力學(xué)與結(jié)構(gòu)教研組項(xiàng)目三鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)子項(xiàng)目二鋼結(jié)構(gòu)的連接任務(wù)一焊縫連接任務(wù)二螺栓連接大綱要求1.了解鋼結(jié)構(gòu)連接的種類及各自的特點(diǎn)；2.了解焊接連接的工作性能，掌握焊接連接的計(jì)算方法及構(gòu)造要求；3.了解焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因及其對(duì)結(jié)構(gòu)工作的影響；4.了解螺栓連接的工作性能，掌握螺栓連接的計(jì)算和構(gòu)造要求。一、焊縫連接

鋼結(jié)構(gòu)的連接方法對(duì)接焊縫連接優(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(duì)裂紋敏感。

角焊縫連接三、螺栓連接

優(yōu)點(diǎn)：連接剛度大，傳力可靠；

分為：

普通螺栓連接高強(qiáng)度螺栓連接二、鉚釘連接N缺點(diǎn)：對(duì)施工技術(shù)要求很高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工條件差，施工速度慢。一、鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法1.手工電弧焊A、焊條的選擇：焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)。原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

任務(wù)一焊縫連接

焊機(jī)導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護(hù)氣體焊件電弧Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--5518)Q345鋼選擇E50型焊條(E5000--5048)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。缺點(diǎn)：質(zhì)量波動(dòng)大，要求焊工等級(jí)高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。

優(yōu)點(diǎn)：方便，特別在高空和野外作業(yè)，小型焊接；Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)C、優(yōu)、缺點(diǎn)2.埋弧焊（自動(dòng)或半自動(dòng)）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤(pán)送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動(dòng)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(dòng)化程度高，焊接速度快，勞動(dòng)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。送

絲

器機(jī)器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。1.焊接連接形式搭接角部連接T形連接對(duì)接二焊縫的形式與構(gòu)造2.焊縫形式（1）對(duì)接焊縫正對(duì)接焊縫（2）角焊縫T型對(duì)接焊縫斜對(duì)接焊縫3.焊縫位置1、對(duì)接焊縫的坡口形式:（一）對(duì)接焊縫的構(gòu)造

對(duì)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)。

t--焊件厚度(1)當(dāng):t<6mm(手工焊),t<10mm(埋弧焊)時(shí)可不做坡口,采用直邊縫;(2)t=7~20mm時(shí)，宜采用單邊V形和雙邊V形坡口;(3)t>20mm時(shí)，宜采用U形、K形、X形坡口。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(duì)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(shí)，每條焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度等于實(shí)際長(zhǎng)度減去2t1，t1—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(shí)，應(yīng)做坡度不大于1:2.5(靜載)或1:4(動(dòng)載)的斜角，以平緩過(guò)度，減小應(yīng)力集中?！?:2.5≤1:2.5hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式1、角焊縫的形式:（二）角焊縫直角角焊縫、斜角角焊縫（1）直角角焊縫hehfhf凹面式（2）斜角角焊縫對(duì)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。

破壞形式正面角焊縫的破壞形式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(guò)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。tt1hf

對(duì)于板件邊緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：

當(dāng)t≤6mm時(shí)，hf,max≤t；當(dāng)t>6mm時(shí)，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t（2）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(kāi)裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

式中:t2----較厚焊件厚度

另:對(duì)于埋弧自動(dòng)焊hf,min可減去1mm;

對(duì)于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當(dāng)t2≤4mm時(shí),hf,min=t2（3）側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度

側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長(zhǎng)度方向受力均，兩端大而中間小。焊縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，應(yīng)力集中系數(shù)越大。如果焊縫長(zhǎng)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(huì)漸趨均勻；當(dāng)焊縫長(zhǎng)度達(dá)到一定的長(zhǎng)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(zhǎng)度大于以上值時(shí)，計(jì)算時(shí)不與考慮；

2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長(zhǎng)分布時(shí)，不受上式限制。（4）側(cè)面角焊縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度

對(duì)于焊腳尺寸大而長(zhǎng)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?jī)H采用兩條側(cè)面角焊縫連接時(shí)：

A、為了避免應(yīng)力傳遞的過(guò)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(shí)引起板件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)定：t1t2bD.在搭接連接中，搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚

度的5倍，且不得小于25mm。

C.當(dāng)角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hft1t2三常用焊縫的表示方法焊縫質(zhì)量檢查外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸；內(nèi)部無(wú)損檢驗(yàn)：檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷。

內(nèi)部檢驗(yàn)主要采用超聲波，有時(shí)還用磁粉檢驗(yàn)熒光檢驗(yàn)等輔助檢驗(yàn)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(yàn)收規(guī)范》規(guī)定：

焊縫按其檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。

三級(jí)焊縫只要求對(duì)全部焊縫作外觀檢查且符合三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

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

四焊縫的計(jì)算對(duì)接焊縫分為：焊透和部分焊透（自學(xué)）兩種；動(dòng)荷載作用下部分焊透的對(duì)接焊縫不宜用做垂直受力方向的連接焊縫；對(duì)于靜載作用下的一級(jí)和二級(jí)對(duì)接焊縫其強(qiáng)度可視為與母材相同，不與計(jì)算。三級(jí)焊縫需進(jìn)行計(jì)算NNt（一）對(duì)接焊縫的計(jì)算1、軸心力作用下的對(duì)接焊縫計(jì)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(duì)接焊縫的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。NNlwtA

當(dāng)不滿足上式時(shí)，可采用斜對(duì)接焊縫連接如圖B。另:當(dāng)tanθ≤1.5時(shí),不用驗(yàn)算!NNtBθNsinθNcosθlw（2）工字形截面梁對(duì)接連接計(jì)算MV1焊縫截面A、對(duì)于焊縫的σmax和τmax應(yīng)滿足相應(yīng)要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、對(duì)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)。（二）直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算公式：NNyNx┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf對(duì)于正面角焊縫，τf=0對(duì)于側(cè)面角焊縫，σf=0

以上各式中：

he=0.7hf；

lw—角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，考慮起滅弧缺陷時(shí)，每條焊縫取其實(shí)際長(zhǎng)度減去2hf。各種受力狀態(tài)下的直角角焊縫連接計(jì)算1、軸心力作用下(1)軸心力作用下的蓋板對(duì)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’(2)T形角焊縫連接NxNyNθN驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度，即:(3)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:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問(wèn)題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形圍焊可得:對(duì)于設(shè)計(jì)問(wèn)題:Ne1e2bN1xxN3lw1例1試設(shè)計(jì)角鋼與連接板的連接焊縫，軸心設(shè)計(jì)N=803kN(靜)，角鋼為2∠125×80×10，長(zhǎng)肢相連，連接厚度t=12mm,鋼材Q235，手工焊，焊條E43。NxxN

解：1確定焊角尺寸2.計(jì)算焊縫長(zhǎng)度，確定節(jié)點(diǎn)板形狀端焊縫受力

肢尖、肢背所需焊縫長(zhǎng)：

實(shí)際取225+5=230mm實(shí)際取86+5=91mm,取90mm

肢尖、肢背受力：五焊接應(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(zhǎng)度方向;B、橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長(zhǎng)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)生的原因縱向焊接殘余應(yīng)力

焊接過(guò)程是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過(guò)程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，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(shí)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(duì)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。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++(a)焊縫縱向收縮時(shí)的變形趨勢(shì)-+-(b)焊縫縱向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx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(duì)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。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。

減小焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的措施1、設(shè)計(jì)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(guò)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)熱或焊后回火處理任務(wù)二螺栓連接一、螺栓的種類1.普通螺栓C級(jí)---粗制螺栓，性能等級(jí)為4.6或4.8級(jí)；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(jí)---精制螺栓，性能等級(jí)為5.6或8.8級(jí);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(gè)級(jí)別。2.高強(qiáng)度螺栓由45號(hào)、40B和20MnTiB鋼加工而成，并經(jīng)過(guò)熱處理45號(hào)－8.8級(jí)；40B和20MnTiB－10.9級(jí)

（a）大六角頭螺栓（b）扭剪型螺栓扭剪型高強(qiáng)度螺栓二、螺栓的排列1.并列—簡(jiǎn)單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu)件截面削弱大；B錯(cuò)列A并列中距中距邊距邊距端距2.錯(cuò)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(guò)多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太??；

順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太小；

對(duì)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。三、螺栓連接的構(gòu)造要求為了保證連接的可靠性，每個(gè)桿件的節(jié)點(diǎn)或拼接接頭一端不宜少于兩個(gè)永久螺栓，但組合構(gòu)件的綴條除外；直接承受動(dòng)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(dòng)；C級(jí)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(dòng)載的次要連接；

2、承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接；

3、臨時(shí)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(shí)，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；四、普通螺栓連接的計(jì)算FNFA

只受剪力B

只受拉力C剪力和拉力共同作用（一）普通螺栓抗剪連接工作性能和破壞形式

1.工作性能對(duì)圖示螺栓連接做抗剪試驗(yàn),即可得到板件上a、b兩點(diǎn)相對(duì)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(gè)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/22.破壞形式（1）螺栓桿被剪壞

栓桿較細(xì)而板件較厚時(shí)（2）孔壁的擠壓破壞

栓桿較粗而板件較薄時(shí)（3）板件被拉斷

截面削弱過(guò)多時(shí)

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

端矩過(guò)小時(shí)；端矩不應(yīng)小于2dONN（5）栓桿彎曲破壞螺栓桿過(guò)長(zhǎng)；栓桿長(zhǎng)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(jì)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(jì)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/2（三）普通螺栓群抗剪連接計(jì)算1、普通螺栓群軸心力作用下抗剪計(jì)算N/2Nl1N/2平均值螺栓的內(nèi)力分布

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

當(dāng)l1≤15d0(d0為孔徑)時(shí)，連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，內(nèi)力重新分布，各個(gè)螺栓內(nèi)力趨于相同，故設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，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(gè)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(yàn)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(yàn)曲線8.8級(jí)

M22我國(guó)規(guī)范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長(zhǎng)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(yàn)算。拼接板的危險(xiǎn)截面為2-2截面:A、螺栓采用并列排列時(shí):主板的危險(xiǎn)截面為1-1截面:1122（一）普通螺栓抗拉連接的工作性能三、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(kāi)趨勢(shì)，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(gè)普通螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)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(jì)值。（三）普通螺栓群的軸拉設(shè)計(jì)

一般假定每個(gè)螺栓均勻受力，因此，連接所需的螺栓數(shù)為：N五、高強(qiáng)度螺栓連接計(jì)算（一）、高強(qiáng)度螺栓的工作性能及單栓