第4章 钢结构的连接.ppt

第4章钢结构的连接 本章导学 导学提示 本章主要介绍钢结构的连接方法及其特点 常用的焊接方法和焊缝形式 焊缝缺陷对其承载力的影响及质量检验方法 焊接残余应力和焊接残余变形的种类 产生原因及其影响 以及减少和消除的方法 螺栓连接的构造要求和各种螺栓的表示方法 对接焊缝和角焊缝的构造与计算 普通螺栓和高强度螺栓连接的工作性能和强度计算 本章要求 1 了解焊接连接的方法和焊缝连接的形式 2 理解焊接残余应力产生的原因 焊接残余变形对结构性能的影响 3 深刻理解对接焊缝及角焊缝的工作性能 熟练掌握各种内力作用下 焊缝连接的构造 传力过程和计算方法 4 掌握螺栓排列方式和构造要求 理解普通螺栓的破坏形式 深刻理解普通螺栓和高强度螺栓的工作性能 熟练掌握螺栓连接在传递各种内力时 连接的构造 传力过程和计算方法 关键知识 1 角焊缝的构造与计算 2 普通螺栓连接的计算 3 高强度螺栓连接的计算 重点讲解 1 角焊缝的构造与计算 2 普通螺栓连接的计算 3 高强度螺栓连接的计算 难点解析 如何运用相关公式进行各种连接计算 4 1钢结构的连接方法 4 1 1焊缝连接 1 焊缝连接的优点 1 不削弱构件截面 节约钢材 2 焊件间可直接焊接 一般不需要其他的连接件 构造简单 可焊接成任何形状的构件 3 连接的密封性好 结构刚度大 4 制作加工方便 可实现自动化作业 生产效率高 2 焊缝连接的缺点 1 位于焊缝附近热影响区的钢材的金相组织发生改变 导致局部材质变脆 2 在焊件中产生焊接残余应力和焊接残余变形 对结构工作有不利影响 3 焊接结构对裂纹很敏感 一旦局部发生裂纹便有可能迅速扩展到整个截面 尤其在低温下易发生脆断 优点 安装拆卸方便 缺点 构造复杂 截面削弱 不经济 1 普通螺栓连接由Q235钢制成 根据加工精度分A B C三级 A级与B级为精制螺栓 由毛坯在车床上经过切削加工精制而成 类孔 孔径比杆径大0 3 0 5mm 抗剪性能好 制造安装费工 少用 性能等级为5 6级或8 8级 C级为粗制螺栓 由未经加工的圆钢压制而成 类孔 孔径比杆径大1 5 3 0mm 抗剪性能差 但传递拉力性能好 性能等级为4 6级或4 8级 4 1 2螺栓连接 2 高强度螺栓连接摩擦型高强度螺栓连接 只依靠摩擦阻力传力 并以剪力不超过接触面摩擦力作为设计准则 承压型高强度螺栓连接 允许接触面滑移 以连接达到破坏的极限承载力作为设计准则 8 8级和10 9级高强度螺栓 螺栓抗拉强度应分别不低于800N mm2和1000N mm2 摩擦型连接的剪切变形小 弹性性能好 施工较简单 可拆卸 耐疲劳 特别适用于承受动力荷载的结构 承压型连接的承载力高于摩擦型 连接紧凑 但剪切变形大 不得用于承受动力荷载的结构中 小数点后0 8 0 9 屈强比 总结对接焊缝焊接连接角焊缝粗制螺栓C级普通螺栓精制螺栓A B级螺栓连接高强度螺栓摩擦型高强度螺栓承压型高强度螺栓铆钉连接 1 手工电弧焊 原理 打火引弧 电弧周围的金属液化 溶池 焊条熔化 滴入溶池 与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝 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 4 2 1常用焊接方法 电弧焊 埋弧焊 气体保护焊和电阻焊 4 2焊接连接基本知识 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 A 焊条的选择 焊条应与焊件钢材 主体金属 相适应 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 焊丝和焊剂的选择应与焊件等强度 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 2 2焊缝连接形式 按被连接钢材的相互位置可分为对接 搭接 T形连接和角部连接四种 对接焊缝按受力与焊缝方向分 1 正对接焊缝 作用力方向与焊缝方向正交 2 斜对接焊缝 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 作用力方向与焊缝长度方向垂直 2 侧面角焊缝 作用力方向与焊缝长度方向平行 3 斜焊缝 作用力方向与焊缝方向斜交 对接焊缝 焊缝位于被连接板件或其中一个板件的平面内 角焊缝 焊缝位于两个被连接板件的边缘位置 4 2 3焊缝形式 1 对接焊缝 2 角焊缝 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 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 裂纹是焊接连接中最危险的缺陷 4 2 4焊缝缺陷及焊缝质量检验 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 3 焊缝质量等级及选用GB50017规范规定 焊缝应根据结构的重要性 荷载特性 焊缝形式 工作环境以及应力状态等情况 按下述原则分别选用不同的质量等级 1 在需要进行疲劳计算的构件中 凡对接焊缝均应焊透 其质量等级为 作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T型对接与角接组合焊缝 受拉时应为一级 受压时应为二级 作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级 2 不需要计算疲劳的构件中 凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透 其质量等级当受拉时应不低于二级 受压时宜为二级 3 重级工作制和起重量Q 50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透 焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝 其质量等级不应低于二级 4 不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝 以及搭接连接采用的角焊缝 其质量等级为 对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁 焊缝的外观质量标准应符合二级 对其他结构 焊缝的外观质量标准可为三级 4 2 5焊缝符号及标注方法 焊缝符号表示法 规定 焊缝符号一般由基本符号与指引线组成 必要时还可以加上辅助符号 补充符号和焊缝尺寸符号 1 基本符号 表示焊缝的横截面形状 如用 表示角焊缝 用 V 表示V形坡口听对接焊缝 2 补充符号 补充说明焊缝的某些特征 如用 表示现场安装焊缝 用 表示焊件三面带有焊缝 3 指引线 一般由横线和带箭头的斜线组成 箭头指向图形相应焊缝处 横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等 4 建筑结构制图标准 GB T50105 2001中有关焊缝代号及标注方法的规定 1 单面焊缝的标注方法 2 双面焊缝的标注 其余焊缝标注参见教材或制图标准 4 3对接焊缝的构造与计算 4 3 1对接焊缝的构造 1 坡口型式 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 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 不采用引弧板时 焊缝计算长度等于实际长度减去2t t为较薄焊件厚度 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 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 4 3 2对接焊缝的计算 注意 1 对接焊缝一般只在焊缝质量等级为三级且受拉力作用时 才须进行抗拉强度计算 2 对焊缝质量等级为一 二级的对接焊缝 其强度设计值虽与母材相等 但当焊缝在无引弧板情况下施焊时 由于两端起 落弧的弧坑缺陷 规范 规定每条焊缝的计算长度比实际长度减去2t 因此焊缝强度会略低于母材 这种情况也需进行强度计算 1 轴心受力的对接焊缝 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 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 2 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 a sinq 不加引弧板时 l w a sinq 2t fvw 对接焊缝抗剪设计强度 计算证明 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 3 承受弯矩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 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 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 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 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 4 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 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 5 部分焊透的对接焊缝 当受力很小 焊缝主要起联系作用 或焊缝受力虽然较大 但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥时 可采用部分焊透的对接焊缝 4 4 1角焊缝的受力性能1 角焊缝的形式定义 焊缝位于两个被连接板件的边缘位置 1 按焊脚间的夹角 不同 直角角焊缝 900斜角角焊缝 900 a b c 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 4 4角焊缝的构造与计算 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 d 斜锐角焊缝 e 斜钝角焊缝 f 斜凹面角焊缝 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 2 按外力作用方向与焊缝轴线之间的夹角 不同 侧焊缝N力平行于焊缝轴线 0 端焊缝 正面角焊缝 N力垂直于焊缝轴线 90 斜焊缝N力与焊缝轴线斜交 90 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 2 角焊缝的受力性能 试验表明侧面角焊缝主要承受剪力 强度相对较低 塑性性能较好 因外力通过焊缝时发生弯折 故剪应力弹性阶段沿焊缝长度分布不均匀 两端大中间小 lw hf越大剪应力分布越不均匀 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 与侧面角焊缝相比可高出35 55 以上 但塑性差 弹性模量大 正面角焊缝的破坏形式 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 焊角尺寸 hf 1 焊缝的破坏面 4 4 2直角焊缝的强度计算 试验表明 直角角焊缝的破坏常沿有效厚度方向发生 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 2 有效截面上的应力状态 角焊缝有效截面上的应力 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 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 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 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 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 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 则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为 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 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 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 通式 1 焊脚尺寸hf 1 最小焊脚尺寸hfmin 保证焊缝的最小承载能力 并防止焊缝因冷却过快而产生裂缝 4 4 3角焊缝的构造要求 自动焊的角焊缝 T形连接的单面角焊缝 当焊件厚度 4mm时 hfmin与焊件同厚 2 最大焊脚尺寸hfmax 避免烧穿较薄的焊件 对板件边缘 厚度为t1 的角焊缝应符合下列要求 2 焊缝计算长度lw 1 焊缝计算长度 2 最小焊缝计算长度 3 最大焊缝计算长度 3 焊脚尺寸的选择 角焊缝计算长度 lw 取值lwmin lw lwmax 3 断续角焊缝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 连续角焊缝和断续角焊缝 4 搭接连接的构造要求 1 搭接宽度 2 搭接长度 4 4 4各种受力状态下直角角焊缝连接的计算 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 焊缝验算 焊缝设计 B 端焊缝 正面角焊缝 受轴心力作用 f 正面角焊缝的强度设计值增大系数 对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构 f 1 22 对直接承受动力荷载的结构 f 1 0 焊缝验算 焊缝设计 C 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 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 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 4 15 得焊缝计算公式 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 通式 1 当 0 时 只有NY 侧焊缝 f 12 当 90 时 只有NX 端焊缝 f f 1 223 当 0 90 时 同时有NX和NY 斜焊缝 结论 侧焊缝和端焊缝是斜焊缝的两个特例 公式可以统一 总结 采用三面围焊 图4 48 b 采用三面围焊可以减小两侧侧面角焊缝的长度 从而减小拼接盖板的尺寸 设拼接盖板的宽度和厚度与采用两面侧焊时相同 故仅需求盖板长度 已知正面角焊缝的长度 正面角焊缝所能承受的内力为 连接一侧所需侧面角焊缝的总长度为 连接一侧共有4条侧面角焊缝 则一条侧面角焊缝的长度为 则拼接盖板的长度为 取为180mm 采用菱形拼接盖板 图4 48 c 当拼接板宽度较大时 采用菱形拼接盖板可减小角部的应力集中 从而使连接的工作性能得以改善 设计时 一般先假定拼接盖板的尺寸再进行验算 拼接盖板尺寸如图4 48 c 所示 则各部分焊缝的承载力分别为 侧面角焊缝 斜焊缝 斜焊缝的强度介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间 从设计角度出发 将斜焊缝视作侧面角焊缝进行计算 这样处理是偏于安全的 连接一侧焊缝所能承受的内力为 满足要求 正面角焊缝 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 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 a 仅用侧面焊缝连接 解上式得肢背和肢尖的受力为 在N1 N2作用下 侧缝的计算长度 由平衡条件得 1 角钢肢背焊缝的内力分配系数 2 角钢肢尖焊缝的内力分配系数 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 通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为 在N1 N2作用下 侧焊缝的长度用公式同前 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 若求出得hf3大于hfmax 则不能采用L形围焊 2 承受弯矩 轴心力或剪力共同作用的角焊缝连接计算 轴力Nx产生的垂直于焊缝长度方向的应力 弯矩M产生的垂直于焊缝长度方向的应力 剪力V产生的平行于焊缝长度方向的应力 工字形梁与柱的连接 V M共同作用下焊缝强度计算 1 对于1点 式中 Iw 全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩 h 两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离 方法1 假设 腹板焊缝承受全部剪力 全部焊缝承受弯矩 2 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 方法2 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 3 同时承受扭矩与剪力作用的角焊缝连接计算 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 A点合应力应满足的强度条件为 T作用下A点应力 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 1 不考虑应力方向 统一取 f 1 0 4 4 5斜角角焊缝连接的计算 1 斜角焊缝的计算 计算方法与直角角焊缝相同 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 3 规范规定 当两焊脚边夹角60o 135o 且根部间隙 b b1 b2 不大于1 5mm时 取焊缝有效厚度为 4 当根部间隙 b b1 b2 大于1 5mm时 焊缝有效厚度为 5 任何根部间隙不得大于5mm 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 4 4 6部分焊透对接焊缝的计算 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 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 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 不焊透对接焊缝的禁用 规范 规定 焊接应力 热应力 钢材焊接时在焊件上产生局部高温的不均匀温度场 高温部分钢材要求较大的膨胀伸长但受到邻近钢材的约束 从而在焊件内引起较高的温度应力 并在焊接过程中随时间和温度而不断变化 焊接残余应力 焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形 钢材冷却后残存于焊件内的应力 焊接变形 热变形 在焊接和冷却过程中由于焊件受热和冷却都不均匀 除产生内应力外 还会产生变形 焊接和冷却过程中焊件产生的变形即焊接变形 焊接残余变形 冷却后残存于焊件的变形 4 5焊接残余应力和焊接残余变形 几个名词 4 5 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 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 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 不同施焊方向下 焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 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 1 对结构静力强度的影响 因焊接残余应力自相平衡 故 4 5 2焊接应力对结构工作性能的影响 2 对结构刚度的影响 当焊接残余应力存在时 因截面的b 部分拉应力已经达到fy 故该部分刚度为零 屈服 这时在N作用下的伸长率为 当截面上没有焊接残余应力时 在N作用下伸长率为 结论 焊接残余应力使结构变形增大 即降低了结构的刚度 5 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 3 对压杆稳定的影响 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 1 焊接变形若超出验收规范规定 需花许多工时去矫正 2 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 4 5 3焊接残余变形的产生 4 5 4减少焊接残余应力和焊接残余变形的措施 1 设计措施 1 合理安排焊缝的位置 2 选择适当焊缝尺寸 3 选择合理的焊缝形式 1 应采用合理的焊接顺序和方向 2 工艺措施 2 采用反变形法 3 采用预热或后热措施 4 考虑施焊时 焊条是否易于到达 4 6螺栓连接的构造 4 6 1螺栓的形式和规格 1 普通螺栓的形式和规格 2 高强度螺栓连接副的形式和规格 a 大六角头型 b 扭剪型 高强度螺栓和与之配套的螺母和垫圈合称连接副 4 6 2螺栓的排列 1 螺栓的排列 并列布置 螺栓布置紧凑 连接板件尺寸小 但栓孔对构件截面的削弱大 错列布置 栓孔对构件截面削弱小 但螺栓布置松散 连接板件尺寸大 并列错列 1 受力要求 因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距 中心距太大 端距过小 2 排列要求 2 构造要求若栓距及线距过大 则构件接触面不够紧密 潮气易侵入缝隙而发生锈蚀 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 根据规范规定的螺栓最大 最小容许间距 排列螺栓时宜按最小容许间距取用 且宜取5mm的倍数 并按等距离布置 以缩小连接的尺寸 最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用 1 为了保证连接的可靠性 每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓 4 6 3螺栓连接的构造要求 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 以下情况可用于抗剪连接 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 5 沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板 法兰板 应适当增强其刚度 如加设加劲肋 以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响 6 在高强度螺栓连接范围内 构件接触面的处理方法应在施工图中说明 4 6 4螺栓 孔 电焊铆钉的表示方法 4 7普通螺栓连接的工作性能和计算 螺栓连接的受力形式分为 只受剪力 只受拉力 同时承受剪力和拉力的共同作用 只受剪力 只受拉力 剪力和拉力共同作用 1 抗剪螺栓连接 连接受力后被连接件的接触面产生相对滑移倾向 剪力螺栓连接依靠螺栓杆的抗剪和孔壁承压来传递垂直于栓杆方向的外力 2 抗拉螺栓连接 连接受力后被连接件的接触面产生相互脱离倾向 由螺栓杆直接承受拉力来传递平行于螺栓杆方向的外力 3 抗拉抗剪螺栓连接 连接受力后被连接件的接触面产生相对滑移倾向和相对脱离倾向 依靠螺栓杆的抗剪 孔壁承压和栓杆受拉来传递外力 对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 该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段 4 7 1受剪螺栓连接 1 摩擦传力的弹性阶段 0 1段 直线段 连接处于弹性状态 该阶段较短 摩擦力较小 2 滑移阶段 1 2段 克服摩擦力后 板件间突然发生水平滑移 最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙 表现在曲线上为水平段 1 受剪螺栓连接的工作性能 3 栓杆传力的弹性阶段 2 3段 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力 栓杆受剪力 拉力 弯矩作用 孔壁受挤压 由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大 N 关系以曲线状态上升 4 弹塑性阶段 3 4段 达到 3 后 即使给荷载以很小的增量 连接的剪切变形迅速增大 直到连接破坏 4 点 曲线的最高点 即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu 1 栓杆被剪断 2 连接件被孔壁挤压破坏 3 钢板拉 压 断 4 钢板冲剪破坏 5 栓杆弯曲破坏 受剪螺栓的破坏形式 单栓抗剪承载力 抗剪承载力设计值 承压承载力设计值 2 单个普通螺栓抗剪连接的承载力 抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况 故单栓抗剪承载力由以下两式决定 假定挤压力沿栓杆直径平面 实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分 均匀分布 nv 受剪面数目 d 螺栓杆直径 fvb fcb 螺栓抗剪和承压强度设计值 t 连接接头一侧承压构件总厚度的较小值 剪力螺栓的剪面数和承压厚度 试验证明 栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀 两端大 中间小 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 内力重新分布 各个螺栓内力趋于相同 故设计时假定N由各螺栓平均分担 3 普通螺栓群抗剪连接计算 1 普通螺栓群轴心受剪计算 连接所需螺栓数为 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 即使内力重新分布 各个螺栓内力也难以均匀 端部螺栓首先破坏 然后依次破坏 由试验可得连接的抗剪强度折减系数 与l1 d0的关系曲线 连接所需栓数 当15do l1 60do 钢规7 2 5条 验算净截面强度为防止构件或连接板因螺孔削弱而拉 或压 断 还须按下式验算连接开孔截面的净截面强度 净截面强度验算应选择构件或连接板的最不利截面 即内力最大或栓孔较多的截面 螺栓并列布置按最危险的正交截面 计算 螺栓错列布置可能沿正交截面 破坏 也可能沿齿状截面 破坏 取截面的较小面积计算 2 普通螺栓群偏心受剪 基本假设 连接件绝对刚性 螺栓弹性 T作用下连接板件绕栓群形心转动 各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离ri成正比 方向与它和形心的连线垂直 设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 r2 r3 rn 各螺栓承受的分力分别为N1T N2T N3T NnT 根据平衡条件得 显然 T作用下 1 号螺栓所受剪力最大 r1最大 在轴心力FX FY作用下可认为每个螺栓平均受力 由假设 得到 螺栓1离形心最远是危险螺栓 最大剪力N1T 将N1T它分解为水平和竖直分力 得受力最大螺栓所承受的合力为 如果y1 3x1 则可假定xi 0 由此得N1Ty 0 则计算式为 如果x1 3y1 则可假定yi 0 由此得N1Tx 0 则计算式为 设计中 通常是先按构造要求布置好螺栓 再用式 4 63 验算受力最大的螺栓 由于连接设计是由少数受力最大的螺栓的承载力控制 而其他大多数螺栓受力较小 不能充分发挥作用 因此这是一种偏安全的弹性设计法 4 7 2普通螺栓的受拉连接 普通螺栓受拉的工作性能 b 试验证明影响撬力的因素较多 其大小难以确定 规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20 来考虑撬力的影响 取ftb 0 8f f 螺栓钢材的抗拉强度设值 a 螺栓受拉时 一般是通过与螺杆垂直的板件传递 即螺杆并非轴心受拉 当连接板件发生变形时 螺栓有被撬开的趋势 杠杆作用 使螺杆中的拉力增加 撬力Q 并产生弯曲现象 连接件刚度越小撬力越大 c 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法 来减小杠杆作用引起的撬力 如设加劲肋 可以减小甚至消除撬力的影响 1 单个普通螺栓的抗拉承载力 Ntb 单个螺栓抗拉承载力 Ae 螺栓螺纹处的有效面积 de 螺栓有效直径 ftb 螺栓的抗拉强度设计值 ftb 0 8f 假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布 则一个拉力螺栓的承载力设计值 螺栓的有效截面面积因栓杆上的螺纹为斜方向的 所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn 现行国家标准取 当外力通过螺栓群形心时 一般假定每个螺栓均匀受力 因此连接所需的螺栓数目为 2 普通螺栓群轴心受拉 3 普通螺栓群弯矩受拉 M作用下螺栓连接按弹性设计 其假定为 连接板件绝对刚性 螺栓为弹性 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处 各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比 显然 1 号螺栓在M作用下所受拉力最大 因此 设计时只要满足 螺栓i的拉力 即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值 4 普通螺栓群偏心受拉 小偏心受拉当M N较小时 所有螺栓均承受拉力作用 构件绕螺栓群的形心O转动 螺栓群的最大和最小螺栓受力为 当Nmin 0 e 则表示所有螺栓受拉 螺栓群绕形心轴旋转 大偏心受拉当Nmin 构件有绕底排螺栓中心旋转趋势 偏于安全取中和轴位于最下排螺栓O 处 受拉力最大的螺栓要求满足 4 7 3拉剪螺栓连接 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式 一是螺栓杆受剪受拉破坏 二是孔壁承压破坏 当设支托时 剪力V可由安装支托承受 螺栓只受弯矩和轴力引起的拉力 安装支托与翼缘板的连接角焊缝应按下式进行计算 规范规定 同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓 应分别符合下列公式的要求 验算剪 拉联合作用 验算孔壁承压 NVb 单个螺栓抗剪承载力设计值 Ncb 单个螺栓承压承载力设计值Ntb 单个螺栓抗拉承载力设计值 Nv Nt 单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值 试验研究结果表明 兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力 所得的相关关系近似为圆曲线 螺栓连接的设计步骤 l 根据连接的部位和形式 并结合受力性质 被连接件的厚度和连接可供布置螺栓的尺寸等条件 选择合适的螺栓直径 2 根据受力情况对螺栓进行计算 对受轴心力作用的受剪或受拉螺栓连接 可先按连接承受的轴心力和单个螺栓的承载力求出需要的螺栓数目 然后按排列要求进行布置 对受偏心力作用的受剪或受拉螺栓连接以及拉剪螺栓连接 则须先布置螺栓 然后按所承受的外力对最不利螺栓进行验算 3 验算构件 或连接盖板 最不利开孔截面的净截面强度 抗拉强度或抗弯强度 抗剪强度 4 结合施工图的绘制 在设置螺栓处用螺栓符号正确标注 并附注有关螺栓的直径 孔径等的文字说明 螺栓连接设计须注意的问题 l 同一设计中选用的螺栓直径 其规格不宜太多 2 螺栓布置除应符合排列要求 在型钢上布置还应符合线距要求 外 还应考虑要有足够的紧固空间和能否穿进螺栓 如连接的一侧是封闭结构 则无法穿进螺栓 3 每一杆件在节点上以及拚接接头的一端 永久性的螺栓数不宜少于两个 但对组合构件的缀条 根据实践经验 其端部连接可采用一个螺栓 如某些塔桅结构的腹杆端部连接 过去已用过一个螺栓 4 在受力不利情况的连接中 由于螺栓偏心受力较大 螺栓的数目应予增加 材料高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母 垫圈的合称 高强度螺栓常用钢材有优质碳素钢中的45号钢 合金钢中的20锰钛硼钢等 制成的螺栓有8 8级和10 9级 分类按受力特征的不同高强度螺栓分为两类 摩擦型高强度螺栓 通过板件间摩擦力传递内力 破坏准则为克服摩擦力 承压型高强度螺栓 受力特征与普通螺栓类似 在外力的作用下螺栓承受剪力和拉力 高强度螺栓安装时将螺帽拧紧 使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面 靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移 以达到传递外力的目的 4 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 摩擦型 只靠摩擦阻力传力 以剪力达到接触面的摩擦力作为承载力极限状态 设计准则 0 1 承压型 以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏为承载力极限状态 设计准则 0 4 4 8 1高强度螺栓连接的工作性能 高强螺栓 分大六角头型和扭剪型两种 1 高强度螺栓的预拉力 为了保证通过摩擦力传递剪力 高强度度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要 大六角头螺栓的预拉力控制方法有 a 力矩法初拧 用力矩扳手拧至终拧力矩的30 50 使板件贴紧密 终拧 初拧基础上 按100 设计终拧力矩拧紧 特点 简单 易实施 但得到的预拉力误差较大 1 预拉力的控制方法 b 转角法初拧 用普通扳手拧至不动 使板件贴紧密 终拧 初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度 一般为120o 180o完成终拧 特点 预拉力的建立简单 有效 但要防止欠拧 漏拧和超拧 扭断螺栓杆尾部法 扭剪型高强度螺栓 初拧 拧至终拧力矩的60 80 终拧 初拧基础上 以扭断螺栓杆尾部为准 特点 施工简单 技术要求低易实施 质量易保证等 高强度螺栓的施工要求 终拧力矩偏差不应大于 10 如发现欠 漏和超拧螺栓应更换 拧固顺序先主后次 且当天安装 当天终拧完 如工字型梁为 上翼缘 下翼缘 腹板 Ae 螺纹处有效截面积 fu 螺栓热处理后的最抵抗拉强度 8 8级 取fu 830N mm2 10 9级 取fu 1040N mm2 2 高强度螺栓预拉力的确定 考虑螺栓材质不均匀性 引进一个折减系数0 9 为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0 9 考虑拧紧螺帽时 螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1 2 附加安全系数0 9 高强螺栓的预拉力P GB50017 高强度螺栓的预拉力P GB50018 摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的 而摩擦力的大小取决于板件间的挤压力 P 和板件间的抗滑移系数 2 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 摩擦面抗滑移系数 值 板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关 其大小随板件间的挤压力的减小而降低 试验证明 摩擦面涂红丹防锈漆后 抗滑移系数小于0 15 故摩擦面应严禁涂红丹 另外 连接在潮湿或淋雨条件下拼装 也会降低 值 故应采取有效措施保证连接处表面的干燥 1 高强度螺栓摩擦型连接 单个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值 式中0 9 抗力分项系数的倒数 nf 高强度螺栓的传力摩擦面数目 单剪nf 1 双剪nf 2 P 一个高强度螺栓的设计预拉力 3 高强度螺栓抗剪连接的工作性能 摩擦面抗