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1、第4章 钢结构的焊缝连接,钢结构的连接方法,工厂连接、工地连接 钢结构的连接有销钉、螺栓、铆钉和焊缝等连接。 焊缝连接为当前钢结构的主要连接方法。,钢结构中所使用的焊接方法,主要有：手工电弧焊、自动（或半自动）埋弧焊、气体保护焊 。 设计规范规定，焊缝金属应与主体金属相适应，亦即采用的焊条型号应与焊件母材的牌号相匹配。当两不同强度的钢材相焊接时，可采用与较低强度钢材相适应的焊接材料。,焊接结构的特性和焊缝连接,优点 不需钻孔和额外的连接件； 密闭性好、刚度和整体性都很大。,缺点,受焊接时的高温影响，焊缝附近的主体金属中存在“热影响区”。 除非正确选用钢材和焊接工艺，焊缝易存在各种缺陷。 由于焊
2、接结构的刚度大，个别存在的局部裂纹易扩展到整体。 焊接后存在残余应力，降低构件的稳定性承载能力。 存在残余变形。 由于焊缝连接存在一些不足，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。,设计、制造和安装时应采取的措施,设计时对焊接结构要正确选用钢材的牌号。对钢材的化学成分尤其是对碳、硫和磷的合适含量和钢材的力学性能都要提出要求。焊接结构的钢材必须具有良好的可焊性，即在一定的焊接工艺条件下施焊，焊缝及其附近的主体金属不会因焊接而产生裂纹；焊接后，结构的力学性能不低于原来主体金属。,要正确设计焊接节点，注意尽量减少应力集中和焊接残余应力和残余变形的产生。 制造时要选择正确的焊接参数
3、，严格按照已制定的焊接工艺实施操作。 要注意对焊工的定期考核。 必须按照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。,焊接接头的形式和焊缝的类别,焊缝连接最常用的三种接头形式为对接接头、搭接接头和T形接头。 此外还有角形接头和十字形接头。,常用的两种主要焊缝：对接焊缝和角焊缝,对接焊缝 对接焊缝可用于对接接头、T形接头、角形接头和十字形接头。 当用于对接和T形接头时时，对接焊缝传力最为直接，焊缝受力明确，且基本不产生应力集中，构造也最简单。 但采用对接焊缝不仅增加了边缘加工的工序，而且对整个板材断料长度的精度有严格要求。,对接焊缝有I、U、X、K、单边V、V形焊缝。,角焊缝,角
4、焊缝均位于板件的边缘处。 焊缝轴线与板件受力方向一致时称为侧面角焊缝。 焊缝轴线与板件受力方向相垂直时称为正面角焊缝.。 角焊缝可用于搭接、T形接头、角形接头和十字形接头。 两焊脚间的夹角为直角时称为直角角焊缝。直角角焊缝可简称为角焊缝。绝大多数角焊缝的两焊脚尺寸相等。,角焊缝的受力复杂，不如对接焊缝明确，其传力也没有对接焊缝直接，但由于角焊缝连接不需要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。,除了对接焊缝和角焊缝两种主要焊缝形式外，还有一些次要的焊缝形式，如塞焊缝、槽焊缝和点焊缝。,焊接位置,施焊时焊条运行与焊缝的相对位置称为焊
5、接位置。 图4.15给出了四种焊接位置，即平焊（俯焊）、横焊（对角焊缝称为水平焊）、立焊（又称竖焊）和仰焊。 后三种较难操作，特别是仰焊，焊缝的质量最难保证。 当然，焊接位置是相对的，有时是可以调整的。,焊缝代号（焊缝符号）,在钢结构施工图纸上的焊缝应采用焊缝代号表示。有关焊缝代号及标注方法，在国家标准建筑结构制图标准GB/T501052001中有详细规定。它的主要依据是另一册国家标准焊缝符号表示法GB324。,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。,指引线一般由带有箭头的指引线（箭头线）和两条相互平行的基准线组成。一条基准线为实线，
6、另一条为虚线。虚线可以画在实线基准线的上侧或下侧。基准线一般应与图纸的底边平行，但特殊情况也可垂直，且为引线方便，允许箭头线弯折一次。在国家标准建筑结构制图标准GB/T501052001中将基准线简化为一条实线。,基本符号用以表示焊缝的形状，钢结构中常用的一些基本符号如表4-1。,基本符号与基准线的相对位置是:,如果焊缝在接头的箭头侧，基本符号应标在基准线的实线侧；当不用虚线基准线时，应标在实线的上方。 如果焊缝在接头的非箭头侧，基本符号应标在基准线的虚线侧；当不用虚线基准线时，应标在实线的下方。 标双面对称焊缝时，基准线可只画实线一条。 当为单面的对接焊缝如V形焊缝、U形焊缝，则箭头应指向有
7、坡口一侧。,辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号，如对接焊缝表面与高部分需要加工，使与焊件表面齐平，则可在对接焊缝符号上加一短线，此段划线即为辅助符号。 补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征而采用的符号。钢结构图纸常用的辅助符号和补充符号如表4-2。,焊缝尺寸在基准线上的注法是： 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。 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。 当箭头的方向改变时，上述原则不变。 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。,此外，还需注意，上述标注方法只适用于表达两个焊件相互焊接的焊缝。如为三个或三个
8、以上的焊件两两相连，其焊缝符号及尺寸应分别标注，如十字形接头是三个焊件相连，其连接焊缝如图4-10标注。,对接焊缝的计算和构造,对接焊缝的计算 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。当采用引弧板时，对接焊缝的有效长度lw与焊件的宽度相同。当焊缝为焊透时，焊缝的有效厚度与焊件的厚度相同。当无引弧板时，每条焊缝的有效长度在计算时应减去2t。,对接焊缝的强度设计值,缺陷的存在对焊缝在垂直于焊缝长度方向的抗压强度和沿焊缝长度方向的抗剪强度影响不大，但对其抗拉强度将有一定程度的削弱。 我国设计规范对对接焊缝的各种强度设计值作出规定：对接焊缝的抗压强度设计值fcw、抗剪强度
9、设计值fvw和焊缝质量等级为一、二级时的抗拉和抗弯强度设计值ftw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ftw则取相应焊件钢材强度设计值f的0.85倍，并取5N/mm2为倍数的整数。,关于焊缝质量的等级划分见钢结构工程施工质量验收规范。除外观缺陷检查外，一(100%超声波探伤)、二(20%且=200mm超声波探伤)、三级(0%)。 对三级焊缝，焊缝的强度取为母材强度的0.85f。,对接焊缝连接的计算,对一、二级焊缝可不作验算，而对三级焊缝或未采用引弧板时应验算。 受弯构件截面的强度验算：,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验算正应力和剪应力外，还验算,
10、当钢板在轴心拉力作用下，对接焊缝质量等级为三级、强度不能满足要求时，可采用斜焊缝。此时焊缝的强度可分别按下式计算：,对接焊缝的构造要求,对接焊缝都要求焊透 在对接焊缝的拼接处，当两焊接宽度不同或厚度相差4毫米以上时，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。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1：4。,多条焊缝交叉时，交叉点应分散。,直角角焊缝的受力性能,角焊缝中用得最多的是两焊脚相等的直角角焊缝，一般都假定焊缝截面为一直角三角形，并以角焊缝的有效截面为依据。Ae=helw=0.7hflw,，lw为焊缝的实际长度减去2hf。,侧面角焊缝受力特
11、征,正面角焊缝的受力特征,直角角焊缝的强度计算,基本假定 各国设计规范中都普遍采用沿450方向的焊缝截面为计算时的破坏面。 关于角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值，我国设计规范中取相同数值ffw。 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。,传统的强度计算法,假定焊缝的强度与焊缝轴线和作用外力间的夹角大小无关。由此可得焊缝强度计算公式：,新的强度计算法,我国在制定设计规范GB17-88时，采用的公式为,进一步改进后，我国规范采用的角焊缝强度计算的新公式为,但规范中并未直接给出上式，未同时考虑Nx和Ny同时作用。规范规定： 在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下，
12、当力垂直于焊缝长度方向时,当力平行于焊缝长度方向时，,在其他力或各种力综合作用下， 和 共同作用处，,为正截面焊缝强度设计值增大系数，使用于静力和间接动力荷载的结构。,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。 焊脚尺寸 不能过小，规范规定,手工焊,自动焊,T形接头单面角焊缝，,t为较厚焊件的厚度。当焊件厚度,时，取,焊脚尺寸相对于焊件厚度也不能过大，否则可能造成焊件“过烧”或被烧穿。,设计规范规定：,t为较薄焊件的厚度,板件边缘处的角焊缝最大焊脚尺寸尚应符合下列要求，以避免板件边缘棱角被
13、烧熔。,当 时,当 时,焊缝的计算长度,角焊缝的计算长度不宜过小，我国设计规范规定正面角焊缝和侧面角焊缝的计算长度都应满足,和,规范规定侧面角焊缝的计算长度不宜大于,在次要构件或次要焊缝连接中，由于焊缝受力不大，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距e不应大于15t（对受压构件）或30t（受拉构件），t为较薄焊件厚度。每段角焊缝的长度l不得小于10hf或50mm。断续角焊缝中的应力集中较甚，因此只能用于次要构件和次要连接中。,当板件的端部仅用两条侧面角焊缝连接时，每条侧面角焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离；同时两侧面角焊缝之间的距离不宜大于16t(t12mm时)或200mm(当t=12
14、mm时)，t为较薄板件的厚度。 当不满足上述要求时，除设置侧面角焊缝外，还可另加正面角焊缝或用槽焊缝或电铆钉将两板辍合。,搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm。,在直接承受动力荷载的结构中，为了传力路线平坦，正面角焊缝宜采用1：1.5的不等焊脚角焊缝。对侧面角焊缝仍可采用1：1等焊脚角焊缝。为了减少接头处截面上的应力集中程度，角焊缝的表面宜为直线形或凹形。,直角角焊缝连接的计算,直角角焊缝连接的计算根据其受力情况的不同，有下列几种情形。在计算角焊缝的强度时，还必须符合规范规定的各种尺寸限制和构造要求。,外力N通过焊缝形心时的计算,例题4-4,例题4-5,例题4-6
15、,例题4-7,在弯矩、剪力和轴心力单独或共同作用下的T形连接计算,在轴心力N作用下，,在剪力V作用下，假设单由竖向角焊缝承受,在弯矩M作用下，,以上式中，Aw和Ww分别是全体焊缝有效截面的面积和弹性截面模量；Aw1则是竖向角焊缝的有效截面面积。在N、V和M共同作用下，则应按下式进行验算：,例题4-8,例题4-9,例题4-10,例题4-11,同时承受剪力和扭矩作用时的计算,工程上常可遇到如图4.48所示的搭接连接，该处偏心作用的剪力使角焊缝同时承受剪力和扭矩。而设计规范中往往只规定了角焊缝的强度设计值 ，和 在 与 单独或共同作用下的角焊缝强度计算公式，而对在扭矩作用下产生的 和 的计算方法则未
16、作规定。因此设计人员需要直接利用材料力学的公式进行计算，即弹性计算方法。但这种方法比较保守，人们还提出了简化的计算方法。,弹性计算方法,假定被连接的板件是绝对刚性而连接焊缝则是弹性的。在扭矩作用下，板件将绕焊缝有效截面的形心转动，焊缝上任意一点应力的方向将垂直于该点至形心的连线，而大小则与该点至形心的距离成正比，即,或,如图4.48所示，将每一块钢板上的外力移至焊缝有效截面的形心处，则焊缝同时承受过形心的剪力和扭矩。假定通过焊缝形心的剪力由全部焊缝有效截面平均承受，,在剪力和扭矩共同作用下，焊缝1处的强度条件为,控制焊缝强度的只是1点和4点处的应力，因此弹性方法是比较保守的，但它是目前用得最多
17、的一种方法。,简化计算方法,焊缝的质量等级,我国钢结构设计规范GB50017中规定，在设计文件（图纸等）中对焊接结构应注明所要求的焊缝形式和焊缝的质量等级。 关于焊缝的质量等级，应由设计人员对每条焊缝作出说明，以便制造和安装单位据此进行质量检查。 新修订的钢结构设计规范中特别给出了一些原则和规定。 焊缝的质量等级应根据结构的重要性、荷载特性（动力或静力荷载）、焊缝形式、工作环境和应力状态等情况确定。具体的确定方法见教材。,焊接残余应力和残余变形,焊接残余应力 沿焊缝轴线方向的纵向焊接残余应力,垂直于焊缝轴线的横向焊接残余应力,厚板中沿板厚方向的焊接残余应力 约束状态下施焊时的焊接残余应力 焊接残余应力影响构件的稳定性,焊接残余变形（见图4-58）,纵、横向收缩变形 纵向收缩引起的弯曲变形 横向收缩引起的角变形 波浪式的变形 扭曲变形,合理的焊接连接设计,选择合适的焊缝尺寸 合理选用焊缝形式 合理布置焊缝位置 考虑施焊时焊条易于达到，一般宜保持,作业,4.1；4.3；4.5；4.8,