钢结构的连接

时间：2023-10-18 百科知识版权反馈

【摘要】：焊接是目前钢结构最主要的连接方法，其优点是构造简单，节约钢材，加工方便，易于采用自动化操作。目前，在工业与民用建筑中绝大部分的连接均已采用焊接。但铆钉连接的塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，在一些重型和直接承受动力荷载的结构中，有时仍然采用。目前，钢结构中常用的是手工电弧焊。有关焊缝符号的详细说明，可参考《建筑结构制图标准》，表10.2中列出的只是部分的常用焊缝符号。

10.2　钢结构的连接

钢结构的连接方法可分为焊接、铆钉连接和螺栓连接3种，如图10.7所示。

图10.7　钢结构的连接方法

（a）焊缝连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接

焊接是目前钢结构最主要的连接方法，其优点是构造简单，节约钢材，加工方便，易于采用自动化操作。目前，在工业与民用建筑中绝大部分的连接均已采用焊接。

铆钉连接因费钢费工，现已很少采用。但铆钉连接的塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，在一些重型和直接承受动力荷载的结构中，有时仍然采用。

螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。普通螺栓连接施工简单，拆装方便，主要用在安装结构和可拆装结构中；高强度螺栓连接具有连接紧密，受力良好，耐疲劳，可拆换，安装简单，便于养护以及动力荷载作用下不易松动等优点，是很有发展前途的一种连接方法。

・10.2.1　焊接连接・

1）钢结构中常用的焊接方法

焊接连接有电弧焊、电阻焊和气焊等方法。电弧焊又分为手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、CO₂气体保护焊等。目前，钢结构中常用的是手工电弧焊。

·手工电弧焊　其原理如图10.8所示。通电后，在涂有焊药的焊条与焊件间产生电弧。在高温作用下，电弧周围的金属变成液态，形成熔池，同时，焊条熔化滴落熔池中，并与焊件熔化部分结成焊缝。焊条药皮在焊接过程中产生气体，防止空气中的氧、氮等有害气体与熔化的液体金属接触，避免形成脆性易裂的化合物。手工电弧焊焊条应与焊件金属品种相适应，Q235钢焊件用E43系列型焊条，Q345钢焊件用E50系列型焊条，Q390钢焊件用E55系列型焊条。

图10.8　手工电弧焊原理图

图10.9　自动（或半自动）埋弧焊原理图

·自动（或半自动）埋弧焊　其原理如图10.9所示。其主要设备是自动电焊机，它可沿轨道按选定的速度移动。通电引弧后，由于电弧的作用，使埋于焊剂下的焊丝和附近的焊剂熔化，熔渣浮在熔化的焊缝金属上面，使熔化金属不与空气接触，有时还可供给焊缝必要的合金元素，以改善焊缝质量。随着焊机的自动移动，颗粒状的焊剂不断地由料斗漏下，电弧完全被埋在焊剂之内，同时焊丝也自动地随熔化而下降，故称为自动埋弧焊。半自动焊除由人工操作前进外，其余过程与自动焊相同，而焊缝质量介于自动焊与手工焊之间。自动焊和半自动焊所采用的焊丝和焊剂要与主体金属强度相适应。

2）焊接连接形式及焊缝形式

（1）连接形式

焊接连接形式按被连接构件间的相对位置分为对接、搭接、T形连接和角部连接4种。这些连接所采用的焊缝形式主要有对接焊缝和角焊缝。

图10.10（a）所示为用对接焊缝的对接连接，它的特点是用料经济，传力均匀平缓，没有明显的应力集中，但是焊件边缘需要加工。

图10.10（b）所示为用拼接板和角焊缝的对接连接，这种连接传力不均匀、费料，但施工简便，所接两板的间隙大小无需严格控制。

图10.10　焊接连接的形式

（a）用对接焊缝的对接连接；（b）用拼接板和角焊缝的对接连接；

（c）用角焊缝的搭接连接；（d）用角焊缝的工形连接；（e）用角焊缝的角部连接

图10.10（c）所示为用角焊缝的搭接连接，这种连接传力不均匀，材料较费，但构造简单，施工方便，目前还广泛应用。

图10.10（d）所示为用角焊缝的T形连接，构造简单，受力性能较差，应用也颇为广泛。

图10.10（e）所示为用角焊缝的角部连接。

（2）焊缝形式与构造

焊缝主要包括对接焊缝、角焊缝两种形式。

·对接焊缝　连接位于同一平面的构件采用对接焊缝，对接焊缝的焊件边缘常需加工坡口，焊接的金属就填充在坡口内，所以对接焊缝是被连接板件的组成部分。对接焊缝按坡口形式分为直边缝、单边V形缝、双边V形缝，U形缝、K形缝和X形缝等，如图10.11所示。

当焊件厚度t很小（t≤10 mm），可采用直边缝；对于一般厚度（t=10～20 mm）的焊件可采用有斜坡口的单边V形缝或双边V形缝；对于较厚的焊件（t＞20 mm），可采用U形缝、K形缝或X形缝。对于V形缝和U形缝的根部，还需要清除焊根并进行补焊。对于没有条件清根和补焊者，要事先加垫板以保证焊透。

图10.11　对接焊缝的坡口形式

（a）直边缝；（b）单边V形缝；（c）双边V形缝；（d）U形缝；（e）K形缝；（f）X形缝

在钢板宽度不同或厚度在一侧相差4 mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向一侧或两侧做成坡度不大于1∶2.5的斜角，如图10.12所示。

图10.12　不同宽度或厚度钢板的拼接

（a）不同宽度钢板的拼接；（b）不同厚度钢板的拼接

图10.13　对接焊缝的引弧板

对接焊缝的起弧和落弧点，常因不能熔透而出现缺陷，该处易产生裂纹和应力集中现象。为消除焊口缺陷，焊接时可将焊缝的起点和终点延伸至引弧板（如图10.13所示）上，焊后将引弧板切除。

·角焊缝　在相互搭接或丁字连接构件的边缘，所焊截面为三角形的焊缝，称为角焊缝（如图10.10（b），（c），（d），（e）所示）。角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝。正面角焊缝的焊缝长度方向与作用力垂直，如图10.14（a）所示；侧面角焊缝的焊缝长度方向与作用力平行，如图10.14（b）所示。

图10.14　角焊缝

（a）正面角焊缝；（b）侧面角焊缝

图10.15　直角角焊缝截面

钢结构中，最常用的是图10.15（a）所示的普通直角角焊缝。

直角角焊缝的直角边长度称为焊脚尺寸，其中较小的焊脚尺寸以h_f表示，在以h_f为两直角边的直角三角形中，与h_f成45°的喉部长度为焊缝的有效厚度h_e，也就是角焊缝计算截面的有效厚度。在直角角焊缝中，h_e=cos 45°×h_f≈0.7h_f。

《钢结构设计规范》规定角焊缝的焊脚尺寸应符合下列要求：

①角焊缝的焊脚尺寸h_f不得小于t为较厚焊件厚度（单位取mm）。对自动焊，最小焊脚尺寸则减小1 mm；对T形连接的单面角焊缝，应增加1 mm；当焊件厚度等于或小于4 mm时，则取与焊件厚度相同的尺寸。

②角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍（钢管结构除外）。但板件（厚度为t）的边缘角焊缝的最大焊脚尺寸h_f，还应符合下列要求：当t≤6 mm时，h_f≤t；当t＞6 mm时，h_f≤t-（1～2 mm）。

③角焊缝的两焊脚尺寸一般相等。当两焊件厚度相差悬殊，用等焊脚尺寸无法满足要求时，可用不等焊脚尺寸。

④侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8h_f和40 mm。

⑤侧面角焊缝的计算长度，不宜大于60h_f。如大于上述数值，其超过部分在计算中不予考虑，若内力若沿侧面角焊缝全长分布，其计算长度不受此限。

⑥杆件与节点板的连接焊缝，如图10.16所示，宜采用两面侧焊，也可采用三面围焊，对角钢杆件也可用L形围焊，所有围焊的转角处必须连续施焊。

⑦当角焊缝的端部在构件转角处做长度为2h_f的绕角焊时，转角处必须连续施焊。

图10.16　杆件与节点板的连接

（a）两面侧焊；（b）三面围焊；（c）L形围焊

3）焊缝符号

在钢结构施工图上，要用焊缝符号标明焊缝形式、尺寸和辅助要求。《建筑结构制图标准》（GB/T 50105—2010）规定：焊缝符号由引出线、图形符号和辅助符号3部分组成。图形符号表示焊缝的基本形式，如角焊缝用表示，V形焊缝用V表示；引出线由横线、斜线及单边箭头组成，横线的上面和下面用来标注符号和尺寸，斜线和箭头用来将整个焊缝符号指到图形上的有关焊缝处，必要时在横线的末端可加一尾部作为其他说明之用。引出线采用细实线绘制。辅助符号表示焊缝的辅助要求，如相同符号及现场安装焊缝等。

当引出线的箭头指向对应焊缝所在的一面时，应将图形符号和焊缝尺寸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。

有关焊缝符号的详细说明，可参考《建筑结构制图标准》（GB/T 50105—2010），表10.2中列出的只是部分的常用焊缝符号。

表10.2　焊缝符号

4）焊透的对接焊缝的计算

根据对接焊缝按是否被焊透，又分为焊透的对接焊缝和未焊透的对接焊缝两种。这里仅介绍焊透的对接焊缝的计算。

（1）轴心力作用的对接焊缝计算

图10.17（a）为垂直于轴心力的对接焊缝，可按式（10.2）计算

式中　N——轴心拉力或压力的设计值；

　l_w——焊缝计算长度，当采用引弧板施焊时，取焊缝实际长度，当不采用引弧板时，每条焊缝取实际长度减去2t；

　t——对接连接中为连接件的较小厚度，T形连接中为腹板厚度；

　——对接焊缝抗拉、抗压强度设计值，按表10.3采用。

表10.3　焊缝的强度设计　　　　单位：N/mm₂

注：①自动焊和半自动焊所采用的焊丝和焊剂，应保证其熔敷金属的力学性能不低于现行国家标准《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》（GB/T 5293）和《低合金埋弧焊用焊剂》（GB/T 12470）中相关的规定。

②焊缝质量等级应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205）的规定。其中厚度小于8 mm钢材的对接焊缝，不应采用超声波探伤确定焊缝质量等级。

③对接焊缝在受压区的抗弯强度设计值取f^w，在受拉区的抗弯强度设计值取

④表中厚度是指计算点的钢材厚度，对轴心受拉和轴心受压构件是指截面中较厚板件的厚度。

若采用直缝不能满足强度要求时，可采用图10.17（b）所示的斜对接焊缝。规范规定当斜缝和作用力间夹角θ符合tan θ≤1.5时，可不计算焊缝强度。

图10.17　对接焊缝受轴心力

（a）垂直于轴心力的对接焊缝；（b）斜对接焊缝

（2）弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算

图10.18所示的对接接头承受弯矩和剪力共同作用，其正应力与剪应力的最大值应分别满足下列强度条件：

式中　W_w——焊缝截面的抵抗矩；

　I_w——焊缝截面对其中和轴的惯性矩；

　S_w——焊缝截面在计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩；

——对接焊缝的抗剪强度设计值，按表10.3采用。

图10.18（b）所示为工字形或H形截面梁的对接接头，除应验算最大正应力和剪应力外，同时在受有较大正应力和剪应力处（如图中腹板与翼缘的交接点），还应按式（10.5）验算折算应力：

图10.18　对接焊缝受弯矩和剪力的共同作用

（a）对接接头承受弯矩和剪力共同作用；

（b）I形或H形截面梁对接接头承受弯矩和剪力共同作用

5）直角角焊缝的计算

（1）角焊缝的受力特点

试验表明，直角角焊缝的破坏通常发生在45°方向的最小截面。设计计算时，不论角焊缝受力方向如何，均假定其破坏截面在45°方向处，此截面称为直角角焊缝的有效截面或计算截面。正面角焊缝的破坏强度较高，一般是侧面角焊缝的1.35～1.55倍。角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度设计值都采用同一指标，用表示，见表10.3。

（2）角焊缝的计算

当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝中心时，焊缝的应力可认为是均匀分布的。当采用正面角焊缝时，按式（10.6）计算：

当采用侧面角焊缝时，按式（10.7）计算：

式中　l_w——焊缝计算长度。当采用引弧板施焊时，取焊缝实际长度；当不采用引弧板时，每条焊缝取实际长度减去2h_f。

　h_e——角焊缝的有效厚度。

　β_f——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，β_f=1.22；对直接承受动力荷载的结构，β_f=1.0。

（3）角钢连接中角焊缝的计算

钢桁架中角钢腹杆与节点板的连接一般采用两面侧焊（图10.19（a））或三面围焊（图10.19（b）），也可用L形围焊（图10.19（c））。为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力作用线应与角钢杆件的轴线重合。

图10.19　角钢与节点板的连接

（a）两面侧焊；（b）三面围焊；（c）L形围焊

对于两面侧焊，设N₁，N₂分别为角钢肢背焊缝和肢尖焊缝承担的内力，由平衡条件得：

K₁，K₂称为焊缝内力分配系数，可按表10.4采用。

表10.4　焊缝内力分配系数

对于三面围焊，可先按构造要求确定端焊缝的焊脚尺寸与焊缝长，求出端焊缝承担的内力N₃，然后再求出角钢肢背与肢尖焊缝承担的N₁，N₂，由N₁，N₂确定两侧焊缝的长度及焊脚尺寸。

对于L形围焊，同理求得N₃后，可得N₁=N-N₃，求得N₁后，也可确定侧焊缝的长度及焊脚尺寸。

【例10.1】　设计采用拼接盖板的对接连接如图10.20所示。已知钢板宽度B=400 mm，厚度t₂=18 mm，拼接盖板厚度板t₁=10 mm。该连接承受轴心力设计值N=1 500 kN（静力荷载），钢材为Q235，采用E43系列型焊条，手工焊。

图10.20　例10.1附图

【解】　（1）拼接板截面选择

根据拼接板和主板承载能力相等原则，拼接板钢材亦采用Q235，两块拼接板截面面积之和应不小于主板截面面积，考虑拼接板要侧面施焊，取拼接板宽度为360 mm，则：

A′=360 mm×2×10 mm=7 200 mm²

=A=400 mm×18 mm=7 200 mm²（满足强度要求）

故每块拼接板截面为10 mm×360 mm。

（2）确定焊脚尺寸

设h_f=8 mm≤t-（1～2）mm=10 mm-（1～2）mm=8～9 mm＞1.5t=1.518 mm=6.4 mm

（3）焊缝计算

由表10.3查得=160 N/mm²。

采用如图10.20所示的三面围焊。

由式（10.6）得正面角焊缝承担的力为：

由式（10.7）得连接一侧所需侧面角焊缝的总长度为：

连接一侧共有4条侧面角焊缝，则一条侧面角焊缝的实际长度为：

被拼接两板间留出缝隙10 mm，拼接盖板长度为L=2l+10 mm=430 mm。

【例10.2】　一桁架的腹杆，截面为2100×10，钢材为Q235B钢，手工焊，焊条为E43型。杆件承受静力荷载N=600 kN（设计值）。杆件与12 mm厚节点板相连，如图10.21所示。试设计此连接。

图10.21　例10.2附图

【解】　采用两面侧焊

角钢肢尖和肢背的焊脚尺寸都取h_f=8 mm，则：

N₁=K₁N=0.7×600 kN=420 kN

N₂=K₂N=0.3×600 kN=180 kN

所需焊缝长度：

肢背：

肢尖：

故取肢背侧焊缝的实际长度为250 mm，肢尖侧焊缝的实际长度为120 mm。

・10.2.2　螺栓连接・

1）普通螺栓连接

（1）普通螺栓的性能与构造

普通螺栓一般用Q235钢（用于螺栓时也称4.6级）制成，常用的螺栓直径为18，20，22，24 mm。其优点是施工简单、拆装方便。普通螺栓按加工精度分为C级螺栓和A，B级螺栓3种。

·C级螺栓　加工粗糙，尺寸不够准确，只要求Ⅱ类孔，成本低。C级螺栓传递剪力时，连接变形较大，工作性能较差，但传递拉力的性能仍较好。所以C级螺栓广泛用于需要拆装的连接、承受拉力的安装连接、不重要的连接或作安装时的临时固定。

·A，B级螺栓　需要机械加工，尺寸准确，要求Ⅰ类孔，其抗剪性能比C级螺栓好，但成本高，制造和安装比较复杂，价格昂贵，目前在钢结构应用较少。

（2）普通螺栓的排列

螺栓在构件上的排列可以是并列（图10.22（a））或错列（图10.22（b））。根据受力、构造、施工等要求，《钢结构设计规范》规定螺栓的距离应符合表10.5的要求。

图10.22　螺栓的排列

（a）并列；（b）错列

表10.5　螺栓或铆钉的最大、最小容许距离

（3）普通螺栓连接的工作性能

按照螺栓传力方式，普通螺栓连接可分为抗剪螺栓连接和抗拉螺栓连接。

·抗剪螺栓连接　抗剪螺栓连接是指在外力作用下，被连接构件的接触面产生相对剪切滑移的连接，如图10.23所示。

图10.24表示螺栓连接有5种可能破坏情况：

①当螺栓杆较细、板件较厚时，螺栓杆可能被剪断，如图10.24（a）所示。

图10.23　抗剪螺栓连接

（a）单剪；（b）双剪

②当螺栓杆较粗、板件相对较薄时，板件可能被挤坏，如图10.24（b）所示。

③板件截面可能因螺栓孔削弱太多而被拉断，如图10.24（c）所示。

④当端距太小，板端可能受冲剪而破坏，如图10.24（d）所示。

⑤当栓杆细长，螺栓杆可能发生过大的弯曲变形而使连接破坏，如图10.24（e）所示。

图10.24　受剪螺栓连接破坏的形式

（a）剪断破坏；（b）挤压破坏；（c）拉断破坏；（d）冲剪破坏；（e）弯曲变形破坏

其中对①，②，③三种破坏要进行计算，对④，⑤两种破坏可通过限制螺栓端距及板叠厚度加以避免。

一个螺栓的受剪承载力设计值按式（10.10）计算：

一个螺栓的承压承载力设计值按式（10.11）计算：

式中　n_v——螺栓受剪面数目，单剪n_v=1，双剪n_v=2；

　d——螺栓杆直径；

　∑t——在同一方向承压的较小构件总厚度；

——螺栓的抗剪、承压强度设计值，见表10.6。

表10.6　螺栓连接的强度设计值　　　　单位：N/mm₂

注：①A级螺栓用于d≤24 mm和L≤10d或L≤150 mm（按较小值）的螺栓；B级螺栓用于d＞24 mm和L＞10d或L＞150 mm（按较小值）的螺栓。d为公称直径，L为螺栓公称长度。

②A，B级螺栓孔的精确度和孔壁表面粗糙度，C级螺栓孔的允许偏差和孔壁表面粗糙度，均应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001）的要求。

一个抗剪螺栓的承载力设计值应该取与的最小值。

当外力通过螺栓群形心时，假定每个螺栓平均受力，则螺栓抗剪连接所需螺栓数为：

式中　N——作用于螺栓群的轴心力的设计值。

由于螺栓孔削弱了板件的截面，为防止板件在净截面上被拉断，需要验算净截面的强度，即：

式中　A_n——净截面面积；

　f——钢材的抗拉强度设计值。

·抗拉螺栓连接　抗拉螺栓连接是指在外力作用下，被连接构件的接触面将互相脱开而使螺栓受拉的连接，如图10.25所示。

一个抗拉螺栓的承载力设计值按式（10.14）计算：

式中　d_e——普通螺栓或锚栓螺纹处的有效直径；

　——普通螺栓或锚栓的抗拉强度设计值，见表10.6。

2）高强度螺栓连接

（1）高强度螺栓连接的性能

高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别是：在抗剪时，普通螺栓连接依靠杆身承压和螺栓抗剪来传递剪力，在扭紧螺帽时螺栓产生的预拉力很小，其影响可以忽略；而高强度螺栓则除了其材料强度高之外，还给螺栓施加很大的预拉力，使被连接构件的接触面之间产生挤压力，因而垂直螺栓杆的方向有很大摩擦力，如图10.26所示。这种挤压力和摩擦力对外力的传递有很大影响。预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响到高强度螺栓连接的承载力。