鋼結(jié)構(gòu)連接演示文稿

鋼結(jié)構(gòu)連接演示文稿第一頁，共一百零九頁。（優(yōu)選）鋼結(jié)構(gòu)連接第二頁，共一百零九頁。3（1)焊接連接

在被連接金屬件之間的縫隙區(qū)域，通過高溫使被連接金屬與填充金屬熔融結(jié)合，冷卻后形成牢固連接的工藝過程稱為焊接連接（weldedconnection），填充金屬帶稱為焊縫。焊接連接不削弱構(gòu)件截面，接頭緊湊，可以采用自動(dòng)化操作，是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法。但是，由于焊縫附近高溫作用而形成的熱影響區(qū)，使鋼材的金相組織和力學(xué)性能發(fā)生變化，材質(zhì)變脆，一旦局部發(fā)生裂紋很容易擴(kuò)展，尤其在低溫下易發(fā)生脆斷；另外，焊接過程中會產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形，對結(jié)構(gòu)的工作性能往往有不利影響。第三頁，共一百零九頁。連接方法（2）螺栓連接螺栓連接需要在被連接件上鉆孔，裝上螺桿、擰緊螺帽進(jìn)行連接。第四頁，共一百零九頁。5螺栓（bolt）分為普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓兩類。

普通螺栓：分為A、B、C三級。A、B級螺栓稱為精制螺栓，成本較高，其性能等級為8.8級（表示抗拉強(qiáng)度不小于800N/mm2，屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度之比為0.8)；C級螺栓為粗制螺栓，成本低，其性能等級為4.6級或4.8級。

高強(qiáng)螺栓：高強(qiáng)度螺栓用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或低合金鋼制作，并經(jīng)過熱處理，材料性能等級達(dá)到8.8級以上。高強(qiáng)度螺栓按工作性能不同，又分為摩擦型連接和承壓型連接。第五頁，共一百零九頁。

（3）鉚釘連接鉚釘（rivet）連接是將鉚釘插入鉚孔后施壓使鉚釘端部鉚合，常用加熱鉚合，也可在常溫下鉚合。鉚釘連接的塑性、韌性較好，連接變形小，承受動(dòng)力荷載時(shí)抗疲勞性能好，適合于重型和直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)。但由于鉚釘連接費(fèi)材費(fèi)工，噪音大，一般情況下很少采用。連接方法第六頁，共一百零九頁。3.2焊接方法和焊縫形式3.2.1鋼結(jié)構(gòu)的焊接方法常用：電弧焊（手工電弧焊、自動(dòng)(或半自動(dòng))埋弧焊），氣體保護(hù)焊及電阻焊。手工電弧焊

手工電弧焊的焊條應(yīng)與焊件鋼材相匹配，如：

Q235-E43；Q345-E50；Q390-E55第七頁，共一百零九頁。第八頁，共一百零九頁。自動(dòng)埋弧焊

埋弧焊的焊條應(yīng)與焊件鋼材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA;Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn第九頁，共一百零九頁。氣體保護(hù)焊：氣體保護(hù)焊簡稱氣電焊，是利用惰性氣體或二氧化碳?xì)怏w作為保護(hù)介質(zhì)，在電弧周圍造成局部的保護(hù)層，使被熔化的鋼材不與空氣接觸，因而電弧加熱集中，焊接速度快，熔化深度大，焊縫強(qiáng)度高，塑性好。電阻焊：電阻焊是利用電流通過焊件接觸點(diǎn)表面的電阻所產(chǎn)生的熱量來熔化金屬，再通過壓力使其焊合。冷彎薄壁型鋼的焊接常用這種接觸點(diǎn)焊(如圖)。電阻焊適用于板疊厚度不超過12mm的焊接。電阻焊

焊接方法第十頁，共一百零九頁。3.2.2焊縫形式及焊接連接形式焊縫形式主要有兩種：對接焊縫和角焊縫

焊縫形式角焊縫

對接焊縫

第十一頁，共一百零九頁。

按施焊時(shí)焊工所持焊條與焊件間的相對位置關(guān)系，焊縫還分為：

焊縫施焊位置

平焊橫焊

立焊仰焊

焊縫形式第十二頁，共一百零九頁。13第十三頁，共一百零九頁。連接形式平接

搭接

T形連接

角接

第十四頁，共一百零九頁。

除上述主要形式外，有時(shí)還采用焊釘和槽焊。即在板件上加工出圓孔或槽孔，在孔內(nèi)進(jìn)行部分或全部焊接。焊釘和槽焊用于搭接連接可以傳遞剪力，或用于防止搭接部分的鼓曲，或用于組裝件的連接。第十五頁，共一百零九頁。3.2.3焊縫缺陷和焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)(1)焊縫缺陷焊縫的常見缺陷：

裂紋是焊縫連接中最危險(xiǎn)的缺陷（defect）。按裂紋產(chǎn)生的時(shí)間，可分為熱裂紋和冷裂紋。

第十六頁，共一百零九頁。（2）焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)與焊縫強(qiáng)度焊縫檢驗(yàn)就是檢驗(yàn)焊縫及焊接熱影響區(qū)域有無各種缺陷，并作出相應(yīng)的處理，評價(jià)焊接質(zhì)量、性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保焊縫安全可靠。達(dá)到不同質(zhì)量檢驗(yàn)等級的焊縫，焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值也不同（見附表1.3）?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）對各種情況下的焊縫質(zhì)量等級要求作了相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)按《規(guī)范》要求選用。

第十七頁，共一百零九頁。3.2.4焊縫代號

焊縫代號用于鋼結(jié)構(gòu)施工圖上對焊縫進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)明焊縫形式、尺寸和輔助要求。常用焊縫代號和標(biāo)注方法如下：

形式角焊縫對接焊縫塞焊縫三面圍焊單面焊縫雙面焊縫安裝焊縫相同焊縫標(biāo)注方法表3.1焊縫代號及標(biāo)注方法第十八頁，共一百零九頁。

當(dāng)焊縫分布比較復(fù)雜或用上述注標(biāo)方法不能表達(dá)清楚時(shí)，可在標(biāo)注焊縫代號的同時(shí)，在圖上加?xùn)啪€表示焊縫。

焊縫代號第十九頁，共一百零九頁。3.3對接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.3.1對接焊縫的構(gòu)造對接焊縫常做成帶坡口的形式，故又稱為坡口焊縫。常用的坡口形式有直邊形、單邊V形、V形、U形、K形和X形(如下圖)。做坡口是為了便于施焊，保證焊接質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)焊件的厚度選用不同的坡口形式。坡口形狀參數(shù)有：斜坡角度α、鈍邊厚度p和間隙寬度c。第二十頁，共一百零九頁。

當(dāng)焊件厚度t≤6mm(手工焊)或t≤10mm(埋弧焊)時(shí)，可采用直邊形焊縫；對于一般厚度（t＝8～20mm），可采用單邊V或V形焊縫，斜坡口和間隙c形成一個(gè)焊條能夠施焊的空間，使焊縫易于焊透；對于厚度t＞20mm，應(yīng)采用施焊空間更大的U形、K形或X形焊縫。當(dāng)間隙c過大時(shí)，為防止熔化金屬溢出，可采用墊板，施焊成型后，墊板可除去，也可保留。

對接焊縫的構(gòu)造第二十一頁，共一百零九頁。對接焊縫加引弧板對接焊縫的構(gòu)造

對接焊縫的兩端，常因不能熔透而出現(xiàn)凹形的焊口，焊口處常產(chǎn)生裂紋和應(yīng)力集中。所以，對接焊縫施焊時(shí)應(yīng)采用引弧板消除此影響；在一些特殊情況下無法采用引弧板時(shí)（如T形接頭的對接焊縫），每條焊縫的計(jì)算長度（有效長度）＝焊縫長度－2t(t為較薄焊件的厚度)。第二十二頁，共一百零九頁。

在對接焊縫的拼接處，當(dāng)兩塊焊件的寬度或厚度相差4mm以上時(shí)，應(yīng)分別把較寬或較厚一側(cè)的板件做成不大于1：2.5的斜邊與窄或薄的焊件焊接，使截面緩和過渡以減小應(yīng)力集中。對接焊縫的構(gòu)造第二十三頁，共一百零九頁。3.3.2對接焊縫的強(qiáng)度計(jì)算焊縫的強(qiáng)度計(jì)算，就是計(jì)算焊縫在各種受力情況下，是否滿足強(qiáng)度條件，保證連接的可靠性。（1）對接焊縫受軸心力作用

對接焊縫與軸力垂直時(shí)，焊縫截面的應(yīng)力均勻分布，強(qiáng)度計(jì)算公式為：式中N—

軸心拉力或壓力；

lw—

焊縫的計(jì)算長度。未使用引弧板時(shí)，lw

＝l－2t，采用引弧板時(shí)lw＝l;第二十四頁，共一百零九頁。l—

焊縫的幾何長度；t—

被連接件的較小厚度，在T形連接中為腹板厚度;ftw、

fcw—對接焊縫的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（查附表1.3）。

對于焊縫質(zhì)量等級為一、二級的對接焊縫，其強(qiáng)度與鋼材強(qiáng)度相等。因此，如果連接中使用了引弧板，則鋼材強(qiáng)度滿足焊縫強(qiáng)度就滿足，可不驗(yàn)算。而焊縫質(zhì)量為三級的焊縫，其強(qiáng)度低于鋼材強(qiáng)度，必須按公式（3.1）計(jì)算。對接焊縫的強(qiáng)度計(jì)算第二十五頁，共一百零九頁。

如果直焊縫的強(qiáng)度不滿足，可使用斜對接焊縫（如圖），使焊縫的長度增加，應(yīng)力減小。若取焊縫與與作用力之間的夾角θ≤56.3o（tanθ

≤1.5），斜焊縫的強(qiáng)度不會低于鋼材，可以不驗(yàn)算。第二十六頁，共一百零九頁。（2）對接焊縫受彎矩、剪力共同作用

圖示用對接焊縫連接的工字形截面梁，焊縫受彎矩和剪力共同作用。截面上正應(yīng)力、剪應(yīng)力分布如圖示，在上、下翼緣邊有最大正應(yīng)力，在腹板中部有最大剪應(yīng)力，且都屬于單向應(yīng)力狀態(tài)，可分別驗(yàn)算這兩點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度：第二十七頁，共一百零九頁。

另外，在翼緣與腹板相交處，同時(shí)受較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力，且屬于雙向應(yīng)力狀態(tài)，該點(diǎn)的應(yīng)力按折算應(yīng)力計(jì)算?？紤]到折算應(yīng)力只是在局部出現(xiàn)，焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可提高10％，故得計(jì)算公式如下：M、V共同作用式中Iw——焊縫計(jì)算截面的慣性矩；

Sw——計(jì)算剪應(yīng)力處以外的焊縫計(jì)算截面對中和軸的面積矩；

Ww——焊縫計(jì)算截面的抵抗矩；

tw——腹板厚度；

fvw——對接焊縫的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。式中σ1——腹板與翼緣交接處由彎矩引起的正應(yīng)力；

τ1——腹板與翼緣交接處的剪應(yīng)力；第二十八頁，共一百零九頁。（3）對接焊縫受軸心力、彎矩和剪力共同作用

將軸心力作用產(chǎn)生的正應(yīng)力與彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力疊加。此時(shí)，最大正應(yīng)力在翼緣邊，單向受力；其余部分均受正應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，屬雙向應(yīng)力狀態(tài)，其中翼緣與腹板相交處正應(yīng)力和剪應(yīng)力都較大。需對上述兩點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，計(jì)算公式如下：例3.1

第二十九頁，共一百零九頁。3.4角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.4.1角焊縫的截面形式和受力性能角焊縫截面形式可分為直角角焊縫和斜角角焊縫兩類：其中直角角焊縫的直角邊邊長hf稱為焊腳尺寸；he稱為焊縫的有效厚度，是計(jì)算角焊縫破壞面面積的參數(shù)之一。直角角焊縫及截面形式

第三十頁，共一百零九頁。斜角角焊縫及截面形式

角焊縫的構(gòu)造第三十一頁，共一百零九頁。

角焊縫按受力情況還分為正面角焊縫和側(cè)面角焊縫。焊縫長度方向垂直于力作用方向的角焊縫稱為正面角焊縫(也稱端焊縫)；平行于力作用方向的角焊縫稱為側(cè)面角焊縫（簡稱側(cè)焊縫）。

第三十二頁，共一百零九頁。

側(cè)面角焊縫在外力作用下主要承受剪應(yīng)力，塑性較好，強(qiáng)度較低。在彈性階段，應(yīng)力沿焊縫長度方向分布不均勻，兩端大而中間小，破壞的起點(diǎn)常在焊縫兩端，破壞面約為450斜面，如圖所示。

破壞過程(演示)受力性能第三十三頁，共一百零九頁。34第三十四頁，共一百零九頁。

正面角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)比側(cè)面角焊縫復(fù)雜，截面上受正應(yīng)力及剪應(yīng)力作用，如圖所示。正面角焊縫的強(qiáng)度比側(cè)面角焊縫高，但塑性較差，焊縫根角處應(yīng)力集中突出，常在此處首先出現(xiàn)裂紋而破壞。在直接承受動(dòng)態(tài)荷載的結(jié)構(gòu)中，正面角焊縫的截面常用平坦式，側(cè)面角焊縫的截面常用凹面式。受力性能第三十五頁，共一百零九頁。3.4.2角焊縫的構(gòu)造要求

為了避免因焊腳尺寸過大或過小而引起“燒穿”、“變脆”等缺陷，以及焊縫長度太長或太短而出現(xiàn)焊縫受力不均勻等現(xiàn)象，對角焊縫的焊腳尺寸、焊縫長度還有限制。在計(jì)算角焊縫連接時(shí)，除滿足焊縫的強(qiáng)度條件外，還必須滿足以下構(gòu)造要求：1）最小焊腳尺寸手工焊：埋弧自動(dòng)焊：T型連接的單面角焊縫：式中tmax—較厚焊件的厚度。當(dāng)焊件厚度小于或等于4mm時(shí)，最小焊腳尺寸與焊件厚度相同。第三十六頁，共一百零九頁。構(gòu)造要求2）最大焊腳尺寸

式中t—較薄焊件的厚度。

當(dāng)兩塊鋼板厚度相差懸殊大，用等腰直角角焊縫無法滿足最大、最小焊腳尺寸要求時(shí),可用不等焊腳尺寸，按滿足右圖要求采用（其中t1>t2）。第三十七頁，共一百零九頁。

當(dāng)角焊縫貼著焊件板邊緣施焊時(shí)，為避免產(chǎn)生“咬邊”現(xiàn)象，角焊縫的最大焊腳尺寸應(yīng)符合圖示要求：圓孔或槽孔內(nèi)角焊縫的最大焊腳尺寸為圓孔直徑或槽孔短徑的1／3。3）最小計(jì)算長度

此規(guī)定適合正面角焊縫和側(cè)面角焊縫。構(gòu)造要求第三十八頁，共一百零九頁。計(jì)算長度：4）最大計(jì)算長度

對側(cè)面角焊縫承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載時(shí),

直接承受動(dòng)力荷載時(shí),

在滿足受力和構(gòu)造要求的前提下,從減小焊接熱影響的角度來說,應(yīng)盡可能采用焊腳尺寸小而長度較長的焊縫。小結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，焊縫需滿足：焊腳尺寸：構(gòu)造要求第三十九頁，共一百零九頁。5）其他構(gòu)造要求當(dāng)板件的端部僅有兩側(cè)角焊縫連接時(shí)，為避免應(yīng)力傳遞的過分曲折而使構(gòu)件中應(yīng)力過分不均，應(yīng)使每條側(cè)面角焊縫長度不小于兩側(cè)面角焊縫之間的距離b。構(gòu)造要求第四十頁，共一百零九頁。

同時(shí)，為了避免因焊縫橫向收縮，引起板件拱曲，應(yīng)使側(cè)面角焊縫之間的距離b不宜大于16t(當(dāng)t＞12mm)或190mm(當(dāng)t≤12mm)，t為較薄焊件厚度。若不能滿足上述規(guī)定時(shí)，應(yīng)加正面角焊縫或焊釘。當(dāng)角焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，為避免起、滅弧缺陷發(fā)生在應(yīng)力集中較大的轉(zhuǎn)角處，宜連續(xù)地繞過轉(zhuǎn)角加焊2hf。在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，且不小于25mm，以減小焊縫收縮應(yīng)力和偏心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)對連接的影響構(gòu)造要求第四十一頁，共一百零九頁。

對次要構(gòu)件且焊縫受力很小時(shí)，可采用間斷角焊縫連接。間斷角焊縫長度l必須大于10hf，且不小于50mm；間斷角焊縫的間距e不宜太長，以免因間斷過大，使連接不緊密。對受壓構(gòu)件：間距e

≤15t對受拉構(gòu)件：間距e≤30tt——較薄焊件的厚度。構(gòu)造要求第四十二頁，共一百零九頁。3.4.3直角角焊縫計(jì)算的基本公式

分析計(jì)算直角角焊縫時(shí)，作如下假定和簡化處理:①假定角焊縫破壞面與直角邊的夾角為45o；②不計(jì)焊縫熔入焊件的深度和焊縫表面的弧線高度，偏安全地取破壞面上等腰三角形的高為直角角焊縫的有效厚度he，he

＝0.7hf。有效厚度he與焊縫計(jì)算長度lw的乘積稱為破壞面的有效截面面積。角焊縫計(jì)算簡圖第四十三頁，共一百零九頁。因此有角焊縫的強(qiáng)度條件：式中σ⊥——垂直于焊縫有效截面的正應(yīng)力；

τ⊥——有效截面上垂直焊縫長度方向的剪應(yīng)力；

τ∥——有效截面上平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)力；

ffw——角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由角焊縫的抗剪試驗(yàn)和可靠度分析確定（附表1.3）。相當(dāng)于焊縫單向抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因?yàn)椋簩ⅵ摇?/p>

、τ⊥

、τ∥代人(3.7)式整理得：寫為：基本公式第四十四頁，共一百零九頁。

由式（3.8）還可導(dǎo)出正面角焊縫和側(cè)面角焊縫的計(jì)算公式：1）當(dāng)Ny=0,τf=0，只有軸心力Nx作用，焊縫為正面角焊縫，其計(jì)算公式為：2）當(dāng)Nx=0,σf＝0，只有軸心力Ny作用，焊縫為側(cè)面角焊縫，其計(jì)算公式為：式中：βf——稱為正面角焊縫的強(qiáng)度增大系數(shù)。對承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)中的正面角焊縫，即正面角焊縫的強(qiáng)度是側(cè)面角焊縫強(qiáng)度的1.22倍；對直接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)中的正面角焊縫，考慮其剛度大，韌性差，將其強(qiáng)度降低使用，取βf

=1.0。基本公式第四十五頁，共一百零九頁。lw——角焊縫的計(jì)算長度?？紤]起、落弧的影響，每條焊縫的計(jì)算長度等于實(shí)際長度減去2hf。公式（3.8～3.10）即為角焊縫計(jì)算的基本公式?；竟皆诜治鲞^程中雖作了簡化處理，但計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，滿足角焊縫設(shè)計(jì)計(jì)算要求。3.4.4各種受力狀態(tài)下直角角焊縫連接計(jì)算

(1)軸心力作用下的角焊縫連接計(jì)算①蓋板連接可采用兩側(cè)側(cè)面角焊縫連接，正面角焊縫連接和三面圍焊連接。第四十六頁，共一百零九頁。

只有側(cè)焊縫連接時(shí)，按式(3.10)計(jì)算；只有正面角焊縫連接時(shí)，按式（3.9）計(jì)算；采用三面圍焊時(shí)，先用式（3.7）計(jì)算正面角焊縫所承擔(dān)的軸心力N’，其余軸心力（N-N’）由側(cè)焊縫承擔(dān)，即：連接計(jì)算先計(jì)算：再驗(yàn)算：∑lw表示連接一側(cè)角焊縫計(jì)算長度的總和。②角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接圖示鋼桁架，弦桿和腹桿采用雙角鋼組成的T形截面，腹桿通過節(jié)點(diǎn)板與弦桿連接。第四十七頁，共一百零九頁。角鋼與節(jié)點(diǎn)板的連接采用兩面?zhèn)群笗r(shí)：由平衡條件:解得：式中k1、k2——焊縫內(nèi)力分配系數(shù)；角鋼類型與組合方式不同，內(nèi)力分配系數(shù)不同，按表3.2采用。連接計(jì)算第四十八頁，共一百零九頁。49第四十九頁，共一百零九頁。角鋼類型連接形式肢背k1肢尖k2等肢角鋼0.70.3不等肢角鋼（短肢相并）0.750.25不等肢角鋼（長肢相并）0.650.35表3.2焊縫內(nèi)力分配系數(shù)連接計(jì)算第五十頁，共一百零九頁。

采用三面圍焊的角焊縫時(shí)，先按構(gòu)造要求設(shè)定正面角焊縫的焊腳尺寸hf3，并求出正面角焊縫所承擔(dān)的力N3為：再根據(jù)平衡條件（∑M=0）可得：連接計(jì)算第五十一頁，共一百零九頁。

采用L形圍焊時(shí)，令(3.13)式中的N2＝0，得:連接計(jì)算第五十二頁，共一百零九頁。

和對接焊縫情況類似，考慮施焊時(shí)起、滅弧在焊縫端部產(chǎn)生的缺陷，取焊縫長度＝計(jì)算長度＋2hf。采用兩邊側(cè)面角焊縫連接并在角鋼端部連續(xù)地繞角加焊2hf時(shí)，加焊的2hf可抵消起滅弧的影響，取焊縫長度＝計(jì)算長度對于三面圍焊，要求在角鋼端部轉(zhuǎn)角處連續(xù)施焊，故每條側(cè)焊縫只有一端受起、滅弧的影響，取側(cè)面角焊縫的長度＝計(jì)算長度＋hf

。例3.2

例3.3

連接計(jì)算第五十三頁，共一百零九頁。(2)彎矩、剪力及軸力共同作用的角焊縫連接計(jì)算連接計(jì)算第五十四頁，共一百零九頁。

根據(jù)剪力V、軸力N和彎距M的作用方向,確定角焊縫有效截面上的危險(xiǎn)點(diǎn)為A,按式(3.8)驗(yàn)算，即：

設(shè)計(jì)時(shí)，一般已知角焊縫的實(shí)際長度，這時(shí)可按構(gòu)造要求選焊腳尺寸hf

，再按式（3.16）驗(yàn)算危險(xiǎn)點(diǎn)的強(qiáng)度。如不滿足，可調(diào)整hf

(如果hf

＞hf.max時(shí)，需調(diào)整焊縫長度)，直到計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度條件為止。例3.4

連接計(jì)算第五十五頁，共一百零九頁。(3)扭矩、剪力及軸力共同作用下的角焊縫計(jì)算

在扭矩作用下，焊縫上及點(diǎn)剪應(yīng)力最大，設(shè)點(diǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力，為便于分析，將其分解為垂直于焊縫長度的應(yīng)力和平行于焊縫長度的應(yīng)力，其中：連接計(jì)算第五十六頁，共一百零九頁。式中：I0——焊縫計(jì)算截面的極慣性矩。設(shè)在N、V作用下焊縫的應(yīng)力均勻分布,則N、V作用產(chǎn)生的應(yīng)力表示為：

根據(jù)扭矩T、剪力V和軸力N作用方向，可確定角焊縫上A點(diǎn)的應(yīng)力最大，且為平面應(yīng)力狀態(tài)，由式(3.8)得強(qiáng)度計(jì)算公式為：

按上述方法計(jì)算時(shí)，僅A點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，顯然偏于保守。例3.5

連接計(jì)算第五十七頁，共一百零九頁。3.4.5未焊透的對接焊縫

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)板件較厚，而板件間連接受力又很小，若采用3.3節(jié)所述的對接焊縫（焊透），焊縫強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。此時(shí)可采用不焊透的對接焊縫。連接計(jì)算第五十八頁，共一百零九頁。

在設(shè)計(jì)圖紙上必須注明坡口型式（分V型和U型）及尺寸。由圖可知，未焊透的對接焊縫實(shí)際上可視為坡口內(nèi)焊接的角焊縫，故計(jì)算方法與直角角焊縫相同，用(3.8)～(3.10)式計(jì)算,偏安全地取βf

=1.0，其he與坡口類型和坡口角度有關(guān)。V型坡口：當(dāng)α≥600時(shí),he＝s。當(dāng)α

<600時(shí),he

＝0.75s(主要是考慮到根部不易焊滿而降低)。U型坡口he

＝s。s——坡口根部至焊縫表面(不考慮余高)的最短距離；α——V型坡口角度。另外，不焊透的對接焊縫的有效厚度he不得小于，t是坡口所在焊件的較大厚度(mm)。當(dāng)熔合線處焊縫截面邊長等于或接近于最短距離s時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算焊縫在熔合線上的抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0.9。連接計(jì)算第五十九頁，共一百零九頁。3.5焊接應(yīng)力和焊接變形3.5.1焊接應(yīng)力的成因和分類

鋼結(jié)構(gòu)中的焊接過程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻過程，由于不均勻的溫度場，使主體金屬的膨脹和收縮不均勻。導(dǎo)致在主體金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，通常稱這種內(nèi)應(yīng)力為焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力的成因可用右圖所示的高溫加熱模型說明。

第六十頁，共一百零九頁。61第六十一頁，共一百零九頁。

由于焊接溫度在空間任意方向傳遞，故產(chǎn)生的焊接應(yīng)力也屬于三維應(yīng)力狀態(tài)，分為縱向焊接應(yīng)力（與焊縫長度方向平行）、橫向焊接應(yīng)力（與焊縫長度方向垂直）及沿焊縫厚度方向的焊接應(yīng)力。（1）縱向焊接應(yīng)力焊接應(yīng)力第六十二頁，共一百零九頁。（2）橫向焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因有兩個(gè)方面：其一是焊縫的縱向收縮使兩塊鋼板有相向彎曲的趨勢，但焊縫已將其連成整體，因而在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，兩端則產(chǎn)生壓應(yīng)力。其二是因?yàn)槭┖笗r(shí)，先焊的焊縫逐步冷卻結(jié)硬，具有一定的強(qiáng)度，并阻止后續(xù)焊縫的橫向膨脹，使后續(xù)焊縫產(chǎn)生橫向的熱塑壓縮。焊接應(yīng)力第六十三頁，共一百零九頁。（3）厚度方向的焊接應(yīng)力厚度方向的焊接應(yīng)力是厚鋼板的對接焊縫連接中，施焊時(shí)需多層施焊，受到加熱和冷卻不均勻而產(chǎn)生的。焊縫成形時(shí)，與空氣接觸的焊縫表面先冷卻結(jié)硬，中間部分后冷卻，沿厚度方向的收縮受到外面已冷卻焊縫的約束，因而在焊縫內(nèi)部形成沿厚度方向的拉應(yīng)力，外部為壓應(yīng)力。當(dāng)鋼材厚度t≤20mm時(shí)，厚度方向焊接應(yīng)力較小，可忽略不計(jì)；但t≥50mm時(shí)，厚度方向焊接應(yīng)力可達(dá)50N／mm2。

由上可見，如果縱、橫、厚三個(gè)方向的焊接應(yīng)力在焊縫某區(qū)域形成三向拉應(yīng)力場，將大大降低焊縫的塑性。焊接應(yīng)力第六十四頁，共一百零九頁。3.5.2焊接變形

在焊接過程中，由于不均勻加熱和冷卻收縮，勢必使構(gòu)件產(chǎn)生局部鼓曲、歪曲、彎曲或扭轉(zhuǎn)等。焊接變形的基本形式有縱、橫向收縮，角變形，彎曲變形，扭曲變形和波浪形等。實(shí)際的焊接變形常常是幾種變形的組合。角變形第六十五頁，共一百零九頁。3.5.3焊接應(yīng)力和焊接變形對結(jié)構(gòu)工作的影響（1）焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響1)對靜力強(qiáng)度的影響：焊接應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度。2)對構(gòu)件剛度的影響：焊接應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度3)對構(gòu)件穩(wěn)定性的影響：焊接應(yīng)力將降低構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。4)對疲勞強(qiáng)度的影響：焊接應(yīng)力對直接承受動(dòng)力荷載的焊接結(jié)構(gòu)不利。5)對低溫冷脆的影響：焊接應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低溫脆斷。（2）焊接變形的影響

會導(dǎo)致構(gòu)件的安裝困難，有可能改變構(gòu)件的受力方式。例如軸心壓桿，若焊接時(shí)產(chǎn)生了彎曲變形，就變成了壓彎構(gòu)件，其強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力將受影響。第六十六頁，共一百零九頁。焊縫的合理構(gòu)造及減小焊接應(yīng)力、變形的措施（1）焊縫的合理構(gòu)造1)焊縫的焊腳尺寸和焊縫長度應(yīng)符合構(gòu)造要求，宜采用細(xì)長焊縫，不用粗短焊縫。施焊時(shí)不得隨意加大焊縫的焊腳尺寸。2)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮焊縫是否有施焊空間，并盡量避免仰焊。3)焊縫布置盡可能對稱，以減少焊接變形,圖(a)。4)不宜采用帶銳角的板料做肋板，板料的銳角應(yīng)切掉，圖(b)，以免焊接時(shí)銳角處板材被燒損，影響材質(zhì)。5)焊縫不宜過分集中，避免產(chǎn)生過大的焊接應(yīng)力甚至產(chǎn)生裂紋，圖(c)。6)當(dāng)拉力垂直于受力板面時(shí)，要考慮鋼板的分層破壞，圖(d)。7)盡量避免焊縫相交，可將次要焊縫中斷，保證主焊縫連續(xù)，圖(e)。第六十七頁，共一百零九頁。第六十八頁，共一百零九頁。（2）減小焊接應(yīng)力、變形的措施措施預(yù)熱法

錘擊法退火法合理的焊接次序反變形法

第六十九頁，共一百零九頁。3.6螺栓連接的構(gòu)造要求3.6.1螺栓連接形式螺栓連接的基本形式有蓋板對接、T形連接和搭接，如圖3.49所示。第七十頁，共一百零九頁。3.6.2螺栓直徑與螺栓孔孔徑要求I類孔：加工精度達(dá)到H12，孔壁表面粗糙度不大于12.5mm，制作費(fèi)工，成本高；螺桿直徑比螺栓孔直徑小0.3mm。

II類孔：孔壁表面粗糙度不大于25mm,允許加工偏差較大，但成本低。螺桿直徑比螺栓孔徑小1.0～1.5mm。

摩擦型連接的孔徑比螺栓公稱直徑d大1.5～2.0mm；承壓型連接的孔徑比螺栓公稱直徑d大1.0～1.5mm。

構(gòu)造要求第七十一頁，共一百零九頁。3.6.3螺栓孔的排列螺栓的排列形式應(yīng)簡單、整齊、緊湊，排列方法有并列和錯(cuò)列兩種。構(gòu)造要求第七十二頁，共一百零九頁。

螺孔在構(gòu)件上的排列應(yīng)考慮以下要求：1）受力要求：受力方向的端矩太小，構(gòu)件端部被剪斷；受拉構(gòu)件中距太小，拉斷；對受壓構(gòu)件沿外力方向的中距過大，構(gòu)件易發(fā)生張口或鼓曲現(xiàn)象；2）構(gòu)造要求：邊距和中距不宜過大，中距過大，連接板件間不密實(shí)，潮氣容易侵入，造成板件銹蝕；3）施工要求：留有足夠的空間便于扳手轉(zhuǎn)動(dòng)。構(gòu)造要求板端沖剪破壞（演示）第七十三頁，共一百零九頁。74第七十四頁，共一百零九頁。根據(jù)以上要求，規(guī)范規(guī)定了螺孔的允許距離：表3.5螺栓孔和鉚釘孔的最大、最小容許距離（mm）；表3.6角鋼上螺栓或鉚釘線距表（mm）表3.7工字鋼和槽鋼腹板上的螺栓線距表（mm）表3.8工字鋼和槽鋼翼緣上的螺栓線距表（mm）

構(gòu)造要求第七十五頁，共一百零九頁。3.7螺栓的工作性能及承載力

螺栓連接中，螺栓的受力形式有三種情況：①螺栓只受剪力作用；②螺栓只受拉力作用；③螺栓受剪力、拉力共同作用。拉剪剪拉第七十六頁，共一百零九頁。3.7.1受剪螺栓的工作性能及承載力(1)受剪螺栓的工作性能

考察一個(gè)螺栓從受剪到剪斷，受剪面上的平均剪應(yīng)力和連接的變形間的關(guān)系曲線如圖3.54所示，可劃分為以下四個(gè)階段：1）摩擦傳力的彈性階段；2）滑移階段；3）螺桿受剪面?zhèn)髁Φ膹椥噪A段；4）彈塑性階段。

第七十七頁，共一百零九頁。（2）普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力普通螺栓或承壓型高強(qiáng)度螺栓受剪時(shí)，當(dāng)螺桿較細(xì)，板件較厚，螺桿可能被剪壞（演示）；為計(jì)算方便，假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力均勻分布，一個(gè)剪力螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：式中：nv

——受剪面數(shù)目，單剪＝1；雙剪＝2。

d——螺栓桿公稱直徑；

——螺栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

第七十八頁，共一百零九頁。79第七十九頁，共一百零九頁。

螺桿受剪的同時(shí)，孔壁與螺桿柱面發(fā)生擠壓，擠壓應(yīng)力分布在半圓柱面上。當(dāng)螺桿較粗，板件相對較薄，薄板的孔壁可能發(fā)生擠壓破壞。承壓計(jì)算時(shí)，假定承壓面為半圓柱面的投影面，即螺栓的直徑面d×t，且壓應(yīng)力均勻分布。第八十頁，共一百零九頁。81第八十一頁，共一百零九頁。82第八十二頁，共一百零九頁。83第八十三頁，共一百零九頁。

按上述簡化方法，得一個(gè)剪力螺栓的抗壓承載力設(shè)計(jì)值為：式中——

在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度；

——

螺栓的承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取決于構(gòu)件材料。一般情況下，一個(gè)螺栓的抗剪承載力和抗壓承載力不同，那一種承載力較小，螺栓就發(fā)生那一種破壞。因此，一個(gè)受剪螺栓的承載力應(yīng)取上兩式中的較小值。即：

min[,]第八十四頁，共一百零九頁。85（3）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力與普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓不同，摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓抗剪不是通過螺栓桿受剪，而是通過緊固螺帽在螺栓桿內(nèi)產(chǎn)生很大的預(yù)拉力使被連接件壓緊獲得摩擦力，由摩擦力抵抗剪力。因此，要確定摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力（摩擦力），必須先確定高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力。綜合考慮各種影響因素后，高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力值由下式計(jì)算：

P＝0.9×0.9×0.9×fu×Ae／1.2式中fu

——螺栓經(jīng)熱處理后的屈服強(qiáng)度；

Ae——螺紋處的有效面積，按附表1.6取用。常用高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力值列于表3.6，應(yīng)用中可直接查表。

第八十五頁，共一百零九頁。

設(shè)被連接板間接觸表面的抗滑移系數(shù)為m，傳力的摩擦面數(shù)目為nf。則一個(gè)摩擦型連接高強(qiáng)度螺拴的受剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值＝nfmp

；除以抗力分項(xiàng)系數(shù)1.111，得一個(gè)摩擦型連接高強(qiáng)度螺拴的受剪承載力設(shè)計(jì)值：抗滑移系數(shù)m按表3.7采用。小結(jié)：螺栓的抗剪承載力承壓型連接：min[,]摩擦型連接：第八十六頁，共一百零九頁。3.7.2受拉螺栓的承載力(1)普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓受拉承載力螺栓桿受到沿桿軸方向的拉力作用，受拉螺栓的破壞形式為螺栓桿被拉斷。因此，一個(gè)普通螺栓或承壓型連接高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值為：

式中de——螺栓在螺紋處的有效直徑。螺栓的有效直徑或有效面積可查附表1.6；

——螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。第八十七頁，共一百零九頁。88

采用雙角鋼構(gòu)成的T形連接來傳遞拉力時(shí)，通常角鋼的剛度不大，受拉后，垂直于拉力作用方向的角鋼肢會發(fā)生較大的變形，并起杠桿作用，在該肢外側(cè)端部產(chǎn)生撬力Q（演示）。因此，螺栓實(shí)際所受拉力＝N+Q，由于確定Q值比較復(fù)雜，在計(jì)算中不計(jì)Q力，而是采用降低螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的方法解決，即?。徊⒉扇?gòu)造措施加強(qiáng)角鋼的剛度。第八十八頁，共一百零九頁。89第八十九頁，共一百零九頁。902）摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓受拉承載力

由于高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力作用，被連接構(gòu)件間在外力作用前已經(jīng)有較大的擠壓力。當(dāng)連接受拉時(shí)，構(gòu)件間有松開的趨勢，擠壓力逐步變小。經(jīng)分析，當(dāng)構(gòu)件剛好被拉開時(shí)

Pf＝1.1P

為了避免外拉力大于預(yù)拉力而使板件松開，《規(guī)范》規(guī)定：每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力設(shè)計(jì)值：＝0.8P

第九十頁，共一百零九頁。913.7.3同時(shí)承受剪力和拉力作用的螺栓承載力螺栓同時(shí)承受剪力和拉力作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺栓在力與拉力共同作用時(shí)，承載力符合圓曲線相關(guān)關(guān)系，計(jì)算式為:同時(shí)要求普通螺栓：承壓型連接高強(qiáng)度螺栓：摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓：

Nt≤0.8P第九十一頁，共一百零九頁。92

其中使用摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓時(shí)拉力作用使鋼板間的壓力減小，鋼板間的摩擦力就減小，故拉力的作用降低了螺栓的抗剪能力。另外，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，板件接觸面上的抗滑移系數(shù)還因板件間壓力的減小而降低。第九十二頁，共一百零九頁。933.8螺栓連接的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算設(shè)計(jì)螺栓連接的基本步驟是：

1)根據(jù)連接要求選擇螺栓類型和排列方式；

2)初選螺栓的公稱直徑，按構(gòu)造要求布置螺栓孔；

3)根據(jù)連接承受的荷載，計(jì)算螺栓群中各螺栓的受力情況；

4)確定所需的螺栓數(shù)或驗(yàn)算螺栓的承載力。若受力構(gòu)件的截面有削弱，還需對構(gòu)件截面進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。由于螺栓連接的形式不同，螺栓的類型不同，所受的荷載形式不同，螺栓的受力情況也不同。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需對各種情況作具體分析。第九十三頁，共一百零九頁。943.8.1螺栓群均勻受剪如圖所示雙蓋板螺栓連接，螺栓群在軸力作用下受剪。

試驗(yàn)證明，沿連接的長度方向分布的各螺栓，其所受剪力并不均勻，兩端大，中間小。當(dāng)l1≤15d0時(shí)，考慮連接進(jìn)入彈塑性階段后，內(nèi)力發(fā)生重分布，螺栓群中各螺栓受力逐漸接近，可認(rèn)為軸力N由每個(gè)螺栓平均分擔(dān)。第九十四頁，共一百零九頁。95≥當(dāng)l1≤15d0時(shí)：≥連接所需的螺栓數(shù)目n為：h——抗剪承載力折減系數(shù)，根據(jù)情況取值。確定了螺栓數(shù)目，螺栓設(shè)計(jì)即完成。但對于圖示連接形式，螺栓孔削弱了受拉鋼板的截面面積，因此還需對板件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，強(qiáng)度計(jì)算公式為：板件強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)要注意所采用的螺栓類型、板件的破壞面第九十五頁，共一百零九頁。位置、破壞面的內(nèi)力和凈截面面積。a、普通螺栓和承壓型連接高強(qiáng)度螺栓1-1截面：An＝t（b－n1d0）2-2截面：An＝第九十六頁，共一百零九頁。97b、摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓采用摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓時(shí)，由于摩擦型連接是靠接觸面上的摩擦阻力傳遞剪力，有部分摩擦力在孔前傳遞，因而構(gòu)件凈截面上的內(nèi)力與普通螺栓連接有