童乐为《钢结构基本原理》讲稿第8章连接

普通型
平坡型 直角焊缝截面形式
深熔型
角焊缝受力特性－侧焊缝
侧焊缝 应力分布
主要受剪应力，分布不均，两头大中间小 剪断面常发生在45°斜平面上 强度较低，塑性较好
角焊缝受力特性－端焊缝
C D A B
端焊缝应力分布
角焊缝应力状态远比侧焊缝复杂 正、剪应力都有，且分布很不均匀 根部应力集中最厉害，常常是开裂的起源点 焊缝破坏强度高，但塑性差
X方向合应力：
τ f =τ
T fx
+τ
Y方向合应力： σ f = σ T y + σ V y f f
σ f 验算： β f
＋τ 2 ≤ f fw f
2
焊接残余应力与残余变形
产生原因
焊缝
θ变 形
压住
内应力
焊缝周围温度场
焊接残余变形 — 由焊缝及其周围不均匀热胀冷缩引起 焊接残余应力 — 由焊缝冷却收缩收到阻止引起
由端焊缝强度验算确定 由平衡
角焊缝强度验算示例（三）
梁柱连接－受弯矩M、剪力V、轴力N 作用
弯矩 轴力 剪力
加劲肋
整个截面Aw, Iw
梁柱连接 验算 危险点 a：
整个焊缝截面
焊缝应力分布
σ fa = σ N + σ Ma =
N Myb + , Aw Iw
危险点 b：
2
σ fb = σ N + σ Mb =
拼接板连接 － 受轴力N，通过连接焊缝群形心
四周围焊
N2，lw2 N1 lw1
验算
由端焊缝
1 1 2 2
N1
பைடு நூலகம்
N 2 = N N1 再验算侧焊缝
当焊缝受直接动力荷载时：
四周菱形围焊 减小拼接板 角部应力集中
简化验算－ 无论静载、动载
角焊缝强度验算示例（二）
角钢连接 － 受轴力N
lw1
b
肢背焊缝
两边侧焊
lw2 N1、N2 不均匀分配
肢尖焊缝
由平衡条件
角钢连接 焊缝内力分配
内力分配系数 角钢类型 连接形式 肢背K1 等肢角钢 不等肢角钢 短肢连接 不等肢角钢 长肢连接 肢尖K2
0.70 0.75 0.65
0.30 0.25 0.35
角焊缝强度验算示例（二）
角钢连接 － 受轴力N
lw1
三面围焊
b
lw2
射 钉 枪
常用焊接方法
（1）手工电弧焊
1. 电弧焊 2. 气体保护焊 3. 电渣焊 4. 气焊 5. 电阻焊
（2）自动埋弧焊 （3）半自动埋弧焊
手工电弧焊
采用涂有焊药的焊条 通电后，焊条与焊件之间产生电弧 高热量使焊条熔化而形成焊缝
设备简单，适应性 强，应用最广泛 质量波动大，生产 率低，劳动强度大
气焊
采用乙炔在氧气中燃烧的火焰来熔化焊条 适用于钢板厚度薄的连接，一般小厂家备用此焊接设备
电阻焊
不采用焊接材料 电流通过焊件表面
的电阻，产生热量
熔化金属，再加压
力而焊合
适宜板厚不大于12
mm的焊接
冷弯薄壁型钢连接
常采用此焊接方法
焊接方式
平接（对接焊缝）
搭接（角焊缝）
顶接
（T型连接）
普通螺栓连接构造（续三）
螺栓最大和最小容许间距
普通螺栓的承载力
剪力螺栓 —— 受力垂直螺杆，承剪、承压。 依据 受力 方式 连接件有错动趋势 拉力螺栓 —— 受力平行螺杆，承拉。 连接件有脱开趋势。
剪 力 螺 栓
拉 力 螺 栓
剪力螺栓的 5 种破坏形式
（1）螺栓剪断 （板较厚，螺栓较细） （2）钢板孔壁挤压破坏 （板较薄，螺栓较粗）
N Mya + ≤ β f f fw Aw Iw V 仅腹板 τ fb = τ v = ' Aw 焊缝截面
σ fb ＋τ 2 ≤ f fw fb β f
问题：若柱上无加劲肋，以上计算是否需调整？
角焊缝强度验算示例（四）
柱子牛腿连接 － 受扭矩T、剪力V、轴力N 作用
剪力V产生的A点应力
第8章
钢结构的连接
主要内容
连接方式和特点 对接焊缝的构造和计算 角焊缝的构造和计算 普通螺栓的构造和计算 高强度螺栓的构造和计算
钢结构连接的基本方式
焊缝连接
螺栓连接
铆钉连接
焊接的特点
优点
构造简单 — 任何形状的构件可直接连接，无需辅助零配件 省工省料 — 加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面 施工快速 — 可自动化操作 连接的密闭性好，刚度大，整体性好
可与母材等强，可不验算
对接焊缝强度验算示例（一）
轴心受力 N
引弧板
直 焊 缝
焊缝应力验算 式中：N — 轴心拉力或压力
σ=
N ≤ f t w 或 f cw l wt w
tw — 焊缝厚度（不同板连接时为较小板厚） lw — 焊缝计算长度，有引弧板lw＝L， 无引弧板lw＝L－2t（较小板厚）
f t w 或 f cw — 对接焊缝抗拉或抗压设计强度强度
4.6 4.8
1.0 ~ 1.5
粗糙 尺寸不准 成本低 精度高 尺寸准确 成本高
抗剪差 抗拉好
方便
承拉 应用多 临时固定 目前 应用 减少
8.8
0.3~0.5
抗剪 抗拉 均好
精度 要求高
A级B级区别：仅尺寸不同，A级d≤24，L ≤ 150mm；B级d＞24，L＞150mm I 类孔：孔壁粗糙度小，孔径偏差允许 + 0.25mm，对应A、B级螺栓 II类孔：孔壁粗糙度大，孔径偏差允许 + 1mm，对应C级螺栓
（3）钢板拉断 （板开孔，截面削弱）
端距 ≥ 2d。
防止螺栓破坏措施 (1) (2) (3) 通过计算解决
（4）钢板剪坏 （螺栓端距过小）
(4) (5) 通过构造解决
螺杆长度 ≤ 5d
（5）螺栓弯曲破坏 （板过厚，螺栓细长）
剪力螺栓的承载力计算
Nv Nv
焊接残余应力分类
Y (纵向焊接应力 ) Z (厚度方向 焊接应力) X (横向焊接应力) 纵向焊接应力 焊缝
平 板
工字形截面
焊接残余应力分类（续）
横向焊接应力
收缩 施焊 方向
第一部分
第二部分
应力分布
＋
=
合成 应力
厚度方向焊接应力
焊接残余应力特点
板内焊接残余应力自身平衡 焊接残余应力常形成三向拉应力，且达到 fy数值 焊接残余应力的影响
俯焊 质量好
横焊
立焊
仰焊 质量差
质量一般
焊缝缺陷
热裂纹
冷裂纹
气孔
烧穿
根部未焊透 夹渣
边缘未熔合
焊缝层间未熔合
咬边
焊瘤
焊缝质量检验
三级 肉眼外观检查 用于一般连接 二级 肉眼外观检查 ＋ 超声波 用于有较大拉应力的较重要连接 一级 肉眼外观检查 ＋ 超声波 ＋ X射线 用于抗动力、疲劳荷载的重要连接
缺点
材质易变脆 产生残余应力、残余变形、焊接缺陷 对钢结构疲劳、稳定有不利影响 较多地依赖焊工的技能水平
现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛
螺栓连接的特点
优点
施工简单，装拆方便，对安装工的要求高 摩擦型高强度螺栓连接动力性能好 耐疲劳，易阻止裂纹扩展 费料、开孔截面削弱 螺栓孔加工精度要求高
角焊缝受力特性－侧焊缝V与端焊缝比较
θ＝0°端焊缝
θ＝90°侧焊缝
荷载－变形曲线
角焊缝强度验算方法
端焊缝
侧焊缝
计算截面
均取焊缝45°处有效截面 （假定破坏截面）
hf hf
有效截面
有效焊缝高度 计算焊缝长度
h e＝ 0.7 h f (焊缝高度)
he
lw＝ 每条连续焊缝的长度－2h f（每端扣h f ）
加工措施 合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。 施焊前，预加反向变形。
分多道焊缝 焊接次序交替进行
预加反变形
普通螺栓连接构造
分类 钢材 强度 等级 孔径d0与 栓径d 之差(mm) 加工 受力 特点 安装 应用
C级 粗制 螺栓 A级 B级 精制 螺栓
普通 碳素钢 Q235 优质 碳素钢 45号钢 35号钢
对接焊缝强度验算示例（三）
平板梁 工字形梁
弯矩 M 剪力 V
应力分布 应力分布
弯矩 M 剪力 V 轴力 N
应力分布
对接焊缝强度验算示例（四）
弯矩 M 剪力 V
焊缝截面
a tw
应力分布
梁柱连接处、柱牛腿处 与一般梁中连接计算不同：剪力仅由梁或牛腿腹板承受
角焊缝构造形式
直角焊缝 施焊方便，最常用
斜角焊缝 适宜动力荷载，但施焊不便
斜角焊缝 ＝ 1.0
当
τ f＝0时 σ
σ f＝0时 τ
f
w ≤ β f ff w ≤ ff
f
角焊缝尺寸限制要求
不应太小 —— 不能焊透，实际承载力不足
角焊缝高度 hf
具体 要求 详见 教材
焊缝冷却太快容易开裂 不应太大 —— 焊缝冷却后产生较大变形 较薄焊件容易烧穿
不应太短 —— 焊缝起、落弧坑太近，焊缝不可靠
焊丝
焊接速度快，熔化深度大 可手工焊，也可自动化操作 目前工厂很常用的焊接方法 室外施焊要有避风措施，防 止气孔、焊坑缺陷
电渣焊
采用管状焊条(熔嘴),
焊丝从管内进入
电流通过熔渣产生的
电阻热，熔化焊件和 焊丝，形成焊缝
有消耗和非消耗熔嘴
式电渣焊之分
消耗熔嘴式 非消耗 熔嘴式
电渣焊（续）
电渣焊常用于高层建筑等箱形柱内部的横隔板焊接
σ
＝V(a+e)