钢结构焊接、螺栓连接计算及实例.doc

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第一节钢结构的连接方法

钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成基本构件，如梁、柱、桁架等；再通过一定的安装连结装配成空间整体结构，如屋盖、厂房、钢闸门、钢桥等。

可见，连接的构造和计算是钢结构设计的重要组成部分。

好的连接应当符合安全可靠、节约钢材、构造简单和施工方便等原则。

钢结构的连接方法可分为焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种（详见附图十三）。

一、焊缝连接

焊接是现代钢结构最主要的连接方法。

其优点是不削弱构件截面（不必钻孔），构造简单，节约钢材，加工方便，在一定条件下还可以采用自动化操作，生产效率高。

此外，焊缝连接的刚度较大密封性能好。

焊缝连接的缺点是焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，热影响区由高温降到常温冷却速度快，会使钢材脆性加大，同时由于热影响区的不均匀收缩，易使焊件产生焊接残余应力及残余变形，甚至可能造成裂纹，导致脆性破坏。

焊接结构低温冷脆问题也比较突出。

二、铆钉连接

铆接的优点是塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查和保证，可用于承受动载的重型结构。

但是，由于铆接工艺复杂、用钢量多，因此，费钢又费工。

现已很少采用。

三、螺栓连接

螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。

普通螺栓通常用Q235钢制成，而高强度螺栓则用高强度钢材制成并经热处理。

高强度螺栓因其连接紧密，耐疲劳，承受动载可靠，成本也不太高，目前在一些重要的永久性结构的安装连接中，已成为代替铆接的优良连接方法。

螺栓连接的优点是安装方便，特别适用于工地安装连接，也便于拆卸，适用于需要装拆结构和临时性连接。

其缺点是需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角钢等连接件，因而比焊接连接多费钢材。

第二节焊接方法、焊缝类型和质量级别

一、钢结构中常用的焊接方法

焊接方法很多，钢结构中主要采用电弧焊，薄钢板（）的连接有时也可以采用电阻焊或气焊。

1．电弧焊

电弧焊是利用焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热，将金属加热并熔化的焊接方法。

其原理是采用低电压（一般为50～70V）、大电流（几十到几百安）引燃电弧，使焊件与焊条或焊丝之间产生很大热量和强烈的弧光，利用电弧热来熔化焊件的边缘金属和焊条（丝）进行焊接。

根据操作的自动化程度和焊接时用以保护熔化金属的物质种类，电弧焊可分为手工电弧焊，自动和半自动埋弧焊及CO2气体保护焊等。

（1）手工电弧焊是钢结构制造中最常用的焊接方法，设备简单，操作灵活，适用性和可达性强，对各种施焊位置和分散或曲折短焊缝均适用。

缺点是生产效率比自动、半自动焊低，质量稍低并且变异性大，施焊时电弧光较强（详见附图十四）。

手工焊所采用的焊条，其表面都敷有一层1～1.5mm厚度的药皮。

药皮的作用：

稳定电弧；施焊时产生气体保护熔融金属与大气隔离，以防止空气中氧氮侵入而使焊缝变脆；造成熔渣（清理焊缝时铲除）覆盖于熔成焊缝表面，使与大气隔离，并使焊缝冷却缓慢以便混入熔融金属中的气体和有害杂质溢出表面；另外，药皮中的合金成份还可以改善焊缝性能。

焊条选用应和焊件钢材的强度和性能相适应。

在手工焊时，对Q235钢用E43型焊条（E4300～E4316）Q345钢（16Mn钢）用E50型焊条（E5000～E5018），Q390（15MnV）钢和Q420钢均用E55型焊条（E5500～E5518）。

其中E表示焊条；前两位数字表示焊缝熔敷金属或对接焊缝的抗拉强度分别为420N/mm2，490N/mm2，540N/mm2，（折合43kgf/mm2，50kgf/mm2，55kgf/mm2）；第3位数字表示适用的焊接位置，0和1表示适用于人与全位置施焊（平、横、立、仰），2表示适用于平焊及水平角焊，4表示适用于向下立焊；第3位和第4位数字组合表示药皮类型和适用的电流种类（交、直流电源）。

第3位和第4位数字为15、16、18的焊条为低氢型焊条，其所得焊缝具有较好的塑性、韧性和抗裂性，故直接承受动力荷载的重要结构以及处于低温条件下工作的结构，一般指定采用上述型号。

而非低氢型焊条，可用于其他结构。

当不同强度的钢材连接时，可采用低强度钢材相适应的焊接材料。

（2）焊剂层下自动或半自动埋弧焊焊剂层下自动或半自动埋弧焊是焊接过程机械化的一种主要方法。

它所采用的是盘状连续的光焊丝在散粒状焊剂下燃弧焊接，散粒状焊剂的作用与手工焊焊条的药皮相同。

自动焊的引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动都是自动的。

而半自动焊的焊接前进方式仍是依靠手持焊枪移动（详见附图十五）。

埋弧焊的优点是与大气隔离保护效果好，且无金属飞溅，弧光不外露；可采用较大电流使熔深加大，相应可减小对接焊件间隙和坡口角度；节省焊丝和电能，劳动条件好，生产效率高；焊缝质量稳定可靠，塑性和韧性比较好。

其缺点是焊前装配要求严格，施焊位置受限制，较适用于长直的水平俯焊缝或倾角不大的斜面焊缝，不如手工焊灵活。

埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配，焊丝一般采用专用的焊接用钢丝。

对Q235钢，可采用H08A、H08MnA、H08E等焊丝，相应的焊剂分别为HJ431、HJ430和SJ401。

对低合金高强度结构钢尚应根据坡口情况相应选用。

对Q345钢，不开坡口的对接焊缝，可用H08A焊丝，中厚板开坡口对接可用H08MnA、H10Mn2和H10MnSi焊丝，焊剂可用HJ350。

对Q390钢和Q420钢，不开坡口的对接焊缝用H08A、H08MnA焊丝，中厚板开坡口对接时用H10Mn2、H10MnSi；焊剂用HJ430或HJ431；而厚板深坡口对接时常用H08MnMoA焊丝，焊剂为HJ350或HJ250。

2.电阻焊

电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。

冷弯薄壁型钢的焊接，常用电阻点焊，板叠总厚度一般不超过12mm，焊点应主要承受剪力，其抗拉（撕裂）能力较差。

二、焊缝连接形式及焊缝类型

焊缝连接形式按被连接构件间的相对位置分为对接、搭接、T形连接和角接四种（详见附图十六）。

所采用的焊缝按其构造来分，主要有对接焊缝和角焊缝两种类型。

T形连接和角连接根据板厚、焊接方法、焊缝受力情况，可采用角焊缝或开坡口的对接焊缝。

焊缝按其工作性质来分有强度焊缝和密强焊缝两种。

强度焊缝只作为传递内力之用，密强焊缝除传递内力外，还须保证不使气体或液体渗漏。

焊缝按施焊位置分，有俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊四种（详见附图十七）。

俯焊的施焊工作方便，质量好，效率高；立焊和横焊是在立面上施焊的竖向和水平焊缝，生产效率和焊接质量比俯焊的差一些；仰焊是仰望向上施焊，操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此应尽量避免采用仰焊焊缝。

三、焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别

1.焊缝缺陷

焊缝缺陷是指焊接过程中，产生于焊缝金属或邻近热影响区钢材表面或内部的缺陷。

常见的缺陷有：

①焊缝尺寸偏差；②咬边，如焊缝与母材交界处形成凹坑；③弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；④未熔合，指焊条熔融金属与母材之间局部未熔合；⑤母材被烧穿；⑥气孔；⑦非金属夹渣；⑧裂纹。

以上这些缺陷，一般都会引起应力集中削弱焊缝有效截面，降低承载能力，尤其裂纹对焊缝受力的危害最大。

它会产生严重的应力集中，并易于扩展引起断裂，按规定是不允许发生裂纹的。

因此，若发现焊缝有裂纹，应彻底铲除后补焊。

2.焊缝质量检验和焊缝级别

根据结构类型和重要性，《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）将焊缝质量检验级别为三级。

Ⅲ级检验项目规定只对全部焊缝做外观检查，即检验焊缝实际尺寸是否符合要求和有无看得见的裂纹、咬边和气孔等缺陷；Ⅰ级焊缝超声波和射线探伤的比例均为100%，Ⅱ级焊缝超声波和射线探伤的比例均为20%，且均不小于200mm。

当焊缝长度小于200mm时，应对整条焊缝探伤。

探伤应符合《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结构分级法》GB11345或《钢熔化焊对接接头射线照像和质量分级》GB3323的规定。

钢结构中一般采用Ⅲ级焊缝，可满足通常的强度要求，但其对接焊缝的抗拉强度有较大的变异性，《钢结构设计规范》（GB50017-）送审稿规定，其设计值仅为主体钢材的85%左右。

因而对有较大拉应力的对接焊缝，以及直接承受动力荷载构件的较重要的焊缝，可部分采用Ⅱ级焊缝，对动力和疲劳性能有较高要求处可采用Ⅰ级焊缝。

四、焊缝符号及标注方法

在钢结构施工图上缝应采用焊缝符号表示，焊缝符号及标注方法应按《建筑结构制图标准》（GB/T50105-2001）和《焊缝符号表示法》（GB324-88）执行。

焊缝符号由指引线和两条相互平行的基本符号组成，必要时还可加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。

（1）指引线一般由单箭头的指引和两条相互平行的基准线所组成。

一条基准线为实线，另一条为虚线，均为细线，（详见附图十八）。

虚线的基准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相平行，但在特殊条件下也与底边相垂直。

为引线的方便，允许箭头弯折一次。

（2）基本符号用以表示焊缝的形状。

下表中摘录了一些常用的焊缝基本符号。

基本符号与基准线的相对位置应按下列规则表示：

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基本符号

名称

对接焊缝

角焊缝

塞焊缝与槽焊缝

点焊

缝

I形焊缝

V形焊缝

单边V形焊缝

带钝边的V形焊缝

带钝边的U形焊缝

符号

名称

示意图

符号

示例

辅助符号

平面符号

凹面符号

补充符号

三面围焊缝符号

周边焊缝符号

工地现场焊缝符号

焊缝符号中的基本符号、辅助符号和补充符号摘录

①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；

②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；

③当为双面对称焊缝时，基准线可只画实线一条；

④当为单面的对接焊缝如V形焊缝、U形焊缝，则箭头线应指向有坡口一侧。

（3）辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号，如对接焊缝表面余高的部分需加

工，使其与焊件表面齐平，则可在对接焊缝符号上加一短画，此短画即为辅助符号。

（4）当焊缝分面比较复杂时，在标准焊缝代号的同时，可在图形边的焊缝处加粗线、栅线等强调焊缝的重要性（详见附图十九）。

第三节焊接残余应力和焊接残余变形

焊接构件在未受荷载时，由于施焊时在焊件上产生局部高温所形成的不均匀温度

场而引起的内应力和变形，称为焊接应力和焊接变形。

它会直接影响到焊接结构的制造质量、正常使用，并且是形成各种焊接裂纹的因素之一，应在设计、制造和焊接过程中加以控制和重视。

一、焊接残余应力的种类和产生的原因

焊接应力有暂时应力与残余应力之分。

暂时应力只在焊接过程中一定的温度条件

下存在，当焊件冷却至常温时，暂时应力即行消失。

焊接残余应力是指焊件冷却后残留在焊件内的应力。

从结构的使用要求来看，焊接残余应力有着重要意义。

残余应力按其方向可分为纵向、横向和沿厚度方向的应力三种。

1.纵向焊接残余应力

焊接过程一个不均匀加热和冷却的过程。

在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，

焊缝及附近温度最高，可达1600℃以上，其邻近区域则温度急剧下降。

不均匀的温度场将产生不均匀的膨胀。

焊缝及附近高温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低，膨胀较小的钢材的限制，产生了热状态塑性压缩。

焊缝冷压时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩得比原始长度稍短，这种缩短变形受到焊缝两侧钢材的限制，使焊缝区产生纵向拉应力。

在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力以常达到钢材的屈服强度。

焊接残余应力是荷载未作用时的