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钢结构设计原理之钢结构的连接

摩擦型连接螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.52.0mm;承压型连接高强度螺栓的孔径比螺栓公 称直径大1.0-1.5mm。
摩擦型连于承受动 力荷载的结构。
承压型连接的承载力高于摩擦型,连接紧凑, 但剪切变形大,故不得用于承受动力荷载的结 构中。
Q390钢Q420钢 E55型焊条(E5500~E5518)。
E表示焊条、前两位数字为熔敷金属的最小抗拉 强度(以kgf/mm2表示),第三、四位数字表示 适用焊接位置、电流以及药皮类型等。
不同钢种的钢材相焊接时,宜采用与低强度钢 材相适应的焊条。
2 埋弧焊(自动或半自动) 电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。
传力线通过时产生弯折, 应力沿焊缝长度方向的分 布不均匀,呈两端大而中 间小的状态。
焊缝越长,应力分布不均 匀性越显著,但在届临塑 性工作阶段时,产生应力 重分布,可使应力分布的 不均匀现象渐趋缓和。
正面角焊缝 受力复杂,截面中的各面均存在正应力 和剪应力,焊根处存在着很严重的应力集中。
正面角焊缝的破坏强度高于侧面角焊缝,但塑性变形 能力差。
《钢结构设计原理》
第三章 钢结构的连接
3.1 钢结构的连接方法和特点
连接的作用将板材或型钢组合成构件,再将构件组合 成整体结构。 连接方式及其质量直接影响钢结构的工作性能。必须安 全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材。 连接方法:焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种。
3.1.1焊接连接
最主要的连接方法。
埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属强度相适应, 即要求焊缝与主体金属等强度。
3. 气体保护焊
气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰性气体 作为保护介质的一种电弧熔焊方法。
直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层, 以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程中的稳 定性。
气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣,焊工能够清 楚地看到焊缝成型的过程;由于保护气体是喷射 的,有助于熔滴的过渡;又由于热量集中,焊接 速度快,焊件熔深大,故所形成的焊缝强度比手 工电弧焊高,塑性和抗腐蚀性好,适用于全位置 的焊接。但不适用于在风较大的地方施焊。
3.4.1 角焊缝的构造要求
2 最大焊脚尺寸 避免焊缝收缩时产生较大的残余应力和残余变形,热影 响区扩大,产生热脆,较薄焊件烧穿,除钢管结构外 焊脚尺寸 hf 1.2t1 t1为较薄焊件厚度(mm)。 板件边缘的焊缝:板件厚度t>6mm时,hf≤t-(1~2) mm t≤6mm时,取hf≤t。 不等角焊角尺寸。
lw≤60hf 当实际长度大于上述限值时,其超过部分在计算中不 予考虑。
若内力沿侧面角焊缝全长分布,比如焊接梁翼缘板与 腹板的连接焊缝,计算长度可不受上述限制。
3.4.1 角焊缝的构造要求
5 搭接连接的构造要求
当板件端部仅有2条侧面角焊缝时,连接的承载力与b/lw 有关,B为两侧焊缝的距离,lw为侧焊缝长度。当b/lw> 1时,连接的承载力随着b/lw比值的增大而明显下降。
3.3.3 焊缝代号图例
《焊缝符号表示法》规定:焊缝代号由引出线、图形 符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头 的斜线组成。箭头指到图形上的相应焊缝处,横线的 上面和下面用来标注图形符号和焊缝尺寸。当引出线 的箭头指向焊缝所在的一面时,应将图形符号和焊缝 尺寸等标注在水平横线的上面;当箭头指向对应焊缝 所在的另一面时,则应将图形符号和焊缝尺寸标注在 水平横线的下面。必要时,可在水平横线的末端加一 尾部作为其他说明之用。图形符号表示焊缝的基本型 式,如用 表示角焊缝,用V表示V型坡口的对接焊缝。 辅助符号表示焊缝的辅助要求,如用 表示现场安装焊 缝等。
3.2 焊缝和焊接连接的形式
3.2.1 焊缝的形式
角焊缝和坡口焊缝。
1.角焊缝
连接板件不必坡口,焊缝金属填充在连接板件形成的 直角或斜角区域内。
按截面形式可分为:
直角角焊缝 两焊脚边的夹角为90°,微凸的等腰直角 三角形,直角边边长hf称为角焊缝的焊脚尺寸。he= 0.7hf为直角角焊缝的有效厚度。 斜角角焊缝 两焊脚边的夹角不等于90°
钢结构常用焊接方法
通常采用电弧焊(包括手工电弧焊)、埋弧 焊(自动或半自动焊)以及气体保护焊等。
1.手工电弧焊 最常用的一种焊 接方法。通电后 在涂有药皮的焊 条与焊件之间产 生电弧。
手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材(或称主体金 属)相适应:
Q235钢 E43型焊条(E4300~E4328);
Q345钢 E50型焊条(E5000~E5048);
角部连接 主要用于制作箱形截面。
2.焊缝的施焊位置 平焊、横焊、立焊及仰焊。 平焊(又称俯焊)施焊方便。 立焊和横焊要求焊工的操作水平比平焊高一些。 仰焊的操作条件最差,焊缝质量不易保证,因此 应尽量避免采用仰焊。
3.3 焊缝缺陷和质量检验
3.3.1焊缝缺陷 焊缝缺陷: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。
3.1.2 铆钉连接 制孔和打铆。 塑性和韧性较好,传力可靠,质量易于检查, 对主体金属的材质质量要求低。 削弱截面,费钢费工,要求技工技术水平高, 劳动条件差。 很少采用,被焊接和螺栓连接所取代。
3.1.3 螺栓连接
普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。
1 普通螺栓连接
普通螺栓分为A、B、C三级。 A与B级为精制螺栓,C级为粗制螺栓。 A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级。 C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。 小数点前面的数字表示螺栓成品的抗拉强度不 小于400N/mm2,小数点及小数点以后数字表示 其屈强比为0.6或0.8。
优点任何形式的构件都可直接相连,构造简单, 制作加工方便;不削弱截面,用料经济;连接 的密闭性好,结构刚度大;可实现自动化操作, 提高焊接结构质量。
缺点 在热影响区内,金相组织发生改变,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 裂纹一旦发生,就容易扩展到整体,低温冷脆 问题较为突出。
2.高强度螺栓连接
两种类型
摩擦型连接:依靠摩擦阻力传力,并以剪力不超 过接触面摩擦力作为设计准则;
承压型连接:允许接触面滑移,以连接达到破坏 的极限承载力作为设计准则。
采用45号钢、40B钢和20MnTiB钢加工而成,经 热处理后,螺栓抗拉强度应分别不低于800N/ mm2和1000N/mm2,即前者的性能等级为8.8级, 后者的性能等级为10.9级。
内部无损检验 检查内部缺陷。采用超声波检验,用磁 粉、荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外还可采 用X射线或γ射线透照或拍片,X射线应用较广。
《钢结构工程施工质量验收规范》规定焊缝按其检验 方法和质量要求分为一、二、三级。三级焊缝只要求 对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准;一级、 二级焊缝除外观检查外,还要求一定数量的超声波检 验并符合相应级别的质量标准。
常见的缺陷:裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、 咬边、未熔合、未焊透等;焊缝尺寸不符合要求、焊 缝成形不良等。 裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。
3.3.2 焊缝质量检验
缺陷削弱焊缝受力面积,焊缝处应力集中,对连接的 强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。焊缝质 量检验极为重要。
外观检查 检查外观缺陷和几何尺寸;
3.4.1 角焊缝的构造要求
4 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀,两端 大中间小。焊缝越长,应力集中越明显。
若焊缝长度适宜,两端点处的应力达到屈服强度后, 继续加载,应力会渐趋均匀。
若焊缝长度超过某一限值时,有可能首先在焊缝的两 端破坏,故一般规定侧面角焊缝的计算长度
为使连接强度不致过分降低,要求b/lw≤1。 避免焊缝横向收缩,引起板件向外发生较大拱曲,
b不宜大于16t(t>12mm)或190mm(t≤12mm),t为较薄焊 件的厚度。
搭接连接中,仅采用正面角焊缝时,搭接长度不得小于 焊件较小厚度的5倍,也不得小于25mm。
7 减小角焊缝应力集中的措施 端部搭接采用三面围焊时,在转角处截面突变,会产 生应力集中,如在此处起灭弧,可能出现弧坑或咬肉 等缺陷,从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转 角处必须连续施焊。
3.4.1 角焊缝的构造要求
3 角焊缝的最小计算长度 焊脚尺寸大而长度较小时,焊件的局部加热严重,焊缝 起灭弧所引起的缺陷相距太近,以及焊缝中可能产生的 其他缺陷(气孔、非金属夹杂等),使焊缝不够可靠。 搭接连接的侧面角焊缝,如果焊缝长度过小,由于力线 弯折大,会造成严重应力集中。
为了使焊缝能够具有一定的承载能力,侧面角焊缝或正 面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。
斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。
夹角大于l35°或小于60°的斜角角焊缝,除钢管结构 外,不宜用作受力焊缝。
2. 坡口焊缝
焊件常需做成坡口,焊缝金属填充在坡口内。
坡口形式与焊件厚度有关:
焊件厚度很小(小于等于10mm):直边缝。
一般厚度(t=10~20mm) :具有斜坡口的单边V形或V形焊 缝。
对接与角接组合焊缝:T形、十字形或角接 接头的坡口焊缝。
3.2焊缝和焊接连接形式
3.2.2 焊接连接的形式
1.焊接连接形式 被连接板件的相互位置:对接、搭接、T形连接和角部 连接四种。 连接所采用的焊缝主要有坡口焊缝和角焊缝。
对接连接:主要用于厚度相同或接近相同的两构件的 相互连接。
采用对接焊缝,两构件在同一平面内,传力均匀平缓, 没有明显的应力集中,用料经济,但是焊件边缘需要 加工,被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。 采用双盖板和角焊缝,传力不均匀、费料,但施工简 便,所连接两板的间隙大小无需严格控制。
搭接连接:适用于不同厚度构件的连接。传力不均匀, 材料较费,构造简单,施工方便,广泛应用。
T形连接 省工省料,常用于制作组合截面。 采用角焊缝连接 焊件间存在缝隙,截面突变,应 力集中现象严重,疲劳强度较低,可用于不直接 承受动力荷载结构的连接中。 采用坡口焊缝 对于直接承受动力荷载的结构,如 重级工作制吊车梁,其上翼缘与腹板的连接。
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