本章目录 基本要求 1.了解钢结构连接的种类及特点。 6.1 钢结构的连接方法 6.2 焊接方法和焊缝连接形式

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1 本章目录 基本要求 1.了解钢结构连接的种类及特点。 6.1 钢结构的连接方法 6.2 焊接方法和焊缝连接形式
2.了解焊接的工作性能，掌握焊接连接的构造要求和计算方法。 3.掌握焊接残余应力和残余变形产生的原因及对结构工作性能的影响。 4.掌握螺栓连接的构造要求和计算方法。 6.1 钢结构的连接方法 6.2 焊接方法和焊缝连接形式 6.3 对接焊缝的构造与计算 6.4 角焊缝的构造与计算 6.5 螺栓连接 6.6 普通螺栓连接 6.7 高强度螺栓连接

2 第6.1节 钢结构的连接方法 本节目录 1. 概述 2. 焊缝连接 3. 螺栓连接 4. 铆钉连接 基本要求 了解钢结构的连接方法及特点

3 6.1.1 概述 连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构件,或将若干构件组合成整体结构,以保证其共同工作。
概述 连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构件,或将若干构件组合成整体结构,以保证其共同工作。 钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种。 焊接连接 螺栓连接 铆钉连接 图6.1.1

4 6.1.2 焊缝连接 对接焊缝连接 焊缝连接 角焊缝连接 优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连； 用料经济，不削弱截面；
焊缝连接 对接焊缝连接 角焊缝连接 焊缝连接 优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连； 用料经济，不削弱截面； 制作加工方便，可实现自动化操作； 连接的密闭性好，结构刚度大。

5 6.1.3 螺栓连接 缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材局部材质变脆； 焊接残余应力和残余变形降低受压构件承载力；
对裂纹敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到 整体，低温冷脆问题较为突出。 6.1.3 螺栓连接 普通螺栓连接 高强度螺栓连接 螺栓连接 粗制螺栓 C级 精制螺栓 A、B级 摩擦型高强度螺栓 承压型高强度螺栓

6 6.1.4 铆钉连接 铆钉连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合,常用加热铆合，也可在常温下铆合。
铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受动力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受动力荷载的结构。 但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很少采用。 图6.1.2

7 图 铆钉连接

8 本节目录 基本要求 第6.2节 焊接连接 1.钢结构常用焊接方法 2. 焊缝连接形式 3. 焊缝代号 4. 焊接残余应力和焊接残余变形
5. 焊接残余应力对结构工作的影响 6 减少焊接残余变形和残余应力的措施 基本要求 了解焊缝连接类型、焊接方法及质量要求等

9 6.2.1 钢结构常用焊接方法 1、手工电弧焊 （1）原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。 焊钳 焊条 焊机 保护气体 焊件 导线
熔池 焊条 焊钳 保护气体 焊件 电弧 图3.2.1 手工电弧焊

10 （2）优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，持别适于焊接短焊缝。
（3）缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量取决于焊工的精神状态与技术水平，质量波动大。 （4）焊条的表示方法：E后面加4个数字 E—表示焊条(Electrode) 前两位数字为熔融金属的最小抗拉强度（N/mm2) 后两位数字表示适用焊接位置、电流种类及药皮类型等。

11 （5）焊条的选择 焊条应与焊件钢材相适应；不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。如： Q235钢——E43型焊条（E4300--E4328) Q345钢——E50型焊条(E ) Q390、Q420钢——E55型焊条(E ) 2、埋弧焊（自动或半自动） （1）原理：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。

12 图3.2.2 埋弧自动电弧焊 焊丝转盘 送丝器 悍剂漏斗 悍剂 悍件 熔渣 悍缝金属 （2）优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低；电弧热量集中，熔深大，热影响区小；工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。

13 （3）缺点：装配精度要求高，设备投资大，施工位置受限等。
（4）焊丝的选择：埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn等。 3、气体保护焊 气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触。其优点：电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。

14 6.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式 1、焊缝连接形式 按被连接钢材的相互位置，可分为： （1）对接连接 有拼接盖板的对接连接

15 （2）搭接连接 （3）T形连接 （4）角接

16 2.焊缝的方位 船形位置焊 （平焊） 立焊 仰焊 横焊 平焊 图6.2.2

17 3.焊缝缺陷 焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。 常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。

18 图 焊缝缺陷 裂纹 焊瘤 烧穿 气孔 夹渣 咬边 未熔合 未焊透

19 4、焊缝质量等级及选用 （1）焊缝质量等级 《钢结构工程施工质量验收规范》GB 规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准； 一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波探伤检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。

20 6.2.3 焊缝代号 形 式 标 注 方 法 相同焊缝 安装焊缝 双面焊缝 单面焊缝 三角围焊 塞焊缝 对接焊缝 角焊缝 [ hf a hf
O a c v < p [ hf

21 6.2.4 焊接残余应力和焊接残余变形 1、纵向焊接残余应力 施焊时焊缝及附近的温度场 纵向焊接残余应力 图6.5.1 8cm 300oC
8cm 图6.5.1

22 由以下两部分收缩力所引起 2、横向焊接残余应力
①焊缝的纵向收缩：使焊件有反向弯曲变形的趋势，而实际又不能分开，于是导致两焊件在焊缝处中间产生横向拉应力，两端则产生压应力； ②施焊先后约束影响：焊接时先焊焊缝已凝固，会阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生横向拉应力。

23 焊缝的纵向收缩 施焊先后约束影响 横向焊接残余应力 图6.2.5 3、沿厚度方向的焊接残余应力 σx σy σz 图6.2.6

24 ① 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。
②焊缝冷却成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。 如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。

25 因此：焊接残余应力对结构的静力强度无影响。
6.2.5 焊接残余应力对结构工作的影响 1、残余应力不影响结构的静力强度 B fy 面积=A t N=0 Ac 2 N b a c d f e N=Ny σ=N/Bt 无残余应力 有残余 应力 △σ △e ε 图6.2.8 因焊接残余应力自相平衡，故： 当板件全截面达到fy，即N=Ny时： 因此：焊接残余应力对结构的静力强度无影响。

26 当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：
2、残余应力降低结构的刚度 以上图轴心受拉杆件为例： 当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该部分刚度为零（已屈服），这时在N作用下应变增量为： 当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为： △ε1> △ε2 显然： 因此：存在焊接残余应力将使结构变形增大，即降低了结构的刚度。

27 ①横纵向收缩变形、弯曲变形、扭曲变形和角变形 ②影响结构的安装、使用和承载力
3、对压杆稳定承载力的影响 对于轴心受压构件，焊接残余应力使其弯曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。 4、对疲劳强度的影响 由于焊缝中存在双向或三向应力场，使塑性变形的发展受到阻碍，钢材变脆，裂缝易于产生、发展，使钢材疲劳强度降低。当结构在低温下工作时，将增加结构低温冷脆倾向。 （2）焊接残余变形的影响 ①横纵向收缩变形、弯曲变形、扭曲变形和角变形 ②影响结构的安装、使用和承载力

28 6.2.6 减小焊接残余变形和残余应力的方法 2、焊接变形对结构性能的影响 ①焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正；
②影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载 力，引起事故。 6.2.6 减小焊接残余变形和残余应力的方法 1. 设计方面的措施 （1）合理设计焊缝 （对称布置焊缝可减小焊接变形） 推荐 不推荐 推荐 不推荐

29 （3）尽量避免焊缝的过分密集和双向、三向交叉
（2）选择合理的焊角尺寸和焊缝长度 （3）尽量避免焊缝的过分密集和双向、三向交叉 推荐 不推荐 推荐 不推荐 切角 （4）焊接位置应便于焊接操作，避免在仰焊位置施焊

30 2、合理的焊接工艺 （1）采用合理的施焊顺序 图3.5.6 分段退焊 I II III 沿厚度分层焊 分块拼接 对角跳焊
I II III 沿厚度分层焊 III II I 分块拼接 1 2 3 4 5 对角跳焊 1 2 3 4 图3.5.6

31 （2）采用焊前预热和焊后退火的方法消除焊接应力
（3）采用反变形处理 焊前反变形 图3.5.7

32 第6.3 对接焊缝的构造与计算 本节目录 1. 对接焊缝的构造 2. 对接焊缝的计算 基本要求 掌握对接焊缝构造和计算方法

33 6.3.1 对接焊缝的构造 1、对接焊缝的坡口形式 对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。
对接焊缝的构造 1、对接焊缝的坡口形式 对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。 (1) 焊件厚度t≤6mm；可采用直边缝。 C=0.5～2mm 直边缝

34 (2)当焊件厚度t>6mm时，宜采用单边V形或双边V形坡口。
C=2～3mm 单边V形坡口 α C=2～3mm 双边V形坡口 α p (3) 当t>16mm时，宜采用K形、X形坡口。 C=3～4mm p K形坡口 C=3～4mm p X形坡口

35 （1）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。
2、对接焊缝的构造处理 （1）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。

36 （2）当焊接不同宽度和厚度的焊件时，应在焊件一侧或者两侧加工成1:2
（2）当焊接不同宽度和厚度的焊件时，应在焊件一侧或者两侧加工成1:2.5的斜坡，以使焊件平缓过度，减小应力集中。对于直接受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度应不大于1:4。 改变宽度 ≤1:2.5 改变厚度 ≤1:2.5 对接焊缝的计算 对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种，后面不做特殊说明，均指焊透的对接焊缝。

37 对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。
t a N 图3.4.1 1、轴心受力的对接焊缝 N——轴心拉力或压力 lw——焊缝计算长度，无引弧板和引出板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。 t——连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度 。 ftw、fcw——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。

38 说明： （1）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算。 受拉三级对接焊缝 以5N/mm2倍数取整 其余： （2）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况： ①没有引弧板时需要计算； ②受拉情况下的三级焊缝。 （3）当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接，如 下：

39 t a N θ 图3.4.2 l’w——斜焊缝计算长度。设引弧板时，l’w＝b/sinθ；不设引弧板时，l’w＝b/sinθ－2t。 fvw——对接焊缝抗剪设计强度。 经计算，当tgθ≤1.5时，对接斜焊缝强度不低于母材，可不用检算。

40 2、承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件： lw t M V σ τ 图6.4.3

41 （2）工字形、T形截面梁对接连接计算 对于工字形截面梁的对接接头，除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力：
M ——焊缝承受的设计弯矩； Ww——焊缝计算截面模量。 V ——焊缝承受的设计剪力； Iw ——焊缝计算截面惯性矩； Sw ——计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对 中和轴的面积矩。 （2）工字形、T形截面梁对接连接计算 对于工字形截面梁的对接接头，除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力：

42 1、1——为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1——考虑到最大折算应力只在局部出现，故将强度设计值适当提高。
式中： 1、1——为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1——考虑到最大折算应力只在局部出现，故将强度设计值适当提高。 计算截面 翼缘与腹板交接处 σ1 σmax τ1 τmax M V 图3.4.4

43 3、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝
τ1 τmax σ1 σmax 柱 牛腿 N V 1 焊缝计算截面 由M=Ve e 由N 由V h0 h t 图6.4.5 轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：

44 本节目录 基本要求 第6.4节 角焊缝的构造与计算 1. 角焊缝的形式和强度 2. 角焊缝的构造要求 3. 直角角焊缝强度计算的基本公式
4. 直角角焊缝计算 基本要求 1. 掌握角焊缝形式、受力特点及构造要求 2. 掌握直角角焊缝的计算方法

45 6.4.1 角焊缝的形式和强度 1、角焊缝的截面形状 角焊缝按截面形式（根据两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。应用情况如下：
图6.4.1

46 图中：hf称为焊脚尺寸；he称为焊缝的有效厚度
（1）直角角焊缝 he hf 直角角焊缝 图中：hf称为焊脚尺寸；he称为焊缝的有效厚度 直角角焊缝截面形式是两焊脚相等、夹角为90°的焊缝。

47 对于α>135°或α<60°斜角角焊缝，除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。
（2）斜角角焊缝 hf α 锐角 hf α 钝角凹面 hf α 钝角凸面 对于α>135°或α<60°斜角角焊缝，除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。

48 （1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 （2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。
2、角焊缝的应力状态 按角焊缝与外力的关系可分为： （1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 （2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。 N 侧面角焊缝 正面角焊缝 统称为围焊缝 图6.4.2

49 （1）侧面角焊缝（侧焊缝） 图6.4.3 侧焊缝的应力 和破坏截面 N 剪切破坏面 τf 试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，但塑性性能较好。应力沿焊缝长度分布不均匀，呈两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。但在接近塑性工作阶段时，应力趋于均布。

50 （2）正面角焊缝（端焊缝） 正面角焊缝受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。正面角焊缝应力沿焊缝长度方向的分布比较均匀，但塑性较差。

51 取整mm数，小数点以后只进不舍。 t 3、角焊缝的尺寸限制 （1）最小焊脚尺寸
为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂， hf,min 还应满足以下要求: hf t t1 t1＜t 取整mm数，小数点以后只进不舍。 式中: t——较厚焊件厚度 另外：对埋弧自动焊hf,min可减小1mm; 对T形连接单面角焊缝hf,min应增加1mm; 当t≤4mm时, hf,min=t

52 当 t>6mm时，hf,max≤t-(1～2)mm
（2）最大焊脚尺寸 为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，除钢管结构除外，hf,max应满足以下要求: hf t t1 t1＜t hf,max≤1.2t1 式中: t1—较薄焊件厚度。 对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求： 当 t>6mm时，hf,max≤t-(1～2)mm 当 t≤6mm时，hf,max≤t

53 （3）设计焊角尺寸hf 应满足 （4）侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起灭弧坑相距太近，使焊缝不可靠。焊缝越短应力集中也越严重，故根据经验，规定：

54 （5）侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均两端大而中间小。焊缝越长，应力集中越显著。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；但是当焊缝长度超过某一限值后，可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发展，最终导致焊缝破坏。 故侧面焊缝计算长度： 当实际长度大于以上限值时，计算时超出部分不予考虑；但当内力沿侧焊缝全长分布时，lw不受此限制.

55 4 、角焊缝的其他构造要求 当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时，试验结果表明，连接的承载力与b / lw有关。这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致，为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，要求： b≤16t（t >12mm）或200mm（t≤12mm） 式中：b为两侧焊缝的距离； lw为侧焊缝计算长度； t为较薄焊件的厚度。

56 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。
t1 t2 （t1＜t2） 图6.4.3

57 5、角焊缝基本计算公式  —垂直于焊缝有效截面正应力 ∥—焊接计算截面内垂直于焊缝长度方向的剪应力

58 试验结果表明，直角焊缝的强度条件可按下式计算：
ffw——角焊缝强度设计值 联立前面两个方程得：

59 上式即为规范给定的直角角焊缝强度计算通用公式。
f ——正面角焊缝的强度设计值增大系数。 静载时 f ＝1.22， 对直接承受动载的结构， f ＝1.0 。 

60 对正面角焊缝， f＝0，力N与焊缝长度方向垂直，则
对侧面角焊缝 ，f＝0，力V与焊缝长度方向平行，则 式中：he=0.7hf； lw—角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。

61 角焊缝连接的计算 1、轴心力作用下的连接计算 拼接板连接的计算，可采用侧焊缝，也可以采用围焊缝。 2、角钢连接的计算

62 如图使用侧面焊缝连接 x lw1 lw2 N N1 N2 c b 图3.3.17 由力及力矩平衡得： 解上式，得 肢背焊缝

63 肢尖焊缝 k1—角钢肢背焊缝的内力分配系数； k2—角钢肢尖焊缝的内力分配系数。 式中：

64 角钢与节点板连接焊缝的内力分配系数 0.35 0.65 不等边角钢 （长边相连） 0.25 0.75 （短边相连） 0.3 0.7 等边角钢
肢尖 k2 肢背 k1 内力分配系数 截面及连接情况

65 3、受弯矩M作用的连接计算 在只有力矩作用的情况下，焊缝强度可按下式计算：

66 （1）偏心斜拉力作用 4、受弯矩M 、轴力N 、剪力V联合作用的连接计算 he lw 有效截面 图3.3.20
A M=Nxe Nx N Ny e 由Nx 由Ny 由M 图3.3.20 在偏心斜拉力作用下，角焊缝可看作同时承受轴心力Nx、剪力Ny和弯矩M=Nxe的共同作用。

67 因A点应力为最大，所以是设计控制点。对A点：
由轴心拉力Nx产生的应力： 由弯矩M产生的最大应力： A点由轴心拉力Nx和弯矩M产生的应力方向相同，直接叠加得：

68 A点由剪力Ny产生的应力： 则角焊缝强度计算公式为：

69 5、扭矩作用下的连接计算 有效截面上任意点的应力: 式中 T ——扭矩设计值 r ——计算点到形心得距离
I0 ——焊缝有效截面绕形心的极惯性矩

70 将其沿x轴和y轴分解: Ip——为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip =Ix+Iy Ix，Iy——焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩； rx，ry——为焊缝形心到焊缝验算点A的距离在x、y方向的投影长度。

71 焊缝应力最大点一般在距离扭心较远处，焊缝应力应满足以下公式:

72 （3）承受扭矩、剪力与轴力联合作用的连接计算
θ σVy O r τT x τTx τTy A’ y A r1 ry 0.7hf lt x0 l2 e1 e2 V T 图3.3.22 搭接——扭矩 顶接——弯矩 注意区分偏心受力时：

73 经过分析，可知：A点和A’点为该连接的设计控制点
将F向焊缝群形心简化得: 剪力：V=F 扭矩：T=F(e1+e2) 计算时按弹性理论假定: ①被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。 ②扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。 ③在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。 经过分析，可知：A点和A’点为该连接的设计控制点 T作用下A点应力:

74 将其沿x轴和y轴分解: Ip——为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip =Ix+Iy Ix，Iy——焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩； rx，ry——为焊缝形心到焊缝验算点A的距离在x、y方向的投影长度。 剪力V作用下，A点应力:

75 由轴心拉力Nx产生的应力： A点垂直于焊缝长度方向的应力为: f=Ty+Vy ， 平行于焊缝长度方向的应力为: f =Tx 则A点强度验算公式： 即：

76 第6.5节 螺栓连接 本节目录 1. 螺栓的种类 2. 螺栓的排列 3. 螺栓连接的构造要求 基本要求 了解螺栓的排列形式和要求

77 6.5.1 螺栓的种类 1、普通螺栓 普通螺栓 类型 精制螺栓 粗制螺栓 性能等级 A级和B级 C级 5.6级和8.8级 4.6级和4.8级
加工方式 车床上经过切削而成 单个零件上一次冲成 加工精度 Ⅰ类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为0.25～0.5mm Ⅱ类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为1.5～3mm 抗剪性能 好 较差 用途 构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用 沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定

78 由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理
性能等级的含义： 5表示fu≥500N/mm2, 0.6表示fy/fu=0.6 如5.6级 2、高强度螺栓连接 由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理 45号－8.8级； 40B和20MnTiB－10.9级 大六角头螺栓 扭剪型螺栓 1-螺栓；2-垫圈；3-螺母；4-螺丝;5-槽口 图3.6.1

79 高强度螺栓分类： 根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。
高强度螺栓分类： 根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。 传力途径： 摩擦型——依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。 承压型——依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。 孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大 mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大 mm。

80 6.5.2 螺栓的排列 排列的方式通常分为并列和错列两种形式。 1、排列形式分类
螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。 排列的方式通常分为并列和错列两种形式。 并列 端距 中距 边距 中距 边距 错列 边距 边距 中距≥3d0 图3.6.2

81 并列——简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。
错列——可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。 2、螺栓排列的要求 （1）受力要求 在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。

82 因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距
平行于受力方向： 端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于2d0； 受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。 因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距 （2）构造要求 边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的最大容许间距

83 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。
（3）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。 端距 中距 边距 线距 3d0 2d0 1.5d0 (1.2d0) 并列 错列 图3.6.3

84 螺栓或铆钉的最大、最小容许距离 1.2d0 其他螺栓或铆钉 高强度螺栓 轧制边自动精密气割或锯割边 1.5d0 剪切边或手工气割边
垂直内力方向 2d0 4d0或8t 顺内力方向 中心 至构 件边 缘距 离 沿对角线方向 16d0或24t 拉力 12d0或18t 压力 中 间 排 3d0 8d0或12t 外排（垂直内力方向或顺内力方向） 间距 最小容许 距离 最大容许距离 （取两者中的小值） 位置和方向 名称 注：(1)d0 为螺栓孔或铆钉孔直径，t为外层较薄板件的厚度； (2)钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢等)相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。

85 6.5.3 螺栓的直径和孔径 6.5.4 螺栓图例 （1）普通螺栓 C级螺栓表面粗糙，一般采用在单个零件上一次冲孔或采用钻模设计孔径的孔。
（2）高强度螺栓 高强度螺栓摩擦型连接的孔径比螺栓公称直径大1.5到2.0mm，高强度螺栓承压型连接的孔径比螺栓公称直径大1到1.5mm。 6.5.4 螺栓图例 见书上98页

86 本节目录 基本要求 第6.6节 普通螺栓连接 1. 普通螺栓的抗剪连接 2. 普通螺栓的抗拉连接 3. 普通螺栓受剪力和拉力的联合作用
1. 掌握普通螺栓连接的工作特点及破坏形式 2. 掌握普通螺栓连接的计算方法

87 6.6.1 普通螺栓的抗剪连接 1、抗剪连接工作性能和破坏形式 图6.6.1 （1）工作性能
N N/2 b a 1 2 3 4 δ 普通螺栓 高强度螺栓 图6.6.1 （1）工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移δ和作用力N的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。

88 ①摩擦传力的弹性阶段(0-1段) 直线段—连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。 ②滑移阶段(1-2段) 水平段—摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。 ③栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段) 曲线上升段——该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-δ关系以曲线状态上升。

89 ④弹塑性阶段(3-4段) 荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载。 （2）抗剪连接的破坏形式 ①栓杆被剪坏 破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时 N

90 由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。 N
②孔壁被挤压破坏 破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时 由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。 N ③板件被拉断 破坏条件：截面削弱过多时 N ④板件端部被剪坏 破坏条件：端矩a过小时 构造保证措施：端矩不应 小于2d0 a N

91 ⑤栓杆弯曲破坏 破坏条件：螺栓杆过长时 构造保证措施：栓杆长度不应大于5d N/2 N 前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第③种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑①和②两种形式破坏。 2、单个普通螺栓抗剪连接的承载力计算 由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压（即螺栓承压）两种情况。 （1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：

92 式中： nv ——受剪面数目，单剪=1；双剪=2。 d ——螺栓杆公称直径； fvb ——螺栓的抗剪强度设计值。
t2 t1 t3 N t2 t1

93 ∑t—连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。 式中：
（2）螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗，板件相对较薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布，则单栓承压设计承载力： d fcb —螺栓承压强度设计值； ∑t—连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。 式中： 对双剪：取t1与t2+t3中较小者 对单剪：取t1与t2中较小者

94 一个抗剪普通螺栓的承载力设计值： 2、单个普通螺栓的抗拉承载力
螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，抗拉螺栓的破坏形式表现为栓杆被拉断。假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，因此，一个普通螺栓的抗拉承载力设计值为： 式中： Ae ——螺栓在螺纹处的有效截面积； de ——螺栓有效直径； ftb——螺栓的抗拉强度设计值， ftb ＝0.8f 。

95 当传递拉力杆件刚度不大时，如图T形连接在受拉后将发生较大的变形，并起杠杆作用，在外侧端部产生撬力Q，因此，螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。试验证明影响撬力的因素较多，由于确定Q值比较复杂，在计算中不计Q力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即取 ftb=0.8f（f—螺栓钢材的抗拉强度设计值);并采取构造措施加强连接的刚度，如设加劲肋。 考虑撬力： Nt＝N+Q Nt Q b 2N 图6.6.6 加劲肋 设加劲肋加强翼缘 2N 图6.6.7

96 6.6.2 普通螺栓连接计算 1、抗剪螺栓连接 （1）轴心力作用下的抗剪计算 图6.6.2
l1 N N/2 平均值 图6.6.2 试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大,中间小。

97 当l1≤15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N 由各螺栓平均分担。
即连接所需螺栓数为： 当l1>15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数η与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：

98 当 时， 当 时， 由于螺栓孔削弱了板件的截面，为了防止板件在净截面上被拉断，还需要验算净截面的强度：

99 （2）偏心作用下的抗剪计算 图3.7.4 F作用下每个螺栓平均受力，则 F作用 扭矩T作用 e F = + x1 1 r1 y1 y2
O r1 x1 y1 y2 N1Tx N1Ty N1T Nt 2 1 F作用 扭矩T作用 图3.7.4 F作用下每个螺栓平均受力，则

100 “1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。
栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下： ① 连接件绝对刚性, 螺栓弹性； ② 连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线垂直。 “1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。 计算公式推导如下： 设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 、r2 、r3 …，rn，各螺栓承受的分力分别为N1T、 N2T、N3T …， NnT，根据平衡条件得：

101 （a） 由假设②得到， （k为常数） （b） 将上式代回(a)，得用k表达的T式： （c）

102 螺栓“1”离形心最远是危险螺栓,联合（c）和（b）得最大剪力N1T
xi—第i个螺栓中心的x坐标 yi—第i个螺栓中心的y坐标

103 受力最大螺栓“1”所受的合力为: 如果y1≥3x1，则可假定xi=0 ， 由此得N1Ty=0， 则计算式为：

104 当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：
2、抗拉螺栓连接 （1）轴心力作用下的抗拉计算 当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为： N 图6.6.8 式中： Ntb为单个普通螺栓的抗拉承载力设计值 （2）弯矩作用下的抗拉计算 在弯矩M作用下，被连接件有顺弯 矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓 受拉。

105 ②螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。
按弹性设计，其假定为： ①连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； ②螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。 图6.6.9 普通螺栓弯矩受拉 V M 刨平顶紧 承托（板） y1 y2 y3 N2 N3 O c N1 中和轴 受压区 b×c b

106 显然， 受拉力最大螺栓为距中和轴最远的‘1’号螺栓。
由力矩平衡可得： 螺栓最大内力为： 式中 m ——螺栓排列的纵列数

107 3、同时承受剪力和拉力的螺栓连接 （1）轴心力作用下的抗拉计算 弯矩作用下，螺栓受力为： N V e
（1）假定支托仅在安装时起临时支撑作用，剪力V不通过支托传递。此时螺栓承受弯矩M=Ve和剪力V作用。 弯矩作用下，螺栓受力为： N V e 图3.7.11

108 在剪力作用下，螺栓受力为： 剪力和拉力共同作用下，应满足相关公式： NVb——单个螺栓抗剪承载力设计值； Ncb——单个螺栓承压承载力设计值 Ntb——单个螺栓抗拉承载力设计值； Nv 、Nt——单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。

109 （2）假定剪力V由支托承受，弯矩M由螺栓承受，螺栓承受的拉力按下式计算：
式中 α ——考虑焊缝 对宽度的影响，其值取1.25~1.35

110 本节目录 基本要求 第6.7节 高强度螺栓连接 1. 高强度螺栓连接的工作性能 2. 高强度螺栓群的抗剪计算 3. 高强度螺栓群的抗拉计算
1. 掌握高强度螺栓的类型和工作特点 2. 掌握高强度螺栓的计算方法

111 6.7.1 高强度螺栓连接工作原理 1 高强度螺栓的类型 高强度螺栓的性能等级可以划分为两类：10.9级和8.8级。
按受力特征上高强度螺栓分为两类： 摩擦型高强度螺栓—通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为摩擦力被克服； 承压型高强度螺栓—受力特征与普通螺栓类似。在外力的作用下螺栓承受剪力和拉力。

112 高强度螺栓摩擦型连接 1、高强度螺栓摩擦型抗剪连接 单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值: 式中： 　　0.9—抗力分项系数 R的倒数( R=1.111); nf—传力摩擦面数目，单剪时=1，双剪时=2； —摩擦面抗滑移系数; P—预拉力设计值。

113 2、高强度螺栓摩擦型受拉力作用 摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉设计承载力为： 高强度螺栓承压型连接 1、承受剪力作用 高强度螺栓承压型连接以螺栓或者钢板破坏为承载能力极限，可能的破坏形式与普通螺栓相同，计算方法也与普通螺栓相同 2、承受拉力作用 高强度螺栓承压型连接与高强度螺栓摩擦型连的受拉工作原理基本相似，但对于承压型螺栓，单个高强度螺栓抗拉设计承载力仍按照普通螺栓那样

114 6.7.2 高强度螺栓的预应力 高强度螺栓的预应力 （1）扭矩法 根据事先测定的扭矩和螺栓拉力之间的关系式施加扭矩，扭矩T用下式表达： 式中 K ——扭矩系数，由试验测定 d ——螺栓直径 P ——螺栓设计预应力

115 （2）转角法 初拧——用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密； 终拧——初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧至设计角度，达到所需要的预应力数值。 （3）扭剪法 高强度螺栓的设计预应力值由材料强度和螺栓有效截面确定，并且考虑以下因素:

116 ①扭矩使螺栓产生的剪应力将降低螺栓的承拉能力，故对材料抗拉强度除以系数1.2；
②施工时为补偿预应力松弛，要对螺栓超张拉，故乘以系数0.9； ③材料的抗力变异系数等，乘以系数0.9. 式中 fu---高强度螺栓抗拉强度 Ae—高强度螺栓的有效截面面积

117 按公式计算出的P值以5kN的倍数取整就形成规范规定的设计预拉力。
螺栓的性能等级 螺 栓 公 称 直 径（mm） M16 M20 M22 M24 M27 M30 8.8级 80 125 150 175 230 280 10.9级 100 155 190 225 290 355 、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数大小与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而降低。不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数μ见下表。

118 摩擦面抗滑移系数值 6.7.3、摩擦型螺栓计算 6.7.3.1螺栓群抗剪计算 （1）轴心力计算 ①螺栓数 连接处接触面处理方法
构 件 的 钢 号 Q235 Q345 Q420 喷 砂（丸） 0.45 0.50 喷砂（丸）后涂无机富锌漆 0.35 0.40 喷砂（丸）后生赤绣 钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面 0.30 6.7.3、摩擦型螺栓计算 螺栓群抗剪计算 （1）轴心力计算 ①螺栓数

119 ②构件净截面验算 净截面传力计算公式为： 式中 n1---计算截面上的螺栓数 n—连接一侧的螺栓总数 （2）扭矩、剪力、轴力共同作用 其计算方法和普通螺栓群相同，但采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。

120 螺栓群抗拉计算 （1）轴心力计算 ①螺栓数 式中 ——轴心力作用时，一个高强度螺栓的承载力设计值 （2）弯矩作用受拉计算 最外螺栓受力最大，最大内力及计算公式为：

121 式中 ——栓群形心轴至螺栓的最大距离 ——形心轴上、下各个螺栓至形心轴的距离的平方和 剪力和拉力共同作用 每个螺栓的承载力按照下式计算：

122 6.7.4、承压型螺栓计算 螺栓群抗剪计算 （1）轴心力计算 ①螺栓数

123 ②构件净截面验算 净截面强度验算和普通螺栓连接的相同 （2）扭矩、剪力、轴力共同作用 其计算方法和普通螺栓群相同，但采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。

124 螺栓群抗拉计算 （1）轴心力计算 ①螺栓数 式中 ——轴心力作用时，一个高强度承压型螺栓的承载力设计值 （2）弯矩作用受拉计算 与摩擦型高强度螺栓计算方法相同

125 6.7.3.4 剪力和拉力共同作用 每个螺栓的承载力按照下式计算： 且
Nvb 、Ncb 、Ntb—一个承压型高强螺栓的抗剪、承压、 抗拉承载力设计值； 1.2—折减系数。