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1、钢结构设计原理,汕头大学土木工程系本科课程,喻莹,第三章 钢结构的连接,钢材连接的种类及特点,1,2,焊接方法和焊缝连接形式,对接焊缝的构造和计算,3,钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。选定连接方案是钢结构设计中很重要的环节。好的连接设计应符合安全可靠、节约钢材、构造简单、施工方便、与结构计算简图相符合的原则。,1,钢材连接的种类及特点,螺栓连接,铆钉连接,焊接连接,一、焊缝连接,优点：构造简单；加工方便；节约钢材；不削弱构件截面；连接刚度大；密封性好。,缺点：焊接处局部高温使钢材组织发生改变，材质变脆；焊接结构低温冷脆现象严重；焊后构件中存在焊接残余应力和残余变形。施焊可能
2、产生缺陷，使疲劳强度降低。,1,钢材连接的种类及特点,在低温环境下工作及直接承受动载的钢结构不宜采用焊缝连接。,二、铆钉连接 优点：连接牢固，传力可靠，连接的塑性和韧性好，质 量易检查保证，在一些直接承受动载的结构中有 时仍采用。缺点:打铆工艺复杂（热插入：9000C),费工费料。目前 已基本上为高强度螺栓连接所代替。,1,钢材连接的种类及特点,三、螺栓连接,1.普通螺栓连接,1,钢材连接的种类及特点,2.高强度螺栓连接,高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母的合称。,由45号、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成。,45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓（b）扭剪
3、型螺栓,1,钢材连接的种类及特点,2、高强度螺栓连接强度等级：8.8级：由经热处理的45号钢制成。最低抗拉强度为 800N/mm2，fy:fu=0.8。10.9级：由40B、20MnTiB钢制成。最低抗拉强度为 1000N/mm2,fy:fu=0.9。,1,钢材连接的种类及特点,高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较,1,钢材连接的种类及特点,主要连接方法及优缺点,1,钢材连接的种类及特点,一、常用焊接方法 1.电弧焊：利用焊条（焊丝）与焊件间产生的电弧热熔化焊条和焊件，形成熔池，冷却后连成整体。,2,焊接方法和焊缝连接形式,（1）手工电弧焊 人工操作，用涂药皮的焊条。弧光外露，焊后清渣。特点：
4、设备简单，适应性强，适用于短或曲折形焊缝及现场高空焊接。但焊缝质量波动性大，工效低。,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-5518),Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048),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),第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。,当不同钢种的焊件焊接时，采用“低组配”方案。例如Q235与Q345焊接时，采用E43型焊条。,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),焊条应与焊件金属品种（强度）相匹配：,2,焊接方法和焊缝连接形式,（2）埋弧焊（自动、半自动),2,焊接
5、方法和焊缝连接形式,焊丝转盘 焊剂漏斗 送丝器 电控箱 光焊丝 熔化 的焊剂 施焊方向,自动埋弧焊原理,（2）埋弧焊（自动、半自动)自动堆药，自动下移光焊丝，自动移焊。（自动）自动堆药，自动下移光焊丝，手工移焊。（半自动）特点：与大气隔离得好，电弧在焊剂层下燃烧，弧光不外露。电弧热量集中，熔深大，焊缝内部缺陷少，焊缝的塑韧好，质量稳定可靠。焊接速度快，效率高。但设备复杂，不灵活，方位受限，适于俯焊，适用于较长的直线形焊缝。,2,焊接方法和焊缝连接形式,埋弧焊1.焊丝的选择应与焊件等强度。2.优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限等。,送丝器,机器
6、,2,焊接方法和焊缝连接形式,（3）气体保护焊在焊接时用喷枪喷出的CO2或惰性气体作为保护气体代替焊剂，把电弧、熔池与大气隔离。电弧热量集中，熔深大，焊接速度快，焊后不必清渣。焊缝强度高、塑性好。采用高锰、高硅型焊丝，具有较强的抗锈能力，焊缝不易产生气孔。明弧，可见度好，操作方便。操作时应采取避风措施（搭防风棚）。,2,焊接方法和焊缝连接形式,2、电阻焊 利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量熔化金属，再通过压力使其焊合。电阻焊只适合于板叠厚度不大于12mm的焊件的焊接。,2,焊接方法和焊缝连接形式,夹具,焊件,点焊,电源,二、焊缝形式和焊缝连接的形式 1、焊缝连接形式 按被连接件的相对
7、位置分为：对接（平接）、搭接、T接和角接四种类型。对接接头 搭接接头,2,焊接方法和焊缝连接形式,T接接头 角接接头,2,焊接方法和焊缝连接形式,搭接,角部连接,对接,T型连接,2,焊接方法和焊缝连接形式,2、焊缝形式：分为对接焊缝和角焊缝。,对接焊缝按受力与焊缝方向分：1）正对接焊缝(a)：作用力方向与焊缝方向正交。2）斜对接焊缝(b)：作用力方向与焊缝方向斜交。,角焊缝按受力与焊缝方向分：1）正面角焊缝(c)：作用力方向与焊缝长度方向垂直。2）侧面角焊缝(c)：作用力方向与焊缝长度方向平行。3）斜焊缝（c）：作用力方向与焊缝方向斜交。,焊缝形式,2,焊接方法和焊缝连接形式,（1）对接焊缝,
8、（2）角焊缝,2、焊缝形式,2,焊接方法和焊缝连接形式,3.焊缝施焊位置,2,焊接方法和焊缝连接形式,4.焊缝缺陷及焊缝质量检验,（1）焊缝缺陷 焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。,2,焊接方法和焊缝连接形式,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷。内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线或射线透照或拍片。,(2)焊缝质量检验,2,焊接方法和焊缝连接形式,钢结构工程施工及验收规范规定：
9、,(1)钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。,三级：肉眼或放大镜作外观检查，看焊缝的尺寸是否符合设计要求，及有无外表缺陷（裂纹、咬边、焊瘤等）。二级：在外观检查的基础上，用超声波抽查每条焊缝长度的20，查找内部缺陷（气孔、裂纹、夹渣）。一级：在外观检查的基础上，用超声波检查每条焊缝的全部长度，对直接承受动载的重要构件还要作局部X光检验，查找内部缺陷。,2,焊接方法和焊缝连接形式,（3）焊缝质量等级及选用,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：,1）需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向
10、的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。,2）在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。,3）重级工作制和起重量50t的中级工作制吊车梁的腹板与上 翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的 对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级。,4）角焊缝质量等级一般为三级，但对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,2,焊接方法和焊缝连接形式,5、焊缝符号标注（焊缝代号）,2,焊接方法和焊缝连接形式,焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明
11、焊缝形式、尺寸和辅助要求。常用焊缝代号和标注方法如下：,对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊缝。常用的坡口形式有直边形、单边V形、V形、U形、K形和X形(如下图)。做坡口是为了便于施焊，保证焊接质量，应根据焊件的厚度选用不同的坡口形式。坡口形状参数有：斜坡角度、钝边厚度p和间隙宽度c。,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造,对接焊缝的构造和计算,3,C=0.52mm,C=23mm,C=23mm,p,C=34mm,p,C=34mm,对接焊缝的构造和计算,3,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造,坡口形式与板厚和施工条件有关。,t
12、-焊件厚度,(1)当t6mm(手工焊),t10mm(埋弧焊)时可不做坡口,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。,对接焊缝的构造和计算,3,2、板宽（厚）有变化的连接，应有1：2.5的斜坡过度。当厚差t4mm时可不做斜坡。,对接焊缝的构造和计算,3,1,1,2.5,2.5,措施：采用引弧板，焊后切除；在一些特殊情况下无法采用引弧板时（如T形接头的对接焊缝），每条焊缝的计算长度（有效长度）焊缝长度2t(t为较薄焊件的厚度)。,对接焊缝的构造和计算,3,3、焊缝的起（引）弧处和灭（落）弧处，不易熔透而生焊口。,对接焊缝
13、的两端，常因不能熔透而出现凹形的焊口，焊口处常产生裂纹和应力集中。,1、轴心受力时对接焊缝的计算 N N lw t N N,对接焊缝的构造和计算,3,二、对接焊缝的计算,强度条件：,式中：N 轴心拉力或压力的设计值；lw 焊缝的计算长度，lw l，有引弧板，焊缝的实际长度 l-2t 无引弧板 t 被连接件中的较小厚度，T接中为腹板厚度。对接焊缝的抗拉、抗压强度的设计值,1、轴心受力时对接焊缝的计算,对接焊缝的构造和计算,3,二、对接焊缝的计算,规范规定：当斜缝与作用力N之夹角符合:tan1.5（）时，可不必验算焊缝的强度，此时焊缝的承载能力不低于母材.,当直缝强度不够时，改用斜缝。,2、M、V
14、共同作用下的 对接焊缝计算,因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为,故其强度计算公式为：,式中：Ww焊缝截面模量；Sw-焊缝截面面积矩；Iw-焊缝截面惯性矩。,（1）板件间对接连接,对接焊缝的构造和计算,3,二、对接焊缝的计算,（2）工字形、箱形、T形截面梁对接连接计算,A、对于焊缝的max和max应满足式3.2.4和3.2.5要求；,B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应 力尚应满足下式要求：,式中：1.1为考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。,对接焊缝的构造和计算,3,二、对接焊缝的计算,（2）工字钢或T型截面,例题3.1 简支梁钢材Q235,E43型焊条，手工焊，三级
15、质量，采用引弧板。试验算此对接焊缝的强度。q=150kN/m _25016 max 1 100010 1 max 2.4m 8m,二、对接焊缝的计算,对接焊缝的构造和计算,3,解：1、焊缝处的内力计算:q M=6002.4150/22.421008KN.m 2.4m V=6001502.4240KNR=600kN,二、对接焊缝的计算,对接焊缝的构造和计算,3,2、焊缝计算截面的几何特征值计算：Iw=(25010323-24010003)/12=2898106mm4 Ww=I/ymax=2898106/516=5.6163106mm3 Sw1=25016508=2.032106mm3 Sw=2.
16、032106+50010250=3.282106mm3,对接焊缝的构造和计算,3,二、对接焊缝的计算,3、焊缝应力计算及强度校核：max=M/Ww=1008/5.6163=179.5N/mm2f wt=185N/mm2max=VSw/Iwtw=2401033.282/(289810)=27.2N/mm2=125N/mm21maxh1/h=179.51000/1032=173.9N/mm21VSw1/Iwtw=2401032.032/(289810)=16.8N/mm2 176.3N/mm21.1 f wt=1.1185N/mm2,满足强度要求。,二、对接焊缝的计算,对接焊缝的构造和计算,3,Thank You!,汕头大学土木工程系本科课程钢结构设计原理,
