钢结构设计原理PPT学习课件

1、大纲要求大纲要求 1.1.了解钢结构连接的种类及各自的特点；了解钢结构连接的种类及各自的特点； 2.2.了解焊接连接的工作性能，了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算方法及构造要掌握焊接连接的计算方法及构造要 求；求； 3.3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响；了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响； 4.4.了解螺栓连接的工作性能，了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算和构造要求。掌握螺栓连接的计算和构造要求。 一、焊缝连接 3.1 钢结构的连接方法 对接焊缝连接 优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现

2、自 动化操作；连接的密闭性好结构刚度大。 角焊缝连接 缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残 余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷 脆问题较为突出。 三、螺栓连接 优点：连接刚度大，传力可靠； 分为： 普通螺栓连接 高强度螺栓连接 二、铆钉连接 N 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。 一、钢结构常用焊接方法 1.手工电弧焊 用手工操纵焊条、用电弧作为热源的焊接方法 3.1.1 焊接方法和焊接连接形式 焊机 导线 熔池 焊条 焊钳 保护气体 焊件 电弧 焊条的

3、选择： 焊条应与焊件钢材相适应。 Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-5518) Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048) Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328) 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（kgf/mm2) 第3、4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。 缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接； 手工电弧焊优、缺点 2.2.埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊（自动或半自动） 利用在焊剂层下燃烧的

4、电 弧进行焊接的方法 焊丝的选择应与焊件等强度。 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，施工位置受限等。 3.3.气体保护焊气体保护焊 优、缺点： 优点：焊接速度快，焊接质量好。 缺点：施工条件受限制等。 1.1.焊缝形式焊缝形式 （1）对接焊缝：焊缝位于被连接板件或其中一个板件的平面内 正对接焊缝 （2）角焊缝：焊缝位于两个被连接板件的边缘位置 T型对接焊缝斜对接焊缝 二、焊接连接形式和焊缝形式 2.焊接连接形式（按被连接构件的相对位置） 对接链接采用拼接盖板的对接链接 搭接连接 T形链接 角部连接 3. 焊缝位置 三、焊缝缺陷及焊缝质量检查三、焊缝缺陷

5、及焊缝质量检查 1.焊缝缺陷 裂纹 焊瘤 烧穿 弧坑 气孔 夹渣咬边 未熔合 未焊透 2.2.焊缝质量检查焊缝质量检查 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。 内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方 法。还可以采用X射线或 射线透照或拍片。 钢结构工程施工及验收规范规定（不要求） 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。 钢结构设计规范（GB50017-2003）中，对焊缝质量等级的选用有 如下

6、规定：P64 (1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受 拉时应为一级，受压时应为二级。 3.3.焊缝质量等级及选用焊缝质量等级及选用 (2) 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊 缝应不低于二级；受压时宜为二级。 （）重级工作制和起重量 的中级工作制吊车梁的腹板与 上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接 与角接组合焊缝，不应低于二级。 （）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲 劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符 合二级。 4.4.焊缝代号焊缝代号 1、对接焊缝的坡口形式: 一、对接焊缝的构造

7、一、对接焊缝的构造 3.2 对接焊缝的构造与计算 对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。 t-焊件厚度 (1)当:t6mm(手工焊),t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。 C=0.52mm （a） C=23mm （b） C=23mm （C） p （d） C=34mmp C=34mm p （e） C=34mm p （f） 2 2、V V形、形、U U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊； 3 3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完 后将其切去；不能做引弧板时

8、，每条焊缝的计算长度等于实际长度后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度 减去减去2t2t1 1，t t1 1较薄焊件厚度；较薄焊件厚度； 4 4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm4mm时，应做坡度不大于时，应做坡度不大于 1:2.5(1:2.5(静载静载) )或或1:4(1:4(动载动载) )的斜角，以平缓过度，减小应力集中。的斜角，以平缓过度，减小应力集中。 1:2.5 1:2.5 对接焊缝分为：对接焊缝分为：焊透焊透和和部分焊透（自学）部分焊透（自学）两种；两种； 动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不

9、宜用做垂直受力方向垂直受力方向的连接焊的连接焊 缝；缝； 对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同， 不予计算。三级焊缝需进行计算；不予计算。三级焊缝需进行计算； 对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。 二、对接焊缝的计算二、对接焊缝的计算 NN t 1、轴心力作用下的对接焊缝计算 )283( w c w t w ff tl N 或 式中： N轴心拉力或压力； t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度； ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度

10、设计值。 NN lw t A 当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接 如图B。 w v w w c w t w f tl N ff tl N cos sin 或 另:当tan1.5时,不用验算! NN t B Nsin Ncos lw 2、M、V共同作用下的对接焊缝计算共同作用下的对接焊缝计算 lw t A M V )293( 6 2 max w t w w f tl M W M )303( 2 3 max w V w w w f tl V tI VS 因焊缝截面为矩形，M、 V共同作用下应力图为： 故其强度计算公式为： 式中：Ww焊缝截面模量； Sw-焊缝截面面积矩； Iw-焊缝截面惯性矩。

11、（1）板件间对接连接 （2）工字形截面梁对接连接计算工字形截面梁对接连接计算 M V1 焊缝截面 A、对于焊缝的max和max应满足式3-29和3-30要求； max 1 1 max B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应 力尚应满足下式要求： )313(1.13 2 1 2 1 w t f 1.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。 )293( 6 2 max w t w w f tl M W M )303( 2 3 max w V w w w f tl V tI VS he hf hf 普通式 he hf 1.5hf 平坡式 1、角焊缝的形式: 一、角焊缝的形式和受力分析一

12、、角焊缝的形式和受力分析 3.3 角焊缝的构造与计算 直角角焊缝、斜角角焊缝 （1）直角角焊缝 he hf hf 凹面式 按he= 0 .7 hf 斜 角 角 焊 缝 按he= 0 .7 hf (a) hf hf hf hf a ） 锐 角 角 焊 缝 ； b ） 钝 角 角 焊 缝 (b ) 按he= hf co s hf hf hf hf 2 按he= hf co s 2 （2）斜角角焊缝 对于135o或 6mm时，hf,maxt-(12)mm； hf t1 t 2 2、最小焊脚尺寸、最小焊脚尺寸hf,min 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母为了避免在焊缝金属中由于

13、冷却速度快而产生淬硬组织，导致母 材开裂，材开裂，hf,min应满足以下要求应满足以下要求: : )(5.1 2min, 计计算算数数值值只只进进不不舍舍！th f 式中: t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 当t24mm时, hf,min=t2 3.3.侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间 小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果

14、焊缝长度不是太大，焊 缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达 到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故： fw hl60 注： 1、当实际长度大于以上值时，计算时不予考虑； 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。 4.4.角焊缝的最小计算长度角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧 坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有坑相距太近，以及可能产生

15、缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有 一定的承载力，规范规定：一定的承载力，规范规定： mmhl fw 408且且不不得得小小于于 5. 搭接连接的构造要求 当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时： A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均，规范规定：不均，规范规定： bl w B、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲 太大，规范规定： ）（或或 ）（ mmtmm mmttb 12190 1216 1 11 t1 t2 b w l D. 在在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度搭接连接中，搭接长度不得

16、小于焊件较小厚度 的的5倍，且不得小于倍，且不得小于25mm。 C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕 角焊，且转角处必须连续施焊。 b w l 2hf 255 1且 且t t1 t2 三、直角角焊缝的强度计算公式三、直角角焊缝的强度计算公式 1 1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部喉部，故通常将，故通常将4545 o o截 截 面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示： hf he h h1 h2 d e he lw h-焊缝厚度、h1熔深 h2凸度、d焊趾、e焊根 2 2、实际上计算

17、截面的各应力分量的计算比较繁难，实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难， 为了简化计为了简化计 算，规范假定：算，规范假定：焊缝在有效截面处破坏焊缝在有效截面处破坏，且各应力分量满足以下，且各应力分量满足以下 折算应力公式折算应力公式: : )23()(3 222 w u f 3、由于我国规范给定的角焊 缝强度设计值，是根据抗剪条 件确定的故上式又可表达为： 式中： w u f-焊缝金属的抗拉强度 )33(3)(3 222 w f w u ff he lw 4 4、直角角焊缝的强度计算公式：直角角焊缝的强度计算公式： )53( we x f lh N )43( we y f lh N N N

18、y Nx 2 f f f = f he lw 45O45O hf w ff ff f3 2 3 2 2 22 将34、35式，代入33式得： ：得 1.22整理上式，并令 2 3 f )63( 2 2 w ff f f f 式36即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式 f正面角焊缝强度增大系数； 静载时取1.22，动载时取1.0。 )53( we x f lh N )43( we y f lh N 2 f f )33(3)(3 222 w f w u ff )73( w ff ew f f hl N 对于正面角焊缝，f=0，由36式得： 对于侧面角焊缝，f=0，由36式得： )83( w f

19、ew f f hl N 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。 )63( 2 2 w ff f f f ew w ff hlfN 四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算 w f we f f lh N 1、轴心力作用下 (1)轴心力作用下的盖板对接连接: A、仅采用侧面角焊缝连接： B、采用三面围焊连接： w f ew f f hl NN NN lw lw (2)T形角焊缝连接 )83( cos ew f hl N )93( sin ew f hl N )63( 2 2 w ff f f f Nx Ny N 2 w l 2 w

20、 l N 代入式3-6验算焊缝强度，即: (3)角钢角焊缝连接 A、仅采用侧面角焊缝连接 )113( )103( 2211 21 eNeN NNN 由力及力矩平衡得: 故: )133( )123( 2 21 1 2 1 21 2 1 Nk ee e NN Nk ee e NN 肢尖焊缝内力分配系数肢尖焊缝内力分配系数 肢背焊缝内力分配系数肢背焊缝内力分配系数 2 21 1 2 1 21 2 1 k ee e k k ee e k N e1 e2 b N1 N2 xx lw1 lw2 )153( )143( 22 2 11 1 w f ew f w f ew f f hl N f hl N 对于

21、校核问题: 对于设计问题: )173( )163( 2 2 2 1 1 1 w fe w w fe w fh N l fh N l N e1 e2 b N1 N2 xx lw1 lw2 B、采用三面围焊 )213( 2 )203( 2 3 22 3 11 N NkN N NkN 由力及力矩平衡得: )183( 333 w ffew fhlN )193( 33 w ffe fbhN 余下的问题同情况A，即: N e1 e2 b N1 N2 xx N3 lw1 lw2 )153( )143( 22 2 11 1 w f ew f w f ew f f hl N f hl N 对于校核问题: 对于设

22、计问题: )173( )163( 2 2 2 1 1 1 w fe w w fe w fh N l fh N l N e1 e2 b N1 N2 xx N3 lw1 lw2 )233( )223(2 31 23 NNN NkN C、采用L形围焊 代入下式3-20，3-21得: 对于设计问题: 0 2 N )243( 3 3 3 1 1 1 w w ff f w fe w lf N h fh N l )213( 2 )203( 2 3 22 3 11 N NkN N NkN N e1 e2 b N1 xx N3 lw1 2、N、M、V共同作用下 (1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算 N e Nx

23、Ny 2 w l 2 w l M A NxM Ny 2 , 6 weew x Af lh M hl N ew y Af hl N , w fAf f Af f 2 , 2 , hehe t (2) V、M共同作用下焊缝强度计算 h1 fA fB f w ff w fA f h I M 2 1 对于A点： 式中：Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩； h1两翼缘焊缝最外侧间的距离。 xx hh2 B B A h1 M e F V M 对于B点： 2 ,2, 2 2 we ffB w fB lh Vh I M w ffB f fB f 2 2 强度验算公式： 式中：h2、lw,2腹板焊缝的计算长度

24、； he,2腹板焊缝截面有效高度。 h1 f1 f2 f xx hh2 B B A h1 M V M 假定: A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即： T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的 趋势； B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向 垂直于该点与焊缝形心的连线，且大 小与r成正比； C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分 布。 3、T、V共同作用下共同作用下 将将F F向焊缝群形心向焊缝群形心 简化得简化得: : V=F V=F T=F(e T=F(e1 1+e+e2 2) ) F e1e2x0 l1 l2 xx y y A A 0 T V r 故：该连接的设计控制点 为A点和A点 xx y y

25、r rx ry ATAx TAy TA 0 Vy he )253( yxP TA II rT I rT T作用下A点应力: 将其沿x轴 和y轴分解: )273(cos )263(sin r r I rT r r I rT x P TTAy y P TTAx e2x0 l1 l2 xx y y A A 0 T V r 剪力V作用下,A点应力: we VVAy lh V A点垂直于焊缝长度方 向的应力为: TAyVAyf A点平行于焊缝长度方 向的应力为: TAxf 强度验算公式： w ff f f f 2 2 w fTAx f VAyTAy f 2 2 即：即： V xx y y r rx ry

26、 ATAx TAy TA 0 Vy he 五、斜角角焊缝的计算五、斜角角焊缝的计算 1 2 hf1 hf1 hf2 hf2 he2 he1 b1 b2 图A 1 2 hf1 hf1 hf2 hf2 he2 he1 b 图B 1、由于斜角角焊缝的研究不够充分，为简化计算， 规范规定：对于两焊脚边夹角60o135o的 斜T形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相 同的计算公式，且统一取f=1.0。 2 2、斜角角焊缝的计算厚度、斜角角焊缝的计算厚度hei 由几何关系得其通式为：由几何关系得其通式为： 2 cos sin 21i i fiei bbb hh 、或或 式中：b、b1和b25mm 说明：

27、A. b1和b21.5mm时, 可取b1、b2=0 B. b1和b2 5mm时, 应如图“B”方式处 理，且使b5mm。 1 2 hf1 hf1 hf2 hf2 he2 he1 b1 b2 图A 1 2 hf1 hf1 hf2 hf2 he2 he1 b 图B 3.4 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形 一、焊接残余应力的分类及其产生的原因一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1 1、焊接残余应力的分类、焊接残余应力的分类 A A、纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向; ; B B、横向焊接残余应力横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向; ; C C、沿

28、厚度方向的焊接残余应力。沿厚度方向的焊接残余应力。 2 2、焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力产生的原因 （1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力 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。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。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。 + - - 500oC 800oC 300oC 3

29、00oC 500oC 800oC 施 焊 方 向 8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm - - - - - + + （2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力 产生的原因产生的原因: : 1 1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，导致两焊件的趋势，导致两焊件 在焊缝处在焊缝处中部受拉，两端受压中部受拉，两端受压； 2 2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横横 向塑性压缩变形向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的

30、限 制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更，更 远处焊缝则产生拉应力远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关。 以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。 (a) 焊缝纵向收缩 时的 变形趋势 - + - (b) 焊缝纵向收缩 时的 横向应力 x y + - + 施 焊 方 向 (c) 焊缝横向收缩 时的 横向应力 x y - + - + (d) 焊缝横向 残余应力 y x 不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力: - + + 施 焊 方 向 (e)

31、 - + - 施 焊 方 向 ( f ) x y y x （3 3）沿厚度方向的焊接残余应力）沿厚度方向的焊接残余应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，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，产生凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形塑性压缩变形。焊缝冷。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，因产生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除，更远处焊缝则产生拉应力。因此，

32、除 了横向和纵向焊接残余应力了横向和纵向焊接残余应力x x, ,y y 外，还存在沿厚度方向的焊接残余外，还存在沿厚度方向的焊接残余 应力应力z z，这三种应力形成同号，这三种应力形成同号( (受拉受拉) )三向应力，大大三向应力，大大降低连接的塑性降低连接的塑性。 - + - 3 2 1 x y z 二、焊接残余应力对结构性能的影响二、焊接残余应力对结构性能的影响 1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响 f + - - b fy + - - b fy Ny Ny 因焊接残余应力自相平衡，故： yyty ftBftbBNN 当板件全截面达到fy，即N=Ny时： 结论： 焊接残余应力

33、对 结构的静力强度 没有影响。 + - - fy f b B t ftbBNftbN cyt )( 2 2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响 A、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故 该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为： EtbB N 1 f + - - b fy N N + - - fy f NN b B t 因为因为B-bBB-b 2 2。 结论： 焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。 B、当截面上没有焊接残余应力时，在、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：作用下应变增量为： EtB N 2 另外，对于轴心受压构件

34、，焊接残余应力使其挠 曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。 EtbB N 1 对于厚板或交叉焊缝，将产生对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力三向焊接残余拉应力，限制了其塑，限制了其塑 性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。 所以，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 措施措施。 3 3、对低温冷脆的影响、对低温冷脆的影响 4、对疲劳强度的影响 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

35、有明显的不利影响。 三、焊接变形三、焊接变形 焊接变形包括：焊接变形包括：纵向收缩、纵向收缩、横向收缩横向收缩、弯曲变形弯曲变形、角变形角变形和和扭曲扭曲 变形变形等，通常是几种变形的组合。等，通常是几种变形的组合。 四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施 1 1、设计上的措施；设计上的措施； （1 1）焊接位置的合理安排）焊接位置的合理安排 （2 2）焊缝尺寸要适当）焊缝尺寸要适当 （3 3）焊缝数量要少，且不宜过分集中）焊缝数量要少，且不宜过分集中 （4 4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉 （5 5）应尽量避免母材在厚度

36、方向的收缩应力）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力 2 2、加工工艺上的措施、加工工艺上的措施 （1 1）采用合理的施焊顺序（）采用合理的施焊顺序（1 1、2 2） （2 2）采用反变形处理）采用反变形处理 （3 3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理 3.5 螺栓连接的构造 一、螺栓的种类一、螺栓的种类 1.普通螺栓 C级-粗制螺栓，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；类孔，孔径(do)-栓 杆直径(d) 13mm。 A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级; 5或8表示fu5

37、00或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6 或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。 按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。 2.2.高强度螺栓高强度螺栓 由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理 45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级 大六角高强螺栓 扭剪型高强螺栓 二、螺栓的排列 1.并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大； B 错列A 并列 中距 中距 边距 边距 端距 2.错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小； 3.3.螺栓排列的要求螺栓排列的要求 （1 1）受力要求）受

38、力要求: : 垂直受力方向：垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而 降低承载力，降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小；螺栓的边距和端距不能太小； 顺力作用方向：顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小；端距不能太小； 对于受压构件：对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。中距不能太大。 （2 2）构造要求；）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入 腐蚀钢材。腐蚀钢材。 （3 3

39、）施工要求）施工要求 为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3d3do o。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。 三、螺栓连接的构造要求三、螺栓连接的构造要求 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两两 个永久螺栓个永久螺栓，但组合构件的缀条除外；，但组合构件的缀条除外； 直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽双螺帽，或其他措施以防螺帽，或其他措施以防螺帽 松动；松动； C C级螺栓宜用于沿杆轴方向

40、的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：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： 1 1、承受静载或间接动载的次要连接；、承受静载或间接动载的次要连接； 2 2、承受静载的可拆卸结构连接；、承受静载的可拆卸结构连接； 3 3、临时固定构件的安装连接。、临时固定构件的安装连接。 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；而不能采用型钢作为拼接件； 3.6.13.6.1 普通螺栓连接计算普通螺栓连接计算 一、螺栓连接的受力形式 F N F A 只受剪力B 只受拉力C 剪力和拉力共

41、同 作用 3.6 螺栓连接的计算 二、普通螺栓抗剪连接二、普通螺栓抗剪连接 （一）工作性能和破坏形式（一）工作性能和破坏形式 1.1.工作性能工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验, ,即可得到板即可得到板 件上件上a、b两点相对位移两点相对位移和作用力和作用力N的关系的关系 曲线曲线, ,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的 四个阶段四个阶段, ,即：即： (1)(1)摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(0(01 1段段) ) 直线段直线段连接处于弹性状态；连接处于弹性状态； 该阶段较短该阶段较短摩擦力较小。摩擦力较小。 N O 1 2 3

42、4 N N a b N N/2 N/2 (2) (2)滑移阶段滑移阶段(1(12 2段段) ) 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 栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。 N O 1 2 3 4 a b N N/2 N/2 (3)栓杆传力的弹性阶段(23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)(4)弹塑性阶段弹塑性阶段(3(34 4段段) ) 达到

43、达到3后，即使给荷载以很小后，即使给荷载以很小 的增量，连接的剪切变形迅速增大，直的增量，连接的剪切变形迅速增大，直 到连接破坏。到连接破坏。 4点（曲线的最高点）即为普通点（曲线的最高点）即为普通 螺栓抗剪连接的极限承载力螺栓抗剪连接的极限承载力Nu。 N O 1 2 3 4 a b N N/2 N/2 Nu 2.2.破坏形式破坏形式 （1 1）螺栓杆被剪坏）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时栓杆较细而板件较厚时 （2 2）孔壁的挤压破坏）孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时栓杆较粗而板件较薄时 （3 3）板件被拉断）板件被拉断 截面削弱过多时截面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。以上破

44、坏形式予以计算解决。 N/2 N N/2 N N N N （4 4）板件端部被剪坏）板件端部被剪坏( (拉豁拉豁) ) 端矩过小时；端矩不应小于端矩过小时；端矩不应小于2d2dO O NN （5）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d 这 两 种 破 坏 构 造 解 决 N/2 N N/2 （二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值（二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值 由破坏形式知由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆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 下两式决定下两式决定: : nv剪切面数目； d螺栓杆直径；

45、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。 )343(min min b c b v b NNN， 单栓抗剪承载力： )323( 4 2 b vv b v f d nN 抗剪承载力： )333( b c b c ftdN 承压承载力： d 剪切面数目剪切面数目n nv v N N 1 v n单单剪剪： N N/2 N/2 2 v n双双剪剪： 4 v n四四剪剪： N/2 N/3 N/3 N/3 N/2 （三）普通螺栓群抗剪连接计算（三）普通螺栓群抗剪连接计算 1 1、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算 N/2 N l1 N/2

46、 平均值 螺栓的内力分布 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l115d0(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有 各螺栓均担。 b N N n min 所以，连接所需螺栓数为： 解纽扣现象：解纽扣现象：当当l l1 115d15d0 0(d(d0 0为孔径为孔径) )时，连接进入弹塑性工作状态时，连接进入弹塑性工作状态 后，即使内力重新分布后，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。由试验可得连接的然

47、后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数抗剪强度折减系数与与l l1 1/d/d0 0的关系的关系 曲线曲线。 )353( 150 1.1 6015 0 1 010 d l dld 时：时：当当 ECCS 试验曲线 8.8级 M22 我国规范 1.0 0.75 0.5 0.25 0 10 20 30 40 50 60 70 80 l1/d0 平均值 长连接螺栓的内力分布 7.0 60 01 时：时：当当dl )363( min b N N n 故，连接所需栓数： NN b t t1 b1 普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行

48、板 件的净截面验算。件的净截面验算。 拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-2截面截面: : A、螺栓采用并列排列时: 主板的危险截面为1-1截面: 1 1 2 2 主板厚度。主板厚度。主板宽度；主板宽度；危险截面上的螺栓数；危险截面上的螺栓数； 螺栓孔直径；螺栓孔直径；钢材强度设计值钢材强度设计值 tbm dftdmbA f A N n n 001, 1, ; 拼接板厚度。危险截面上的螺栓数；拼接板宽度； 螺栓孔直径；钢材强度设计值 11 01012, 2, ;2 tmb dftdmbA f A N n n N N t t1 b c2c3 c4 c1 B、螺栓采用错列排列时: 主板的危险截

49、面为1-1和 1-1截面: 主板厚度。主板厚度。 主板宽度；主板宽度； 危险截面上的螺栓数；危险截面上的螺栓数； 螺栓孔直径；螺栓孔直径；钢材强度设计值；钢材强度设计值；式中：式中： 截面：截面：对于对于 截面：截面：对于对于 t b m df tdmccmcA tdmbA f A N n n n 0 0 2 2 2 14 0 ;1211 ;11 1 1 1 1 N N b t t1 b1 c2c3 c4 c1 拼接板的危险截面为2-2和2-2截面: 拼接板厚度。 拼接板宽度； 危险截面上的螺栓数； 螺栓孔直径；钢材强度设计值；式中： 截面：对于 截面：对于 1 1 0 10 2 2 2 14

50、 101 ;1222 ;22 t b m df tdmccmcA tdmbA f A N n n n 2 2 2 2 2 2、普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算、普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算 F作用下每个螺栓受力作用下每个螺栓受力： F e F T T x y N1T N1Tx N1Ty r1 1 F 1N1F )373( 1 n F N F T作用下连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2） T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈 线形关系，方向与ri垂直。 T x y N1T N1Tx N1Ty r1 1 显然，T作用下1号螺栓所受剪力 最大

51、（r1最大）。 )383( 2211 nnTTT rNrNrNT )393( 3 3 2 2 1 1 n nTTTT r N r N r N r N 由假定(2)得 由式3-39得: )403( 1 1 3 1 1 32 1 1 2 n T nT T T T T r r N Nr r N Nr r N N； 由力的平衡条件得： T x y N1T N1Tx N1Ty r1 1 将式3-40代入式3-38得: )413( 1 2 1 122 2 2 1 1 1 n i i T n T r r N rrr r N T )423( 11 22 1 1 2 1 1 n i n i ii n i i T

52、 yx rT r rT N 将N1T沿坐标轴分解得: )443( )433( 11 22 1 1 1 11 22 1 1 11 22 1 1 1 11 22 1 1 n i n i ii n i n i ii Ty n i n i ii n i n i ii Tx yx xT r x yx rT N yx yT r y yx rT N )383( 2211 nnTTT rNrNrNT )403( 1 1 3 1 1 32 1 1 2 n T nT T T T T r r N Nr r N Nr r N N； 由此可得螺栓由此可得螺栓1的强度验算公式为的强度验算公式为: : )453( min

53、2 11 2 1 b FTyTx NNNN 另外,当螺栓布置比较狭长(如y13x1)时,可进行如下简化计算： 令:xi=0，则N1Ty=0 )463( 1 2 1 1 1 1 2 1 1 n i i n i i Tx y yT r y y rT N )473( min 2 1 2 1 b FTx NNN （一）普通螺栓抗拉连接的工作性能 三、普通螺栓的抗拉连接三、普通螺栓的抗拉连接 抗拉螺栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆 受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。 （二）单个普通螺栓的抗拉承载力设计值 483 4 b t eb te b t f d fAN 式中：Ae-

54、螺栓的有效截面面积； de-螺栓的有效直径； ftb-螺栓的抗拉强度设计值。 dedn dm d 公式的两点说明：公式的两点说明： （1）螺栓的有效截面面积）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而而 不是净直径不是净直径dn，现行国家标准取：，现行国家标准取： )493()(3 24 13 螺距螺距ttdd e (2(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响 A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆螺栓受拉时，一般是通过与螺杆 垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，垂直的

55、板件传递，即螺杆并非轴心受拉， 当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开 的趋势的趋势（杠杆作用）（杠杆作用），使螺杆中的拉力，使螺杆中的拉力 增加增加（撬力（撬力Q）并产生弯曲现象。并产生弯曲现象。连接连接 件刚度越小撬力越大件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬。试验证明影响撬 力的因素较多，其大小难以确定，规范力的因素较多，其大小难以确定，规范 采取简化计算的方法，取采取简化计算的方法，取f ft tb b=0.8f=0.8f （f f螺栓钢材的抗拉强度设计值）螺栓钢材的抗拉强度设计值）来来 考虑其影响。考虑其影响。 )503( 22 QN N t B、 在构造上

56、可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用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，如引起的撬力，如设加劲肋设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。，可以减小甚至消除撬力的影响。 ( (三）普通螺栓群的轴拉设计三）普通螺栓群的轴拉设计 一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为： )513( b t N N n N (四）普通螺栓群在弯炬作用下 M 刨平顶紧 承托(板) M 1 2 3 4 受压区 y1 y2 y3 N1 N2 N3 N4 中和轴 M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为： （1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓

57、的形心处，各 螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。 显然1号螺栓在M作用下所受拉力最大 )533( 2211 nn yNyNyNM 由力学及假定可得： )523( 3 3 2 2 1 1 n n y N y N y N y N M 刨平顶紧 承托(板) M 1 2 3 4 受压区 y1 y2 y3 N1 N2 N3 N4 中和轴 由式由式3-52得得: : 将式将式3-54代入式代入式3-53得得: : )543( 1 1 3 1 1 32 1 1 2 nn y y N Ny y N Ny y N N； )553( 1 2 1 122 2 2 1 1 1 n i in y y N yyy y

58、 N M )563( 1 2 1 1 n i i y yM N 因此，设计时只要满足下式，即可： )573( 1 b t NN )533( 2211 nn yNyNyNM )523( 3 3 2 2 1 1 n n y N y N y N y N (五）普通螺栓群在偏心拉力作用下 小偏心力作用下普通螺栓连接， 0 . . 1 2 1 min4 1 2 1 11max1 n i i b t n i i MF y yeN n F NN N y yeN n F NNNN N e 1 2 3 4 M=Ne N y1 y2 N1 N2 N3 N4 中 和 轴 M作用下 N作用下 小偏心的条件是小偏心的条

59、件是 1 2 min ,0nyyeN i 由此得偏心距 为小偏心受拉。则 核心距，为螺栓有效截面组成的令 e nyy i1 2 大偏心力作用下普通螺栓连接， b t n i i N y yNe N 1 2 1 1 近似并安全的取中和轴位于最下排螺栓近似并安全的取中和轴位于最下排螺栓 OO处，列弯矩平衡方程，可求得处，列弯矩平衡方程，可求得 四、四、普通螺栓拉、剪联合作用普通螺栓拉、剪联合作用 b V V N N b tt NN 0 1 1 V e M=Ve V 因此： n V N V 2、由试验可知，兼受剪力和拉力 的螺杆，其承载力无量纲关系 曲线近似为一“四分之一圆”。 1、普通螺栓在拉力和

60、剪力的共同 作用下，可能出现两种破坏形 式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔 壁的承压破坏； 3、计算时，假定剪力由螺栓群均 匀承担，拉力由受力情况确定。 规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止规范规定：普通螺栓拉、剪联合作用为了防止螺杆螺杆受剪兼受拉受剪兼受拉 破坏，应满足：破坏，应满足： 为了防止孔壁的承压破坏，应满足：为了防止孔壁的承压破坏，应满足： )593(1 22 b t t b v v N N N N )603( b cv NN b V V N N b tt NN 0 1 1 a b 另外另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托承担有承托