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1、焊接连接的方法及特性 对接焊缝连接的构造和计算 角焊缝连接的构造和计算 螺栓连接的构造和计算,主 要 内 容,焊接连接的构造和计算 螺栓连接的构造和计算,重 点,第4章 钢结构的连接,一、钢结构常用焊接方法,4.2,焊接连接的方法及特性,常用焊接方法,电 弧 焊,原 理,在涂有焊药的焊条和焊件间产生电弧，由电弧提供热源，使焊条溶化，滴落在焊件上被电弧吹成的小凹槽溶池中，并与焊件溶化部分冷却后凝结成焊缝，把构件连接成一体。,电 渣 焊,原 理,利用电流通过熔渣时所产生的热量来熔化金属的一种方法。焊丝作为电极伸入并穿过渣池，使渣池产生电阻热将焊件金属及焊丝熔化，沉积于熔池中，形成焊缝。,气体保护焊
2、,电 阻 焊,原 理,利用二氧化碳气体或其它惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。,原 理,电流通过焊件接头的接触面及邻近区域产生的电阻能热，将被焊金属加热到局部熔化或达到高温塑性状态，在外力的作用下形成牢固的焊接接头。,钢结构中常用的焊条型号有E43、E50和 E55系列。不同钢种的钢材焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,二、焊缝形式,角接,三、焊缝缺陷及焊缝质量检查标准,焊缝缺陷,要求用超声波或射线检验每条焊缝全部长度,要求用超声波检验每条焊缝长度的20,一级,三级,焊缝按检验方法和质量要求分三级,二级,要求通过外观检查,四、焊缝表示,五、焊接残余应力和焊接残余变形,焊接升温时焊缝
3、附近的应力场,焊缝冷却时，焊缝及附近金属产生拉应力，距焊缝稍远区段内产生压应力,焊接残余应力,焊接残余应力产生的条件,纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向,横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向,沿厚度方向的焊接残余应力,焊接残余应力是内应力，在焊件内自相平衡。,焊缝附近为拉应力，焊缝稍远区产生压应力。,（1）对结构静力强度的影响,焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。,（2）焊接残余应力低结构的刚度。,（3）焊接残余应力降低压杆的稳定承载力,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，增加了钢材低温脆断倾向。,（4）对低温冷脆的影响,三向焊接残余拉应力降低材料的塑性，从而疲劳强度降低！,（5）对疲劳
4、强度的影响,包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,一、对接焊缝的构造要求,1.坡口,目 的 为了使焊件能够焊透。坡口形式 根据板厚的不同采用不同 的坡口形式。,2.引弧板,目 的：为了消除焊口的影响，可加引弧板。焊缝的计算长度取值：无引弧板时：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 采用引弧板时：每条焊缝的计算长度等于实际长度,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。,二、对接焊缝的计算,对接焊缝可视作焊件截面的延续，故其计算方法与构件强度计算相同。对
5、接焊缝的抗压、抗剪强度，以及一、二级对接焊缝的抗拉强度与母材相同，因此若采用引弧板施焊，则可不与计算。只有三级焊缝受拉力作用才需进行计算！,（一）轴心力作用下的对接焊缝计算,（二）M、V共同作用下的对接焊缝计算,1.矩形截面,2、工字形截面,1.1 考虑最大折算应力只在局部出现的强 度增大系数。,对于翼缘与腹板交接点（1点）焊缝，其折算应力尚应满足下式要求：,角焊缝两边夹角90，称为直角角焊缝，直角边长hf称为焊脚尺寸。,1.角焊缝的形式,夹角大于135或小于60的称为斜角角焊缝，除钢管结构外，一般不宜用作受力焊缝。,直角角焊缝截面形式有普通焊缝、平坡焊缝、凹焊缝等几种。,2.角焊缝的构造要求
6、,hf,max1.2t1 t1较薄焊件的厚度。,当t2 4mm 时,hf,min=t2,对于T型连接单面角焊缝hf,min 应加上1mm;,t2 较厚焊件厚度。,对于埋弧自动焊 hf,min 可减去1mm;对于T形连接的单面角焊缝：hf；当焊件厚度等于或小于4mm时，则hf 应与焊件 厚度相同。,当 t6mm时，hf,max t 当 t 6mm时，hf,max t-(12)mm,对于板件边缘的角焊缝：,3.角焊缝的受力性能,焊缝长度方向与作用力垂直,正面角焊缝,焊缝长度方向与作用力平行,侧面角焊缝,侧面角焊缝承受剪力，强度较低，塑性较好。,剪应力沿焊缝长度分布不均 匀，两端大中间小，lw/hf
7、 越大 剪应力分布越不均匀。,破坏形式,正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较侧面角焊缝高。,有效截面为平分角焊缝夹角 的截面，破坏往往从这个截面发生。,有效截面的高度he 也称角焊缝有效厚度，he 0.7 hf,仅采用侧面角焊缝连接,仅采用正面角焊缝连接,f=0,f=0,说明,1.角钢与节点板连接受轴心力作用,由力的平衡关系可求出各条焊缝的受力：,对于验算的问题,验算肢背：验算肢尖：,对于设计的问题,肢背所需焊缝长度：肢尖所需焊缝长度：,端焊缝受力：,肢背受力：肢尖受力：,肢尖受力：,端焊缝受力：肢背受力：,2.拼接盖板的设计问题,盖板尺寸的设计应满足：材料与主板相同；盖板的总
8、截面积不应小于被连接钢板的截面积；同时满足构造要求。,盖板的长度则由侧面焊缝的长度确定。,每条侧面角焊缝的计算长度,正面角焊缝承担的力为：,侧面角焊缝承担的力为：,3.承受弯矩M作用,最危险点A的应力计算：,4.承受扭矩T 作用,讨论：1)判定危险点 2)T和M的区别,假定:1、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；2、应力的大小与该点到焊缝形心0的距离r成正比。,A,代入角焊缝通用公式中得：,5.承受M、V共同作用,A,最危险点A：,1.斜角角焊缝的计算,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
9、取f=1.0。,2.斜角角焊缝的计算厚度he,式中：b、b1和b25mm,说明：b1和b21.5mm时,可取b1、b2=0;b1和b2 5mm时,应如图“B”方式处理，且使b5mm。,2.部分焊透的对接焊缝计算,一、螺栓连接的形式及特点,类孔，孔径do比栓杆直径d大0.30.5mm；受力性能较好，受剪工作时变形小；费用较高。,类孔，孔径比栓杆直径大1.53mm；传递剪力时，变形较大；传递拉力的性能较好。,A、B级（精制螺栓）,C级（粗制螺栓）,高强度螺栓摩擦型连接靠板件间摩擦力传递剪力；摩擦型连接的剪切变形小，适用于动荷载的结构。,高强度螺栓承压型连接允许板件间摩擦力被克服，出现相对滑移后，依
10、靠螺栓杆的抗剪和孔壁承压传递剪力；承压型连接的承载力高于摩擦型，但剪切变形大，不适用于承受动力荷载的结构中。,螺栓性能等级,二、螺栓的排列,螺栓的表示 螺栓用M表示，例如M20，工程中常用的螺栓直径有16、20、22、24等。,螺栓的排列应满足,构造要求,施工要求,受力要求,螺栓端距过小，钢板有剪断的可能；钢板截面过度削弱，板件承载力不足；防止连接板件发生鼓曲。,以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。,为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。,螺栓的最大、最小容许距离,一、普通螺栓连接计算,按受力情况可分为螺栓受剪、螺栓受拉和螺栓同时受剪受拉,1.普通螺栓受剪时的工作性能,1）摩擦传力的
11、弹性阶段（01段）2）滑移阶段（12段）3）栓杆传力的阶段（23段）4）破坏阶段（34段）,当l115d0时，假定N由各螺栓均匀承担。,当 l1 15d0 时，螺栓受力不均，将螺栓的承载力设计值折减。,螺栓杆被剪坏,孔壁的挤压破坏,板件被拉断,板件端部被剪坏,栓杆弯曲破坏,2.普通螺栓受剪时的破坏形式,端矩不应小于2d0,栓杆长度不应大于5d,以上1、2、3三种破坏形式通过计算避免。,4、5破坏由构造解决。,3.单个普通螺栓的承载力设计值,公式中：nv 剪切面数目；d 螺栓杆直径；fvb 螺栓抗剪强度设计值。,剪切面数目nv,公式中：t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值；fcb螺栓孔壁承压强度
12、设计值。,单栓抗剪承载力设计值,公式中：Ae 螺栓的有效截面面积；de 螺栓的有效直径；ftb 螺栓的抗拉强度设计值。,（1）受轴心剪力作用,连接所需螺栓数量：,4.普通螺栓群连接计算,螺栓受力计算：,板件的净截面强度验算：,A.螺栓并列排列,主板的净截面面积：,拼接盖板的净截面面积：,故：An应取较小面积计算。,B.螺栓错列排列:,（2）受扭矩T作用,N1T,N1Tx,r1,1,假定：连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与 其至形心距离呈正比，方向与ri垂直。,N1Ty,假定每个螺栓均匀受力。,连接所需的螺栓数：,（3）受轴心拉力作用,螺栓受力计算：,M作用下假定：螺栓群的中和轴位于最下排螺栓
13、的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。,（4）受弯矩M作用,显然在M作用下，1号螺栓所受拉力最大,（5）承受拉力和剪力共同作用,在拉力和剪力的共同作用下，可能出现两种破坏形式：螺杆受剪兼受拉破坏、孔壁的承压破坏。,承托与柱翼缘的连接角焊缝计算：,式中：考虑剪力对角焊缝偏心影响的增大系数，一般取=1.251.35。,拉力和剪力共同作用下的普通螺栓连接，当有承托时，如果承托承受全部剪力，则螺栓群按受拉计算。,二、高强度螺栓摩擦型连接的计算,高强度螺栓分为大六角头型和扭剪型两种,高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。,预拉力的施加方法,高强度螺栓预拉力的确定,说明：折减系
14、数0.9 考虑材料的不均匀性；折减系数0.9 防止施工时超张拉导致螺杆破坏；系数1.2 考虑拧紧螺帽时，扭矩对螺杆的不利影响；0.9 附加安全系数。,高强度螺栓摩擦型连接板件间摩擦力的大小取决于板 件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数；板件间的抗滑移系数与接触面的处理方法和构件钢号有关。,单个高强螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值,公式中：0.9 抗力分项系数R的倒数(R=1.111);nf 传力摩擦面数目。,单个高强螺栓摩擦型连接的抗拉承载力设计值,受轴心剪力作用,假定各螺栓受力均匀。,所需螺栓数：,螺栓连接强度计算：,板件的净截面强度验算。,考虑孔前传力50%得：,1-1截面的内力为：,受
15、弯矩作用,中和轴,在拉力和剪力共同作用下,对于高强度螺栓承压型连接，允许接触面发生相对滑移，所以高强度螺栓承压型连接的单栓承载力计算方法与普通螺栓相同。,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,单栓抗拉承载力：,、,3.角焊缝计算时，应力性质判定要和前面学过的相关课程如材料力学等区分开。对于角焊缝在各种力作用下引起应力的性质，应该通过产生应力的方向与焊缝长度方向的相对位置关系判断决定。要注意：在外力作用下，和 都是按角焊缝的有效截面 计算，必然是角焊缝有效截面上的剪应力，而 只是垂直于角焊缝的焊脚，即垂直于焊缝长度方向的应力。,对接焊缝受力时，其计算截面上的应力状态与母材相同。对接焊缝在
16、外力作用下的计算方法，实际上与构件强度的计算相同，只是焊缝的强度设计值采用、。,5.判断受弯、受扭是角焊缝（螺栓）计算的一个难点。当直接作用的力矩或由偏心力引起的力矩所作用的平面与焊缝群（螺栓群）所在平面垂直时，焊缝（螺栓）受弯；当直接作用的力矩或由偏心力引起的力矩所作用的平面与焊缝群（螺栓群）所在平面平行时，焊缝（螺栓）受扭。,6.高强度螺栓连接计算分摩擦型和承压型两种。就螺栓本身来说无摩擦型和承压型之分，只是采用的设计极限状态不同，承压型用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的连接。,4.普通螺栓群在弯矩作用下，其受拉区最外排螺栓受到最大拉力，与螺栓群拉力相平衡的压力产生于下部的接触面上，取中和轴在弯矩指向一侧第一排螺栓处。高强度螺栓群在弯矩作用下，由于被连接构件的接触面一直保持紧密贴合，取中和轴在螺栓群的形心轴处。,
