华南理工大学钢结构理论第3章(连接).pdf

第3章 钢结构连接紧固件连接3.1 连接方法 焊接——最主要方法，不削弱截面，省钢材，加工简便，密封性好焊缝区力学性能下降 铆钉连接——费工费料，工艺复杂，韧性好，重型动力荷载普通螺栓：Q235，操作简单便于装卸，粗制、精制螺栓连接——高强螺栓：强度高的钢材，连接紧密，耐疲劳，承受动力可靠，代替铆钉 连接方法焊接方法:手工焊、埋弧焊(自动) 气体保护焊、电阻焊3.2 焊接方法、连接形式、焊缝类别焊接连接形式：被连接构件的相对位置 3.2 焊接方法、连接形式、焊缝类别顶接也称为T形连接焊缝连接形式（平接）被连接件在同一平面焊缝连接形式（搭接）被连接件相互重叠焊缝连接形式（T形连接和角接）被连接件相互垂直焊条型号焊条选用原则：与焊件母材的钢号相匹配 焊条型号主要分3类： E43型—Q235 E50型—Q345 E55型—Q390、Q420 其中43，50，55— 最小抗拉强度， E43××, E50××, E55××, ××—代表电流种类，药皮及不同焊接位置焊缝类别 对接焊缝—正对接焊缝、斜对接焊缝 角焊缝—正面角焊缝，焊缝垂直外力侧面角焊缝，焊缝平行外力对接焊缝坡口形式构造：板边要处理开坡口，坡口与厚度有关 t 20mm 开U、K、X型坡口 c-间隙 p-钝边焊缝方位焊工与焊件的相对位置分为3种： 平焊 ——质量易保证 立焊、横焊 ——比平焊难 仰焊 ——难操作，质量难保证 设计详细考虑每条焊缝方位，尽量平焊，避免仰焊焊缝方位焊缝代号由指引线、基本符号、辅助符号和补充符号等组成焊缝基本符号辅助符号和补充符号各种焊缝符号3.3 角焊缝的计算1.角焊缝的构造和强度fillet weld 焊缝厚度—hf ，焊缝长度 —lw直角角焊缝斜角角焊缝常用于钢管结构斜角角焊缝普通角焊缝角焊缝构造要求.hf小，焊缝的热量小，冷却快易生裂纹，且承载力不足 h fmin =1.5 tt---较厚焊件的厚度 当焊件厚度≤4 mm 时，取 h fmin = 焊件厚度 最小焊脚尺寸最大焊脚尺寸hf大，焊接变形大热影响区增大，易脆裂，易烧穿较薄焊件 t-----较小焊件厚度焊脚尺寸取值最大、最小焊缝长度8 hf ≤ l w ≤ 60h f 侧焊缝剪应力沿长度分布不均匀， 二头大中间小，超过部分不考虑; 如 hf小, lw大，焊件局部加热严重，产生缺陷，应力集中严重 ≮40mm角焊缝其它构造要求---当端部只有2条侧焊缝时l wb≥；tb16≤或 200 ㎜不满足加正面角焊缝 角焊缝其它构造要求---当端部只有2条侧焊缝时端部转角处绕角焊搭接接头尺寸限制角焊缝计算基本假定? 所有角焊缝只承受剪应力,只区分侧焊缝和端焊缝； ? 焊缝计算截面为45°截面，面积为 0.7f wh l角焊缝计算公式推导? 有效截面OO`M`M，任何受力可求得有效截面的3种应力，这3种应力互相垂直，满足（1）角焊缝计算公式推导? 任何外力可分解为Nx、Ny、Nz，在有效截面上引起的平均应力为：? 既不是正应力也不是剪应力，而是有夹角，将其分 别分解到平行和垂直于OM方向，有角焊缝计算公式推导将上式代入式（1），得：（2）该公式是角焊缝最基本的公式，任何复杂受力只要算出公式中的3种应力，即可验算焊缝。

角焊缝的公式1. 当只有外力Nz，Nx=Ny=0，即焊缝只受平行焊缝 方向的力，是侧焊缝， 得：/,0fze wfxfyNh lτσσ===w ff e wNfh lτ=≤角焊缝的公式2.当只有外力Nx，Ny=Nz=0，即焊缝只受垂直于焊缝方向的力，是端焊缝，只有 得：由此看出正面角焊缝是 侧面角焊缝的1.22倍/,0fxxe wffyNh lστσ===1.22w ff e wNfh lσ=≤角焊缝的公式3.当有外力Nx、Nz，只有Ny=0，即焊缝受垂直于焊缝方向和平行于焊缝方向的力同时作用， /,/,0fxxe wfze wfyNh lNh lστσ===22()fw ff ffστβ+≤轴心力矩形板角焊缝计算例3.24. 当三面围焊时，先算端焊缝承担的力 N` ∑w fe wfN`=ββhl f 剩下的力(N-N`)由侧焊缝承担 ∑w ff fwN - N`ττ=≤≤f0.7h l轴心力角钢角焊缝计算（两面侧焊）对于二面侧焊，设1N、2N分别为角钢肢背、肢尖焊缝承担的内力 其平衡条件： 1N+2N=N ；1N1e=2N2e解得 NbeN2 1=NbeN1 2=be2、be1的比值变化在一定范围内变化， 令 =1k be2=2k be11k、2k——焊缝内力分配系数，近似按表 7.3 b角钢角焊缝分配系数角钢焊缝属偏心受力，且由于角钢形状及 拼接方式不同，肢尖与肢背承受的荷载也 不同。

令其分配系数分别为等肢角钢0.7 0.3 不等肢角钢长肢相拼0.65 0.35 不等肢角钢短肢相拼0.75 0.25kk12和 k1k2肢背 fτ= k1 N /(0.7· hf1·l w1 ) ≤ ffw 肢尖 fτ= k2 N /(0.7· hf2·l w2 ) ≤ ffw 角钢角焊缝计算（两面侧焊）三面围焊时，先算端焊缝承担力 N3 =βf ·h f3 ·l w3 ·ffwN1= k1 N－N3 / 2 N2= k2 N－ N3 / 2 L 形围焊时，令 N2=0 则 N3=2 k2 N N1= N - N3 =(1-2 k2) N 例3-3轴心力角钢角焊缝计算（三面围焊）顶接角焊缝的计算顶接角焊缝的计算受 M、V、N 共同作用下的效应等于各力单独作用的效应之和(1) M 单独作用时，产生垂直焊缝方向σfM σfM =wwM WM W= 2 e w2 e w6M 2h l6M 2h l(2) V 单独作用时，产生平行焊缝方向τfV τfV = V/ Ae = V / 2 he lw =τ(A e——焊焊焊缝缝缝的的的有有有效效效截截截面面面) ) )(3) N 单独作用时，产生垂直焊缝方向σfN σfN = N/ Ae = N / 2 he lw 最大应力在 A 点σf =σfM +σ fN 顶接角焊缝图工字形梁截面与柱连接（顶接）通常假定：M由全部焊缝承受，V仅由腹板焊缝承 受。

最外翼缘 1 点：w f1ff WMσσ=≤β≤βfW，fττ= 0腹板焊缝与翼缘交点：f2σσ ，f fVττ=A工字形梁截面与柱连接（顶接）例3.4222()fw ff ffστβ+≤扭矩、剪力、轴心力作用下搭接角焊缝计算在扭矩 T 单独作用下二个假定： 1)被连接的板件绝对刚性，焊缝弹性； 2)板件绕焊缝形心 O 旋转，焊缝各点的应力垂直该点与 O 的连线，其值与连线的 r 成正比 扭矩单独作用下搭接角焊缝计算为极惯性矩代入角焊缝公式计算即可T ATr Iρτ=xyIIIρ=+剪力、轴力单独作用下搭接角焊缝计算J－Ip在 V 单独作用下： 由于 V 通过形心，引起应力均匀分布 对 A 点垂直焊缝方向 σσfV fV =V/ A=V/ Ae e 在 N 单独作用下： 对 A 点平行焊缝方向ττfN fN = N/ A= N/ Ae e 将扭矩、剪力、轴力共同作用下搭接角焊缝计算A 点受 4 个应力 TV fffTV fffσσστττ=+=+代入角焊缝公式计算即可对接焊缝坡口形式及构造构造：板边要处理开坡口，坡口与厚度有关 t 20mm 开U、K、X型坡口 c-间隙 p-钝边•变宽度、厚度时做成不大于1:2.5的斜坡•起弧、落弧出现弧坑(焊口)，产生应力集中、类裂纹一个焊口= 板厚t，为消除焊口,采用引弧板，见p56对接焊缝的计算特点：不附加板材，传力直接平顺，受力良好，质量精度要求高。

应力分布与焊件情况相同， 用材力计算焊件的方法计算Butt welds 质量等级分为三级：一级、二级、三级 一级、二级、三级：fvw、fcw= 母材的强度 一级、二级：除了外观检测，用特殊的仪器手段探 测焊缝内部缺陷，质量保证 ftw= 母材的强度tension 三级：仅外观检测，质量稍差 ftw= 0.85×母材的强度矩形板轴心受力σσ= wwN l .tN l .t≤ f ftw tw或 f或 fcw cw f ftw tw、 f、 fcw cw- ----抗拉、抗压设计强度，可查表l lw w------ 焊缝的计算长度 无引弧板 －2t t t----连接件的较小厚度 矩形板轴心受力?一、二级质量焊缝与构件等强，不必计算；?只有受拉的三级焊缝低于焊件的强度，需要计 算 ?当直缝不满足时采用斜缝对接具体计算见p57斜焊缝耗材,施工不便,较少用,以二级焊缝取代《规范》 ：当 tgθ≤1.5 即θ≤56.3 时，焊缝的强度 不低于焊件的强度，不必验算焊缝的强度 受弯、受剪计算(矩形板的对接）M 引起的σ是直线分布 σmax =2 ww2 wwM6M=Wl tM6M=Wl t≤ ftw V 引起的τ是抛物线分布 τmax= wwwwVS I tVS I t= ww3V 2l t3V 2l t≤fvw Sw----所求点以上(或以下)焊缝截面对中和轴的面积矩工字形截面对接ABC除验算 A 点、B 点外，须验算腹板与翼缘交点 C 点 C 点：σσ1 1、、ττ1 1 折算应力σr=22 11σ+ 3τ≤1.1 f1.1 ftw tw考虑最大折算应力只发生在焊缝截面的个别点， 因而强度提高 10% 焊接应力和焊接变形定义-----施焊的高温作用引起的内应力和内部变形。

施焊时：近缝区温度高膨胀大，受到二侧温度低 膨胀小的钢材所限，产生压应力； 冷却时：经过塑形压缩的近缝区的收缩受到 两侧钢材所限，产生拉应力；原因：(1) 焊接时，形成了一 个温度分布不均匀的 温度场； (2) 各组成纤维自由变形受到阻碍焊接应力的种类?纵向焊接应力----平行焊缝长度方向?横向焊接应力----垂直焊缝长度方向?沿厚度方向焊接应力焊接变形图焊接应力的影响?常温静载下，不影响静力强度； •使刚度变小； •使稳定性降低； •降低疲劳强度易产生冷脆破坏减少焊接应力和变形的措施1.合理的焊缝设计• 合适的hf、lw ，宜用细长焊缝不用粗短焊缝； •焊缝不宜过分集中； •避免三向焊缝相交三向同号拉应力场，钢材变脆； •主要焊缝连续，次要焊缝断开； •对接焊缝，当宽度不等或厚度相差超过4mm时，应 做成 2d0 可防止 （5）栓杆受弯破坏 板叠得太厚，杆太长∑≤t5d 可防止（1）(2) 通过计算，(3) 是构件计算 五种破坏形式图单个螺栓的计算假定：N 通过形心，各螺栓分担剪力相等； 螺栓受剪面剪应力相等 1. 一个螺栓的抗剪设计承载力Nvb N Nvb vb = n n v v2ππd 4f fvb vb----螺栓的抗剪设计强度 n nv v - ----受剪面数目；d---栓杆直径 b vf单个螺栓的计算2. 一个螺栓的承压设计承载力Ncb N Ncb cb =d =d ∑t f fcb cb ffcb cb------------螺栓的承压设计强度 ----螺栓的承压设计强度 ∑t------同一方向承压构件的较小厚度一个螺栓的设计承载力N Nminb minb ==( (N Nvb vb，N，Ncb cb) ) min min 单个螺栓的计算ede—有效直径，查表3.抗拉螺栓的计算 由于连接件的相对柔性，受拉后发生弯曲变形，杠杆作用产生压力 Q，称为撬力。

刚度↓，Q ↑一个螺栓的抗拉设计承载力Ntb N Ntb tb = 2 eππd 4f ftb tb f ftb tb-------螺栓的抗拉设计强度=0.8 ×215 螺栓群的计算1. 螺栓群轴心受剪计算外力通过螺栓群形心，各个螺栓受力相等 n b minN≥≥Nn —为缝隙一侧的螺栓数目(盖板平接) 为总的螺栓数目(搭接) n 过多削弱截面，验算净截面强度： σσ= nN≤≤Af f---。