钢结构连接和节点构造，通俗讲解关节如何选

第七章 钢结构的连接和节点构造

（讲课版·零基础易懂）

先把本章的地位一句话钉死：

前述第三章至第六章，我们所讲述的全是钢结构当中的“骨头”，也就是一根根杆件，还有柱子以及梁的强度，再者是稳定情况，另外还有变形状况。

至第七章，我们所讲授的乃是钢结构的“关节”，探讨的是针对那些零散的构件，究竟该如何将它们连接在一起，进而促使它们转变成为一个能够承受力、可以开展工作的整体。

钢结构出现事故，绝大多数情况是出在节点以及连接方面，因而，这一章节是整本教材之中最为实用的，是工程领域里最为核心的，施工以及设计都无法脱离的一章，其重要性无论怎样去强调都不会过分。

7.1 钢结构对连接的要求及连接方法

这一部分之于本章而言处于起始位置，着重阐明：连接所具备的功能是什么，连接需要达成怎样的条件，连接究竟涵盖哪几种不同的形式。

首先，钢结构之间的连接，可不是随随便便进行焊接、拧接就可以的，它必然要符合四个基本方面的要求：

其一，具备安全可靠性，连接所拥有的强度，绝不能够比构件自身的强度弱一些，在构件没有衰败损坏的情况下，连接是不可以率先出现损坏状况的！

其二，传力条理分明，这一构件之力朝着那一构件传递过去，其路径务必清晰，绝不可随意传递。

首先，施工便利，于工厂而言易于加工，在现场也可以顺利安装，要是能够拧螺栓那就千万别随意折腾，要是焊接起来顺手动弹那就别去弄复杂的构造。

第四，经济省料，少费钢材、少费人工，不花冤枉钱。

工程里最常用、教材重点讲的连接方法就两大类：

首要的那一类属于焊接连接，借助高温达成钢材的熔化并使之熔合为一体，此为当下钢结构里最为主要流行的连接方式。

第二种类型是螺栓连接，它依靠螺栓来将构件进行夹紧，进而实现固定，其又被划分成普通螺栓以及高强度螺栓这两种。

这两种连接，各有各的用处，各有各的优缺点，后面全都会细讲。

简言之，连接属于钢结构的关节部位，其需达成安全的状态，具备易于操作的特性，还要实现节省费用的目标，达成此项的主要方式依靠焊接以及螺栓连接。

7.2 焊接连接的特性

这一节专门讲焊接的基本特点，先认识焊接。

焊接的原理并不复杂，是借助高温火焰或者电弧，将钢材连接处加热至熔化状态，促使两块钢材熔为一个整体，待冷却后便牢固地粘连在一起了。

先讲焊接的优点，这也是它用得最多的原因：

其一，具备整体性佳、刚度极为强大的特性，在完成焊接之后，呈现出仿若一整块钢材的形态，不存在任何缝隙，力的传递极为顺畅。

其二，具备这样的特性，密封性能十分优良，不会出现漏气现象，也不会出现漏水情况，对于水箱、管道、桥梁、船舶这类结构而言是适宜的。

首先，它具备省材料的特性，其次，它省工，再者，它无需额外添加连接板，另外，它也不用螺栓，而是直接进行焊接，最后，它自重轻，造价还低。

第四，构造简单，想焊哪里焊哪里，形状再复杂也能焊。

再讲焊接的缺点，这也是我们后面要解决的问题：

首先呢，存在这样一种情况，就是有残余应力现象，当焊接过程中经历高温之后再冷却下来，钢材的内部就会困住一股内应力，这股内应力会致使稳定性能以及疲劳性能降低。

第二，有残余变形，焊完构件可能弯、扭、翘，不直，需要矫正；

第三，对于焊工的手艺，有着较高要求，要是焊接得不好，就会出现气孔，还会出现裂纹，也会出现夹渣，而这些情况，通通都是安全隐患。

第四，低温容易脆裂，天冷焊接不预热，焊缝容易突然裂开。

记住这一节内容，焊接具备好用且便宜的特性，然而存在热所带来的应力问题，还有热所引发的变形问题，这些是焊接的核心特点、重要特征之处。

7.3 对接焊缝的构造和计算

从这一节开始，我们讲具体的焊缝类型，第一个是对接焊缝。

什么是对接焊缝？

将两块钢材对头拼接在一起，通过焊缝把两者连接起来，在完成焊接之后，焊缝的表面与钢材的表面处于平齐状态，既不存在凸起，也不存在台阶，恰似两块木板进行无缝拼接的情形。

对接焊缝的构造要求：

为达成焊透以及焊牢的状态，钢材的边缘需要进行坡口处理，所谓坡口处理，指的是将边缘切割成斜口，这样做的目的在于能够让焊条伸进去从而实现焊透。

焊缝不可以存在缺口，也不可以有裂纹，对于重要的对接焊缝而言，还需要去做探伤检查，以此来确保内部不存在缺陷。

对接焊缝的计算：

对接焊缝所承受的力，跟钢材自身是相同的，承受拉力、承受压力、承受剪力，全都直接依据构件的强度来计算，我们将其称作等强连接。

简单来讲就是，只要焊缝呈现出焊透这一状态，并且不存在缺陷，那么它所具备的强度，就会和钢材的强度处于等同的情况，并不需要进行复杂的计算，只要能够满足构造方面的要求便可以。

对接焊缝主要应用于构件拼接之处，像是梁的长度过长，还有柱子的高度过高，存在需要接长的情况，这时便会采用对接焊缝。

7.4 角焊缝的构造和计算

这一节是焊缝里最常用的，就是角焊缝。

什么是角焊缝？

有两块钢材，它们并非对头拼接，而是彼此贴在一起，呈现垂直状态或者以斜着这种形状相互交缠在一起，焊缝是填充在它们所形成的夹角里面，当完成焊接后最终呈现出的是一个三角形的截面模样，如此这般情况便是称作角焊缝。

我们平时看到的钢结构上的小焊缝，几乎全是角焊缝。

角焊缝的构造要求，一定要记：

第一，焊脚的尺寸，它不可以太小，要是太小了的话，就会焊不牢固；并且它也不能够太大，一旦太大了，就容易将钢材给烧穿。

第二，焊缝长度，不能太短，太短受力容易拉坏；

其三，间距以及边距方面，距离钢材边缘既不可太过靠近，又不可太过遥远，要确保受力均匀。

角焊缝的计算：

角焊缝主要承受的是剪力，其计算的核心在于查看焊缝的有效截面面积，只要剪应力没有超过特定的限值，那么该角焊缝就是安全的。

无需去记繁杂的公式，只需记住这一点：角焊缝抵抗剪切力依靠三角形的截面，其中焊脚的大小以及焊缝的长度可是关键所在。

角焊缝用处最广，梁连接、柱连接、桁架节点，全靠它。

7.5 焊接热效应

这一部分内容，是在讲述焊接所产生的副作用，而此副作用，乃是由高温引发的各类问题，并且，它完全属于前面7.2节内容的进一步拓展延伸。

焊接之际，局部温度可达几千度，冷却之时，钢材收缩并非均匀，如此便会产生两个大问题：

第一个是残余变形：

焊完之后，构件不直了——弯了、扭了、翘了、边不平了。

譬如，有一块钢板，在完成焊接之后，其中间部位呈鼓起来的态势，又或者，有一根梁，在焊接工作完成以后，朝着一边倾斜，这便是残余变形。

解决方案是，在进行焊接之前预留反变形，在开展焊接的时候依照顺序来焊接，在焊接完成之后运用工具去矫正。

第二个是残余应力：

钢材内部蕴藏着那般，人眼不可看到的内应力，平常不会出现问题，然而当受到力作用的时候，这会致使构件的稳定程度下降，会减小疲劳强度，并且还易于使得焊缝出现开裂状况。

解决办法：预热、缓冷、合理安排焊接顺序，减少应力集中。

这一部分进行总结，焊接所产生的热会致使构件出现变形的情况，并且其内部存在应力，针对这种状况，我们需要依靠构造以及施工工艺来予以解决。

7.6 普通螺栓连接的构造和计算

讲完焊接，我们开始讲螺栓连接，第一个是普通螺栓。

普通螺栓大致为C级螺栓，螺杆与孔之间存在些许空隙，其加工精度较低，价格低廉且安装速度较快。

普通螺栓的构造要求：

螺栓的孔径比螺杆大一点，方便安装；

螺栓之间要有间距，不能太密，也不能太稀；

离钢板边缘要有边距，防止把钢板拉裂。

普通螺栓的受力和计算：

普通螺栓有两种受力方式：

第一种是抗剪螺栓，螺杆被剪断，或者孔壁被压坏；

第二种是抗拉螺栓，螺杆被拉断。

算的时候，各自去验算抗剪，还有承压，以及抗拉，这三样都满足，螺栓便安全。

一般而言，普通螺栓会被应用于安装时进行临时固定，以及用于那些属于次要结构、受力状态并非很大的连接当中，不过呀倘若处于重要的地方，那就不会使用它了。

7.7 高强度螺栓连接的性能和计算

这一部分属于螺栓连接范畴，是极为关键的，其中所指的是高强度螺栓，它现如今还是高层建筑、桥梁结构、厂房框架所采用的主要螺栓。

高强度螺栓和普通螺栓完全不一样：

它是由高强度钢材制成，进行安装的时候，需借助扳手用力拧紧，以此给螺栓施加一个极大的预拉力，进而将两块钢板紧紧夹住，使其丝毫不能松动。

高强度螺栓分两种：

首要的那种是摩擦型高强度螺栓，其核心借助钢板之间的摩擦力来传递力，螺杆不会被剪以及孔壁也不会被压，全然依靠被夹紧的摩擦力，它的变形微小、疲劳性能良好，并且是使用最为频繁的。

另外一种是承压类型的高强度螺栓，当处于摩擦力不足的状况时，螺杆能够进行抗剪操作，孔壁可以承受压力，其具备更大的承载力，不过变形程度会稍大一些。

高强度螺栓的计算：

摩擦型算摩擦力够不够，承压型和普通螺栓类似，但强度高很多。

只要记住：高强螺栓靠预拉力夹紧，摩擦型最安全、最常用。

7.8 焊接梁翼缘焊缝的计算

这一节回到焊接，专门讲焊接梁的翼缘焊缝。

供我们所使用的那种H型钢梁，乃是经由翼缘以及腹板焊接而成的，而用来连接翼缘与腹板的那一条呈现连续状态的焊缝，此即为翼缘焊缝。

这条焊缝的作用：

梁处于受弯状况的时候，并且处于受剪这种态势的时候，翼缘以及腹板之间会发生剪力传递这种情况，这条焊缝所起到的作用便是将力从腹板传导至翼缘，或者是将力从翼缘传导至腹板。

计算很简单：

若按照连续的角焊缝来进行计算，以抵抗剪力，只要焊脚尺寸以及焊缝长度符合要求，便能够安全地传递力。

这条焊缝是梁的关键焊缝，绝不能焊漏、焊虚。

7.9 构件的拼接

讲的这一节内容是，构件存在着太长这种情况，还有太高的状况，无法运送到现场，所以必须要进行接长处理，而这就是所谓的构件拼接。

拼接分两种：

第一种是在工厂进行拼接，于工厂之中将短的钢材连接成长的钢材，其质量良好，精度颇高。

第二种是在工地进行拼接，于现场安装的时候进行连接，条件相对差一些，构造需要简单些。

拼接的核心要求：等强拼接。

用来拼接的连接（也就是焊缝以及螺栓）所具备的强度，绝对得跟构件自身是一样的，构件能够承受多大的力，那么拼接部位就能够承受多大的力，绝不能够比构件弱。

轴心构件、梁、柱的拼接，全按这个原则来。

7.10 梁与梁的连接

这一节讲梁和梁怎么连，分两种情况：

第一种是主次梁连接：

次梁搭在主梁上，一般做成铰接，只传递剪力，不传递弯矩。

架构极为简易，借助一块不大的连接板，焊接上去或者通过螺栓拧上去便可，次梁仅仅是将承重传递给主梁。

第二种是主梁拼接/刚接：

连续传弯矩的主梁，要做成刚接型式，不仅要传剪力，还要传弯矩，需采用对接焊缝或者高强螺栓，把翼缘以及腹板都连接牢固。

简单说：次梁搭主梁，铰接就行；主梁要连续，必须刚接。

7.11 梁与柱的连接

这一部分属于框架结构的关键所在，梁与柱子相互连接，进而形成框架，此为工程当中极为常见的节点。

梁与柱的连接分两种：

第一种是铰接连接：

梁仅仅是将竖向的力传递给柱子，而不会传递弯矩，其构造是简单的，采用螺栓也好，或者角焊缝也罢，就可以达成，它适合应用于小厂房，以及次要框架。

第二种是刚接连接：

梁不仅传力，还要传弯矩，框架要抗侧移、抗风，必须刚接。

于构造里，需将那梁的上边翼缘以及下边翼缘和柱子焊接牢牢的，又或者采用高强螺栓，以此确保节点能够承受弯矩力，不会发生变形情况，也不会出现转动现象。

刚接节点是框架的灵魂，做不好，框架就会晃、会塌。

7.12 柱脚设计

这一节讲柱子的底部，柱子和混凝土基础连接的地方，叫柱脚。

柱脚分两种：

第一种是铰接柱脚：

用于小柱子、轴心受压柱，只传递压力和剪力，不传递弯矩。

构造简单，一块底板，几个锚栓，把柱子固定在基础上就行。

第二种是刚接柱脚：

用于框架柱、压弯柱，要传递压力、剪力、弯矩。

这一结构构造情况较为复杂，它存在着底板，还有锚栓以及加劲肋，锚栓具备抗拉的能力，底板起到承压的作用，加劲肋能够保证结构的刚度，它会将弯矩、剪力以及压力全部传递给基础。

柱脚是柱子的根，根做不牢，整个柱子都不稳。

7.13 桁架节点设计

这一节讲桁架的节点，也就是桁架上杆件交汇的地方。

桁架的节点都按铰接设计，杆件只受拉受压，不受弯。

核心节点是节点板，它是一块厚钢板，所有杆件被焊在节点板上，或者栓在节点板上，力借助节点板来传递。

设计要求：

杆件要汇交在一个点上，不能偏心；

节点板尺寸够大，焊缝、螺栓满足强度；

构造简单，施工方便。

桁架的天窗、屋面、桥梁，全靠这种节点。

7.14 节点构造对构件承载力的影响

这一节是本章的收尾，讲节点构造不好，会连累构件本身。

如果节点构造不合理，会出现三个大问题：

首先，存在着截面被削弱的情况，因为开孔以及焊缝会将钢材切去，进而使得构件的有效截面变小，最终导致强度降低。

第二点，存在应力集中的情况，截面出现突变，有尖角，还有小孔，这会致使局部应力变得特别大，进而容易引发开裂现象，以及出现疲劳破坏的状况。

第三，存在约束变形的情况，是节点致使构件被卡死，进而构件无法发生变形，如此一来从而加剧了失稳以及残余应力。

所以，节点构造不能仅仅着眼于连接自身这一方面，还得去考量对于构件所产生的影响，要达成平顺的状态，要完成过渡的过程，要实现少削弱的情况，要达成少应力集中的情形。

第七章 终极大白话总结

1. 连接和节点是钢结构的关节，比构件本身更易破坏，是核心重点；

2. 连接分焊接和螺栓，焊接省料刚度大，螺栓安装快易更换；

3. 焊缝分对接（拼接用、等强）和角焊缝（最常用、抗剪）；

4. 焊接有残余应力和变形，要靠工艺控制；

5. 螺栓分普通（次要连接）和高强（重要连接，摩擦型最常用）；

6. 梁梁；以及梁柱和柱脚；还有桁架节点；关键在于传力分明；实现等同强度诉求；达成构造科学合理之目标。

7. 节点构造不好，会削弱构件、引发应力集中，降低整体安全。