钢结构设计原理第7章 钢结构的连接和节点构造

7、塞焊计算
7.5 焊接残余应力和残余变形
7.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因
﹡纵向残余应力
﹡横向残余应力
﹡厚度方向的残余应力
﹡约束状态下的焊接应力
7.5.2 焊接残余应力的影响
﹡对结构静力强度的影响：无影响
﹡对结构刚度的影响
有 残 余 应 力 ： N / ( m t E ) 无 残 余 应 力 ： N / ( h t E )
=0.7
﹡一个抗剪螺栓的设计承载力计算
• 抗剪承载力设计值：
b N v n v
d2
4
b fv
• 承压承载力设计值：
N d t f
b c
b c
一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值。
﹡破坏形式：螺栓杆拉断
2、抗拉螺栓连接
N
b t
d
4
2 e
b b f A f t e t
① 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；
② 各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群 形心o的距离r成正 比，力的方向与其 至螺栓群形心的连 线相垂直。
T T T TN r N r N r 平衡条件： 1 1 2 2 n n
根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件 T T T N N N 1 2 n r r r 1 2 n 则 或
按施焊位置
7.2.5 焊缝代号
﹡作用
表明焊缝型式、尺寸和辅助要求
﹡表示方法(GB324-88)
由基本符号、引出线、辅助符号、补充符号和
焊缝尺寸等部分组成
7.3 对接焊缝的构造和计算
7.3.1 构造要求
﹡
坡口形式
分为：I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝、带钝
边V形缝（也叫Y形缝）、带钝边U形缝、带钝边 单边V形缝和双Y形缝等 斜坡口为了和焊缝根部共同形成一个焊条能运转 的施焊空间

T ry
w f / f f T A y 2 T 2 A x
环焊缝受扭
3 h 0 . 1 DJ 时 ， 0 . 2 5 h D e e
5、弯矩、剪力和轴心力共同作用
MV V N N ; ; A A W h l h l w e w e w
被剪断；螺栓杆弯曲
﹡受力状态：弹性时两端大而中间小，进入塑性阶段
后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。
为防止“解纽扣”破坏，当连接长度l1 较大时，
应将螺栓的承载力乘以折减系数 ： 当 l1≤15d0 时，
=1.0
当 15d0＜l1≤60d0 时，
当 l1＞60d0 时，
=1.1－l1/150d0
L形焊缝（图c）
正面角焊缝承担的力为: N3 =0.7hf∑lw3βf ffw 侧面角焊缝承担的力为: N1=N－N3
3、弯矩作用下的焊缝
M w f f ff W w
4、扭矩作用下的焊缝
焊缝群受扭：
假定:
A
T r J
J Ix Iy

T Ax
T Ay
J T rx J
7.1 钢结构对连接的要求及连接方法
﹡连接要求
足够的强度、刚度和延性 ﹡连接方法 焊接、铆接和螺栓连接
特点：
焊接，广泛采用 ﹡ 铆接，应用较少 ﹡ 螺栓连接 ◆ 普通螺栓 • A、B级 • C级 ◆ 高强螺栓 • 摩擦型连接 • 承压型连接
﹡
7.2 焊接连接的特性
7.2.1 焊接方法 电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等
M A
M N V 2 A 2 ( A ) ( A ) ffw f
6、扭矩、剪力和轴心力共同作用
wk.baidu.com

V A
r V N N TT ;A ;A y ; hl hl J e w e w



T A
T r x J
T V T N2 w A 2 ( A ) ( ) f A A f f
w N / ( h l ) f f e w f
•仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时
N / ( h l) f
f e w
w ff
• 同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时
2 w f / f f f f 2
7.4.3 常用连接方式的角焊缝计算
﹡手工电弧焊
手工电弧焊焊条与焊件 金属强度相适应： Q235钢用E43系列； Q345用E50系列； Q390、Q420用E55系列。 EXX的XX表示焊条的最低抗拉强度。
﹡埋弧焊
焊条和焊剂要保 证熔敷金属的抗拉
强度不低于相应手
工焊条数值。
﹡电渣焊 ﹡气体保护焊
﹡电阻焊
7.2.2 焊接连接的优缺点
2、受轴心力作用的角钢连接
当用侧面角焊缝连接时（图a） 肢背 N1=e2 N /(e1+e2)=K1 N 肢尖 N2=e1 N /(e1+e2)=K2 N=N–N1
三面围焊时（图b）
正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hf∑lw3βf ffw 侧面角焊缝承担的力为 肢背 N1 =e2 N /(e1+e2)－N3 /2=K1 N－N3 /2 肢尖 N2 =e1 N /(e1+e2)－N3 /2=K2N－N3 /2
﹡
优点
• • •
省工省材 任何形状的构件均可直接连接 密封性好，刚度大 材质劣化 残余应力、残余变形
﹡
缺点
• •
•
一裂即坏、低温冷脆
7.2.3 焊缝缺陷
﹡焊缝缺陷
裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、 焊瘤等
﹡焊缝等级：《钢结构工程施工质量验收规范》
（GB50205）三级
• •
三级焊缝：外观检查，外观尺寸和缺陷； 二级焊缝：在外观检查的基础上再做无损检验，用超 声波检验每条焊缝的20％长度，且不小于200mm；
﹡对压杆稳定的影响：残余压应力
﹡对低温冷脆的影响：三向应力
﹡对疲劳强度的影响：高额残余拉应力
7.5.3 焊接残余变形
﹡残余变形形式
﹡残余变形形式
7.5.4 减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法
﹡采取合理的施焊次序
﹡施焊前加相反的预变形（图a、b） ﹡焊前预热，焊后回火（图c）
7.5.5 合理的焊缝设计
T x 1 N 2 2 x y i i
T 1 y
验算
T b N [ N ] 1 v
3、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算
T y 1 N 2 2 x y i i
T 1 x
T x 1 N 2 2 x y i i
T 1 y
4、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算
1、受轴心力作用的拼接板连接
仅侧面角焊缝（图a）
仅正面角焊缝（图b）
N f ffw h lw e
N w f f f f h lw e
三面围焊时（图c） 先计算计算正面角焊缝l1受力N1，剩
余的N－ N1由侧面角焊缝l2承担。 菱形拼接板（图d） 简化计算不计正面及斜焊缝的f ：
正面角焊缝的应力分布
角焊缝的应力—位移曲线
﹡焊脚尺寸的限制
hf 应与焊件的厚度相适应。 对手工焊，hf应不小于 1.5 t ，t为较厚焊件的厚度 (mm)，对自动焊，可减小1mm； hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。
不等边角焊缝要求
对于板件边缘的焊缝，当 t≤6mm 时， hf≤t ；当 t>6mm时，hf ＝t－(1~2)mm。
• 受力要求： 钢板端部不剪断，端距不应小于2d0 ;
受拉时，栓距和线距不应过小；
受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大
• 构造要求：
栓距和线距不宜过大 • 施工要求： 有一定的施工空间
钢板上螺栓和铆钉的容许间距 名称 位置和方向 外排(垂直内力或顺内力方向) 垂直内力方向 中心间距 中间排 顺内力方向 沿对角线方向 顺内力方向 中心至构件边缘距离 剪切或手工气割边 垂直内力方向 轧制边、自动气割或锯割边 高强度螺栓 其它螺栓 4d0 或8 t 构件受压力 构件受拉力 最大容许距离 （取两者的较小值） 8d0 或12 t 16d0 或24 t 12d0 或18 t 16d0 或24 t —— 2d0 1.5d0 1.5d0 1.2d0 3d0 最小容许距离
第 七 章
钢结构的连接和节点构造
主要内容：
7.1 钢结构对连接的要求及连接方法
7.2 焊接连接的特性
7.3 对接焊缝的构造和计算 7.4 角焊缝的构造和计算 7.5 焊接残余应力和残余变形 7.6 普通螺栓连接的构造和计算
7.7 高强螺栓连接的性能和计算
7.8 焊接梁翼缘焊缝计算 7.12 柱脚设计
焊缝长度lw 也不应太长或太短，其计算长度不宜小于 8hf和40mm ，且对侧面角焊缝，不宜大于60hf，超出部 分不计。若内力沿侧面角焊缝全长分布，则不受此限。
7.4.2 角焊缝计算的基本公式
2 2 2 w 3 ( ) 3 f // f
N A , V A , V A f x f x e f y f y e f z f ze

f x


A N /2 + N /2 A /2 A /2
e f y f x e f y e
f x/ 2 f y/ 2
/2 /2 , f y f x / / f z
则有
角焊缝计算的基本公式为:
•仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时
为考虑撬力的影 响，规范规定普通 螺栓抗拉强度设计 值ftb取同样钢号钢 材抗拉强度设计值f
的0.8倍(即ftb=0.8f )
7.6.3 螺栓群的计算
1、螺栓在轴心力作用下的抗剪计算
﹡螺栓数目
b n N/ N m in
﹡板件净截面强度 ﹡净截面面积和受力
N /A n f
并列（图a）
N1=N； N2 =N－(n1/n) N ；N3 = N－ (n1+n2)/n N
T Tn N N 2 2 2 2 1 T 1( r r r ) r 1 2 n i r r 1 1 1 i Tr 1 Tr 1 T N 1 2 2 2 r x y i i i
T y 1 N 2 2 x y i i
T 1 x
• • •
一级焊缝：在外观检查的基础上用超声波检验每条焊；
全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷； 对承受动力荷载的重要构件焊缝，增加伽马射线探伤。
﹡强度折减：
高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9。
7.2.4 焊缝连接型式及焊缝型式 ﹡连接型式
平接、 搭接、 T形连接、 角接
﹡焊缝型式
对接焊缝和角焊缝
焊缝沿长度分布情况：连续角焊缝和断续角焊缝
对被连接板：An=t (b－n1d0) 对拼接板： An =2t1 (b－n3d0)
错 列（图b）
除考虑1-1截面破坏外，还要考虑2-2截面的破坏，净截面面积为
At [ 2 e ( n 1 )e e n d ] n 4 2 20
2 1 2 2
2、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算 基本假定
注: 1. d0 为螺栓孔或铆钉孔径，t 为外层薄板件厚度。 2. 钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢) 相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。
﹡孔、螺栓图例
7.6.2 普通螺栓连接受剪、受拉时的性能
﹡传力方式：抗剪螺栓和抗拉螺栓
1、抗剪螺栓连接
﹡破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端
＝VS/(Iwt)≤ f wv
（ 3 ）轴力、剪力和弯矩共同作用时，对接焊 缝的最大正应力为轴力和弯矩引起的应力之和，
剪力和折算应力和上面相同。
7.3.3 部分焊透的对接焊缝
计算原则：按角焊缝计算
7.4 角焊缝的构造和计算
7.4.1 构造和强度
﹡截面形状、有效截面
﹡应力分布
侧面角焊缝的应力分布
﹡不同宽度和厚度的钢板拼接
动载时不大于1:4，计算时取较薄焊件厚度
7.3.2 对接焊缝的计算
计算原则
用计算焊件的方法。I、II级等强不计算，仅 计算III级焊缝 （1）轴心受力的对接焊缝 ＝N/(lw t)≤f wt 或 f wc
（2）受弯、受剪的对接焊缝计算
＝M/Ww ≤ f wt
• 焊接位置要应尽量对称于截面重心
• 焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸 • 焊缝不宜过分集中（图a） • 应尽量避免三向焊缝交叉（图b） • 考虑钢板分层问题（图c）
• 焊条易达到（图d）
• 避免仰焊
7.6 普通螺栓的构造和计算
7.6.1 螺栓连接的排列和构造要求
﹡排列方式：并列或错列
﹡排列要求