焊缝连接钢结构PPT课件.pptx

钢结构 原理与设计 第4章钢结构的焊缝连接 1 第4章钢结构的焊缝连接 主要内容 钢结构的连接方法焊接结构的特性和焊缝类别对接焊缝的计算和构造直角角焊缝的受力性能和强度计算直角角焊缝连接的计算和构造要求焊缝的质量等级重点 直角角焊缝的受力性能和强度计算直角角焊缝连接的计算和构造要求 2 钢结构的构件是由型钢 钢板等通过连接 connections 构成的 各构件再通过安装连接架构成整个结构 因此 连接在钢结构中处于重要的枢纽地位 在进行连接的设计时 必须遵循安全可靠 传力明确 构造简单 制造方便和节约钢材的原则 钢结构的连接方法可分为销钉 铆钉连接 螺栓连接 焊缝连接 射钉等 4 1钢结构的连接方法 3 4 1钢结构的连接方法 4 一 手工电弧焊 4 2钢结构中所使用的焊接方法简介 是最常用的一种焊接方法 通电后产生电弧使焊条中的焊丝熔化 滴落在焊件上被电弧所吹成的小凹槽熔池中 由焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖着熔池 防止空气与熔化的液体金属接触 避免形成脆性易裂的化合物 焊缝金属冷却后把被连接件连成一体 将正极接于焊件 负极接于焊条时 称为正接 反之为反接 正极的热量略高于负极 焊件厚度较大时 宜用正接 5 焊条选用 用于焊接Q235钢的焊条型号为E43 焊接Q345钢的焊条型号为E50 焊接Q390钢和Q420钢的焊条型号为E55 两不同强度的钢材相焊接时 可采用与较低强度钢材相适应的焊接材料 手工电弧焊设备简单 操作灵活方便 适于任意空间位置的焊接 特别适于焊接短焊缝 但生产效率低 劳动强度大 焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系 焊条型号中字母E表示焊条 electrode 前两位数字 单位kgf mm2 为焊条钢丝的最小抗拉强度 后两位数字表示适用连接位置 电流及药皮类型等 6 二 自动 或半自动 埋弧焊 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法 焊丝不涂药皮 但施焊端靠由焊剂漏头自动流下的颗粒状焊剂所覆盖 电弧完全被埋在焊剂之内 电弧热量集中 熔深大 适于厚板的焊接 具有很高的生产率 由于采用了自动或半自动化操作 焊接时的工艺条件稳定 焊缝的化学成分均匀 故焊成的焊缝的质量好 焊件变形小 埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属的力学性能相适应 并应符合现行国家标准的规定 1 焊丝转盘 2 送丝电机 3 焊剂漏斗 4 电源 5 融化的焊剂 6 焊缝金属 7 焊件 8 焊剂 9 移动方向 7 三 气体保护焊 气体保护焊是利用保护气 二氧化碳气体或其他惰性气体 代替焊剂作为保护介质的一种电弧熔焊方法 它直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层 以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程的稳定性 气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣 焊工能够清楚地看到焊缝成型的过程 由于保护气体是喷射的 有助于熔滴的过渡 又由于热量集中 焊接速度快 焊件熔深大 故所形成的焊缝强度比手工电弧焊高 塑性和抗腐蚀性好 适用于全位置的焊接 但不适用于在风较大的地方施焊 8 4 3焊接结构的特性和焊缝类别 4 3 1 焊接结构的特性焊接连接 weldedconnection 是现代钢结构最主要的连接方法 1 焊接与铆钉 螺栓连接比较 有以下优点 不需钻孔 省工省时 任何形状的构件可直接连接 连接构造方便 气密性 水密性好 结构刚度较大 整体性较好 2 缺点 焊接附近有热影响区 材质变脆 塑性和韧性降低 焊缝易产生各种缺陷 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏 残余变形使结构形状 尺寸发生变化 9 常见的焊接缺陷 P46 47 冷裂纹 焊缝 热裂纹 冷裂纹 热裂纹 焊缝 边缘未熔合 根部未焊透 咬肉 焊瘤 夹渣 气孔 图4 6焊接中的缺陷 裂纹 边缘未熔合 根部未焊透 咬肉 焊瘤 夹渣 气孔 10 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 在钢材冷却后这些部位残存的应力 它是构件未受荷载时的应力 是自相平衡的内应力体系 11 焊接残余变形 在焊接和冷却过程中焊件产生的变形 12 焊接结构的钢材必须具有良好的可焊性 P48 1 在一定的焊接工艺条件下施焊 焊缝及其附近的主体金属不会因焊接而产生裂纹 焊接后 结构的力学性能不低于原来主体金属 2 为了保证钢材具有良好的可焊性 碳素结构钢中碳的含量应是C 0 20 3 要正确设计焊接节点 注意尽量减少应力集中和焊接残余应力 残余变形的产生 13 二 焊接接头的形式和焊缝的类别 1 焊缝接头形式 对接 搭接 T形连接 角接 十字连接 对接焊缝 角焊缝 a b c 对接焊缝 角焊缝 焊缝接头形式 a 对接连接 b 搭接连接 c T形连接 d 角形连接 e 十字形连接 d e 对接焊缝 角焊缝 对接与角接组合焊缝 角焊缝 14 2 焊缝的类型 1 对接焊缝 坡口焊缝 当用于对接和T形接头时 对接焊缝传力最为直接 焊缝受力明确 且基本不产生应力集中 构造也最简单 图4 9对接焊缝的坡口形式 a 形焊缝 b 单边V形焊缝 c V形焊缝 d U形焊缝 e X形焊缝 f 双边U形焊缝 g K形焊缝 焊缝 t 10 t 20 t 20 t 20 t 20 t 20 t 20 t t t t t t t a b d f g e c 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 焊件长度要精确 15 2 焊缝的类型 2 角焊缝 用于搭接和T型接头 侧面角焊缝 侧缝 焊缝轴线与板件受力方向一致 其特点为应力分布简单些 但分布并不均匀 剪应力两端大 中间小 侧缝强度低 但塑性较好 正面角焊缝 端缝 焊缝轴线与板件受力方向相垂直 其特点为受力后应力状态较复杂 应力集中严重 焊缝根部形成高峰应力 易于开裂 端缝破坏强度要高一些 但塑性差 侧面角焊缝 正面角焊缝 侧面角焊缝 N N N N 图4 11搭接连接中的角焊缝 16 直角角焊缝 两焊脚间的夹角为直角 P50 斜角角焊缝 两焊脚间的夹角不是直角 主要用于钢管连接中 角焊缝除用于搭接接头外 还可用于T形接头 角形接头和十字形接头 焊脚 hf hf 1 5hf hf hf hf hf K K K a 等焊脚直角角焊缝 b 不等焊脚直角角焊缝 c 凹面直角角焊缝 a 图4 12直角角焊缝的截面形状 b c N 钢板 钝角角焊缝 钢板 锐角角焊缝 he 有效厚度 17 3 其它类型焊缝 塞焊缝 a 槽焊缝 b 点焊缝 c 塞焊缝 角钢 角焊缝 钢板 角焊缝 槽焊缝 b 角焊缝 点焊缝 a c 图4 14塞焊缝 槽焊缝和点焊缝 18 三 焊接位置 P51 施焊时焊条运行与焊缝的相对位置 a b c d 图4 15焊接位置 a 平焊 俯焊 b 横焊 水平焊 c 立焊 竖焊 d 仰焊 尽量避免仰焊 19 4 4焊缝符号 依据是国家标准 焊缝符号表示法 GB324 焊缝符号 基准线 箭头线 箭头线 基准线 焊缝符号 c b a 图4 17指引线的画法 a 焊件上的V形对接焊缝 b 指引线及焊缝的基本符号 虚线在实线下侧 c 同 b 但箭头线弯折一次 实线画在虚线下侧 焊缝符号由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成 必要时还可加上辅助符号 补充符号和焊缝尺寸符号 20 常用焊缝基本符号摘录 注 1 符号的线条宜粗于指引线 2 单边V形焊缝与角焊缝符号的竖向边永远画在符号的左边 常用焊缝基本符号摘录 21 基本符合与基准线的相对位置 P52 1 如果焊缝在接头的箭头侧 基本符号应标在基准线的实线侧 当不用虚线基准线时 应标在实线上方 2 如果焊缝在接头的非箭头侧 基本符号应标在基准线的虚线侧 当不用虚线基准线时 应标在实线下方 3 标双面对称焊缝时 基准线可只画实线一条 4 当为单面的对接焊缝如V型 U型焊缝 箭头应指向有坡口一侧 P52 53图4 17表4 2 22 非箭头侧 箭头侧 标法为 或 或 非箭头侧 箭头侧 标法为 或 或 标法为 a b c d 图4 18焊缝基本符号与基准线的相对位置 a 焊缝在箭头侧 b 焊缝在非箭头侧 c 双面对称布置的角焊缝 d 双面对称U形对接焊缝 焊缝标注举例 23 焊缝符号中的辅助符号与补充符号 24 焊缝符号中的辅助符号与补充符号 注 1 工地现场焊符号的旗尖指向基准线的尾部 2 尾部符号用以标注需说明的焊接工艺方法和相同焊缝数量符号 25 焊件1 焊件2 焊件3 hf 8mm 8 8 图4 19三个焊件两两相连时的焊缝标注方法 26 4 5对接焊缝的计算 P55 4 5 1对接焊缝的计算对接焊缝的有效截面引弧焊缝长度规定 对埋弧焊应大于50mm 对手工电弧焊和气体保护焊应大于20mm 焊接完毕 用气割切除引弧板 并修磨平整 严禁用锤击落 当无引弧板和引出板时 有效长度lw取b 2t 当有引弧板和引出板时 有效长度lw取焊件的宽度b 27 钢结构工程施工质量验收规范 规定 P55 一级焊缝要求作外观缺陷检查 对每条焊缝长度100 进行超声波探伤 二级焊缝要求作外观缺陷检查 对每条焊缝长度20 且不小于200mm进行超声波探伤 三级焊缝要求仅作外观检查 不进行超声波检查 28 2 对接焊缝的强度设计值 P523表1 2 抗压强度设计值fcw 抗剪强度设计值fvw和焊缝质量为一 二级时的抗拉和抗弯强度设计值ftw均取与焊件钢材相同的相应强度设计值f fv 焊缝质量为三级的抗拉和抗弯强度设计值则取相应焊件钢材强度设计值的0 85倍 即ftw 0 85f 并取以5N mm2为倍数的整数 对接焊缝的强度设计值 29 3 对接焊缝连接的计算 P56 计算原则 一 二级焊缝质量且有引弧板时不进行焊缝强度计算 一二级焊缝强度设计值与母材相等 仅计算三级焊缝或一 二级焊缝无引弧板时 轴心受力的对接焊缝 轴心力作用下对接焊缝连接 说明当tan 1 5时 焊缝强度能够保证 可不必验算 30 例题 试验算图示钢板的对接焊缝的强度 图中a 540mm t 22mm 轴心力的设计值为N 2400kN 钢材为Q235 B 手工焊 焊条为E43型 三级检验标准的焊缝 施焊时加引弧板 解 查表P523 附表1 2得直缝连接其计算长度lw a 540mm 焊接正应力为 改用斜对接焊缝 取斜焊缝与作用力间的夹角 67 焊缝中的正应力 减应力和折算应力分别为 不可 说明当 67 时 焊缝强度能够保证 可不必验算 可 可 31 受弯的对接焊缝 纯弯或弯矩最大处剪力为0时 受弯 剪的工形截面对接焊缝 受弯受剪的对接焊缝 对接焊缝的强度条件式 P56 32 4 5 2对接焊缝的构造要求 P57 对接焊缝都要求焊透 起落弧处易有焊接缺陷 用引弧板 但采用引弧板施工复杂 除承受动力荷载外 一般不用 变宽度板或变厚度 相差4mm以上 板对接 在板的一面或两侧切成坡度不大于1 2 5的斜面 避免应力集中 33 4 5 2对接焊缝的构造要求 钢板拼接时 纵横两方向的对接焊缝可采用十字形交叉或T形交叉 当采用T形交叉时 交叉点应分散 其间距不得小于200mm 200 200 图4 23钢板的对接拼接焊缝 34 对接焊缝计算P57 58例题4 1 由标准值NGK NQK换算设计值 用引弧板时 有效长度b 焊缝长度 200mm 不用引弧板时 有效长度 焊缝长度 2倍板厚 取t 14mm 由于板厚大于10mm 取V形焊缝 取t 12mm 解 35 对接焊缝计算P58 59例题4 2 不用引弧板 截面模量 内力设计值 强度验算 可 最大弯应力处的剪应力为0 最大剪应力处的弯应力为0 解 36 对接焊缝计算P59 60例题4 3 用引弧板 x 4 49m 弯矩设计值 折算应力 可 前略 最大弯应力 剪力设计值 最大剪应力 最大弯应力处的剪应力 可 37 对接焊缝计算P59 60例题4 3 用引弧板 x 2m 弯矩设计值 折算应力 可 最大弯应力 剪力设计值 最大剪应力 最大弯应力处的剪应力 可 解 38 4 6直角角焊缝的受力性能 角焊缝主要用于T型和搭接接头有效截面为Ae helw 0 7hflw 焊脚厚度hf 焊缝有效厚度he 0 7hf 焊缝计算长度lw 取其实际长度减去2hf 熔深 焊趾 有效截面 hf 焊脚 根部 图4 27等边直角角焊缝的各部分名称 hf 39 角焊缝的应力分布 弹性 侧面角焊缝应力分布 侧面角焊缝应力分布 由于塑性变形 破坏前应力分布逐渐趋向均匀 40 正面角焊缝应力分布 轴线与外力方向垂直 正面角焊缝应力分布 4 6 2角焊缝的应力分布 41 4 7直角角焊缝的强度计算 一 基本假定 P62 63 由于角焊缝的应力分布较复杂 强度计算中必须简化计算时的破坏面沿焊缝截面45 方向 角焊缝的抗拉 抗压和抗剪强度设计值均相同 记作ffw 与焊缝金属抗拉强度fuw的关系为 在通过焊缝形心的拉力 压力和剪力作用下 沿焊缝长度的应力是均匀分布的 各国规范中普遍采用的假定 42 二 传统角焊缝强度计算法 P63 假定焊缝的强度与焊缝轴线和作用外力间的夹角大小无关 但正面角焊缝强度高于侧面和斜焊缝强度 该计算法较为粗糙 目前许多国家规范已改用新方法 43 可分解为两个剪应力和一个正应力 44 三 新强度设计法 P64 65 国际标准化组织 ISO 推荐 欧洲钢结构协会 ECCS 规定 我国设计规范 GBJ17 88 规定 抗剪强度 P523附表1 2 45 我国现有规范规定 直角角焊缝的强度条件式 P66 当作用力垂直于焊缝长度方向时 当作用力平行于焊缝长度方向时 在其它力或各种力综合作用下 共同作用处应满足 直接承受动荷载作用时 采用传统强度计算法 其他 46 4 8角焊缝的尺寸限制和构造要求 焊脚尺寸 P67 图4 34 焊脚尺寸应与焊件的厚度相适应 对手工焊 hf应不小于 t为较厚焊件的厚度 mm 对自动焊 可减小1mm T型接头单面角焊缝时要增大1mm t当不超过4mm时 取hf t hf应不大于较薄焊件厚度的1 2倍 47 焊脚尺寸规定 手工 边缘角焊缝 边缘角焊缝 边缘角焊缝 48 4 8 1焊脚尺寸 P67 图4 34 对于板件边缘的焊缝 且当t 6mm时 hf t 当t 6mm时 hf t 1 2 mm 角焊缝最大hf 圆孔和槽孔中的角焊缝还宜符合 49 角焊缝的计算长度 正侧面角焊缝的最小计算长度都应满足 lw 8hf和lw 40mm 侧面角焊缝的最大计算长度应满足 lw 60hf 断续角焊缝长度 P68 图4 35 只能用于次要构件和次要连接中 净距e不应大于15t 对受压构件 或30t 对受拉构件 长度l不得小于10hf或50mm 构造见图4 35 2 焊缝的计算长度 P67 50 断续角焊缝长度 P68 图4 35 只能用于次要构件和次要连接中 净距e不应大于15t 对受压构件 或30t 对受拉构件 长度l不得小于10hf或50mm 构造见图4 35 51 板件端部仅用两条侧面角焊缝连接时的尺寸限制 图4 36 搭接接头的尺寸限制 图4 37 直接承受动力荷载的结构宜用不等焊脚角焊缝 图4 38 易弯曲 b 图4 36 52 4 9直角角焊缝连接的计算 一 外力通过焊缝形心时的计算 例题4 4 P69 查表P542 53 1 采用三面围焊1 确定焊缝长度根据规定 P66 选择焊缝尺寸 手工焊 取值范围 最小 最大 取 2 由标准值换算设计值 3 焊缝抗力设计值N1 N2 N3 计算Q235钢 使用E43型焊条 查表P523 由平衡条件计算N1 N2 先计算N3 正面焊缝长度 对角钢背取力矩平衡方程 横向投影平衡方程 解得 例题4 4 P70 验算构件截面应力 可 解 54 4 侧面焊缝长度l1 l2计算 lw1 lw2符合取值范围 P67 可 l1 lw1 hf l2 lw2 hf 取l1 400mm l2 100mm 焊缝计算长度 2 采用两侧面焊令N3 0进行计算 计算过程 略 3 采用L型围焊令N2 0进行计算 计算过程 略 例题4 4 P69 55 截面及连接情况 趾部 背面 角钢背面与趾部侧面角焊缝的内力分配系数 注 表中a e2 b b e1 b b e1 e2 补充说明 P71 72 1 对于桁架的角钢与节点板连接 宜采用两面侧焊 2 形心位置的近似计算如下表 也可查附表 P540 3 当构件只为一只角钢时 考虑偏心影响 焊缝强度设计值应乘以折减系数0 85 56 一 外力通过焊缝形心时的计算 例题4 5 P72 57 一 外力通过焊缝形心时的计算 例题4 6 P73 58 一 外力通过焊缝形心时的计算 例题4 7 P74 59 斜向角焊缝强度计算 正面角焊缝强度计算 侧面角焊缝强度计算 焊缝总强度设计值 N2最大值 例题4 7 P74 解 60 钢板所能承受的轴心拉力设计值 两块拼板所能承受的轴心拉力设计值 钢板厚20mm 16mm f 205N mm2 总荷载标准值 比较以上计算结果 取最小的为接头所能承受的轴心拉力设计值 可变荷载标准值和永久荷载标准值的关系 61 二 在弯矩 剪力和轴力单独或共同作用下的T型连接计算 P77 与P66相同 在轴力N作用下的正应力 在剪力V作用下 假设单由竖向角焊缝承受 在弯矩M作用下的正应力 共同作用时 强度条件式 62 二 在弯矩 剪力和轴力单独或共同作用下的T型连接计算 例题4 8 P77 63 1 外力设计值 弯矩 剪力 2 角焊缝有效截面积 3 应力计算 剪应力 正应力 4 焊脚尺寸计算 强度条件式 最小 最大 可取值为7 8 9 10mm 利用试算法可知取hf 10mm满足上述强度条件式 例题4 8 P77 解 64 二 在弯矩 剪力和轴力单独或共同作用下的T型连接计算 例题4 9 P78 翼缘焊缝不分担剪力 65 二 在弯矩 剪力和轴力单独或共同作用下的T型连接计算 例题4 10 P80 66 P83 67 二 在弯矩 剪力和轴力单独或共同作用下的T型连接计算 例题4 11 P83 68 三 同时承受剪力和扭矩作用时的计算 P86 87 强度条件式 例题4 12 P85 86 69 1 焊缝计算长度和 效截面积 几何特性 例题4 12 P85 86 焊脚长度取值范围 最小 最大 设hf 10mm 形心O位置 惯性矩 解 符合取值范围 P67 70 例题4 12 P85 86 3 强度验算 经验算 满足强度条件式 取hf 10mm可 2 剪力和扭矩设计值 71 4 12焊缝的质量等级 P91 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 72 4 13焊接残余应力与残余变形 P92 一 焊接残余应力 焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程 在施焊时 焊件上产生不均匀的温度场导致不均匀的膨胀 温度高的钢材膨胀大 但受到两侧温度较低 膨胀量较小的钢材所限制 产生了热塑性压缩 焊缝冷却时 被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短 但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力 在低碳钢和低合金钢中 这种拉应力经常达到钢材的屈服强度 在无外部约束的情况下 焊接应力是一种无荷载作用下的内应力 因此会在焊件内部自相平衡 这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力 当有外部约束时 焊接应力不会在焊件内部自相平衡 这就必然在约束结构上产生荷载 73 一 焊接残余应力 P92 1 沿焊缝轴向的纵向残余应力 P93 图4 54 由焊缝区的热胀冷缩引起2 垂直于焊缝轴线的横向残余应力 P93 图4 55 由焊缝约束引起 纵向收缩约束和横向收缩约束两部分引起 图4 55b和c 该残余应力于施焊方向有关 图4 56 3 厚板中沿板厚方向的残余应力板厚20 25mm以下不考虑 4 约束状态下施焊时的残余应力 图4 57 74 一 焊接残余应力1 沿焊缝轴向的纵向残余应力 P93 图4 54 由焊缝区的热胀冷缩引起 75 一 焊接残余应力2 垂直于焊缝轴线的横向残余应力 P93 图4 55 由焊缝约束引起 纵向收缩约束和横向收缩约束两部分引起 图4 55b和c 该残余应力于施焊方向有关 图4 56 76 一 焊接残余应力3 厚板中沿板厚方向的残余应力板厚20 25mm以下不考虑 4 约束状态下施焊时的残余应力 P94图4 57 77 焊接残余应力是焊接结构或构件的缺陷之一 但理论上对构件的承受静力荷载时强度没有影响 构件提前进入弹塑性阶段使构件刚度降低 当构件受压时 会降低构件的稳定性 N bt 有残余应力 无残余应力 78 二 焊接残余变形 P95 图4 58 1 整体纵向收缩变形和横向收缩变形 a 2 焊缝纵向