钢结构知识学习教案.pptx

钢结构知识钢结构知识(zh shi)第一页，共102页。（1) 1) 焊接焊接(hnji)(hnji)连接连接 在被连接金属件之间的缝隙区域，通过高温使被连接金属与填充金属熔融结合，冷却后形成牢固连接的工艺过程称为焊接连接（welded connection），填充金属带称为焊缝。 焊接连接不削弱构件截面，接头紧凑，可以采用自动化操作，是现代钢结构最主要的连接方法。但是，由于焊缝附近高温作用而形成的热影响(yngxing)区，使钢材的金相组织和力学性能发生变化，材质变脆，一旦局部发生裂纹很容易扩展，尤其在低温下易发生脆断；另外，焊接过程中会产生焊接应力和焊接变形，对结构的工作性能往往有不利影响(yngxing)。第1页/共101页第二页，共102页。连接连接(linji)(linji)方法方法（2） 螺栓连接 螺栓连接需要在被连接间上钻孔，装上螺杆(lu n)、拧紧螺帽进行连接。第2页/共101页第三页，共102页。第3页/共101页第四页，共102页。 （3）铆钉连接 铆钉（rivet）连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合，常用加热铆合，也可在常温下铆合。铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受(chngshu)动力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受(chngshu)动力荷载的结构。但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很少采用。连接连接(linji)(linji)方法方法第4页/共101页第五页，共102页。3.2 3.2 焊接方法和焊缝形式焊接方法和焊缝形式钢结构的焊接方法钢结构的焊接方法 常用：电弧焊（手工电弧焊、自动常用：电弧焊（手工电弧焊、自动( (或半自动或半自动) )埋弧埋弧焊），气体保护焊），气体保护(boh)(boh)焊及电阻焊焊及电阻焊 。手工(shugng)电弧焊 电弧焊钳焊条熔池焊件保护气体电焊机 手工电弧焊的焊条(hntio)应与焊件钢材相匹配，如： Q235-E43；Q345-E50；Q390-E55第5页/共101页第六页，共102页。焊缝焊丝转盘焊件焊剂焊济料斗送丝器电极移动方向自动(zdng)埋弧焊 埋弧焊的焊条(hntio)应与焊件钢材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn第6页/共101页第七页，共102页。气体保护焊： 气体保护焊简称气电焊，是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气(kngq)接触，因而电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。 电阻焊： 电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊接常用这种接触点焊(如图)。电阻焊适用于板叠厚度不超过12mm的焊接。主体金属焊缝夹具电阻(dinz)焊 焊接焊接(hnji)(hnji)方法方法第7页/共101页第八页，共102页。焊缝形式及焊接连接焊缝形式及焊接连接(linji)(linji)形式形式焊缝形式主要有两种：对接焊缝和角焊缝焊缝形式主要有两种：对接焊缝和角焊缝 对接焊缝角焊缝第8页/共101页第九页，共102页。 按施焊时焊工所持焊条(hntio)与焊件间的相对位置关系，焊缝还分为： 平焊立焊横焊仰焊焊缝焊缝(hn (hn fn)fn)形式形式第9页/共101页第十页，共102页。第10页/共101页第十一页，共102页。(a)(c)(b)(d)(f)(e)(g)(h)(i)第11页/共101页第十二页，共102页。 除上述主要形式外，有时还采用焊钉和槽焊。 即在板件上加工出圆孔或槽孔，在孔内进行部分或全部焊接。焊钉和槽焊用于搭接连接可以传递剪力，或用于防止(fngzh)搭接部分的鼓曲，或用于组装件的连接。槽焊焊钉第12页/共101页第十三页，共102页。焊缝缺陷焊缝缺陷(quxin)(quxin)和焊缝质量检验和焊缝质量检验(1)(1)焊缝缺陷焊缝缺陷(quxin)(quxin)焊缝的常见缺陷焊缝的常见缺陷(quxin)(quxin)： 裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷(quxin)（defect）。按裂纹产生的时间，可分为热裂纹和冷裂纹。 冷裂纹热裂纹气孔夹碴未焊透咬边焊瘤第13页/共101页第十四页，共102页。（2） 焊缝质量检验与焊缝强度 焊缝检验就是检验焊缝及焊接热影响(yngxing)区域的有无各种缺陷，并作出相应的处理，评价焊接质量、性能是否达到设计要求，确保焊缝安全可靠。 达到不同质量检验等级的焊缝，焊缝的强度设计值也不同（见附表1.3）。钢结构设计规范（GB50017-2003）对各种情况下的焊缝质量等级要求作了相关规定，设计时按规范要求选用。 第14页/共101页第十五页，共102页。焊缝代号焊缝代号 焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明焊缝形式、尺寸和辅助要求焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明焊缝形式、尺寸和辅助要求(yoqi)(yoqi)。常用焊缝代号和标注方法如下：。常用焊缝代号和标注方法如下： 形式角焊缝对接焊缝塞焊缝三面围焊单面焊缝双面焊缝安装焊缝相同焊缝标注方法hfhfhfhfccpccphfhf表3.1 焊缝代号(diho)及标注方法第15页/共101页第十六页，共102页。 当焊缝分布比较复杂或用上述(shngsh)注标方法不能表达清楚时，可在标注焊缝代号的同时，在图上加栅线表示焊缝。 (a）正面焊缝（b）背面焊缝（c）安装焊缝（d)背面安装焊缝焊缝焊缝(hn (hn fn)fn)代号代号第16页/共101页第十七页，共102页。3.3 3.3 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造对接焊缝的构造 对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊缝。常用的坡口形式有直边形、单边缝。常用的坡口形式有直边形、单边V V形、形、V V形、形、U U形、形、K K形和形和X X形形( (如下图如下图) )。做坡口是为了便于施焊，保证。做坡口是为了便于施焊，保证焊接质量，应根据焊件的厚度选用不同的坡口形式。焊接质量，应根据焊件的厚度选用不同的坡口形式。坡口形状参数有：斜坡角度坡口形状参数有：斜坡角度(jiod)(jiod)、钝边厚度、钝边厚度p p和间隙宽度和间隙宽度c c。pppppc=0.52mmc=23mmc=23mmc=34mmc=34mmc=34mm第17页/共101页第十八页，共102页。 当焊件厚度t6mm(手工焊)或t10mm(埋弧焊)时，可采用直边形焊缝；对于一般厚度（t820mm），可采用单边V或V形焊缝，斜坡口和间隙c形成一个焊条能够施焊的空间，使焊缝易于焊透；对于厚度t20mm，应采用施焊空间更大的U形、K形或X形焊缝。 当间隙c过大时，为防止熔化金属溢出，可采用垫板，施焊成型后，垫板可除去(ch q)，也可保留。 对接对接(du ji)(du ji)焊缝的构造焊缝的构造(h)(g)第18页/共101页第十九页，共102页。对接(du ji)焊缝加引弧板对接焊缝对接焊缝(hn (hn fn)fn)的构造的构造 对接焊缝的两端，常因不能熔透而出现凹形的焊口，焊口处常产生裂纹和应力集中。所以，对接焊缝施焊时应采用引弧板消除此影响；在一些(yxi)特殊情况下无法采用引弧板时（如T形接头的对接焊缝），每条焊缝的计算长度（有效长度）焊缝长度2t(t为较薄焊件的厚度)。第19页/共101页第二十页，共102页。 在对接(du ji)焊缝的拼接处，当两块焊件的宽度或厚度相差4mm以上时，应分别把较宽或较厚一侧的板件做成不大于1：2.5的斜边与窄或薄的焊件焊接，使截面缓和过渡以减小应力集中。对接对接(du ji)(du ji)焊缝的构造焊缝的构造(a)(b)1： 2.51： 2.5第20页/共101页第二十一页，共102页。对接焊缝的强度对接焊缝的强度(qingd)(qingd)计算计算 焊缝的强度焊缝的强度(qingd)(qingd)计算，就是计算焊缝在各种受力情况下，是否满足强度计算，就是计算焊缝在各种受力情况下，是否满足强度(qingd)(qingd)条件，保证连接的可靠性。条件，保证连接的可靠性。（1 1）对接焊缝受轴心力作用）对接焊缝受轴心力作用 对接焊缝与轴力垂直时，焊缝截面的应力(yngl)均匀分布，强度计算公式为：wwtcwNffl t或（ 3.1）式中 N 轴心拉力或压力(yl)； lw 焊缝的计算长度。未使用引弧板时， lw l2t，采用引弧板时 lwl; NNlt第21页/共101页第二十二页，共102页。l 焊缝的几何长度；t 被连接件的较小厚度(hud)，在T形连接中为腹板厚度(hud);ftw、 fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（查附表1.3）。 对于焊缝质量等级为一、二级的对接焊缝，其强度与钢材强度相等。因此，如果连接中使用了引弧板，则钢材强度满足焊缝强度就满足，可不验算(yn sun)。而焊缝质量为三级的焊缝，其强度低于钢材强度，必须按公式（3.1）计算。 对接焊缝对接焊缝(hn fn)(hn fn)的强度计算的强度计算第22页/共101页第二十三页，共102页。 如果直焊缝的强度(qingd)不满足，可使用斜对接焊缝（如图），使焊缝的长度增加，应力减小。若取焊缝与与作用力之间的夹角56.3o（tan 1.5），斜焊缝的强度(qingd)不会低于钢材，可以不验算。Nbt第23页/共101页第二十四页，共102页。（2）对接焊缝受弯矩、剪力共同(gngtng)作用 图示用对接焊缝连接的工字形截面(jimin)梁，焊缝受弯矩和剪力共同作用。截面(jimin)上正应力、剪应力分布如图示，在上、下翼缘边有最大正应力，在腹板中部有最大剪应力，且都属于单向应力状态，可分别验算这两点的抗弯强度和抗剪强度：MVwtwMfW（ 3.2）wwvw wV SfI t（3.3）第24页/共101页第二十五页，共102页。 另外，在翼缘与腹板相交处，同时受较大正应力和剪应力，且属于双向应力状态，该点的应力按折算应力计算(j sun)。考虑到折算应力只是在局部出现，焊缝的强度设计值可提高10，故得计算(j sun)公式如下：22w11t31.1(3.4)fM M、V V共同共同(gngtng)(gngtng)作作用用式中 Iw焊缝(hn fn)计算截面的惯性矩； Sw计算剪应力处以外的焊缝(hn fn)计算截面对中和轴的面 积矩； Ww焊缝(hn fn)计算截面的抵抗矩； tw腹板厚度； fvw对接焊缝(hn fn)的抗剪强度设计值。式中 1腹板与翼缘交接处由弯矩引起的正应力； 1腹板与翼缘交接处的剪应力；第25页/共101页第二十六页，共102页。（3）对接(du ji)焊缝受轴心力、弯矩和剪力共同作用 将轴心力作用产生的正应力与弯矩产生的正应力叠加。此时(c sh)，最大正应力在翼缘边，单向受力；其余部分均受正应力和剪应力作用，属双向应力状态，其中翼缘与腹板相交处正应力和剪应力都较大。需对上述两点进行强度验算，计算公式如下：MVMhh0NNNwwNwtcwwNMffAW或（3.5）22wNw11t31.1f（）（3.6）例3.1 第26页/共101页第二十七页，共102页。3.4 3.4 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算(j sun)(j sun)角焊缝的截面形式和受力性能角焊缝的截面形式和受力性能角焊缝截面形式(xngsh)可分为直角角焊缝和斜角角焊缝两类： 其中直角角焊缝的直角边边长hf称为焊脚尺寸；he称为焊缝的有效厚度，是计算角焊缝破坏面面积的参数之一 。 (a)等腰式(b)平坦式(c)凹面式hfhfhf1.5hfhfhfhehehe直角(zhjio)角焊缝及截面形式 第27页/共101页第二十八页，共102页。斜角角焊缝(hn fn)及截面形式 hfhfhfhfhfhf(a)等腰式(b)平坦式(c)凹面式角焊缝角焊缝(hn (hn fn)fn)的构造的构造第28页/共101页第二十九页，共102页。N侧面角焊缝正面角焊缝 角焊缝按受力情况还分为正面角焊缝和侧面角焊缝。焊缝长度方向垂直于力作用方向的角焊缝称为(chn wi)正面角焊缝(也称端焊缝)；平行于力作用方向的角焊缝称为(chn wi)侧面角焊缝（简称侧焊缝）。 第29页/共101页第三十页，共102页。（剪切破坏面）fNN 侧面角焊缝在外力作用下主要(zhyo)承受剪应力，塑性较好，强度较低。在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大而中间小，破坏的起点常在焊缝两端，破坏面约为450斜面，如图所示。 破坏过程(guchng)(演示)受力性能受力性能(xngnng)(xngnng)第30页/共101页第三十一页，共102页。 正面角焊缝的应力状态(zhungti)比侧面角焊缝复杂，截面上受正应力及剪应力作用，如图所示。正面角焊缝的强度比侧面角焊缝高，但塑性较差，焊缝根角处应力集中突出，常在此处首先出现裂纹而破坏。 在直接承受动态荷载的结构中，正面角焊缝的截面常用平坦式，侧面角焊缝的截面常用凹面式。NNNNabcaaaaabbbcccxyxyyxxxyyyx受力性能受力性能(xngnn(xngnng)g)第31页/共101页第三十二页，共102页。角焊缝的构造角焊缝的构造(guzo)(guzo)要求要求 为了避免因焊脚尺寸过大或过小而引起“烧穿”、“变脆”等缺陷，以及焊缝长度太长或太短而出现焊缝受力不均匀等现象(xinxing)，对角焊缝的焊脚尺寸、焊缝长度还有限制。在计算角焊缝连接时，除满足焊缝的强度条件外，还必须满足以下构造要求：1）最小焊脚尺寸手工(shugng)焊 ：埋弧自动焊：T型连接的单面角焊缝：式中tmax较厚焊件的厚度。当焊件厚度小于或等于4mm时，最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。f,minmax1.5ht（mm）f,minmax1.51ht （mm）f ,minmax1.51ht （mm）第32页/共101页第三十三页，共102页。构造构造(guzo)(guzo)要求要求2）最大焊脚尺寸(ch cun) 式中t较薄焊件的厚度。 f ,max1.2ht 当两块钢板厚度相差悬殊大，用等腰直角角焊缝无法满足最大、最小焊脚尺寸(ch cun)要求时,可用不等焊脚尺寸(ch cun)，按满足右图要求采用（其中t1t2）。hf 1.5t1t2hf t2t1t1t2第33页/共101页第三十四页，共102页。 当角焊缝贴着焊件板边缘施焊时，为避免产生“咬边”现象(xinxing)，角焊缝的最大焊脚尺寸应符合图示要求： 圆孔或槽孔内角焊缝的最大焊脚尺寸为圆孔直径或槽孔短径的13。3）最小计算长度 w,minf840mmlh且此规定适合(shh)正面角焊缝和侧面角焊缝。 构造构造(guzo)(guzo)要求要求第34页/共101页第三十五页，共102页。计算长度：max,wwmin,wlll4）最大计算长度 对侧面角焊缝 承受静力荷载或间接承受动力荷载时, 直接承受动力荷载时, 在满足(mnz)受力和构造要求的前提下,从减小焊接热影响的角度来说,应尽可能采用焊脚尺寸小而长度较长的焊缝。w,maxf60lhw,maxf40lhmax, ffmin, fhhh小结设计时，焊缝需满足(mnz)：焊脚尺寸：构造构造(guzo)(guzo)要求要求第35页/共101页第三十六页，共102页。5）其他构造要求 当板件的端部仅有两侧角焊缝连接时，为避免应力传递的过分曲折而使构件(gujin)中应力过分不均，应使每条侧面角焊缝长度不小于两侧面角焊缝之间的距离b。t1blwbt2N2hf钢板拱曲构造构造(guzo)(guzo)要求要求第36页/共101页第三十七页，共102页。 同时，为了避免因焊缝横向收缩，引起板件拱曲，应使侧面角焊缝之间的距离b不宜大于16t(当t12mm)或190mm(当t12mm)，t为较薄焊件厚度。若不能满足上述规定时，应加正面角焊缝或焊钉。 当角焊缝的端部在构件(gujin)转角处时，为避免起、灭弧缺陷发生在应力集中较大的转角处，宜连续地绕过转角加焊2hf。 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不小于25mm，以减小焊缝收缩应力和偏心产生的转动对连接的影响 LNNNN发生转动构造构造(guzo)(guzo)要求要求第37页/共101页第三十八页，共102页。 对次要构件且焊缝受力很小时，可采用间断角焊缝连接。间断角焊缝长度l必须大于10hf，且不小于50mm；间断角焊缝的间距e不宜(by)太长，以免因间断过大，使连接不紧密。对受压构件：间距e 15t对受拉构件：间距e30t t较薄焊件的厚度。 连续角焊缝间断角焊缝le构造构造(guzo)(guzo)要求要求第38页/共101页第三十九页，共102页。直角角焊缝直角角焊缝(hn fn)(hn fn)计算的基本公式计算的基本公式 分析计算直角角焊缝(hn fn)时，作如下假定和简化处理: 假定角焊缝(hn fn)破坏面与直角边的夹角为45o； 不计焊缝(hn fn)熔入焊件的深度和焊缝(hn fn)表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝(hn fn)的有效厚度he， he 0.7hf。有效厚度he与焊缝(hn fn)计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积。角焊缝(hn fn)计算简图hef(/)2Nylw2NxffhflwNyNx有效截面第39页/共101页第四十页，共102页。因此有角焊缝的强度(qingd)条件 ：222w/f33f（3.7）式中垂直于焊缝有效截面的正应力； 有效截面上垂直焊缝长度方向的剪应力； 有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力； ffw角焊缝的强度(qingd)设计值，由角焊缝的抗剪试验和可靠度分析确定（附表1.3）。 相当于焊缝单向抗拉强度(qingd)设计值。因为：wf3ffxe wf/ye w()()Nh lNh l， ff22，将 、 、 代人(3.7)式整理(zhngl)得：22w3fff2()f写为：22wffff()f（3.8）基本公式基本公式第40页/共101页第四十一页，共102页。 由式（3.8）还可导出正面角焊缝(hn fn)和侧面角焊缝(hn fn)的计算公式：1）当Ny=0,f=0，只有轴心力Nx作用，焊缝(hn fn)为正面角焊缝(hn fn)，其计算公式为： wfxe wff()Nh l f（3.9）2）当Nx=0,f0，只有轴心力Ny作用(zuyng)，焊缝为侧面角焊缝，其计算公式为：wfye wf()Nh lf（3.10）式中：f称为正面角焊缝的强度增大系数。对承受(chngshu)静力荷载或间接承受(chngshu)动力荷载结构中的正面角焊缝， 即正面角焊缝的强度是侧面角焊缝强度的1.22倍；对直接承受(chngshu)动力荷载结构中的正面角焊缝，考虑其刚度大，韧性差，将其强度降低使用，取f =1.0。3f21.22 基本公式基本公式第41页/共101页第四十二页，共102页。lw角焊缝(hn fn)的计算长度。考虑起、落弧的影响，每条焊缝(hn fn)的计算长度等于实际长度减去2hf。 公式（3.83.10）即为角焊缝(hn fn)计算的基本公式。基本公式在分析过程中虽作了简化处理，但计算结果与试验结果相符，满足角焊缝(hn fn)设计计算要求。各种受力状态各种受力状态(zhungti)(zhungti)下直角角焊缝连接计算下直角角焊缝连接计算 (1)(1)轴心力作用下的角焊缝连接计算轴心力作用下的角焊缝连接计算 盖板连接盖板连接 可采用两侧侧面角焊可采用两侧侧面角焊缝连接，正面角焊缝连接缝连接，正面角焊缝连接和三面围焊连接。和三面围焊连接。 NNNN第42页/共101页第四十三页，共102页。 只有侧焊缝连接(linji)时，按式(3.10)计算； 只有正面角焊缝连接(linji)时，按式（3.9）计算； 采用三面围焊时，先用式（3.7）计算正面角焊缝所承担的轴心力N，其余轴心力（N-N）由侧焊缝承担，即：连接连接(linji)(linji)计算计算先计算(j sun)： wewfflhfN再验算：wfe wf() ()NNh lflw表示连接一侧角焊缝计算长度的总和。 角钢与节点板连接 图示钢桁架，弦杆和腹杆采用双角钢组成的T形截面，腹杆通过节点板与弦杆连接。第43页/共101页第四十四页，共102页。角钢与节点(ji din)板的连接采用两面侧焊时：由平衡条件:1212()NNNN bN beN bNe；1122beNNk NbeNNk Nb（3.11）解得：式中k1、k2焊缝内力分配系数；角钢类型与组合方式(fngsh)不同，内力分配系数不同，按表3.2采用。lwNN1N2b连接连接(linji)(linji)计算计算第44页/共101页第四十五页，共102页。角 钢 类 型连 接 形 式肢背k1肢尖k2等肢角钢0.70.3不等肢角钢（短肢相并）0.750.25不等肢角钢（长肢相并）0.650.35表3.2 焊缝内力分配(fnpi)系数连接连接(linji)(linji)计算计算第45页/共101页第四十六页，共102页。 采用三面围焊的角焊缝(hn fn)时，先按构造要求设定正面角焊缝(hn fn)的焊脚尺寸hf3，并求出正面角焊缝(hn fn)所承担的力N3为：w3f3ff2 0.7Nh b f（3.12）N3blwNN1N2e再根据(gnj)平衡条件（M=0）可得：33113322()22(3.13)22NNN beNk NbNNNeNk Nb连接连接(linji)(linji)计算计算第46页/共101页第四十七页，共102页。 采用(ciyng)L形围焊时，令(3.13) 式中的N20，得: 32132(3.14)Nk NNNNN3lwNN1b连接连接(linji)(linji)计算计算第47页/共101页第四十八页，共102页。 和对接焊缝情况(qngkung)类似，考虑施焊时起、灭弧在焊缝端部产生的缺陷，取焊缝长度计算长度2hf。 采用两边侧面角焊缝连接并在角钢端部连续地绕角加焊2hf时，加焊的2hf可抵消起灭弧的影响，取焊缝长度计算长度 对于三面围焊，要求在角钢端部转角处连续施焊，故每条侧焊缝只有一端受起、灭弧的影响，取侧面角焊缝的长度计算长度 hf 。 例3.2 例3.3 连接连接(linji)(linji)计算计算第48页/共101页第四十九页，共102页。(2)弯矩、剪力及轴力共同作用的角焊缝连接(linji)计算Ff.Nf.VMf.MNVN1VAM力的分解T形连接焊缝N应力分布e0weNf2lhN2f Mwe w62M wMh l weVf2 lhV 连接连接(linji)(linji)计算计算第49页/共101页第五十页，共102页。 根据剪力V、轴力N和弯距M的作用(zuyng)方向,确定角焊缝有效截面上的危险点为A,按式(3.8) 验算，即：22wf Nf Mf Vff(3.16)f 设计时，一般已知角焊缝的实际长度，这时可按构造要求选焊脚尺寸hf ，再按式（3.16）验算危险点的强度。如不满足，可调整hf (如果hf hf.max时，需调整焊缝长度)，直到(zhdo)计算结果满足强度条件为止。例3.4 连接连接(linji)(linji)计算计算第50页/共101页第五十一页，共102页。(3)扭矩、剪力及轴力共同(gngtng)作用下的角焊缝计算 rfTyTArxAfTyNVf.Nf.VTryeFl1l2NxxxxAAT作用N、V 作用三面围焊搭接ooo 在扭矩作用下，焊缝上及点剪应力最大，设点产生的剪应力，为便于(biny)分析，将其分解为垂直于焊缝长度的应力和平行于焊缝长度的应力，其中：fTT xx0fTT yy0r r Tr Ir r Tr I（ 3.17）连接连接(linji)(linji)计算计算第51页/共101页第五十二页，共102页。式中：I0焊缝计算截面的极惯性矩。 设在N、V作用(zuyng)下焊缝的应力均匀分布,则N、V作用(zuyng)产生的应力表示为： f Ne wf Ve w(3.18)Nh lVh l 根据(gnj)扭矩T、剪力V和轴力N作用方向，可确定角焊缝上A点的应力最大，且为平面应力状态，由式(3.8)得强度计算公式为：22wf Tf VfTfNff(3.19)f 按上述方法计算时，仅A点的应力达到(d do)强度设计值，显然偏于保守。例3.5 连接计算连接计算第52页/共101页第五十三页，共102页。未焊透的对接未焊透的对接(du ji)(du ji)焊缝焊缝 在钢结构设计中，当板件较厚，而板件间连接受力又很小，若采用3.3节所述的对接焊缝（焊透），焊缝强度(qingd)不能充分发挥。此时可采用不焊透的对接焊缝。 assssaasssV形坡口U形坡口连接连接(linji)(linji)计算计算第53页/共101页第五十四页，共102页。 在设计图纸上必须注明坡口型式（分V型和U型）及尺寸。由图可知，未焊透的对接焊缝实际上可视为坡口内焊接的角焊缝，故计算(j sun)方法与直角角焊缝相同，用(3.8)(3.10) 式计算(j sun), 偏安全地取f =1.0，其he与坡口类型和坡口角度有关。V型坡口： 当600时,hes。当 600时,he 0.75s(主要是考虑到根部不易焊满而降低)。U型坡口 he s。s坡口根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离；V型坡口角度。 另外，不焊透的对接焊缝的有效厚度he不得小于 ，t是坡口所在焊件的较大厚度(mm)。当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时，应验算焊缝在熔合线上的抗剪强度，抗剪强度设计值取角焊缝的强度设计值乘以0.9。 1.5 t连接连接(linji)(linji)计算计算第54页/共101页第五十五页，共102页。3.5 3.5 焊接应力焊接应力(yngl)(yngl)和焊接变形和焊接变形焊接应力焊接应力(yngl)(yngl)的成因和分类的成因和分类 钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀(png zhng)和收缩不均匀。导致在主体金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。焊接应力的成因可用右图所示的高温加热模型说明。 lll+ll拉伸变形压缩变形拉伸变形压缩变形拉伸变形压缩变形高温加热冷却自然状态第55页/共101页第五十六页，共102页。 由于焊接温度在空间(kngjin)任意方向传递，故产生的焊接应力也属于三维应力状态，分为纵向焊接应力（与焊缝长度方向平行）、横向焊接应力（与焊缝长度方向垂直）及沿焊缝厚度方向的焊接应力。（1）纵向焊接应力800500300施焊方向焊接焊接(hnji)(hnji)应力应力第56页/共101页第五十七页，共102页。（2）横向焊接应力 产生的原因有两个方面：其一是焊缝的纵向收缩使两块钢板有相向弯曲的趋势，但焊缝已将其连成整体，因而在焊缝中部产生横向拉应力，两端则产生压应力。其二是因为施焊时，先焊的焊缝逐步冷却结硬，具有一定的强度(qingd)，并阻止后续焊缝的横向膨胀，使后续焊缝产生横向的热塑压缩。+=焊缝弯曲横向应力横向收缩应力横向焊接应力焊接焊接(hnji)(hnji)应力应力第57页/共101页第五十八页，共102页。（3）厚度方向的焊接应力 厚度方向的焊接应力是厚钢板的对接焊缝连接中，施焊时需多层施焊，受到加热和冷却不均匀而产生的。焊缝成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而(yn r)在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。当钢材厚度t20mm时，厚度方向焊接应力较小，可忽略不计；但t50mm时，厚度方向焊接应力可达50Nmm2。 由上可见，如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。t焊接焊接(hnji)(hnji)应力应力第58页/共101页第五十九页，共102页。焊接焊接(hnji)(hnji)变形变形 在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、 歪曲、弯曲或扭转(nizhun)等。焊接变形的基本形式有纵、横向收缩，角变形，弯曲变形，扭曲变形和波浪形等。实际的焊接变形常常是几种变形的组合。横向及纵向收缩弯曲变形扭转变形波浪变形角变形(bin xng)第59页/共101页第六十页，共102页。焊接应力和焊接变形对结构焊接应力和焊接变形对结构(jigu)(jigu)工作的影响工作的影响（1 1）焊接应力对结构）焊接应力对结构(jigu)(jigu)性能的影响性能的影响1)对静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。2)对构件(gujin)刚度的影响：焊接应力将降低构件(gujin)的刚度3)对构件(gujin)稳定性的影响：焊接应力将降低构件(gujin)的稳定承载力。4)对疲劳强度的影响：焊接应力对直接承受动力荷载的焊接结构不利。5)对低温冷脆的影响：焊接应力导致结构产生低温脆断。第60页/共101页第六十一页，共102页。（2）焊接变形的影响 会导致构件的安装困难，有可能(knng)改变构件的受力方式。例如轴心压杆，若焊接时产生了弯曲变形，就变成了压弯构件，其强度和稳定承载力将受影响。第61页/共101页第六十二页，共102页。焊缝的合理构造焊缝的合理构造(guzo)(guzo)及减小焊接应力、变形的措施及减小焊接应力、变形的措施（1 1）焊缝的合理构造）焊缝的合理构造(guzo)(guzo)1)焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度应符合构造要求，宜采用细长焊缝，不用粗短焊缝。施焊时不得随意加大焊缝的焊脚尺寸。2)设计时要考虑焊缝是否有施焊空间(kngjin)，并尽量避免仰焊。3)焊缝布置尽可能对称，以减少焊接变形,图(a)。4)不宜采用带锐角的板料做肋板，板料的锐角应切掉，图(b)，以免焊接时锐角处板材被烧损，影响材质。5)焊缝不宜过分集中，避免产生过大的焊接应力甚至产生裂纹，图(c)。6)当拉力垂直于受力板面时，要考虑钢板的分层破坏，图(d)。7)尽量避免焊缝相交，可将次要焊缝中断，保证主焊缝连续，图(e)。第62页/共101页第六十三页，共102页。(d)(e)正确不正确不正确正确(a)(b)(c)正确不正确不正确正确不正确正确第63页/共101页第六十四页，共102页。（2）减小焊接应力、变形(bin xng)的措施43217 6 6 7551234锤击法预热法合理的焊接次序42 反变形法第64页/共101页第六十五页，共102页。3.6 3.6 螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求螺栓连接形式螺栓连接形式 螺栓连接的基本螺栓连接的基本(jbn)(jbn)形式有盖板对接、形式有盖板对接、T T形连形连接和搭接，如图接和搭接，如图3.493.49所示。所示。P盖板对接T形连接搭接第65页/共101页第六十六页，共102页。螺栓直径与螺栓孔孔径要求螺栓直径与螺栓孔孔径要求I I类孔：加工精度达到类孔：加工精度达到H12H12，孔壁表面粗糙度不大于，孔壁表面粗糙度不大于12.5mm12.5mm，制作费工，制作费工(fi n)(fi n)，成本高；螺杆直径比螺栓孔直径小，成本高；螺杆直径比螺栓孔直径小0.3mm0.3mm。 IIII类孔：孔壁表面粗糙度不大于类孔：孔壁表面粗糙度不大于25mm,25mm,允许加工偏差较大，但成本低。螺杆直径比螺栓孔径小允许加工偏差较大，但成本低。螺杆直径比螺栓孔径小1.01.01.5mm1.5mm。 摩擦型连接的孔径比螺栓公称直径摩擦型连接的孔径比螺栓公称直径d d大大1.51.52.0mm2.0mm；承压型连接的孔径比螺栓公称直径承压型连接的孔径比螺栓公称直径d d大大1.01.01.5mm1.5mm。 构造构造(guzo)(guzo)要求要求第66页/共101页第六十七页，共102页。螺栓孔的排列螺栓孔的排列 螺栓的排列形式应简单螺栓的排列形式应简单(jindn)(jindn)、整齐、紧凑，排列方法有并列和错列两种。、整齐、紧凑，排列方法有并列和错列两种。边距边距线距线距线距端距端距线距边距边距端距端距线距并列排列错列排列构造构造(guzo)(guzo)要求要求第67页/共101页第六十八页，共102页。 螺孔在构件上的排列应考虑以下要求：1）受力要求：受力方向的端矩太小，构件端部被剪断；受拉构件中距太小，拉断；对受压构件沿外力方向的中距过大，构件易发生张口或鼓曲现象； 2）构造要求：边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀；3）施工要求：留有足够的空间(kngjin)便于板手转动。构造构造(guzo)(guzo)要求要求板端冲剪破坏板端冲剪破坏板端冲剪破坏板端冲剪破坏(phui)（演示）第68页/共101页第六十九页，共102页。根据以上要求，规范规定了螺孔的允许距离： 表3.5 螺栓孔和铆钉孔的最大、最小容许距离（mm）； 表3.6 角钢(jiogng)上螺栓或铆钉线距表（mm） 表3.7 工字钢和槽钢腹板上的螺栓线距表（mm） 表3.8 工字钢和槽钢翼缘上的螺栓线距表（mm） 构造构造(guzo)(guzo)要求要求第69页/共101页第七十页，共102页。3.7 3.7 螺栓的工作性能及承载力螺栓的工作性能及承载力 螺栓连接螺栓连接(linji)(linji)中，螺栓的受力形式有三种情况：中，螺栓的受力形式有三种情况：螺栓只受剪力作用；螺栓只受拉力作用；螺栓受剪螺栓只受剪力作用；螺栓只受拉力作用；螺栓受剪力、拉力共同作用。力、拉力共同作用。拉拉剪剪剪拉剪拉第70页/共101页第七十一页，共102页。受剪螺栓的工作性能及承载力受剪螺栓的工作性能及承载力(1)(1)受剪螺栓的工作性能受剪螺栓的工作性能 考察一个螺栓从受剪到剪断考察一个螺栓从受剪到剪断(jin dun)(jin dun)，受剪面上的平均剪应力和连接的变形间的关系曲线如图，受剪面上的平均剪应力和连接的变形间的关系曲线如图3.543.54所示，可划分为以下四个阶段：所示，可划分为以下四个阶段：1 1）摩擦传力的弹性阶段；）摩擦传力的弹性阶段；2 2）滑移阶段；）滑移阶段；3 3）螺杆受剪面传力的弹性阶段；）螺杆受剪面传力的弹性阶段；4 4）弹塑性阶段。）弹塑性阶段。 0C级螺栓高强度螺栓34212134第71页/共101页第七十二页，共102页。（2 2）普通螺栓和承压型连接高强度螺栓的抗剪承载力）普通螺栓和承压型连接高强度螺栓的抗剪承载力 普通螺栓或承压型高强度螺栓受剪时，当螺杆较细，普通螺栓或承压型高强度螺栓受剪时，当螺杆较细，板件较厚，螺杆可能被剪坏（演示）；为计算方便板件较厚，螺杆可能被剪坏（演示）；为计算方便(fngbin)(fngbin)，假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：式中：式中： nv nv 受剪面数目，单剪受剪面数目，单剪1 1；双剪；双剪2 2。 d d 螺栓杆公称直径；螺栓杆公称直径； 螺栓的抗剪强度设计值。螺栓的抗剪强度设计值。 42bvvbvdfnN bvfbvfbvf单剪双剪第72页/共101页第七十三页，共102页。 螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗，板件相对较薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，假定承压面为半圆柱面的投影面，即螺栓(lushun)的直径面dt，且压应力均匀分布。d螺栓孔压坏压应力简化分布第73页/共101页第七十四页，共102页。 按上述(shngsh)简化方法，得一个剪力螺栓的抗压承载力设计值为：式中 在同一受力方向的承压构件的较小总厚度； 螺栓的承压强度设计值，取决于构件材料。 一般情况下，一个螺栓的抗剪承载力和抗压承载力不同，那一种承载力较小，螺栓就发生那一种破坏。因此，一个受剪螺栓的承载力应取上两式中的较小值。即： min , bcbcftdN tbcfbNbvN