1、 第第 3 3 章章 鋼結構的連接鋼結構的連接主要內容主要內容 3.1 3.1 鋼結構的連接方法鋼結構的連接方法 3.2 3.2 焊接連接的特性焊接連接的特性 3.3 3.3 對接焊縫的構造和計算對接焊縫的構造和計算 3.4 3.4 角焊縫的構造和計算角焊縫的構造和計算 3.5 3.5 焊接殘余應力和殘余變形焊接殘余應力和殘余變形 3.6 3.6 普通螺栓連接的構造和計算普通螺栓連接的構造和計算 3.7 3.7 高強度螺栓連接高強度螺栓連接 焊接連接焊接連接 螺栓連接螺栓連接連接的方式連接的方式焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接連接的原則連接的原則安全可靠、傳力明確、構造

2、簡單、制造方便和節約鋼材安全可靠、傳力明確、構造簡單、制造方便和節約鋼材 圖圖3-1 3-1 連接的方式連接的方式a)NNNNc)NNb)螺栓連接螺栓連接鉚釘連接鉚釘連接焊接連接焊接連接3.1 3.1 鋼結構的連接方法鋼結構的連接方法1.1.電弧焊電弧焊1 1）手工電弧焊）手工電弧焊2 2）自動半自動埋弧焊）自動半自動埋弧焊1 1）手工電弧焊）手工電弧焊原理：原理：利用電弧產生熱量熔化涂有利用電弧產生熱量熔化涂有焊藥焊條和母材形成焊縫。焊藥焊條和母材形成焊縫。 焊機焊機導線導線熔池熔池焊條焊條焊鉗焊鉗保護氣體保護氣體焊件焊件電弧電弧優點：優點：方便，適應性強，特別適用方便，適應性強，特別適用于

3、在高空和野外作業，小型焊接，于在高空和野外作業，小型焊接，應用最廣泛。應用最廣泛。缺點：缺點：質量波動大，要求焊工等級質量波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，生產效率低。高，勞動強度大，生產效率低。 A A、焊條的選擇：、焊條的選擇： 焊條應與焊件鋼材（主體金屬）相適應。焊條應與焊件鋼材（主體金屬）相適應。Q390Q390、Q420Q420鋼選擇鋼選擇E55E55型焊條型焊條(E5500-E5518)(E5500-E5518)Q345Q345鋼選擇鋼選擇E50E50型焊條型焊條 (E5001-E5048)(E5001-E5048)Q235Q235鋼選擇鋼選擇E43E43型焊條（型焊條（E430

4、0-E4328)E4300-E4328)B B、焊條的表示方法：、焊條的表示方法：E E焊條焊條(Electrode)(Electrode)第第1 1、2 2位數字為焊條鋼絲的最小抗拉強度（位數字為焊條鋼絲的最小抗拉強度（kgf/mmkgf/mm2 2) )第第3 3、4 4表示適用焊接位置、電流及藥皮的類型。表示適用焊接位置、電流及藥皮的類型。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強度鋼材相適應的焊條。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強度鋼材相適應的焊條。2 2）埋弧焊（自動或半自動）埋弧焊（自動或半自動）l 光焊絲埋在焊劑下，通電后電弧使焊絲、焊光焊絲埋在焊劑下，通電后電弧使焊絲、焊件、焊劑熔化形成

5、焊縫。件、焊劑熔化形成焊縫。l 焊劑溶化后形成焊渣浮在溶化金屬表面，焊劑溶化后形成焊渣浮在溶化金屬表面，隔絕空氣接觸，供給必要的合金元素。隔絕空氣接觸，供給必要的合金元素。、焊絲轉盤焊絲轉盤送絲器送絲器焊劑漏斗焊劑漏斗焊劑焊劑熔渣熔渣焊件焊件優點：優點：自動化程度高，焊接速度快，勞動強度低，焊縫質量好。自動化程度高，焊接速度快，勞動強度低，焊縫質量好。缺點：缺點：設備投資大，施工位置受限。設備投資大，施工位置受限。3 3）氣體保護焊）氣體保護焊 利用焊槍噴出的利用焊槍噴出的COCO2 2或其他惰性氣體或其他惰性氣體代替焊劑代替焊劑的電弧溶焊方的電弧溶焊方法。直接依靠保護氣體在電弧周圍形成保護層

6、，以防止有害氣體法。直接依靠保護氣體在電弧周圍形成保護層，以防止有害氣體的侵入。的侵入。 優點：優點：沒有熔渣，焊接速度快，焊接質量好。沒有熔渣，焊接速度快，焊接質量好。缺點：缺點：施工條件受限制，不適用于在風較大的地方施工條件受限制，不適用于在風較大的地方施焊。施焊。2.2.電阻焊電阻焊 利用電流通過焊件接觸點表面的電阻所產生的熱量來溶利用電流通過焊件接觸點表面的電阻所產生的熱量來溶化金屬，再通過壓力使其焊合。適用于板疊厚度不大于化金屬，再通過壓力使其焊合。適用于板疊厚度不大于1212的焊接。的焊接。 缺點缺點* * 構造簡單構造簡單 任何形式的構件都可直接相連；任何形式的構件都可直接相連；

7、* * 用料經濟用料經濟 不削弱截面；不削弱截面；* * 制作加工方便制作加工方便 可實現自動化操作；可實現自動化操作；* * 連接的密閉性好，結構剛度大，整體性好連接的密閉性好，結構剛度大，整體性好。 * * 材質易變脆材質易變脆焊縫附近鋼材由于施焊時高溫作用形成熱影響區使鋼材焊縫附近鋼材由于施焊時高溫作用形成熱影響區使鋼材力學性能發生變化；力學性能發生變化；* * 產生殘余應力、殘余應變、焊接缺陷，發生脆性破壞產生殘余應力、殘余應變、焊接缺陷，發生脆性破壞焊接過程冷熱焊接過程冷熱不均。不均。* * -焊接剛度大且材料連續，使局部裂紋一經發生便焊接剛度大且材料連續，使局部裂紋一經發生便容易擴

8、展到整體。容易擴展到整體。優點優點現代鋼結構最基本的連接方式，應用最廣泛。現代鋼結構最基本的連接方式，應用最廣泛。 焊縫缺陷指焊接過程中產生于焊縫金屬或附近熱影響區鋼焊縫缺陷指焊接過程中產生于焊縫金屬或附近熱影響區鋼材表面或內部的缺陷。常見的缺陷有材表面或內部的缺陷。常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等；以及等；以及焊縫尺寸焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良不符合要求、焊縫成形不良等等。 裂紋裂紋焊瘤焊瘤燒穿燒穿弧坑弧坑氣孔氣孔夾渣夾渣咬邊咬邊未熔合未熔合未焊透未焊透鋼結構工程施工質量驗收規范鋼結構工程施工

9、質量驗收規范GB50205-2001GB50205-2001規定焊規定焊縫按其檢驗方法和質量要求分為縫按其檢驗方法和質量要求分為一級、二級和三級一級、二級和三級。外觀檢查（肉眼）外觀檢查（肉眼）尺寸偏差、表面缺陷；尺寸偏差、表面缺陷；無損檢驗（儀器）無損檢驗（儀器）檢驗內部缺陷（超聲波探傷、檢驗內部缺陷（超聲波探傷、X X射線探傷、磁射線探傷、磁粉探傷、滲透探傷）。粉探傷、滲透探傷）。 二級焊縫：二級焊縫：外觀檢查外觀檢查+ +無損檢驗（超聲波探傷）合格，用無損檢驗（超聲波探傷）合格，用于受較大拉應力的于受較大拉應力的重要連接重要連接。 20%20%一級焊縫：一級焊縫：外觀檢查外觀檢查+ +無

10、損檢驗（超聲波探傷、無損檢驗（超聲波探傷、X X射線探傷射線探傷）合格，用于抗動力、需要驗算疲勞的合格，用于抗動力、需要驗算疲勞的重要連接重要連接。100%100%三級焊縫：三級焊縫：外觀檢查且符合三級質量標準，適用于外觀檢查且符合三級質量標準，適用于一般連一般連接。接。（1 1）焊接連接形式：按被連接件的相對位置分為）焊接連接形式：按被連接件的相對位置分為對接、搭接、對接、搭接、T T形連接形連接和和角部連接角部連接對接焊縫對接焊縫: :按所受力方向分按所受力方向分 1 1）直對接焊縫）直對接焊縫: : 2 2）斜對接焊縫）斜對接焊縫角焊縫角焊縫: : 按所受力方向分按所受力方向分 1 1）

11、正面角焊縫：作用力方向與焊縫長度方向垂直。）正面角焊縫：作用力方向與焊縫長度方向垂直。 2 2）側面角焊縫：作用力方向與焊縫長度方向平行。）側面角焊縫：作用力方向與焊縫長度方向平行。 分為分為對接焊縫對接焊縫和和角焊縫角焊縫。 1 1）連續角焊縫：受力性能較好，為主要的角焊縫形式。）連續角焊縫：受力性能較好，為主要的角焊縫形式。 2 2）間斷角焊縫：在起、滅弧處容易引起應力集中。）間斷角焊縫：在起、滅弧處容易引起應力集中。 不重要或受力小的構件，可采用間斷角焊縫連接不重要或受力小的構件，可采用間斷角焊縫連接50或或10hf平焊、立焊、橫焊和仰焊。平焊、立焊、橫焊和仰焊。圖圖3.1.6 3.1.

12、6 施焊方式施焊方式平焊平焊立焊立焊a)焊條焊條d)仰焊仰焊b)c)橫焊橫焊質量好質量好質量一般質量一般質量差質量差焊縫符號主要由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成焊縫符號主要由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成焊縫符號表示法焊縫符號表示法（GB/T324-1988GB/T324-1988）建筑結構制圖標準建筑結構制圖標準（GB/T50105-2001GB/T50105-2001）t20mm0.52mm34mmt20mm34mmt20mm34mm)直邊縫單邊V形縫雙邊V形縫U形縫X形縫K形縫b=0.52mm（直邊縫）（直邊縫）b=23mm（單邊（單邊V）b=23mm（V型）型）p p（U型

13、）型）b=34mmp pb=34mmp p（K型）型）b=34mmp p（X型）型）1 1）在對接焊縫的拼接處，當焊件的寬度不同或厚度相差）在對接焊縫的拼接處，當焊件的寬度不同或厚度相差4mm4mm以上時，應分別在寬度方向或厚度方向從一側或兩側做成坡以上時，應分別在寬度方向或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大于度不大于1:2.51:2.5的斜角，以使截面過渡和緩，減小應力集中。的斜角，以使截面過渡和緩，減小應力集中。a) 改變厚度改變厚度b) 改變寬度改變寬度1:2.51:2.5墊板墊板墊板墊板墊板墊板2 2）為防止熔化金屬流淌必要時可在坡口下加墊板。）為防止熔化金屬流淌必要時可在坡口下加墊板。

14、3 3）在焊縫的起滅弧處，常會出現弧坑等缺陷，故焊接時可）在焊縫的起滅弧處，常會出現弧坑等缺陷，故焊接時可設置引弧板和引出板，焊后將它們割除。設置引弧板和引出板，焊后將它們割除。引弧板引弧板 一般受靜力荷載的結構，也可不設引弧板，但焊縫的計算長一般受靜力荷載的結構，也可不設引弧板，但焊縫的計算長度比實際長度減小度比實際長度減小2t2t或或2hf2hf。對接焊縫的強度對接焊縫的強度 1 1）受壓、受剪的對接焊縫與母材強度相等。）受壓、受剪的對接焊縫與母材強度相等。 2 2）三級質量的焊縫允許存在的缺陷較多，）三級質量的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉故其抗拉強度為母材強度的強度為母材強度的85%

15、85%。 3 3）一、二級質量的焊縫的抗拉強度可認為與母材強）一、二級質量的焊縫的抗拉強度可認為與母材強度相等。度相等。3.3.2 3.3.2 對接焊縫的計算對接焊縫的計算1. 1. 軸心受力軸心受力wcwtwfftlN或（3-1）N N軸心拉力或壓力設計值軸心拉力或壓力設計值l lw w焊縫計算長度，焊縫計算長度，無引弧板時，焊縫計算長度取實際長度減去無引弧板時，焊縫計算長度取實際長度減去2t2t；有引弧板時，取實際長度。有引弧板時，取實際長度。t t連接件的較小厚度，對連接件的較小厚度，對T T形接頭為腹板的厚度形接頭為腹板的厚度 ; ; f ft tw w、f fc cw w對接焊縫的抗

16、拉、抗壓強度設計值（見附表對接焊縫的抗拉、抗壓強度設計值（見附表4 4）。）。NNlt 與構件母材強度計算方法相同，采與構件母材強度計算方法相同，采用材料力學的計算公式用材料力學的計算公式 一、二級對接焊縫不需計算。一、二級對接焊縫不需計算。 三級焊縫受拉時，才驗算。三級焊縫受拉時，才驗算。 當正焊縫連接不能滿足強度要求時，可采用斜焊縫，計當正焊縫連接不能滿足強度要求時，可采用斜焊縫，計算公式：算公式：bllw w斜焊縫計算長度。加引弧板時，斜焊縫計算長度。加引弧板時， llw wb/sinb/sinq q； 不加引弧板時，不加引弧板時，llw wb/sinb/sinq q2t2t。 f fv

17、 vw w對接焊縫抗剪設計強度。對接焊縫抗剪設計強度。wcwtsinfftlNw或wvwftlNcos規范規定，當斜焊縫傾角規范規定，當斜焊縫傾角 56.356.3，即，即tantan 1.51.5時，可時，可認為對接斜焊縫與母材等強，不用計算。認為對接斜焊縫與母材等強，不用計算。 焊縫內應力分布同母材。焊縫截面是矩形，正應力與剪應力圖形分焊縫內應力分布同母材。焊縫截面是矩形，正應力與剪應力圖形分布分別為三角形與拋物線形，其最大值應分別滿足下列布分別為三角形與拋物線形，其最大值應分別滿足下列強度公式強度公式： wVwwwmax23ftlVtIVS（3-3）wmaxt2w6wMMfWl t（3-

18、2）M焊縫承受的彎矩；焊縫承受的彎矩；Ww焊縫截面模量。焊縫截面模量。V焊縫承受的剪力；焊縫承受的剪力；Iw焊縫計算截面慣性矩；焊縫計算截面慣性矩；Sw焊縫截面計算剪應力處以上部分對中和軸的面積矩。焊縫截面計算剪應力處以上部分對中和軸的面積矩。 對于工字形或對于工字形或T T形截面除應分別驗算形截面除應分別驗算最大正應力最大正應力與與最大最大剪應力剪應力外，還應驗算腹板與翼緣交接處的外，還應驗算腹板與翼緣交接處的折算應力折算應力: :wt21211 . 13f（3-4）2.2/2/2/2/.000max1hIMhhWMhhWw腹AVtIVSwww11式中式中 : : 1 1、 1 1為腹板與翼

19、為腹板與翼緣交接處、的正應力和剪緣交接處、的正應力和剪應力。應力。 1.11.1為考慮到最大折算為考慮到最大折算應力只在焊縫局部出現，應力只在焊縫局部出現，而將焊縫強度設計值適當而將焊縫強度設計值適當提高的系數。提高的系數。 工字形截面梁在彎曲時，彎曲正工字形截面梁在彎曲時，彎曲正應力主要由上、下翼緣承擔，剪應力主要由上、下翼緣承擔，剪應力主要由腹板承擔，這使得截應力主要由腹板承擔，這使得截面上各處的材料能達到充分的利面上各處的材料能達到充分的利用。用。max 2501016MVmax 11 1 軸力和彎矩作用下對接焊縫產生正應力，剪力作用下產生剪應軸力和彎矩作用下對接焊縫產生正應力，剪力作用

20、下產生剪應力，其計算公式為：力，其計算公式為：wtwwMNmaxfWMAN（3.2*）wvwwftIVSmax（3.3*）wt21211 . 13fMN（3.4*）1 1對接焊縫計算步驟對接焊縫計算步驟l確定荷載作用下內力（彎矩，軸力，剪力）確定荷載作用下內力（彎矩，軸力，剪力）l進行截面應力狀態分析進行截面應力狀態分析l計算截面幾何特征值計算截面幾何特征值l強度驗算。強度驗算。wVwwwftIVS maxwteqf1 . 1322 wcwtorffmax 試驗算如圖試驗算如圖3-21所示鋼板的對接焊縫的強度。鋼板寬度為所示鋼板的對接焊縫的強度。鋼板寬度為200MM,板厚為板厚為14MM，軸心

21、拉力設計值為，軸心拉力設計值為N=490KN，鋼材，鋼材為為Q235,手工焊，焊條為手工焊，焊條為E43型，焊縫質量標準為三級，施型，焊縫質量標準為三級，施焊時不加引弧板。焊時不加引弧板。【例題3.1】mmlw172142200 解解】焊縫計算長度焊縫計算長度強度計算公式：強度計算公式：223/185/5 .2031417210490mmNfmmNwt不滿足要求，改為斜對接焊縫。角度為不滿足要求，改為斜對接焊縫。角度為5656度。度。mmlw2 .21314256sin200,223,/185/ 1 .136142 .21356sin10490sinmmNfmmNtlNwtw焊縫計算長度焊縫計

22、算長度強度計算公式：強度計算公式： 計算如圖計算如圖3-22所示所示T形截面牛腿與柱翼緣連接的對接焊縫形截面牛腿與柱翼緣連接的對接焊縫 。牛腿翼緣寬牛腿翼緣寬130mm。厚。厚12mm，腹板高，腹板高200mm，厚，厚10mm。力作用點到焊縫截面距離力作用點到焊縫截面距離E=200mm。鋼材為。鋼材為Q235，焊條，焊條E50型，焊縫質量標準為三級，施焊時不加引弧板。對接焊型，焊縫質量標準為三級，施焊時不加引弧板。對接焊縫連接。縫連接。V=100kN，鋼材，鋼材Q390，E55焊條，手工焊，質量等焊條，手工焊，質量等級為三級，不采用引弧板。級為三級，不采用引弧板。【例題3.2】10610121

23、90max bM aM F2001201220010a2. 荷載計算荷載計算kN100VmkN0 .15150. 0100M1. 截面幾何特征值計算截面幾何特征值計算【解】xx01061219010y1y2cmycmy55.1365. 62 . 11965. 60 . 1192 . 16 .105 . 97 .100 . 1196 . 02 . 16 .1021423231349)22 . 155. 6(16 .102 . 16 .10121)21955.13(119191121cmIx3. 焊縫強度驗算焊縫強度驗算1061012190max bM aM 22222232246max22462

24、22/5 .2912651 . 11 . 1/6 .22063.5239 .2003/18063.521019010100/310/89.2001013491055.131020/265/59.981013491065. 61020/310,/265,/180mmNfmmNmmNfAVmmNfmmNIMymmNfmmNIMymmNfmmNfmmNfwtwVWwcwbbwtwawVwtwV2aamax 驗算如圖所示的鋼板對接焊縫的連接。驗算如圖所示的鋼板對接焊縫的連接。M=1008kN.m，V=240KN，鋼材，鋼材Q235，E43焊條，手工焊，質量等級為三級，采用焊條，手工焊，質量等級為三級，

25、采用引弧板。引弧板。1. 截面幾何特征值計算截面幾何特征值計算4633mm1028981210002401032250wI【例題4.1】【解】2501016161000MV366maxmm106163. 5516102898yIWwwmax 1 1 1361mm10032. 250816250wS361mm10282. 325010500wwSS2. 焊縫強度計算焊縫強度計算22125,185N/mmN/mmwVwtff查表，wwwtISV 11tIVSwwmaxmax 1 max 1 wWMmax66106163. 5101008滿足。,N/mm185N/mm5 .17922wtf10102

26、89810032. 210240663，滿足。2wv2N/mm125N/mm2 .27fhh0max1 2N/mm9 .173103210005 .1791010289810032. 210240663 2N/mm8 .1621213 eq2223 .1768 .1639 .173N/mm，滿足。2N/mm5 .2031851 . 11 . 1wtf 角焊縫按截面形式（兩焊腳邊的夾角）可分為角焊縫按截面形式（兩焊腳邊的夾角）可分為直角角焊縫直角角焊縫和和斜角角焊縫。斜角角焊縫。通常做成表面微凸的通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面等腰直角三角形截面（a a）。對承受動力荷）。對承受動力荷載的結

27、構中，正面角載的結構中，正面角焊縫的截面通常采用焊縫的截面通常采用（b b）的形式，側面角）的形式，側面角焊縫的截面則做成凹焊縫的截面則做成凹面式（面式（c c）。）。 （a） （b） （c）圖圖 直角角焊縫截面直角角焊縫截面普通型普通型平坡型平坡型凹面型凹面型h hf f焊腳尺寸；焊腳尺寸；h he e有效厚度（破壞面上焊縫厚度，有效厚度（破壞面上焊縫厚度，h he e h hf fcoscos /2/2）（1 1）直角角焊縫）直角角焊縫 兩焊邊的夾角兩焊邊的夾角 9090或或 90135135o o或或6012mm12mm）或或 190mm190mm（t t12mm12mm）；）；a) a

28、) 構件端部僅有兩邊側縫連接時：構件端部僅有兩邊側縫連接時：試驗結果表明，連接的承載力與試驗結果表明，連接的承載力與b / b / l lw w有關有關。為了避免應力傳遞的為了避免應力傳遞的過分彎折而使構件中應力不均，應使：過分彎折而使構件中應力不均，應使： b b / / l lw w 1 1；其中：其中：b b兩側縫之間的距離；兩側縫之間的距離； l lw w側焊縫計算長度；側焊縫計算長度； t t較薄焊件的厚度。較薄焊件的厚度。5.5.其他構造要求其他構造要求 b) b) 僅用正面角焊縫的搭接連接中，搭接長度不得小于焊僅用正面角焊縫的搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的件較小厚度的

29、5 5倍或倍或25mm25mm。 C) C) 當焊縫端部在焊件轉角處時，應將焊縫延續繞過轉當焊縫端部在焊件轉角處時，應將焊縫延續繞過轉角加焊角加焊2 2h hf f。避開起落弧發生在轉角處的應力集中。避開起落弧發生在轉角處的應力集中。b)2hfa)2hf2hf圖圖3.3.7 繞角焊縫繞角焊縫5 5t2525圖圖3-30 搭接連搭接連接接破壞面常發生在破壞面常發生在45斜面上。斜面上。側焊縫側焊縫端焊縫端焊縫計算截面計算截面均取焊縫均取焊縫45處有效截面（處有效截面（有效厚度有效厚度計算長度計算長度）焊縫有效高度焊縫有效高度he 0.7hf焊縫計算長度焊縫計算長度lw=每條焊縫長度每條焊縫長度-

30、2hfhfhehh1h2deh-h-焊縫厚度、焊縫厚度、h h1 1熔深熔深h h2 2凸度、凸度、d d焊趾、焊趾、e e焊根焊根圖圖3.3.9 角焊縫有效截面上的應力角焊縫有效截面上的應力國際標準化組織（國際標準化組織（ISOISO）推薦用式確定）推薦用式確定角焊縫的極限強度角焊縫的極限強度wuf)(8 . 1222d a dacche e 在外力作用下，直角角焊縫有效截面上有三個應力：在外力作用下，直角角焊縫有效截面上有三個應力： 垂直于焊縫有效截面的垂直于焊縫有效截面的正應力正應力 垂直于焊縫長度的垂直于焊縫長度的剪應力剪應力 平行于焊縫長度方向平行于焊縫長度方向剪應力剪應力 上式相當

31、于國產上式相當于國產Q235Q235鋼提出，其它鋼種公式左邊系數（鋼提出，其它鋼種公式左邊系數（3.0）式中：式中： fuw -焊縫金屬的抗拉強度焊縫金屬的抗拉強度wf2112233fffw角焊縫強度設計值角焊縫強度設計值 我國我國規范規范采用了折算應力公式，引入抗力分項系采用了折算應力公式，引入抗力分項系數后得角焊縫計算公式為：數后得角焊縫計算公式為：wuf)(3222 出于偏于安全考慮，且與母材的能量強度理論的折算出于偏于安全考慮，且與母材的能量強度理論的折算應力公式一致，歐洲鋼結構協會（應力公式一致，歐洲鋼結構協會（ECCSECCS），將（上式）的），將（上式）的1.8

32、1.8改為改為3 3即：即：ffw由角焊縫抗剪條件確定，所以公式右邊相當于角焊由角焊縫抗剪條件確定，所以公式右邊相當于角焊縫抗拉強度設計值。縫抗拉強度設計值。 如圖所示承受互相垂直的如圖所示承受互相垂直的Ny、Nx兩個軸心力作用的直角兩個軸心力作用的直角角焊縫，角焊縫，Ny垂直于焊縫長度方向產生平均應力垂直于焊縫長度方向產生平均應力 f，其在有效，其在有效截面上引起的應力值為：截面上引起的應力值為：weyflhN f 對于有效截面既不是正應力也對于有效截面既不是正應力也不是剪應力，但可分解為不是剪應力，但可分解為 和和 。2f對直角角焊縫對直角角焊縫 ：圖圖3.3.10 直角角焊縫的計算直角角

33、焊縫的計算沿焊縫長度方向的力沿焊縫長度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊，在有效截面上引起平行于焊縫長度方向的剪應力縫長度方向的剪應力 f。wexflhN則直角角焊縫在各種應力綜合作用下的計算公式為：則直角角焊縫在各種應力綜合作用下的計算公式為：wff33222（3-5）wffff22fwff33242322f2f2f2f2f22. 123f f 正面角焊縫的強度設計值增大系數。靜載時正面角焊縫的強度設計值增大系數。靜載時 f 1.22，對直接承受動力荷載的結構，對直接承受動力荷載的結構， f 1.0 。 2f（3-13）對于在各種不與焊縫長度平行或垂直的力作用下，有效截面上產生對于在各種

34、不與焊縫長度平行或垂直的力作用下，有效截面上產生的應力，都可以分解為平行和垂直于焊縫長度方向的兩種應力，然的應力，都可以分解為平行和垂直于焊縫長度方向的兩種應力，然后按照（后按照（3-12）進行。）進行。 正面角焊縫正面角焊縫 f0，力力N與焊縫長度方向垂直。與焊縫長度方向垂直。側面角焊縫側面角焊縫 f0，力力N與焊縫長度方向平行。與焊縫長度方向平行。wffwefflhN（3-12）wfwefflhN（3-10）22wffff(3.3.6)f以上各式中：以上各式中： he=0.7hf； lw角焊縫計算長度，考角焊縫計算長度，考慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其實際長度減去慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其

35、實際長度減去2hf。計算公式計算公式（3-13）3.4.4 3.4.4 軸心力，彎矩，扭矩單獨作用時的角焊縫的計算軸心力，彎矩，扭矩單獨作用時的角焊縫的計算1.1.軸心力作用軸心力作用 當焊件受軸心力，且軸心力過連接焊縫群的中心，焊縫的應力可當焊件受軸心力，且軸心力過連接焊縫群的中心，焊縫的應力可認為是均勻分布的。認為是均勻分布的。(1(1）拼接板連接）拼接板連接NN(2)(2)角鋼連接角鋼連接(1(1）拼接板連接）拼接板連接a)a)僅采用側面角焊縫連接僅采用側面角焊縫連接NNl lw wl lw w連接一側的側面角焊縫計算長度的總和連接一側的側面角焊縫計算長度的總和b)b)僅采用正面角焊縫連

36、接僅采用正面角焊縫連接wffwefflhNwfwefflhNNNwffweNfl hc c、采用三面圍焊連接、采用三面圍焊連接wffweNNfl hNNl lw wl lw w先先計算正面角焊縫承擔的內力計算正面角焊縫承擔的內力再再計算側面角焊縫的強度計算側面角焊縫的強度S Sl lw w連接一側的側面角焊縫計算長度的總和連接一側的側面角焊縫計算長度的總和(2(2）承受斜向軸心力的角焊縫）承受斜向軸心力的角焊縫NNxNy f f平行于焊縫長度方向的分力平行于焊縫長度方向的分力Ncos 垂直于焊縫長度方向的分力垂直于焊縫長度方向的分力Nsin wefsinlhN（3.3.9a）welhNcosf

37、（3.3.9b）外力外力N和焊縫長度方向斜交，焊縫受到的力和焊縫長度方向斜交，焊縫受到的力N被分解為：被分解為：代入（代入（.6），得焊縫計算公式：），得焊縫計算公式：wf2we2wefcossinflhNlhNwf2f2fff（2 2）角鋼連接）角鋼連接 在鋼桁架中，角鋼腹桿與節點板的連接焊縫常用兩面側在鋼桁架中，角鋼腹桿與節點板的連接焊縫常用兩面側焊，或三面圍焊，特殊情況也允許采用焊，或三面圍焊，特殊情況也允許采用L L形圍焊（如圖所形圍焊（如圖所示）。腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，示）。腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，焊縫所焊縫所傳遞的合力的作用線應與角

38、鋼桿件的軸線重合。傳遞的合力的作用線應與角鋼桿件的軸線重合。圖圖 桁架腹桿節點板的連接桁架腹桿節點板的連接NN1N2eb角鋼的側縫連接角鋼的側縫連接 a) a) 采用兩側面焊縫連接采用兩側面焊縫連接NNN2112-N eNb e解上式得肢背和肢尖的受力為：解上式得肢背和肢尖的受力為：（3.15）11b eNNK Nb22eNNK Nb（3.16）由平衡條件得：由平衡條件得：肢背肢背肢尖肢尖K1 ,K2角鋼肢背角鋼肢背,肢尖肢尖焊縫的內力分焊縫的內力分配系數配系數表表3.2 角鋼角焊縫內力分配系數角鋼角焊縫內力分配系數K設計問題設計問題11w1f22w2fweweNlhfNlhf 在在N1、N2

39、作用下，肢背和肢尖作用下，肢背和肢尖強度強度計算公式為：計算公式為： 在在N1、N2作用下，側縫的作用下，側縫的計算長度計算長度為：為：校核問題校核問題wfwfwflhNklhNef11111117 .02wfwfflhNklhNwef22222227 . 02 b) b) 角鋼用三面圍焊時角鋼用三面圍焊時wfff3wfff3flhflhNww3337 . 027 . 011312NK NN（3.17a）通過平衡關系得肢背和肢尖側焊縫受力為通過平衡關系得肢背和肢尖側焊縫受力為: :22312NK NN（3.17b） 角鋼角焊縫圍焊的計算角鋼角焊縫圍焊的計算NN1N2ebN3lw2wfwfflh

40、N1117 .02wf2w2f27 . 02flhN可減小角鋼的搭接長度。可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸可減小角鋼的搭接長度。可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸h hf3f3 ，并算出它所能承受的內力并算出它所能承受的內力N N3 3 ：c) c) 當采用當采用L L形圍焊時形圍焊時( (N20)N N1 1作用下角焊縫強度計算公式為：作用下角焊縫強度計算公式為：13NNNwfff3flhNw337 . 02wfwfflhN1117 .02例題例題3.33.3 試設計用拼接蓋板的對接連接。已知鋼板寬試設計用拼接蓋板的對接連接。已知鋼板寬b2400mm，厚度，厚度t1=12mm，拼接蓋板的厚度，拼接蓋板

41、的厚度t2=8mm。該。該連接承受的靜態軸心力連接承受的靜態軸心力N600kN（設計值），鋼材為（設計值），鋼材為Q235B，手工焊，焊條為，手工焊，焊條為E43型型 設計拼接蓋板的對接連接方法。設計拼接蓋板的對接連接方法。 步驟步驟: 先假定焊腳尺寸和拼接蓋板的尺寸，然后驗算焊縫的承先假定焊腳尺寸和拼接蓋板的尺寸，然后驗算焊縫的承載力。載力。 如果假定的焊縫尺寸不能滿足承載力要求時，則應調整如果假定的焊縫尺寸不能滿足承載力要求時，則應調整焊腳尺寸，再行驗算，直到滿足承載力要求為止。焊腳尺寸，再行驗算，直到滿足承載力要求為止。 例題3.4 試確定圖3-42所示承受靜態軸心力N=640KN,試設

42、計此連接。已知角鋼211010，與厚度為12mm的節點板連接，其搭接長度為300mm，焊腳尺寸hf=8mm，鋼材為Q235-B，手工焊，焊條為E43型。 解：角焊縫設計強度值角焊縫設計強度值2wfN/mm160fK1=0.7，K2=0.3，2.2.彎矩作用彎矩作用 彎矩彎矩M M作用下，角焊縫有效截面上的應力呈三角形分布，作用下，角焊縫有效截面上的應力呈三角形分布，屬正面角焊縫性質。屬正面角焊縫性質。由彎矩由彎矩M產生的最大應力：產生的最大應力：wffwfeWfflhMhlMWMw7 . 02662WW-角焊縫有效截面的截面模量角焊縫有效截面的截面模量M Mh he eh he et toMl

43、(3-19)(3-19)3.3.扭矩作用扭矩作用 扭矩扭矩T T作用下，角焊縫計算采用下述假定：作用下，角焊縫計算采用下述假定：1 1）被連接件是絕對剛性的，而角焊縫是彈性的。）被連接件是絕對剛性的，而角焊縫是彈性的。2 2）被連接件繞角焊縫有效截面形心）被連接件繞角焊縫有效截面形心0 0旋轉，角焊縫上任一點的應力方旋轉，角焊縫上任一點的應力方向垂直該點與形心連線，且應力的大小與連線長度向垂直該點與形心連線，且應力的大小與連線長度R R成正被。因此，設成正被。因此，設計控制點是焊縫有效截面上距形心的最遠點，此處應力最大，計算公計控制點是焊縫有效截面上距形心的最遠點，此處應力最大，計算公式：式：

44、xxyyrrxryA0h he e AT A ATAT作用下作用下A點應力點應力:J為焊縫計算截面對形心的極慣性矩，為焊縫計算截面對形心的極慣性矩，J=Jx+JyJx，Jy焊縫計算截面對焊縫計算截面對x、y軸的慣性矩；軸的慣性矩；JrT A將將 A A沿沿X X軸和軸和Y Y軸分解得：軸分解得：JTrrrJrTJTrrrJrTTATAxxAyyAsincos將將 AT和和 AT 帶入帶入3-133-13式，得到設計公式為：式，得到設計公式為：xxyyrrxryA0 AT A ATwfAffTTA22)( 當焊縫非軸心受力時，可以將外力作用分解為軸力、當焊縫非軸心受力時，可以將外力作用分解為軸力

45、、彎矩、剪力、扭矩等簡單受力情況，分別求出具各自的焊彎矩、剪力、扭矩等簡單受力情況，分別求出具各自的焊縫應力，然后利用疊加原理，找出焊縫中受力最大的幾個縫應力，然后利用疊加原理，找出焊縫中受力最大的幾個點進行驗算。點進行驗算。復雜受力時角焊縫連接計算復雜受力時角焊縫連接計算NxNxM MNyNy3.4.5 受彎矩受彎矩M 、剪力、剪力V 、軸力、軸力N共同作用時角焊縫的計算共同作用時角焊縫的計算(T)xf2e we w6NMh lh lA A點控制應力最大為控制設計點點控制應力最大為控制設計點A點產生的正應力由兩部分組成：軸心拉力點產生的正應力由兩部分組成：軸心拉力N和彎矩和彎矩M產生產生的正

46、應力。直接疊加得：的正應力。直接疊加得：MNfNN2wl2wlMVeVxlwx0.7hf0.7hf有效截面有效截面A點產生的剪應力：點產生的剪應力：yfweNl hM=Ve代入角焊縫實用計算公式（代入角焊縫實用計算公式（3-13）：）：wf2f2fMNf將將F向焊縫群形心簡化得向焊縫群形心簡化得扭矩扭矩 T=F(e+a)該連接的設計控制點為該連接的設計控制點為A A點和點和A A點點3.4.5受扭矩、剪力受扭矩、剪力、軸心力共同作用時角焊縫的計算軸心力共同作用時角焊縫的計算(搭接連接）搭接連接）Vea0 xyyAAN0 xyVAANTxyrrxryA0h he e AT T ATT,V,N作用

47、下作用下A點應力點應力:xyA0 AV0y0 ANA AT AT AN AVweVlhNAweNlhNApxxPTcosITrrrIrTTApyyPTsinITrrrIrTTA代入角焊縫實用公式（代入角焊縫實用公式（3-13）強度驗算公式：）強度驗算公式：wf22)()(fNATAfVATA（3.-23）角焊縫計算步驟角焊縫計算步驟l確定荷載；確定荷載；l進行截面應力狀態分析；進行截面應力狀態分析；l確定焊腳尺寸，計算截面幾何特征值；確定焊腳尺寸，計算截面幾何特征值；l強度驗算。強度驗算。確定最不利位置；確定最不利位置；例例3.6 試設計如圖試設計如圖a所示牛腿和柱連接的角焊縫。已知所示牛腿和

48、柱連接的角焊縫。已知F=420kN(靜靜力荷載力荷載），鋼材為），鋼材為Q235B，焊條為，焊條為E43，手工焊。，手工焊。【解解】 采用如圖采用如圖b所示沿牛腿周邊圍焊的角焊縫，且再轉角處連續施焊。為所示沿牛腿周邊圍焊的角焊縫，且再轉角處連續施焊。為避免焊縫相交的不利影響，將牛腿的上下角切去避免焊縫相交的不利影響，將牛腿的上下角切去r15 mm的弧形缺口，的弧形缺口，因此可取焊縫的有效截面如圖因此可取焊縫的有效截面如圖c所示。所示。 力力F在角焊縫形心處引起的剪力：在角焊縫形心處引起的剪力：V=420kN彎矩：彎矩：M=Fe=4200.3=126kN.m，由于牛腿翼緣豎向剛度低，故一般由于牛

49、腿翼緣豎向剛度低，故一般考慮剪力由腹板上兩條豎向焊縫承受，彎矩則由全部焊縫承受。考慮剪力由腹板上兩條豎向焊縫承受，彎矩則由全部焊縫承受。 fB fA fB(a)(b)(c)F1. 焊縫有效截面的幾何性質焊縫有效截面的幾何性質取取mm7 . 6205 . 15 . 1mm6 . 982 . 12 . 1mm8maxfminminmaxffththh兩條豎向焊縫的有效截面面積：兩條豎向焊縫的有效截面面積：2ecm4 .378 . 025 . 123887 . 02A全部焊縫有效截面對全部焊縫有效截面對x軸的慣性矩：軸的慣性矩：4222wcm1627072.18158 . 07 . 0228.201

50、58 . 07 . 024 .338 . 07 . 01212I3e791cm56.2016270W全部焊縫有效截面模量：全部焊縫有效截面模量：2. 焊縫強度驗算焊縫強度驗算B點，承受由彎矩和剪力共同作用點，承受由彎矩和剪力共同作用22fBN/mm2 .14756.2019N/mm3 .591滿足滿足223efBN/mm3 .112104 .3710420AV2wf222fB2ffN/mm1608 .1643 .11222. 12 .147fBA點承受由彎矩產生的垂直于焊縫長度方向的應力點承受由彎矩產生的垂直于焊縫長度方向的應力2wff236efAN/mm19516022. 1N/mm3 .5

51、911079110126fWM滿足滿足例例3-6 試設計如圖所示厚度為試設計如圖所示厚度為12mm支托板與柱翼緣搭接連接支托板與柱翼緣搭接連接的角焊縫。已知的角焊縫。已知V=200kN(靜力荷載靜力荷載），鋼材為），鋼材為Q235，焊條為，焊條為E43，手工焊。，手工焊。【解解】 采用圖示三面圍焊采用圖示三面圍焊mm7 . 6205 . 15 . 1mm1110211221mm8maxfminmaxffththh）（）（選VA29286.7xy400A0h he e AT T AT AF16400300423xcm1606820)8 . 030(8 . 07 . 02408 . 07 . 01

52、21I4232ycm515867. 82/ )8 . 030()8 . 030()8 . 030(8 . 07 . 0121267. 8408 . 07 . 0I4yxpcm21226515816068III1. 焊縫有效截面的幾何性質焊縫有效截面的幾何性質 焊縫有效截面的形心位置焊縫有效截面的形心位置cm67. 840)8 . 030(28 . 07 . 02/8 . 03098 . 07 . 022x86.7xy400A0h he e23weN/mm30.362)8300(40087 . 010200)(lhVAVWVA T f f FA2wf22222fN/mm160N/mm3 .147

53、73.9622. 13 .3629.99)(fTAVTAA2. 焊縫強度驗算焊縫強度驗算(A點點)244px244pyN/mm29.991021226)7 .868300(1010266N/mm73.9610212262001010266AITrITrTAT滿足滿足MKNT.10266)67. 83030(2003.5 3.5 焊接殘余應力和焊接變形焊接殘余應力和焊接變形3.5.1 焊接殘余應力和變形的原因焊接殘余應力和變形的原因1.1.焊接殘余應力的分類焊接殘余應力的分類 縱向縱向焊接應力：長度方向的應力焊接應力：長度方向的應力 橫向橫向焊接應力：垂直于焊縫長度方向且平行于構件表焊接應力：垂

54、直于焊縫長度方向且平行于構件表面的應力面的應力 ； 厚度方向厚度方向焊接應力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構焊接應力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構件表面的應力。件表面的應力。 +-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm施焊時焊縫附近達施焊時焊縫附近達16001600以上，而鄰近區域溫度驟降。以上，而鄰近區域溫度驟降。焊縫周圍焊縫周圍產生不均產生不均勻溫度場勻溫度場l 焊縫處鋼材受熱伸長，但受兩側低溫區域的限制產生熱塑性壓縮；焊縫處鋼材受熱伸長，但受兩

55、側低溫區域的限制產生熱塑性壓縮；l 焊縫冷卻時收縮又受到限制而產生拉應力；焊縫冷卻時收縮又受到限制而產生拉應力；l 拉應力大小可達鋼材屈服點拉應力大小可達鋼材屈服點 fy;l 遠離焊縫區域產生縱向壓應力，焊件內應力自相平衡。遠離焊縫區域產生縱向壓應力，焊件內應力自相平衡。（1 1）縱向焊接殘余應力）縱向焊接殘余應力2.2.焊接殘余應力的成因焊接殘余應力的成因-+（2 2）橫向焊接殘余應力）橫向焊接殘余應力l焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形的趨勢，在焊縫處焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形的趨勢，在焊縫處中中部受拉，兩端受壓部受拉，兩端受壓；l先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發生橫向塑性先焊

56、焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發生橫向塑性壓縮變形；焊縫冷卻，壓縮變形；焊縫冷卻，后焊焊縫收縮受限產生拉應力，先后焊焊縫收縮受限產生拉應力，先焊焊縫產生壓應力；焊焊縫產生壓應力；l應力分布與施焊方向有關應力分布與施焊方向有關；l橫向應力是上述兩種應力合成。橫向應力是上述兩種應力合成。(a)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時的變形趨勢時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時的橫向應力時的橫向應力xy-+-+(d)焊縫橫向焊縫橫向殘余應力殘余應力yx-+施施焊焊方方向向(e)xy-+-施施焊焊方方向向( f )yx不同施焊方向不同施焊方向下下, ,焊縫橫向焊縫橫向收縮時產生的收縮時產生的

57、橫向殘余應力橫向殘余應力+-+施施焊焊方方向向(c)焊縫橫向收縮焊縫橫向收縮 時的橫向應力時的橫向應力xy（3 3）沿厚度方向的焊接殘余應力）沿厚度方向的焊接殘余應力l在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產生塑性壓縮變形。先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產生塑性壓縮變形。-+-321x xy yz zl冷卻時外圍焊縫散熱快先冷固，內層焊縫收縮受限制產生冷卻時外圍焊縫散熱快先冷固，內層焊縫收縮受限制產生沿厚度方向的拉應力，外部則產生壓應力。沿厚度方向的拉應力，外部則產生壓應力。 因此除了橫向和縱向焊接殘余應力因此除了橫向和縱向焊接殘余應力 x x ， y y外，還存在沿厚度方外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應力向的焊接殘余應力 z z ，這三種應力形成同號三向拉應力，這三種應力