1、钢结构连接方法:
钢结构的连接方式有三种:焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。
1.焊接连接
焊接连接是利用电弧产生的热量,使焊条和焊件部分熔化,经冷却后凝固成焊缝,从而将焊件连接成一体的。
优点:不削弱构件截面、节省钢材、结构简单、易于制造、连接刚度大、密封性能好,在一定条件下易于采用自动化操作,生产效率高。
缺点:焊接高温在焊缝附近形成的热影响区可能使材料在某些部位产生脆性;焊接过程中,钢材受到不均匀分布的高温和冷却,使结构中产生焊接残余应力和残余变形,会对焊接结构的承载能力、刚度和使用性能造成一定的影响;由于焊接结构刚度较大,一旦出现局部裂纹,容易蔓延至整个结构,特别是在低温下,容易引起脆性断裂;焊缝连接塑性和韧性较差,焊接过程中可能出现缺陷,降低疲劳强度。
(二)螺栓连接
螺栓连接是通过螺栓等紧固件将连接件连接成一体。螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。
优点:施工工艺简单,安装方便,特别适合施工现场的安装与连接,拆卸方便,适用于需要安装和拆卸的结构和临时连接。
缺点:装配时需在板材上钻孔、找正,增加了制造工作量,且要求制造精度高;螺栓孔还会削弱构件截面,且被连接件往往需互相搭接或增加辅助连接板(或角钢),因此结构较复杂,耗钢量较多。
(三)铆钉连接
铆钉连接是将一端带有半圆形预制钉头的铆杆加热后迅速插入连接件的钉孔内,再用铆钉枪将另一端铆入钉头,使连接紧固。
优点:铆接力传递可靠,塑性和韧性良好,易于检查和保证质量,可用于重型结构及直接承受动载荷的结构。
缺点:铆接工艺复杂,制造成本高,劳动强度大,因此已基本被焊接、高强度螺栓连接等取代。
2.焊接连接
1.焊接方法
钢结构常用的焊接方法是电弧焊,包括手工电弧焊、自动或半自动电弧焊、气体保护焊等。
手工电弧焊是钢结构最常用的焊接方法,其设备简单,操作灵活方便,但劳动条件差,生产效率比自动或半自动焊低,焊缝质量变异性大,在一定程度上取决于焊工的技术水平。
自动焊焊缝质量稳定,内部缺陷少,塑性和冲击韧性好,适用于焊接较长的直接焊缝。半自动焊为手工操作,适用于焊接曲线形或任意形状的焊缝。自动、半自动焊应采用与主体金属相适应的焊丝和焊剂。焊丝应符合国家标准的规定,焊剂应根据焊接工艺要求确定。
气保焊采用惰性气体(或CO2)作为电弧保护介质,使熔化金属与空气隔绝,保持焊接过程稳定。气保焊电弧加热集中,焊接速度快,熔深大,故焊缝强度比手工焊高。具有良好的塑性和抗腐蚀性能,适用于焊接厚钢板。
(二)焊缝形式
焊接连接形式按被连接构件的相对位置可分为对接、搭接、T型接头和角接四种。这些连接所采用的焊缝基本类型有两种:对接焊缝和角焊缝。在具体应用中,应根据连接的受力情况,结合制造、安装和焊接条件进行选择。
焊缝按其工作性质分为强度焊缝和紧密焊缝两种,强度焊缝只起传递内力的作用,而紧密焊缝除传递内力外,还必须保证无气体、液体的泄漏。
焊缝按焊接位置分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种。平焊方便、质量好、效率高;立焊、横焊是在垂直面上进行。立焊和横焊的生产效率和焊接质量均低于仰焊。仰焊是将焊接面朝上进行焊接,操作条件最恶劣,焊缝质量难以保证,应尽量避免。
根据焊缝截面和结构不同,可分为对接焊缝和角焊缝两种基本形式。
(三)焊接结构
1. 对接焊缝
对接焊缝传力直接、平稳,无明显的应力集中,因而受力性能好,适用于承受静、动载荷的连接构件,但由于对接焊缝的质量要求较高,对焊件的焊接间隙要求比较严格,一般用于工厂化连接。
对接焊缝又称坡口焊缝,是因为焊接时应在板材边缘加工成适当形式和尺寸的坡口(如下图所示),以便焊接时焊条有足够的活动空间,并保证对接焊缝内部有足够的熔深。基本坡口形式可分为工字形、单面V形、V形、X形、U形和K形,坡口形式随板厚和焊接方法不同而不同。采用手工焊,当板厚t≤10mm时,可采用不设坡口的工字形焊缝,只需保留0.5~2mm的间隙,当t≤5mm时,可进行单面焊,当板厚t=10~20mm时,可采用V形焊缝或半V形坡口;对较厚的板材t≥20mm,则采用X形、U形或K形。对于V形、U形焊缝的根部,也需要清除焊根,并进行补焊。
若无条件清根补焊,应预先加垫板,采用自动焊时,由于所用电流较大,熔深较大,因此仅当t≥16mm时才采用V型坡口。
在焊件宽度或厚度有变化的连接处,为减轻应力集中,应如图所示从板的一侧或两侧做不大于1:2.5的坡度,形成平缓过渡。当厚度为4mm时,可不做坡度。
2. 角焊缝
(1)角焊缝形式
角焊缝按其长度和外力作用方向可分为:与力方向平行的侧面角焊缝、与力方向垂直的正面角焊缝、与力方向斜交的斜角焊缝;以及周边焊缝。
角焊缝的截面形式有普通型、平坡型和深熔型。图中hf称为角焊缝的焊脚尺寸,普通截面焊脚长比为1:1,类似等腰直角三角形,力传递线弯曲剧烈,因此应力集中严重,对于直接承受动荷载的结构,为使力传递平稳钢结构加工焊接工艺与图解,正面角焊缝宜采用平坡型(长边角焊缝宜采用深熔型,长边比为1:1)。
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(四)焊缝符号集及标注方法
《焊缝符号表示方法》规定,焊缝符号一般由基本符号和基准线组成,必要时可以增加补充符号和焊缝尺寸。
基本符号:表示焊缝的截面形状,例如“ ”表示角焊缝,“V”表示带有V型坡口的对接焊缝;
补充符号:对焊缝某些特征的补充说明。“ ”表示现场安装的焊缝,“ ”表示焊件三面焊缝。
辅助线:一般由一条水平线和一条带箭头的斜线组成,箭头指向图中相应的焊缝,水平线的上下区域用于标注基本符号、焊缝尺寸等。
当焊缝分布比较复杂或无法用上述标记方法清楚表达时,可以在标记焊缝符号的同时在图形上添加网格线。
(五)焊缝质量检查及焊缝质量等级
当焊缝中存在气孔、夹渣、咬边等缺陷时,不仅会削弱焊缝的受力面积,还会在缺陷处造成应力集中,容易形成裂纹。在拉伸连接中,裂纹更容易扩展和延伸。结果,当焊缝强度低于母材时,焊缝就会损坏。同样,缺陷也会降低连接的疲劳强度。因此,应根据焊缝的应力性质和位置对焊缝的质量进行分级。
《钢结构工程施工质量验收规范》根据结构的类型和重要性,将焊缝质量检验级别分为三级。三级检验项目规定只对所有焊缝进行外观检查,即检查焊缝的实际尺寸是否符合要求。对I级、II级焊缝,除对所有焊缝进行相应等级的外观缺陷检查外,还应采用超声波探伤检查内部缺陷,当超声波探伤不能对缺陷作出判断时,还应进行射线检测。I级焊缝超声波与射线检测比例为100%,II级焊缝超声波与射线检测比例为20%,且均不小于200mm,当焊缝长度小于200mm时,应检查整条焊缝。焊缝探伤。
在钢结构中钢结构加工焊接工艺与图解,一般采用Ⅲ级焊缝即可满足强度要求。但对接焊缝的抗拉强度变化较大,《钢结构设计规范》规定其设计值仅为主钢材的85%左右。因此,对拉应力较大的对接焊缝及直接承受动荷载的构件的较重要的焊缝,可部分采用Ⅱ级焊缝,对抗动力性能和疲劳性能有较高要求的地方,可采用Ⅰ级焊缝。施工图中必须标注焊缝质量等级,但Ⅲ级焊缝不需要标注。
3.螺栓连接
(一)普通螺栓连接结构
1、常用螺栓形式及规格
钢结构中常用的形式为大六角头型,用字母M加公称直径(mm)表示,工程中常用M18、M20、M22、M24等,国际标准对螺栓统一用螺栓性能等级来表示,如“4.6级”、“8.8级”等。小数点前的数字表示螺栓材料的最小抗拉强度,如“4”表示400N/mm2,“8”表示800N/mm2。小数点后的数字(0.6、0.8)表示螺栓材料的屈服强度比,即屈服点与最小抗拉强度之比。
根据螺栓加工精度,普通螺栓分为A、B、C三个等级。
A、B级螺栓(精制螺栓)采用8.8级钢材,经机床加工而成,表面光洁,尺寸准确,配用I级孔(即在装配构件上钻孔或扩孔而成的螺栓孔,孔壁光滑,孔位准确)。由于其加工精度高,与孔壁接触紧密,连接变形小,受力性能好,可用于承受较大剪力和拉力的连接。但其制造安装费用较多,劳动强度大,成本高,因此在钢结构中很少采用。
C级螺栓(毛螺栓)采用4.6级或4.8级钢材,加工粗糙,尺寸不准确,只需打Ⅱ级孔(即螺栓孔在单个零件上一次冲压或不用夹具钻孔,一般孔径比螺栓杆径大1~2mm)。传递剪力时,连接变形较大,但传递拉力的性能好。操作时不需要专用设备,成本较低。常用于承受拉力并承受静载荷或间接承受动载荷的螺栓连接。为结构中的次剪力连接。
2. 常见螺栓连接的布置
螺栓的排列应简单、均匀、紧凑,满足受力要求,构造合理,安装方便。螺栓的排列有平行和交错两种形式(如图所示)。平行较简单,交错较紧凑。
(1)部队要求
螺栓孔的最小端距(沿力方向)d0为2d0,以防止板端被剪断;螺栓孔的最小边距(垂直于力方向)为1.5d0(切边)或1.2d0(卷边)。中间螺孔的最小间距(螺栓间距和线间距)为3d0,否则螺孔周围的应力集中会相互产生较大的影响,并使钢板截面受到过大的削弱,从而降低其承载能力。
(2)施工要求
螺栓间距不宜过大,特别是压型板,螺栓间距过大容易引起凸弯。当板材与刚性构件(如槽钢、角钢等)连接时,螺栓间距过大不易紧密接触,水分容易从缝隙中渗入而造成生锈。规范规定螺栓孔间最大距离在受压时为12 d0或18 tmin(tmin为较薄外板厚度),受拉时为16 d0或24 tmin,从构件中心到边缘的最大距离为4d0或8tmin。
(3)施工要求
螺栓之间应留有足够的距离,以便扳手能够转动,螺母能够拧紧。
根据以上螺栓的最大允许距离和最小允许距离,螺栓应按最小允许距离布置,且应为5mm的倍数,并等距布置,以减小连接尺寸,最大允许距离一般只用于结构连接中。