钢结构连接角焊缝连接计算及焊接应力与变形PPT课件

1、1 1、角焊缝的形式、角焊缝的形式(1)(1)按焊缝长度和作用力方向分为：按焊缝长度和作用力方向分为：侧面角焊缝侧面角焊缝、正正面角焊缝面角焊缝和和斜向角焊缝斜向角焊缝。一、角焊缝的形式和受力分析一、角焊缝的形式和受力分析3.3 角焊缝的构造与计算正面角焊缝侧面角焊缝第1页/共47页hehfhf普通式普通式hehf1.5hf平坡式平坡式直角角焊缝hehfhf凹面式凹面式(2)(2)按两焊脚边夹角大小分为：按两焊脚边夹角大小分为：直角角焊缝直角角焊缝和和斜角角斜角角焊缝焊缝。第2页/共47页按he=0.7hf斜角角焊缝按he=0.7hf(a)hfhfhfhfa）锐角角焊缝；b）钝角角焊缝(b)按

2、he=hf coshfhfhfhf2按he=hf cos2（2）斜角角焊缝对于135o或6mm时，hf,maxt-(12)mm；hft1t第9页/共47页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，导致母材开裂，淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求应满足以下要求: : )(5 . 12min,计计算算数数值值只只进进不不舍舍！thf 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=

3、t2第10页/共47页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，焊缝两端达到屈数越大。如果焊缝长度不是太大，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度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：端，故：fwhl60 注： 1、当实际长度大于以上值时，计算时不予考虑； 2、当

4、内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。第11页/共47页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，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。故为了使焊缝具有一定的承载力，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：规范规定：mmhlfw408且且不不得得小小于于 第12页/共47页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

5、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：blw 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）（mmtmmmmttb121901216111 t1t2bwl第13页/共47页D. 在在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度厚度 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。bwl2hf2551且且t t1t2第14页/共47页三、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

6、表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉喉部部，故通常将，故通常将4545o o截面作为计算截面，作用在该截截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：面上的应力如下图所示：hfhehh1h2dehelwh-焊缝厚度、h1熔深h2凸度、d焊趾、e焊根第15页/共47页2 2、实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难，难， 为了简化计算，规范假定：为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截焊缝在有效截面处破坏面处破坏，且各应力分量满足以下折算应力公式，且各应力分量满足以下折算应力公式: : )23()(3222wuf3、由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪

7、条件确定的故上式又可表达为：式中：wuf-焊缝金属的抗拉强度) 33 (3)( 3222wfwuffhelw第16页/共47页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( wexflhN)43( weyflhNNNyNx2f ff= fhelw45O45Ohf第17页/共47页wfffff3232222 将34、35式，代入33式得：得 1.22整理上式，并令 23f )63(22wfffff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 ( wexflhN) 43 ( weyflhN2f f) 33

8、(3)( 3222wfwuff第18页/共47页)73( wffewffhlN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( wfewffhlN 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(22wfffff第19页/共47页ewwffhlfN 四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算wfwefflhN 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：wfewffhlNN NNlwlw第20页/共47页(2)斜向力角焊缝连接)83(cos ewf

9、hlN )93(sin ewfhlN )63(22wfffffNxNyN2wl2wlN代入式3-6验算焊缝强度，即:第21页/共47页(3)角钢角焊缝连接A、仅采用侧面角焊缝连接)113()103(221121 eNeNNNN由力及力矩平衡得:故:)133()123(2211212121 NkeeeNNNkeeeNN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 2211212121keeekkeeekNe1e2bN1N2xxlw1lw2第22页/共47页)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核问题:对于设计问题:)17

10、3()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxlw1lw2第23页/共47页B、采用三面围焊)213(2)203(2322311 NNkNNNkN由力及力矩平衡得:)183(333 wffewfhlN )193(33 wffefbhN 余下的问题同情况A，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第24页/共47页)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核问题:对于设计问题:)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxN3lw1lw2第25页/共47页)233()223(

11、23123 NNNNkNC、采用L形围焊代入下式3-20，3-21得:对于设计问题:02 N)243(333111 wwfffwfewlfNhfhNl )213(2)203(2322311 NNkNNNkNNe1e2bN1xxN3lw1第26页/共47页2、N、M、V共同作用下(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算NeNxNy2wl2wlMANxMNy 2,6weewxAflhMhlN ewyAfhlN , wfAffAff 2,2, hehet第27页/共47页(2) V、M共同作用下焊缝强度计算h1fAfBfwffwfAfhIM 21对于A点：式中：Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩； h1

12、两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxh h2BBAh1MeFVM第28页/共47页对于B点： 2,2,22weffBwfBlhVhIM wffBffBf 22 强度验算公式：式中：h2、lw,2腹板焊缝的计算长度； he,2腹板焊缝截面有效高度。h1f1f2fxxh h2BBAh1MVM第29页/共47页假定: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

13、=F T=F(e T=F(e1 1+e+e2 2) )Fe1e2x0l1l2xxyyAA0TVr故：该连接的设计控制点 为A点和A点第30页/共47页xxyyrrxryATAxTAyTA0Vyhe)253( yxPTAIIrTIrT T作用下A点应力:将其沿x轴和y轴分解:)273(cos)263(sin rrIrTrrIrTxPTTAyyPTTAx e2x0l1l2xxyyAA0TVr第31页/共47页剪力V作用下,A点应力: weVVAylhV 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：wfffff 22 wfTAxfVAyTA

14、yf 22 即：即：VxxyyrrxryATAxTAyTA0Vyhe第32页/共47页五、斜角角焊缝的计算五、斜角角焊缝的计算12hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图A12hf1hf1hf2hf2he2he1b图B1、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。第33页/共47页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： 2cossin21iifieibbbhh 、或或式中：b、b1和b25mm说明：A.

15、b1和b21.5mm时, 可取b1、b2=0B. b1和b2 5mm时, 应如图“B”方式处 理，且使b5mm。12hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图A12hf1hf1hf2hf2he2he1b图B第34页/共47页35 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、沿厚度方向的焊接残余应力。沿厚度方向的焊

16、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）纵向焊接残余应力第35页/共47页 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。+-500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64

17、202468cm-+第36页/共47页 （2 2）横向焊接残余应）横向焊接残余应力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的趋势，导致两焊件在焊缝处势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，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、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生向膨胀，产生横向塑性压缩变形横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，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，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，因而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平

18、衡应力自相平衡，更远，更远处焊缝则产生拉应力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。第37页/共47页(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xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩 时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx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)-+-施焊方向( f )xyyx第38页/共47页（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，焊在厚钢板

19、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，产生的膨胀，产生塑性压缩变形塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊。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，因焊缝产生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更远处焊缝则，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力产生拉应力。因此，除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应力外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力z z，这三种应力形成同号这三种应力形

20、成同号( (受拉受拉) )三向应力，大大三向应力，大大降低连降低连接的塑性接的塑性。-+-321xyz第39页/共47页二、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+-bfy+-bfyNyNy因焊接残余应力自相平衡，故： yytyftBftbBNN 当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+-fyfbBtftbBNftbNcyt )(第40页/共47页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

21、时在N作用下应变增量为： EtbBN 1 f+-bfyNN+-fyfNNbBt第41页/共47页因为因为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作用下应作用下应变增量为：变增量为：EtBN 2 另外，对于轴心受压构件，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）。 EtbBN 1 第42页/共47页 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三向焊接残余拉应力应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。向。 所以，所以，降低或消除焊接残余应力