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第三章连接Chapter3Connections 焊缝连接 螺栓连接 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 1 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 1钢结构的连接 连接的方式焊缝连接 铆钉连接和螺栓连接 连接的原则安全可靠 传力明确 构造简单 制造方便和节约钢材 图3 1 1连接的方式 螺栓连接 铆钉连接 焊接连接 2 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 1 1焊缝连接 1 钢结构常用的焊接方法 电弧焊 埋弧焊 气体保护焊和电阻焊 1 手工电弧焊 原理 利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝 图3 1 2手工电弧焊 优点 方便 适用于任意空间位置的焊接 特别适用于在高空和野外作业 小型焊接 缺点 质量波动大 要求焊工等级高 劳动强度大 生产效率低 3 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections A 焊条的选择 焊条应与焊件钢材 主体金属 相适应 Q390 Q420钢选择E55型焊条 E5500 E5518 Q345钢选择E50型焊条 E5001 E5048 Q235钢选择E43型焊条 E4300 E4328 B 焊条的表示方法 E 焊条 Electrode 第1 2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度 kgf mm2 第3 4表示适用焊接位置 电流及药皮的类型 不同钢种的钢材焊接 宜采用与低强度钢材相适应的焊条 4 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 埋弧焊 自动或半自动 电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法 机器 优点 自动化程度高 焊接速度快 劳动强度低 焊接质量好 缺点 设备投资大 施工位置受限 焊丝的选择应与焊件等强度 5 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 气体保护焊 利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法 直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层 以防止有害气体的侵入 优点 没有熔渣 焊接速度快 焊接质量好 缺点 施工条件受限制 不适用于在风较大的地方施焊 4 电阻焊 利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属 再通过压力使其焊合 适用于板叠厚度不大于12 的焊接 6 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 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 整体性好 焊接的缺点 焊缝附近有热影响区 钢材的金相组织发生改变 导致局部材质变脆 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏 降低压杆稳定的临界荷载 残余变形使结构形状 尺寸发生变化 焊接裂缝一经发生 便容易扩展到整体 低温冷脆问题较为突出 焊接的优点 7 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 焊缝连接形式及焊缝形式 1 焊缝连接形式 分为对接 搭接 T形连接和角部连接 8 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 焊缝形式 分为对接焊缝和角焊缝 对接焊缝按受力与焊缝方向分 1 正对接焊缝 a 作用力方向与焊缝方向正交 2 斜对接焊缝 b 作用力方向与焊缝方向斜交 角焊缝按受力与焊缝方向分 1 正面角焊缝 c 作用力方向与焊缝长度方向垂直 2 侧面角焊缝 c 作用力方向与焊缝长度方向平行 3 斜焊缝 c 作用力方向与焊缝方向斜交 图3 1 5焊缝形式 9 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 1 对接焊缝 2 角焊缝 10 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 角焊缝沿长度方向的布置 1 连续角焊缝 受力性能较好 为主要的角焊缝形式 2 间断角焊缝 在起 灭弧处容易引起应力集中 平焊 立焊 横焊和仰焊 焊缝按施工位置分为 11 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 焊缝缺陷及焊缝质量检验 1 焊缝缺陷焊缝缺陷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 12 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 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r射线透照或拍片 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 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 13 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 焊缝质量等级及选用 钢结构设计规范 GB50017 2003 中 对焊缝质量等级的选用有如下规定 1 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 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 3 重级工作制和起重量 50t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 4 角焊缝质量等级一般为三级 但对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q 50t的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级 14 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 4 焊缝代号 15 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 1 2螺栓连接 1 普通螺栓连接 16 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 高强度螺栓连接 高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母的合称 由45号 40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成 45号 8 8级 40B和20MnTiB 10 9级 a 大六角头螺栓 b 扭剪型螺栓 17 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较 18 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 主要连接方法及优缺点 19 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 2对接焊缝的构造和计算 3 2 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 图3 2 1对接焊缝的坡口形式 a 直边缝 适合板厚t 10mmb 单边V形 c 双边V形 适合板厚t 10 20mmd U形 e K形 f X形 适合板厚t 20mm 20 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 对接焊缝的优缺点 优点 用料经济 传力均匀 无明显的应力集中 利于承受动力荷载 缺点 需剖口 焊件长度要求精确 3 对接焊缝的构造处理 21 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 1 为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板 2 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 3 在对接焊缝的拼接处 当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时 应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1 2 5的斜角 以使截面过渡和缓 减小应力集中 22 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 4 对接焊缝的强度 1 受压 受剪的对接焊缝与母材强度相等 2 三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多 故其抗拉强度为母材强度的85 3 一 二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等 23 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 2 2对接焊缝的计算 1 轴心受力的对接焊缝 图3 2 5直对接焊缝连接 3 2 1 lw 焊缝计算长度 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 P382表1 3 1 对lw的取值 考虑到起落弧缺陷的影响 无引弧板时 焊缝计算长度取实际长度减去2t 有引弧板时 取实际长度 2 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 3 直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况 a 没有引弧板时需要计算 b 受拉情况下的三级焊缝 24 3 2 2 3 2 3 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 斜向受力的对接焊缝 对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心 并与焊缝长度方向呈 夹角 其计算公式为 l w 斜焊缝计算长度 加引弧板时 l w b sinq 不加引弧板时 l w b sinq 2t fvw 对接焊缝抗剪设计强度 P382表1 3 规范规定 当斜焊缝倾角q 56 3 即tanq 1 5时 可认为对接斜焊缝与母材等强 不用计算 25 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 承受弯距和剪力联合作用的对接焊缝 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 3 2 5 3 2 4 图3 2 7a弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝 M 焊缝承受的弯矩 Ww 焊缝截面模量 V 焊缝承受的剪力 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 26 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 对于工字形或T形截面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 3 2 6 式中 1 1 为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力 1 1为考虑到最大折算应力只在局部出现 而将强度设计值适当提高系数 图3 2 7b弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝 工字形截面梁在弯曲时 弯曲正应力主要由上 下翼缘承担 剪应力主要由腹板承担 这使得截面上各处的材料能达到充分的利用 27 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 受轴力 弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 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 3 2 4 3 2 5 同样对于工字形 箱形截面 还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力 其公式为 3 2 6 式中 28 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 对于梁柱节点处的牛腿 假定剪力由腹板承受 且剪应力均匀分布 其计算公式为 Aw 牛腿处腹板的焊缝计算面积 3 2 5 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 对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同 29 1 角焊缝的形式和强度 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 3角焊缝的构造和计算 3 3 1角焊缝的构造 角焊缝按截面形式 两焊脚边的夹角 可分为直角角焊缝和斜角角焊缝 1 直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面 a 对承受动力荷载的结构中 正面角焊缝的截面通常采用 b 的形式 侧面角焊缝的截面则做成凹面式 c 30 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 斜角角焊缝两焊边的夹角a 90 或a 90 的焊缝 通常用于钢漏斗和钢管结构中 hf 焊脚尺寸 焊脚边的夹角 he 有效厚度 破坏面上焊缝厚度 并有 he hfcos 2 对于 135o或 60o斜角角焊缝 除钢管结构外 不宜用作受力焊缝 31 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 正面角焊缝 焊缝垂直于受力方向 受力后应力状态较复杂 焊缝截面各面都有正应力和剪应力 应力集中严重 焊缝根部形成高峰应力 易于开裂 破坏强度要高一些 但塑性差 弹性模量大 1 侧面角焊缝 焊缝长度方向与受力方向平行 应力分布简单 主要承受剪应力 强度低 弹性模量低 但塑性较好 弹性阶段分布并不均匀 剪应力两端大 中间小 角焊缝的工作性能 图3 3 3角焊缝的应力分布 32 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 破坏形式 33 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 图3 3 4角焊缝荷载与变形关系 斜焊缝的受力性能和强度介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间 q为试验焊缝与试件水平方向的夹角 正面角焊缝的破坏强度比侧面角焊缝高 34 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 构造要求 角焊缝构造包括三个方面 焊脚尺寸 焊缝长度和减小焊缝应力集中的措施 角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸 hf 1 焊脚尺寸 为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝由于冷却速度快而产生淬硬组织 导致母材开裂 hf min应满足以下要求 a 最小焊脚尺寸 hf min 35 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 自动焊 温度高而均匀 手工焊角焊缝 t 较厚焊件的厚度 焊件厚度t 4mm时 取hfmin t T形连接单面角焊缝 冷却快 36 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections b 最大焊脚尺寸 hfmax 对板件 厚度t 边缘的角焊缝 贴边焊 当t 6mm时 hfmax t 当t 6mm时 hfmax t 1 2 mm 为了避免焊缝局部过热 烧穿较薄的焊件 减小焊接残余应力和残余变形 hf max应满足以下要求 直接焊接钢管结构的尺寸不宜大于支管壁厚的2倍 对于圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1 3 37 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 角焊缝计算长度 角焊缝计算长度 lw 取值lwmin lw lwmax 焊脚尺寸的取值hfmin hf hfmax 最小计算长度 lwmin 为了使焊缝能有一定的承载能力 根据使用经验 侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于 lwmin 8hf和40mm 考虑到焊缝两端的缺陷 其实际长度应较前述数值还要大2hf lwmax 60hf若实际长度超过以上数值 则超过部分不纳入计算长度中 若内力沿侧焊缝全长分布时 计算长度不受此限制 b 侧焊缝最大计算长度 lwmax 38 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 减小角焊缝应力集中的措施 图3 3 5侧焊缝引起焊件拱曲 为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大 b 16t t 12mm 或200mm t 12mm a 构件端部仅有两边侧缝连接时 试验结果表明 连接的承载力与b lw有关 为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均 每条侧缝长度b lw 1 b为两侧缝之间的距离 lw为焊缝长度 t为较薄焊件的厚度 39 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections c 直接承受动力荷载的结构中 角焊缝表面应做成直线形或凹形 焊脚尺寸的比例 正面角焊缝宜为1 1 5 长边与内力方向一致 侧面角焊缝可用直角焊缝为1 1 b 仅用正面角焊缝的搭接连接中 搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm d 当焊缝端部在焊件转角处时 应将焊缝延续绕过转角加焊2hf 避开起落弧发生在转角处的应力集中 40 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections e 在次要构件或次要焊接连接中 可采用断续角焊缝 断续角焊缝的长度不得小于10hf或50mm 断续角焊缝之间的净距 不应大于15t 对受压构件 或30t 对受拉构件 t为较薄焊件的厚度 以防板件局部凸曲鼓起 而对受力不利或潮气易于侵入而引起锈蚀 图3 3 7断续角焊缝 41 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 焊角尺寸 hf 1 焊缝的破坏面 3 3 2直角焊缝的基本计算公式 试验表明 直角角焊缝的破坏常沿有效厚度方向发生 图3 3 8直角角焊缝截面 有效厚度 he 0 7hf 焊缝厚度 有效厚度 熔深 凸度 有效截面 有效厚度 计算长度 计算时假定有效截面上应力均匀分布 42 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 有效截面上的应力状态 图3 3 9角焊缝有效截面上的应力 国际标准化组织 ISO 推荐用式 3 3 1 确定角焊缝的极限强度 在外力作用下 直角角焊缝有效截面上有三个应力 正应力 与焊缝长度方向 面外垂直 剪应力 与焊缝长度方向 面内平行 剪应力 与焊缝长度方向 面内垂直 上式相当于国产Q235钢提出 其它钢种公式左边系数 1 7 3 0 式中 fuw 焊缝金属的抗拉强度 43 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 3 3 ffw 角焊缝强度设计值 我国 规范 采用了折算应力公式 引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为 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 3 1 的1 8改为3即 ffw由角焊缝抗剪条件确定 所以公式右边相当于角焊缝抗拉强度设计值 44 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 图3 3 10直角角焊缝的计算 如图所示承受互相垂直的Ny Nx两个轴心力作用的直角角焊缝 Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力 f 其在有效截面上引起的应力值为 3 3 4 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 对直角角焊缝 3 实用计算方法 45 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 图3 3 10直角角焊缝的计算 沿焊缝长度方向的力Nx 在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力 f 3 3 5 46 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为 3 3 6 f 正面角焊缝的强度设计值增大系数 静载时 f 1 22 对直接承受动力荷载的结构 f 1 0 47 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 正面角焊缝 f 0 力N与焊缝长度方向垂直 侧面角焊缝 f 0 力N与焊缝长度方向平行 3 3 7 3 3 8 以上各式中 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 48 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 3 3角焊缝的计算 1 轴心力 拉力 压力和剪力 作用时角焊缝的计算 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 1 用盖板的对接连接 A 仅采用侧面角焊缝连接 Slw 连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和 49 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections B 采用三面围焊连接 先计算正面角焊缝承担的内力 Slw 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 Slw 连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和 50 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 承受斜向轴心力的角焊缝 平行于焊缝长度方向的分力Ncos 垂直于焊缝长度方向的分力Nsin 3 3 9a 3 3 9b 外力N和焊缝长度方向斜交 焊缝受到的力N被分解为 代入 3 3 6 得焊缝计算公式 51 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 3 10 令 则斜焊缝的计算公式为 将 f 斜焊缝强度增大系数 作成表格 52 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 承受轴心力的角钢端部连接 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 如图所示 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 图3 3 13桁架腹杆节点板的连接 53 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections a 仅用侧面焊缝连接 解上式得肢背和肢尖的受力为 3 3 14 3 3 15 由平衡条件得 肢背 肢尖 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 54 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 表3 3 1角钢角焊缝内力分配系数K 55 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections b 角钢用三面围焊时 可减小角钢的搭接长度 可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3 并算出它所能承受的内力N3 3 3 11 3 3 12 通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为 3 3 13 角钢角焊缝围焊的计算 N N1 N2 e b N3 lw2 lw1 在N1 N2作用下 侧焊缝的长度用公式 3 3 16 3 3 17 56 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections c 当采用L形围焊时 令N2 0 得 L形围焊角焊缝计算公式为 3 3 19 若求出得hf3大于hfmax 则不能采用L形围焊 3 3 18 3 3 20 57 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 例题3 2试设计用拼接盖板的对接连接 已知钢板宽B 270mm 厚度t1 28mm 拼接盖板的厚度t2 16mm 该连接承受的静态轴心力N 1400kN 设计值 钢材为Q235B 手工焊 焊条为E43型 58 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 分析 方法一 假定焊脚尺寸 焊缝长度 拼接盖板尺寸 步骤1 假定焊脚尺寸 hf 角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的 最大焊脚尺寸 规范规定 当t 6mm时 hf t 1 2 mm t为较薄焊件的厚度hfmax 14 15mm 取hf 10mm 最小焊脚尺寸 规范规定 hf 1 5 t 1 2 t为较厚焊件的厚度hfmin 7 9mm 59 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 步骤2 计算焊缝长度 lw 假设采用两面侧焊缝 拼接盖板采用上下两块 根据公式 3 3 8 式算得连接一侧所需焊缝的的总长度Slw 1250mm 拼接盖板的长度L 676mm 取680mm 由于该连接采用了上下两块拼接盖板 在连接一侧有4条侧焊缝 一条侧焊缝的实际长度lw 333mm验算lwmin lw lwmax 60 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 步骤3 确定拼接盖板的宽度 b 虽然沿拼接盖板的宽度方向没有施焊 但也应该根据强度条件和构造要求确定其宽度 强度条件 假设b 240mm 则拼接盖板的横截面积A 3840mm2 根据静态轴力计算的强度值s 182 3N mm2 f 215N mm2 选用拼接盖板的尺寸为680mm 240mm 16mm 构造要求 当板件端部只有两条侧面角焊缝连接时 要求b lw12mm时 b 16t t为较薄焊件的厚度 61 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 方法二 假定焊脚尺寸和拼接盖板尺寸 验算焊缝承载力 如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时 则应调整焊脚尺寸 再进行验算 步骤1 假定焊脚尺寸 hf 10mm 步骤2 假定拼接盖板尺寸采用菱形拼接盖板 拼接盖板上下两块 62 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 步骤3 计算各部分焊缝的承载力 a 正面角焊缝N1 109 3kN b 侧面角焊缝N2 448 0kN c 斜焊缝N3 854 8kN 步骤4 作用力设计值与承载力比较 N 1400kN N N1 N2 N3 1412kN满足要求 63 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 例3 3设计如图所示双面不等边角钢和节点板间的连接角焊缝 受动力荷载N 575kN 钢材Q235 手工焊 焊条E43型 分析 目标 设计焊缝 包括焊脚尺寸 焊缝长度 方法 假定焊脚尺寸 焊缝长度 64 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 步骤1 确定焊缝强度设计值 ffw 查 规范 P382表1 3 得ffw 160N mm2 步骤2 假定焊脚尺寸 hf 角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的 最大焊脚尺寸 规范规定 当t 6mm时 hf t 1 2 mm t为较薄焊件的厚度hfmax 8 9mm 取hf 6mm 最小焊脚尺寸 规范规定 hf 1 5 t 1 2 t为较厚焊件的厚度hfmin 5 6mm 65 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 步骤3 计算角钢肢背和肢尖上侧缝分担的轴力 N1 N2 查表 P69表3 3 1 得焊缝内力分配系数K1 0 65 K2 0 35 肢背角焊缝所承受的内力N1 373 75kN 肢尖角焊缝所承受的内力N2 201 25kN 66 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 步骤4 计算角钢肢背和肢尖上侧缝长度 lw1 lw2 肢背角焊缝侧缝长度lw1 278mm 考虑到起灭弧的影响 肢背和肢尖角焊缝实际长度 肢尖角焊缝侧缝长度lw2 150mm lw2 lw2 2hf 162mm lw1 lw1 2hf 290mm 67 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 验算下图所示连接的强度 采用三面围焊 已知钢板宽B1 400mm 厚t1 18mm 受轴心力N 1425kN 静荷载 钢材Q235B 手工焊 焊条E43型 取hf 8mm 两块矩形盖板宽B2 340mm 厚t2 12mm 68 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 1 受弯矩M 剪力V 轴力N联合作用时角焊缝的计算 由轴心拉力Nx产生的应力 由弯矩M产生的最大应力 2 复杂受力时角焊缝连接计算 69 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections A点产生的剪应力 A点控制应力最大为控制设计点 A点产生的正应力由两部分组成 轴心拉力Nx和弯矩M产生的正应力 直接叠加得 代入角焊缝实用计算公式 3 3 6 70 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 V M共同作用下焊缝强度计算 对于1点 式中 Iw 全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩 h1 两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离 3 3 21 假设 腹板焊缝承受全部剪力 全部焊缝承受弯矩 71 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 对于2点 强度验算公式 h2 腹板焊缝的实际长度 lw2 腹板焊缝的计算长度 he2 腹板焊缝截面有效高度 72 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 工字梁 或牛腿 与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是使焊缝传递应力近似与材料所承受应力相协调 即假设腹板焊缝只承受剪力 翼缘焊缝承担全部弯矩 并将弯矩M化为一对水平力H M h 腹板焊缝的强度计算式 翼缘焊缝的强度计算式 V 73 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 三面围焊受扭矩 剪力联合作用时角焊缝的计算 图3 3 19承受偏心力的三面围焊 将F向焊缝群形心简化得 轴心力V F扭矩T Fe 故 该连接的设计控制点为A点和A 点 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 74 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections T作用下A点应力 sT Ip 为焊缝计算截面对形心的极惯性矩 Ip Ix IyIx 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在x y方向的距离 75 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 轴力F产生的应力按均匀分布计算 A点应力 A点垂直于焊缝长度方向的应力为 f F 平行于焊缝长度方向的应力为 T 强度验算公式 76 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 1 不考虑应力方向 统一取 f 1 0 3 3 4斜角角焊缝和部分对接焊缝的计算 1 斜角焊缝的计算 计算方法与直角焊缝相同 按公式 3 3 6 至 3 3 8 计算 2 在确定斜角角焊缝的有效厚度时 假定焊缝在其所成夹角的最小斜面上发生破坏 77 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 规范规定 当两焊脚边夹角60o 2 90o 90o 1 135o 且根部间隙 b b1 b2 不大于1 5mm时 取焊缝有效厚度为 he hfcos a 2 4 当根部间隙 b b1 b2 大于1 5mm时 焊缝有效厚度为 cos ai 2 5 任何根部间隙不得大于5mm 78 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 1 焊缝受力很小甚至不受力 且要求外观齐平美观 2 焊缝受力虽较大 但采用焊透对接焊缝强度又得不到发挥 如采用角焊缝 焊脚又过大 于是做成用坡口加强的角焊缝 2 部分焊透对接焊缝的计算 图3 3 22部分焊透的对接焊缝截面型式 坡口形式有V形 全V形和半V形 U形和J形三种 在转角处采用半V形和J形坡口时 不宜在板的厚度上开坡口 这样可避免焊缝收缩的板厚度方向产生裂纹 79 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 由于未焊透 在焊件之间存在缝隙 焊根处有较大的应力集中 受力性能接近于角焊缝 规范规定 部分焊透的对接焊缝的强度按角焊缝强度公式计算 在垂直于焊缝长度方向的压力作用下 取 f 1 22 其他情况取 f 1 0 不焊透对接焊缝计算 用角焊缝公式计算 焊缝有效厚度he的取值为 a V形坡口 60 时 取he s 60 时 取he 0 75sb 单边V形和K形坡口 45 5 取he s 3mmc U形 J形坡口 取he ss为坡口根部至焊缝表面的最短距离 不考虑焊缝的凸度 为V形 单边V形 K形坡口的角度 80 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 不焊透对接焊缝的禁用 规范 规定 1 在直接承受动力荷载的结构中 垂直于受力方向的焊缝不得采用不焊透的对接焊缝 2 对重级工作制和起重量大于或等于50吨的中级工作制吊车梁上翼缘和腹板间的T型连接应采用焊透的对接焊缝 81 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 4焊接残余应力和焊接变形 3 4 1焊接残余应力和变形的原因 1 焊接残余应力的分类 纵向焊接应力 长度方向的应力 横向焊接应力 垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力 厚度方向焊接应力 垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力 2 焊接残余应力的成因 a 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程 焊件上产生不均匀的温度场 焊缝处可达1600oC 而邻近区域温度骤降 1 纵向焊接残余应力 82 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections b 高温钢材膨胀大 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 但受到两侧钢材的限制而产生拉应力 对于低碳钢和低合金钢 该拉应力可以使钢材达到屈服强度 c 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压应力 83 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 2 横向焊接残余应力 产生的原因 a 焊缝的纵向收缩 使焊件有反向弯曲变形的趋势 导致两焊件在焊缝处中部受拉 两端受压 b 焊接时已凝固的先焊焊缝 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 而先焊焊缝产生压应力 因应力自相平衡 更远处焊缝则产生拉应力 应力分布与施焊方向有关 以上两种应力的组合即为横向焊接残余应力 84 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 不同施焊方向下 焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 85 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 沿厚度方向的焊接残余应力 a 在厚钢板的焊接连接中 焊缝需要多层施焊 b 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 而先焊焊缝产生压应力 因应力自相平衡 更远处焊缝则产生拉应力 c 因此 除了横向和纵向焊接残余应力 x y外 还存在沿厚度方向的焊接残余应力 z 这三种应力形成同号 受拉 三向应力 大大降低连接的塑性 86 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 焊接残余变形的产生在施焊时 由于不均匀的加热和冷却 焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩 使构件产生变形 表现主要有 纵向收缩 横向收缩 弯曲变形 角变形 波浪变形 扭曲变形等 图3 4 4焊接变形 87 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 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fy 即N Ny时 3 4 2焊接应力和变形对结构工作性能的影响 1 焊接应力的影响 88 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 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fy 故该部分刚度为零 屈服 这时在N作用下应变增量为 1 2 当截面上没有焊接残余应力时 在N作用下应变增量为 结论 焊接残余应力使结构变形增大 即降低了结构的刚度 89 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 对低温冷脆的影响 4 对疲劳强度的影响 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 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 对压杆稳定的影响 90 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 焊接应力的影响 常温下不影响结构的静力强度 增大结构的变形 降低结构的刚度 降低疲劳强度 在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态 阻碍了塑性变形 在低温下使裂纹易发生和发展 降低压杆的稳定性 2 焊接变形的影响 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 91 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 3 4 3减少焊接应力和变形的措施 1 采用合理的施焊顺序和方向 2 采用反变形法减小焊接变形或焊接应力 3 锤击或碾压焊缝使焊缝得到延伸 4 小尺寸焊件 应焊前预热或焊后回火处理 1 合理的焊缝设计 1 合理的选择焊缝的尺寸和形式 2 尽可能减少不必要的焊缝 3 合理的安排焊缝的位置 4 尽量避免焊缝的过分集中和交叉 5 尽量避免母材在厚度方向的收缩应力 2 合理的工艺措施 92 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第三章连接 Chapter3Connections 例3 4验算图中梁与钢柱间的连接角焊缝的强度 钢材Q235 手工焊 焊条E43型 荷载设计值N 400kN 静力荷载 e 250mm 焊脚尺寸hf 8mm 例题3 4 角焊缝受偏心剪力