鋼結(jié)構(gòu)第三章(焊接)0711

1、3.1 3.1 連接的種類與特點(diǎn)連接的種類與特點(diǎn)3.2 3.2 對接焊縫構(gòu)造與計(jì)算對接焊縫構(gòu)造與計(jì)算3.33.3角焊縫構(gòu)造與計(jì)算角焊縫構(gòu)造與計(jì)算3.4 3.4 焊接應(yīng)力與焊接變形焊接應(yīng)力與焊接變形3.5 3.5 普通螺栓連接計(jì)算普通螺栓連接計(jì)算3.6 3.6 高強(qiáng)螺栓連接計(jì)算高強(qiáng)螺栓連接計(jì)算 （1）概述）概述 鋼結(jié)構(gòu)中，連接占有相當(dāng)重要的位置。鋼結(jié)構(gòu)中，連接占有相當(dāng)重要的位置。 鋼結(jié)構(gòu)的連接通常有：鋼結(jié)構(gòu)的連接通常有： 焊接連接焊接連接、 普通螺栓連接普通螺栓連接 高強(qiáng)度螺栓連接高強(qiáng)度螺栓連接等，等， 這些也是鋼結(jié)構(gòu)的基本連接方式。這些也是鋼結(jié)構(gòu)的基本連接方式。（2-1）電弧焊）電弧焊 通過通

2、電后焊條與焊件之間產(chǎn)生的強(qiáng)大通過通電后焊條與焊件之間產(chǎn)生的強(qiáng)大 電弧提供熱源，溶化的焊條（焊絲）與焊電弧提供熱源，溶化的焊條（焊絲）與焊 件溶化部分形成焊縫。焊縫質(zhì)量可靠，為件溶化部分形成焊縫。焊縫質(zhì)量可靠，為 最常用的一種焊接方法。最常用的一種焊接方法。 分手工電弧焊和自動埋弧焊（半自動）分手工電弧焊和自動埋弧焊（半自動）。Q235-E43；Q345-E50；Q390-E55Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn（2-2）電阻焊）電阻焊 利用電流通過焊件接觸點(diǎn)表面產(chǎn)生的熱利用電流通過焊件接觸點(diǎn)表面產(chǎn)生的熱量熔化金屬，再通過壓力使其焊合。

3、適用薄量熔化金屬，再通過壓力使其焊合。適用薄壁型鋼（壁型鋼（12mm內(nèi)）。內(nèi)）。（2-3）氣）氣 焊焊 利用乙炔在氧氣中燃燒而形成的火焰來利用乙炔在氧氣中燃燒而形成的火焰來熔化金屬，形成焊縫。適用薄鋼板或小型結(jié)熔化金屬，形成焊縫。適用薄鋼板或小型結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 焊縫連接形式按被連接鋼材的相互位置相互位置可分為對接(或平接)連接、搭接(或錯(cuò)接)連接、T形(或頂接)連接和L形(或角部)連接等。施焊方位施焊方位（a）平焊（俯焊）平焊（俯焊）（b）立焊）立焊（c） 橫焊橫焊 （d）仰焊）仰焊 質(zhì)量及施工難易程度：質(zhì)量及施工難易程度：平焊好、立焊和橫焊次平焊好、立焊和橫焊次之、仰焊最差之、仰焊最差 。平焊平

4、焊 當(dāng)焊縫分布比較復(fù)雜或用上述標(biāo)注方法不能表達(dá)清楚時(shí) 焊接連接：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不削弱構(gòu)件截面，構(gòu)造簡單，節(jié)約鋼：不削弱構(gòu)件截面，構(gòu)造簡單，節(jié)約鋼材，加工方便，可采用自動化操作，生產(chǎn)材，加工方便，可采用自動化操作，生產(chǎn)效率高。剛度較大、密封性能好。效率高。剛度較大、密封性能好。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：焊縫附近存在熱影響區(qū)，由高溫快速：焊縫附近存在熱影響區(qū)，由高溫快速降到常溫，使鋼材脆性加大；存在焊接殘降到常溫，使鋼材脆性加大；存在焊接殘余應(yīng)力及殘余變形；焊接結(jié)構(gòu)低溫冷脆問余應(yīng)力及殘余變形；焊接結(jié)構(gòu)低溫冷脆問題也比較突出。題也比較突出。 螺栓連接優(yōu)點(diǎn)：安裝方便，便于拆卸。缺點(diǎn)：需要在板件上開孔和拼裝時(shí)對孔，制造工作

5、量大；螺栓孔還使構(gòu)件截面削弱，被連接的板件需要相互搭接或另加拼接板，比焊接連接多費(fèi)鋼材（3）各種連接的特點(diǎn)）各種連接的特點(diǎn)3.2.1 對接焊縫的構(gòu)造 1、形式2、對接焊縫的優(yōu)缺點(diǎn)、對接焊縫的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：用料經(jīng)濟(jì)、傳力均勻、無明顯的用料經(jīng)濟(jì)、傳力均勻、無明顯的 應(yīng)力集中，利于承受動力荷載。應(yīng)力集中，利于承受動力荷載。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：需剖口，焊件長度要精確。：需剖口，焊件長度要精確。 變厚度板對接 變寬度板對接 例題3-1 試驗(yàn)算圖所示鋼板的對接焊縫的強(qiáng)度。 圖中 a500 mm，b12mm， 軸心拉力的設(shè)計(jì)值N=1100kN。鋼材為Q235BF，手工焊焊條為E43型，三級焊縫，施焊時(shí)不用引弧

6、板。tan1.5500333mm,b350mm1.51.5abab取 1、彎曲正應(yīng)力 2、最大剪應(yīng)力 3、折算應(yīng)力 正應(yīng)力、剪應(yīng)力都較大時(shí) wtf1 . 132121 例例3-2：圖3-2所示，荷載設(shè)計(jì)值F=550kN，偏心距e=300mm，鋼材Q235B， 手工焊，焊條E43型，焊縫等級三級，使用引弧板，試驗(yàn)算工字鋼截面牛腿與鋼柱連接的對接焊縫強(qiáng)度。 角焊縫連接對被連接件加工精度要求低、施工方便而常常被采用。角焊縫一般用于搭接連接和T形連接。T型連接焊接變形型連接焊接變形垂直連接焊接變形垂直連接焊接變形直角角焊縫直角角焊縫溫度影響區(qū)二、角焊縫種類二、角焊縫種類 包括直角角焊縫（圖包括直角角焊

7、縫（圖a）和斜角角焊縫（圖）和斜角角焊縫（圖b）1 1、直角角焊縫、直角角焊縫（a）普通焊縫）普通焊縫 （b）平坡焊縫）平坡焊縫 （c）深熔焊縫）深熔焊縫 平坦型平坦型凹面型凹面型復(fù)雜鋼構(gòu)件復(fù)雜鋼構(gòu)件組合結(jié)構(gòu)型鋼構(gòu)件組合結(jié)構(gòu)型鋼構(gòu)件2 2、斜角角焊縫：、斜角角焊縫：（a）斜銳角焊縫）斜銳角焊縫 （b）斜鈍角焊縫）斜鈍角焊縫 （c）斜凹面角焊縫）斜凹面角焊縫 3 3 表示方法表示方法1、正焊縫 (亦稱端焊縫) 焊縫長度方向垂直于力作用方向2、側(cè)面角焊縫(側(cè)焊縫)焊縫長度方向平行于力作用方向的焊縫3、斜焊縫焊縫長度方向既不垂直也不平行的4、圍焊縫1、最小焊腳尺寸 如果板件厚度較大而焊縫過小，則施焊

8、時(shí)焊縫冷卻速度過快而產(chǎn)生淬硬組織，易使焊縫附近主體金屬產(chǎn)生裂紋。這種現(xiàn)象在低合金高強(qiáng)度鋼中尤為嚴(yán)重。min21.5fht2最大焊腳尺寸 焊腳尺寸若過大，易使母材形成“過燒”現(xiàn)象，而且使構(gòu)件產(chǎn)生較大的焊接殘余變形和殘余應(yīng)力。max11.2fhtminmaxfffhhh側(cè)焊縫的應(yīng)力變化側(cè)焊縫的應(yīng)力變化:3、角焊縫的最小長度 長度過小時(shí)，焊件局部加熱嚴(yán)重，焊縫起落弧缺陷相距太近，加上可能有其他缺陷(氣孔、夾渣等)，使焊縫可靠性降低；焊縫集中在一很短距離內(nèi)，焊件的應(yīng)力集中也較大。840fwhlmm4、角焊縫的最大長度 應(yīng)力在長度上的分布不是均勻的，兩端大中間小，同時(shí)附帶參與應(yīng)力與變形，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力很大

9、。max60(40fwfhlh靜載）（動載）1、正焊縫 (亦稱端焊縫) 焊縫長度方向垂直于力作用方向2、側(cè)面角焊縫(側(cè)焊縫)焊縫長度方向平行于力作用方向的焊縫3、斜焊縫焊縫長度方向既不垂直也不平行的4、圍焊縫 一、角焊縫的受力特點(diǎn)一、角焊縫的受力特點(diǎn) 二、軸心力作用二、軸心力作用 三、角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接三、角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接 四、剪力四、剪力+扭矩作用扭矩作用 五、軸力五、軸力+剪力剪力+彎矩作用彎矩作用一、角焊縫的受力特點(diǎn)一、角焊縫的受力特點(diǎn) 焊縫破壞面焊縫破壞面 角焊縫破壞面上的應(yīng)力角焊縫破壞面上的應(yīng)力角焊縫的有效截面角焊縫的有效截面22()fwffffwfffff22)(0fwffff0fw

10、fff正焊縫： ，側(cè)焊縫： ， 二、二、軸心力作用角焊縫的計(jì)算軸心力作用角焊縫的計(jì)算兩種計(jì)算方法兩種計(jì)算方法 1、利用下列公式、利用下列公式方法二將N 分解成 Nx、Ny ，cossinNNNNyx 分別按正焊縫、側(cè)焊縫計(jì)算應(yīng)力wfffff22)(焊縫有效面積Nx、Ny假定在有效面上均勻分布wfewelhhlA7 . 0wfffff22)( 正焊縫： 側(cè)焊縫： 0fwffff0fwfff其一： 式中 其二：將N沿著垂直、平行兩個(gè)方向分解成Nx、Ny，分別求出 、 ，再利用基本公式計(jì)算。 wffff3/sin112fff例例3-1：圖3-1所示的雙蓋板連接，鋼材為Q235-B，手工角焊縫，焊條E

11、43系列，焊腳尺寸 hf=6mm , 求該連接所能承受的最大靜荷載N。 已知：t=12mm, t1=8mm (b) 三邊圍焊(c) L形圍焊 a) 兩邊側(cè)焊兩邊側(cè)焊兩邊側(cè)焊三邊圍焊三邊圍焊23211202()NNk NNkkN令則L形圍焊形圍焊 基本假定假設(shè)焊縫是彈性體被連接件是絕對剛性的，在扭矩作用下它有繞焊縫形心O旋轉(zhuǎn)的趨勢4.剪力、軸力在有效面上均勻分布 結(jié)論： 這樣焊縫上任一點(diǎn)的應(yīng)力其方向垂直于該點(diǎn)與O點(diǎn)的連線、大小與距離r成正比。maxmax0max TfxyTfxyTyTyIIITxII22()( )TfTVwfffff 扭矩T作用下各點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算（以A點(diǎn)為例）： Ix+Iy為焊縫計(jì)

12、算截面對形心的極慣性矩，x、y為焊縫角點(diǎn)到焊縫形心的坐標(biāo)距離。 yxTfyxTfIITxIITyITymaxmax0max , V作用下A點(diǎn) N作用下A點(diǎn) A點(diǎn)合應(yīng)力 ， 例例3-2：如圖3-2所示，三面圍焊，鋼材為Q235-B，手工焊，焊條E43型，偏心量e=50mm。求該角焊縫連接所能承受的最大靜態(tài)軸心力P。分三個(gè)步驟：軸力作用平均分配剪力作用平均分配1. 彎矩作用三角形分布 軸力、剪力在有效面上平均分配，但彎矩作用不是平均分配 1、軸力N作用下x方向應(yīng)力 2、剪力作用下，y方向應(yīng)力 3、彎矩M作用下，x方向應(yīng)力 M、V和N共同作用下，焊縫上或下端點(diǎn)最危險(xiǎn)處應(yīng)滿足 如圖所示的結(jié)構(gòu)，鋼材為Q

13、235-B，手工角焊縫，焊條E43系列，焊腳尺寸 hf=8mm , 求該連接所能承受的最大靜荷載P。 圖3-6所示的結(jié)構(gòu)，鋼材為Q235-B，手工角焊縫，焊條E43系列，焊腳尺寸 hf=8mm , 求該連接所能承受的最大動荷載P。已知： t=12mm, tw=8mm.角焊縫連接的構(gòu)造要求角焊縫連接的構(gòu)造要求 (1) 焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因: 焊接過程中焊接過程中, ,局部區(qū)域受到高溫局部區(qū)域受到高溫作用作用, ,引起不均勻的加熱和冷卻引起不均勻的加熱和冷卻, ,使構(gòu)使構(gòu)件產(chǎn)生變形件產(chǎn)生變形. . 在冷卻過程中在冷卻過程中, ,焊縫和焊縫附近焊縫和焊縫附近的的鋼

14、材的收縮受到約束而產(chǎn)生應(yīng)力鋼材的收縮受到約束而產(chǎn)生應(yīng)力. .在常溫和靜荷載作用下，對構(gòu)件的在常溫和靜荷載作用下，對構(gòu)件的強(qiáng)度無影響，但對剛度則有影響。強(qiáng)度無影響，但對剛度則有影響。塑性變形降低，容易產(chǎn)生裂縫。塑性變形降低，容易產(chǎn)生裂縫。疲勞強(qiáng)度降低。疲勞強(qiáng)度降低。使穩(wěn)定承載力降低。使穩(wěn)定承載力降低。使構(gòu)件提前進(jìn)入塑性階段。使構(gòu)件提前進(jìn)入塑性階段。縱向收縮引起的縱向應(yīng)力縱向收縮引起的縱向應(yīng)力(焊縫方向的應(yīng)力焊縫方向的應(yīng)力):考慮整體冷卻與焊接次序的疊加考慮整體冷卻與焊接次序的疊加焊接次序的影響焊接次序的影響 厚度小于厚度小于 25mm時(shí)，厚度方向應(yīng)力時(shí)，厚度方向應(yīng)力不大；但板厚大于不大；但板厚大于50mm時(shí)，厚度方時(shí)，厚度方向應(yīng)力可達(dá)向應(yīng)力可達(dá)50N/mm2左右。左右。主要形式主要形式: 縱向收縮、縱向收縮、 橫向受縮、橫向受縮、 彎曲變形、彎曲變形、 角變形、角變形、 波浪變形、波浪變形、 扭曲變