在螺栓端板连接与焊接连接之间作出选择，影响的不仅仅是钢结构节点的外观。这一决定还会影响结构刚度、制造时间、安装速度、检验要求、人工成本、对天气条件的敏感性，以及未来改造结构的可能性。
螺栓端板连接通常将工厂焊接与现场螺栓连接结合使用。端板在受控的工厂环境中焊接到钢梁上，完成制造的钢梁随后通过高强度螺栓连接到支承钢柱或其他结构构件上。焊接连接则可以通过焊缝金属直接传递作用力，焊接工作既可以在制造车间完成，也可以在施工现场完成。
没有任何一种体系能够自动适用于所有项目。最合适的解决方案取决于需要传递的作用力、连接所需刚度、工厂制造能力、现场施工条件、安装进度、检验等级、环境暴露条件以及总安装成本。
什么是螺栓端板连接和焊接连接？
螺栓端板连接
螺栓端板连接使用一块焊接在钢梁、屋面斜梁或其他结构构件端部的钢板。该钢板随后通过螺栓与钢柱翼缘、另一根钢梁或支承框架连接。
其主要组成部分通常包括：
- 钢制端板
- 高强度螺栓、螺母和垫圈
- 端板与钢梁翼缘或腹板之间的焊缝
- 支承钢柱翼缘或连接构件
- 在需要额外承载力或刚度时设置的加劲肋
焊接工作通常在制造车间完成，因为在车间内更容易控制构件位置、温度、作业空间和质量。在施工现场，通过对准螺栓孔、安装螺栓并按照规定要求紧固螺栓来完成连接。
焊接连接
焊接连接通过熔化并融合母材与焊缝金属，将钢结构构件连接在一起。焊缝在相连构件之间形成连续或部分连续的荷载传递路径。
常见焊缝类型包括：
- 角焊缝
- 全熔透坡口焊缝
- 部分熔透坡口焊缝
- 塞焊缝、槽焊缝及其他特殊焊缝
焊接可以在车间或现场进行。车间焊接通常具有更好的作业空间、更稳定的工作条件、更易控制的构件位置以及更加一致的检验条件。对于某些大型组件或连续结构细部，可能需要在现场焊接，但现场焊接更容易受到天气、现场空间、焊接位置和焊工资质的影响。
螺栓端板连接与焊接连接：主要区别
| 比较因素 | 螺栓端板连接 | 焊接连接 |
|---|---|---|
| 连接方式 | 端板在车间焊接，螺栓在现场安装 | 钢构件通过焊缝金属直接连接 |
| 车间制造 | 需要进行钢板切割、钻孔、组装和焊接 | 需要进行边缘加工、组装、焊接和变形控制 |
| 现场安装 | 螺栓孔对准后通常可以快速安装 | 可能需要临时固定、对中、多道焊接和冷却时间 |
| 现场技术工人 | 需要合格的螺栓安装人员和检验人员 | 需要合格焊工，通常还需要更全面的检验 |
| 对天气的敏感性 | 相对较低，但接触表面必须保持适合螺栓安装的状态 | 较高，特别是在大风、降雨或低温条件下进行现场焊接时 |
| 尺寸公差 | 取决于螺栓孔的准确对准和安装公差 | 取决于组装间隙、接头处理、对中和焊接顺序 |
| 检验 | 螺栓等级、安装状态、预拉力和表面状态 | 焊缝尺寸、外形、熔透、熔合及内部缺陷 |
| 拆卸可能性 | 在某些应用中可以拆卸 | 通常需要切割，并可能损坏构件 |
| 外观 | 螺栓和端板保持可见 | 可以形成更加整洁和紧凑的连接 |
| 典型用途 | 预制建筑、抗弯框架和工业结构 | 组合构件、桁架、板梁和复杂组件 |
结构性能和荷载传递
螺栓端板连接如何传递荷载
在梁柱端板节点中，作用力从钢梁翼缘和腹板传递至端板。端板随后通过螺栓将这些作用力传递到钢柱翼缘或支承构件上。
根据连接类型，螺栓可能需要抵抗：
- 弯矩产生的拉力
- 竖向或水平荷载产生的剪力
- 螺栓孔壁承压
- 接触表面的滑移
- 拉力与剪力的组合作用
端板本身可能在钢梁翼缘与螺栓排之间发生弯曲。这种变形可能产生撬力作用，从而增加螺栓中的拉力。因此，必须综合考虑端板厚度、螺栓间距、螺栓直径、边距、焊缝尺寸以及钢柱翼缘刚度。
较薄的钢板可能看起来更加经济，但会增加端板变形和螺栓受力。较厚的钢板可以减小撬力，但可能增加材料成本和焊接要求。
焊接连接如何传递荷载
焊接连接通过焊缝有效截面将作用力传递到支承钢材中。其承载力取决于焊缝类型、有效长度、熔透深度、方向、母材强度以及荷载方向。
角焊缝广泛用于抗剪连接、加劲肋、托架、次要构件和组合构件。当需要更直接地传递轴力或弯矩时，可以采用坡口焊缝。
荷载传递路径应尽可能直接。不必要的偏心会产生附加弯曲或扭转。组装不良、未熔合、裂纹、咬边、气孔或熔透不足，都可能降低节点的实际承载能力。
刚性、半刚性和铰接性能
连接不会因为采用焊接就自动成为刚性连接，也不会因为采用螺栓就自动成为铰接连接。其性能取决于节点中每个组成部分的几何形状、刚度、强度和变形。
螺栓端板连接的形式可能包括：
- 简单抗剪端板连接
- 平齐式端板抗弯连接
- 外伸式端板抗弯连接
- 加劲端板连接
焊接节点同样可以设计用于传递剪力、轴力、弯矩或这些作用的组合。结构分析模型必须与连接的预期响应相匹配。
螺栓端板连接的类型
平齐式端板连接
平齐式端板位于钢梁总高度范围以内。这种连接可以形成紧凑的节点，通常用于抗剪连接或传递中等弯矩。
其承载力可能受到螺栓排布空间、端板弯曲、钢梁翼缘受力或钢柱翼缘变形的限制。
外伸式端板连接
外伸式端板延伸至钢梁一个或两个翼缘之外。增加的钢板面积可以布置更多螺栓排，并增大受拉区与受压区之间的力臂。
这种布置通常用于工业建筑和多层钢结构建筑中的梁柱抗弯连接。
加劲端板连接
当局部变形或应力集中将控制设计时，可以在钢梁、端板、钢柱翼缘或钢柱腹板上设置加劲肋。
合理的螺栓端板设计必须综合协调端板厚度、螺栓布置、焊缝尺寸、加劲肋以及支承钢柱的承载能力。
焊接连接的类型
角焊缝连接
当两个钢材表面以一定角度相交时，角焊缝经济且易于施工。它们通常用于次要连接、加劲肋、组合截面以及腹板连接。
其承载力取决于有效焊喉、焊缝长度、荷载方向和施工质量。
全熔透焊接连接
全熔透焊缝旨在通过连接构件的全部厚度传递作用力。它可以用于关键抗弯节点、承受较大轴力的连接，或需要高度连续性的细部。
这种焊缝通常需要进行边缘加工、控制根部条件、采用多道焊接、执行合格焊接工艺，并进行更加全面的检验。
部分熔透焊接连接
部分熔透焊缝不会贯穿所连接材料的全部厚度。当不需要全熔透时，它可以减少焊接时间和热输入。
其承载力必须根据有效熔透深度计算，而不能按照钢板总厚度计算。
车间焊接与现场焊接连接
通常优先采用车间焊接，因为制造商可以控制作业空间、构件位置、焊接材料、温度和检验条件。构件通常还可以进行翻转，使焊接工作在更加有利的位置完成。
当运输限制阻止构件在工厂内完成整体组装，或项目要求在现场形成结构连续性时，可以采用现场焊接。然而，现场焊接可能增加起重机等待时间、临时支承要求、安全控制以及检验成本。
制造要求
制造阶段会显著影响钢结构连接能否快速安装，并按照设计要求发挥作用。准确的切割、钻孔、焊接、组装和尺寸检验至关重要，因为车间内的小误差可能在构件运抵施工现场后演变成严重的安装问题。
尽管螺栓端板连接和焊接连接采用不同的最终连接方式，但两者都需要受控的制造程序。制造商必须在生产开始前协调经过批准的结构图纸、连接细部、材料等级、焊接工艺、螺栓规格、尺寸公差、涂层要求以及安装顺序。
螺栓端板连接的制造
螺栓端板连接的制造通常从端板和钢梁端部的准备工作开始。端板必须按照批准的宽度、高度和厚度进行切割，钢梁端部则必须经过处理，使端板能够垂直地安装在梁端。
制造过程通常包括：
- 核对钢材等级和端板厚度
- 按照批准尺寸切割端板
- 钻孔或冲制螺栓孔
- 检查螺栓孔直径、间距、横向孔距和边距
- 处理钢梁翼缘和腹板
- 将端板定位在钢梁端部
- 在最终尺寸检查前对端板进行定位焊
- 将端板焊接至钢梁翼缘和腹板
- 检查端板的垂直度和对中情况
- 检查焊缝尺寸、连续性和表面状态
- 在需要时进行试装
- 实施规定的表面处理和防护涂层
螺栓孔精度是最重要的制造要求之一。端板中的孔必须与钢柱翼缘、支承钢梁或连接板上的对应孔准确对齐。单个节点中的小误差可能仍可处理，但如果尺寸误差在多个框架中反复出现，可能导致严重的安装延误。
因此，应使用经批准的模板、数字测量设备、数控钻孔系统或试装组件检查孔位。制造商应核对螺栓排之间的距离、横向孔距、边距，以及螺栓组与钢梁中心线之间的关系。
端板还必须保持与钢梁垂直。如果端板发生倾斜、扭曲或偏移，钢梁可能无法正确贴合支承构件。这可能导致连接表面之间出现间隙、螺栓受力不均、端板局部弯曲，或无法顺利安装完整的螺栓组。
定位焊必须谨慎施工，因为过多或位置不当的定位焊可能将端板拉离正确位置。最终焊接开始前，制造商应确认：
- 钢梁总长度
- 端板位置
- 螺栓孔布置方向
- 端板与相邻加劲肋之间的距离
- 钢梁翼缘和腹板周围所需的焊接作业空间
焊接顺序同样十分重要。连续焊接端板一侧后再焊接另一侧，可能引起角变形。在相对两侧采用平衡焊接，有助于控制构件变形并使端板保持与钢梁垂直。
使用外伸式或加劲端板连接时，附加组成部分可能包括钢梁加劲肋、连续板、腋板或补强板。这些构件必须准确定位，因为它们会影响节点刚度、作用力传递路径和安装空间。
对于大型、重载或重复性较高的连接，可能需要进行试装。试装可以让制造商确认螺栓孔是否对齐、钢板是否正确贴合，以及构件是否可以在不强行安装、不进行火焰切割或不受控制地扩大现场螺栓孔的情况下完成组装。
表面处理也必须与连接设计相协调。如果节点被规定为抗滑移连接，其接触表面可能需要特定的表面状态或经过批准的涂层。这些表面上的油漆、油污、锈蚀或污染物可能降低所需的抗滑移能力。
防护涂层不得堵塞螺栓孔，也不得在端板边缘周围形成过厚堆积。组装完成后难以接近的区域，应在连接完成前进行清理和涂装。
焊接连接的制造
焊接连接需要精确组装、适当的接头处理、合格的焊接工艺以及对热输入的严格控制。完成节点的质量不仅取决于可见的焊缝尺寸，还取决于熔透情况、熔合情况、根部状态、焊接顺序以及周围母材的性能。
焊接节点可能需要：
- 核对钢材等级和材料厚度
- 边缘坡口加工或焊槽准备
- 清理焊接区域
- 对连接构件进行组装和对中
- 控制根部间隙和坡口角度
- 在需要时安装衬垫
- 定位焊
- 采用受控的焊接顺序
- 预热或控制层间温度
- 清理各道焊缝之间的区域
- 监测并矫正变形
- 进行目视检验或无损检测
- 修复不可接受的焊接缺陷
接头处理必须遵循经过批准的焊接细部。坡口角度、根部间隙、钝边、衬垫材料以及对中情况，会直接影响焊工能否实现规定的熔透和熔合。
焊接开始前，应清除表面上的水分、油污、油漆、严重锈蚀、氧化皮以及其他可能导致气孔、裂纹或未熔合的污染物。还应检查组装情况，确认间隙和错边量保持在允许公差范围内。
不应仅通过堆积过多焊缝金属来填充较大的间隙。这会增加热输入、收缩、变形、残余应力和焊接时间。如果接头无法正确装配，制造商应遵循经过批准的修复或调整程序，而不是在生产线上临时处理。
定位焊必须具有足够强度，以便在最终焊接过程中将构件保持在正确位置。定位焊的位置不得妨碍最终焊缝，也不得产生缺陷。当定位焊成为最终连接的一部分时，它必须满足与永久焊缝相同的质量要求。
应合理规划焊接顺序，使热量尽可能均匀分布。仅在构件一侧实施长距离连续焊接，可能导致构件弯曲、扭转或角变形。制造商可以采用平衡焊接、分段退焊、间断焊接、临时约束或预设反变形来控制变形。
对于厚钢材、高强度材料、高约束接头、较低环境温度，或氢致裂纹风险较高的情况，可能需要进行预热。焊接开始前，应在规定区域内保持要求的预热温度。对于多道焊缝，还必须控制层间温度。温度过低可能增加开裂风险，而热输入过高则可能影响材料性能、扩大热影响区并增加变形。
每一道焊缝完成后，必须在施焊下一道之前进行清理。应清除焊渣、飞溅和表面缺陷，使后续焊缝金属能够与前一道焊层正确熔合。
焊接完成后，应检查节点是否存在：
- 正确的焊缝尺寸和有效长度
- 符合要求的焊缝外形
- 裂纹
- 咬边
- 气孔
- 焊瘤
- 未熔合
- 未焊透
- 焊接区域以外的电弧擦伤
- 过度变形或错位
关键焊接连接可能需要进行无损检测。全熔透焊缝可以采用超声波检测，而磁粉检测或渗透检测可以用于识别表面开口缺陷。
如果发现不可接受的缺陷，修复程序应明确如何清除有缺陷的焊缝金属、如何清理和处理修复区域，以及如何检查修复焊缝。重复进行焊接修复时必须加以控制，因为额外的热循环可能增加变形并影响周围钢材。
过高的热输入可能导致构件变形或产生显著残余应力。采用平衡焊接顺序、临时约束、受控工艺、尺寸检查和合格焊工，有助于限制这些影响并提高完成连接的一致性。
尺寸公差
螺栓连接体系可以通过经批准的孔位公差、安装间隙以及在允许情况下使用垫片进行有限调整。然而，不应通过不受控制的切割或扩孔，强行使错位的螺栓孔对准。
焊接连接要求在焊接开始前完成准确组装。过大的间隙或错位可能改变焊缝几何形状、增加焊缝金属用量，并降低节点质量。
现场安装与施工速度
螺栓端板连接的安装
在施工现场，钢梁被吊装到指定位置，螺栓孔完成对准后，可以先安装临时螺栓，再按照规定程序紧固完整的螺栓组。
这种安装方式非常适合重复性框架和预制钢结构建筑。它还可以减少高空作业中的动火工作、焊接设备、焊接材料以及焊缝检验工作。
焊接连接的安装
现场焊接节点必须保持支承和对中状态，直到规定焊缝全部完成并获得足够强度。施工过程可能包括边缘清理、预热、多道焊接、焊渣清理、冷却和检验。
受限的作业空间、仰焊位置、降雨、大风和低温都可能降低施工效率，并增加质量控制难度。
安装期间的临时稳定性
不应假定螺栓节点或焊接节点在初步就位后立即能够提供建筑所需的完整稳定性。
螺栓连接可以帮助构件快速获得初步稳定，但在永久框架、屋面支撑、墙面支撑和次级构件完成安装之前，仍然需要临时支撑。焊接节点在焊接和检验完成前，可能需要更长时间的临时支承。
质量控制和检验
螺栓连接检验
检验内容可能包括：
- 螺栓等级和直径
- 螺栓长度和螺纹位置
- 垫圈安装情况
- 螺栓孔状态和对中情况
- 紧贴安装或预拉力安装
- 经过批准的紧固方法
- 接触表面状态
- 需要时对抗滑移表面进行处理
每个螺栓周围都必须留出足够的扳手操作空间。即使连接在结构上符合要求，如果无法接近螺栓头或螺母，仍可能难以完成安装。
焊缝检验
焊缝检验可能包括：
- 焊缝尺寸和有效长度
- 焊缝外形和表面状态
- 裂纹
- 气孔
- 咬边
- 未熔合
- 未焊透
- 电弧擦伤及其他表面损伤
根据焊缝类型和项目要求，关键节点可能需要进行超声波检测、磁粉检测、渗透检测或射线检测。
成本比较
对螺栓端板连接与焊接连接进行合理比较时，应考虑总安装成本，而不能只比较钢材用量或螺栓数量。
螺栓端板连接需要使用钢板、高强度螺栓，并进行钻孔、车间焊接和尺寸控制。然而，它们可以缩短现场安装时间，并减少现场焊接人工。
焊接连接可能不需要端板和螺栓，但可能需要更多边缘处理、焊接材料、技术工人、临时支承、检验和变形控制。
最终成本受到以下因素影响：
- 重复节点数量
- 当地人工成本
- 车间自动化程度
- 现场可达性
- 起重机等待时间
- 天气条件
- 所需检验等级
- 连接复杂程度
- 施工进度
如果一种连接能够实现重复制造和快速安装，即使其材料成本较高，也可能降低项目总成本。
不同项目条件下的性能
高抗震需求
抗震性能取决于节点强度、刚度、变形能力、延性、节点域性能、螺栓响应、焊接质量以及周围框架的性能。
在抗震应用中，不能认为任何一种连接形式普遍优于另一种。完整节点必须根据所需结构体系和预期非弹性性能进行构造设计和验证。
疲劳和重复荷载
疲劳问题在设有起重机的建筑、桥梁、工业平台、机械支座以及承受重复振动的结构中可能十分重要。
焊趾、几何形状突变、附加构件和焊接缺陷可能产生应力集中。螺栓节点也必须检查滑移、孔壁承压、螺栓受力变化、钢板变形以及连接材料的疲劳。
腐蚀性环境
水分可能积聚在端板之间或密封不良的接触区域周围。螺栓连接应提供适当的排水条件、涂层施工空间以及相容的表面处理。
焊接细部可以消除部分缝隙，但也可能形成难以涂装或检查的区域。镀锌、密封、排水以及涂层修复程序应在设计阶段进行协调。
防火保护
两种体系都可能需要进行防火保护。端板、螺栓、加劲肋、焊缝以及支承构件，应在防火材料施工前保持可供安装和检验的状态。
优点与局限性
螺栓端板连接的优点
- 现场安装速度快
- 减少现场焊接
- 适用于重复和标准化框架
- 兼容预制和模块化施工
- 大部分焊接工作在车间条件下完成
- 具有拆卸或未来改造的可能性
- 可以直接观察已安装螺栓
螺栓端板连接的局限性
- 需要准确协调孔位
- 端板弯曲可能增加螺栓受力
- 必须考虑撬力作用
- 需要留出扳手操作空间
- 钢柱翼缘或腹板可能需要设置加劲肋
- 钢板和螺栓保持可见
焊接连接的优点
- 节点紧凑且外观整洁
- 不需要螺栓孔
- 可以实现直接荷载传递
- 适用于不规则几何形状
- 适用于车间制造的组件
- 通过合理构造可以实现较高承载力
焊接连接的局限性
- 质量高度依赖焊接工艺和施工水平
- 现场焊接受天气和作业空间影响
- 热量可能导致变形和残余应力
- 检验可能更加复杂
- 缺陷修复可能延误施工
- 拆卸通常会损坏构件
典型应用
螺栓端板连接通常用于：
- 工业钢结构建筑
- 工厂和车间
- 仓库
- 多层钢结构建筑
- 预制结构
- 模块化钢结构体系
- 抗弯框架
- 梁柱节点
焊接连接通常用于：
- 组合钢构件
- 钢桁架
- 板梁
- 建筑钢结构
- 车间制造框架
- 重型工业构件
- 螺栓安装空间受限的节点
- 连续结构组件
常见设计和施工错误
| 常见错误 | 可能产生的后果 | 更好的做法 |
|---|---|---|
| 端板过薄 | 端板过度弯曲并增加螺栓拉力 | 检查端板变形和撬力作用 |
| 螺栓间距不足 | 孔壁承压破坏、撕裂或安装困难 | 协调结构限制和工具操作空间 |
| 未检查钢柱翼缘 | 支承构件发生局部弯曲或破坏 | 评估完整的钢柱翼缘和腹板体系 |
| 未经过计算直接确定焊缝尺寸 | 承载力不足或焊缝金属用量过多 | 根据实际作用力传递路径设计焊缝 |
| 在恶劣天气下继续进行现场焊接 | 焊接质量降低并造成施工延误 | 采用经过批准的防风雨措施和焊接控制 |
| 忽视扳手或焊接作业空间 | 连接无法正确完成或检验 | 在细部设计阶段检查安装作业空间 |
| 制造完成后增加新的悬挂荷载 | 钢梁、钢板、螺栓或焊缝超载 | 在结构细部设计前协调设备荷载 |
| 过早拆除临时支承 | 构件移动、结构失稳或连接损坏 | 遵循经过工程设计的安装顺序 |
如何在螺栓端板连接与焊接连接之间进行选择
实际选择过程应包括以下步骤：
- 确定需要传递的剪力、轴力、弯矩和扭矩。
- 确定节点应表现为铰接、半刚性还是刚性。
- 检查制造商的钻孔、焊接和组装能力。
- 评估现场通行条件、天气、作业高度和可用设备。
- 比较现场螺栓安装与现场焊接要求。
- 检查安装顺序和项目进度。
- 确认检验和检测要求。
- 评估抗震、疲劳、防火和腐蚀条件。
- 考虑未来改造、扩建或拆卸需求。
- 比较总安装成本和全生命周期成本。
哪种连接更好？
对于螺栓端板连接与焊接连接的比较，并不存在适用于所有情况的答案。
当安装速度、重复细部、模块化施工以及减少现场焊接十分重要时，通常优先采用螺栓端板连接。当制造车间能够准确生产标准化构件和螺栓孔位时，这种连接尤其有效。
当需要紧凑节点、构件几何形状不规则、螺栓安装空间有限，或组件能够在受控车间环境中完成焊接时，焊接连接可能更加适合。
许多高效钢结构会结合使用这两种方法。一个常见示例是在车间内将端板焊接到钢梁上，再在施工现场使用螺栓将其连接到钢柱。这种布置既利用了受控的车间焊接，又保留了快速且实用的现场安装方式。
最终考虑
螺栓钢结构节点与焊接钢结构节点之间的选择，应根据结构性能、制造能力、安装条件、检验空间、环境暴露、施工时间以及总成本确定。
结构工程师、钢结构详图设计人员、制造商、安装单位、涂层承包商和检验人员，应在制造开始前协调节点设计。即使连接在计算上具有足够强度，如果无法准确制造、安全运输、高效安装、正确涂装或全面检验，仍可能产生问题。
因此，合适的钢结构节点并不只是使用最少螺栓或最少焊缝金属的连接，而是能够安全传递所需作用力，同时在结构整个使用寿命内便于制造、安装、检验、维护和调整的连接。
