第三章--连接—焊缝.docx

第三章 连 接
§3-1 概 述
钢结构是由若干构件组合而成的。连接的作用就是通过一定的方式将板材或型钢组合成构件，或将若干个构件组合成整体结构，以保证其共同工作。因此，连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。钢结构的连接必须符合安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。连接接头应有足够的强度，要有适宜于施行连接的足够空间。
一、连接种类
1. 钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。
焊接连接：是钢结构最主要的连接方法。焊接连接又可分为对接焊缝和角焊缝。
螺栓连接：可分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。
铆钉连接：由于其构造复杂、费钢费工且为热作业，现已很少使用。
2. 根据连接板的相对位置可分为对接、搭接和盖板拼接。
二、焊接连接与螺栓连接的特点
1. 焊接连接
优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。
缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接
结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦萌生，就很容易扩展到整个构件截面，低温冷脆问题突出。
2. 螺栓连接
（1）普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。
A级与B级为精制螺栓，螺栓表面光滑，尺寸准确，比大0.3~0.5㎜，对成孔质量要求高。由于精度较高，因而受剪性能较C级螺栓好。但由于制作和安装复杂，价格较高，已很少使用。C级为粗制螺栓，由未经加工的圆钢压制而成，表面粗糙，比大1.5～3㎜。由于栓杆与栓孔间的间隙较大，受剪力作用时，变形较大，工作性能差。但安装方便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。
（2）高强度螺栓连接
高强度螺栓连接分为摩擦型连接和承压型连接。摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工较简单，可拆卸，耐疲劳，特别适用于承受动力荷载的结构。承压型高强度螺栓的承载力高于摩擦型，但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结构中。
三、焊接相关知识简介
1. 焊接方法
手工电弧焊、气体保护焊、单丝埋弧自动焊、双丝埋弧自动焊、熔嘴电渣焊、栓钉焊等。
（1）手工电弧焊是最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧，所用焊条应与焊件钢材相适应（Q235选用E43型，
Q345选用E50型，Q390、Q420选用E55型，）。其设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量随机性大。
（2）埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。由于采用了自动或半自动操作，焊接是的工艺条件稳定，焊缝化学成分均匀，质量好，但对焊缝边缘的装配精度要求较高。
（3）二氧化碳气体保护焊是利用二氧化碳气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。
（4）熔嘴电渣焊是先打盲孔，然后利用通电焊条底融，从而形成焊缝。
（5）栓钉焊一般用于钢梁与压型钢板之间的焊接。
2. 焊缝位置
焊缝位置可分为平焊（俯焊）、横焊、立焊和仰焊。
3. 焊接缺陷
焊接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。
（1）气孔 由于焊接过程中的水产生的氢气和氧气而形成的。当气孔为孤立时，对静载的影响不大；当气孔为链状时，相当于裂缝，对静载的影响较大。因此，在焊接时，应对焊条进行烘干、保温。
（2）夹渣 主要由焊条的药皮引起，焊接完需清渣。
（3）咬肉 焊缝与热影响区的交界处形成的弧坑，对疲劳强度的影响较大。
（4）未焊透 避免根部未焊透的措施：①焊件离开一段距离；②采用垫
板实焊。垫板的强度越低，越易焊透（易融合）且应低于母材的强度。
（5）裂纹 是焊接中最危险的缺陷。产生微裂缝的原因有很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件选择不合适等。
4. 焊缝的质量
焊缝的质量等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级。
Ⅰ、外观检查＋100％的超声波探测；
Ⅱ、外观检测外，配以20％超声波探伤；
Ⅲ、外观检查（表面成型、焊缝尺寸、剖口、剖角）。
5. 表示方法

图3-1 焊缝符号

§3-2 对接焊缝的构造与计算
一、构造
1、剖口要求
⑴　板厚t≤10㎜时，不开剖口，直边对接焊；
⑵　板厚10㎜＜t≤20㎜时，开V型或型剖口；
⑶　板厚t＞20㎜时，开U型、K型或X剖口。

2、拼接要求
在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4㎜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，以使截面过渡和缓，减小应力集中。
3、引、灭弧板及垫板
在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时宜设置引弧板，焊后将它割除。当无法采用引、灭弧板时，计算每道焊缝长度时应减去2t（t为焊件的较小厚度）。
垫板设在对接焊缝下部，防止焊缝金属熔融物流淌，还可保证焊透。
※对接焊缝的余高C，计算时不予以考虑，作强度储备。
4、对接焊的优点：可实现等强连接；缺点：对剖口的要求较高，对加工制造要求较高。
二、对接焊缝的计算
类型一 ：轴心受拉（压） 力作用

其中： N — 轴力（N）；
— 焊缝的计算长度，当有引、灭弧板时，取=Ｂ（板宽）；
当没有引灭弧板，取=Ｂ-2t；
t — 焊缝厚度，计算时取min{}；
— 当N为拉力时，焊缝的抗拉强度设计值；
— 当N为压力时，焊缝的抗压强度设计值；
※ 焊缝在压应力的作用下，也可能破坏。

类型二 ：V作用

或
其中：——对接焊缝有效截面的惯性矩；
——中和轴以上焊缝有效截面的面积矩；
——对接焊缝的抗剪强度设计值；
类型三 ：M作用

其中：——焊缝有效截面的抵抗矩；如矩形截面=
类型四 ：N、V、M共同作用

⑴受拉侧：
⑵中和轴：
⑶中和轴：

类型五 ：（工字形截面梁）受N、V、M作用

⑴受拉侧：
⑵中和轴： （其中指中和轴处的厚度，即腹板的厚度）
⑶翼缘和腹板相交处：
※※※：翼缘与腹板相交处的应力为：
；
类型六 ：斜对接焊缝的计算

∵ N⊥=N·sinθ N∥=N·cosθ
∴ σ=·sinθ ；τ=·cosθ
从而可得：tgθ=1.5 ；因而，当tgθ1.5时斜焊缝与母材等强。

三、钢结构连接计算题的一般步骤
(1) 力向焊缝(螺栓群)形心简化，得到N、V、M（形心力）；
(2) 求焊缝有效截面的几何参数（后用再补）如、、、等；
(3) 分析形心力作用下焊缝(螺栓)中的内力分布，找出危险点(螺栓)；
(4) 验算危险点的内力；
(5) 结论。

§3-3 角焊缝的构造与计算
一、构造
1. 角焊缝的分类
按焊缝与力的作用线的夹角分为：正面焊缝、侧面焊缝和斜焊缝；
按角焊缝的断面形式可分为：直角角焊缝和斜角角焊缝；
直角角焊缝又有：普通型、平坦型和凹面型。

图3-2 直角角焊缝截面
其中普通型最为常见，使用范围最广；凹面型的受力性能最好，但制造加工需要的水平较高，因而使用较少。
斜角角焊缝与直角角焊缝相似，如下图所示：

图3-3 斜角角焊缝截面

2. 角焊缝的破坏形式
可以分为三种：如下图所示

截面1所示为：焊缝与母材脱离（焊缝质量差所致）；
截面2所示为：焊缝被剪力剪断（焊缝质量差所致）；
截面3所示为：沿焊缝45°截面破坏，是最为常见的一种破坏形式。
注：截面1和截面2破坏多为焊缝质量差所导致的。
3. 角焊缝的计算截面
注：C为焊缝的余高，在计算时不考虑
为焊缝的有效高度，；
为角焊缝的焊角尺寸。
4. 角焊缝的尺寸规定
（1）角焊缝的焊脚尺寸

最大焊角尺寸
为了避免焊缝区的基本金属过烧，减少焊件的焊接残余应力和残余变形，除钢管结构外，角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。如图3－4所示。
对板件边缘的角焊缝，当板件厚度时，根据焊工的施焊经验，
不易焊满全厚度，故取；当时，通常采用小焊条施焊，易焊满全厚度，则取。如果另一焊件厚度时，还应满足的要求。

图3-4 最大焊脚尺寸
最小焊脚尺寸
角焊缝的焊脚尺寸也不能过小，否则焊缝因输入能量过小，而焊缝厚度较大，以致施焊时冷却速度过快，产生淬硬组织，导致母材开裂。规范规定：角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于1.5，t为较厚焊件厚度（单位为mm）。计算时，焊脚尺寸取mm的整数，小数点以后都进为1。自动焊熔深度较大，故所取最小焊脚尺寸可减少1mm；对T形连接的单面角焊缝，应增加1mm；当焊件厚度小于或等于4mm时，则取与焊件厚度相同。
（2）角焊缝的计算长度（对每条焊缝取实际长度减去2hf）

其中 : 不小于或40mm；
在静载作用下，不大于60，在动载荷作用下，不大于40。 ※焊缝长，传力、耐久性等并不一定好。

二、角焊缝的计算
1. 受力分析：

图3-5 直角角焊缝的计算简图
由可得，可得
从而
其中为抗拉强度极限，
因此
∵
∴
则有
注： ——外力⊥焊缝的应力；
——外力∥焊缝的应力；
——角焊缝的强度设计值；
——正面角焊缝的强度增大系数。

2. 计算类型
类型一 ：正面角焊缝

其中：N——轴力（N）；
——角焊缝的强度增大系数；

——角焊缝的焊脚尺寸（㎜）；
——角焊缝的计算长度（㎜），=b－2；
——角焊缝的强度设计值（N/㎜2）。
类型二 ：侧面角焊缝

其中：N——剪力（N）；
——角焊缝的强度增大系数；
——角焊缝的焊脚尺寸（㎜）；
——角焊缝的计算长度（㎜），=b－2；
——角焊缝的强度设计值（N/㎜2）。
类型三：三面围焊
对于正面焊缝：

对于侧面焊缝：

类型四：角钢拼接节点
（1）三面围焊
假定：正面焊缝充分发挥其强度。
①
② -；-
③ 验算焊缝1、2
；
其中的取值如下图所示：

图3-6 角钢的内力分配系数

（2）两面侧焊
※计算时，可令三面围焊中的。
轴力Ｎ分配给焊缝1，2：
；
；
※设计角焊缝时，焊缝的实际长度： +2。

（3）倒“L”形焊缝
※这时，焊缝3不能充分发挥其强度。
计算时，可令三面围焊中的
则 ；

类型五：N、V、M共同作用
力的简化
由力T ;
N=Ｆx ；
V=Ｆy ；
M=100Fx －100Fy；
画出焊缝的有效截面，并求其
几何参数：AW；W。
AW＝2×7×180
W=
验算

其中：

※（在直接承受动力荷载的结构中的角焊缝，取；其它情况取）。
※剪应力的分布，在对接焊缝中为抛物线型，在角焊缝中为均匀分布。
类型六： V、T共同作用

焊缝有效截面简图及截面几何参数
确定有效截面的形心O的位置，计算惯性矩，有效截面面积AW。
力的简化
F向形心可以简化为V、T三个参数，T的应力又可分解为如上图所示。
验算：
找危险点A（离形心越远，T的作用效应越大）;

其中： ∵ ；
∴ =+

注： ① 指所有焊缝之和；
② 有效截面形心位置，由计算确定；
③ 危险点的坐标，取有效截面最边缘一点为A。

§3-4 焊接残余应力及焊接残余变形
一、定义
1、焊接残余应力——由于焊接过程中不均匀的加热、冷却，在构件中所产生的一种自平衡的应力状态。
2、焊接残余变形——由焊接残余应力导致的变形。
二、分类
焊接应力有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
三、分布状态
规律：应力分布与焊接顺序有一定关系“先焊产生压应力，后焊产生拉应力”。
四、测定方法
有盲孔法、光弹法
五、残余应力的影响
（1） 对结构静力强度无影响（焊接应力自相平衡）；
（2） 刚度降低（增大了结构的变形）；
（3） 稳定性降低（残余拉应力对稳定有利，残余压应力对稳定不利）；

（4） 其他：增加低温冷脆倾向；对结构的疲劳强度有明显不利影响。
六、减小方法
1、设计方面
（1）焊接位置的安排要合理 只要结构上允许，应尽可能使焊缝对称于构件截面的中性轴，以减小焊接变形。
（2）焊缝尺寸要恰当 在保证安全的前提下，不得随意加大焊缝厚度。焊缝尺寸过大容易引起过大的焊接应力。
（3）焊缝的数量宜少，不宜过分集中 当几块钢板交汇一处进行连接时要采取一定措施，不能直接焊在一处，由于热量高度集中，会引起过大的焊接变形。
（4）应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉 比如梁腹板加劲肋与腹板及翼缘的连接焊缝，就应中断，以保证主要焊缝（腹板与翼缘的连接焊缝）连续通过。
（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
2、制作方面
① 合理的焊接工艺 例如钢板对接时采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，工字型截面按对角跳焊。
② 反变形 施焊前给结构以一个与焊接变形反方向的预变形，使之与焊接所引起的变形相抵消，从而达到减小焊接变形的目的。
③ 焊前预热、焊后热处理 对于小尺寸焊件，焊前预热或焊后回火加热至600℃左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力，减小焊接变形。