第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接1焊縫連接

第3章鋼結(jié)構(gòu)的連接鋼結(jié)構(gòu)是由鋼構(gòu)件經(jīng)連接而成的結(jié)構(gòu),因此連接在鋼結(jié)構(gòu)總占有很重要的位置,它直接關(guān)系鋼結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)。在受力過程中，連接應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，被連接構(gòu)件之間應(yīng)保持正確的相互位置。一、鋼結(jié)構(gòu)連接的基本方法焊接連接連接方式備注缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單省工省料施工快速連接的密閉性好受材料和操作的影響大對(duì)鋼材材性要求較高最基本最廣泛施工簡(jiǎn)單裝拆方便費(fèi)料開孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高費(fèi)料費(fèi)工很少應(yīng)用塑性韌性好動(dòng)力性能好傳力可靠螺栓連接鉚釘連接二、各連接方式的特點(diǎn)3.1焊接方法和焊接連接形式3.2角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.3

對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.4

焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形3.5螺栓連接的構(gòu)造3.6C級(jí)普通螺栓連接的工作性能和計(jì)算3.7高強(qiáng)螺栓連接的工作性能和計(jì)算

手工電弧焊1.電弧焊

焊機(jī)導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護(hù)氣體焊件電弧3.1

焊接方法和焊接連接形式一、焊接方法原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

手工電弧焊Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--5518)Q345鋼選擇E50型焊條(E5000--5048)B、焊條的表示方法第1、2位數(shù)字為熔融金屬的最小抗拉強(qiáng)度（kgf/mm2)第3、4適用焊接位置、電流及藥皮的類型。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊條。Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)

A、焊條的選擇缺點(diǎn)：質(zhì)量波動(dòng)大，要求焊工等級(jí)高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。優(yōu)點(diǎn)：方便，特別在高空和野外作業(yè)，小型焊接；C、優(yōu)、缺點(diǎn)

自動(dòng)、半自動(dòng)埋弧焊、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動(dòng)焊A、焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強(qiáng)度。B、優(yōu)、缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，焊接速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊接質(zhì)量好。缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，施工位置受限等。2.氣體保護(hù)焊焊接速度快，熔化深度大

可手工焊，也可自動(dòng)化操作

目前工廠很常用的焊接方法

室外施焊要有避風(fēng)措施，防止氣孔、焊接缺陷二、焊縫連接的形式

1、按焊縫的構(gòu)造分角焊縫被連接板件2對(duì)接焊縫對(duì)接焊縫被連接板件1對(duì)接焊縫,角焊縫2、按兩焊件的相對(duì)位置分

3、對(duì)接焊縫按受力與焊縫方向分a）直縫：作用力方向與焊縫方向正交b）斜縫：作用力方向與焊縫方向斜交

4、角焊縫按受力與焊縫方向分a）端縫：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向垂直b）側(cè)縫：作用力方向與焊縫長(zhǎng)度方向平行c)斜縫:作用力與焊縫長(zhǎng)度方向斜交角焊縫的種類Na)Nb)θNc)5、按焊縫連續(xù)性a）連續(xù)焊縫：受力較好b）斷續(xù)焊縫：易發(fā)生應(yīng)力集中

6、按施工位置俯焊、立焊、橫焊、仰焊其中以俯焊施工位置最好，所以焊縫質(zhì)量也最好，仰焊最差。a)焊條俯焊d)仰焊b)立焊c)橫焊三、焊縫的缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)1.焊縫缺陷2.焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)四、焊縫代號(hào)作用表明焊縫型式、尺寸和輔助要求表示方法

由圖形符號(hào)、輔助符號(hào)和引出線等部分組成一、角焊縫的形式和構(gòu)造1.分類一正面角焊縫（端縫）側(cè)面角焊縫（側(cè)縫）斜向角焊縫3.2

角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算直角角焊縫斜角角焊縫2.分類二一般采用（a）。但（a）應(yīng)力集中較嚴(yán)重，在承受動(dòng)力荷載時(shí)采用（b）、（c）。直角角焊縫hehfhf(a)普通型hehf1.5hf(b)平坦型hehfhf(c)凹面型ab45°BACEDhfhfhe圖中

hf—焊腳尺寸（焊縫根角至焊縫外邊的尺寸），

he—焊縫有效厚度。并有

he=0.7hf，

he—總是450斜面上的最小高度。直角角焊縫斜角角焊縫

主要用于鋼管連接中我們主要討論直角焊縫（d）斜銳角焊縫d)e)（e）斜鈍角焊縫f)（f）斜凹面角焊縫

1）最大焊腳尺寸hf,max為了避免焊縫處局部過熱，減小焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，hf,max應(yīng)滿足以下要求:

hf,max≤1.2tmin（鋼管結(jié)構(gòu)除外）式中:tmin---較薄焊件厚度。t1tminhf對(duì)于板件邊緣的角焊縫,則應(yīng)滿足以下要求：

當(dāng)t1≤6mm時(shí)，hf,max≤t1；當(dāng)t1>6mm時(shí)，hf,max≤t1-(1~2)mm；hftmint13.角焊縫的構(gòu)造要求2）最小焊腳尺寸hf,min

為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

式中:tmax----較厚焊件厚度

另:對(duì)于埋弧自動(dòng)焊hf,min可減去1mm;

對(duì)于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當(dāng)tmax≤4mm時(shí),hf,min=t3）側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度受靜力荷載受動(dòng)力荷載

側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長(zhǎng)度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，應(yīng)力集中系數(shù)越大。如果焊縫長(zhǎng)度不是太大，焊縫兩端達(dá)到屈服強(qiáng)度后，繼續(xù)加載，應(yīng)力會(huì)漸趨均勻；當(dāng)焊縫長(zhǎng)度達(dá)到一定的長(zhǎng)度后，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：4）側(cè)面角焊縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度

對(duì)于焊腳尺寸大而長(zhǎng)度小的焊縫，焊件局部加熱嚴(yán)重且起落弧坑相距太近，以及可能產(chǎn)生缺陷，使焊縫不可靠。故為了使焊縫具有一定的承載力，規(guī)范規(guī)定：5）搭接連接的構(gòu)造要求

當(dāng)板件端部?jī)H采用兩條側(cè)面角焊縫連接時(shí)：

A、為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，規(guī)范規(guī)定：B、為了避免橫向收縮時(shí)引起板件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)定：t1t2bD.在搭接連接中，搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚度

的5倍，且不得小于25mm。

C.當(dāng)角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hf

焊縫是一塊體，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)把直角三角形以外的部分去掉，按有效厚度he確定最危險(xiǎn)截面（順著焊縫方向的平面），通常稱為有效截面，對(duì)有效截面進(jìn)行驗(yàn)算。hfdcbadcbahehfhfhfhe有效截面——焊縫兩焊腳面交線（aa）與有效厚度he組成的截面（下圖中adda）。二、角焊縫的工作性能及強(qiáng)度（1）側(cè)焊縫

這些剪應(yīng)力實(shí)際分布不均。試驗(yàn)表明兩頭大中間小?？紤]到出現(xiàn)塑性后應(yīng)力重分布，規(guī)范規(guī)定在焊縫長(zhǎng)度范圍內(nèi)按均勻分布計(jì)算。NNN

N

有效截面上只有與焊縫長(zhǎng)度方向平行的剪應(yīng)力

。（2）端（正面）焊縫N/2B2NAB1N/2abcN/2B2NAN/2N/2⊥⊥有效截面上與焊縫長(zhǎng)度方向垂直的正應(yīng)力⊥和剪應(yīng)力⊥。正面角焊縫剛度大，破壞時(shí)變形小，強(qiáng)度比側(cè)縫高，但塑性變形能力比側(cè)縫小，常呈脆性破壞。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，強(qiáng)度條件計(jì)算：ffw—角焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。=/=/∥=代入上式得(f)2僅側(cè)面角焊縫（圖a）僅正面角焊縫（圖b）1.軸心力（拉力、壓力和剪力）作用下角焊縫的計(jì)算

三、角焊縫的計(jì)算三面圍焊時(shí)（圖c）先計(jì)算計(jì)算正面角焊縫受力N1，剩余的N－

N1由側(cè)面角焊縫承擔(dān)。菱形拼接板（圖d）簡(jiǎn)化計(jì)算不計(jì)正面及斜焊縫的f：A、僅采用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw22.軸心力作用下，角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接的角焊縫計(jì)算

對(duì)于校核問題:對(duì)于設(shè)計(jì)問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2對(duì)于校核問題:對(duì)于設(shè)計(jì)問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形圍焊對(duì)于設(shè)計(jì)問題:Ne1e2bN1xxN3lw1a)形心MNVo1有效截面AABB焊縫受M、V、N作用3.彎矩、剪力、軸力共同作用下的頂接連接角焊縫b)1VNM剪力V與焊縫軸線平行，在有效截面上產(chǎn)生均勻分布剪應(yīng)力。

軸力N與焊縫軸線垂直，形成垂直于焊縫方向的均勻分布應(yīng)力fNa)形心MNVo1有效截面c)XXlwf=在M作用下，有效截面上產(chǎn)生垂直于焊縫方向且按三角形分布的應(yīng)力fMa)形心MNVo1有效截面AABBc)XXlw有效截面b)1

We—角焊縫有效截面繞x軸的抵抗矩在1點(diǎn)處，有垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的最大應(yīng)力f，且

角焊縫計(jì)算的一般公式牛腿在彎矩、剪力共同作用下的角焊縫連接4.承受扭矩剪力軸心力作用三面圍焊角焊縫計(jì)算按彈性理論假定：被連接件是絕對(duì)剛性的，它有繞焊縫形心O旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而角焊縫本身是彈性的；角焊縫群上任一點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長(zhǎng)度r成正比。

扭矩T引起的剪應(yīng)力最大在A點(diǎn)最大，A點(diǎn)為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)NC=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）3.4

對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算一、對(duì)接焊縫的構(gòu)造應(yīng)用：板厚為tt≤10mm

時(shí)，用a）、b)、

工字形

t=10～20mm時(shí)，用c）、d)單邊V、V字形

t＞20mm時(shí)，用e)、f)

X、K、U字形墊板墊板墊板加墊板的坡口為防止熔化金屬流淌必要時(shí)可在坡口下加墊板（1）起落弧處易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工復(fù)雜，除承受動(dòng)力荷載外，一般不用，計(jì)算時(shí)將焊縫長(zhǎng)度兩端各減去t(t為較薄焊件的厚度)。對(duì)接焊縫的構(gòu)造處理引弧板b（2）變厚度板或變寬度板對(duì)接，在板的一面或兩面切成坡度不大于1：2.5的斜面，避免應(yīng)力集中。對(duì)接焊縫分為：焊透和部分焊透兩種；動(dòng)荷載作用下部分焊透的對(duì)接焊縫不宜用做垂直受力方向的連接焊縫；對(duì)于靜載作用下的一級(jí)和二級(jí)對(duì)接焊縫其強(qiáng)度可視為與母材相同，不與計(jì)算。三級(jí)焊縫需進(jìn)行計(jì)算；對(duì)接焊縫可視作焊件的一部分，故其計(jì)算方法與構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算相同。二、對(duì)接焊縫的計(jì)算NNtN（1）直焊縫

1、受軸心力作用的對(duì)接焊縫

（2）斜焊縫

2、受彎矩和剪力共同作用的對(duì)接焊縫

MMVVlwtlwt驗(yàn)算截面

分別驗(yàn)算、（1）矩形截面（2）工字形截面MMVV驗(yàn)算截面.1

問題特點(diǎn)：在腹板和翼緣連接處（1點(diǎn)），、均較大。還要用最大折算應(yīng)力進(jìn)行檢算。

1、1—受拉區(qū)1點(diǎn)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力。系數(shù)1.1考慮折算應(yīng)力發(fā)生在焊縫局部，設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高10%。

折算應(yīng)力驗(yàn)算公式：規(guī)范規(guī)定：在對(duì)接接頭和T形接頭中，承受彎矩和剪力共同作用的對(duì)接焊縫或角接組合焊縫，其正應(yīng)力和剪應(yīng)力應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算，但在同時(shí)受有較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力處，應(yīng)計(jì)算折算應(yīng)力。與構(gòu)件母材強(qiáng)度計(jì)算方法相同采用一般的材料力學(xué)、彈性力學(xué)計(jì)算公式一級(jí)、二級(jí)檢驗(yàn)的對(duì)接焊縫強(qiáng)度可與母材等強(qiáng)，可不驗(yàn)算小結(jié)§3.4

焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘余應(yīng)力的分類及其產(chǎn)生的原因

1.焊接殘余應(yīng)力的分類

A、縱向焊接殘余應(yīng)力—沿焊縫長(zhǎng)度方向;B、橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長(zhǎng)度方向且平行于構(gòu)件表面;C、沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長(zhǎng)度方向且垂直于構(gòu)件表面。

2.焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）縱向焊接殘余應(yīng)力焊接過程是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫處可達(dá)1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時(shí)被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++（2）橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:1、焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢(shì)，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時(shí)已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為，橫向焊接殘余應(yīng)力。(a)焊縫縱向收縮時(shí)的變形趨勢(shì)-+-(b)焊縫縱向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時(shí)產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時(shí)沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力σx,σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力σz，這三種應(yīng)力形成同號(hào)(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響1、對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即N=Ny時(shí)：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度沒有影