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1、南航土木工程系,第4章 构件的连接,1,第4章 构件的连接,钢结构是由各种单个基本构件（如钢板、型钢等）通过各种连接组成的整体结构。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,2,4.1 钢结构的连接方法,钢结构连接方法简介 焊接 螺栓连接（普通螺栓、高强度螺栓）铆钉连接。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,3,一、焊接连接优点：构造简单 施工方便 节省材料 密闭性好 自动化程度高缺点：材质变脆 存在焊接残余应力和残余变形 对裂纹较敏感,南航土木工程系,第4章 构件的连接,4,1、手工电弧焊,南航土木工程系,第4章 构件的连接,5,焊条选用：所用焊条应与主体钢材相匹配 Q235E43xx；Q345
2、E50 xx；Q390和Q420E55xx E焊条；43焊条金属的最小抗拉强度（）；xx（两个数字）表示焊条适用的焊接位置、电 流类型及药皮类型等。例如，E4303适用于Q235钢的一般结构全位置焊 接，药皮为钛钙型，电流为交流或 直流正、反接。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,6,2、自动或半自动埋弧焊3、气体保护焊 工作原理与埋弧焊相似，只是用惰性气体代替 焊剂，使融化金属与空气隔绝较好，焊缝质量 较好。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,7,二、螺栓连接 材料性能等级表示法：“”“”表示螺栓材料的抗拉强度“”表示螺栓材料的屈强比，即例如，5.6级表示该材料的抗拉强度 屈强比 即屈服
3、强度,南航土木工程系,第4章 构件的连接,8,1、普通螺栓 材料：碳素钢Q235 级别：A、B、C三级 A级和B级：精制螺栓 有5.6级和8.8级两种 螺栓杆和螺栓孔之间缝隙小（I类孔）受剪性能好 成本高 C级：粗制螺栓 有4.6级和4.8级两种 螺栓杆和螺栓孔之间缝隙大（II类孔）受剪变形大 成本低,南航土木工程系,第4章 构件的连接,9,2、高强度螺栓 材料：中碳钢或低合金钢等经热处理后制成 状态：螺栓强度高，且螺栓杆内有一定的预拉力 性能等级：8.8级和10.9级两种 分类：摩擦型和承压型,南航土木工程系,第4章 构件的连接,10,摩擦型连接 承载力极限状态：被连接板件间的摩擦力完全 被
4、克服,承压型连接 承载力极限状态：摩擦力被克服，板件间产生 相对滑移后，螺栓孔壁出现受压破坏或螺栓杆 出现受剪破坏。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,11,焊缝形式及焊缝连接形式一、焊缝形式：角焊缝和对接焊缝 1、角焊缝 基本形式：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,12,按照沿长度方向的分布形式不同分为：连续角焊缝 断续角焊缝,南航土木工程系,第4章 构件的连接,13,按照其长度方向与作用力方向之间关系的不同分为：正面角焊缝（端焊缝）：焊缝长度方向与作用力垂直 侧面角焊缝（侧焊缝）：焊缝长度方向与作用力平行 斜角焊缝（斜焊缝）：焊缝长度方向与作用力成夹角 角焊缝的受力性能和强度与受力方
5、向有直接关系,南航土木工程系,第4章 构件的连接,14,按照其截面形式的不同分为：直角角焊缝和斜角角焊缝 直角角焊缝：普通直角角焊缝 平坡直角角焊缝 凹角直角角焊缝 角焊缝的焊脚尺寸 有效高度，忽略了焊缝余高和熔深。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,15,斜角角焊缝,南航土木工程系,第4章 构件的连接,16,2、对接焊缝 基本形式：将焊缝金属材料直接填充在两焊件 之间的空隙中使其连为整体。对接 焊缝可视为被连接板件的组成部分。优点：焊缝受力明确，传力路线直接，不易产 生应力集中现象。缺点：需对焊件边缘进行坡口加工，增加工序。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,17,对接焊缝的坡口形式：与
6、焊件厚度有关，（a）（f）越厚（a）I形（b）单边V形（c）双边V形（d）U形（e）K形（f）X形 坡口角度 根部间隙 钝边高度,南航土木工程系,第4章 构件的连接,18,二、焊缝连接形式 1、焊缝连接的形式：按照被连接板件的相互位置 来划分 对接连接：（a）对接焊缝（b）角焊缝 搭接连接：（c）角焊缝 T形连接：（d）角焊缝（e）对接焊缝 角部连接：（f、g）,南航土木工程系,第4章 构件的连接,19,对接连接：（a）对接焊缝（b）角焊缝 搭接连接：（c）角焊缝 T形连接：（d）角焊缝（e）对接焊缝 角部连接：（f、g）,南航土木工程系,第4章 构件的连接,20,2、焊缝的施焊位置：按照焊条
7、的运行方式与被连 接板件及焊缝的相对位置而 划分（a）平焊（又称俯焊）（b）横焊（c）立焊（d）仰焊,南航土木工程系,第4章 构件的连接,21,焊缝质量等级及焊缝符号一、焊缝缺陷：,（a）裂纹；（b）焊瘤；（c）烧穿；（d）弧坑；（e）气孔；（f）夹渣；（g）咬边；（h）未熔合；（i）未焊透,南航土木工程系,第4章 构件的连接,22,二、焊缝质量等级 焊缝质量等级分为三级，其中一、二级焊缝除外观缺陷检查外，还需要进行内部超声波无损探伤。一级焊缝：直接承受动力荷载的对接焊缝 二级焊缝：承受静力荷载的对接焊缝 三级焊缝：一般角焊缝和不重要的对接焊缝,南航土木工程系,第4章 构件的连接,23,对接焊
8、缝：将其视为焊件主体金属的一部分 一、二级对接焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度 三级对接焊缝的抗压、抗剪强度 均等同于焊件主体金属的设计强度。只对三级对接焊缝的抗拉强度设计值进行折减，取为焊件主体金属抗拉强度设计值的0.85倍。角焊缝：一般均为三级，其抗拉、抗压、抗剪 强度设计值取为相同的数值。焊缝的强度设计值见书P408附表1.33。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,24,三、焊缝符号 包括：指引线、图形符号、辅助符号和焊缝尺寸,南航土木工程系,第4章 构件的连接,25,南航土木工程系,第4章 构件的连接,26,焊接残余应力和残余变形 在焊接过程中，焊件局部温度反复变化，导致焊件内部产生一定的
9、应力和变形。焊件最后冷却后，仍有一部分由焊接所引起的应力和变形残留在焊件中，即为焊接残余应力和残余变形。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,27,一、焊接残余应力：焊件内部的一种自相平衡的 内应力 纵向焊接残余应力 横向焊接残余应力 厚度方向的焊接残余应力,南航土木工程系,第4章 构件的连接,28,二、焊接残余变形：垂直连接焊接变形、T形连接焊接变形、薄板焊接翘曲变形、搭接连接焊接变形、对接焊接构件变形、工字型截面焊接扭曲变形、焊缝厚度方向收缩变形,南航土木工程系,第4章 构件的连接,29,三、减少焊接残余应力和残余变形的方法：1、设计方面：1）控制焊缝数量，减小焊缝高度 2）尽量对称布置
10、3）避免仰焊2、工艺方面：1）注意施焊顺序和方向 分段退焊；多层多道焊；对角跳焊；分块拼接 2）采用反变形法 3）焊前预热，焊后保温或进行高 温回火、锤击等,南航土木工程系,第4章 构件的连接,30,第4章 构件的连接4.2 钢结构连接的构造要求和计算,对接焊缝的构造要求和计算一、对接焊缝的构造要求1、引弧板如不设置引弧板，则焊缝的计算长度等于实际长 度减去2t，在对接接头中，t为连接件的较小厚度，在T形接头中，t为腹板的厚度。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,31,2、不同宽度和厚度的钢板拼接3、纵横两方向的对接焊缝可采用十字形交叉或T形 交叉,南航土木工程系,第4章 构件的连接,32,
11、二、对接焊缝的计算1、轴心力作用下,南航土木工程系,第4章 构件的连接,33,当采用引弧板时，对接焊缝抗压、抗剪和一、二级焊缝抗拉强度与母材相等，在焊件强度保证的条件下可不必计算焊缝强度；只在三级焊缝受拉力作用时才需按上式进行验算。斜对接焊缝：当焊缝与作用力间的夹角满足：，即 时，斜焊缝强度不低于母材强度，可不再验算。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,34,2、弯矩和剪力共同作用下矩形截面：焊缝中的最大正应力和最大剪应力不在同一点，应分别进行计算：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,35,工字形截面：在同时受有较大正应力和较大剪应力的梁腹板与翼缘相交处，还应计算其折算应力,南航土木工程系
12、,第4章 构件的连接,36,南航土木工程系,第4章 构件的连接,37,角焊缝的构造要求和计算（普通直角角焊缝）侧面角焊缝：主要承受剪力作用 侧缝剪应力沿焊缝长度方向分布不均匀 破坏面通常在 斜截面 破坏起点在侧缝两端,南航土木工程系,第4章 构件的连接,38,正面角焊缝：应力状态复杂，应力集中较明显 焊缝的根部出现应力高峰，首先开裂 端缝的强度比侧缝高，但塑性较差，性质较脆,南航土木工程系,第4章 构件的连接,39,无论是侧缝与端缝，焊缝计算时一律取与焊脚边呈45o的斜面为计算截面，即焊缝有效厚度，记为。计算截面上平均破坏应力为焊缝强度（力除以焊缝破坏面积）。焊脚尺寸 正面角焊缝 侧面角焊缝
13、4 432.5 326.0 8 362.2 270.0 12 332.0 250.0,南航土木工程系,第4章 构件的连接,40,规范规定的角焊缝设计强度是侧面角焊缝的强度，不分抗拉、抗压和抗剪，不分焊缝级别均采用相同的值。角焊缝的强度设计值见书P408附表1.33。例如Q235钢材，。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,41,一、角焊缝的构造要求1、焊脚尺寸最小焊脚尺寸：防止焊缝冷却过快而变脆开裂；最大焊脚尺寸：防止较薄焊件出现烧穿等现象，避免冷却时出现较大的焊接残余变形和残余应力；,南航土木工程系,第4章 构件的连接,42,南航土木工程系,第4章 构件的连接,43,2、焊缝计算长度最小计算
14、长度：和；最大计算长度：不宜大于（承受静力荷载或间接承受动力荷载时）或（承受动力荷载时）；,南航土木工程系,第4章 构件的连接,44,3、断续角焊缝的构造要求,南航土木工程系,第4章 构件的连接,45,4、搭接连接的构造要求,如b不满足要求，可增设正面角焊缝。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,46,4、搭接连接的构造要求,南航土木工程系,第4章 构件的连接,47,4、搭接连接的构造要求 连续绕角焊，加焊,南航土木工程系,第4章 构件的连接,48,二、直角角焊缝的计算1、基本计算公式 计算简化假定：1）沿角焊缝45o方向的焊缝有效截面为计算时的 破坏面；2）角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值
15、取相同 的数值，记作；3）在通过焊缝形心的拉力、压力和剪力作用下，假定沿焊缝长度的应力是均匀分布的。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,49,南航土木工程系,第4章 构件的连接,50,基本计算公式：最后形式为：式中，称为正面角焊缝的强度增大系数。对于直接承受动力荷载的结构，取,南航土木工程系,第4章 构件的连接,51,2、轴心力作用下 当轴心力（拉力、压力、剪力）通过焊缝计算 截面形心时，角焊缝有效截面上的应力为均匀分布。当外力平行于焊缝长度方向时，属侧面角焊缝受力，当外力垂直于焊缝长度方向时，属正面角焊缝受力，,南航土木工程系,第4章 构件的连接,52,当外力方向与焊缝长度方向呈夹角 时，
16、属斜角焊缝受力。式中 斜角焊缝的强度增大系数 当直接承受动力荷载时，取。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,53,角钢与板件的角焊缝连接计算 1）两面侧焊,平衡条件：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,54,2）三面围焊,南航土木工程系,第4章 构件的连接,55,3）L形围焊：只有正面角焊缝和角钢肢背上的侧面 角焊缝，而角钢肢尖上无侧面角焊缝,南航土木工程系,第4章 构件的连接,56,南航土木工程系,第4章 构件的连接,57,3、弯矩、剪力和轴心力共同作用下步骤：1)计算角焊缝有效截面的几何特性，如、和 2)按材料力学的公式求出 和 3)利用角焊缝强度基本计算公式进行强度计算,南航土木工程
17、系,第4章 构件的连接,58,南航土木工程系,第4章 构件的连接,59,南航土木工程系,第4章 构件的连接,60,南航土木工程系,第4章 构件的连接,61,4、扭矩和剪力共同作用下一般假定被连接件是绝对刚性体，而焊缝则是弹性的；在扭矩作用下，焊缝上任一点的应力方向将垂直与该点与形心O的连线，而其大小则与该点至形心O的距离 成正比。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,62,在 作用下，单侧扭矩，剪力,，最大应力在r最大处，,由全部焊缝平均承受,南航土木工程系,第4章 构件的连接,63,A点：,T作用下：,V作用下：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,64,螺栓的排列和构造要求一、普通螺栓的形
18、式和规格六角头型、粗牙普通螺纹，其代号用字母M与公称直径表示，工程中常用M16、M20、(M22)和M24。C级螺栓的螺孔采用类孔，M16M24螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5mm。螺栓杆直径，M20表示 螺栓孔直径，C级（类孔）,南航土木工程系,第4章 构件的连接,65,二、螺栓的排列及构造要求采用并列和错列两种形式。根据：受力要求不能过小；构造要求不能过大；施工要求不能过小。规定螺栓的最大、最小容许距离（中距、端距、边矩）。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,66,南航土木工程系,第4章 构件的连接,67,普通螺栓连接的受力性能和计算受剪螺栓：作用力垂直于螺栓杆，螺栓杆受剪，栓孔壁受压受
19、拉螺栓：作用力沿着螺栓杆，螺栓杆受拉剪拉螺栓：同时受剪和受拉,南航土木工程系,第4章 构件的连接,68,一、受剪螺栓连接1、受力性能？问题：受剪螺栓连接的可能破坏形式？,南航土木工程系,第4章 构件的连接,69,南航土木工程系,第4章 构件的连接,70,2、破坏形式a)栓杆剪断b)孔壁挤压破坏c)钢板拉断d)端部钢板剪断e)栓杆受弯破坏后两种在选用最小容许端距2d0和使螺栓的夹紧长度不超过46倍螺栓直径的条件下，均不会产生。对前两种形式的破坏，则须通过计算来防止,南航土木工程系,第4章 构件的连接,71,3、受剪螺栓连接计算1）单个受剪螺栓的承载力设计值,南航土木工程系,第4章 构件的连接,7
20、2,抗剪承载力设计值 单个螺栓承压承载力设计值 式中、见书P410附表1.36。单个受剪螺栓的承载设计值应取 和 中 的较小者。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,73,2）受剪螺栓群连接的计算 轴心剪力作用下的受剪螺栓群计算,南航土木工程系,第4章 构件的连接,74,当 时，近似认为连接一侧各个螺栓均匀受力，则连接一侧所需螺栓的数目为当 时，各螺栓实际受力很不均匀，对螺栓承载力予以折减，取折减系数为当 时，取 则连接一侧所需螺栓的数目为,南航土木工程系,第4章 构件的连接,75,连接板件的净截面强度验算：（包括构件本身和连接盖板）式中 钢材抗拉（或抗压）强度设计值，见书P409附表1.34
21、。构件或连接板的净截面面积,南航土木工程系,第4章 构件的连接,76,？问题：如何确定最不利截面，即应力最大处？可能的最不利截面为：1、内力最大处 2、净截面面积最小处 3、内力较大，且净截面面 积较小处,南航土木工程系,第4章 构件的连接,77,螺栓并列布置：对构件左半部分而言，内力最大的截面是-截面，其值等于外力。而截面-和-由于前面的螺栓已疏散了部分力，故内力分别递减为 此时，构件的最不利截面为-截面，其净截面面积为,和,南航土木工程系,第4章 构件的连接,78,对连接盖件左半部分而言，内力最大的截面是-截面，其值等于外力。其最不利截面即为-截面，其净截面面积为,南航土木工程系,第4章
22、构件的连接,79,螺栓错列布置：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,80,螺栓错列布置：对构件而言，其可能的最不利截面为：直线截面-折线截面-这两个截面上的内力均为，但折线截面-的净截面面积可能由于较多的螺栓数而小于直线截面-。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,81,南航土木工程系,第4章 构件的连接,82,偏心剪力作用下的受剪螺栓群计算,南航土木工程系,第4章 构件的连接,83,扭矩 和剪力 共同作用，且它们均使螺栓群受剪 A）扭矩作用下 假定被连接件是绝对刚性体，而螺栓则是弹性体；受扭矩作用，所有螺栓均绕螺栓群形心O旋转，每个螺栓 所受剪力：方向垂直于该螺栓与形心O的连线 大小与此连
23、线的距离 成正比,南航土木工程系,第4章 构件的连接,84,南航土木工程系,第4章 构件的连接,85,南航土木工程系,第4章 构件的连接,86,B）剪力作用下剪力通过螺栓群的形心，所以每个螺栓均匀受力故最不利受剪螺栓“1”：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,87,二、受拉螺栓连接,南航土木工程系,第4章 构件的连接,88,1、破坏形式：栓杆被拉断，其部位多在被螺纹削弱的 截面处。2、计算方法1）单个受拉螺栓的承载力设计值 式中、见书P410附表1.35。见书P410附表1.36。取 设置加劲肋,南航土木工程系,第4章 构件的连接,89,2）受拉螺栓群的连接计算 轴心力作用下的受拉螺栓群计算
24、 当外力通过螺栓群形心时,假定各螺栓受力相等，故连接所需的螺栓数目为,南航土木工程系,第4章 构件的连接,90,偏心力作用下受拉螺栓群的计算（外力 和）,南航土木工程系,第4章 构件的连接,91,A）小偏心情况：，弯矩 不大，以承受轴心拉力 为主，螺栓群全部受拉，不出现受压区。弯矩 作用下：中和轴取在螺栓群的形心轴O处，螺栓内力按三角形分布，即每个螺栓 所受拉力或压力 的大小与该螺栓至中和轴的距离 成正比,南航土木工程系,第4章 构件的连接,92,南航土木工程系,第4章 构件的连接,93,轴心拉力 作用下：每个螺栓均匀受力，则,南航土木工程系,第4章 构件的连接,94,弯矩和轴心拉力共同作用下
25、：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,95,B）大偏心情况：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,96,B）大偏心情况：弯矩 较大，螺栓群下部出现受压区，中和轴位置将下移。为简化计算，近似并偏安全地取中和轴位于最下排螺栓 处。则最不利螺栓1处的拉力应满足下式：式中、自 计算的偏心距及其至螺栓1和螺栓 的距离。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,97,南航土木工程系,第4章 构件的连接,98,高强度螺栓连接的受力性能和计算一、高强度螺栓连接的受力性能1、高强度螺栓中的预拉力通过螺栓中的紧固预拉力，对板叠施加强大的法向压力。紧固方法：a、扭矩法扭力扳手；b、拧掉梅花头扭剪型高强螺栓。,南航土木
26、工程系,第4章 构件的连接,99,南航土木工程系,第4章 构件的连接,100,2、摩擦面的抗滑移系数 其大小与连接处构件接触面的处理方法和板件 的钢号有关。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,101,二、高强度螺栓连接的计算按传力方式可分为：受剪螺栓连接 受拉螺栓连接 拉剪螺栓连接1、摩擦型高强度螺栓连接1）受剪螺栓连接 单个高强度螺栓的抗剪承载力设计值：0.9为抗力分项系数1.111的倒数。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,102,高强度螺栓群的抗剪计算无论是轴心力作用下还是偏心力作用下，高强度螺栓抗剪计算的受力分析方法和普通螺栓的一样，只须把公式中单个普通螺栓的抗剪承载力设计值，换成
27、单个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,103,2）受拉螺栓连接 单个高强度螺栓的抗拉承载力设计值：式中P 预拉力。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,104,高强度螺栓群的抗拉计算轴心力作用下，受拉高强度螺栓群的连接计算方法 和普通螺栓相同，只需在公式中代入单个高强度螺 栓的抗拉承载力设计值。偏心力作用下，由于控制螺栓所受拉力始终小于，因此连接构件的接触面一直可保持紧密 贴合，在此条件下，接触面可视为受弯构件的一个 截面，故中和轴可始终取在螺 栓群的形心轴处，可 采用普通螺栓群小偏心受拉时的公式计算，但取式 中。,南航土木工程系,第4章 构件的连接
28、,105,3）拉剪螺栓连接（外力）,南航土木工程系,第4章 构件的连接,106,单个拉剪高强度螺栓的抗剪承载力设计值 式中 应满足,南航土木工程系,第4章 构件的连接,107,高强度螺栓群的拉剪计算，弯矩 作用下：绕螺栓群形心转动，螺栓内力 按三角形分布，则有 剪力 作用下：,南航土木工程系,第4章 构件的连接,108,验算：？问题：这两个公式，用哪一个公式进行验算 更经济、节省？,（单个螺栓）,（整个螺栓群）,南航土木工程系,第4章 构件的连接,109,2、承压型高强度螺栓连接1）与普通螺栓连接的异同？2）与摩擦型高强度螺栓连接的异同？3）承压型螺栓的受剪承载力设计值，不得大于按 摩型连接计
29、算值的1.3倍，即,南航土木工程系,第4章 构件的连接,110,南航土木工程系,第4章 构件的连接,111,？问题：此题用单个螺栓验算，情况会如何？,南航土木工程系,第4章 构件的连接,112,本章小结钢结构常用的连接方法为焊接连接和螺栓连接。焊接连接主要有对接焊缝连接和角焊缝连接焊接除应满足构造要求外，还应作必要的强度计算。按危险点计算其所受的 和（按焊缝有效截面计算的应力），并代入公式验算。,南航土木工程系,第4章 构件的连接,113,本章小结螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接螺栓连接除应满足构造要求外，还应作必要的强度计算。对受剪和受拉螺栓连接，均是计算其最不利螺栓所受的力（剪力或拉力）不大于单个螺栓的承载力设计值。高强度螺栓连接分为摩擦型和承压型两类,
