钢结构的连接讲座.ppt

设计原理,钢结构,第三章,钢结构的连接,1.,了解钢结构连接的种类及特点。,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.,掌握螺栓连接的构造要求和计算方法。,4.,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。,3.1,钢结构的连接方法,3.2,焊接方法和焊缝连接形式,3.3,角焊缝的构造与计算,3.4,对接焊缝的构造与计算,3.5,焊接应力和焊接变形,3.6,螺栓连接的构造,3.7,普通螺栓连接的工作性能和计算,3.8,高强度螺栓连接的工作性能和计算,本章目录,基本要求,第,3.1,节 钢结构的连接方法,1.,概述,2.,焊缝连接,3.,螺栓连接,4.,铆钉连接,了解钢结构的连接方法及特点,本节目录,基本要求,3.1.1,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。,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,3.1.1,3.1.2,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。,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。,3.1.3,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,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。,3.1.4,铆钉连接,图,3.1.2,1,、手工电弧焊,3.2.1,钢结构常用焊接方法,（,1,）原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。,焊机,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,（,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,/mm,2,),后两位,数字,表示适用焊接位置、电流种类及药皮类型等。,（,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。,（,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：,Q390,、,Q420,钢,E55,型焊条,(E5500-5518),Q345,钢,E50,型焊条,(E5000-5048),Q235,钢,E43,型焊条,（,E4300-E4328),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。,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。,（,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。,1,、焊缝连接形式,3.2.2,焊缝连接形式及焊缝形式,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,（,2,）搭接连接,（,3,）,T,形连接,（,4,）角部连接,（,5,）焊钉连接,N,（,6,）槽焊连接,N,2,、焊缝形式,（,1,）,正交,平行,斜交,对接焊缝,角焊缝,正对接焊缝,斜对接焊缝,按受力方向,正面角焊缝,侧面角焊缝,斜焊缝,正交,斜交,（,2,）角焊缝沿长度方向的布置分为：,连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。,断续角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，用于次要构件或受力小的连接。,长度,b,10h,f,或,50mm,受压时间断距离,l,15t,;,受拉时,l,30t,，,其中,t,为较薄焊件的厚度。,b,l,间隔角焊缝,连续角焊缝,（,3,）角焊缝按施,焊,位置分为：,船形位置焊,（平焊）,立焊,立焊,仰焊,仰焊,仰焊,横焊,横焊,横焊,平焊,图,3.2.3,1,、焊缝缺陷,3.2.3,焊缝缺陷及焊缝质量检验,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。,图,3.2.4,焊缝缺陷,裂纹,焊瘤,烧穿,弧坑,气孔,夹渣,咬边,未熔合,未焊透,2,、焊缝质量检验,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；,内部无损检验：检验内部缺陷。（超声波检验、,X,射线或,射线透照或拍片）,3,、焊缝质量等级及选用,钢结构工程施工质量验收规范,GB50205-2001,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；,（,1,）焊缝质量等级,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。,钢结构设计规范,(GB500172003),中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：,需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。,（,2,）焊缝等级选用,在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。,重级工作制和起重量,5,0,0,k,N,的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级。,角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量,5,00kN,的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,（,3,）,焊缝,符号,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,形,式,h,f,O,h,f,h,f,a,c,v,90,或,135,或,6mm,时,，,h,f,max,t-(1,2)mm,当,t6mm,时,，,h,f,max,t,h,f,t,t,1,t,1,t,t,t,1,h,f,贴边焊缝,（,2,）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，,h,f,min,还,应满足以下要求:,式中,:,t,较厚焊件厚度,另外：对埋弧自动焊,h,f,min,可减小,1mm,;,对,T,形连接单面角焊缝,h,f,min,应增加,1mm,;,当,t4mm,时,h,f,min,=t,取整,mm,数，小数点以后只进不舍。,h,f,t,t,1,t,1,t,（,3,）设计焊角尺寸,h,f,应满足,（,1,）侧面角焊缝的最大计算长度,2,、焊缝计算长度的构造要求,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。,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，,l,w,不受此限制,.,故侧面焊缝计算长度：,（,2,）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：,此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。,（,3,）侧面角焊缝的计算长度,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：,3,、搭接连接的构造要求,N,N,l,w,2h,f,2h,f,N,N,l,2,l,1,b,钢板拱曲,图,3.3.6,试验结果表明，连接的承载力与,b,/,l,w,有关。当,b,/,l,w,1,时，连接承载力随比值增大明显下降，这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致，为防止连接强度过分降低，规范规定：,b,/,l,w,1,为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，要求：,b16t,（,t 12mm,）,或,190mm,（,t12mm,）,式中：,b,为两侧焊缝的距离；,l,w,为侧焊缝计算长度；,t,为较薄焊件的厚度。,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,。,当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊,2h,f,。避开起落弧发生在转角处的应力集中。,t,1,t,2,（,t,1,t,2,）,图,3.3.7,2h,f,2h,f,2h,f,焊缝绕角,2h,f,图,3.3.8,3.3.3,直角角焊缝强度计算的基本公式,分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理,:,假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为,45,；,不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度,h,e,，,h,e,0.7h,f,。,1,、基本假定,h,c,焊脚尺寸,焊根,熔深,焊缝厚度,有效厚度,凸度,焊趾,图,3.3.9,有效厚度,h,e,与焊缝计算长度,l,w,的乘积称为破坏面的有效截面面积。计算时假定有效截面上应力均匀分布。,2,、有效截面上的应力状态,在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：,正应力,垂直于焊缝有效截面（面外垂直）,剪应力,平行于焊缝长度方向（面内平行）,剪应力,垂直于焊缝长度方向（面内垂直）,图,3.3.10,3,、破坏时的极限条件,国际标准化组织,(ISO),推荐用式,(3-1),确定角焊缝的极限强度,:,式中：,f,u,w,-,焊缝金属的抗拉强度,出于偏于安全考虑,且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会,(ECCS),，,将,(3-1),的,1.8,改为,3,即：,我国,规范,采用了以上折算应力公式，但由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的，故引入抗力分项系数后上式又可表达为,以下图为例，推导直角角焊缝强度计算的实用公式。,4,、直角角焊缝的强度计算公式,f,f,w,角焊缝强度设计值,f,对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为,和,。,N,f,+,V,V,N,破坏截面,图,3.3.11,在,V,作用下，在有效截面内产生与焊缝长度方向平行的剪应力为：,（,3-4,）,在,N,作用下,产生与有效截面成,45,交角的平均应力为,（,3-5,）,可将,f,分解为,和,，如下,（,3-6,）,将式,（,3-4,）,和式,（,3-6,）,代入式,（,3-3,），,得,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,。,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,（,3-8,）,（,3-9,）,式中：,h,e,=0.7,h,f,；,l,w,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,2h,f,。,3.3.4,直角角焊缝连接的计算,1,、轴心力作用时角焊缝的计算,（,1,）承受斜向轴心力的,T,形角焊缝连接,方法一：分力法求解,将力,N,分解为垂直于焊缝,和平行于焊缝的分力：,N,x,=,N,sin,，,N,y,=,N,cos,计算应力：,N,x,N,y,N,f,f,N,图,3.3.12,代入式,3-7,验算焊缝强度，即,:,方法二：直接法求解,将式,3-10,和式,3-11,代入式,3-12,，可得,:,将 代入上式，得,（,3-13,）,则受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：,令：,为斜焊缝强度增大系数。,1.22,1.20,1.14,1.12,1.08,1.04,1.02,1.00,f,90,70,60,50,40,30,20,0,查,f,表,当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。,盖板对接连接可采用两侧侧面角焊缝连接，正面角焊缝连接和三面围焊连接。,（,2,）轴心力作用下的盖板对接连接,仅采用侧面角焊缝连接,l,w,连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和。,图中,N,N,l,w,图,3.3.13,采用三面围焊连接（矩形盖板）,先计算正面角焊缝承担的内力,l,w,连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和。,再计算侧面角焊缝的强度,l,w,连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,N,N,l,w,l,w,图,3.3.14,或直接由下式计算：,图中：,或,N,N,l,w,l,w,图,3.3.14,采用三面围焊连接（菱形盖板）,N,N,l,w1,l,w,3,l,w2,图,3.3.15,在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用,L,形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。,（,3,）承受轴心力的角钢角焊缝连接,如左图钢桁架节点，弦杆和腹杆采用双角钢组成的,T,形截面，腹杆通过节点板与弦杆连接。,6-110,10-150,6-110,10-150,8,170,190,130,120,285 25,图,3.3.16,仅用侧面焊缝连接,解上式，得,由力及力矩平衡得：,（,3-14,）,肢背焊缝,x,x,l,w1,l,w2,N,N,1,N,2,c,b,图,3.3.17,肢尖焊缝,（,3-15,）,k,1,角钢肢背焊缝的内力分配系数；,k,2,角钢肢尖焊缝的内力分配系数。,式中：,在,N,1,、,N,2,作用下，,肢背、肢尖焊,缝的计算长度为：,（,3-16,）,（,3-17,）,h,f1,肢背焊缝的焊角尺寸；,h,f2,肢尖焊缝的焊角尺寸。,式中：,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,不等边角钢,（短边相连）,0.3,0.7,等边角钢,肢尖,k,2,肢背,k,1,内力分配系数,截面及连接情况,采用三面围焊,设计时先假定正面角焊缝的焊脚尺寸,h,f,3,，并求出它所分担的内力,N,3,：,（,3-18,）,通过平衡关系，可得肢背和肢尖焊缝,分担的内力,为,:,x,x,l,w1,l,w2,N,N,1,N,2,c,b,N,3,图,3.3.18,利用式,3-16,和,3-17,可得,肢背、肢尖焊,缝的计算长度。,肢背焊缝,（,3-19,）,肢尖焊缝,（,3-20,）,采用,L,形围焊,x,x,l,w1,N,N,1,c,b,N,3,图,3.3.19,令,N,2,0,，由式,3-20,，得：,L,形围焊角焊缝计算公式为：,（,3-22,）,若求出得,h,f3,大于,h,fmax,则不能采用,L,形围焊,（,3-21,）,由水平平衡关系，得：,（,3-23,）,（,3-24,）,未采用绕角焊时,采用绕角焊时,2,、受弯矩,M,、轴力,N,、剪力,V,联合作用的角焊缝计算,（,1,）偏心斜拉力作用,在偏心斜拉力作用下，角焊缝可看作同时承受轴心力,N,x,、剪力,N,y,和弯矩,M=N,x,e,的共同作用。,有效截面,h,e,l,w,A,M=N,x,e,N,x,A,N,N,y,e,A,由,N,x,由,N,y,A,由,M,图,3.3.20,由轴心拉力,N,x,产生的应力：,由弯矩,M,产生的最大应力：,因,A,点应力为最大，所以是设计控制点。对,A,点：,A,点由轴心拉力,N,x,和弯矩,M,产生的应力方向相同，直接叠加得：,A,点由剪力,N,y,产生的应力：,则角焊缝强度计算公式为：,（,2,）,V,、,M,共同作用下角焊缝强度计算,假设：腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩由全部焊缝承受,对于翼缘最外纤维,1,点处：,f2,f1,M,V,1,腹板焊缝,f,1,2,翼缘焊缝,x,x,h,1,h,2,图,3.3.21,式中,:,I,w,全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；,h,1,上、下翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离。,对,翼缘与腹板焊缝交点,2,处：,h,2,腹板焊缝的实际长度；,l,w2,腹板焊缝的计算长度；,h,e2,腹板焊缝有效截面高度；,式中：,腹板焊缝有效截面面积之和。,则腹板焊缝在,2,点的强度验算式为：,工字梁与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩,M,化为一对水平力,H=M/h,。则：,腹板焊缝的强度计算式：,翼缘焊缝的强度计算式：,（,3,）承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝计算,搭接,扭矩,顶接,弯矩,注意区分偏心受力时：,Vy,O,r,r,T,x,x,Tx,Ty,A,y,y,A,r,1,r,y,0.7h,f,0.7h,f,x,x,l,t,x,0,y,y,l,2,e,1,e,2,A,V,T,A,r,r,T,图,3.3.22,将,F,向焊缝群形心简化得,:,剪力：,V=F,扭矩：,T=F(e,1,+e,2,),计算时按弹性理论假定,:,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。,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。,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,:,将其沿,x,轴和,y,轴分解,:,I,p,为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，,I,p,=,I,x,+I,y,I,x,，,I,y,焊缝计算截面对,x,、,y,轴的惯性矩；,r,x,，,r,y,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,:,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：,第,3.4,节 对接焊缝的构造与计算,1.,对接焊缝的构造,2.,对接焊缝的计算,掌握对接焊缝构造和计算方法,本节目录,基本要求,3.4.1,对接焊缝的构造,(1),对手工焊，,焊件厚度,t6mm,；对埋弧焊,t10mm,时可不做坡口，采用直边缝。,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。,C=0.5,2mm,直边缝,(2),当,焊件厚度,t=7,20mm,时，宜采用单边V形,或双边,V,形坡口,。,(3),当,t20mm,时，宜采用,U,形、,K,形、,X,形坡口。,U,形坡口,C=3,4mm,p,C=3,4mm,p,K,形坡口,C=2,3mm,单边,V,形坡口,C=2,3mm,双边,V,形坡口,p,2,、对接焊缝的优缺点,优点：用料经济、力线不弯折、传力均匀、无明显的,应力集中，利于承受动力荷载。,缺点：经常需开坡剖口，焊件下料精度要求高。,3,、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。,引弧板和引出板,引弧板,引出板,C=3,4mm,p,X,形坡口,（,2,）当板件厚度或宽度在一侧相差大于,4mm,时，应做坡度不大于的斜角，以平缓过度，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,1:2.5,1:2.5,改变厚度,1:2.5,3.4.2,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。,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。,1,、轴心受力的对接焊缝,l,w,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,。,f,t,w,、,f,c,w,对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,t,a,N,N,N,N,图,3.4.1,（,2,）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况：,没有引弧板时需要计算；,受拉情况下的三级焊缝。,其余：,（,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/mm,2,倍数取整,说明：,（,3,）当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接，如,下：,l,w,斜焊缝计算长度。设引弧板时，,l,w,b/sin,；不设引弧板时，,l,w,b/sin,2t,。,f,v,w,对接焊缝抗剪设计强度。,经计算，当,tg,1.5,时，对接斜焊缝强度不低于母材，可不用检算。,t,a,N,N,N,N,图,3.4.2,2,、承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝,焊缝内应力分布同母材。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,：,（,1,）板件间对接连接,l,w,t,M,V,V,M,l,w,t,图,3.4.3,M,焊缝承受的设计弯矩；,W,w,焊缝计算截面模量。,V,焊缝承受的设计剪力；,I,w,焊缝计算截面惯性矩；,S,w,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：,（,2,）工字形截面梁对接连接计算,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,1,max,1,max,M,M,V,V,图,3.4.4,3,、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝,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：,1,max,1,max,柱,牛腿,N,V,1,焊缝计算截面,max,由,M=Ve,e,由,N,由,V,h,0,h,t,图,3.4.5,腹板与翼缘交界处的折算应力,:,式中,焊透的对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，其计算方法与母材的强度计算完全相同。,第,3.5,节 焊接应力和焊接变形,1.,焊接应力的分类和产生的原因,2.,焊接应力对结构工作性能的影响,3.,焊接变形,4.,减小焊接应力和焊接变形的措施,1.,了解焊接应力产生的主要原因、分类以及对结构,性能影响,2.,了解减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施,本节目录,基本要求,3.5.1,焊接应力的分类和产生的原因,1.,焊接残余应力的分类,纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向,横向焊接,残余,应力,垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力。,厚度方向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。,钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀和收缩不均匀。导致在主体金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。,2.,焊接残余应力产生的原因,（,1,）纵向焊接残余应力,施焊时焊缝及附近的温度场,800,o,C,500,o,C,300,o,C,纵向焊接残余应力,300,o,C,500,o,C,800,o,C,6,4,2,0,8cm,6,2,4,8cm,图,3.5.1,焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度可高达,1600C,，而邻近区域温度骤降。,温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到周围钢材的限制而产生残余拉应力。,焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生残余压应力。,对于低碳钢和低合金钢，这种拉应力可以达到钢材的屈服强度。,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,；,由以下两部分收缩力所引起,（,2,）横向焊接残余应力,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。,（,3,）沿厚度方向的焊接残余应力,x,y,z,图,3.5.3,焊缝的纵向收缩,施,焊,先后约束影响,横向焊接残余应力,图,3.5.2,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。,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。,当钢材厚度,t20mm,时,厚度方向焊接应力较小,可忽略;但,t50mm,时,厚度方向焊接应力可达,50Nmm,2,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。,3.5.2,焊接应力对结构性能的影响,1,、对结构静力强度的影响,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到,f,y,，即,N=N,y,时：,因此：焊接残余应力对结构的静力强度无影响。,B,f,y,面积,=A,t,N=0,A,c,2,A,c,2,A,c,N,N,b,f,y,a,b,c,d,f,e,f,y,N=N,y,=N/Bt,无残余应力,有残余,应力,e,图,3.5.4,2,、对结构刚度的影响,当焊接残余应力存在时，因截面的,bt,部分拉应力已经达到,f,y,，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：,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。,以上图轴心受拉杆件为例：,1,2,显然：,3,、对压杆稳定承载力的影响,对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。,5,、对疲劳强度的影响,4,、对低温冷脆的影响,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。,在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。,三向焊接残余应力,x,z,y,3.5.3,焊接变形,1,、焊接残余变形的种类,在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有,：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。,实际的焊接变形常常是几种变形的组合。,纵向及横向收缩,角变形,弯曲变形,扭曲变形,波浪变形,图,3.5.5,2,、焊接变形对结构性能的影响,焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正；,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。,3.5.4,减小焊接应力和焊接变形的措施,1.,设计方面的措施,推荐,不推荐,推荐,不推荐,（,1,）合理安排焊缝的位置,（对称布置焊缝可减小焊接变形）,（,4,）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力,（,2,）合理的选择焊缝的尺寸和形式,（,3,）尽量避免焊缝的过分集中和交叉,推荐,不推荐,推荐,不推荐,切角,推荐,不推荐,易引起层状撕裂,2、工艺上的措施,（,1,）采用合理的施焊顺序,分块拼接,1,2,3,4,5,分段退焊,5 4 3 2 1 1 2 3 4 5,8 7 7 8,6 6,I,II,III,对角跳焊,1,2,3,4,沿厚度分层焊,III,II,I,图,3.5.6,（,2,）采用反变形处理,（,3,）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,焊前反变形,图,3.5.7,第,3.6,节 螺栓连接的构造,1.,螺栓的种类,2.,螺栓的排列,3.,螺栓连接的构造要求,了解螺栓的排列形式和要求,本节目录,基本要求,3.6.1,螺栓的种类,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,类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为,0.25,0.5mm,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,1,、普通螺栓,性能等级的含义：,5,表示,f,u,500N/mm,2,0.6,表示,f,y,/f,u,=0.6,如,5.6,级,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,2,、高强度螺栓连接,大六角头螺栓,扭剪型螺栓,1,2 3 4,1-,螺栓；,2-,垫圈；,3-,螺母；,4-,螺丝,;5-,槽口,1,4 3 5,图,3.6.1,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,1.5-2.0mm,；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大,1.0-1.5mm,。,3.6.2,螺栓的排列,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,端距,边距 边距,中距,3d,0,图,3.6.2,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。,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,2d,0,；,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,（,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,端距,中距,边距,线距,3,d,0,2,d,0,3,d,0,1.5,d,0,1.5,d,0,3,d,0,3,d,0,2,d,0,端距,边距,1.5,d,0,(1.2,d,0,),2,d,0,2,d,0,1.5,d,0,3,d,0,端距,并列,错列,图,3.6.3,螺栓或铆钉的最大、最小容许距离,1.2d,0,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,1.5d,0,剪切边或手工气割边,垂直内力方向,2d,0,4d,0,或,8t,顺内力方向,中心,至构,件边,缘距,离,沿对角线方向,16d,0,或,24t,拉力,12d,0,或,18t,压力,顺内力方向,16d,0,或,24t,垂直内力方向,中,间,排,3d,0,8d,0,或,12t,外排（垂直内力方向或顺内力方向）,中心,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),d,0,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。,3.6.3,螺栓连接的构造要求,螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：,（,1,）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。,（,2,）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动。,（,3,）,C,级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。,（,4,）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。,第,3.7,节 普通螺栓连接的工作性能和计算,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,本节目录,基本要求,2.,掌握普通螺栓连接的计算方法,3.7.1,普通螺栓的抗剪连接,1,、抗剪连接工作性能和破坏形式,（,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,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。,N,N/2,N/2,b,a,0,1,2,3,4,1,2,3,4,N,普通螺栓,高强度螺栓,图,3.7.1,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。,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,。,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-,关系以曲线状态上升。,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,栓杆被剪坏,破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时,N,N,孔壁被挤压破坏,破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时,N,N,板件被拉断,破坏条件：截面削弱过多时,N,N,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。,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,2d,0,a,N,N,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,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和两种形式破坏。,N/2,N,N/2,2,、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：,式中,：n,v,受剪面数目，单剪,=1,；双剪,=2,。,d,螺栓杆公称直径；,f,v,b,螺栓的抗剪强度设计值。,N,N/2,N/2,t,2,t,1,t,3,N,N,t,2,t,1,d,（,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