第三章金属结构的连接.ppt

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1、 金属结构是由型材、铸锻件间用一定的连接方式组成的能承载的工程结构，常见的连接方式有以下几种。4/23/20231物流工程学院 WHUT31连接方法及特点v一、方法：焊接：（广泛应用）螺栓连接：（用于常装拆的结构）分为：普通螺栓和高强度螺栓 铆钉连接：（国外仅用于特重型桥吊主梁）胶合连接：（国内未采用）销轴连接：（用于两构件间的连接）4/23/20232物流工程学院 WHUTv二、特点：焊 接：制造简便，省工省料，不削弱构 件截面 易于自动化操作；但易产生残余应力和 变形、焊接缺陷，质量不易检查。螺栓连接：易装拆，质量易检查，塑性、韧性 好，但费工费料，削易构件截面，动载 作用下易松动；高强度

2、螺栓除具有普通 螺栓优点以外，还具有传力均匀，4/23/20233物流工程学院 WHUT 应力集中小，疲劳强度高等优点，但 螺栓制造和连接表面要求较高。铆 接：承动载能力强，低温下工作较可靠，但不能拆。4/23/20234物流工程学院 WHUT32连接的材料v一、焊接（与焊接方法有关），焊接方法达 35种之多。1.金属结构（起重机）常用的方法：气焊：氧炔焊（氧，乙炔）用于焊薄板，切割金属；热源为气 4/23/20235物流工程学院 WHUT电弧焊：应用最多 热源：电弧 手工电弧焊；埋弧自动（半自动）焊；气体保护焊 电渣焊：热源：电流通过燃渣产生电阻热，常用于焊 厚板或大截面构件。4/23/20

3、236物流工程学院 WHUT 2.焊接材料：（电弧焊）1）手工电弧焊焊条（按等强度原则选）焊Q235，常用E43型（老T42型）E4303 （一般）注：“43”为抗拉强度 “0”为位置 “03”为药皮及电 流（T422）E4315 E4316 应用于重要结构 或重级工作制（T427）（T426）4/23/20237物流工程学院 WHUT焊16Mn,常用E50型（T50型）E5003 （T502）E5015 （T507）E5016 （T506）焊Q235与16Mn的混合连接：E43型（一般）.E50型（贴角焊，受力较大的焊缝）4/23/20238物流工程学院 WHUT 2）埋弧自动（半自动）焊：

4、焊丝+焊剂 焊Q235：H08，H08A，H08Mn+高硅型焊剂 焊16Mn:H08MnA,H10Mn2+低锰型或无锰型焊 剂 3）气体保护焊：焊丝+气体（CO2，氩气等）4/23/20239物流工程学院 WHUT二、螺栓分为：普通螺栓 Q235-A,Q235-B,35；高强度螺栓 螺栓：d24mm.45,40B,20MnTiB d24mm.20 MnTiB,35VB 螺母：45，15MnVB 垫圈：45 (平垫圈)4/23/202310物流工程学院 WHUT33.焊接接头型式与焊缝型式对接接头 对接焊缝 4/23/202311物流工程学院 WHUT 搭接接头 贴角焊缝 塞焊缝（角）槽形焊缝（

5、角）4/23/202312物流工程学院 WHUTT字接头 开剖口焊缝角接接头 开剖口焊缝 4/23/202313物流工程学院 WHUT34.焊缝的静强度计算v一、对接焊缝的静强度计算.1.承受轴力的对接焊缝：4/23/202314物流工程学院 WHUT h=N/Af=N/lfh 式中：lf焊缝计算长度：有引弧板时 lf=b 无引弧板时 lf=b-52mm h焊缝许用应力，查表3-1（P67）4/23/202315物流工程学院 WHUT 2.承受剪力的对接焊缝（纯剪）=Q/Af=Q/lfdh 式中：lf、同前，h查表314/23/202316物流工程学院 WHUT 3.N、Q、M共同作用下的对接

6、焊缝例1：4/23/202317物流工程学院 WHUT危险点：A、B.A：h=N/Af+M/Wf h B:h=QSf/Ifh Sf计算点到截面边缘部分的截面面积对中性 轴（通过截面型心的轴）的静矩4/23/202318物流工程学院 WHUTv例2：4/23/202319物流工程学院 WHUT危险点：A，B.A：B:4/23/202320物流工程学院 WHUTv二、贴角焊缝的静强度计算1）侧焊缝4/23/202321物流工程学院 WHUT（1）应力分布规律：不均匀（曲线），两头大中间 小（2）破坏形式：剪切破坏，破坏面为 最小剪切面（45度工作面）4/23/202322物流工程学院 WHUT2）

7、端焊缝4/23/202323物流工程学院 WHUT （1）应力分布规律：复杂，应力集中在根部（a点）；（2）破坏形式：多样。3)围焊缝（三面围焊）：塑性低于侧焊，静强度和 侧焊相当，疲劳强度高于侧焊，由于贴角焊缝差别较大，受力复杂精确计算十分困难，以往多数国家采用以实验结果为主要依据的计划设计算法。4/23/202324物流工程学院 WHUT 2.贴角焊缝发计算假定：除忽略焊接残余应力及焊缝的增高影响外，做如下几点假定：1）不分侧缝和端缝 2）以焊接的最小截面45斜面作为计算截面 3）不论连接受拉、压、剪、弯、把计算应力均视 为剪应力。4/23/202325物流工程学院 WHUT 3.贴角焊缝

8、的静强度计算 1）连接受轴向力的搭接接头例1.4/23/202326物流工程学院 WHUT N=N/Af=N/(lff)h f=焊缝计算厚度.f=0.7hf lf焊缝计算长度之和.4/23/202327物流工程学院 WHUT例2.N=N/Af=N/(lff)h 其中f为周长 lf连接一边焊缝的计算长度之和，按下面规则取值4/23/202328物流工程学院 WHUT4/23/202329物流工程学院 WHUT注：焊缝计算长度的规定：（1）各条侧缝或端缝的最小计算长度取为 8 hf且不小于40mm（由构造保证）.（2）侧焊缝的最大计算长度 受静载：每条侧缝取lf60hf 受动载：每条侧缝取lf40

9、hf （超出部分不考虑）4/23/202330物流工程学院 WHUT2）受弯矩M的T字接头4/23/202331物流工程学院 WHUT危险点：A Ifx对轴x求惯性矩，称为轴惯性矩法。4/23/202332物流工程学院 WHUT3）承受M的搭接接头 4/23/202333物流工程学院 WHUT计算假设：（1）构件为绝对刚性，焊缝为弹性；（2）在M作用下，构件焊缝计算截面型心作相对转动 由上面假设有：在一点处，i大小于其到O的距离成正比，方向垂直于连线 当点距O为单位长度r=1时，焊缝计算应力为：1 当点距O为单位长度r=i时，焊缝计算应力为：i 1/r1=i/ri r1=1 i =1r i4/

10、23/202334物流工程学院 WHUT IP（极惯矩）所以：1=M/IP 任一点处：i=iri=riM/IP max=rmaxM/IP 离型心最远的焊缝所受的剪应力.强度计算式：max=rmaxM/IP h 极惯性矩法4/23/202335物流工程学院 WHUTmax=rmaxM/(Ix+Iy)h轴惯性矩法（常用）4/23/202336物流工程学院 WHUT4）复杂焊缝的强度计算（1）承受N、Q、M的工字形截面接头的贴角 的焊缝4/23/202337物流工程学院 WHUT将外力P、N向焊缝截面简化得：Q=P，M=Pe ,N.计算焊缝截面几何特性参数：Af,Af,If,WfA,WfB危险点：A

11、，B强度计算A:B:4/23/202338物流工程学院 WHUT式中：Af焊缝总面积.Af腹板焊缝部分的面积.,WfA,WfB分别为A，B点的抗弯截面模量4/23/202339物流工程学院 WHUT（2）承受N，Q，M的搭接接头 4/23/202340物流工程学院 WHUT将外力向形心转化得：N，Q=P，M=Pe 假设：在N，Q作用下，应力由全部焊缝均担 任一点处：N=N/Af()Q=Q/Af()在M作用下，离O点最远的点为A，B点.危险点：A（见右上图分析）sin=ymax/rA cos=xmax/rA 4/23/202341物流工程学院 WHUT 强度条件：其中：MA=rAM/IP=rAM

12、/Ix+Iy 4/23/202342物流工程学院 WHUT35设计焊接结构的注意事项根据资料统计，疲劳失效占金属结构失效形式的（8090）%，尤其对经常满载，频繁工作，承受变载，动载的港口装卸用的起重机，疲劳破坏往往从焊接接头处开始产生.一、合理选材：塑、韧性好抗裂性好，慎用高强度钢材。板厚一般min4mm max40mm Q235max30mm 16Mn4/23/202343物流工程学院 WHUT二、构造设计：合理布置焊缝，注意细节处理.1.焊缝不宜太集中4/23/202344物流工程学院 WHUT2.避免焊缝主体交叉（使主焊缝连续，次焊缝断开）3.避免焊缝布置在易产生应力集中处4/23/2

13、02345物流工程学院 WHUT4.不同厚（宽）的钢板对焊接时，应使力流平滑过渡.4/23/202346物流工程学院 WHUT （满足表32的不等厚板对接厚度差时，可不开斜口）对接：6mm(手工焊)8mm（自动焊）应开剖口，剖口形式详见机械设计手册或国家标准5.不允许采用单面搭接端焊缝4/23/202347物流工程学院 WHUT 6.焊缝布置应便于施工（详见P75）7.焊缝高度（贴角焊缝hmin,hmax）,应满足构造要 求（P70）4/23/202348物流工程学院 WHUT 8.焊缝重心线应尽量与构件重心线重合 焊缝的分配比例见P71，表344/23/202349物流工程学院 WHUT 9

14、.承静载时，宜优先采用二面侧焊 承动载时，宜优先采用三面侧焊 桁架节点4/23/202350物流工程学院 WHUT36普通螺栓连接一、分类：普通螺栓：粗制类孔，孔-d栓=1 2mm，用于主要受拉的连接4/23/202351物流工程学院 WHUT 精制类孔，孔-d栓=0.20.3mm,（铰孔）用于同时承拉，剪，或受剪连接.（钻模、钻、冲孔、扩钻、铰孔）4/23/202352物流工程学院 WHUT二、连接形式：剪力螺栓连接 拉力螺栓连接 拉剪力螺栓连接三、螺栓布置的极限尺寸要求（P79，表35）布置方式及要求：并列 错列 见P28图3494/23/202353物流工程学院 WHUT37剪力螺栓连接

15、计算4/23/202354物流工程学院 WHUT一、受轴心力作用下的受剪螺栓连接 破坏形式：栓杆剪断，孔壁或杆身压坏，板端 剪裂，板端拉裂，板拉断 常见破坏形式：栓杆剪断，孔壁挤坏，板拉断。计算内容：螺栓、构件 计算方法：先计算所需螺栓数，后进行布置 先按经验布置，后验算按方法.4/23/202355物流工程学院 WHUT 1.所需螺栓数：式中：单螺栓抗剪许用承载力 和孔壁抗压 许用承载力 中的较小值 许用剪应力见表37 许用压应力表37 挤压面积 同方向承压构件的较 小总厚度4/23/202356物流工程学院 WHUT 2.构件强度计算：设BA （如取构件板B计 算）:4/23/202357

16、物流工程学院 WHUT危险截面：并列布置时为第1列栓孔处（截面）错列布置时第1列栓孔处（截面）第1，2列及其后面栓孔处的锯齿形截 面（）强度验算：=N/Aj Aj截面：Aj=A-n1d 截面：Aj=A-(n1+n2)d+4/23/202358物流工程学院 WHUT 二、偏心力作用下的受剪螺栓连接4/23/202359物流工程学院 WHUT外力向螺栓群心o转化假定：在过o的P力作用下，各栓受相同剪力，RP=P/n在M作用下，连接板绕 群心o旋转，各栓受剪力，大小与其与o距离成正比，方向垂直于连线oi；R1/r1=Ri/ri=K Ri=Kri Rmax=Krmax4/23/202360物流工程学院

17、 WHUT分析：危险螺栓？Rmax=?危险螺栓：4和6 在M作用下：4/23/202361物流工程学院 WHUT在P作用下：RP=P/n危险螺栓强度条件：式中：取 和 中的较小者 4/23/202362物流工程学院 WHUT38拉力螺栓连R:杠杆反力 4/23/202363物流工程学院 WHUT一、轴心作用下的拉力螺栓 螺栓破坏截面螺纹、根部。考虑杠杆反力及应力集中因素的影响，将螺栓许用应力降低20%式中：单栓抗拉许用承载力.螺栓抗拉许用应力.螺栓材料许用应力 d0螺纹内径 4/23/202364物流工程学院 WHUT二、力矩作用下的拉力螺栓4/23/202365物流工程学院 WHUT 假定连

18、接法兰（板）刚性足够大，在M作用下，连接板绕受压边排螺栓线：x-x轴转动，各螺栓所受拉力与其到x-x轴的距离成正比。Pi/yi=Pmax/ymax Pi=Pmaxyi/ymax 螺栓强度条件：4/23/202366物流工程学院 WHUT 三、偏心受拉螺栓4/23/202367物流工程学院 WHUT 当e时：先计算e=M/N =Ix/n|ymax|再判断：e 或 e而后计算：Pmax 螺栓强度条件：4/23/202368物流工程学院 WHUT39拉剪螺栓连接计算：(自学)根据试验结果：在拉剪联合作用下，符合因形相关公式：4/23/202369物流工程学院 WHUT 若螺栓的计算拉力、剪力分别为P

19、ll和Pjl，则强度条件为：（结论：当 强度满足）4/23/202370物流工程学院 WHUT310高强度螺栓连接设计计算一、种类、特点及应用1.按形状分：大六角头 用扭矩扳手 4/23/202371物流工程学院 WHUT 扭剪形（日本首例）先用普通扳手，后用TC型电动扳手套住螺母和卡头终拧，直至卡头拧断。4/23/202372物流工程学院 WHUT 2.按受剪螺栓受力性能的不同阶段分：摩擦型 承压 型 摩擦型的工作原理：对螺栓施加足够大的预紧力使 被连接件接触面间产生摩擦力 来传递力。承载能力极限状态：被连接件间的摩擦阻力刚被克 服作为其极限状态.4/23/202373物流工程学院 WHUT

20、 特点：不松动，耐疲劳。应用：用于直接承受动杂载的结构。承压型：承载能力极限状态：连接面间滑移后，栓 杆剪断或孔壁挤压坏，宜用于承静载或间接 承动载的结构。4/23/202374物流工程学院 WHUT 二、摩擦型高强螺栓连接的强度计算 1.轴心力作用下的剪力螺栓4/23/202375物流工程学院 WHUT N/nP P但栓抗滑许用承载力.P=0.7ZmfPg Zm传力摩擦面数；f摩擦系数（与表面处理方法有关），查表（3-9）Pg预拉力（预紧力）.查表3-8 0.7安全系数n=1.43的倒数.4/23/202376物流工程学院 WHUT 2.偏心力作用下的剪力螺栓 计算公式同普通螺栓，但许用承载

21、力应为高强螺栓的许用承载力。4/23/202377物流工程学院 WHUT 3.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.4/23/202378物流工程学院 WHUT强度条件：单栓抗滑承载力：PQP 单栓抗拉承载力：PN0.7Pg P拉、剪作用下的单栓抗滑许用承载力 P=0.7Zmf(Pg-1.4Pt)Pt每个螺栓所受的外拉力.Pt0.7Pg4/23/202379物流工程学院 WHUT 4.被连接件的强度计算4/23/202380物流工程学院 WHUT每个螺栓所产生的摩擦力：N/n n为螺栓总数 第一排为n1个螺栓产生：（N/n）n1的摩擦力=N N=N-N=N-(N/n)n140%=N（1-0.4n1/n）

22、被连接件的强度条件：=N/Aj Aj为净载面积4/23/202381物流工程学院 WHUT311销轴连接一、销轴计算 静强度：w销轴许用弯曲应力4/23/202382物流工程学院 WHUT不重要及受载不大：Q235，w=125MP 载荷不大，要求任性较高：20正火回火 w=125 MP 有一定强度及加工塑性要求：35正火回火 w=165 MP 调质w=175 MP 广泛应用：45正火回火 w=195 MP 调质w=215 MP 载荷较大，无很大冲击的重要轴.40Cr调质w=245 MP4/23/202383物流工程学院 WHUT4/23/202384物流工程学院 WHUT 二、耳板计算 危险截面：BB，AA4/23/202385物流工程学院 WHUT4/23/202386物流工程学院 WHUT 解三次超静定结构（利用对称性及变形协调条件）求Nb,Qb,Mb,Na,Qa,Ma.由弹性力学，应用弹性曲梁公式计算危险载面应力 =Ni/A+Mi/AR+(Mi/ARK)y/(R+y)A 截面积 R 截面重心线半径 k与截面有关的系数.矩形：k=(R/h)(2R+h)/(2R-h)-1 y计算截面上计算点的坐标值.4/23/202387物流工程学院 WHUT4/23/202388物流工程学院 WHUT