焊接連接的方法及特性對接焊縫連接的構造和計算角焊縫連接的構造和計算螺栓連接的構造和計算

主要內容

焊接連接的構造和計算螺栓連接的構造和計算

重點第4章鋼結構的連接4.1概述鋼結構的連接方法焊縫連接螺栓連接鉚釘連接1.焊接連接優點：不削弱截面，加工方便，焊接剛度大，連接的密封性好

缺點：材質易脆，存在殘余應力，對裂紋敏感。

2.螺栓連接優點：安裝方便，易于拆卸缺點：需要開孔，對構件截面有一定的削弱，構造較繁。3.鉚釘連接連接受力性能較好，但構造復雜，目前已很少采用。一、鋼結構常用焊接方法4.2焊接連接的方法及特性電弧焊電渣焊氣體保護焊電阻焊常用焊接方法電弧焊原理

在涂有焊藥的焊條和焊件間產生電弧，由電弧提供熱源，使焊條溶化，滴落在焊件上被電弧吹成的小凹槽溶池中，并與焊件溶化部分冷卻后凝結成焊縫，把構件連接成一體。

電渣焊原理

利用電流通過熔渣時所產生的熱量來熔化金屬的一種方法。焊絲作為電極伸入并穿過渣池，使渣池產生電阻熱將焊件金屬及焊絲熔化，沉積于熔池中，形成焊縫。

氣體保護焊電阻焊原理

利用二氧化碳氣體或其它惰性氣體作為保護介質的一種電弧熔焊方法。

原理

電流通過焊件接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻能熱，將被焊金屬加熱到局部熔化或達到高溫塑性狀態，在外力的作用下形成牢固的焊接接頭。

鋼結構中常用的焊條型號有E43、E50和E55系列。不同鋼種的鋼材焊接時，宜采用與低強度鋼材相適應的焊條。說明二、焊縫形式T型連接角接1.按構件的相對位置劃分

對接搭接對接焊縫角焊縫正對接焊縫斜對接焊縫2.按受力特性不同劃分平焊橫焊立焊仰焊3.按施焊的相對位置劃分三、焊縫缺陷及焊縫質量檢查標準1焊縫缺陷2焊縫質量檢查標準要求用超聲波或射線檢驗每條焊縫全部長度

要求用超聲波檢驗每條焊縫長度的20％

一級三級焊縫按檢驗方法和質量要求分三級二級要求通過外觀檢查

四、焊縫表示α.bⅢ指引線基準線基本符號五、焊接殘余應力和焊接殘余變形焊接殘余應力產生的原因1焊接升溫時焊縫附近的應力場焊縫冷卻時，焊縫及附近金屬產生拉應力，距焊縫稍遠區段內產生壓應力

焊接殘余應力加熱溫度達到出現熱塑性

鋼板局部加熱鋼板厚度方向具有一定的剛度

焊接殘余應力產生的條件

縱向焊接殘余應力—沿焊縫長度方向

橫向焊接殘余應力—垂直于焊縫長度方向

沿厚度方向的焊接殘余應力焊接殘余應力是內應力，在焊件內自相平衡。焊縫附近為拉應力，焊縫稍遠區產生壓應力。焊接殘余應力的分類2（1）對結構靜力強度的影響f+--bfy+--bfyNyNy焊接殘余應力對結構的靜力強度沒有影響。+--fyfbBt焊接殘余應力和殘余變形對結構工作性能的影響44（2）焊接殘余應力低結構的剛度。f+--bfyNN+--fyfNNbBt（3）焊接殘余應力降低壓桿的穩定承載力

對于厚板或交叉焊縫，將產生三向焊接殘余拉應力，增加了鋼材低溫脆斷傾向。（4）對低溫冷脆的影響

三向焊接殘余拉應力降低材料的塑性，從而疲勞強度降低！（5）對疲勞強度的影響包括：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。焊接殘余變形5減小焊接殘余應力和殘余變形的措施36設計上的措施：（1）焊接位置的合理安排（2）焊縫尺寸要適當（3）焊縫數量要少，且不宜過分集中（4）應盡量避免兩條以上的焊縫垂直交叉（5）應盡量避免母材在厚度方向的收縮應力加工工藝上的措施：（1）采用合理的施焊順序（2）采用反變形處理（3）小尺寸焊件，應焊前預熱或焊后回火處理一、對接焊縫的構造要求4.3對接焊縫連接的構造與計算

1.坡口目的——為了使焊件能夠焊透。坡口形式——根據板厚的不同采用不同的坡口形式。

2.引弧板目的：為了消除焊口的影響，可加引弧板。焊縫的計算長度取值：無引弧板時：每條焊縫的計算長度等于實際長度減去2t1，t1—較薄焊件厚度采用引弧板時：每條焊縫的計算長度等于實際長度

3.當板件厚度或寬度在一側相差大于4mm時，應做坡度不大于1:2.5(靜載)或1:4(動載)的斜角，以平緩過度，減小應力集中。≤1:2.5≤1:2.5二、對接焊縫的計算對接焊縫可視作焊件截面的延續，故其計算方法與構件強度計算相同。對接焊縫的抗壓、抗剪強度，以及一、二級對接焊縫的抗拉強度與母材相同，因此若采用引弧板施焊，則可不與計算。只有三級焊縫受拉力作用才需進行計算！（一）軸心力作用下的對接焊縫計算NNlwt

N—軸心拉力或壓力設計值；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度設計值。NNtθNsinθNcosθlw當不滿足上式時，可選擇在受力較小的部位施焊；或者改用斜對接焊縫連接；當tanθ≤1.5時,斜焊縫的強度不用驗算!（二）M、V共同作用下的對接焊縫計算lwt

MVστ1.矩形截面

Ww——焊縫截面模量；Sw——焊縫截面面矩積；

Iw——焊縫截面慣性矩。2、工字形截面

對于焊縫的σmax

和τmax

應滿足的條件：1.1——考慮最大折算應力只在局部出現的強度增大系數。對于翼緣與腹板交接點（1點）焊縫，其折算應力尚應滿足下式要求：

角焊縫兩邊夾角90°，稱為直角角焊縫，直角邊長hf稱為焊腳尺寸。hehfhf

1.角焊縫的形式4.4角焊縫連接的構造與計算角焊縫的構造和受力性能一

夾角大于135°或小于60°的稱為斜角角焊縫，除鋼管結構外，一般不宜用作受力焊縫。直角角焊縫截面形式有普通焊縫、平坡焊縫、凹焊縫等幾種。2.角焊縫的構造要求焊縫長度

焊腳尺寸a.焊腳尺寸hf最大值

hf,max≤1.2t1t1—較薄焊件的厚度。

當t2≤4mm時,hf,min

=t2對于T型連接單面角焊縫hf,min應加上1mm;b.焊腳尺寸hf最小值t2—較厚焊件厚度。說明:

對于埋弧自動焊hf,min

可減去1mm;對于T形連接的單面角焊縫：hf≥；當焊件厚度等于或小于4mm時，則hf應與焊件厚度相同。tt1hf當t≤6mm時，hf,max≤t當t>6mm時，hf,max

≤t-(1～2)mm

對于板件邊緣的角焊縫：c.角焊縫計算長度的最大值d.角焊縫計算長度的最小值t1t2be.搭接連接的構造要求為避免應力傳遞過分彎折,導致應力不均：blw3

為避免焊縫橫向收縮引起的板件拱曲太大：）（或）（mmtmmmmttb111122001216￡>￡b2hflwt1t2f.角焊縫的端部位于構件轉角處時，應作2hf的繞角焊，且轉角處必須連續施焊。g.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。3.角焊縫的受力性能—焊縫長度方向與作用力垂直

正面角焊縫N

—焊縫長度方向與作用力平行側面角焊縫N

N

側面角焊縫承受剪力，強度較低，塑性較好。

剪應力沿焊縫長度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應力分布越不均勻。剪應力τfNlwN破壞形式

側面角焊縫受力性能

正面角焊縫受力復雜，應力集中嚴重，塑性較差，但強度較側面角焊縫高。

正面角焊縫受力性能直角角焊縫的基本計算公式二

有效截面為平分角焊縫夾角的截面，破壞往往從這個截面發生。有效截面的高度he也稱角焊縫有效厚度，

he

＝0.7hf角焊縫的有效截面

1.hehfhfNyNx角焊縫基本計算公式2.lwhfheτ∥=τfσfσ┻450τ┻450

NxNy∵f

—正面角焊縫的強度設計值增大系數；—按角焊縫有效截面計算，垂直焊縫長度方向的正應力；—按角焊縫有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應力；ffw—角焊縫的強度設計值。NNNNlwNNNNlw僅采用側面角焊縫連接

僅采用正面角焊縫連接σf=0τf=0說明常用連接方式的角焊縫計算三1.角鋼與節點板連接受軸心力作用a.僅采用側面角焊縫連接

Nlw1lw2由力的平衡關系可求出各條焊縫的受力：

Nlw1lw2N1N2對于驗算的問題驗算肢背：驗算肢尖：對于設計的問題肢背所需焊縫長度：肢尖所需焊縫長度：端焊縫受力：肢背受力：肢尖受力：b.采用三面圍焊連接

Nlw1lw2N1N2N3b肢尖受力：端焊縫受力：肢背受力：C.采用L形圍焊

Nlw1N1N3b2.拼接蓋板的設計問題NN蓋板尺寸的設計應滿足：材料與主板相同；蓋板的總截面積不應小于被連接鋼板的截面積；同時滿足構造要求。a.采用側面角焊縫連接NNlwL

蓋板的長度則由側面焊縫的長度確定。∴每條側面角焊縫的計算長度

b.采用正面角焊縫連接NNlwLC.采用三面圍焊連接NNL’wLlw正面角焊縫承擔的力為：側面角焊縫承擔的力為：3.承受彎矩M作用

hehet最危險點A的應力計算：A

M4.承受扭矩T作用

yxx0yT※討論：1)判定危險點2)T和M的區別假定:1、T作用下焊縫群上任意點的應力方向垂直于該點與焊縫形心的連線；2、應力的大小與該點到焊縫形心0的距離r成正比。xxyy.oA代入角焊縫通用公式中得：5.承受M、V共同作用Ahehet最危險點A：VM..斜角角焊縫及部分焊透的對接焊縫的計算※

四1.斜角角焊縫的計算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2為簡化計算，規范規定：對于兩焊腳邊夾角60o≤α≤135o的斜T形連接，其斜角角焊縫采用與直角角焊縫相同的計算公式，且統一取βf=1.0。2.斜角角焊縫的計算厚度heα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B式中：b、b1和b2≤5mm說明：b1和b2≤1.5mm時,可取b1、b2=0;b1和b2>5mm時,應如圖“B”方式處理，且使b≤5mm。2.部分焊透的對接焊縫計算一、螺栓連接的形式及特點Ⅰ類孔，孔徑do比栓桿直徑d大0.3～0.5mm；受力性能較好，受剪工作時變形小；費用較高。Ⅱ類孔，孔徑比栓桿直徑大1.5～3mm；傳遞剪力時，變形較大；傳遞拉力的性能較好。4.5螺栓連接的形式和構造要求普通螺栓A、B級（精制螺栓）C級（粗制螺栓）高強度螺栓摩擦型連接—靠板件間摩擦力傳遞剪力；摩擦型連接的剪切變形小，適用于動荷載的結構。高強度螺栓承壓型連接—允許板件間摩擦力被克服，出現相對滑移后，依靠螺栓桿的抗剪和孔壁承壓傳遞剪力；承壓型連接的承載力高于摩擦型，但剪切變形大，不適用于承受動力荷載的結構中。

高強度螺栓螺栓性能等級的含義是小數點前的數字表示螺栓熱處理后的最低抗拉強度；小數點及小數點后面的數字表示其屈強比。以10.9級為例：小數點前的數字“10”表示螺栓熱處理后的最低抗拉強度為，“.9”表示其屈強比（屈服強度與抗拉強度之比）為0.9。螺栓性能等級二、螺栓的排列

螺栓的表示

螺栓用M表示，例如M20，工程中常用的螺栓直徑有16、20、22、24等。

B錯列A并列中距中距邊距邊距端距螺栓的排列應滿足構造要求施工要求受力要求螺栓端距過小，鋼板有剪斷的可能；鋼板截面過度削弱，板件承載力不足；防止連接板件發生鼓曲。以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。為了便于扳手擰緊螺母，螺栓中距應不小于3do。螺栓的最大、最小容許距離一、普通螺栓連接計算按受力情況可分為螺栓受剪、螺栓受拉和螺栓同時受剪受拉N螺栓受拉F螺栓同時受剪受拉螺栓受剪NN4.6螺栓連接的計算1.普通螺栓受剪時的工作性能NδO1234NNabNN/2N/21）摩擦傳力的彈性階段（0~1段）2）滑移階段（1~2段）3）栓桿傳力的階段（2~3段）4）破壞階段（3~4段）N/2Nl1N/2當l1≤15d0時，假定N由各螺栓均勻承擔。當l1≥15d0

時，螺栓受力不均，將螺栓的承載力設計值折減。

當15d0＜l1≤60d0

時，

=1.1－l1/（150d0）當

l1＞60d0

時，

=0.7N/2NN/2NN①螺栓桿被剪壞②孔壁的擠壓破壞③板件被拉斷④板件端部被剪壞NN⑤栓桿彎曲破壞N/2NN/22.普通螺栓受剪時的破壞形式NN端矩不應小于2d0栓桿長度不應大于5d以上1、2、3三種破壞形式通過計算避免。4、5破壞由構造解決。3.單個普通螺栓的承載力設計值公式中：nv—剪切面數目；

d—螺栓桿直徑；

fvb—螺栓抗剪強度設計值。①抗剪承載力設計值剪切面數目nv說明：公式中：∑t—連接接頭一側承壓構件總厚度的較小值；

fcb—螺栓孔壁承壓強度設計值。∴單栓抗剪承載力設計值d②承壓承載力設計值③抗拉承載力設計值公式中：

Ae—螺栓的有效截面面積；

de—螺栓的有效直徑；

ftb—螺栓的抗拉強度設計值。（1）受軸心剪力作用連接所需螺栓數量：4.普通螺栓群連接計算NNNN螺栓受力計算：板件的凈截面強度驗算：NNbtt111A.螺栓并列排列主板的凈截面面積：拼接蓋板的凈截面面積：故：An應取較小面積計算。NNtt1bc2c3c4c1B.螺栓錯列排列:2211（2）受扭矩T作用TN1TN1Txr11Txyxy假定：連接板件繞栓群形心轉動，各螺栓剪力與

其至形心距離呈正比，方向與ri垂直。N1Ty假定每個螺栓均勻受力。N連接所需的螺栓數：（3）受軸心拉力作用螺栓受力計算：M刨平頂緊承托(板)M1234y1y2y3N1N2N3N4中和軸M作用下假定：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。（4）受彎矩M作用顯然在M作用下，‘1’號螺栓所受拉力最大M1234y1y2y3N1N2N3N4中和軸（5）承受拉力和剪力共同作用

在拉力和剪力的共同作用下，可能出現兩種破壞形式：螺桿受剪兼受拉破壞、孔壁的承壓破壞。NVM刨平頂緊承托V連接角焊縫承托與柱翼緣的連接角焊縫計算：式中：α——考慮剪力對角焊縫偏心影響的增大系數，一般取α=1.25~1.35。

拉力和剪力共同作用下的普通螺栓連接，當有承托時，如果承托承受全部剪力，則螺栓群按受拉計算。二、高強度螺栓摩擦型連接的計算

高強度螺栓分為大六角頭型和扭剪型兩種高強材料經熱處理制成，按強度等級分10.9與8.8級。預拉力的施加方法高強螺栓的預拉力1.轉角法：分初擰和終擰兩步。初擰是用普通搬手擰緊螺栓；終擰就是用特制搬手旋轉螺母，擰至預定的預拉力數值。

扭矩法：初擰用力矩扳手擰至終擰力矩的30%-50%，使板件貼緊密；終擰是在初擰基礎上，按100%設計終擰力矩擰緊。扭剪法：用于扭剪型高強度螺栓，初擰擰至終擰力矩的60%-80%；在初擰基礎上，以扭斷螺栓桿尾部為準。

高強度螺栓預拉力的確定

說明：折減系數0.9—考慮材料的不均勻性；折減系數0.9—防止施工時超張拉導致螺桿破壞；系數1.2—考慮擰緊螺帽時，扭矩對螺桿的不利影響；0.9—附加安全系數。高強度螺栓摩擦型連接板件間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μ

；板件間的抗滑移系數與接觸面的處理方法和構件鋼號有關。高強度螺栓摩擦面抗滑移系數μ2.單個高強螺栓摩擦型連接的抗剪承載力設計值公式中：

0.9—抗力分項系數γR的倒數(γR=1.111);

nf—傳力摩擦面數目。高強螺栓摩擦型連接的承載力設計值3.單個高強螺栓摩擦型連接的抗拉承載力設計值①受軸心剪力作用NN假定各螺栓受力均勻。

所需螺栓數：

螺栓連接強度計算：

螺栓群的計算