钢结构设计原理1ppt课件.ppt

第三章钢结构的连接 第一节钢结构的连接方法第二节焊接方法和焊缝连接形式第三节角焊缝的构造与计算第四节对接焊缝的构造与计算第五节焊接应力和焊接变形第六节螺栓连接的构造第七节普通螺栓连接的工作性能和计算第八节高强度螺栓连接的工作性能和计算第九节混合连接 第一节钢结构的连接方法 在传力过程中 连接部位应有足够的强度 被连接件间应保持正确的位置 以满足传力和使用要求 钢结构的连接方法 通常有焊缝连接 铆钉连接和螺栓连接三种方式 1 焊缝连接的特点优点 对几何形体适应性强 构造简单 连接方便 省工省时 不需打孔 用料经济 不削弱截面 省材省工 加工方便 可实现自动化操作 工效高 密闭性好 结构刚度大 整体性较好 缺点 焊接附近有热影响区 材质变脆 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏 对裂纹比较敏感 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 低温冷脆问题突出 对动力荷载比较敏感 对材质要求高 焊接程序严格 质量检验工作量大 返回 第一节钢结构的连接方法 2 铆钉连接的特点塑性和韧性较好 连接紧密 传力可靠 质量易于检查 用于直接承受动力荷载和跨度较大的结构中 如桥梁 缺点 构造复杂 费工费料 很少使用 3 螺栓连接的特点分普通螺栓连接和高强螺栓连接 1 普通螺栓连接A B C三级 A和B为精制螺栓 C级为粗制螺栓 材料等级 A和B为8 8级 C级为4 6级或4 8 等级表示 如4 6级指螺栓成品的最低抗拉强度为400N mm2 屈强比为0 6的螺栓 加工 A B级由毛坯在车床上精确加工而成 精制 C级为由未经加工的圆钢压制而成 粗制 第一节钢结构的连接方法 螺孔 A B级需要钻模钻成 类孔 孔径比螺杆大0 3mm左右 C级为一次冲成或不用钻模钻成 类孔 孔径比螺杆大1 5 3 0mm 受力 A B级受力性能好 连接变形小 可以既受拉又受剪 用于重要的连接 C级螺栓连接性能不如A B级好 主要受拉 用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的次要连接 费用 A B级成本昂贵 C级螺栓价格便宜 能用C级螺栓的地方不用A B级螺栓 2 高强螺栓连接高强螺栓用高强度钢材制成 对结构削弱少 可拆换 摩擦面处理 安装工艺略为复杂 造价略高 分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓 摩擦型高强螺栓 只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力 以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态 第一节钢结构的连接方法 承压型高强螺栓 允许接触面滑移 剪力超过摩擦力 以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态 受力 摩擦型高强螺栓剪切变形小 弹性性能好 耐疲劳 塑性韧性好 特别适用动力荷载 目前可以代替铆接 承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型 剪切变形大 不得用于承受动力荷载的结构 材料等级 采用45号钢 40B和20MnTiB钢 热处理 材料等级为8 8级或10 9级 孔径 摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1 5 2 0mm 承压型高强螺栓孔径比螺栓大1 0 1 5mm 4 射钉 自攻螺栓 焊钉连接灵活 安装方便 构件无须予先处理 适用于轻钢 薄板结构 不能受较大集中力 焊钉用于混凝土和钢板的连接 第一节钢结构的连接方法 返回 第二节焊接方法和焊缝连接形式 一 钢结构常用的焊接方法 1 手工电弧焊最常用 设备简单 操作灵活 但生产效率低 劳动强度大 焊接质量受焊工的影响大 焊条选择 焊条应与焊件钢材相适应 Q235选择E43型 E4300 4328 Q345采用E50型焊条 Q390和Q420采用E55型焊条 不同钢种之间 例Q235与Q345 宜选用低组配方案 E43型 即采用低强度钢材相适应的焊条 E表示焊条 Electrode 前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度 kgf mm2 后两位为焊接位置 电流及药皮类型等 2 自动或半自动埋弧焊大电流 细焊丝 熔深大 适用于厚板焊接 生产效率高 质量高 焊件变形小 自动焊的引弧 焊丝送下 焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动都是自动的 而半自动焊的焊接前进方式仍是依靠手持焊枪移动 第二节焊接方法和焊缝连接形式 4 电阻焊等利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属 再通过压力使其焊合 适用于薄壁型钢的焊接 板叠厚度不超过12mm 焊点主要承受剪力 抗拉能力较差 第二节焊接方法和焊缝连接形式 3 气体保护焊二氧化碳气体保护焊是近年来发展起来的先进焊接方法 它是利用气体作为保护气体 使被熔化的金属不与空气接触 电弧加热集中 焊接速度快 熔化深度大 焊丝强度高 塑性好 采用高锰高硅型焊丝 具有较强的抗锈能力 焊缝不易产生气孔 适用于低碳钢 低合金高强度钢以及其他合金钢的焊接 不适于风大的地方施焊 第二节焊接方法和焊缝连接形式 二 焊缝连接形式按照被连接构件的相对位置来分为 平接 直接对接和盖板对接 厚度相同或相近的两构件搭接 不同厚度的两构件 传力不均匀 费材料T形连接 顶接 组合截面角部连接 箱形截面 第二节焊接方法和焊缝连接形式 盖板对接 三 焊缝形式按焊缝和两个被连接件间的相对位置分类 对接焊缝 焊缝和两个被连接件的平行面相连 角焊缝 焊缝和两个被连接件的相交面相连 第二节焊接方法和焊缝连接形式 对接焊缝按受力与焊缝方向分 a 对接正焊缝 作用力方向与焊缝方向正交b 对接斜焊缝 作用力方向与焊缝方向斜交角焊缝按受力与焊缝方向分 a 端缝 作用力方向与焊缝长度方向垂直b 侧缝 作用力方向与焊缝长度方向平行c 斜角焊缝 斜缝 第二节焊接方法和焊缝连接形式 按焊缝连续性 a 连续角焊缝 重要构件 受力较好b 断续角焊缝 次要构件 易发生应力集中断续角焊缝间断距离l 15t 受压 和l 30t 受拉 t为较薄件的厚度 第二节焊接方法和焊缝连接形式 按施焊位置 平焊 俯焊 立焊 横焊 仰焊 其中以俯焊施工位置最好 所以焊缝质量也最好 仰焊最差 尽量避免 第二节焊接方法和焊缝连接形式 四 焊缝缺陷常见的焊接缺陷 裂纹 焊瘤 气孔 未焊透 夹渣 咬边 烧穿 凹坑 塌陷 未焊满 缺陷的存在削弱受力面积 产生应力集中 易产生裂纹 第二节焊接方法和焊缝连接形式 五 焊缝质量检验焊缝质量等级 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205 对焊缝依其质量检查标准分为一级 二级和三级 焊缝质量检验方法 外观检查 外部尺寸和缺陷 内部检查 内部缺陷 超声波探伤检验 主要 X射线 射线等 x射线应用广 检验 磁粉 辅助 荧光检验 辅助 三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准 即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹 咬边等缺陷 第二节焊接方法和焊缝连接形式 一级焊缝需经外观检查 超声波探伤 检验每条焊缝全部长度 x射线检验都合格 二级焊缝需外观检查 超声波探伤 检验每条焊缝的20 长度 且不小于200mm 合格 焊缝等级的选用 疲劳验算的构件 垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级 受压时为二级 不进行疲劳计算的构件 对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级 受压时宜为二级 三级焊缝的抗拉强度设计值为主体钢材的85 重级工作制吊车和Q 50T的中级工作制的吊车 吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝 不低于二级 角焊缝一般为三级 只对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q 50T的中级工作制的吊车梁的角焊缝外观质量应符合二级 第二节焊接方法和焊缝连接形式 焊接时为保证质量 需要注意之处 1 对不熟悉的钢种焊接时 需做工艺性能和力学性能的试验 2 焊工要进行考核 持证上岗 3 焊条 焊丝 焊剂按规定烘焙 4 多层焊接需连续施焊 每层焊道之间要清理 5 焊缝出现裂缝 应申报 查明原因 方能处理 第二节焊接方法和焊缝连接形式 返回 六 焊缝代号 螺栓及其孔眼焊缝符号主要由图形符号 辅助符号和引出线等部分组成 引出线 横线和带箭头的斜线组成 图形符号和焊脚尺寸标在横线上 图形符号 表示焊缝的基本型式辅助符号 焊缝的辅助要求 螺栓及其孔眼图例见课本表3 3 返回 第三节角焊缝的构造与计算 一 角焊缝的构造 1 角焊缝的截面形式 直角角焊缝和斜角角焊缝 直角焊缝 a 普通焊缝 应力集中较严重 b 平坡焊缝 正面 承受动力荷载时采用 c 深熔焊缝 侧面 承受动力荷载时采用 2 斜角角焊缝 d 斜锐角焊缝 e 斜钝角焊缝 f 斜凹面角焊缝l主要用于钢管连接中 2 正面角焊缝 端焊缝 侧面角焊缝1 端缝 焊缝垂直于受力方向 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 2 侧缝 焊缝长度方向与受力方向平行 其特点为应力分布简单些 但弹性工作阶段分布并不均匀 剪应力两端大 中间小 侧缝强度低 但塑性较好 两端出现塑性变形后将产生应力重分布 在规定的长度内应力可趋于均匀 3 角焊缝的构造要求角焊缝的几何特征 焊脚尺寸hf 焊缝直角边的边长 和焊缝计算长度lw 焊脚尺寸hf 过小 冷却快 产生淬硬 裂纹 过大 易烧伤 烧穿 热脆区增大 残余应力和残余变形增大 最大焊脚尺寸 hf 1 2tmin 对于构件边缘焊缝 为防咬边 当板件厚度t 6mm时 一般取hf t 1 2 mm 当t 6mm时 取hf t tmin为较薄焊件厚 最小角脚尺寸 hf 1 5mm 对于T形连接的单面角焊缝 应增加1mm 当板件厚度t 4mm时 取hf为焊件厚度 对自动焊可减1mm 焊缝计算长度lw 太长 两端应力与中间应力相差太大 太短 起落弧太近 局部加热严重 侧面焊缝的最大计算长度 lw 60hf 当实际长度对于上述数值时 其超过部分在计算中不予考虑 角焊缝的最小计算长度 lw 8hf 而且不得小于40mm 搭接连接的构造要求 当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时 为了避免应力传递过分弯折而使构件中应力过分不均 应使每条侧焊缝长度大于它们之间的距离 即lw b 另外为了避免焊缝收缩时引起板件的拱曲过大 还应使b 16t 当t 12mm 或200mm 当t 12mm 当不满足规定时 应加正面角焊缝 在仅用正面焊缝的搭接连接中 搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍及25mm 以减小焊缝收缩而产生的残余应力 以及因传力偏心而产生的附加应力 所有围焊的转角处必须连续施焊 对非围焊的角焊缝的端部转角处应连续作2hf的转角焊 角焊缝的构造 二 直角角焊缝的计算公式1 有效高度 有效面积和有效截面 两焊脚边的夹角 焊脚尺寸 破坏截面 假设焊缝破坏截面为有效截面 沿焊脚的角平分面破坏 最小截面 2 角焊缝的强度设计值 抗剪条件定 E43系列 E50系列 3 有效截面的应力 垂直于角焊缝有效截面上的正应力 有效截面上垂直于焊缝长度方向的剪应力 有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力 试验研究表明 三个方向应力与焊缝强度间的关系为 4 实用的计算方法 设焊缝承受外力Ny 垂直于lw 沿焊缝长度产生平均应力不是正应力 剪应力 可分解为Nz 平行于lw 沿焊缝长度产生平均剪应力将带入得 如果焊缝承受外力Nx Ny Nz 则角焊缝的计算公式为 端焊缝的强度增大系数 对直接承受动力荷载结构中的角焊缝 取1 0 按焊缝有效截面计算 垂直于焊缝长度方向的应力 按焊缝有效截面计算 沿焊缝长度方向的剪应力 三 角焊缝的计算角焊缝的受力情况 1 轴向力N 2 弯矩M 3 扭矩T 4 弯矩 扭矩 剪力 轴力共同作用 焊缝设计的基本思路 根据构造要求定出hf或lw 代如公式求出lw或hf 焊缝验算的基本思路 找出受力最不利点进行验算 验算步骤 1 选受力最不利点 2 分别分析每个外力对此点所产生的应力情况 3 把所有应力同性质叠加得 4 代入公式验算 端缝 侧缝在轴向力作用下的计算 当焊件受轴心力 且轴心力通过连接角焊缝群的中心时 焊缝的应力可认为是均匀分布 1 仅有端缝时 垂直于焊缝长度方向的应力 he 角焊缝有效厚度 lw 角焊缝计算长度 每条角焊缝取实际长度减2hf 每端减hf ffw 角焊缝强度设计值 f 端焊缝的强度增大系数 对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构 f 1 22 直接承受动力荷载 f 1 0 2 仅有侧缝时 f 沿焊缝长度方向的剪应力 3 当外力和角焊缝长度方向成夹角时的斜焊缝计算 可直接用斜焊缝的强度设计值增大系数 这时 整理得 则 令 直接承受动力荷载结构 1 4 用盖板的对接连接采用三面围焊时a 矩形盖板 先计算一侧正面角焊缝所能承担的内力再设计侧面角焊缝b 菱形盖板 减小拼接板转角处的应力集中 菱形盖板的正面角焊的较短 简化计算 不考虑焊缝应力方向 按下式计算 2 角钢杆件与节点板焊接连接 承受轴向力N 1 角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算K1 K2 焊缝内力分配系数 N1 N2 分别为角钢肢背和肢尖传递的内力 2 角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算先选择正面角焊缝的hf 求出端部正面角焊缝能传递的内力由平衡条件求出侧缝各分担的力 为了使连接的构造合理 肢背和肢尖可采用不同的焊脚尺寸 这样可便肢背和肢尖的焊缝长度接近相等 3 角钢用 L 型焊缝与节点板连接的焊缝计算由N2 0得 例 如图所示 角钢与节点板采用两边侧焊缝连接 承受静拉力设计值660KN 角钢为2 110 x10 节点板厚度t1 12mm 钢材为Q235钢 焊条型号为E43系列 焊缝强度设计值ffw 160N mm2 hf 8mm 试确定所需角焊缝的实际长度 解 焊缝受力 N 660kN 焊脚尺寸构造要求 1 5 1 5 故 肢尖故满足要求 肢尖部分最不利点的应力 满足要求 肢背部分最不利点的应力 取满足要求 3 弯矩 剪力 轴力共同作用下的顶接 T形 连接角焊缝 弯矩M作用下 x方向应力剪力作用下 y方向应力轴力N作用下x方向应力 M V和N共同作用下 焊缝上或下端点最危险处应满足 式中 如果只承受上述M N V的某一 两种荷载时 只取其相应的应力进行验算 计算角焊缝连接中的hf 已知连接承受动荷载 钢材为Q235BF 焊条为E43型 F1 180kN F2 240kN 图中尺寸单位为 mm 解 将外力F1 F2移向焊缝形心O 得 N在焊缝中产生均匀分布的V在焊缝中产生均匀分布的 连接承受动力荷载 f 1 0 则 解得 4 牛腿在弯矩M 剪力V共同作用下的角焊缝连接计算 M Ve翼缘竖向刚度较差 不能承受剪力 所以假设全部剪力均由腹板的竖向焊缝承受 弯矩由翼缘与腹板角焊缝共同承受 点1 点2 点3 对工字梁与柱连接的另一种计算方法 假设腹板焊缝只承受剪力 翼缘焊缝承担全部弯矩 并将弯矩化为一对水平力H M h 5 扭矩 剪力 轴力共同作用下搭接连接角焊缝 扭矩T作用下各点应力计算 以A点为例 Ip Ix Iy为焊缝计算截面对形心的极惯性矩 rx ry为焊缝角点到焊缝形心的坐标距离 V作用下剪应力均匀分布 A点 N作用下A点剪应力A点合应力 满足注意 计算时需判断最不利受力点 计算方法较近似 返回 一围焊缝连接 已知 l1 200mm l2 300mm e 80mm hf 8mm F 370kN Ix 6300cm4 Iy 1710cm4 试验算该连接是否安全 解 将F移向焊缝形心O 三面围焊缝受力 在计算焊缝的面积和其极惯性矩时 近似取l1和l2为其计算长度 即既不考虑焊缝的实际长度稍大于l1和l2 也不扣除水平焊缝的两端缺陷16mm 焊缝截面面积 在N力作用下 焊缝各点受力均匀 在T作用下 水平焊缝右边两个端点产生的应力最大 但在右上端点其应力的水平分量与N力产生的同方向 因而该焊缝在外力F作用下 该点最危险 由N在水平焊缝右上端点产生的应力为 由扭矩T在该点产生的应力的水平分为 由T在该点产生的应力的垂直分量为 代入强度条件 该连接安全 6 斜角角焊缝的计算对于斜角焊缝的强度仍按式计算 1 不考虑焊缝方向 取为1 0 2 焊缝有效厚度 当焊缝根部间隙不大于1 5mm时当焊缝根部间隙大于1 5mm小于5mm时 返回 第四节对接焊缝的构造与计算 一 对接焊缝的构造对接焊缝又称坡口焊缝 在施焊时 焊件间须具有适合于焊条运转的空间 故一般均将焊件边缘加工成坡口 焊缝则焊在两焊件的坡口面之间 或一焊件的坡口与另一焊件的表面之间 1 对接焊缝的优缺点优点 对接焊缝传力直接 平顺 没有显著的应力集中现象 因而受力性能良好 对于承受静 动载的构件连接都适用 不需拼接板 用料经济 缺点 由于对接焊缝的质量要求较高 焊件之间施焊间隙要求较严 需剖口 焊件长度要精确 一般多用于工厂制造的连接中 2 对接焊缝的形式 根据板厚和施工条件选用 a 直边缝 适合板厚t 10mmb 单边V形 适合板厚t 10 20mmc 双边V形 适合板厚t 10 20mmd U形 适合板厚t 20mme K形 适合板厚t 20mmf X形 适合板厚t 20mm 对于v形和u形缝的跟部还需要清除焊根 并进行补焊 没有条件清根和补焊者 要事先加垫板 3 对接焊缝的构造处理 1 起落弧处易有焊接缺陷 所以用引弧板 但采用引弧板施工复杂 除承受动力荷载外 一般不用 计算时将焊缝长度两端各减去tmin 2 在对接焊缝的拼接处 当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差相差4mm以上时 应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧切成坡度不大于1 2 5的斜角 当厚度不同时 焊缝坡口形式应根据叫薄焊件厚度选取 直接承受动力荷载且需要验算疲劳强度的 斜面坡度不大于1 4 第四节对接焊缝的构造与计算 3 钢板用纵横十字交叉或T形交叉焊缝拼接钢板的拼接 当采用对接焊缝时 纵横两方向可采用十字形交叉或T形交叉 当为T形交叉时 交叉点的间距a不小于200mm 4 对接焊缝的强度与钢材的牌号 焊条型号及焊缝质量的检验标准有关 有引弧板的对接焊缝在受压 受剪时与母材等强 但焊缝的抗拉强度与焊缝质量等级有关 当采用三级质量检验方法时 因焊缝缺陷的影响 其抗拉强度设计值低于焊件钢材的强度设计值 故对接直焊缝的焊件钢材常不能充分利用 若是拼接焊缝 可将其改在受力较小处或改用一级 二级焊缝检验方法并加引弧板 二 对接焊缝计算计算原则 对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同 可用计算焊件的方法计算对接焊缝 计算时 焊缝中最大应力 或折算应力 不能超过焊缝的强度设计值 对于重要的构件 按一 二级标准检验焊缝质量 焊缝和构件等强 不必另行计算 只有对三级焊缝 才需要计算 对接焊缝的计算包括 轴心受力的对接焊缝计算斜向受力的对接焊缝计算承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算 第四节对接焊缝的构造与计算 1 轴心受力的对接焊缝 N lwt fwt或fwc式中N 轴心拉力或压力的设计值 lw 焊缝计算长度 当采用引弧板施焊时 取焊缝实际长度 当无法采用引弧板时 每条焊缝取实际长度减去2t t 在对接接头中为连接件的较小厚度 不考虑焊缝的余高 在T形接头中为腹板厚度 ftw fcw 对接焊缝的抗拉 抗压强度设计值 抗压焊缝和质量等级为一 二级的抗拉焊缝与母材等强 三级抗拉焊缝强度为母材的85 第四节对接焊缝的构造与计算 2 斜向受力的对接焊缝fvw 对接焊缝抗剪强度设计值主要用于焊缝强度设计值低于构件强度设计值的连接中 优点 抗动力荷载性能较好 缺点 较费材料 当tg 1 5即 56 3 时 斜焊缝的强度不低于母材 可不验算焊缝强度 第四节对接焊缝的构造与计算 例 计算右图所示两块钢板的对接焊经 已知板截面为460 l0mm 承受轴心拉力设计值N 980kN 钢材为Q235钢 采用手工焊 焊条为E43 焊缝质量为三级 未采用引弧板 解 查表得 N lwt fwt 185N mm2当采用直缝时 lw 460 2X10 440mm 焊缝应力为 可见直缝不能满足要求 改用斜缝连接 取焊缝计算长度 剪应力为 正应力为 3 承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算同时受弯 剪时 分别验算最大正应力 最大剪应力 焊缝截面抵抗矩 焊缝截面上计算点处以上 以下 截面对中和轴的面积矩 第四节对接焊缝的构造与计算 矩形截面工字行截面 工字型截面 对于腹板和翼缘的交界点 正应力 剪应力虽不是最大 但都比较大 所以需验算折算应力 即 1 1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力 1 1为考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现 而将强度设计值适当提高 第四节对接焊缝的构造与计算 4 承受轴心力 弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 第四节对接焊缝的构造与计算 上图该牛腿截面为非对称 在拉力作用下 全截面均匀受拉 在剪力作用下 整个腹板截面按均匀抗剪考虑 在弯矩作用下 中和轴以上受拉 中和轴以下受压 因此图中1 2 3 4点均需强度验算 点1为下翼缘最外缘的点 点2为下翼缘与腹板的交界点 点3为上翼缘与腹板1的交界点 点4为上翼缘最外缘的点 各点计算为 点1 点2 点3 点4 式中 有效抗剪面积 整个焊缝截面的截面积 各计算点到中和轴的距离 返回 第四节对接焊缝的构造与计算 例 计算工字形截面梁拼接连接的对接焊缝 已知钢材为Q235B F 采用E43型焊条手工电弧焊 III级质量检验 用引弧板施焊 拼接截面承受弯矩M 1000kN m 设计值 剪力V 225kN 设计值 解 查得焊缝截面参数 对接焊缝满足强度要求 三 未焊透的对接焊缝未焊透的对接焊缝 焊件间存在一定缝隙 缝隙处易产生应力集中 传力性能较差 故一般的对接焊多采用焊透缝 只有当构件较厚内力较小 且受静载作用时 方可采用未焊透的对接缝 1 计算方法同角焊缝 垂直于焊缝长度方向的压力作用下 f 1 22 其他情况取 f 1 0 2 有效厚度he当采用不焊透的对接焊缝时 应在设计图中注明坡口的形式和尺寸 其有效厚度he不得小于1 5 tmax为坡口所在焊件的较大厚度 在承受动力荷载的结构中 垂至于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝 V形坡口 当时 he s 当时 he 0 75s 单边V形和K形坡口 当 he s 3 U形 J形坡口 he s S为坡口深度 即根部到焊缝表面 不考虑余高 的最短距离 为坡口角度 当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时 bce 抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0 9 返回 第五节焊接应力和焊接变形 一 焊接应力的分类及产生原因定义 焊接后冷却时 焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩 由此约束而产生的应力称为焊接应力 分类 1 纵向焊接应力 沿着焊缝长度方向的应力 形成原因 两块钢板上施焊时 产生不均匀的温度场 焊缝附近温度高达1600 C 其邻近区域温度较低 且冷却很快 冷却时钢材收缩 冷却慢的区域收缩受到限制 从而产生拉应力 冷却快的区域受到压应力 2 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 横向残余应力产生的原因有 焊缝纵向收缩 两块钢板趋向于向外弯成弓形的趋势 但实际上焊缝将两块钢板连成整体 不能分开 于是在焊缝中部将产生横向拉应力 焊缝在施焊过程中 先后冷却的时间不同 先焊的焊缝已经凝固 且具有一定的强度 会阻止后焊焊缝在横向的自由膨胀 使其产生横向的塑性压缩变形 当焊缝冷却时 后焊焊缝的收缩受到已凝固焊缝的限制而产生横向拉应力 同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力 横向收缩引起的横向应力与施焊方向及先后次序有关 焊缝的横向残余应力是上述两种原因产生的应力的合成 第五节焊接应力和焊接变形 第五节焊接应力和焊接变形 3 厚度方向的焊接应力 垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力 在厚钢板的连接中 焊缝需要多层施焊 因此 除有纵向和横向残余应力之外 沿厚度方向还存在着残余应力 这三种应力可能形成比较严重的同号三轴应力 会大大降低结构连接的塑性 这就是焊接结构易发生脆性破坏的原因之一 第五节焊接应力和焊接变形 二 焊接应力对结构性能的影响 1 静力强度 对于具有一定塑性的钢材 在静力荷载作用下 因焊接残余应力是自相平衡力系 对常温下承受静力荷载结构的强度没有影响 第五节焊接应力和焊接变形 2 刚度 当残余应力与外加荷载引起的应力同号相加以后 该部分材料将提前进人屈服阶段 局部形成塑性区而刚度阵为零 继续增加的外力将仅由弹性区承担 因此构件变形将加快 刚度降低 会使部分截面提前达到受压屈服强度而进入塑性受压状态 降低轴心受压 受弯和压弯构件等的稳定性 3 对低温冷脆的影响 厚板或交叉焊缝 焊接应力使焊缝处于三向拉应力状态 阻碍了塑性变形 裂纹易发生和发展 增加钢材在低温的脆断倾向 4 降低疲劳强度 残余拉应力高的地方易形成和发展疲劳裂纹 疲劳强度也因而降低 第五节焊接应力和焊接变形 三 焊接变形 钢结构构件或节点在焊接过程中 局部区域受到很强的高温作用 在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形 焊接变形的产生和防止 焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的 表现在构件局部的鼓起 歪曲 弯曲或扭曲等 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 如图 第五节焊接应力和焊接变形 四 减少焊接应力和焊接变形的方法 设计上的措施 1 焊件位置的安排要合理 尽量使焊缝对称于构件截面的中心轴 使其变形相反而抵消 连接过渡平滑 避免应力集中现象 2 焊缝尺寸要适当 不得随意增大焊缝的厚度 避免过大的焊接残余应力 3 应尽量避免焊缝集中 如三向交叉焊缝 焊缝的数量宜少 4 尽量避免在母材厚度方向的收缩应力 5 避免仰焊 第五节焊接应力和焊接变形 工艺上的措施 1 采取合理的施焊次序 例如分段退焊 分层焊和工字形截面的对角跳焊等 返回 第五节焊接应力和焊接变形 第五节焊接应力和焊接变形 2 采用反变形法 施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形 3 对于小尺寸焊件 采取焊前预热 焊后回火加热至600度左右 然后慢慢冷却 可以消除焊接应力和焊接变形 4 采取刚性固定法来控制焊接变形 但增加了焊接应力 返回 注 A级用于M24以下 B级用于M24以上 第六节螺栓连接的构造 1 螺栓连接的分类 2 螺栓在构件上的排列并列 比较整齐 但对构件截面削弱较大 错列 可减少构件截面削弱 但排列较繁 不紧凑 第六节螺栓连接的构造 第六节螺栓连接的构造 排列时应考虑下列要求 1 受力要求 对于受拉构件 螺栓的栓距和线距不应过小 否则对钢板截面削弱太多 构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏 对于受压构件 沿作用力方向螺栓间距不应过大 否则被连接的板件间容易发生凸曲现象 因此 从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距 2 构造要求 若栓距和线距过大 则构件接触面不够紧密 潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀 所以 构造上要规定螺栓的最大容许间距 3 施工要求 为便于转动螺栓扳手 就要保证一定的作业空间 所以 施工上要规定螺栓的最小容许间距 根据以上要求 规范规定螺栓的最大和最小容许间距见课本表3 4 注 1 d0为螺栓孔径 t为外层薄板件厚度 2 钢板边缘与刚性构件 如角钢 槽钢 相连的螺栓最大间距 可按中间排数值采用 螺栓的最大和最小容许间距 第六节螺栓连接的构造 3 螺栓的构造要求 每一构件在节点上以及拼接接头的一端 永久螺栓的数目不少于2个 对直接承受动力荷载的普通螺栓连接 应当采用双螺帽或其它防止螺帽松动的有效措施 由于C级螺栓与孔壁有较大间隙 一般只受拉力 不宜受剪 承受静力荷载结构的次要连接 可拆卸结构和临时结构 可采用C级螺栓受剪 重要结构中 优先采用高强螺栓 4 螺栓的规格与表示 钢结构一般选用C级 粗制 六角螺母螺栓 标识用M和工程直径 mm 表示 例如M16 M20等 第六节螺栓连接的构造 返回 第七节普通螺栓连接的工作性能和计算 普通螺栓等级 C级螺栓有4 6和4 8级 A B级螺栓有5 6和8 8级 受力性能 承受剪力的螺栓 承受拉力的螺栓 承受剪力和拉力的螺栓 剪力螺栓靠孔壁承压 螺杆抗剪传力 拉力螺栓靠螺栓受拉 一 普通螺栓抗剪连接1 抗剪连接的工作性能单个受剪螺接连接的工作阶段 1 摩擦传力的弹性阶段 外力靠被连接件间的摩擦阻力来传递 被连接件间的相对位置不变 摩擦阻力的大小取决于拧紧螺栓时在螺杆中所形成的预拉力大小 由于普通螺栓的初拉力较小 计算时可忽略不计 而高强螺栓的预拉力非常大 故计算时不可忽略 2 滑移阶段 水平线段表示被连接件间的摩擦阻力被克服 连接件进入相对滑移阶段 当滑移至栓杆和孔壁靠紧时 滑移阶段即告结束 该阶段内连接的承载力并未增加 3 栓杆直接传力的弹性阶段当滑移停止后 外力靠螺栓和孔壁接触传递 孔壁则受到挤压 螺栓杆开始受剪 弯和轴向拉力 连接承载力随之增加 曲线继续上升 连接进入弹性工作阶段 4 弹塑性阶段随着外拉力的增加 连接变形迅速增大 曲线亦趋于平坦 直至连接承载能力达到极限状态而破坏 曲线的最高点即为连接的极限承载力 2 抗剪螺栓的破坏形式有五种破坏形式 1 螺栓被剪断 当螺杆直径相对较小 而构件厚度相对较厚时 可能发生这种破坏 2 孔壁被挤压坏 当螺杆直径较大而构件厚度相对较薄时可能发生这种破坏 3 构件被拉断 当构件截面被螺孔削弱过多时 构件可能沿净截面处被拉断 4 构件端部被剪坏当构件端部第一排螺孔的端距过小时 在轴心拉力作用下可能发生构件端部冲剪破坏 5 螺栓弯曲破坏 当螺栓约束的板叠过厚 即栓杆过长时 传力过程中有可能使栓杆产生过大的弯曲变形而影响连接的正常工作 其中由构造保证的破坏有螺栓受弯破坏 连接板冲剪破坏 板被拉断属于构件的强度计算 抗剪螺栓的计算只考虑螺栓杆剪断和孔壁的挤压破坏两种 3 单个抗剪螺栓的承载力 每个普通螺栓的抗剪承载力 每个普通螺栓的承压承载力 式中 nv 受剪面数 d 螺杆直径 同一方向承压构件较小总厚度 螺栓抗剪 抗压强度设计值 二 普通螺栓的抗拉连接1 单个普通螺栓的抗拉承载力 式中 de 螺栓的有效直径 可查表 抗拉强度设计值 取 螺栓受拉是通过与螺杆垂直的板件传递 由于连接件的刚度不大 受拉力作用后变形大 引起杠杆作用 在肢尖处产生撬力Q 此时 拉力螺栓实际所受拉力为N Pf Q 但由于确定Q的大小比较复杂 在计算普通螺栓连接时 一般不计Q 而用降低螺栓强度设计值的方法来考虑Q的不利影响 规范规定 普通螺栓抗拉强度设计值严格取相同钢号钢材强度设计值的0 8倍 即在构造上可采取一些措施来加强连接件的刚度 以防止或减少撬力的产生 如采用在角钢两肢间焊上加劲肋 三 普通螺栓承受剪力和杆轴方向拉力的联合作用 1 螺栓受剪兼受拉破坏验算 每个普通螺栓所承受的剪力 拉力 每个普通螺栓抗剪 抗拉和承压承载力设计值 受力最不利螺栓螺栓1 2 孔壁承压破坏验算 四 普通螺栓群的计算1 普通螺栓群抗剪连接1 轴心受剪受力特性 沿受力方向 受力分配不均 两端大中间小 在一定范围内 靠塑变可以均布内力 过大时 设计计算仍按均布考虑 但强度需乘折减系数 当l1 15d0时 当l1 60d0时 0 7 故长连接所需螺栓数目 验算板件的净截面强度式中 f 连接板材料设计强度 An 节点板净截面积 当螺栓并列布置时 当螺栓错列布置时 构件有可能沿I I或II II截面破坏 II II截面的净截面积可近似地取为取I I II II净截面的较小者来验算钢板净截面强度 对于搭接或用单面拼接板拼接的对接连接 因传力偏心而使螺栓受到附加内力 螺栓数目应按计算数增加10 单角钢单面拼接时 应增加15 例1 图示用M22普通C级螺栓连接的拼接接头 钢板采用Q235钢 求接头能承受的最大轴心力 d 22mm d0 23 5mm 螺栓强度 fvb 140Mpa fcb 305Mpa 螺栓抗剪承载力 N 螺栓承压承载力 N 板件净截面承载力 N1 300 2 23 5 16 215 870 32kNN2 2 50 4 5 23 5 16 215 1237 92kN故能承受的最大拉力为745 06kN 2 剪力螺栓群在扭矩作用下的计算计算假设 连接板件为绝对刚性 螺栓为弹性体 连接板件绕螺栓群形心旋转 各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离成正比 其方向与连线垂直 选出受力最不利螺栓1 如果x1 3y1 则可假定y 0 反之 如果y1 3x1 则可假定x 0 3 剪力螺栓群在扭矩 剪力和轴力共同作用下的计算螺栓群中受力最大的螺栓1 合力 轴力及剪力作用 扭矩作用 承受扭矩的螺栓连接 一般是先布置好螺栓 再计算受力最大的螺栓所承受的剪力 然后与单个螺栓的承载力设计值进行比较 例题试设计 C级螺栓的搭接接头 作用力设计值P 230kN 偏心矩e 300mm 钢材Q235 解 选用M20 do 21 5mm 纵向排列 初步排列如图所示 螺栓的强度设计值分别为fvb 140Mpa fcb 305Mpa 满足强度要求 2 普通螺栓群的抗拉连接1 普通螺栓群的轴心受拉假定每个螺栓平均受力2 普通螺栓群弯矩受拉中和轴取为弯矩指向一侧最外排螺栓轴心O处 最不利螺栓1 m为螺栓排数 3 普通螺栓群偏心受拉 螺栓群受拉 弯 剪力用抗剪块或支托传递 先判断螺栓群中在M N共同作用下的大小偏心情况 小偏心受拉 所有螺栓均承受拉力作用 螺栓群的形心轴为中和轴 当Nmin 0 受拉力最大的螺栓要求满足 2 大偏心受拉 当Nmin 0时 螺栓群绕该排受压螺栓旋转 受拉力最大的螺栓要求满足 对普通C级螺栓连接 因其紧固力较小 传递剪力的性能较差 故在较重要的承力结构中 一般不按同时受拉 受剪设计 而是另设承托来承剪力V的作用 螺栓只按受拉计算 承托与柱翼缘的连接焊缝强度可按下式计算 式中为考虑剪力对焊缝的偏心影响系数 可取1 25 1 35 3 普通螺栓群的剪 拉连接剪力由螺栓抗剪承受 无抗剪块 1 螺栓受剪兼受拉破坏验算 注 此类连接因无支托板 一般应考虑精制螺栓连接 以减少连接变形 受力最不利螺栓螺栓1 2 孔壁承压破坏验算 返回 一 高强度螺栓的构造及工作性能 一 高强度螺栓的种类及构造种类 摩擦型高强螺栓连接 承压型高强螺栓连接高强螺栓采用 级孔 一般采用钻成孔 承压型高强螺桂孔径比杆径大1 0mm d 16mm 1 5mm d 20 24mm 2 0mm d 27 30mm 摩擦型高强螺栓孔径可比相应的承压型孔径增大0 5一1 0mm 便于施工 高强螺栓的材料与强度等级 由高强材料经热处理制成 按强度等级分10 9与8 8级 10 9级一般为20MnTiB 40Cr等材料 fu 1000N mm2 fu fy 0 9 8 8级一般为45号钢制成 fu 800N mm2 fu fy 0 8 高强度螺栓在构件上的排列与普通蝶桂排列要求相同 第八节高强度螺栓连接的工作性能和计算 当型钢构件的拼接采用高强度螺栓连接时 由于型钢的抗弯刚度较大 不能保证摩擦面紧密贴和 故不能用型钢作为拼接件 而应采用钢板 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 二 高强螺栓连接的预拉力1 预拉力的控制方法为使高强螺栓连接达到连接紧密 传力性能可靠的要求 在安装时必须通过拧紧螺帽 使螺杆产生预拉力 预拉力愈大 构件间的摩擦力也就愈大 大六角头螺栓的紧固方法 1 转角法先用普通扳手将螺帽初步拧紧到被连接件互相贴紧 然后再用加长扳手将螺帽再转动一个适当角度 以达到规定的预拉力 再次拧紧螺帽所转过角度大小与板叠厚度和螺拴直径有关 可预先加以测定 一般在120 240 之间 2 扭矩法用一种可直接显示扭矩大小的特制扳手 按事先测定好的扭矩与螺栓预拉力之间的关系 再来施加扭矩 拧紧螺帽 使螺栓达到规定的预拉力 扭剪型高强螺栓的紧固 3 扭剪法扭剪型高强螺栓与普通型高强螺栓相比 只是在螺杆尾部多了一个梅花形的尾巴 螺栓与螺尾间刻一槽口 槽口深度由螺栓所承受的扭矩大小而定 紧固螺栓时用一种双套筒电动扳手 大套筒套住六角螺帽 小套筒卡住梅花头 通电起动后 两套筒反向旋转 很快将螺帽拧紧 当梅花头沿槽口处拧断时 螺栓即达到了规定的预拉力 这种方法施工简便 紧固质量好 且可以防止施工安装中的漏拧现象 近几年来 在我国已被广泛应用 2 预拉力的确定高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定 取值时考虑 考虑螺栓材料抗力的变异性 引入折减系数0 9 施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5 10 引入折减系数0 9 在扭紧螺栓时 扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力 引入折减系数1 1 2 钢材由于以抗拉强度为准而不是屈服强度 引入附加安全系数0 9 故高强度螺栓预拉力为 fu 螺栓材料经热处理后的最低抗拉强度 对于8 8级螺栓fu 830N mm2 对于10 9级螺栓 fu 1040N mm2 Ae 高强度螺栓螺纹处的有效截面积 一个高强度螺栓的设计预拉力值 kN 3 高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数被连接板件之间的摩擦力大小 不仅和螺栓的预拉力有关 还与被连接板件材料及其接触面的表面处理方法有关 规范规定的高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数m值见下表 三 高强度螺栓连接的工作性能1 高强度螺栓抗剪连接的工作性能1 高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓摩擦型连接以板件间出现滑动 即达到最大摩擦力 点1 为抗剪承载力极限状态 一个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为 0 9 抗力分项系数gR的倒数 即1 gR 1 1 111 0 9 nf 传力的摩擦面数 m 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 P 一个高强度螺栓的预拉力 按表采用 2 高强度螺栓承压型连接承压型连接允许克服最大摩擦力后 以螺杆杆身抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态 同普通螺栓 摩擦力只起延缓滑动作用 计算方法与普通螺栓相同 受拉时与高强度螺栓摩擦型连接无区别