第4章钢结构的焊接连接.ppt

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1、4.1 钢结构的连接方法4.2 钢结构焊接方法简介4.3 焊接结构的特性和焊缝4.4 焊缝代号4.5 对接焊缝的计算和构造4.6 直角角焊缝的受力性能,第 4 章 钢结构的焊接连接,4.7 直角角焊缝的强度计算4.8 角焊缝的尺寸限制和构造要求4.9 直角角焊缝连接的计算4.10 斜角角焊缝连接的计算4.11 部分焊透的对接焊缝连接的计算4.12 焊缝的质量等级4.13 焊接残余应力和残余变形,4.1 钢结构的连接方法,钢结构连接钢结构是一种由预制材料（钢材）制作，通过工厂加工成构件，再经工地现场拼装而形成的结构，因此，构件与构件之间的连接节点是形成钢结构并保证结构安全正常工作的重要组成部分。

2、连接的要求：足够的强度、刚度和延性。连接方法：销钉、螺栓、铆钉、焊缝。销钉连接因使用不便已摒弃，铆钉也基本为焊缝连接和螺栓连接取代。焊缝连接和螺栓连接是目前的主要连接方式。,铆钉连接,螺栓连接,焊缝连接,4.2 焊接方法简介,电弧焊 气体保护焊 电渣焊 气焊 电阻焊,采用涂有焊药的焊条通电后，焊条与焊件之间产生电弧高热量使焊条熔化而形成焊缝,设备简单，适应性强，应用最广泛质量波动大，生产率低，劳动强度大,4.2.1 手工电弧焊,采用无涂层焊药的焊丝，埋在焊剂下 通电后电弧使焊丝、焊剂熔化形成焊缝熔化后的焊剂成为焊渣，浮在金属面上,半自动埋弧焊,焊缝质量好，生产效率高需专用焊接设备，成本高,全自

3、动埋弧焊,4.2.2 自动、半自动埋弧焊,焊接速度快，熔化深度大可手工焊，也可自动化操作目前工厂很常用的焊接方法室外施焊要有避风措施，防止气孔、焊坑缺陷,采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝电弧使焊丝熔化形成焊缝CO2气体保护被焊金属与空气接触,焊丝,4.2.3 气体保护焊,非消耗 熔嘴式,采用管状焊条(熔嘴),焊丝从管内进入电流通过熔渣产生的电阻热，熔化焊件和焊丝形成焊缝常用于高层建筑等箱形柱内部的横隔板焊接有消耗和非消耗熔嘴式电渣焊之分,消耗熔嘴式,4.2.4 电渣焊,采用乙炔在氧气中燃烧的火焰来熔化焊条适用于钢板厚度薄的连接，一般小厂家备用此焊接设备,4.2.5 气焊,不采用焊接材料电流通过

4、焊件表面的电阻，产生热量熔化金属，再加压力而焊合适宜板厚不大于12 mm的焊接冷弯薄壁型钢连接常采用此焊接方法,4.2.6 电阻焊,4.3 焊接结构的特性和焊缝连接,材质易变脆产生残余应力、残余变形、焊接缺陷对钢结构疲劳、稳定有不利影响较多地依赖焊工的技能水平质量检验要求较高时检验工作量较大,缺点,优点,构造简单 任何形状的构件可直接连接，无需辅助零配件省工省料 加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面施工快速 可自动化操作连接的密闭性好，刚度大，整体性好,4.3.1 焊接结构的特性,热裂纹,冷裂纹,气孔,烧 穿,夹 渣,根部未焊透,边缘未熔合,焊缝层间未熔合,咬 边,焊瘤,焊缝缺陷,检验标准,二级

5、,肉眼外观检查 超声波用于有较大拉应力的较重要连接不得存在裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷,一级,肉眼外观检查 超声波 X射线用于抗动力、疲劳荷载的重要连接不得存在未满焊、咬边、根部收缩、裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷,用于一般连接所有焊缝均应作外观检验，不允许有可见裂纹等缺陷。其它缺陷如咬边、表面气孔、夹渣等按规范要求；,超声波检测设备,焊缝质量检验,无损检测：一级焊缝全数检验，二级焊缝抽检20以上,4.3.2 焊接接头形式和焊缝类别,对接焊缝,角焊缝,对接焊缝,角焊缝,（1）焊缝接头形式,对接接头,搭接接头,T形接头,角形接头,（2）焊缝类型,用料经济，传力平稳，动力性能好较厚的

6、板需开剖口，费工,施工简便传力不均，应力集中严重，搭接时费料,对接焊缝坡口形式,不同宽度,不同厚度连接,可不设斜坡,引弧板,对接焊缝其它构造,普通型,深熔型,平坡型,角焊缝构造,间断焊缝,连续焊缝,不重要或受力小的构件，可采用间断焊缝连接,连续焊缝与间断焊缝,（3）焊缝的施焊方式,4.4 焊缝代号,作用：表明焊缝型式、尺寸和辅助要求表示方法：由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成,单面焊缝的标注方法,双面焊缝的标注方法,当焊缝分布比较复杂或用上述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。,4.5 对接焊缝的计算和构造,（1）焊缝截面,焊缝截面厚度焊缝所连接板件的较薄

7、厚度；焊缝截面计算长度 采用引弧板时，焊缝全长有效；未采用引弧板时，计算焊缝长度=焊缝长度减去2t,（2）传力特性,（1）焊缝传递焊件拼接处所承受的构件内力（2）力线没有转折（或基本没有转折）,（3）焊缝强度,一、二级焊缝强度与焊件母材相同；三级焊缝强度较母材低。,确定计算截面上的内力（荷载效应）2.确定焊缝质量检验等级 根据结构重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等3.确定焊缝强度设计值 抗拉强度；抗压强度；抗剪强度 4.计算焊缝截面特性 截面面积A、惯性矩I、截面模量W、面积矩S等5.应力计算6.强度校核,（4）计算步骤,N 轴心拉力或压力tw 焊缝厚度（不同板连接时为较小板厚

8、）lw 焊缝计算长度，有引弧板lwL，无引弧板lwL2t（较小板厚）对接焊缝抗拉或抗压设计强度强度,焊缝应力验算,式中：,（5）焊缝轴心受力直缝,直缝,焊缝应力简化验算,规范规定当，可不验算。,斜缝,（6）焊缝轴心受力斜缝,应力分布,应力分布,弯矩M剪力 V轴力 N,应力分布,（7）梁的拼接弯矩、剪力、轴力作用,焊缝应力验算,与一般梁连接计算不同：可假定剪力仅由梁或牛腿腹板承受,（8）牛腿焊接弯矩、剪力作用,焊缝有效抗剪面积，,整个焊缝截面的面积；,（9）牛腿焊接弯矩、剪力、轴力作用,例1：设计50014钢板的对接焊缝连接。钢板承受轴向拉力，其中恒荷载和活荷载标准值引起的轴心拉力值分别为700

9、kN和400kN，相应的荷载分项系数为1.2和1.4。已知钢材为Q235-B.F（A3F），采用E43型焊条手工电弧焊，三级质量标准，施焊时未用引弧板。,解：,1焊缝承受的轴心拉力设计值为：,2三级对接焊缝抗拉强度设计值,3先考虑用直焊缝验算其强度,直焊缝强度不够，故应采用斜焊缝。按照（tg 1.5，即560）的要求布置斜焊缝。,例2:8m跨度简支梁的截面和荷载(设计值,包括梁自重),拟在离支座 2.5m 处做翼缘和腹板的工厂拼接,试设计其拼接对接焊缝。已知钢材为Q235-B.F（A3F），采用E43型焊条手工电弧焊，三级质量标准，用引弧板施焊。,解：,1 离支座2.5m处的内力（设计值）为,

10、2.5,2计算 梁截面参数：,3验算强度：,（1）角焊缝的计算截面,h-焊缝厚度、h1熔深h2凸度、d焊趾、e焊根,4.6 直角角焊缝的受力性能,不应太小 否则不能焊透，导致实际承载力不足；焊缝冷却太快容易开裂。,角焊缝焊脚尺寸 hf,不应太大 否则焊缝冷却后产生较大变形；较薄焊件容易烧穿。,焊脚尺寸是指角焊缝根角至焊缝截面外边缘（焊趾）的尺寸,计算焊缝长度,lw 每条连续焊缝的长度2h f（每端扣h f）,（2）角焊缝的应力状态-侧缝,主要受剪应力，分布不均，两头大中间小，焊缝越长应力不均匀程度越高强度相对较低，塑性较好破坏常发生在近似45斜平面上,角焊缝应力状态远比侧焊缝复杂正、剪应力都有

11、，且分布很不均匀根部应力集中最厉害，常常是开裂的起源点焊缝破坏强度高，但塑性差,（2）角焊缝的应力状态-端缝,破坏模式,荷载变形曲线,（2）角焊缝的应力状态-端缝与侧缝的比较,4.7 直角角焊缝的强度计算,（1）角焊缝的计算应力,基本公式：,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时,破坏面,试验公式,简化公式,f,危险点,（1）最小焊脚尺寸hf,min,式中:t2-较厚焊件厚度。,当t24mm时,hf,min=t2 对于自动埋弧焊hf,min可减去1mm;对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;,4.8 角焊缝的尺寸限制和

12、构造要求,（2）最大焊脚尺寸hf,max,hf,max1.2t1 式中:t1-较薄焊件厚度。,对于板件边缘的角焊缝：,当 t6mm时，hf,maxt；当 t 6mm时，hf,max t-(12)mm；,钢管构件除外,对圆孔或槽孔内的角焊缝，焊脚尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。,（4）侧缝的最大计算长度,当实际长度大于以上值时，计算时不考虑超过部分的强度；但当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。,（3）角焊缝的最小计算长度,当焊件的焊接长度不受限制时，在满足最大焊缝长度的要求下，小而长的焊缝比大而短的焊缝好！,（5）断续角焊缝,e为断续角焊缝的净距；t为较薄焊件的厚度；l为每段角焊缝

13、的长度。,（6）搭接连接的构造要求,板件与节点板的连接仅用两侧缝焊接时：A、为避免应力传递过分弯折导致应力不均：,B、为避免焊缝横向收缩引起的板件拱曲太大：,不满足此条件时，应加塞焊或采用三面围焊！,C、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。,D、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。,4.9 直角角焊缝连接的计算,4.9.1 计算步骤,焊缝（焊缝群）内力分析,两边侧焊,两边端焊,（1）拼接板连接 承受轴力N作用,验算,四周围焊,当焊缝受直接动力荷载时：,N1lw1,N2，lw2,简化验算 无论静载、动载,两边侧焊,N1、N2

14、不均匀分配,（2）角钢与拼接板连接 承受轴力N作用,三面围焊,梁柱连接受弯矩M、剪力V、轴力N 作用,（3）梁柱连接 弯矩、剪力、轴力作用,轴力N产生A点的应力,扭矩T产生的应力：焊缝为弹性体，板为刚性体，绕形心 o 旋转,（4）牛腿焊接 扭矩、剪力、轴力作用,验算：,A点：,极惯性矩 Izw=Ixw+Iyw,4.10 斜角角焊缝连接的计算,计算规定与直角角焊缝公式相同，但不考虑正面角焊缝的强度设计值增大系数，即=1.0；焊缝计算高度有具体规定。T形接头斜角角焊缝夹角应满足60135,如不满足则不宜作受力焊缝（钢管节点除外）。,4.11 部分焊透的对接焊缝连接的计算,按角焊缝的计算公式。在承受

15、动力荷载的结构中，垂直于受力方向的对接焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。,例3：如图所示拼接板的平接连接，主板截面为14400mm,承受轴心力设计值N=920KN（静力荷载），钢材为Q235，采用E43型系列焊条，手工焊。试设计拼接板尺寸，两方案：（a）用侧面角焊缝；（b）用三面围焊。,解：,（1）拼接板截面选择 根据拼接板和主板承载能力相等原则，拼接板钢材亦采用Q235，两块拼接板截面面积之和应不小于主板截面面积。,拼接板厚度：t1=401.4/(236)=0.78cm,取8mm,故每块拼接板截面为8360mm,考虑拼接板要侧面施焊，取 拼接板宽度为360mm(主板和拼接板宽度差略大于2hf)

16、。,（2）焊缝设计：直角角焊缝的强度设计值为ftw=160N/mm2。,设hf=6mm,hf=8-(12)=67 mm(t=86 mm),因b200mm（b200mm当t12mm),加直径为20mm的电铆钉4个，其设计强度与角焊缝相同，电铆钉承担力：,(a)采用侧面角焊缝时：,被拼接两板间留出隙缝10mm,拼接板长度为57cm。,侧面角焊缝的实际长度为,（b）采用三面围焊时：正面角焊缝承担力为,拼接板长度为,侧面角焊缝的实际长度为,例4：如图所示角钢和节点板采用两边侧焊缝的连接，N=660kN（静力荷载，设计值），角钢为211010，节点板厚度t1=12mm，钢材为Q235-AF，焊条为E43

17、系列型，手工焊。试确定所需角焊缝的焊脚尺寸hf和实际长度。,解：,角钢肢尖和肢背都取 hf=8mm,2角焊缝焊脚尺寸选择,角钢肢尖处最大hf:,1、角焊缝的强度设计值ftw=160kN/mm2,角钢肢背处最大hf:hf1.2t2=1.210=12mm,3.计算焊缝长度 焊缝受力：,角钢肢背,角钢肢尖,侧焊缝的长度为：,例5：设有牛腿与钢柱连接，牛腿尺寸及作用力的设计值（静力荷载）如图所示。钢材为Q235-A.F，采用E43系列型焊条，手工焊，试验算角焊缝。,解：,设焊缝为周边围焊，转角处连续施焊，没有起弧落弧所引起的焊口缺陷，且假定剪力仅由牛腿腹板焊缝承受。,取焊角hf=8mm,并对工字形翼缘

18、端部绕转部分焊缝忽略不计。,1截面参数计算：,腹板上竖向焊缝有效截面面积为,Aw=0.70.8312=34.72cm2,IW=20.70.82017.782+40.70.8(9.5-0.56)15.222+0.70.83132/12=14500cm4,全部焊缝对X轴的惯性矩为,WW2=14500/15.5=935.48cm4,焊缝最外边缘的抵抗矩为,WW1=14500/18.06=802.88cm3,翼缘和腹板连接处的抵抗矩为,2.验算角焊缝强度,=86.4103/802.88=107.61N/mm2 fffw=1.22160=195.2N/mm2,在弯矩 M=4800.18=86.4kN-m

19、 作用下角焊缝最大应力为,48010/34.72=138.25N/mm2,=86.4103/935.48=92.36N/mm2,牛腿翼缘和腹板交接处有弯矩引起的应力和剪力引起的应力共同作用,例6：如图所示为一支托板与柱搭接连接，b=300mm,h=400mm,作用力的设计值V=200kN,钢材为Q235-B，焊条E43系列型，手工焊，作用力距柱边缘的距离为e=300mm,设支托板厚度为12mm,试验算角焊缝。,解：,1角焊缝尺寸选择 设三边的焊脚尺寸hf相同，取hf=8mm,并近似按支托与柱的搭接长度来计算角焊缝的有效截面。因水平焊缝和竖向焊缝在转角处连续施焊，在计算焊缝长度时，仅在水平焊缝端

20、部减去5mm,竖向焊缝则不减少。,计算角焊缝有效截面的形心位置：,2截面参数计算,计算角焊缝有效截面的惯性矩：,2截面参数计算,=16203+5300=21503cm4,扭矩,=200(30+30-8.79)=10242kN-cm,角焊缝有效截面上A点应力为,4.12 焊缝的质量等级,焊缝等级：一级、二级、三级。凡需进行疲劳计算的结构的对接焊缝，均应要求焊透，质量等级为：（1）作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝和T形接头中的对接和角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；（2）作用力平行于长度方向的纵向对接焊缝应为二级。不需计算疲劳的结构中，凡要求与母材等强的对接焊缝，应予以焊透，其质

21、量等级为：受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。,重级工作制和起重量大于等于50t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T形接头焊缝均要求焊透，质量等级不应低于二级。不要求焊透的T形接头采用角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接中采用的角焊缝，其质量等级为：（1）对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁，其焊缝的外观质量标准应符合二级；（2）其他结构焊缝的外观质量等级可为三级。,4.13 焊接残余应力和残余变形,（1）焊接应力,焊接残余变形 由焊缝及其周围不均匀热胀冷缩引起焊接残余应力 由焊缝冷却收缩受到阻碍

22、引起,纵向焊接应力沿焊缝方向 两板焊接 焊缝区受拉、两侧受压 焊接工字钢腹板中央受压，两端受拉 翼缘中央受拉，两端受压横向焊接应力垂直焊缝方向 A.焊缝纵向收缩导致两块板反向弯曲中间横向受拉，两端受压 B.施焊先后不同，则冷却时间不同，导致后焊部分收缩受拉，先冷部分受杠杆作用也受拉，中间部分受压 A和B两种作用叠加,厚度方向焊接应力表面受压，中央受拉 焊接应力的影响 A.由于承载时可扩展塑性区，常温下受静载不影响强度，但会影响刚度 B.焊缝中的三向应力阻碍塑性变形的发展，导致开裂，降低疲劳强度 C.降低构件稳定性，和使构件提前进入塑性工作阶段,工字形截面,横向焊接应力,应力分布,第二部分,厚度

23、方向焊接应力,与焊接应力同时产生，由焊区收缩变形导致,(2)焊接变形,波浪变形,纵向收缩横向收缩弯曲角变形波浪变形扭曲变形,(3)降低焊接应力和焊接变形的措施,1.选择合适的焊缝尺寸；2采用合理的焊缝设计和施焊顺序(分段、分层、分块等)；（1）合理的焊缝形式和位置；（2）尽量避免三向焊缝汇交；（3）尽量对称布置焊缝；（4）焊条易到达。3施焊前使构件有一个和焊接变形相反的预变形；4对小尺寸构件可在焊前预热，或在焊后回火加热至600左右，然后缓慢冷却；5采用机械方法校正焊接变形。,设计措施,合理安排焊缝位置焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错,加劲板开孔，让主要焊缝通过，次要焊缝中断,加工措施,合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。施焊前，预加反向变形。,焊接次序交替进行,分多道焊缝,预加反变形,