第六章第三节钢结构的连接（一）

gaocen · 发表于 2013-2-18 17:22:04

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-19 18:20 编辑

一、钢结构的连接方法

采用组合截面的钢构件需用连接将其组成部分即钢板或型钢连成一体。整个钢结构需在结点处用连接将构件拼装成整体。因此，钢结构连接设计好坏将直接影响钢结构的质量和经济。

钢结构的连接方法，历史上曾用过销钉、螺栓、铆钉和焊缝等连接，其中销钉和铆钉连接已不在新建钢结构上使用，因此以下不再涉及此两种连接。

1 ．焊缝连接

焊缝连接是当前钢结构的主要连接方式，手工电弧焊和自动（或半自动）埋弧焊是目前应用最多的焊缝连接方法。与螺栓连接相比，焊接结构具有以下的优点：（ 1 ）比较图 6 -7 所示钢板的螺栓连接和焊缝连接，可见焊缝连接不需钻孔，截面无削弱；不需额外的连接件，构造简单；从而焊缝连接可省工省料，得到经济的效果。这些可以说是它的最大的优点。（ 2 ）焊接结构的密闭性好、刚度和整体性都较大。此外，有些结点如钢管与钢管的 Y形和 T 形连接等，除焊缝外是较难采用螺栓连接或其他连接的

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焊缝连接也存在以下一些不足之处：

（1）受焊接时的高温影响，焊缝附近的主体金属易导致材质变脆。

（2）焊缝易存在各种缺陷，因而导致构件内产生应力集中而使裂纹扩大。

（3）由于焊接结构的刚度大，个别存在的局部裂纹易扩展到整体。

前面曾提及特别是焊接结构容易发生低温冷脆现象，就是这个原因。

（4）焊接后，由于冷却时的不均匀收缩，构件内将存在焊接残余应力，可使构件受荷时部分截面提前进人塑性，降低受压时构件的稳定临界应力。

（5）焊接后，由于不均匀胀缩而使构件产生焊接残余变形，如使原为平面的钢板发生凹凸变形等。

由于焊缝连接存在以上不足之处，因此设计、制造和安装时应尽量采取措施，避免或减少其不利影响。同时必须按照国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》中对焊缝质量的规定进行检查和验收。

若对材料选用、焊缝设计、焊接工艺、焊工技术和加强焊缝检验等五方面的工作予以注意，焊缝容易脆断的事故是可以避免的。

2 ．螺栓连接

（ 1 ）螺栓的种类

钢结构连接用的螺栓有普通螺栓和高强度螺栓两种。普通螺栓一般为六角头螺栓，产品等级分为 A 、 B 、 C 三级。对 C 级螺栓，规范选用了其中性能等级为 4 . 6 级和 4 . 8 级两种。 4 . 6 级表示螺栓材料的抗拉强度不小于 400N / m㎡，其屈服点与抗拉强度之比为 0 . 6 , 即屈服点不小于 240N / mm2 ，余类推。因此 C 级螺栓一般可采用 Q235 钢，由热轧圆钢制成，为粗制螺栓，对螺栓孔的制作要求也较低，在普通螺栓连接中应用最多。产品等级为 A 级和 B 级的普通螺栓为精制螺栓，对螺栓杆和螺栓孔的加工要求都较高。规范中选用了该标准中性能等级为 5 . 6 级和 8 . 8 级的两种，为普通螺栓连接中的高强度螺栓。普通螺栓的安装一般用人工扳手，不要求螺杆中必需有规定的预拉力。

钢结构中用的高强度螺栓，有特定的含义，专指在安装过程中使用特制的扳手，能保证螺杆中具有规定的预拉力，从而使被连接的板件接触面上有规定的预压力。为提高螺杆中应有的预拉力值，此种螺栓必须用高强度钢制造。前面介绍的普通螺栓中的 A 级和 B 级螺栓（性能等级为 5 . 6 和8 . 8 级）虽然也用高强度钢制造，但仍称其为普通螺栓。高强度螺栓的性能等级有 8 . 8 级和 10 . 9 级两种。高强度螺栓由中碳钢或合金钢等经热处理（淬火并回火）后制成，强度较高。 8 . 8 级高强度螺栓的抗拉强度fub不小于 800N / mm2 ，屈强比为 0 . 8 。 10 . 9 级高强度螺栓的抗拉强度不小于 I000N ／mm2 ，屈强比为 0 . 9 。

钢结构连接中常用螺栓直径 d 为 16 、 18 、 20 、 22 、 24mm 等。

（ 2 ）螺栓连接的种类

螺栓连接由于安装省时省力、所需安装设备简单、对施工工人的技能要求不及对焊工的要求高等优点，目前在钢结构连接中的应用仅次于焊缝连接。螺栓连接分普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类。按受力情况又各分为三种：抗剪螺栓连接、杭拉螺栓连接和同时承受剪拉的螺栓连接。

普通螺栓连接中常用的是粗制螺栓（C 级螺栓）连接。其抗剪连接是依靠螺杆受剪和孔壁承压来承受荷载，如图 6-8 所示。其抗拉连接则依靠沿螺杆轴向受拉来承受荷载。粗制螺栓的抗剪连接，一般只用于一些不直接承受动力荷载的次要构件如支撑、擦条、墙梁、小桁架等的连接，以及不承受动力荷载的可拆卸结构的连接和临时固定用的连接中。相反，由于螺栓的抗拉性能较好，因而常用于一些使螺栓受拉的工地安装结点连接中。

普通螺栓连接中的精制螺栓（ A 、 B 级螺栓）连接，因质量较好可用于要求较高的抗剪连接，但由于螺栓加工复杂，安装要求高（孔径与螺杆直径相差无几），价格昂贵，目前常为下面将介绍的高强度螺栓摩擦型连接所替代。

高强螺栓承压型连接对螺栓材质、预拉力大小和施工安装等的要求与摩擦型的完全相同，只是它是依靠连接板件间的摩擦力来承受荷载，孔壁承压和螺栓受剪破坏作为承载能力极限状态，因此它的承载能力高于高强度螺栓摩擦型连接，可节省连接材料。但这种连接由于在摩擦力被克服后将产生一定的滑移变形，因而其应用受到限制。规范规定它只能用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构中。连接处构件接触面的表面处理要求较摩擦型连接为低，仅要求清除油污及浮锈。承压型连接的工作性能与普通螺栓的完全相同，只是由于螺杆预拉力的作用和高强度钢的应用使连接的性能优于普通螺栓连接。

二、焊缝连接的构造和计算

1 ．焊接接头形式和焊缝形式

图 6 -7 中已表示了焊缝连接最常用的三种接头形式，即对接接头、搭接接头和 T 形接头。除此之外，还有角形接头和十字形接头如图 6 -10 所示，其中角形接头主要用于箱形截面的四角，十字形接头则可看成两个 T 形接头。

对接焊缝和角焊缝是钢结构焊缝连接的两种主要焊缝形式。由图 6 -7 和图 6 -10 可见，对接焊缝传力直接，焊缝受力明确，且基本不产生应力集中，构造也最简单，用料省。但随着板厚的增加，为了能焊透焊缝和节省焊缝金属（即减少焊条消耗），对焊件的边缘需进行坡口加工（焊件板厚 t > 10mm 时），而且对整个板材断料长度的精度有严格要求。这些都给对接焊缝的应用带来一定的限制。角焊缝连接的传力没有对接焊缝直接，受力也较复杂，不如对接焊缝明确，且较费料，但由于角焊缝连接不需对焊件边缘进行加工，对板件断料尺寸的精度要求也没有对接焊缝高，因而角焊缝在钢结构中的应用远多于对接焊缝。

2 ．焊缝符号（或焊缝代号）

在钢结构施工图纸上，焊缝的形式、尺寸、辅助要求等一律用焊缝符号表示。有关焊缝符号及标注方法，可参阅国家标准《建筑结构制图标准》（ GB / T 50105 -2001 ），以下仅作简单介绍。焊缝符号由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成，必要时还可加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。

（ 1 ）指引线一般由带有箭头的指引线（简称箭头线）和一条基准线组成，均为细线如图 6-11所示。为引线的方便，允许箭头线弯折一次。图 6 -11中（ b ）和（e）图的表示方法是相同的，都代表（ a ）图所示 V 形对接焊缝。

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gaocen · 发表于 2013-2-18 18:09:42

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-19 18:13 编辑

（ 2 ）基本符号用以表示焊缝的形状，今摘录钢结构中常用的一些基本符号如表 6 -2 所示。

基本符号与基准线的相对位置是：

1 ）如果焊缝在接头的箭头侧，基本符号应标在基准线的上方。

2 ）如果焊缝在接头的非箭头侧，基本符号应标在基准线的下方。

3 ）当为单面的对接焊缝如 V 形焊缝、 U 形焊缝，则箭头线应指向有坡口一侧如图 6-11 所示。

为了说明上述第 1 ）和 2 ）点的规定，特举例示于图 6 -12 。

（ 3 ）辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号，补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征而采用的符号，见《建筑结构制图标准》（ GB / T 50105 -2001 ）。

（ 4 ）焊缝尺寸在基准线上的注法是：

1 ）有关焊缝横截面的尺寸如角焊缝的焊脚尺寸hf ；等一律标在焊缝基本符号的左侧

2 ）有关焊缝长度方向的尺寸如焊缝长度等一律标在焊缝基本符号的右侧。

当箭头线的方向改变时，上述原则不变。

3 ）对接焊缝的坡口角度、根部间隙等尺寸标在焊缝基本符号的上侧或下侧。

3．对接焊缝的计算和构造

（ 1 ）对接焊缝的计算

1 ）对接焊缝的有效截面

施焊对接焊缝时应在焊缝的两端设置引弧板和引出板（以后一律简称引弧板），如图 6 一 13 所示，其材质和坡口形式应与焊件相同。焊接完毕，用气割将引弧板切除，并将焊件边缘修磨平整，严禁用锤将其击落。此时对接焊缝的有效长度 lw 当与焊件的宽度 b 相同。当焊缝为焊透时，焊缝的有效厚度也与焊件厚度相同（焊缝表面的余高即凸起部分，常略去不计）。因此，对接焊缝的有效截面等于焊件的截面。当无法使用引弧板施焊时，设计规范中规定：每条焊缝的有效长度 lw 在计算时应减去 2t （ t 为焊件厚度），以考虑焊缝两端在起弧和熄弧时的影响，此时两者的截面就略有差异。

2 ）对接焊缝的强度设计值

规范对对接焊缝的各种强度设计值作了如下规定；对接焊缝的抗压强度设计值、抗剪强度设计值和焊缝质量为一、二级时的抗拉和抗弯强度设计值均取与焊件钢材相同的相应强度设计值，而对焊缝质量为三级的厂则取相应焊件钢材强度设计值了的 0 . 85 倍，并取以 5N / mm2 为倍数的整数。

关于焊缝质量等级的标准在《钢结构工程施工质量验收规范》中有明确规定，详见该规范。例如除对设计要求全焊透的焊缝应作外观缺陷检查外，一级焊缝要求对每条焊缝长度的 100%进行超声波探伤；二级焊缝则要求对每条焊缝长度的 20%且不小于 200mm 进行超声波探伤。对三级焊缝则要求仅作外观检查，不进行超声波检查。又如外观检查时，对一级、二级焊缝不允许存在如表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等各种缺陷，一级焊缝还不应有咬边，未焊满和根部收缩等缺陷。而对二级和三级焊缝除裂纹及焊瘤一律不允许存在，其余的缺陷如咬边和未焊透等则规定了其存在的不同程度。因此设计规范中认为符合一、二级质量等级的焊缝，其缺陷或是不存在或是不严重，因而其ftw可与焊件母材的 f 相同；而三级质量等级的焊缝，其ftw应较母材的为低，取ftw= 0.85f。

焊缝质量等级应由设计人员根据焊缝的重要性在设计图纸上作出规定，制造厂则按图纸要求进行施焊和质量检查。

3 ）对接焊缝连接的计算

一般情况下，对接焊缝的有效截面与所焊接的构件截面相同，焊缝的受力情况与构件相似，焊缝的强度设计值又与母材相等（一、二级焊缝时），因此当构件已满足强度要求时，对接焊缝的强度就没有必要再进行计算。

当焊缝质量等级为三级时，其抗拉和抗弯曲受拉的强度设计值ftw=0 . 85f ；当对接焊缝不用引弧板施焊时，每条焊缝的有效长度应较实际长度减小 2t ；对施工条件较差的高空安装焊缝，由于焊接质量较地面上施焊时难以保证，设计规范中规定其强度设计值应乘以折减系数 0 . 9 ；对无垫板的单面施焊对接焊缝，由于不易焊满，其强度设计值应乘以折减系数0.85。在上述各种情况下，对接焊缝的强度应予验算。

对接焊缝的强度计算方法与构件截面强度计算相同。构件截面强度的计算除少数情况外都是直接利用材料力学公式，因而焊缝强度也就完全可利用材料力学中的计算公式来进行，这里就不一一提及。下面只作有关的几点说明：

（ a ）后面受弯构件（梁）设计计算中将提到，受弯构件截面的强度计算，当构件不需验算疲劳时，设计规范中规定容许截面上发展塑性变形，但在受弯对接焊缝的计算中不宜考虑发展塑性变形，即仍是利用材料力学公式进行验算：

式中MX― 对接焊缝截面所受的弯矩设计值；

Wx ― 焊缝有效截面的弹性截面模量， WX=IX/ymax，IX为焊缝有效截面对其中和轴的惯性矩， ymax 为由中和轴至截面上最远纤维的距离。

（ b ）在对接接头和 T形接头中，承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝，除对其正应力和剪应力分别按材料力学公式计算外，在同时受有较大正应力和较大剪应力处（例如梁腹板横向对接焊缝的端部）尚应根据复杂应力状态下钢材的屈服条件，按下式计算折算应力：

式（ 6 -2 ）中不等号后的系数 1 . 1 ，是考虑到需验算折算应力的部位只是局部一点，因而把强度设计值予以提高 10 ％。

（c）当钢板在轴心拉力作用下，对接正焊缝质量等级为三级、强度不能满足要求时，常改用斜焊缝以增加焊缝的长度使斜焊缝与钢板等强，如图 6 -14 所示。此时焊缝的强度可分别按下列两式计算：

我国设计规范规定：当斜焊缝与作用力 N间的夹角 θ符合 tanθ≤ 1.5（即θ56 . 30 ）时，其强度可不计算。具体设计时通常采用θ=45°

利用斜焊缝，需将钢板斜切，当钢板宽度较大时可能使钢板的损耗加大。因此，斜焊缝对接宜用于较狭的钢板，例如可用于焊接工字形截面的受拉翼缘板的拼接，而不宜用于其腹板的拼接。

（ 2 ）对接焊缝的构造要求

1 ）凡上述对接焊缝都要求焊透，因此，需视焊件厚度对其边缘采用不同的坡口形式进行加工。通常当焊件板厚在 10mm 及以下时，边缘不需加工，称为 I 形焊缝；当板厚在 20mm 以下时常采用 V 形焊缝；板厚大于 20mm 时，则常采用 U 形、 X 形或 K 形焊缝，均见图 6 -15 。当为单面施焊时（见图 6 -15a 一图 6 -15d ），为了保证焊透，在一侧施焊完毕后，常需翻过来在反面清除根部后进行一次补焊（称为封底焊）。如无条件进行封底焊，则应在正面施焊时在焊缝的根部加设临时的垫板。我国设计规范中也容许部分焊透的对接焊缝，但其受力性能与上述不同，见规范第 7 . 1 . 5 条。

2 ）在对接焊缝的拼接处，当两焊件宽度不同或厚度相差 4mm 以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于 1：2 . 5 的斜角如图 6 -16所示。对直接承受动力荷载且需要进行疲劳验算的结构，斜角坡度不应大于 1 ：。当厚度不同时，焊缝坡口的形式应根据较薄焊件的厚度按国家标准取用。

gaocen · 发表于 2013-2-18 22:48:28

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-19 22:17 编辑

3 ）当采用对接焊缝拼接钢板时，纵横两方向的对接焊缝，可采用十字形交叉或 T 形交叉如图 6 -17 所示。当采用 T 形交叉时，交叉点应分散，其间距不得小于 200mm 。

4 ．直角角焊缝的计算和构造

（l）基本概念

1 ）直角角焊缝的截面形状：如图 6 -18 所示，因工程应用中多数属此，故常简称角焊缝。绝大多数角焊缝的两焊脚尺寸相等均为 hf ，焊缝表面略凸如图 6 -18 （ a ）所示，少数因需要而采用不等焊脚尺寸或为凹面如图 6 -18 （ b ）和图 6 -18 （c）所示。

2 ）角焊缝的有效截面 Ae：计算时不计及余高和熔深，假定焊缝截面为一等边直角三角形如图 6 -18 所示（图中未示出熔深），取每条角焊缝的有效截面为 Ae=helw=0.7hflw。这里， hf 为焊脚尺寸（图 6 一 18 ） , 0 . 7hf 为焊缝的计算厚度（或称有效厚度）记作 he ; lw 是焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度 l 减去 2hf ，即取 lw =l 一 2hf ，以考虑焊接时起弧和熄弧处焊缝有缺陷的不利影响。

3 ）侧面角焊缝：焊缝长度（轴线）与外力作用方向一致（平行）的焊缝称为侧面角焊缝，如图 6 -19 所示。试验研究表明：侧面截面角焊缝主要受剪，强度较低，破坏通常发生在沿 45°方向的有效截面，因此强度较低，但塑性性能好；沿焊缝长度在有效截面上的剪应力分布不均匀，两端大，中间较小，焊缝愈长，不均匀分布的程度愈大，但由于塑性变形，在破坏前分布可逐渐趋向均匀。

4 ）正面角焊缝：焊缝长度与外受力作用方向相垂直的焊缝称为正面角焊缝，如图 6-19 所示。试验研究表明：正面角焊缝多轴受力（复杂应力状态），破坏通常不发生在 45°方向的有效截面，因此强度较侧面角焊缝为高，一般可高 1 / 3 左右，且刚度较大；沿焊缝长度在有效截面上的应力分布较均匀。

（ 2 ）基本假定

角焊缝中的应力分布较复杂，侧面角焊缝和正面角焊缝的受力性能不同，很难精确计算。因此，目前我国和国际上许多国家（地区）对角焊缝采用简化计算法，即计算时采用以下简化假定：

1 ）每条角焊缝计算时的破坏截面为沿 45 °方向的有效截面，即为 he lw =0 . 7hflw。

2 ）角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值取相同数值，规范中记作ffw。

3 ）在轴心力（通过焊缝形心的拉力、压力或剪力）作用下，沿焊缝长度有效截面上的应力均匀分布；弹性分析时，力矩（弯矩或扭矩）作用下焊缝有效截面上的应力按材料力学公式计算。

大量试验和工程实践证明，上述三个基本假定是安全可靠的。

（ 3 ）基本计算公式

1 ）在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下：

正面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度方向） :

侧面角焊缝（作用力平行于焊缝长度方向） :

2 ）在各种力综合作用下，σf 和τf 共同作用处：

式中σf― 按焊缝有效截面（ h elw ）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；

τf― 按焊缝有效截面（ helw ）计算，沿焊缝长度方向的剪应力；

βf― 正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构βf =1 . 22 ；对直接承受动力荷载的结构，βf =1.0。

其他符号意义同前。

（ 4 ）角焊缝的尺寸限制和构造要求角焊缝的尺寸包括焊脚尺寸和焊缝计算长度等。在设计角焊缝连接时，除满足强度要求外，还必须符合对其尺寸的限制和构造上的要求

l ）焊脚尺寸 hf （参阅图 6 -20 ）

（ a ）角焊缝的焊脚尺寸相对于焊件的厚度不能过小。规范规定：

手工焊时，

自动焊时，

T 形接头单面角焊缝时， ,,注册建筑师考试论坛,forum

式中 t ——较厚焊件的厚度， mm 。

当焊件厚度 t ≤4mm 时，则取 hf = t 。

（ b ）焊脚尺寸相对于焊件厚度也不能过大。规范规定： hf≤1 . 2t , t 为较薄焊件的厚度。板件（厚度为 t ）边缘的角焊缝最大焊脚尺寸尚应符合下列要求以避免焊件边缘棱角被烧熔：

当 t ≤6mm 时， hf ≤t ;

当 t > 6mm时， hf≤（ 1 ~2 ）。

圆孔和槽孔中的角焊缝焊脚尺寸还宜符合：

d 为圆孔直径或槽孔的短径。

2 ）焊缝的计算长度

（ a ）角焊缝的计算长度不宜过小。规范规定正面角焊缝和侧面角焊缝的计算长度都应满足：

（ b ）前面已讲过，传递轴心荷载的侧面角焊缝有效截面上的剪应力沿焊缝长度是不匀分布的，而且焊缝长度愈大，不均匀分布程度愈甚。为了防止应力分布过分不均匀，规范中规定侧面角焊缝的计算长度不宜大于 60hf ，当大于这数值时，其超过部分在计算不予考虑。若内力是沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限制。