钢结构设计原理：第三章 钢结构的连接(焊接)

1、第三章钢结构的连接(Connections)大纲要求1.了解钢结构连接的种类及各自的特点；2.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求；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；4.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。一、焊缝连接 3.1 钢结构的连接方法 对接焊缝连接(butt welding)【优点】不削弱截面，方便施工，连接刚度大；【缺点】材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。 角焊缝连接(fillet welding) 【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。三、螺栓连

2、接 分为： 普通螺栓连接 高强度螺栓连接N一、钢结构常用焊接方法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。 3.2 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A、焊条的选择： 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)记住啦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（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。

3、【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；C、优、缺点2.埋弧焊（自动或半自动）、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件埋弧自动焊半自动埋弧焊 全自动埋弧焊 A、焊丝的选择应与焊件等强度。 B、优、缺点：【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。 送丝器机器3.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。钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure* 构造简单，任何形式的构件都可直接相连；* 用料经济，不削

4、弱截面；* 制作加工方便，可实现自动化操作；* 连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。 焊接的缺点* 焊缝附近有热影响区，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；* 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏、降低压杆稳定的临界荷载，残余变形使结构形状、尺寸发生变化； * 焊接裂缝一经发生，便容易扩展到整体；* 低温冷脆问题较为突出。焊接的优点小结二、焊接连接形式和焊缝形式1.焊接连接形式搭接角部连接对接T型连接钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure对接焊缝按受力与焊缝方向分： 正对接焊缝(a)：作用力方向与 焊缝方向正交。 斜对接焊缝(b)：作用力

5、方向与 焊缝方向斜交。 角焊缝按受力与焊缝方向分： 正面角焊缝：作用力方向与 焊缝长度方向垂直。 侧面角焊缝：作用力方向与 焊缝长度方向平行。 斜焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。 对接焊缝 角焊缝 2.焊缝形式（1）对接焊缝正对接焊缝（2）角焊缝T型对接焊缝斜对接焊缝3. 焊缝位置（不是“竖焊”）（不是“俯焊”）三、焊缝缺陷及焊缝质量检查1.焊缝缺陷(weld defect) 焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。 常见的缺陷有裂纹(crack)、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔(porosity)、夹渣(slag inclusion)、咬边(undercut)、未熔合、

6、未焊透(lack of penetration)等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。 2.焊缝质量检查外观检查(visual inspection)：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验(non-destruction test) ：检验内部缺陷。注:内部检验主要采用超声波(ultrasonic inspection) ，有时还用磁粉检验(magnetic particle )荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线(X-radiography)或射线透照或拍片。钢结构工程施工质量验收规范规定： 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

7、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规定： (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.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

8、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.焊缝代号(welding symbol) hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式1、角焊缝的形式:一、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hehfhf凹面式（2）斜角角焊缝 对于135o或6mm时，hf,maxt-(12)mm；hft1t2、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，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求: 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

9、t24mm时, hf,min=t23.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：注： 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑； 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。4.侧面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，规范规定：5. 搭接连接的构造要求 当板件端部仅采用两条侧

10、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 不均，规范规定：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：t1t2bD. 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的5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。b2hft1t2三、直角角焊缝的强度计算公式 1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为计算截面，作用在该截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 焊脚尺寸 (leg size) ：hfdcbadcbahehf

11、hf试验表明，直角角焊缝的破坏常沿有效厚度方向发生。 有效厚度(throat thickness)： he （0.7hf） 焊缝厚度：有效厚度+熔深+凸度 有效截面：有效厚度计算长度(effective length)计算时假定有效截面上应力均匀分布。【小结：几个重要概念】焊缝破坏面【几个重要概念】在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： 正应力，与焊缝长度方向（面外垂直） 剪应力，与焊缝长度方向（面内平行） 剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直） 2、实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难， 为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截面处破坏，且各应力分量满足以下折算应力公式: 3、由于我国规

12、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：- 焊缝金属的抗拉强度helw4、直角角焊缝的强度实用计算公式：NNyNxf= fhelw45O45Ohf 承受互相垂直的Ny、Nx两个轴心力作用的直角角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力f，其在有效截面上引起的应力值为： f 对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为 和 。将33、34式，代入32式得：（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。记住啦对于正面角焊缝，f=0，由35式得：对于侧面角焊缝，f=0，由35式得： 以上各式中： he=0.7hf；

13、 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。1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算 当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。(1）用盖板的对接连接A、仅采用侧面角焊缝连接NNlwSlw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算B、采用三面围焊连接NNlwlw先计算正面角焊缝承担的内力Slw连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和再计算侧面角焊缝的强度Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和例1：验算下图所示连接的强度。已知板宽400mm，厚18mm ,受轴心力N=1425kN（静荷载），钢材Q2

14、35F，手工焊，焊条E43型。取hf=8mm。两块矩形盖板宽340mm，厚12mm。 NNNNa) 取左半焊件和其上焊缝为分离体，依焊缝性质，三条焊缝分两类：侧焊缝和端焊缝，且具有对轴力作用线的对称性。 将轴心力N分解到焊缝各部分：N1、N2。 N1侧焊缝上，平行于焊缝轴线的力。 N2端焊缝上，垂直于焊缝轴线的力。NN240340N1/2N1/2N2abcd起弧：d，cd=240-hf落弧：a, ab=240-hf， bc=340静荷载：端焊缝有1.22分 析 解： 查规范确定ffw从焊条E43、角焊缝、Q235钢，查出焊缝强度设计值，得 ffw=160N/ mm2 推演验算公式侧焊缝： N1

15、ffwhelw1端焊缝： N21.22ffwhelw2 N1、 N2合成N， N= N1 + N2 N ffwhe（lw1 + 1.22lw2 ） N ffwhe（lwab + lwcd +1.22lwbc ） N ffw0.78(232+232 +1.22340)2验 算满足强度要求。(2)T形角焊缝连接NxNyNN代入式3-5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由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面围焊由力及力矩平衡得:余下的问题同情况A，即:Ne1e2bN1N2xxN

16、3lw1lw2对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形围焊代入下式3-20，3-21得:Ne1e2bN1xxN3lw1角钢角焊缝的轴力分配系数k1、k2的取值见下表例2：设计如图所示双不等边角钢和节点板间的连接角焊缝。受动力荷载N=575kN。钢材Q235，手工焊，焊条E43型。N=575 kN2 16010010解：只有侧焊缝分 析目标：设计焊缝（包括焊脚尺寸、焊缝长度）操作：焊脚尺寸根据经验拟定； 焊缝总长度应满足强度要求。特点：角钢肢背和肢尖焊缝长度（lw1、lw2）分别为总焊缝长度lw的k1、k2倍。Nk1Nk2Nlw2lw1 1、确定焊缝强度设

17、计值ffw 查规范得 ffw =160N/mm2 2、计算焊缝总长lw 1) 拟定焊脚尺寸hf 根据角钢板厚为10mm，考虑到受动荷作用，拟定hf =6mm，则有he=0.7hf 。且同一节点上，所有焊缝的有效厚度宜相同。 计 算3、 设计角钢肢背和肢尖焊缝长度lw1、lw2 1）确定内力分配系数k1、k2 本问题属于不等边角钢长边相连，得 k1=0.65 k2=0.35 2）肢背、肢尖焊缝计算长度 lw1 = 0.65428=278mm lw2 = 0.35428=150mm 3）肢背、肢尖焊缝设计长度 lw1 =278+12=290mm lw2 =150+12=162mm加2hf是考虑起落

18、弧。2) 计算焊缝总长2、N、M、V共同作用下(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算NeNxNyMANxMNyhehet(2) V、M共同作用下焊缝强度计算h1fAfBf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。xxhh2BBAh1MeFVM假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩。对于B点：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。h1f1f2fxxhh2BBAh1MVM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

19、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共同作用下将F向焊缝群形心简化得: V=F T=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA0TVr故：该连接的设计控制点为A点和A点.xxyyrrxryATAxTAyTA0VyheT作用下A点应力:将其沿x轴和y轴分解:e2x0l1l2xxyyAA0TVr剪力V作用下,A点应力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为:A点平行于焊缝长度方向的应力为:强度验算公式：思考:以上计算方法为近似计算，为什么?（解答：43页）VxxyyrrxryATAxTAyTA0Vyhe例3:某T型牛腿，角焊缝连接，F=250kN，Q2

20、35钢，E43型焊条，静荷载，确定焊脚尺寸。解：1、确定焊缝计算长度（两条L型焊缝)竖焊缝：lw12005195mm，水平焊缝： lw2（20016）/2-587mm, 取lw285mm2、求焊缝形心及惯性矩：3、力向形心转移4、受力控制点分项应力（下点）5、焊缝强度结算：6、焊脚尺寸确定： 取：例4 ： 设计图中节点板和预埋钢板间的角焊缝。偏心力P=150kN（静荷载）。钢材Q235F，手工焊，焊条E43型。 10010020P453VNM节点板预埋钢板分 析【目标】设计节点板和预埋钢板间的角焊缝（设计焊脚尺寸、验算焊缝强度，焊缝长度已由其它构造要求确定。）【操作】焊脚尺寸根据经验拟定；验算

21、焊缝强度。【特点】 荷载P不通过焊缝截面形心，使焊缝受轴力N、剪力V、弯矩M。属于角焊缝受弯矩、剪力、轴心力共同作用的情形。计 算 确定焊缝强度设计值ffw 查规范得 ffw=160N/mm2 作用在焊缝上的力素计算 N=3P/5=3150/5=90kN V=4P/5=4150/5=120kN M=Ne=902=180kN-cm 拟定焊脚尺寸hf 考虑到连接板件厚度为10mm，受静力荷 载。取hf =8mm。 确定危险点，计算危险点应力 焊缝下端点最危险，该点各项应力为： 焊缝强度富裕量较大是因为节点板尺寸较大的缘故，而节点半尺寸常由其它构造要求决定。例5 ：设计梁与钢柱间的连接角焊缝（周遍围

22、焊），并验算角焊缝强度。钢材Q235F，手工焊，焊条E43型。偏心力N=400kN（间接动力荷载引起），e=25cm。NVMa)b)c)分 析【目标】设计节点板和预埋钢板间的角焊缝（设计焊脚尺寸、验算焊缝强度，焊缝长度已由其它构造要求确定。）【操作】焊脚尺寸根据经验拟定；验算焊缝强度；是一个只有弯矩和剪力作用的问题，荷载情况简单。其中 =M。【特点】因周边围焊，焊缝截面较复杂，计算惯性矩时忽略绕角部分（留作起落弧用）；剪应力由两条竖向焊缝（牛腿腹板焊缝）承受。计 算 确定焊缝强度设计值ffw 查规范得 ffw =160N/mm2 作用在焊缝上的力素计算 V=N=400103N M=Ne=400

23、25104=10000104 N-mm 拟定焊脚尺寸hf 考虑到牛腿腹板厚为10mm，受间接动力荷载。 设计 hf =8mm，并将所有焊脚尺寸取相同值。 计算焊缝截面抗剪面积Af惯性矩Ix Af = 0.783602=4032mm2 Ix= 0.78200(205.6-5.6/2)22 + 0.78(95-5.6)(180-5.6/2)24 + 0.7836032/12 = 19897104mm4 确定危险点，计算危险点应力 由应力分布图知，腹板上端焊缝和翼缘下侧焊缝交点最危险，该点至中性轴距离为 y=180mm。 各项应力为： 危险点强度验算满足强度要求。【习题】设计牛腿板与钢柱间的连接角焊

24、缝（三面围焊）,并验算焊缝强度。板边长度l1=300mm,l2=400mm,偏心力F=196kN,e1=300mm,直接承受动力荷载,钢材Q235F,手工焊，焊条为E43型。ye1MFVAoa)e2l1l2xryrxrb)yoxy0.7hf分 析【目标】设计牛腿板和钢柱板间的角焊缝（设计焊脚尺寸、验算焊缝强度，焊缝长度已由其它构造要求确定。）【特点】弯矩和剪力共同作用【操作】焊脚尺寸根据经验拟定；验算焊缝强度。 计 算 确定焊缝强度设计值ffw 查规范得 ffw =160N/mm2ye1TNVAoa)e2l1l2 拟定焊脚尺寸hf 考虑到牛腿板厚度不明，受直接动力荷载。 暂设计 hf =8mm

25、，并将所有焊脚尺寸取相同值。 计算焊缝截面几何量 （1）形心位置 （2）惯性矩 Ix=0.784003/12+ 0.7830020022 =16.4107mm4 Iy=0.7830032/12+0.78300(150- 90)22+0.78400902 =5.5107mm4 Jf=Ix+Iy =(16.4+5.5) 107mm4 =21.9107mm4 x= 90mmxyx300400e2=l1- =300-90=210mm。xe=e1+e2=300+210=510mm rx= e2 = 210mm， ry=200mm (202.8) 作用在焊缝上的力素计算 V=F=196103N M=Fe=

26、196510103=100000103 N-mm 危险点强度验算rMVxyx300400e2e1NA强度满足要求。五、斜角角焊缝的计算12hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图 A12hf1hf1hf2hf2he2he1b图 B1.规定： 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.斜角角焊缝的计算厚度由几何关系得其通式为：式中：b、b1和b25mm说明：A. 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b5m

27、m。12hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图A12hf1hf1hf2hf2he2he1b图B1.对接焊缝的坡口形式一、对接焊缝的构造3.4 对接焊缝的构造与计算 对接焊缝的焊件常做坡口（edge preparation），坡口形式与板厚和施工条件有关。 t-焊件厚度可不做坡口,采用直边缝t6mm(手工焊) t20mmC=0.52mm（a）C=23mm（b）C=23mm（C）p（d）C=34mmpC=34mmp（e）C=34mmp（f）1）V形、U形坡口焊缝单面施焊，为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板或者补焊；2）对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板（run-on ta

28、b）引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度；垫板垫板垫板引弧板2.对接焊缝的构造处理3）当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。1:2.51:2.53.对接焊缝的优缺点【优点】用料经济、传力均匀、无明显的应力集中， 利于承受动力荷载。【缺点】需剖口，焊件长度要求精确。 焊透（full penetration）对接焊缝分为 部分焊透（partial penetration） （自学） 动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；二、对接焊缝

29、的计算NNt 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； 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。记住啦！【强调】对接焊缝的强度！ 1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2）三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%，三级检验的焊缝的强度低于母材。 3）一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。1.轴心力作用下的对接焊缝计算式中： 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设计值。NNlwt(A) 当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图

30、B。NNt(B)NsinNcoslw规范规定，当斜焊缝倾角q56.3，即tanq1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。2.M、V共同作用下的对接焊缝计算lwtAMV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。（1）板件间对接连接（2）工字形截面梁对接连接计算MV1焊缝截面A、对于焊缝的max和max应满足式3-29和3-30要求；max11maxB、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足：1.1的含义是什么？【系数1.1】 考虑最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高系数

31、。【说明】工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。【适用一】焊缝受力小甚至不受力,且要求外观齐平美观。【适用二】焊缝受力虽较大,但采用焊透对接焊缝强度又得不到发挥；如采用角焊缝,焊脚又过大,故做成用坡口加强的角焊缝。三、部分焊透对接焊缝的计算部分焊透的对接焊缝截面型式【原因】未焊透的焊件间存在缝隙，焊根处有较大的应力集中，受力性能接近于角焊缝。【规范规定】部分焊透的对接焊缝的强度按角焊缝强度公式计算，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取 f1.22 ；其他情况取 f1.0 。 不焊透对接焊缝计算用角焊缝公式计算 （1）

32、在直接承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不得采用不焊透的对接焊缝； （2）对重级工作制和起重量大于或等于50吨的中级工作制吊车梁上翼缘和腹板间的T型连接应采用焊透的对接焊缝。 【不焊透对接焊缝的禁用】规范规定： 例题：35 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 1、焊接残余应力的分类 A.纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向; B.横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向; C.沿厚度方向的焊接残余应力。X (横向焊接应力) Y (纵向焊接应力 )Z (厚度方向焊接应力)焊缝 2、焊接残余应力产生的原因 （1）纵向焊接残余应力+-500oC800oC300oC300oC500oC

33、800oC施焊方向8cm64202468cm-+ 焊接高温焊缝周围产生塑性压缩，冷却时收缩受到限制，焊缝附近区受拉，焊缝区以外受压。 （2）横向焊接残余应力产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；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。(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

34、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（3）沿厚度方向的焊接残余应力 【小结】横向x、纵向焊接残余应力y 、沿厚度方向的焊接残余应力z，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。-+-321xyz 焊缝多层施焊：沿厚度方向已凝固的先焊焊缝阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。 焊缝冷却：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，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。 二、焊接残余应力对结构性能的影响1、对结构静力强度的影响

35、 -没有影响2、对结构刚度的影响 -降低了结构的刚度3、对低温冷脆的影响 -增加了钢材低温脆断倾向4、对疲劳强度的影响 -明显的不利影响1、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：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。+-fyfbBt自平衡应力，内外应力叠加，有焊接应力处先屈服，内力重分布，最终全截面屈服。2、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：f+-bfyNN+-fyfNNbBt先屈服区刚度为零，应变增加，变形增大。因为B-b 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N作用下应变增量为： 另外，对于轴心受压构件，焊接残余