1、,钢结构的连接Steel Connections,第三章(上),第三章 钢结构的连接(Steel Connection)3-1钢结构的连接 (Introduction of steel connections)3-2对接焊缝的构造和计算(Constructional details and calculation of butt weld)3-3角焊缝的构造和计算(Constructional details and calculation of fillet weld）3-4焊接残余应力和焊接变形 (welding residual stress and deformation)3-5普通螺
2、栓的构造和计算(Condtruction details and calclation of plain bolts)3-6高强度螺栓连接的构造和计算(Condtruction details and calclation of high strength bolt connection)3-7轻钢结构紧固件连接的构造和计算(fastener connections of light weight steel constrction),学习要点,1.了解钢结构连接的种类及各自的特点(types and characteristics of steel structure connections
3、)；2.了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算方法及构造要求；(mechanical behaviors , calculating methods and constructional requirements of bolted connections)3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响；(initiation of welding stress and deformation,the influence on mechanical behaviors of steel structures)4.了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算和构造要求。(mechan
4、ical behaviors,calculating methods and constructional requirements of bolted connections),3.1 钢结构的连接 (steel connections ),钢结构(steel structure)由钢板(steel plate)或各类型钢(steel section)通过必要的连接(connection)组成构件（如梁(beam)、柱(column)、桁架(truss)等），再通过一定的安装连接(installation and erection)而形成的整体结构物。,连接的重要性(the importan
5、ce of connection)： 是钢结构的细部(detail)，易引起应力集中(stress concentration)或局部应力(local stress)； 对节点连接(connection)的细部构造(constructural details)认识相对粗糙； 构造设计不恰当，易引起事故。 连接恰如人体的关节(knuckle)。,钢结构连接的分类(classification)：,按制作与加工的地点分(loaction,manufactured and machined)： 工厂连接和工地连接(in factory and on site)；按采用的材料技术分： 销钉(pin b
6、olt)、铆钉(rivett)、螺栓(bolt)、焊接(weld)及紧固件连接(fastener)。,钢结构连接的设计原则(principles of design)： 安全可靠(safe and reliability)、传力明确(clear load tranfer path)、构造简单(simple constructional details)、制作方便(convenient to be manufactured)和节约钢材(steel saving)。,3.1.1 焊缝连接 (welded connection),优点(Advantages),1. 焊缝连接的特点(character
7、istics),构造简单，连接方便；用料经济，不削弱截面；加工方便，可实现自动化操作；密闭性好，连接刚度大。,缺点(Disadvantages）,“热影响区”材质（金相组织）变脆；焊接应力和焊接变形降低承载力；对裂纹敏感，局部裂纹易扩展到整体，尤其动载和冷脆；易存在各种缺陷。,2. 常用的焊缝方法(welding method),（1）手工电弧焊(elatric-arc welding),A、焊条(electrode)的选择： 焊条应与焊件(weldment)钢材相适应。,原理：利用电弧(electric arc)产生热量熔化焊条和母材(mother metal)形成焊缝。,Q390、Q420
8、钢选择E55型焊条(E5500-5518),Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)(minimum tensile strength),第3、4适用焊接位置、电流(electric current)及药皮(coating)的类型。,不同钢种(steel grade)的钢材焊接，宜采用与低强度钢材(low strength steel)相适应的焊条。,缺点：质量波动大(great fluctuation of quality) ，要求焊工(welder)等级高，劳动强度大，效
9、率低(labourious and inefficient)。,优点：方便(convenient)，特别在高空(connected high above the groud)和野外作业，小型焊接(minitype weld)；,Q235钢选择E43型焊条(electrode) （E4300-E4328),C、优、缺点,(2) 埋弧焊（自动或半自动）(automatic and semiautomatic hidden arc welding),A、焊丝(welding wire)的选择应与焊件(mother steel)等强度。 B、优、缺点： 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接
10、质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限等。,送丝器,机器,(3) 气体保护焊(gas shielded welding),优、缺点： 优点(merits)：焊接速度快，焊接质量好(Fast welded connection and high qualify welding)。 缺点(demerit)：施工条件受限制等(restricted operation condition)。,(4) 电阻焊(eletric resistance welding),点焊设备(spot welding equipments),3.焊接连接形式和焊缝形式(types of welded joints an
11、d welded seam ),（1）焊接连接形式(the format of welded joint),对接(butted joint),搭接(lap joint),T形连接(Tee joint),角部连接(coner joint),（2）焊缝形式(welded seam types) 常用受力焊缝(stressed weld)：,对接焊缝(butt weld),角焊缝(fillet weld),正面角焊缝(front fillet weld),侧面角焊缝(side fillet weld),塞焊缝和槽焊缝(slot)、点焊缝(plug)和封底焊缝(sealing weld)（不是主要的传
12、力连接，作为辅助连接焊缝）,其他次要焊缝(constructional weld)：,焊缝沿长度方向的布置：,连续角焊缝(continuous fillet weld)，间断角焊缝（用于受力很小的次要构件）,焊缝施焊位置(welding position),平焊(downhand welding)、横焊(horizontal welding)、立焊(vertical welding)和仰焊(overhand welding)（焊条运行与焊缝的相对位置）,4.焊缝缺陷(defects)及焊缝质量检查(quality inspection),（1）焊缝缺陷(defects),（2）焊缝质量检验(q
13、uality inspection),外观检查(observational check)：检查外观缺陷和几何尺寸(macroscopic irregularity and geometrical dimension)；内部无损检验(non-destructive)：检验内部缺陷(internal defect)。,内部检验主要采用超声 波(ultrasonic wave)，有时还用磁粉检验 (magnetic powder test)荧光检验(fluoroscopic inspection)等辅助检验方法。还可以采用X射线或射线透照或拍片。,钢结构工程施工及验收规范规定：,焊缝按其检验方法和质
14、量要求(quality requirements)分为一级、二级和三级。,三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查(appearance test)且符合三级质量标准；,一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准(quality standard)。,钢结构设计规范（GB50017-2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：, 需要进行疲劳(fatigue)计算的构件中，垂直于(vertical)作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。,（3）焊缝质量等级(quality grades of welding)的规定,在不需要进行疲劳计算的构件中，
15、凡要求与母材(base material)等强的受拉对接焊缝(butt weld)应不低于二级；受压时宜为二级。,重级工作制(heavy-duty)和起重量 的中级工作制吊车梁(middle-duty crane beam)的腹板(web plate)与上翼缘板(top flange plate)之间以及吊车桁架(crane truss)上弦杆(up cord member)与节点板(gusset plate)之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。,角焊缝(fillet weld)质量等级一般为三级，直接承受动力荷载(dynamic load)且需要验算疲劳(fatigue)和起
16、重量的中级工作制吊车梁(middle-duty crane beam)的角焊缝的外观质量应符合二级。,2. 螺栓连接(bolting connection),优点(merit)：连接刚度(stiffness)大，传力可靠(load tranfer reliable)；,分为： 普通螺栓连接(plain bolted connection) 高强度螺栓连接(high strength bolted connecion),1. 铆钉连接(rivet connection),缺点(disadvantage)：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差， 施工速度慢。,3.1.2 铆钉和螺栓连接(ri
17、vet connection and bolted connection),1.普通螺栓(plain bolt),C级-粗制螺栓(rough bolt)，性能等级为4.6或4.8级；4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(aperture)(do)-栓杆直径(diameter)(d) 13mm。,A、B级-精制螺栓(burnished bolt)，性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(aperture)(do)-栓杆直径(diameter)(d)0.30.5
18、mm。,按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,2.高强度螺栓(high strength bolt),由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理 (heat treating),45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓 hexagonal head tap bolt torsion shear bolt,作用(function): 表明焊缝型式、尺寸和辅助要求(types of weld weld configuration,dimension,auxiliary requirement)表示方法(notations)
19、: 由图形符号、辅助符号和引出线(outgoing line)等部分组成,3.1.4 焊缝代号(welding symbols),1、对接焊缝的坡口形式(groove format ):,3.2.1 对接焊缝的构造(configuration of butt weld),3.2 对接焊缝的构造与计算(configuration and calculation of butt weld ),对接焊缝的焊件常做坡口(groove)，坡口形式与板厚和施工条件有关(plate thickness and construction condition)。,t-焊件厚度(welded plate thic
20、kness),(1)当:t6mm(手工焊(manual welding),t 10mm(埋弧焊(hidden arc welding)时可不做坡口(groove),采用直边缝;,(2)t=720mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;,(3)t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,注意：V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊(repair welding)。,2、当板件厚度(thickness)或宽度(width)在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载(static load)或1:4(动载(dynamic load)的斜角(oblique angle)，以平缓过度，减
21、小应力集中(stress concentration)。,3、对接焊缝(butt weld)的起、灭弧点易出现缺陷(deffect)，故一般用引弧板(end tab)引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度(calculated length)等于实际长度(physical length)减去2t1，t1较薄焊件厚度；,对接焊缝可视作焊件(weldment)的一部分，故其计算方法(calculation method)与构件强度(member strength)计算相同;规范规定：对于静载(static load)作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材(base mate
22、rial)相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；,3.2.2 对接焊缝的计算(calculation of butt weld),1、轴心力(axial load)作用下的对接焊缝计算,式中： N轴心拉力或压力(axial tension or compression)； t板件较小厚度(thicker plate)；T形连接中为腹板厚度(web plate)； ftw、fcw对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值(tensile and compressive designed strength)。,当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。,另:当tan1.5时,不用验算! P64 例题3.1,2
23、、M、V 联合作用下(under combined moment and shear force)的对接焊缝(butt welding)计算,因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图(stress diagram)为：,故其强度计算公式为：,式中：Ww焊缝截面模量(section modulus of welded section)； Sw-焊缝截面面积矩(area moment of welded section)； Iw-焊缝截面惯性矩(moment of inertia )。,（1）板件间对接连接,（2）工字形截面梁对接连接计算(I-beam),对于翼缘(flange plate)与腹板
24、(web plate)交接点焊缝（1点），其折算应力(reduced stress)尚应满足下式要求：,1.1考虑最大折算应力(maximum reduced stress)只在局部(local)出现的强度增大系数。,3、N、M、V 联合作用下的对接焊缝计算,1.角焊缝的形式和强度(formation and strength),3.3.1 角焊缝的构造(fillet welds macrostructure),3.3 角焊缝的构造与计算(configuration and calculation of fillet weld),按截面形式分：直角角焊缝、斜角角焊缝,（1）直角角焊缝,（2）斜
25、角角焊缝(oblique fillet weld),对于135o或6mm时，hf,maxt-(12)mm；,（2）最小焊脚尺寸hf,min(mimimum leg length),为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织(quenched structure)，焊缝变脆，冷却过快导致产生裂纹(crack)，hf,min应满足以下要求:,式中: t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊(union melt welding)hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 当t24mm时, hf,min=t2,（3）侧面角焊缝(side fillet weld)
26、的最大计算长度 (maximum effective length),侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数(stress concentration)越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度(yield strength)后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：,注： 1、当实际长度(physical length)大于以上值时，计算时不与考虑； 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。,（4）侧面角焊缝的最小计算长度(minimum effective length of side
27、 fillet weld),对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠；搭接连接的侧面角焊缝，长度过小，应力集中(stress concentration)严重。故为了使焊缝具有一定的承载力(bearing capacity)，规范规定：,（5）搭接连接的构造要求(constitution requirement of lapped joint),当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时： A、为了避免应力传递(stress transfer)的过分弯折而使构件中应力不均，规范规定：,B、为了避免焊缝横向收缩(transversal shrin
28、kage)时引起板件的拱曲(hogging)太大，规范规定：,D. 在搭接连接中，只有正面角焊缝，搭接长度(overlapping length)不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。,C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊。三面围焊，所有转角处必须连续施焊。,3.3.2 直角角焊缝的基本计算公式(basic calculation formulae of right-angle fillet weld),试验表明，直角角焊缝的破坏(failure)常发生在喉部(throat)，故通常将45o截面(即有效截面(effective section
29、)作为计算截面(effective section)，作用在该截面上的应力如下图所示：,1. 受力性能,2. 计算假定(assumptions of calculation)：,（1）假定一：采用沿45o截面方向的焊缝截面作为计算截面(effective section)，即把该面作为破坏面(failure section)；（2）假定二：角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值(tensile ,compression and shear design strength) ，取相同的角焊缝强度设计值ffw(design strength of fillet weld)；（3）假定三：在通过焊缝形心
30、的拉力、压力和剪力作用下，假定沿焊缝长度的应力分布(uniformstress distribution)是均匀的。,由假设一，进行了大量的有效截面(effective section)上不同应力状态研究，有试验结果，国家标准化组织推荐采用如下角焊缝强度计算公式：,由于规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的故上式又可表达为：,3. 基本计算公式(basic calculation formulae)：,4.直角角焊缝(right-angle fillet weld)的强度计算公式：,将3.3.4、3.3.5式，代入3.3.3式得：,式3.3.6即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式b
31、f正面角焊缝强度增大系数(frontal fillet weld)； 静载(statical load)时取1.22，动载(dynamic load)时取1.0。,对于正面角焊缝(frontal fillet weld)，f=0，由3.3.6式得：,对于侧面角焊缝(side filet weld)，f=0，由3.3.6式得：,以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其 实际长度减去2hf。,1. 承受轴心力(under axial force)作用时角焊缝连接的计算,(1)用盖板(cover plate)的对接连接(butted joint),A 仅采
32、用侧面角焊缝连接：,B 采用三面围焊连接：,3.3.3 角焊缝的计算(calculation of fillet weld),已知：钢板Q235，焊条E43型（与例题3.2类似）,要求：设计角焊缝，搭接钢板尺寸,解：轴心静力荷载,构造要求：,取？,（原则：取小的，过大冷却收缩变形大，可能要焊两道）宜小不宜大,盖板长度,只用侧缝：,盖板宽度b：强度条件和构造要求,构造要求：,选定盖板,只用端缝：,构造要求，取,三面围焊,先假定板宽b,再确定 ，取,思路：,构造要求，取,(2) 承受斜向轴心力(inclined force)的角焊缝（T形角焊缝连接）,代入式3.3.6验算焊缝强度，即:,已知：某钢
33、板厚度14mm，翼缘板厚20mm，N585kN，Q235钢，手工焊，E43焊条。,思路：,先确定一个满足构造要求的 l,，再进行强度验算,计算（根据强度要求），再看构造,将内力分解为 ,内力分解计算 构造校核,？目标， 要同时满足：构造要求；强度,代入：,，取10mm,，可。,A. 采用三面围焊,由力及力矩平衡(force balance and moment balance)得:,(3) 承受轴力的角钢端部连接(end connection of angle),P69表3.3.1,对于校核问题:,对于设计问题:,B. 仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得:(force and moment
34、 equilibrium),故:,余下的问题同情况A，即:,对于校核问题:,对于设计问题:,C.采用L形围焊,代入下式3.3.12，3.3.13得:,对于设计问题:,例题3-3 试确定图3.3.15所示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢212510，与厚度为8mm的节点板连接，其搭接长度为300mm，焊脚尺寸hf=8mm，钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型。,图3.3.16 例题3-3图,解角焊缝强度设计值,K1=0.70，K2=0.30。正面角焊缝的长度等于相连角钢肢的宽度，即lw3=b=125mm，则正面角焊缝所能随的力内N3为：,肢背角焊缝所能承受的内
35、力N1为：,。由表3.3.1知焊缝内力分配系数为,由式（3.3.12）知,则,由式（3.3.13）计算肢尖焊缝承受的内力N2为：,由此可算出肢尖焊缝所要求的实际长度为：,，取90mm。,由计算知该连接的承载力N943kN，肢尖焊缝长度应为90mm。,2. 复杂受力(under complex stress state)时角焊缝连接计算,(1) N、M、V 联合作用时角焊缝的计算,(2) V、M 联合作用时角焊缝的计算,对于A点：,式中：Iw全部焊缝有效截面(effective section)对中和轴的惯性矩(moment of inertia)； h1两翼缘焊缝(flange plate w
36、eld)最外侧间的距离。,对于B点：,强度验算公式：,式中：h2、lw,2腹板焊缝的计算长度(calaulated length of web plate weld)； he,2腹板焊缝截面有效高度(effective section height of web weld)。,例题3-4 试验算图3.3.18所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢材为Q235，焊条为E43型，手工焊。荷载设计值N=365kN，偏心矩e=350mm，焊脚尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。图3.3.18（b）为焊缝有效截面。,假定:A. 被连接件绝对刚性(absolute rigid)，焊缝为弹性，即：T作用下被连接
37、件有绕焊缝形心旋转的趋势；B. T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比(proportional to r)；C. 在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布(uniform distribution of stress)于全截面。,将F向焊缝群形心(centre of figure)简化得: V=F T=F(e1+e2),故：该连接的设计控制点 为A点和A点,(3) 三面围焊承受V、T 联合作用时角焊缝的计算(under combined shear force and torsion),T作用下A点应力:,将其沿x轴和y轴分解:,剪力V作用下,A点应力:,A点
38、垂直于焊缝长度方向的应力为:,A点平行于焊缝长度方向的应力为:,强度验算公式：,以上计算方法也可采用近似计算，自学。,例题3-5 图3.3.19中钢板高度h=400mm，搭接长度l=a+ =400mm，钢板厚t=12mm，荷载设计值F=200kN，荷载至柱边距离e1=540mm，钢材为Q235B级钢，手工焊，焊条E43型，试确定焊脚尺寸，并验算该焊缝强度。,3.3.4 斜角角焊缝和部分焊透的对接焊缝的计算(calculation of oblique fillet weld and partial penetration butt weld ),自学,3.4 焊接应力和焊接变形(welding
39、 stress and deformations),3.4.1 焊接残余应力和变形的成因 (initiation of welding residual stress and deformations ) 焊接残余应力(welding residual stress)焊接过程是一个对焊件(weldment)局部加热和冷却(localized heating and cooling)的过程，不均匀的温度场产生不均匀的变形(uniform temperature field causes uniform deformations)，从而产生各种应力(stress)，称为焊接残余应力。焊接残余应力的
40、分类(types) A、纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向; B、横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向; C、沿厚度方向的焊接残余应力。 1. 焊接残余应力的成因(initiation of welding residual stress) （1）纵向焊接残余应力(longitudinal welding residual stress),焊接过程是一个不均匀的加热和冷却(uniformly heating and cooling)过程,焊件上产生不均匀的温度场(uniform temperature field)，焊缝处可达1600oC,而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大,但受到两侧温度低、膨胀小
41、的钢材限制,产生热态塑性压缩,焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩,但受到两侧钢材的限制而产生拉应力(tensile stress)。对于低碳钢(low carbon steel)和低合金钢(low alloy steel)，该拉应力可以使钢材达到屈服强度(field strength)。焊接残余应力是无荷载的内应力(internal tress)，故在焊件内自相平衡(self-equilbrating),这必然在焊缝稍远区产生压应力(compressive stress)。,（2）横向焊接残余应力(transversal welding residual stress),产生的原因(init
42、iation): 焊缝的纵向收缩 (longitudinal shrinkage)，使焊件(weldment)有反向弯曲变形(bending)的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉(tensile)，两端受压(in compression)； 焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形(transversal plastic compressive deformation)。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡(self-equilbrating)，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。 以上两种应力的组合
43、即为，横向焊接残余应力(transversal welding residual stress)。,（3）沿厚度方向的焊接残余应力(welding residual stress),在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形(plastical compressive deformations)。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡(stress self-equilbrating)，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力x,y 外，还存在沿厚度方向的焊
44、接残余应力z，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。,2. 焊接残余变形的成因(initiation of welding residual deformations),焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪形变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能(structural behavior)的影响,1.焊接应力的影响,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到fy，即N=Ny时：,(1)对结构静力强度(static strength)的影响,（2）对结构刚度(stiffness)的影响,A、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：,因为B-b 2。,结论： 焊接残余应力(welding residual stress)的存在增大了结构的变形(deformation)，即降低了结构的刚度(stiffness)。,B、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：,另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆(compression column)的稳定承载力(stability strength)（详见第六章）。,
