1、11 鋼結構本章主要介紹鋼結構連接的方法及其受力特點，以及普通鋼屋蓋和輕鋼屋蓋的組成、特點、節點構造。要求理解鋼結構連接的主要構造要求，以及普通鋼屋架和輕鋼屋架的節點構造；了解檁條的種類和支撐的布置。 本章提要本 章 內 容11.1 鋼結構的連接11.2 鋼屋蓋11.1 鋼結構的連接焊接連接是通過電弧產生的熱量使焊條、焊件局部熔化，經冷卻連為一體。焊接的方法有手工電弧焊、自動或半自動電弧焊、氣體保護焊。11.1.1 焊接連接(1)手工電弧焊及焊條手工電弧焊是由電焊機、電線、焊鉗、焊條、焊件組成。打火引弧后，手持焊鉗的焊條與焊件很快接觸形成短路，強大的電流激發電弧，電弧溫度很高（6000左右），

2、使焊條與焊件熔化，滴落在電弧吹成的焊件熔池中，冷卻后熔為一體，如圖11.1所示。 11.1.1.1 焊接的基本知識手工電弧焊設備簡單，操作靈活方便，適應性強，在工程中廣泛應用，但是焊接質量波動性大，要求具有一定的焊接水平，而且勞動強度大，勞動條件差。焊接質量還與焊條的質量牌號有關。焊條是由外層藥皮和內部焊芯組成。藥皮的作用是提高電弧燃燒的穩定性，形成保護性氣體和熔渣，脫氧以及向焊縫金屬摻加必要的化學元素，提高焊接質量，改善機械性能。與其匹配的焊條見表11.1 （詳見P224） 。（2）焊接的特點焊接的優點是不必打孔，省工省時；任何形狀構件可直接連接，構造簡單，施工方便；密閉性好，結構剛度大，整

3、體性好。其缺點是焊縫附近熱影響區材質變脆；焊接殘余應力使結構變脆，焊接殘余變形使結構形狀發生變化；焊接裂縫一旦形成，很容易擴展。 圖11.1 手工電弧焊原理按焊縫本身截面形式不同，焊縫分為對接焊縫和角焊縫。(1)對接焊縫按焊縫金屬充滿母材的程度分為焊透的對接焊縫和未焊透的對接焊縫。未焊透的對接焊縫受力很小，而且有嚴重的應力集中。焊透的對接焊縫簡稱對接焊縫。為了便于施工，保證施工質量，保證對接焊縫充滿母材縫隙，根據鋼板厚度采取不同的坡口形式，如表11.2所示。11.1.1.2 焊縫的構造當間隙過大（36mm）時，可在V形縫及單邊V形縫、I形縫下面設一塊墊板（引弧板），防止熔化的金屬流淌，并使根部

4、焊透。為保證焊接質量，防止焊縫兩端凹槽，減少應力集中對動荷載的影響，焊縫成型后，若不影響其使用，兩端可留在焊件上，否則焊接完成后應切去。見圖11.2。焊縫內部的缺陷（未焊透、裂痕、凹凸等）使得構件在外力作用下，經過該處的傳力很不平順，在局部應力突然增大，甚至形成高峰，這種現象叫鋼材的應力集中，其結果導致材料脆性增加，塑性降低，對動力荷載特別敏感，除采用引弧板外，還可以采取如表11.3中所示的措施。(2)角焊縫角焊縫的類型 角焊縫連接板件板邊不必精加工，板件無縫隙，焊縫金屬直接填充在兩焊件形成的直角或斜角的區域內。按角焊縫本身的截面形式分為直角焊縫（圖11.3(a)、(b)）、斜角焊縫（圖11.

5、3(c)、(d)），常用直角焊縫；按角焊縫長度與外力作用方向分為側焊縫、端焊縫、斜焊縫。由兩種及兩種以上的角焊縫組成的焊縫叫混合焊縫，例如圍焊縫、L形焊縫如圖11.4所示。角焊縫的構造要求直角焊縫中直角邊的尺寸稱為焊腳尺寸（圖11.5），其中較小邊的尺寸用hf表示。為保證焊縫質量，宜選擇合適的焊角尺寸。如果焊腳尺寸過小，則焊不牢，特別是焊件過厚，易產生裂紋；如果焊腳尺寸過大，特別是焊件過薄時，易燒傷穿透，另外當貼邊焊時，易產生咬邊現象。為此，規范給出了最大焊腳尺寸hfmax和最小焊腳尺寸hfmin、焊縫計算長度及其他構造要求，見表11.4。(3)對接焊縫與角焊縫比較對接焊縫與角焊縫的比較見表1

6、1.5。(4)焊接殘余變形及焊接殘余應力焊接是一個局部加熱，然后再冷卻的過程。在焊接過程中形成一個很不均勻的溫度場，熱變形很不均勻，加之冷卻后散熱速度不均勻，收縮也不一致，這樣鋼材各纖維變形不能恢復原狀，這種變形叫焊接殘余變形。在產生殘余變形的同時，鋼材各纖維之間形成相互制約的作用力，叫焊接殘余應力。見圖11.6。焊接殘余變形、殘余應力的危害及其消除或減小措施見表11.6。 圖11.2 引弧板表11.2 對接焊縫坡口形式 坡口形式 I形縫V形縫及單邊V形縫X形縫及K形縫 簡圖及構造 適用厚度 鋼板厚度t20mm，兩面施焊或兩邊施焊 名稱 寬度變化時 厚度變化時tt 厚度變化時tt 簡圖 說明

7、（1）圖中表明坡度（12.5）是靜力荷載作用下的坡度。對于厚度變化具體做法：tt時，直接使焊縫表面做成斜坡；tt時，厚鋼板表面要切角與焊縫表面做成斜坡，t規定為：tmin=59mm時，t=2mm；tmin=1012mm，t=3mm；tmin12mm時，t=4mm；（2）對于直接承受動力荷載且需要疲勞驗算的結構，其坡度14 表11.3 厚度及寬度變化時減少應力集中措施 圖11.3 角焊縫截面形式 圖11.4 混合焊縫 圖11.5 角焊縫計算高度表11.4 角焊縫構造要求 表11.5 對接焊縫與角焊縫的比較 名稱特點強度指標對接焊縫 板邊要精加工（包括坡口、矯正縫距），施工不便，但用料經濟，傳力平

8、順，無顯著應力集中，承受動荷載有利 （fwt、fwc、fwv）質量控制等級分為一級、二級、三級，對于一級、二級強度指標同母材，三級fwt=0.85f，其余同母材 角焊縫 板邊不必精加工（不需要坡口、矯正縫距），施工方便，但有顯著應力集中，傳力不平順，采用搭接接頭時，需要有一定的搭接長度，用料不經濟 與質量等級無關，抗拉、抗壓、抗剪強度指標相同用fwf表示圖11.6 焊接變形 表11.6 焊接殘余變形、殘余應力的危害及減小措施 按制作螺栓的材料強度大小及傳力機理不同，螺栓連接分為普通螺栓連接和高強螺栓連接，其比較如表11.7。 (1)普通螺栓連接構造普通螺栓連接按加工的精確程度分為精制螺栓連接和

9、粗制螺栓連接，其比較見表11.8（詳見P228）。螺栓的排列有并列式和錯列式，如圖11.7所示。 11.1.2 螺栓連接螺栓的排列應符合下列要求：受力要求 構造要求 施工要求 (2)高強螺栓連接高強螺栓連接按抗剪傳力途徑分為摩擦型高強螺栓連接和承壓型高強螺栓連接，見表11.10。 表11.7 普通螺栓連接和高強螺栓連接比較 圖11.7 螺栓的排列 名稱傳力途徑破壞形式特點摩擦型高強螺栓連接 通過板件接觸面間的摩擦力傳遞拉力，不考慮螺栓本身受剪及螺栓側面承壓 （1）鋼板凈截面被拉壞；（2）鋼板毛截面被拉壞 承載力小，可靠度高，整體性和連接剛度好，變形小，受力可靠，耐疲勞，對于直接承受動力荷載作用

10、性能好，但成本高 承壓型高強螺栓連接 摩擦力被克服后，以栓桿受剪或孔壁受壓傳遞拉力 同普通螺栓連接 承載力大，可靠度降低，整體性和連接剛度較差，變形大，動力性能差，適用于直接承受靜力荷載或間接動力荷載作用，成本較低 表11.10 高強螺栓連接按抗剪傳力途徑分類及比較 11.2 鋼屋蓋鋼屋蓋通常由屋面板或輕型屋面材料、檁條、屋架、托架、天窗架和屋面支撐材料等組成，屋架的跨度和間距取決于柱網布置，而柱網布置則取決于建筑物的工藝要求和經濟要求；當屋架跨度較大時，為了采光和通風的需要，屋蓋上常設天窗；當由于某種需要柱距較大超出屋面板長度時，應設置中間屋架和柱間托架，中間屋架荷載通過托架傳給柱子；屋架和

11、屋架之間應設置支撐，以增加屋架的側向剛度，傳遞水平荷載和保證屋蓋的整體穩定。11.2.1 鋼屋蓋的組成和布置根據屋面材料和屋面布置情況不同，屋蓋可分為無檁體系和有檁體系。無檁體系屋面板長度通常為6m，屋架的間距也是6m，這種屋面板上常采用卷材防水屋面，屋面坡度i=18112。有檁體系屋架間距與屋面布置靈活，自重輕，用料省，運輸方便，但整體性差，構件種類多，構造較復雜。 屋蓋中屋架是組成房屋橫向平面承重結構（屋架、柱、基礎）的主要承重構件，屋面大部分荷載通過它傳給柱和基礎；而屋架在平面外（縱向）的剛度、穩定性相當差，所以還需要設置屋蓋支撐以形成一個空間的幾何不變體系，保證具有傳遞縱向水平荷載的能

12、力，同時也保證施工中的安全。其種類及布置要求見表11.11（詳見P231），其形式見圖11.8。 11.2.2 屋蓋支撐體系圖11.8 屋蓋支撐 (1)實腹式檁條（圖11.9）構造簡單、制作安裝方便，常用于跨度l=36m，截面高度h=（1/351/50）l，跨度再大就不經濟了。截面形式有普通工字鋼、角鋼、槽鋼、冷彎薄壁型鋼（如Z形鋼、C形鋼）。冷彎薄壁型鋼用鋼量省，但防銹要求高。在豎向荷載作用下，檁條產生雙向彎曲，所以應按雙向受彎的鋼梁設計。 11.2.3 鋼檁條靠近檁條的上翼緣設置側向支承點即拉條，拉條應布置在縱向垂直于檁條，拉條一般用圓鋼直徑為1016mm，用螺母與腹板固定。當檁條跨度為4

13、6m時，至少在跨中布置一道拉條；當跨度l6m時，應設置兩道拉條。 (2)桁架式檁條 用料經濟，但制作麻煩，當跨度l6m時才采用。桁架式檁條分為平面式桁架和空間式桁架。 圖11.9 實腹式檁條截面普通鋼屋架是用一般型號的型鋼（L454或L56364）和鋼板組成的屋架，桿件截面主要采用熱軋角鋼組成T形或十字形截面，在桿件的交匯處用直角焊縫與節點板連接。它構造簡單、制作安裝方便，與屋蓋支撐形成空間幾何不變體系，屋蓋的剛度好，工作可靠，適應性強，在單層大跨度結構中廣泛應用，但耗鋼量大，適用于跨度l=1836m。11.2.4 普通鋼屋架屋架的外形主要有三角形、梯形、矩形（平行弦）、人字形等。三角形屋架（

14、圖11.10）多用于屋面坡度較大（i=1/61/3）的有檁體系，屋面材料可用波形石棉瓦、玻璃鋼瓦、壓型鋼板。 梯形屋架（圖11.11）多用于屋面坡度較緩（i=1/81/20）的無檁體系，屋面材料主要是大型屋面板，屋架高度h=（1/151/10）l。 11.2.4.1 鋼屋架的形式及特點平行弦屋架（圖11.12）可用于各種坡度屋面，由于其節間劃分統一，中間節點構造統一，制作方便，應用較多，例如各種支撐體系就是平行弦桁架的一種應用。 圖11.10 三角形鋼屋架 (a)芬克式屋架；(b)斜桿式屋架；(c)人字形屋架 圖11.11 梯形鋼屋架 (a)人字形；(b)人字形；(c)芬克式 圖11.12 平

15、行弦鋼屋架 （1）鋼屋架的截面形式普通鋼屋架桿件一般采用兩個角鋼組成的T形或十字形截面。選擇每一桿件截面組合形式應盡可能滿足兩個方向等穩定要求外，還必須保證構造簡單，制作、安裝和維護方便等要求。常見的截面形式見表11.12。 為確保由兩個角鋼組成的T形截面或十字形截面的桿件能形成整體桿件共同工作，必須每隔一定距離在兩個角鋼間設置填板，并用焊縫連接。 11.2.4.2 屋架構造要求(2)屋架節點構造布置桁架各桿件的位置時，原則上應使各桿件形心軸線與桁架幾何軸線重合，若不能重合時，允許幾何軸線到角鋼肢背的焊縫距離為5mm的倍數。雙角鋼截面在節點處用節點板通過角焊縫連接(見圖11.13)。下弦桿與節

16、點板連接由于弦桿不截斷，所以N很小，其角焊縫不計算，與節點板搭接長度內滿焊即可，見圖11.14。上弦桿與節點板連接上弦桿與節點板的連接見圖11.15。鉸接支座節點（圖11.16）屋架的拼接節點（圖11.17）屋架弦桿的拼接有工廠拼接和工地拼接。 表11.12 屋架桿件截面形式 圖11.13 斜腹桿與弦桿的連接 (a)正確；(b)不正確圖11.14 下弦桿與節點板的連接 圖11.15 上弦桿與節點板的連接圖11.16 鉸接支座節點構造 圖11.17 屋架的拼接節點 (a)下弦拼接節點；(b)上弦拼接節點 用圓鋼直徑不宜小于12mm（屋架桿件）或直徑不宜小于16mm（支撐桿件）和小角鋼（小于L45

17、4或小于L56364）組成的鋼屋架以及用26mm薄鋼板或帶鋼冷彎成型的薄壁型鋼，統稱為輕鋼屋架。為了把兩類輕鋼屋架加以區別，前者稱為輕型鋼屋架，后者稱為薄壁型鋼屋架。11.2.5 輕鋼屋架的構造輕型鋼屋架自重小、用鋼省，便于制作運輸、安裝方便，但剛度差，承載力低，銹蝕影響大。主要用于輕型屋蓋中，例如中小型廠房、食堂、小禮堂等，跨度18m，吊車起重量不大于5t又不很繁忙的橋式吊車中廠房。輕型鋼屋架常見的形式（圖11.18）有三角形芬克式屋架、三鉸拱屋架和梭形屋架。 11.2.5.1 輕型鋼屋架輕鋼腹桿宜直接與弦桿焊接，盡可能不用節點板，若采用時，節點板厚一般為68mm，支座節點板厚1214mm；

18、屋架桿件重心線應盡可能在節點處交于一點，但圓鋼與弦桿連接時，很難避免偏心，此時節點中心至腹板與弦桿的交點距離為1020mm，見圖11.19。 （1）三角形芬克式屋架一般為平面桁架，上弦截面常采用雙角鋼（為安放檁條），下弦和腹桿常采用單角鋼或圓鋼，對于圓鋼不宜采用內力較大的受壓腹桿。這種屋架構造簡單，制作方便，短桿受壓，長桿受拉，結構合理。這種屋架跨度918m，屋架間距46m，有橋式吊車時，屋架桿件不宜采用圓鋼，其節點構造見圖11.20。（2）三鉸拱屋架（圖11.21(a)）它是由兩根斜梁和一根拉桿組成，三鉸拱屋架的斜梁截面有平面桁架式（圖11.21(b)）和空間式桁架（圖11.21(c)）兩種

19、。平面桁架式側向剛度差，一般宜采用空間式桁架（倒三角形）。空間式桁架斜梁上弦截面宜用雙角鋼，并在節間內用綴條將兩根綴條相連；斜梁下弦宜采用單角鋼，當下弦受拉時，也可以采用圓鋼；斜梁腹桿通常用連續彎折的圓鋼；拉桿一般采用單圓鋼。空間式桁架節點構造見圖11.22。 （3）梭形屋架一般采用空間式桁架（三角形），它的上弦常采用單角鋼（不小于L906）并且開口朝上（V形），下弦和腹桿常用圓鋼，有時也用角鋼。與前兩種屋架主要不同點是高度小，坡度小。常用于有卷材防水無檁屋蓋中，跨度15m，間距隨屋面板長度而定，變動范圍大（26m）。其節點構造見圖11.23，與三角形芬克式屋架及三鉸拱屋架節點構造類同。為了保證支承屋面板的可靠性，宜順上弦角鋼槽內焊以繞筋（蛇形鋼筋），再在屋面板縱縫之間布置連系筋，縱橫縫之間灌以細石混凝土，這樣上弦角鋼與混凝土共同工作，剛度增加，見圖11.24。 圖11.18 輕鋼屋架形式圖11.19 圓鋼腹桿與圓鋼或角鋼弦桿的連接 圖11.20 芬克式屋架圖11.21