钢结构第三章焊接连接ppt课件

第三章钢结构的连接,构造要求和计算,焊接连接螺栓连接铆钉连接,焊接连接,螺栓连接,铆钉连接,3.1钢结构的连接方法和特点,焊接连接,螺栓连接,铆钉,铆钉机,一、焊接连接,优点：构造简单，制作加工方便；不削弱截面；连接刚度大；可实现自动化操作。,缺点：材质易脆；存在残余应力；对裂纹敏感。,焊接连接是钢结构中最常用的一种连接方法：,焊接方法：,电弧焊,埋弧焊,气体保护焊,手工电弧焊,自动和半自动,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。,Q235钢E43型焊条(E4300E4328)；Q345钢E50型焊条(E5000E5048)；Q390钢Q420钢E55型焊条(E5500E5518)。,注：不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。,B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（MPa),第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。,E43型熔融金属的最小抗拉强度为420MPa；E50型熔融金属的最小抗拉强度为490MPa；E55型熔融金属的最小抗拉强度为550MPa；,E4300：平、仰、立、横；交流或直流正、反接；特殊性；E4322：平；交流或直流；正接氧化铁型；,缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接技术直接影响焊接质量。,优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置焊接；,C、手工电弧焊的优、缺点：,优点：连接刚度大，传力可靠；,二、铆钉连接,缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，施工速度慢。,铆钉连接是利用铆钉将两个或两个以上的元件(一般为板材或型材)连接在一起的方法，简称铆接。铆钉有空心和实心两大类。,铆钉连接包括制孔和打铆两个工序。,螺栓连接,普通螺栓,高强螺栓,三、螺栓连接,精制螺栓,摩擦型连接,承压型连接,粗制螺栓,粗制普通螺栓（C级）:,材料的性能等级为4.6或4.8级；4表示fu400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；,精制普通螺栓（A、B级）:,材料的性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；,1、普通螺栓：（A、B、C三级）,摩擦型连接：,摩擦型连接依靠被连接板件之间强大的摩擦阻力来承受外力，以摩擦阻力被克服作为承载能力的极限状态。为了提高摩擦阻力，一般要对接触面进行处理，并施加预压力。摩擦型螺栓连接的螺栓孔径比螺栓直径大1.52.0mm。摩擦型连接有很大的摩阻力，剪切变形小，特别适用于承受动力荷载的结构中。,摩擦型连接,承压型连接,2、高强度螺栓连接,承压型连接：,承压型连接允许被连接板件之间接触面发生相对滑移，以栓杆被剪断或承压破坏作为承载能力的极限状态。承压型螺栓连接的螺栓孔径比螺栓直径大1.01.5mm。承压型连接的承载力比摩擦型连接高，可节约螺栓，但剪切变形大，故不能用于承受动力荷载的结构中。,3.2焊缝和焊接连接的形式,一、焊缝的形式,（2）对接焊缝,（1）角焊缝,1、角焊缝,定义：角焊缝连接不必坡口，焊缝金属直接填充在被连接板件形成的直角或斜角区。,（1）直角角焊缝,一般情况下,直接承受动力荷载的结构中,焊脚尺寸,计算厚度,（2）斜角角焊缝,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,直边缝：,单边V形缝：,双边V形缝：,适用板厚10mm,适用板厚1020mm,U形缝：,K形缝：,X形缝：,适用板厚20mm,2、对接焊缝（坡口焊缝）,二、焊接连接的形式,搭接,对接,角部连接,T型连接,平焊,横焊,仰焊,施焊位置：,平焊（又称俯焊），施工最方便；横焊和立焊对焊工的操作水平要求较高；仰焊的操作条件是最差的，焊缝质量很难保证，尽量避免采用。,3.3焊缝缺陷和质量检验,一、焊缝缺陷,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；焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。,裂纹,焊瘤,烧穿,弧坑裂纹,气孔,夹渣,未焊透,二、焊缝质量检验,质量检验,外观检查,内部无损检查,检查外观缺陷和几何尺寸,检查内部缺陷，采用超声波检验，用磁粉、荧光检验等较简单的方法作为辅助；此外还可采用X射线或射线透照或拍片，X射线应用较广。,超探仪,40,钢结构工程施工及验收规范规定：,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、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,三、焊缝代号图例,焊缝代号,基本符号,指引线,表示焊缝的截面形式,横线,带箭头的斜线,焊缝代号,3.4角焊缝的构造要求和计算,基本概念,正面角焊缝：焊缝长度方向与作用力垂直；侧面角焊缝：焊缝长度方向与作用力平行；斜焊缝：焊缝长度方向与作用力呈一定角度；,角焊缝按其与作用力的关系可分为：,1、正面角焊缝,各面均存在正应力和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。,A,B,C,B1,C1,A1,A,C,B,N,N,x,y,2、侧面角焊缝,主要承受剪应力(沿长度方向),N,注：所取截面为45斜截面,3、斜焊缝,斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。,构造要求,一、角焊缝构造要求,1、最小焊脚尺寸,1.52,较厚焊件的厚度,注意：1、自动焊熔深较大，最小焊脚尺寸减少1mm；2、T型连接的单面角焊缝，应增加1mm；3、当焊件厚度小于或等4mm时，取焊件厚度相同。,2、最大焊脚尺寸,1.21,较薄焊件的厚度,对板件边缘的角焊缝：1、当板件厚度大于6mm，取()；2、当板件厚度小于等于6mm，取；,较厚焊件的厚度,较薄焊件的厚度,注：焊脚尺寸取整数,小结：,几种特殊情况下的最大最小焊脚尺寸的规定：,3、角焊缝的最小计算长度,防止焊缝长度过小，力线弯折大，造成严重的应力集中。,正面角焊缝：,4、侧面角焊缝的最大计算长度,侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大中间小，焊缝越长，应力集中越明显；如果长度过长，有可能在焊缝的两端破坏。,(1)仅有侧面角焊缝时：,（t为较薄焊件的厚度）,(2)仅有正面角焊缝时：,（t为较薄焊件的厚度）,，,5、搭接连接的构造要求,否则应力分布不均匀，承载力下降,6、断续角焊缝的构造要求：,角焊缝沿长度方向布置,连续角焊缝,断续角焊缝,主要的焊缝形式,应力集中现象明显,4.绕角焊,转角处构件存在应力集中现象，如果在此处起、灭弧。可能出现弧坑、咬肉等现象，加大应力集中，故应该采用绕角焊，或者采用三面围焊。,7、减少角焊缝应力集中的措施：,设计计算,直角角焊缝强度计算基本公式：,正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时取1.0,直角角焊缝计算公式：,有效截面（计算截面）,直角角焊缝的极限强度公式：,适合于Q235钢,其他钢种直角角焊缝的极限强度公式：,能适合大部分钢种,当作用斜向轴心力F：,F,N,V,沿长度方向,垂直于长度方向,F,N,V,N,V,将上述应力代入到折算应力公式中：,其中，,直角角焊缝强度计算基本公式：,正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时取1.0,对正面角焊缝：,对侧面角焊缝,不同受力情况下角焊缝连接计算：,轴心力作用,弯矩、轴心力和剪力共同作用,扭矩和剪力共同作用,1、轴心力作用下角焊缝的连接计算,只有正面角焊缝时：,a.盖板连接的角焊缝,只有侧面角焊缝,只有正面角焊缝,三面围焊,b.承受斜向轴力的角焊缝,c.承受轴心力的角钢角焊缝,a.盖板的角焊缝的连接计算,采用三面围焊时：,（1）只有侧面角焊缝时：,（2）只有正面角焊缝时：,（3）采用三面围焊时：,先求出正面焊缝所能承受的力,然后计算侧面焊缝,只有正面角焊缝时：,采用三面围焊时：,b.承受斜向轴力的角焊缝,分力法,令：,斜焊缝的计算公式:,直接法,验算如下角焊缝的强度，已知斜向力F=250KN，角度，焊脚尺寸，焊缝实际长度，钢材Q235B钢，手工焊，E43型焊条。,例题3-1,1、分力法,代入到式（3-8）中，得：,满足要求。,2、直接法,斜焊缝的计算公式:,最后代入公式：,满足要求。,试设计采用拼接盖板的对接连接，已知钢板宽度B=270mm，厚度，拼接盖板厚度，该连接承受的轴心静力荷载设计值N=1400KN,钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。,例题3-2,跟焊缝的受力形式有关,两面侧焊,采用菱形盖板,三面围焊,1、采用两面侧焊,拼接盖板的宽度b的确定？,应满足：在钢材种类相同的情况下，拼接盖板的截面积应大于等于被连接钢板的截面积。,同时需满足构造构造要求：,(1)仅有侧面角焊缝时：,（t为较薄焊件的厚度）,=,=,满足要求，故盖板尺寸为-16240680,2、采用三面围焊,可减少侧面角焊缝长度，继而减少盖板尺寸。,假设拼接盖板的宽度和厚度与采用两面侧焊时相同,未知量：盖板的长度L,先求出正面焊缝所能承受的力,然后计算侧面焊缝,代入式中,3、采用菱形拼接盖板,可减小角部的应力集中，继而改善连接的工作性能。,设计思路：假定菱形拼接盖板的尺寸，然后进行验算。,正面角焊缝,侧面角焊缝,斜焊缝,c.承受轴心力的角钢角焊缝,两面侧焊,三面围焊,L形围焊,三面围焊：,b,已知量：N，e，b,未知量：N1，N2，N3,首先确定正面角焊缝所能承受的最大力：,N1，N2,N1,N2,3=20.73,2、角钢连接的角焊缝计算,同理，,注：k1，k2称为轴力分配系数，可查表,两面侧焊：,b,即：N3=0,(2)两面侧焊,(3)L形围焊,L形围焊：,即：N2=0,一桁架的腹杆，截面为214010，钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。杆件承受静力荷载，由恒荷载标准值产生的,由活荷载标准值产生的。构件与16mm厚的节点板相连接，如图所示，分别设计下列情况时此节点的连接：(1)三面围焊；(2)两面侧焊；(3)L形围焊。,例题3-3,已知条件：角钢类型：214010；外荷载：恒载作用的标准值和活载作用的标准值；节点板厚度：16mm,目的：对节点的连接进行设计1、三面围焊：2、两面侧焊：3、L形围焊：,1、采用三面围焊,最大焊脚尺寸最小焊脚尺寸,8mm,N1，N2，N3,N,=1.2NGK+1.4NQK=1056KN,N1，N2，N3,确定焊缝的长度？,3=20.73,1=132,2=232,将N1、N2代入到下述公式中：,=327.1mm,=91.4mm,由计算长度得实际长度,=335.1,=99.4,=140,取340mm,取100mm,取140mm,2、采用两面侧焊缝,=739.2KN,=316.8KN,将N1、N2代入到下述公式中：,=412.5mm,=176.8mm,由计算长度得实际长度,=428.5mm,=192.8mm,3、采用L形围焊,=633.6KN,=422.4KN,正面角焊缝所能承受的最大力为306.1KN,N3=633.6KN,L形焊缝不满足受力，故不能采用L形焊缝,M,2、弯矩、剪力和轴心力作用,N,V,弯矩：,=,在截面上产生的应力大小：,最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处：,=,剪力：,V,轴心力：,N,弯矩+剪力+轴力：,N,F,e,A,控制设计点,一角钢牛腿，截面为11258012，短边外伸如图所示，承受静力荷载设计值F=140KN，作用点与柱翼缘板表面的距离e=30mm，钢材Q235B,手工焊，E43型焊条。试验算此牛腿角钢与柱连接的角焊缝强度。,例题3-4,已知条件：角钢尺寸焊缝的尺寸；钢材类型及其焊接方法焊接金属的抗拉强度设计值；外力F及偏心距e；,解题思路：确定焊缝的形式,应力验算,假设焊脚尺寸,目的：进行角焊缝强度验算,未知条件：焊脚尺寸和焊缝长度,（1）剪力：V=F=140KN弯矩：M=Fe=4.2KNm,剪力F产生的应力：,弯矩产生的最大应力：,工字形或H形截面梁（牛腿）,通常承受M、V,焊缝截面：翼缘焊缝和腹板焊缝外力：M、V,M,V,全部焊缝承担,腹板焊缝承担,1、翼缘焊缝应力：,M,弯曲应力：沿梁高呈三角形分布。,翼缘板最外纤维,翼缘焊缝最外纤维处应力应满足：,M,V,2、腹板焊缝应力:,设计控制点,需要验算的应力：1、为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：,2、翼缘板与腹板交点处的应力满足：,例题3-5,100,100,20,1,2,3,4,1=340,2=1+20.71=351.2,3=400,4=3+20.71=411.2,外荷载：N=320KNM=Ne=112KNm,焊缝：腹板焊缝和翼缘板焊缝,作为剪力,N由腹板焊缝承担M由全部焊缝承担,M引起的应力值：翼缘焊缝最外边缘处和翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处,=,翼缘板焊缝,腹板焊缝,上下2条长焊缝,中间4条短焊缝,中间2条竖向焊缝,中间2条竖向焊缝,1=20.4234312,中间4条短焊缝,2=40.569.217.282,上下2条长焊缝,3=20.5620.420.282,=+=,M引起的应力值：翼缘焊缝最外边缘处和翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处,翼缘最外边缘处应力:,=./=./,满足要求,=32010320.76340=112/2,22+2=140.8/2,160/2,满足要求,翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处应力:,2=12=104/2,M,N,3、扭矩、剪力和轴心力作用,（1）扭矩作用环形角焊缝连接计算,=,r圆心至焊缝有效截面中线的距离,有效截面的极惯性矩；薄壁圆环可取=23,（2）扭矩作用条形角焊缝连接计算,=,基本假定：被连接构件是绝对刚性的，角焊缝是弹性的；角焊缝上应力方向垂直于该点与形心的连线，大小与距离成正比。,设计控制点,+,（3）扭矩、剪力和轴力共同作用下角焊缝连接计算,扭矩作用的应力：,=,设计控制点,剪力作用的应力：,=,V,A,轴力作用的应力：,=,N,A,扭矩+剪力+轴力共同作用：,=+,=+,V,A,N,3.5对接焊缝构造要求和计算,构造要求,焊缝金属,主体金属,一、对接焊缝的强度,金属强度之间的关系？,无缺陷,有缺陷,焊缝金属强度大于主体金属强度,受压和受剪焊缝,受拉焊缝,焊缝金属强度等于主体金属强度,焊缝金属强度等于85%主体金属强度,一、二级焊缝,三级焊缝,焊缝金属强度等于主体金属强度,金属强度,1、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4mm以上时，应分别在宽度方向和厚度方向制成斜角。,二、对接焊缝的构造要求,焊缝的起点和终点，容易出现弧坑等缺陷，形成应力集中，故通常设引弧板，使起弧和灭弧落在引弧板上，焊接后割除。,有引弧板,=,无有引弧板,=2,设计计算,三、对接焊缝的计算公式,对接焊缝,全部焊透的对接焊缝,部分焊透的对接焊缝,一般受力结构中采用,受力较小；焊透的对接焊缝强度不能充分发挥,1、焊透的对接焊缝的计算,计算原则：焊透的对接焊缝是焊件截面的组成部分，计算方法与构件的强度计算方法一致。,A轴心力作用的对接焊缝计算,B弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算,C弯矩、剪力和轴心力共同作用的对接焊缝计算,A轴心力作用的对接焊缝计算,B,t,N,N,N,N,B弯矩、剪力作用的对接焊缝计算,B,t,M,M,V,V,a钢板连接的对接焊缝,最大正应力,最大剪应力,*所求点以外的图形对中性轴的面积矩*,b工字或H型钢连接的对接焊缝,max,最大正应力,最大剪应力,腹板与翼缘板交接点1,最大正应力,最大剪应力,=2/,如何计算？,腹板与翼缘板交接点1,1.1折算应力局部增大系数,思考：这里的、分别等于什么？,C轴心力、弯矩和剪力作用的对接焊缝计算,max,+,+,+或,最大正应力,最大剪应力,腹板与翼缘板交接点1,承受轴拉力的钢板，采用Q235钢，宽度B=200mm，如图所示，恒载标准值，活载标准值，钢板上有一垂直于钢板轴线的对接焊缝，焊条E43型，手工焊。试验算下列三种情况是否满足承载力要求：(1)焊缝质量为二级，采用引弧板施焊，