《金属结构设计》第二章金属结构的连接.ppt

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2.金属结构的连接目目录录2.2.金属结构的连接金属结构的连接2.12.1金属结构连接概述金属结构连接概述2.22.2金属结构的连接方法金属结构的连接方法2.32.3焊缝连接焊缝连接2.42.4螺栓连接螺栓连接2.金属结构的连接目的:

金属结构件在制造和组装时，无论是把基本杆件制成部件，还是各杆件组装成整体，都必不可少要用连接实现。

如果连接设计不恰当，在金属结构内部就会出现薄弱环节，影响结构的整体刚度和强度。

因此，连接的设计同构件本身设计一样重要。

好的连接评判原则：

安全可靠，节约材料，构造简单和施工方便。

安全可靠，节约材料，构造简单和施工方便。

2.12.1金属结构连接概述金属结构连接概述2.金属结构的连接金属结构的连接方法可分为：

焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接（图21）。

2.22.2金属结构的连接方法金属结构的连接方法图21金属结构的连接方法（a）焊缝连接；（b）螺栓连接；（c）铆钉连接2.金属结构的连接金属结构连接的特点（1-9）连接方法优点缺点焊缝连接不削弱构件截面，密封性好，对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高。

易产生较大的焊接残余应力和变形，对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大。

普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大。

高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳。

摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高。

铆钉连接韧性和塑性好，传力可靠，质量易于检查，抗动力荷载好。

费钢、费工、噪声大。

射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构。

不能受较大集中力。

2.金属结构的连接2.3.1焊缝连接的特性2.3.2焊缝强度2.3.3角焊缝的受力情况及强度计算2.3.4对接焊缝的受力情况及强度计算2.3.5焊接残余应力和焊接残余变形2.32.3焊缝连接焊缝连接（2-8）2.金属结构的连接2.3.1焊缝连接的特性一、金属结构中常用的焊接方法电弧焊电阻焊气焊常用的焊接方法手工电弧焊自动埋弧焊半自动埋弧焊CO2气体保护焊2.金属结构的连接二、焊缝连接的特点焊接连接与铆钉、螺栓连接比较，有以下优点：

不需打孔，省工省时；任何形状的构件可直接连接，连接构造方便；气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性较好。

缺点：

焊缝附近有热影响区，材质变脆；焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状尺寸发生变化；焊接裂缝一经发生，便容易扩展。

2.金属结构的连接常见的焊缝缺陷：

裂纹、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满等（图22）。

三、焊缝缺陷图22常见焊缝缺陷2.金属结构的连接焊接检验按GB502052001钢结构工程施工及验收规范中要求，焊缝质量分为三级。

A级（三级）：

全部外观检查。

B级（二级）：

在全部外观检查的基础上做超声波检验（抽取50）C级（一级）：

在A、B级检查后对局部做x射线检验（对不同的结构还可用部颁标准，如水工钢结构可用水工金属结构焊接通用技术条件SL36，又如，建筑钢结构焊接与验收规范等。

）四、四、焊缝检验焊缝检验2.金属结构的连接五、焊缝标注五、焊缝标注焊缝代号国家标准（GB/T324-1988）1234N1箭头线2实基线3虚基线4尾线N标注焊缝方法或相同的焊缝数量。

焊缝在非箭头侧，将焊缝符号注在基线的虚线侧。

对称焊缝及双面焊不加虚线。

说明：

在建筑钢结构焊接与验收规程中无虚线、尾部。

2.金属结构的连接六、焊缝连接型式及焊缝型式六、焊缝连接型式及焊缝型式焊缝连接型式焊缝连接型式主要有四种：

平接、搭接、T形连接和角接（图23）。

（a）（b）（c）（d）（e）图23焊缝连接型式（a）平接；（b）搭接；（c）、（d）T形连接；（e）角接2.金属结构的连接焊缝型式焊缝型式焊缝可分为对接焊缝和角焊缝。

对接焊缝按受力与焊缝方向分：

a）直缝：

作用力方向与焊缝方向正交。

b）斜缝：

作用力方向与焊缝方向斜交。

角焊缝按受力与焊缝方向分：

a）正面角焊缝（端焊缝）：

作用力方向与焊缝长度方向垂直。

b）侧面角焊缝（侧焊缝）：

作用力方向与焊缝长度方向平行。

按焊缝连续性：

a）连续焊缝：

受力较好。

b）断续焊缝：

易发生应力集中。

按施工位置：

俯焊、立焊、横焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差。

2.金属结构的连接七、焊缝强度七、焊缝强度焊缝强度主要取决于焊缝金属和母材金属的强度。

并与焊接型式、应力集中程度以及焊接工艺等因素有关（见书中表21）。

对接焊缝：

受压对接焊缝：

抗压强度设计值（）与母材相同。

受拉对接焊缝：

一级和二级焊缝的抗拉和抗弯强度设计值（）与母材相同；三级焊缝的抗拉和抗弯强度设计值取母材强度设计值的0.85倍。

角焊缝：

抗拉、抗压和抗弯强度设计值（）取统一的强度设计值。

2.金属结构的连接八、角焊缝的受力情况及强度计算八、角焊缝的受力情况及强度计算（一一）角焊缝的受力情况及构造要求角焊缝的受力情况及构造要求角焊缝的截面型式角焊缝按两焊脚边间夹角不同可分为：

直角角焊缝、斜角角焊缝（图24）。

直角角焊缝又可分为：

普通式、平坡式和深溶式（凹面式）（图24）。

斜角角焊缝：

锐角角焊缝、钝角角焊缝（有凸、凹面）（图24）。

直角角焊缝的有效厚度：

图图2244角焊缝截面型式角焊缝截面型式斜角角焊缝的有效厚度：

当时，当时，（21）2.金属结构的连接角焊缝的受力情况（1-10）角焊缝按其长度方向与受力方向的相对位置可分为：

正面角焊缝（端焊缝）、侧面角焊缝（侧焊缝）、围焊缝。

侧面角焊缝主要承受剪力作用。

在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，但塑性正面角焊缝的应力状态较复杂，其破坏强度比侧面角焊缝高，但塑性较差（图26）。

图图2255侧面角焊缝应力分布侧面角焊缝应力分布较好，在规范长度范围内，应力分布可趋于均匀（图25）。

图图2266正面角焊缝应力分布正面角焊缝应力分布2.金属结构的连接角焊缝的尺寸限制角焊缝的尺寸限制最小焊脚尺寸（取整毫米数）：

且最大焊脚尺寸（取整毫米数）：

板件边缘（厚度为t）的角焊缝，最大焊脚尺寸尚应符合下列要求：

当时，取；当时，取。

选择的焊脚尺寸应符合：

角焊缝计算长度的限制对侧焊缝：

受静力荷载时，；受动力荷载时，；对侧焊缝和端焊缝：

或40mm；角焊缝计算长度的适宜值为：

在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，搭接长度应或25mm。

2.金属结构的连接

（二）角焊缝的强度计算

（二）角焊缝的强度计算角焊缝计算的基本公式现以图2-7所示的受力情况为例，导出角焊缝计算的基本公式。

Nx在焊缝有效截面上引起的沿焊缝轴线方向的剪应力为：

Ny在焊缝有效截面上引起的垂直于焊缝轴线方向的应力为：

将f沿焊缝有效截面的法向和垂直于焊缝轴线的切向分解得：

根据第四强度理论，角焊缝的强度条件为：

2.金属结构的连接图图2277直角角焊缝的计算图直角角焊缝的计算图（2-9）（2-9）2.金属结构的连接角焊缝计算的基本公式（续一）将式（2-2）、（2-4）、（2-5）代入式（2-6）得：

或写成：

式中：

f正面角焊缝（端焊缝）的强度增大系数。

其值为：

承受静力荷载或间接承受动力荷载时：

f（3/2）1/21.22直接承受动力荷载时：

f1.0正面角焊缝（端焊缝），Nx0，即f0，其算式为：

侧面角焊缝（侧焊缝），Ny0，即f0，其算式为：

2.金属结构的连接角焊缝连接对称焊件当只有侧焊缝时，按式（2-10）计算；当只有端焊缝时，按式（2-9）计算；采用围焊缝时，先按式（2-9）计算端缝承担的内力N，所余内力（N-N）由侧焊缝承担。

若承受动力荷载作用，轴心力由全部焊缝有效截面平均承担（f1.0）。

（2）

（2）角角焊缝受拉力、压力或剪力作用焊缝受拉力、压力或剪力作用采用三面围焊缝连接不对称焊件（图28）计算步骤：

a.选定端焊缝的hf，计算它能承担的内力；b.按下式确定角钢肢背、肢尖承担的内力：

N1（b2/b）NN3/2k1NN3/2N2（b1/b）NN3/2k2NN3/2c.选定侧焊缝的hf，按式（210）求出侧焊缝的lw1和lw2。

若无端焊缝，则令上式中的N30即可。

2.金属结构的连接图图2288受轴心力作用的角钢和节点板焊缝连接受轴心力作用的角钢和节点板焊缝连接2.金属结构的连接角焊缝受弯矩、剪力和轴心力共同作用（图角焊缝受弯矩、剪力和轴心力共同作用（图2299）（2-10）（1-11）（2-10）（1-11）图图2299受弯、受剪、受拉的角焊缝计算受弯、受剪、受拉的角焊缝计算在弯矩作用下产生x方向（垂直于焊缝长度方向）的应力为：

在剪力作用下产生y方向（平行于焊缝长度方向）的应力为：

在轴力作用下产生x方向（垂直于焊缝长度方向）的应力为：

这三个应力代入式（28）得2.金属结构的连接角焊缝受扭矩、轴力、剪力共同作用（图角焊缝受扭矩、轴力、剪力共同作用（图221010）图图221010受扭、受拉、受剪的角焊缝计算受扭、受拉、受剪的角焊缝计算扭矩M在焊缝有效截面上引起的应力：

扭矩M引起三面围焊最远点A的应力沿x、y方向分解：

式中：

焊缝计算截面（有效截面）对形心的极惯性矩；、焊缝角点到焊缝形心轴的距离。

剪力V、轴力N在A点引起的应力为：

式（2-16b）和式（2-16c）代入式（2-8）得角焊缝计算习题角焊缝计算习题2-12-1试验算图试验算图2.12.1所示直角角焊缝的强度。

已知焊缝承受的斜向静力荷载设计所示直角角焊缝的强度。

已知焊缝承受的斜向静力荷载设计值值F280kN，60，角焊缝的焊脚尺寸角焊缝的焊脚尺寸hhff8mm，实际长度实际长度l155mm，钢材为钢材为Q235-B，手工焊，焊条手工焊，焊条E43型。

型。

2-32-3在图在图2.22.2所示角钢和节点板采用两边侧焊缝的连接中，所示角钢和节点板采用两边侧焊缝的连接中，N660660kN（静力荷静力荷载，设计值），角钢为载，设计值），角钢为211010211010，节点板厚度，节点板厚度tt1212mm，钢材为钢材为Q235235B，焊条焊条为为E4343系列型，手工焊。

试确定所需角焊缝的焊脚尺寸系列型，手工焊。

试确定所需角焊缝的焊脚尺寸hhff和实际长度和实际长度l。

2.金属结构的连接九、对接焊缝的受力情况及强度计算九、对接焊缝的受力情况及强度计算（一一）对接焊缝的构造要求对接焊缝的构造要求为保证焊件熔透，当焊件厚度大于10mm时，须对焊件接头处进行加工，以形成其具有规则的几何形状的沟槽（坡口）。

对接焊缝的坡口形式（图211）：

直边形、单边V形、双边V形、U形、K形缝、X形缝等。

板厚t10mmt1020mmt20mm优点：

用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。

缺点：

需开坡口，焊件长度要精确。

图图221111对接焊缝构造对接焊缝构造2.金属结构的连接（二二）对接焊缝的构造处理对接焊缝的构造处理起落弧处易有焊接缺陷，所以用引弧板。

但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算时将焊缝长度两端各减去2t，t为连接件的较小厚度。

变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：

4的斜面，避免应力集中。

变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：

4的斜边，避免应力集中。

图图221212不同厚度或宽度的钢板拼接不同厚度或宽度的钢板拼接2.金属结构的连接（三三）对接焊缝的强度计算对接焊缝的强度计算轴心受力时轴心受力时斜向受力时斜向受力时弯矩和剪力共同作弯矩和剪力共同作轴力、弯矩和剪力共同轴力、弯矩和剪力共同轴心受力时对接焊缝的计算轴心受力时对接焊缝的计算式中式中NN轴心拉力或压力；轴心拉力或压力；Nlw焊缝计算长度，无引弧板时，焊焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝长度取实长减去缝长度取实长减去2t2t，有引弧板有引弧板时，取实长。

时，取实长。

对接焊缝的抗压、抗拉强度设对接焊缝的抗压、抗拉强度设计值。

教材计值。

教材p35p35表表2211。

平接时为焊件的较小厚度，顶接平接时为