水工钢结构第三章

第三章钢结构的连接 第一节连接的类型钢结构的连接方法可分为 焊缝连接螺栓连接铆钉连接 焊缝连接 螺栓连接 铆钉连接 钢结构连接方法的优缺点 费工费料 传力可靠 塑性韧性好 质量易于检查 抗动力荷载性能好 铆钉连接 摩擦面处理及安装工艺复杂 造价高 加工方便 对结构削弱少 可拆换 能承受动力荷载 耐疲劳 塑性韧性好 高强螺栓 螺栓精度低时不宜受剪 精度高时加工和安装难度大 装卸便利 设备简单 普通螺栓 螺栓连接 对材质要求高 产生残余应力和变形 质量检验工作量大 适应性强 构造简单 省材省工 密封性好 工效高 不削弱结构 焊缝连接 缺点 优点 连接方法 第二节焊接方法和焊缝强度 按焊接方法不同分类 熔化焊 将主体金属在连接处局部加热至熔融状态 并附加融化的填充金属使金属分子相互结合而形成整体 又分为电弧焊和气焊等 电阻焊 将金属通电后由接触面上的电阻使接头加热到塑形状态或局部熔融状态 并施加压力形成接头 钢结构中主要使用电弧焊 第二节焊接方法和焊缝强度 一 电弧焊的原理和焊接方法电弧焊 手工焊 自动焊 半自动焊 1 手工电弧焊 采用低电压 大电流引燃电弧 使焊条和焊件之间产生很大热量和强烈弧光 利用电弧热来融化焊件接头和焊条进行焊接 焊条材料和型号 焊条是由金属焊芯和药皮两部分所组成的 焊条的型号应与焊件钢材强度相适应 Q235钢用E43 Q345用E50 Q390和Q420用E55 其中43 50和55分别表示焊条熔覆金属或者对接焊缝的抗拉强度为420N mm2 490N mm2和540N mm2 焊芯的作用 是作为电极和填充金属 药皮的作用 稳定电弧 隔离空气 减缓冷却 改善焊缝性能 焊剂层下自动焊示意图 2 焊剂层下的自动焊和半自动焊优点 生产率高 焊缝质量高 节约焊条 技术易掌握缺点 焊前装配要求严格 受制于自动焊车轨道 焊接方法及设备 机械工业出版社毕惠琴主编 二氧化碳气体保护焊过程示意图 是利用二氧化碳气体作为保护介质的一种自动和半自动的电弧焊方法 3 二氧化碳气体保护焊优点 生产率高 焊接变形小 抗锈能力强 操作方便 二氧化碳气体廉价缺点 设备复杂 易生事故 弧光很强 注意保护 金属熔滴易飞溅造成焊缝缺陷 第二节焊接方法和焊缝强度 二 焊缝连接的缺陷 质量检验焊缝连接的缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或邻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 不包括规定不焊透者 等 以及焊缝外形尺寸不符合要求 焊缝成形不良等 二 焊缝连接的缺陷 质量检验 其中裂纹的危害最大 二 焊缝连接的缺陷 质量检验 二 焊缝连接的缺陷 质量检验 焊缝质量检验外观检查 检查外观缺陷和几何尺寸 无损检验 检查内部缺陷 超声波检验 X射线透照 二 焊缝连接的缺陷 质量检验 焊缝质量检验焊缝的级别 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查 符合三级质量标准 二级焊缝要求通过外观检查和超声波检验 其中要求超声波检验每条焊缝的20 长度 一级焊缝则要求通过外观检查和全部超声波检验及必要的X射线检验 对抗动力和疲劳性能有较高要求处可采用一级焊缝 三 焊缝连接的型式 1 按构件的相对位置分分为对接 搭接 顶接 2 按构造分分为对接焊缝和角焊缝 三 焊缝连接的型式 对接焊缝按作用力的方向可分为直缝和斜缝角焊缝按作用力的方向可分为侧缝和端缝 三 焊缝连接的型式 三 焊缝连接的型式 四 焊缝的强度设计值 焊缝强度主要决定于焊缝金属和主体金属的强度 并与焊接形式 应力集中程度以及焊接工艺条件等有密切关系 对接焊缝的抗压 抗剪强度设计值与母材相同 抗拉强度设计值 级质量检验焊缝与母材相同 级质量检验焊缝约取母材的85 即可 角焊缝中侧面焊缝的强度低 正面焊缝的强度高 斜焊缝的强度介于两者之间 但是由于角焊缝的应力状态比较复杂 抗拉 抗剪和抗压不分焊缝质量检验等级而采用相同的强度设计值 四 焊缝的强度设计值 表3 1 钢结构设计规范 N mm2 第三节对接焊缝的构造和计算 一 对接焊缝的构造优点用料经济 传力平顺均匀 没有明显的应力集中 对于承受动力荷载作用的焊接结构 采用对接焊缝最为有利 缺点对接焊缝的焊件边缘需要进行坡口加工 焊件长度必须精确 施焊时焊件要保持一定的间隙 一 对接焊缝的构造 第三节对接焊缝的构造和计算 图3 7对接焊缝的坡口形式及符号根据板厚及焊接方法不同加工成不同的坡口 一 对接焊缝的构造 板厚相差超过四毫米时 引弧板 影响计算长度有引弧板lw l无引弧板lw l 2t t为较小焊件厚度 1 轴心受力的对接直焊缝计算 二 对接焊缝的强度计算 例题3 1 Q235 F钢板截面为500mm 14mm 采用手工焊条E43型 按 级焊缝质量检验 试按下列情况设计对接焊缝 钢板承受轴心拉力N 1300kN 按钢板最大承载力设计轴心拉力和焊缝等级 单位 mm 课堂练习 习题3 1 钢材的强度设计值 表2 4 焊缝的强度设计值 表3 1 2 对接焊缝承受弯矩和剪力 二 对接焊缝的强度计算 Iw 焊缝截面对中和轴惯性矩 Ww 截面抵抗矩 截面对其形心轴的惯性矩与界面上所求点到形心轴距离比值 Sw 所求应力点以上或者以下焊缝截面对中和轴的面积矩 例题3 2 验算Q235热轧普通工字钢I20a的对接焊缝强度 对接截面承受弯矩M 45kN m 剪力V 80kN 采用手工焊焊条E43型 按 级焊缝质量检验 单位 mm 小问题 关于引弧板 题目中没说但书上答案按有引弧板做的 3 对接焊缝承受弯矩 剪力和轴心力对接焊缝承受弯矩 剪力和轴心力共同作用时 焊缝正应力为弯矩和轴心力引起的应力之和 a 验算 剪应力仍按式 b 验算 需要验算折算应力时按式 c 进行验算 二 对接焊缝的强度计算 例题3 2 验算Q235热轧普通工字钢I20a的对接焊缝强度 对接截面承受弯矩M 45kN m 剪力V 80kN 拉力N 50KN 采用手工焊焊条E43型 按 级焊缝质量检验 焊接过程中使用引弧板 单位 mm 练习 作业 习题3 2下次上课前交3 2提示 先把T型焊缝算成无引弧板的长度再算 图中焊缝中和轴位置计算不正确 第三章钢结构的连接 第四节角焊缝连接的构造和计算 第四节角焊缝连接的构造和计算 一 受力特征和构造要求1 角焊缝按其受力方向和位置分为 侧面角焊缝 侧焊缝 正面焊缝 端焊缝 两者联合使用称为围焊缝 一 受力特征和构造要求 hf 焊脚尺寸经试验发现 焊缝破坏形式为剪切破坏 发生在三角形最小厚度平面 焊缝的有效厚度 普通式平坡式深熔式 直角角焊缝 一 受力特征和构造要求 2 角焊缝的构造要求1 考虑焊口影响 计算长度取实际长度减去2hf 即lw l 2hf2 最小焊脚尺寸 为较厚焊件厚度 mm 自动焊时减小1mm T形连接单面焊时增加1mm 当时 用 一 受力特征和构造要求 3 最大焊脚尺寸 是薄焊件厚度 mm 对板边焊缝还应满足 为板件厚 mm 一 受力特征和构造要求 4 侧焊缝 为减轻剪应力分布不均匀的程度 对计算最大值加以限制 受静荷载时 受动荷载时 超过部分计算不考虑 一 受力特征和构造要求 5 最小焊缝计算长度及 6 在端焊缝的搭接连接中 搭接长度不得小于焊件较小厚度的五倍 且不小于25mm 二 角焊缝的符号 三 角焊缝的强度计算 1 角焊缝计算的基本公式 对最薄弱面进行受力分析 受平面内的应力和竖直向上的应力 可再分解为和按第四强度理论有 1 角焊缝计算的基本公式 带入公式整理得 令为正面焊接强度的增大系数 等于 三 角焊缝的强度计算 2 轴心力 拉 压 作用时连接计算 对于侧焊缝 只有平行于焊缝长度方向的轴心力Ny 承受静力荷载或间接承受动力荷载 取为1 22 直接承受动力荷载时取为1 0 对于正面焊缝 只有垂直于焊缝长度方向的轴心力Nx 例题 两Q235钢材 板厚都为10mm 所受拉力为400KN 采用角焊缝形式进行焊接 若分别采用侧焊缝和端焊缝 试分别设计这两类焊缝 三 角焊缝的强度计算 2 轴心力 拉 压 作用时连接计算 先计算正面焊缝所能承受的最大Nmax再按照N Nmax验算侧面焊缝Nmax是平均分配在两侧焊缝上的 三 角焊缝的强度计算 2 轴心力 拉 压 作用时连接计算 肢背焊缝承担N1 k1N 肢尖焊缝承担N2 k2N 例题3 3桁架腹杆的拉力为470kN 其截面由两个等肢角钢 2L75 8 组成 节点板厚10mm 试选择该杆件截面尺寸 并设计角焊缝的连接 钢材标号为Q235 F 焊条标号E43 作业 习题3 3下次上课前交 三 角焊缝的强度计算 3 弯矩 剪力和轴力共同作用T型连接计算 Ww 角焊缝有效截面模量Aw 角焊缝有效截面积 例题3 4验算例图3 4中牛腿与柱的角焊缝连接强度 牛腿与柱的钢材用Q345钢 P为静载 手工焊焊条用E50 三 角焊缝的强度计算 4 扭矩 剪力共同作用下搭接连接计算 为什么受扭矩 各焊缝到力P距离不等 三 角焊缝的强度计算 4 扭矩 剪力共同作用下搭接连接计算 假定 1 构件是刚性的 角焊缝是弹性的 2 构件绕形心O转动 角焊缝任意点的应力方向垂直于该点与形心的连线 应力的大小与其距离r的大小成正比 例题3 5牛腿和柱的搭接构造如图例3 5所示 焊缝厚度 钢材为Q235 手工焊焊条用E43 验算牛腿角围焊缝所能承受的最大荷载P 第五节焊接应力和焊接变形 一 焊接应力和焊接变形产生的原因 1 原因 电弧对钢板的不均匀加热 将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力 以 x表示 将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力 以 y表示 对厚度方向上的残余应力以 z表示 一 焊接应力和焊接变形产生的原因 2 纵向焊接应力 平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布 此图对于低碳钢适用 焊缝足够长 第五节焊接应力和焊接变形 不同尺寸 不同截面上纵向残余应力 x的分布 对于低碳钢适用 不同材料上纵向残余应力在横截面上的分布 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布a 低碳钢b 低合金钢 高温区拉应力低温区压应力 一 焊接应力和焊接变形产生的原因 3 横向焊接应力 焊缝沿纵向收缩时 两块钢板会向外弯曲成弓形 这种趋势被焊条金属所阻止 后焊部分对先焊部分的横向拉应力 一 焊接应力和焊接变形产生的原因 4 厚度方向焊接应力 与上述两种应力形成了三向同号拉应力场使焊缝工作极为不利 二 焊接残余应力和变形的危害性及解决措施 1 减少或消除焊接残余应力的措施 1 设计角度 尽量避免三向拉应力的情况 2 制造方面 采取适当的焊接次序焊缝较厚时采用分层焊 焊缝较长时采用分段焊 3 尽可能采用对称焊缝 2 减少或消除焊接变形的措施 1 施焊前使构件有一个和焊接变形相反的预变形 2 采用合理的装配和焊接顺序 3 对于小尺寸的杆件 可在焊前预热 或焊后回火加热到600 左右 然后缓慢冷却 可消除焊接变形 4 机械矫正 锤击法 第六节螺栓连接一 概述 一 螺栓的种类和特性普通螺栓粗制螺栓 精致螺栓高强螺栓摩擦型 承压型锚固螺栓 第三章钢结构的连接 1 普通螺栓粗制螺栓 C级 螺杆比栓孔直径小1 0 1 5mm 安装制造简单 成本低 受剪时产生较大滑移 工作性能差精制螺栓 A级 B级 杆径与孔径基本相同 间隙小 约0 3mm 表面光滑尺寸准确 成本高2 高强螺栓 用高强度钢材制成 利用特制扳手拧紧 产生很大预拉力 传递到接触面 产生很大摩擦力摩擦型 完全依靠被连接件之间的摩阻力传力承压型 由摩阻力和螺杆的剪力 承压共同传力3 锚固螺栓孔径为杆径的1 5倍 只能受拉 不能受剪 第六节螺栓连接 二 连接形式 对接 搭接 顶接 按受力分 第六节螺栓连接 二 普通螺栓连接的构造和计算 一 构造1 受力要求M16 M18 M20 M22 M24 M27 M302 构造要求3 施工要求同一种构件中宜用同种螺栓 排列简单紧凑 便于安装 二 普通螺栓连接的构造和计算 一 构造 表3 3螺栓连接的强度设计 N mm2 4 6级的含义 4表示材料热处理后的最低抗拉强度fu为400N mm26表示屈服强度与最低抗拉强度的比值 屈强比 8 8级 二 普通螺栓连接的强度计算 1 单个螺栓的承载力设计值抗剪螺栓 螺栓被剪坏单个螺栓的抗剪承载力设计值普通螺栓的抗剪强度设计值 钢板被剪坏单个螺栓的承压承载力设计值连接件中同一受力方向承压钢板总厚度的较小值螺栓的承压强度设计值 二 普通螺栓连接的强度计算 2 板件受轴心力作用的抗剪螺栓连接计算 1 螺栓数目的确定 2 构件净截面强度计算 假定剪力平均分配 An 构件净截面积f 钢板抗拉强度 表2 4 例题3 6设计一截面为16mm 340mm的钢板拼接连接 采用两块拼接板t 9mm和5 6级精制螺栓连接 钢板和螺栓均用Q235钢 钢板承受轴心拉力N 750kN 二 普通螺栓连接的强度计算 3 受扭矩和剪力作用的抗剪螺栓连接计算 假定 1 钢板是刚性的 螺栓是弹性的 2 钢板绕螺栓中心转动 螺栓受的剪切力N与r成正比 且与r垂直 例题3 7验算例图3 7所示的搭接连接 一块支托板用Q235 F钢 支托板厚度t 10mm 其上作用力P 60kN 用M20的精制螺栓连接 二 普通螺栓连接的强度计算 4 受拉力 剪力和弯矩共同作用的螺栓连接计算单个螺栓的抗拉承载力设计值抗拉螺栓 单个螺栓抗拉承载力设计值螺纹内径 有效面积 附录五螺栓抗拉强度设计值 二 普通螺栓连接的强度计算 4 受拉力 剪力和弯矩共同作用的螺栓连接计算 1 当螺栓单纯受拉时 则连接所需螺栓数目为 单个螺栓抗拉承载力设计值 假设各螺栓承受的拉力相等 4 受拉力 剪力和弯矩共同作用的螺栓连接计算 2 螺栓同时承受剪力和拉力 根据试验研究 螺栓还应满足相关公式 还应考虑板件被压坏的情况 单个螺栓承受的剪力单个螺栓承受的拉力单个螺栓抗剪承载力设计值单个螺栓抗拉承载力设计值单个螺栓承压承载力设计值 4 受拉力 剪力和弯矩共同作用的螺栓连接计算 3 螺栓同时承受剪力和弯矩 剪力较小的情况 各螺栓绕最下面的螺栓转动 转动中心 弯矩对于螺栓而言产生拉力拉力大小与该螺栓到转动中心的距离成正比作用于螺栓上的最大拉力 作用于螺栓上的剪力 4 受拉力 剪力和弯矩共同作用的螺栓连接计算 3 螺栓同时承受剪力和弯矩 剪力较大的情况 剪力很大时 通常设置支托受剪 螺栓只收拉力 还应验算支托处角焊缝强度 例题3 8梁和柱翼缘用普通粗制螺栓连接 如例图3 8所示 连接处剪力V 258kN 弯矩M 37 6kN m 梁端设有支托 钢材为Q235 F 螺栓用M20 焊条E43 手工焊 试设计此连接 作业 习题3 7说明 3 7 类螺孔 5 6 8 8级螺栓 三 高强度螺栓连接的构造和计算 一 高强度螺栓连接的构造和性能高强度螺栓摩擦型 以作用的剪力等于最大摩阻力为连接的极限荷载承压型 剪