度螺栓由45號、40B和20MnTiB鋼加工而成，并經(jīng)過熱處理45號－8.8級；40B和20MnTiB－10.9級大六角高強(qiáng)螺栓扭剪型高強(qiáng)螺栓3.6.1螺栓的排列1.并列—簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu)件截面削弱大；B錯列A并列中距中距邊距邊距端距2.錯列—排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構(gòu)件截面削弱??；

3.螺栓排列的要求（1）受力要求:

垂直受力方向：為了防止螺栓應(yīng)力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太小；

順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太?。?/p>

對于受壓構(gòu)件：為防止連接板件發(fā)生鼓曲，中距不能太大。（2）構(gòu)造要求；

螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。（3）施工要求

為了便于扳手?jǐn)Q緊螺母，螺栓中距應(yīng)不小于3do。

根據(jù)以上要求，規(guī)范給定了螺栓的容許間距。（3）施工要求

為了便于扳手?jǐn)Q緊螺母，螺栓中距應(yīng)不小于3do。

根據(jù)以上要求，規(guī)范給定了螺栓的容許間距。3.6.2螺栓連接的構(gòu)造要求為了保證連接的可靠性，每個桿件的節(jié)點(diǎn)或拼接接頭一端不宜少于兩個永久螺栓，但組合構(gòu)件的綴條除外；直接承受動荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽，或其他措施以防螺帽松動；C級螺栓宜用于沿桿軸方向的受拉連接，以下情況可用于抗剪連接：

1、承受靜載或間接動載的次要連接；

2、承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接；

3、臨時固定構(gòu)件的安裝連接。型鋼構(gòu)件拼接采用高強(qiáng)螺栓連接時，為保證接觸面緊密，應(yīng)采用鋼板而不能采用型鋼作為拼接件；§3.7

普通螺栓連接計算★3.7.1螺栓連接的受力形式FNFA

只受剪力B

只受拉力C剪力和拉力共同作用

1.普通螺栓抗剪連接（一）工作性能和破壞形式

1.工作性能對圖示螺栓連接做抗剪試驗,即可得到板件上a、b兩點(diǎn)相對位移δ和作用力N的關(guān)系曲線,該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個階段,即：

(1)摩擦傳力的彈性階段(0~1段)

直線段—連接處于彈性狀態(tài)；該階段較短—摩擦力較小。NδO1234NNabNN/2N/2(2)滑移階段(1~2段)

克服摩擦力后，板件間突然發(fā)生水平滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的距離，表現(xiàn)在曲線上為水平段。NδO1234abNN/2N/2

(3)栓桿傳力的彈性階段(2~3段)

該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力。栓桿受剪力、拉力、彎矩作用，孔壁受擠壓。由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導(dǎo)致的板件間摩擦力的增大，N-δ關(guān)系以曲線狀態(tài)上升。(4)彈塑性階段(3~4段)

達(dá)到‘3’后，即使給荷載以很小的增量，連接的剪切變形迅速增大，直到連接破壞。

‘4’點(diǎn)（曲線的最高點(diǎn)）即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。NδO1234abNN/2N/2Nu2.破壞形式（1）螺栓桿被剪壞

栓桿較細(xì)而板件較厚時（2）孔壁的擠壓破壞

栓桿較粗而板件較薄時（3）板件被拉斷

截面削弱過多時

以上破壞形式予以計算解決。N/2NN/2NNNN（4）板件端部被剪壞(拉豁)

端矩過小時；端矩不應(yīng)小于2dONN（5）栓桿彎曲破壞螺栓桿過長；栓桿長度不應(yīng)大于5d這兩種破壞構(gòu)造解決N/2NN/2（二）抗剪螺栓的單栓承載力設(shè)計值

由破壞形式知抗剪螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況，故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定:nv—剪切面數(shù)目；d—螺栓桿直徑；fvb、fcb—螺栓抗剪和承壓強(qiáng)度設(shè)計值；∑t—連接接頭一側(cè)承壓構(gòu)件總厚度的較小值。單栓抗剪承載力：抗剪承載力：承壓承載力：d剪切面數(shù)目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/23.7.2普通螺栓群連接計算1、普通螺栓群軸心力作用下抗剪計算N/2Nl1N/2平均值螺栓的內(nèi)力分布

試驗證明,栓群在軸力作用下各個螺栓的內(nèi)力沿栓群長度方向不均勻，兩端大,中間小。

當(dāng)l1≤15d0(d0為孔徑)時，連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，內(nèi)力重新分布，各個螺栓內(nèi)力趨于相同，故設(shè)計時假定N有各螺栓均擔(dān)。所以，連接所需螺栓數(shù)為：

當(dāng)l1>15d0(d0為孔徑)時，連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，即使內(nèi)力重新分布,各個螺栓內(nèi)力也難以均勻，端部螺栓首先破壞,然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)η與l1/d0的關(guān)系曲線。ECCS試驗曲線8.8級

M22我國規(guī)范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長連接螺栓的內(nèi)力分布故，連接所需栓數(shù)：

當(dāng)l1>15d0(d0為孔徑)時，連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，即使內(nèi)力重新分布,各個螺栓內(nèi)力也難以均勻，端部螺栓首先破壞,然后依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)η與l1/d0的關(guān)系曲線。ECCS試驗曲線8.8級

M22我國規(guī)范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長連接螺栓的內(nèi)力分布故，連接所需栓數(shù)：NNbtt1b1

普通螺栓群軸心力作用下，為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進(jìn)行板件的凈截面驗算。拼接板的危險截面為2-2截面:A、螺栓采用并列排列時:主板的危險截面為1-1截面:1122NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用錯列排列時:主板的危險截面為1--1和1’--1’截面:111’1’NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險截面為2--2和2’--2’截面:222’2’算例6如圖所示某鋼板的搭接連接，板件厚t＝16mm，寬b＝240mm，拼接板t1＝7mm，采用C級螺栓M22，孔徑d0＝23.5mm，承受軸心力N＝500kN，鋼材采用Q235，試設(shè)計該連接?？辜舫休d力設(shè)計值：承壓承載力設(shè)計值：抗剪螺栓的承載力設(shè)計值板件凈截面強(qiáng)度:

抗剪螺栓數(shù)：取螺栓數(shù)n＝62.螺栓群在扭矩作用下的抗剪計算F作用下每個螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下連接按彈性設(shè)計，其假定為：

（1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；

（2）T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動，各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關(guān)系，方向與ri垂直。TxyN1TN1TxN1Tyr11

顯然，T作用下‘1’號螺栓所受剪力最大（r1最大）。由假定‘(2)’得由式3-39得:由力的平衡條件得：TxyN1TN1TxN1Tyr11將上式代入得:將N1T沿坐標(biāo)軸分解得:由此可得螺栓1的強(qiáng)度驗算公式為:

另外,當(dāng)螺栓布置比較狹長(如y1≥3x1)時,可進(jìn)行如下簡化計算：令:xi=0，則N1Ty=0（一）普通螺栓抗拉連接的工作性能3.普通螺栓的抗拉連接

抗拉螺栓連接在外力作用下，連接板件接觸面有脫開趨勢，螺栓桿受桿軸方向拉力作用，以栓桿被拉斷為其破壞形式。（二）單個普通螺栓的抗拉承載力設(shè)計值式中：Ae--螺栓的有效截面面積；

de--螺栓的有效直徑；

ftb--螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。dedndmd公式的兩點(diǎn)說明：（1）螺栓的有效截面面積

因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是有效直徑de而不是凈直徑dn，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)?。篸edndmd公式的兩點(diǎn)說明：（1）螺栓的有效截面面積

因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是有效直徑de而不是凈直徑dn，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)?。?2）螺栓垂直連接件的剛度對螺栓抗拉承載力的影響

A、螺栓受拉時，一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞，即螺桿并非軸心受拉，當(dāng)連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開的趨勢（杠桿作用），使螺桿中的拉力增加（撬力Q）并產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。連接件剛度越小撬力越大。試驗證明影響撬力的因素較多，其大小難以確定，規(guī)范采取簡化計算的方法，取ftb=0.8f（f—螺栓鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值）來考慮其影響。B、在構(gòu)造上可以通過加強(qiáng)連接件的剛度的方法，來減小杠桿作用引起的撬力，如設(shè)加勁肋，可以減小甚至消除撬力的影響。4.普通螺栓群的軸拉設(shè)計

一般假定每個螺栓均勻受力，因此，連接所需的螺栓數(shù)為：N5.螺栓群在彎矩作用下的抗拉計算M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計，其假定為：

（1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；（2）螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處，各螺栓所受拉力與其至中和軸的距離呈正比。顯然‘1’號螺栓在M作用下所受拉力最大由力學(xué)及假定可得：M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸由式上得:將上式代入得:6.普通螺栓拉、剪聯(lián)合作用011VeM=VeV因此：2、由試驗可知，兼受剪力和拉力

的螺桿，其承載力無量綱關(guān)系

曲線近似為一“四分之一圓”。1、普通螺栓在拉力和剪力的共同

作用下，可能出現(xiàn)兩種破壞形

式：螺桿受剪兼受拉破壞、孔壁的承壓破壞；3、計算時，假定剪力由螺栓群均

勻承擔(dān)，拉力由受力情況確定。

規(guī)范規(guī)定：普通螺栓拉、剪聯(lián)合作用為了防止螺桿受剪兼受拉破壞，應(yīng)滿足：為了防止孔壁的承壓破壞，應(yīng)滿足：011ab

另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓連接，當(dāng)有承托承擔(dān)全部剪力時，螺栓群按受拉連接計算。式中：

α—考慮剪力對角焊縫偏心影響的增大系數(shù)，一般取α=1.25~1.35；其余符號同前。M刨平頂緊承托(板)V連接角焊縫

承托與柱翼緣的連接角焊縫按下式計算：§3.8高強(qiáng)度螺栓連接計算3.8.1高強(qiáng)度螺栓的工作性能及單栓承載力

按受力特征的不同高強(qiáng)度螺栓分為兩類：

摩擦型高強(qiáng)度螺栓—通過板件間摩擦力傳遞內(nèi)力，破壞準(zhǔn)則為克服摩擦力；承壓型高強(qiáng)度螺栓—受力特征與普通螺栓類似。高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的建立方法通過擰緊螺帽的方法，螺帽的緊固方法：A、轉(zhuǎn)角法施工方法：初擰—用普通扳手?jǐn)Q至不動，使板件貼緊密；終擰—初擰基礎(chǔ)上用長扳手或電動扳手再擰過一定的

角度，一般為120o~180o完成終擰。特點(diǎn)：預(yù)拉力的建立簡單、有效，但要防止欠擰、漏擰

和超擰；B、扭矩法

施工方法：

初擰—用力矩扳手?jǐn)Q至終擰力矩的30%~50%，使

板件貼緊密；

終擰—初擰基礎(chǔ)上，按100%設(shè)計終擰力矩擰緊。特點(diǎn)：簡單、易實(shí)施，但得到的預(yù)拉力誤差較大。C、扭斷螺栓桿尾部法（扭剪型高強(qiáng)度螺栓）C、扭斷螺栓桿尾部法（扭剪型高強(qiáng)度螺栓）施工方法：

初擰—擰至終擰力矩的60%~80%；

終擰—初擰基礎(chǔ)上，以扭斷螺栓桿尾部為準(zhǔn)。特點(diǎn)：施工簡單、技術(shù)要求低易實(shí)施、質(zhì)量易保證等高強(qiáng)度螺栓的施工要求：

由于高強(qiáng)度螺栓的承載力很大程度上取決于螺栓桿的預(yù)拉力，因此施工要求較嚴(yán)格：1）終擰力矩偏差不應(yīng)大于±10%；2）如發(fā)現(xiàn)欠、漏和超擰螺栓應(yīng)更換；3）擰固順序先主后次，且當(dāng)天安裝，當(dāng)天終擰完。

如工字型梁為：上翼緣→下翼緣→腹板。

高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力是根據(jù)螺栓桿的有效抗拉強(qiáng)度確定的，并考慮了以下修正系數(shù)：考慮材料的不均勻性的折減系數(shù)0.9；為防止施工時超張拉導(dǎo)致螺桿破壞的折減系數(shù)0.9；考慮擰緊螺帽時，螺栓桿上產(chǎn)生的剪力對抗拉強(qiáng)度的降低除以系數(shù)1.2。附加安全系數(shù)0.9。

因此，預(yù)拉力：Ae—螺紋處有效截面積；fu—螺栓熱處理后的最抵抗拉強(qiáng)度；8.8級，取fu=830N/mm2，10.9級，取fu=1040N/mm21.高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的確定2.高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)μ摩擦型高強(qiáng)度螺栓是通過板件間摩擦力傳遞內(nèi)力的，而摩擦力的大小取決于板件間的擠壓力（P）和板件間的抗滑移系數(shù)μ；板件間的抗滑移系數(shù)與接觸面的處理方法和構(gòu)件鋼號有關(guān)，其大小隨板件間的擠壓力的減小而減??；規(guī)范給出了不同鋼材在不同接觸面的處理方法下的抗滑移系數(shù)μ,如下表3.8.2高強(qiáng)度螺栓連接的抗剪計算抗剪連接工作性能受力過程與普通螺栓相似，分為四個階段：摩擦傳力的彈性階段、滑移階段、栓桿傳力的彈性階段、彈塑性階段。但比較兩條N—δ曲線可知，由于高強(qiáng)度螺栓因連接件間存在很大的摩擦力，故其第一個階段遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通螺栓。高強(qiáng)度螺栓NδO12341234普通螺栓abNN/2N/21.對于高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，其破壞準(zhǔn)則為板件發(fā)生相對滑移，因此其極限狀態(tài)為1點(diǎn)而不是4點(diǎn)，所以1點(diǎn)的承載力即為一個高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力：NδO12341234高強(qiáng)度螺栓普通螺栓abNN/2N/2式中：0.9—抗力分項系數(shù)γR的倒數(shù)(γR=1.111);nf—傳力摩擦面數(shù)目;

μ--摩擦面抗滑移系數(shù);P—預(yù)拉力設(shè)計值.1.高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力設(shè)計值2.對于高強(qiáng)度螺栓承壓型抗剪連接，允許接觸面發(fā)生相對滑移，破壞準(zhǔn)則為連接達(dá)到其極限狀態(tài)4點(diǎn)，所以高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的單栓抗剪承載力計算方法與普通螺栓相同。NδO12341234高強(qiáng)度螺栓普通螺栓單栓抗剪承載力：抗剪承載力：承壓承載力：3.高強(qiáng)度螺栓群的抗剪計算1、軸心力作用

假定各螺栓受力均勻，故所需螺栓數(shù)：對于摩擦型連接：對于承壓型連接：NNNNbtt1b1

高強(qiáng)度螺栓群軸心力作用下,為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進(jìn)行板件的凈截面驗算.A、高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接主板的危險截面為1-1截面。11考慮孔前傳力50%得：

1-1截面的內(nèi)力為：NNbtt1b1拼接板的危險截面為2-2截面。22考慮孔前傳力50%得：2-2截面的內(nèi)力為：B、高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的凈截面驗算與普通螺栓的凈截面驗算完全相同。算例10如圖所示某鋼板采用高強(qiáng)度螺栓的搭接連接，板件厚t＝16mm，寬b＝240mm，拼接板t1＝8mm，孔徑d0＝21.5mm，承受軸心力N＝600kN，鋼材采用Q235，8.8級M20螺栓，摩擦面為噴砂后生赤銹，試分別按摩擦型和承壓型設(shè)計該連接。（1）摩擦型查表螺栓數(shù)取n＝6凈截面強(qiáng)度驗算：（2）承壓型螺栓數(shù)因為是搭接，所以螺栓數(shù)目增加10％，n＝4.4，取n＝6凈截面強(qiáng)度驗算：算例11P73

3.8.3高強(qiáng)度螺栓群的抗拉計算1、軸心力作用

假定各螺栓均勻受力，故所需螺栓數(shù)：N2、彎矩作用下

由于高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力一般總小于其預(yù)拉力P，故在彎矩作用下，連接板件接觸面始終處于緊密接觸狀態(tài)，彈性性能較好，可認(rèn)為是一個整體,所以假定連接的中和軸與螺栓群形心軸重合，最外側(cè)螺栓受力最大。MMM1234y1y2N1N2N3N4受壓區(qū)中和軸由力學(xué)可得：因此，設(shè)計時只要滿足下式即可：3.高強(qiáng)度螺栓群在拉力和剪力共同作用下的連接計算NV單個螺栓所受的剪力：單個螺栓所受的拉力：1234NVN作用下V作用下Ⅱ、對于高強(qiáng)度螺栓承壓型連接應(yīng)滿足：Ⅰ、對于高強(qiáng)度