1、钢结构的连接和节点构造,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,1 钢结构对连接的要求及连接方法,（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接,2 焊接连接的特性 1 焊接方法电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等,2 焊接连接的优缺点 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 缺点 材质劣化 残余应力、残余变形 一裂即坏、低温冷脆,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,(a) 热裂纹；(b) 冷裂纹；(c) 气孔；(d) 烧穿；(e) 夹渣,(f) 根部未焊透；(g) 边缘未熔合；(h) 层间未熔合；(i) 咬边；(j
2、) 焊瘤,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 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 一级焊缝：在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷 强度折减：高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9,4 焊缝连接型式及焊缝型式 连接型式平接、搭接、T形连接和角接,连接型式对接焊缝和角焊缝,正面角焊缝 侧面角焊缝 连续角焊缝 断续角焊缝,施焊位置俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊,5 焊缝代号 作用表明焊缝型式、尺寸和辅助要求 表示方法由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成,3 对接焊缝的构
3、造和计算 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、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等,（a）I形缝；（b）带钝边单边V形缝；（c）Y形缝,（d）带钝边U形缝；（e）带钝边双单边V形缝；（f）双Y形缝；（g）、（h）、（i）加垫板的I形缝、带钝边单边V形缝和Y形缝,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（lwt）fwt或fwc,（2）受弯、受剪的对接焊缝计算 MWw fwt VS（Iwt ） fwV,3 部分焊透的对接焊缝 计算原则：按角焊缝计算,4 角焊缝的
4、构造和计算 1 构造和强度 截面形状,应力分布侧面角焊缝的应力分布,角焊缝的应力位移曲线,正面角焊缝的应力分布,焊脚尺寸,hf 应与焊件的厚度相适应。对手工焊，hf应不小于 ，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。,对于板件边缘的焊缝，当t 6mm时， hf t ；当t 6mm时， hf t (12)mm。,焊缝长度 lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf,2 角焊缝计算的基本公式,则有,可得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,仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时,受各力综合作用时,3
5、常用连接方式的角焊缝计算,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）,三面围焊时（图c） 先计算计算正面角焊缝受力N1，剩 余的N N1由侧面角焊缝承担。,菱形拼接板（图d） 简化计算不计正面及斜焊缝的f：,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,三面围焊时（图b）,正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hflw3f ffw,侧面角焊缝承担的力为,肢背 N1 =e2 N /（e1+e2）N3 /2=K1 NN3 /2,肢尖 N2 =e1 N /（e1
6、+e2）N3 /2=K2NN3 /2,L形焊缝（图c）,正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hflw3f ffw,侧面角焊缝承担的力为,N1 = N N3,3、弯矩作用下的焊缝,4、扭矩作用下的焊缝 焊缝群受扭：,假定 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的； 被连接板件绕角焊缝有效截面形心o旋转，角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心o的连线，应力的大小与其距离r的大小成正比。,环焊缝受扭,5、弯矩、剪力和轴心力共同作用,6、扭矩、剪力和轴心力共同作用,7、塞焊计算,1 焊接残余应力的分类和产生的原因,纵向残余应力,5 焊接残余应力和残余变形,横向残余应力,厚度方向的残余应力,约束状态下
7、的焊接应力,2 焊接残余应力的影响,对结构静力强度的影响,对结构刚度的影响,对压杆稳定的影响,对低温冷脆的影响,对疲劳强度的影响,3 焊接残余变形,残余变形形式,残余变形形式,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）,5 合理的焊缝设计,焊接位置要合理，布置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,6 普通螺栓的构造和计算,普通螺栓连接A、B级螺栓5.6级和8.8级，d0-d=0.30
8、.5mm，钻成孔C级螺栓4.6级和4.8级，d0-d=1.01.5mm，冲成孔 高强度螺栓连接8.8级和10.9级， d0-d=1.01.5mm，钻成孔摩擦型连接，承压型连接,1 螺栓连接的排列和构造要求,排列方式：并列或错列,排列要求受力要求：钢板端部剪断，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,孔、螺栓图例,2 普通螺栓连接的构造和计算,传力方式：抗剪螺栓抗拉螺栓同时抗剪抗拉螺栓计算方法：螺栓承载力计算螺栓群中受力最大螺栓 1单个螺栓的承载力设计值 = 螺栓1的内力（1）单个螺栓的承载力设计值（2
9、）螺栓群内力计算,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 l115d0 时， =1.0 当 15d0l160d0 时， =1.1l1/150d0 当 l160d0 时， =0.7,一个抗剪螺栓的设计承载力计算,抗剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,(a) 单剪 (b) 双剪 (c) 四剪面,一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值。,2、抗拉螺栓连接,破坏形式：螺栓杆拉断 抗拉
10、承载力设计值,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 ),3、螺栓群的内力计算,a.螺栓在轴心力作用下的抗剪计算轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布螺栓数目,板件净截面强度,净截面面积和受力,并列（图a） N1=N； N2 =N(n1/n) N ；N3 = N (n1+n2)/n N 对被连接板：An=t (bn1d0) 对拼接板： An =2t1 (bn3d0),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,b、螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算 基本假定 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹
11、性的； 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。,平衡条件：,根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件,则,或,验算,c、螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算,在剪力V和轴力N作用下，螺栓均匀受力：,则螺栓1受的最大剪力N1应满足：,在扭矩T作用下，螺栓1 受力为,d、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算轴力通过螺栓群的形心，内力均匀分布,e、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算,假定：中和轴在 指向的第一排螺栓处,则,指所有螺栓对中和轴之 距平方和。,f、螺栓群同时受剪力和拉力的计算,支托仅起安装作用：螺栓群受力为M=Ve和剪
12、力V，则,螺栓不发生拉剪破坏：,板不发生承压破坏：,支托承受剪力：螺栓群只承受弯矩M=Ve作用，则,支托和柱翼缘的角焊缝验算：,为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取1.251.35,1 高强度螺栓连接的性能,级别：10.9级和8.8级（小数点前为螺栓热处理后的最低抗拉强度，小数点后的数字是屈强比）栓孔：钻成孔按受力特征分类：摩擦型连接、承压型连接影响承载力的因素：栓杆预拉力、连接表面抗滑移系数和钢材种类,7 高强度螺栓连接的性能和计算,1、高强螺栓连接的预拉力,施加方法：扭矩法、转角法和扭剪法 预拉力设计值：高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑： 螺栓材料抗力的变异性
13、，引入折减系数0.9； 施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9； 在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2； 钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。,2、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数对于承压型连接，只要求清除油污及浮锈；对于摩擦型连接，要求见下表：,3、高强螺栓的排列要求同普通螺栓，同样要考虑连接长度对承载力的不利影响。,2 高强度螺栓的抗剪承载力设计值,1、高强螺栓摩擦型连接,R为抗力分项系数R的倒数，一般取0.9，最小板厚t6mm的冷弯薄壁型钢结构取0.8,2、高强螺栓承压型连接破坏状态同普通螺栓，极限承载力由杆身
14、抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同。,3 高强度螺栓群的抗剪计算,1、轴心力作用时（内力均匀分布）螺栓数：构件净截面强度：对于承压型连接，验算与普通螺栓相同；对于摩擦型连接，要考虑孔前传力的影响（占螺栓传力的50%）,高强度螺栓摩擦型连接的孔前传力,2、扭矩作用时，及扭矩、剪力和轴心力共同时螺栓群受扭矩T、剪力V和轴心力N共同作用的高强度螺栓连接的抗剪计算与普通螺栓相同，只是用高强度螺栓的承载力设计值。,4 高强度螺栓的抗拉计算,1、高强度螺栓的抗拉连接性能,当Nt=0.8P时，Pf=1.07P。可认为螺栓中的预拉力基本不变。,撬力的影响：限制抗拉承载力在0.8
15、P以内,2、高强度螺栓的抗拉连接计算抗拉承载力,轴心拉力的螺栓数：,弯矩作用时：,承载力极限状态： 板不被拉开时，中和轴在螺栓群形心处； 板可被拉开时，与普通螺栓一样，中和轴在M指向的第一排螺栓处,5 同时承受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算,1、高强度螺栓摩擦型连接 由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低； 每个螺栓的抗剪承载力也随之减少； 抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低。,2、高强度螺栓承压型连接,且,当剪切面在螺纹处时，取,叠放板材的弯曲变形,8 焊接梁翼缘焊缝的计算,无局部压应力时的梁翼缘焊缝受力,焊缝受力：,焊脚尺寸：,双层翼缘板时的焊缝受力,有局部压应力时的梁翼缘焊缝受力,则,
16、焊脚尺寸为：,功能：将柱子内力可靠地传给基础；和基础有牢固连接；尽可能符合计算简图。连接方式：铰接：支承式刚接：支承式(外露式)埋入式(插入式)外包式,9 柱脚设计,1 轴心受压柱的柱脚,1、柱脚的型式和构造,(a) 轴承式铰接柱脚；(b)、(c) 平板式铰接柱脚,刚接柱脚,2、轴心受压柱脚的计算 内容：确定底板的尺寸、靴梁的尺寸及它们之间的连接焊缝。 (1) 底板计算底板平面尺寸 A=N/fcc 底板中如有锚栓孔，A中应包含锚栓孔面积A0。 B=b+2t+2c c取210cm，且使B为整数。 L=A/B q=N/(BL-A0),底板厚度底板厚度由板抗弯强度决定。地板被分为四边支承板、三 边支承板和悬臂板。 M4=qa2 四边简支板的弯矩系数,M3=qa12,M1=qc2/2 则,底板的厚度一般在20mm40mm之间，不宜小于14mm。,(2) 靴梁计算厚度与被连接的柱子翼缘大致相同，高度由连接柱所需要的焊缝确定。二块靴梁板承受的最大弯矩： M=qBl2/2二块靴梁板承受的最大剪力： V=qBl (3) 隔板计算厚度不小于长度的1/50，受力取阴影部分基础反力。,
