钢结构的连接PPT课件.ppt
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1、第一节 钢结构连接的种类和特点 第二节 对接焊缝及其连接 第三节 角焊缝及其连接 第四节 焊接应力和焊接变形 第五节 普通螺栓连接 第六节 高强度螺栓连接 第七节 连接的疲劳计算,一、钢结构的连接方法,连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构件,或将若干构件组合成整体结构,以保证其共同工作。,钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接(铆钉连接)两种。,焊接连接 螺栓连接 铆钉连接,3,4,5,二、焊缝连接,1.(1)优点:不削弱构件截面,节约钢材; 可焊接成任何形状的构件,焊接间可直接焊 接,一般不需要其他的连接件,构件简单,制造省工; 连接的密封性好,刚度大; 易于采用自动化,生产效率高
2、。,(2)缺点:位于焊缝附近热影响区的材质有些变脆; 在焊件中产生焊接残余应力和残余变形,对结构 工作有不利的影响; 焊接结构对裂纹很敏感,一旦局部发生裂纹便有可能迅速扩展到整个截面,尤其在低温下易发生脆断。,(1)手工电弧焊,2. 常用的电弧焊的基本原理和设备,原理:利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。,包括手工电弧焊、自动埋弧电弧焊和半自动埋弧电弧焊。,(2)优点:设备简单,操作灵活方便,适于任意空间位置的焊接,特别适于焊接短焊缝。,(3)缺点:生产效率低,劳动强度大,焊接质量取决于焊工的精神状态与技术水平,质量波动大。,(1)原理:埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。,(3)
3、缺点:装配精度要求高,设备投资大,施工位置受限等。,(4)焊丝的选择:埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配,如:Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn等。,E表示焊条(Electrode) 前两位数字为熔敷金属(焊缝金属)的最小抗拉强度(N/mm2) 第三位数字表示适用于哪些焊接位置,0与1表示焊条适用于全位置焊接(平、立、仰、横),2表示焊条适用于平焊及平角焊,4表示焊条适用于向下立焊; 第三位与第四位组合时,表示焊接电流种类及药皮类型。 对于低合金钢焊条,短画线后面的符号表示熔敷金属化学成分分类代号(GB/T 5117-1995及GB/T
4、5118-1995)。,3、焊条的表示方法:E后面加4个数字,焊条的选择,焊条应与焊件钢材相适应;不同钢种的钢材焊接,宜采用与低强度钢材相适应的焊条。如:,Q390、Q420钢E55型焊条(E5500-5518),Q345钢E50型焊条(E5000-5048),Q235钢E43型焊条(E4300-E4328),Question:Q235钢与Q345钢焊接,选择哪种类型焊条?,Page 16,4. 焊缝的方位和要求,焊缝按施位置,图3-7 焊缝按施焊位置分类 (a) 平焊;(b) 横焊;(c) 立焊;(d) 仰焊,在钢结构施工图上要用焊缝代号标明焊缝形式、尺寸和辅助要求。 焊缝代号主要由图形符号
5、、辅助符号和引出线等部分组成。 具体有关代号规定和详细说明,可参照建筑结构制图标准(GB/T 501052001)和焊接符号表示法(GB 32488)。 具体参见表3.1,P44页。,Page 18,6、 焊缝缺陷,焊缝缺陷,图3-8 焊缝缺陷 裂纹;(b) 焊瘤;(c) 烧穿;(d) 弧坑;(e) 气孔;(f) 夹渣;(g) 咬肉; (h) 未熔合;(i) 未焊透,焊缝质量检验等级除对外观和尺寸进行检查外,还应进行焊缝内部质量的检验。当采用超声波探伤时,检验等级分为A、B、C三级;当采用射线探伤时,检验等级分为A、AB和B三级。 根据对焊缝质量检验等级的要求不同,把焊缝质量分为一、二、三级。
6、每个等级的检验内容不一样。 问题:哪种等级的焊缝只进行外观检查?,1.普通螺栓连接 根据对孔壁质量要求,将螺栓孔分为两类:类孔(A、B级)和类孔(C级)。 类孔的螺栓连接,其抗剪和承压强度比类孔的高,但是类孔的制造费工,成本高。 A、B级螺栓孔对制孔的要求比较高,但安装困难,成本高,一般很少使用;C级螺栓孔制孔粗糙、不精确,但安装方便,目前在钢结构中普遍使用。,高强度螺栓连接传递剪力的机理和普通螺栓连接不同,普通螺栓是靠螺栓抗剪和承压来传递剪力的,而高强度螺栓连接首先是靠被连接板件间的强大摩擦阻力传递剪力的。 安装时通过特别的板手,以较大的扭矩上紧螺帽,使螺杆产生很大的预拉力。高强螺栓的预拉力
7、把被连接的部件夹紧,使部件的接触面间产生很大的磨擦力,外力通过摩擦力来传递。这种连接称为高强度螺栓摩擦型连接。,螺栓的性能统一用螺栓的性能等级表示,如4.6级、8.8级、 10.9级。 小数点前的数字表示螺栓材料的抗拉强度,小数点及 后面的数字表示屈强比。 4.6级、8.8级、 10.9级螺栓强度分别属于400N/mm2 、 800N/mm2 、1000N/mm2级。 C级螺栓为4.6级或4.8级,由Q235钢制造。 A、B级螺栓为5.6级或8.8级,采用低合金钢或再经热 处理后制成。 高强螺栓为8.8级或10.9级,材料为45号钢、 40B钢、 20MnTiB钢制成。,高强度螺栓连接的计算有
8、两种类型: (1)摩擦型连接 只靠被连接板件间的强大摩擦阻力传力,以摩擦阻力刚被克服作为连接承载力的极限状态。因而,连接的剪切变形很小,整体性好。 (2)承压型连接 靠被连接板件间的摩擦力和螺栓共同传力,以螺栓被剪切或被压(承压)坏为连接承载力的极限。 思考:哪种高强度螺栓连接承载力大? *高强度螺栓承压型连接只适用于承受静力荷载或对连接变形不敏感的结构中,不得用于直接承受动力荷载的结构中。,高强度螺栓采用钻成空。摩擦型连接,孔径比螺栓公称直径大1.52.0mm,承压型大1.01.5mm。为了提高摩擦力,还应对连接的各接触面进行处理。,一、对接焊缝的构造,(1)对手工焊,焊件厚度t6mm;对埋
9、弧焊t10mm时可不做坡口,采用形。,1、对接焊缝的坡口形式,对接焊缝的焊件常需做成坡口,又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。,(2)当焊件厚度t=720mm时,宜采用单边V形或双边V形坡口。,p,p 称为钝边,有拖住熔化金属的作用, p 取大了或角度取小了,导致焊不透, p 取小了或角度取大了,导致焊条和工时的浪费。 c 称为间隙,与斜坡口组成一个焊条能够运转的施焊空间,使焊缝得以焊透。 *p、c 常各取2mm。,当间隙c较大时,可采用临时垫板,作用是防止熔化金属流淌,并使焊缝根部容易焊透。 施焊后,垫板可保留,也可除去。,2、对接焊缝的构造处理,(1)在焊缝的起灭弧处,常会出现弧坑等缺陷
10、,极易出现应力集中现象,故焊接时可设置引弧板,焊后将它们割除。 如果无法采用时,计算焊缝长度为各减去2t(t为焊件的较小厚度)。,3、4班讲课位置,32,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的斜角,以平缓过度,减小应力集中。对于直接受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构,斜角坡度应不大于1:4。 当厚差小于4mm时,由焊缝找坡,计算时,焊缝厚度取薄板厚度。,改变宽度:,改变厚度:,Page 33,二、 对接焊缝的连接,1.焊缝连接形式,(a) 对接连接;(b) 用拼接盖板的对接连接;(c) 搭接连接;(d)、(e) T形连接;(f)、(g) 角部连接,2.对接焊缝和T形
11、连接的工作和计算,对接焊缝的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。 如果焊缝中不存在任何缺陷,焊缝金属的强度是高于母材的。但由于焊接技术问题,焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。实验证明,焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大,故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等,但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。当缺陷面积与焊件截面积之比超过5%时,对接焊缝的抗拉强度将明显下降。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多,故其抗拉强度为母材强度的85%,而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。,对接焊缝可视作焊件的一部分,故其计算方法与构件强度计算相同。,1、轴心受
12、力的对接焊缝,lw焊缝计算长度,无引弧板和引出板时,焊缝计算长度取实际长度减去2t;有引弧板时,取实际长度。 t连接件的较小厚度,对T形接头为腹板的厚度。 ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,(2)只对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况: 没有引弧板时需要计算; 受拉情况下的三级焊缝。,其余:,特别说明:,(3)当不满足上式时,可采用斜对接焊缝连接,如 下:,lw斜焊缝计算长度。设引弧板时,lwb/sin;不设引弧板时,lwb/sin2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。,经计算,当tg1.5时,对接斜焊缝强度不低于母材,可不用检算。,例题3.1 计算如图3.19所示的两块钢板的对
13、接连接焊缝。已知截面尺寸为B=430mm,t=10mm,计算轴心拉力N=930KN,钢材为Q235钢,采用手工焊,焊条为E43型,施焊时不用引弧板,焊缝质量为三级。,2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,由于焊缝截面是矩形,正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形,其最大值应分别满足下列强度条件。,M 焊缝承受的设计弯矩; Ww焊缝计算截面模量。,V 焊缝承受的设计剪力; Iw 焊缝计算截面惯性矩; Sw 计算剪应力处以上(或以下)焊缝计算截面对中和轴的面积矩。 t对接焊缝计算厚度,即腹板的厚度,面积矩S:指的是截面上某一微元面积到截面上某一指定轴线距离的乘积。 S=A*y(A为计算截面以上或
14、以下的部分) 惯性矩I:指截面各微元面积与各微元至截面某一指定轴线距离二次方乘积。 (A为全截面面积) 抵抗矩W :指截面对其形心轴惯性矩与截面上最远点至形心轴距离的比值W= I/y,焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形,正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形,其最大值应分别满足下列强度条件:,(1)板件间对接连接,(2)工字形截面梁对接连接计算,对于工字形截面梁的对接接头,除应分别验算最大正应力与最大剪应力外,还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:,式中,式中: 1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1考虑到最大折算应力只在局部出现,故将强度设计值适当提高。,3、承受轴心力、弯
15、矩和剪力共同作用的对接焊缝,轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力,剪力作用下产生剪应力,其计算公式为:,腹板与翼缘交界处的折算应力:,式中,在中和轴处,虽然 ,但该处的剪应力最大,所以中和轴处的折算应力也有可能较大,因而还应按下式验算折算应力:,例题3.2 计算如图3.20所示由三块钢板焊成的工字形截面的对接焊缝。已知截面尺寸为:翼缘宽度b=100mm,厚度t1=12mm;腹板高度h0=200mm,厚度tw=8mm。计算轴心拉力N=280KN,作用在焊缝上的计算弯矩M=50KN.m,计算剪力V=240KN。钢材为Q345。采用手工焊,焊条为E50型,采用引弧板,焊缝质量为三级。,1.轴心力作用
16、只验算一处( 正应力) 2.弯矩、剪力共同作用 验算三处(最大正应力、最大剪应力和折算应力) 3.弯矩、剪力和轴心力共同作用 验算四处(最大正应力、最大剪应力和两处折算应力),解题思路:,1、看图分析受力情况; 2、根据受力写出验算公式; 3、计算公示里面所有的未知项; 4、带入公式分别进行验算。,全国2008年7月钢结构真题,31计算如图所示两块钢板的对接连接焊缝能否满足强度要求;如不满足要求,可采用哪些改进措施?已知截面尺寸B=250mm,t=8mm,轴心拉力设计值N=370kN,钢材为Q235B级钢,E43型焊条,采用手工焊,ffw=185N/mm2,焊接时不采用引弧板,焊缝质量为三级。
17、,第三节 角焊缝及其连接,一、角焊缝的形式和构造要求,1、角焊缝的形式,角焊缝按截面形式(根据两焊脚边的夹角)可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。应用情况如下:,(1)直角角焊缝,图中:hf称为焊脚尺寸;he称为焊缝的有效厚度,直角角焊缝通常焊成表面微凸的等腰直角三角形截面。对直接承受动力荷载的结构,正面角焊缝截面通常焊成平坡形式,侧面角焊缝截面则焊成凹面形式。,(2)斜角角焊缝,两焊边夹角90或90的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。,对于135或60斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,2、直角角焊缝的布置,按角焊缝与外力的关系可分为:,(1)正面角焊缝:作用力方向
18、与焊缝长度方向垂直。 (2)侧面角焊缝:作用力方向与焊缝长度方向平行。(3)斜焊缝:作用力方向与焊缝方向斜交。,3、直角角焊缝的受力分析,(1)侧面角焊缝(侧焊缝),试验表明侧面角焊缝主要承受剪力,强度相对较低,但塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折,故弹性阶段剪应力沿焊缝长度分布不均匀,呈两端大中间小,lw/hf越大剪应力分布越不均匀。但在接近塑性工作阶段时,应力趋于均布。,(2)正面角焊缝(端焊缝),正面角焊缝受力后应力状态较复杂,应力集中严重,焊缝根部形成高峰应力,易于开裂。破坏强度要高一些,与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上,但塑性较差。,(3)斜焊缝,斜焊缝的受力性能介于侧面
19、角焊缝和正面角焊缝之间。,4、破坏截面的提出,直角角焊缝破坏试验结果表明: 侧焊缝破坏沿45方向截面居多 正面焊缝破坏则多不在45方向截面,而直角角焊缝中: 侧焊缝破坏强度最低 正面焊缝破坏强度最高,是侧焊缝的1.351.55倍 斜焊缝居中,故为简化计算,偏于安全地假定破坏发生于45 方向截面上。 45 方向的最小截面称为危险截面,此危险截面称为直角焊缝的计算截面或有效截面。,5、有效截面,图中: hf称为焊脚尺寸; he称为焊缝的有效厚度,he=0.7 hf,略去余高。,有效截面(计算截面)面积45方向截面上有效厚度与焊缝计算长度的乘积。,二、角焊缝的构造要求,1、焊角尺寸hf的构造要求,为
20、了避免因焊脚尺寸过大或过小而引起“烧穿”、“变脆”等缺陷,以及焊缝长度太长或太短而出现焊缝受力不均匀等现象,对角焊缝的焊脚尺寸、焊缝长度还有限制。在计算角焊缝连接时,除满足焊缝的强度条件外,还必须满足以下构造要求。,(1)最大焊脚尺寸,为了避免焊缝处局部过热,减小焊件的焊接残余应力和残余变形,除钢管结构除外,hf,max应满足以下要求:,若另一焊件厚度t1t时,还应满足hf,max =1.2t1,hf,max = 1.2t1 式中: t1较薄焊件厚度。,对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求: 当 t6mm时,hf,max = t-(12)mm 当 t6mm时,hf,max = t,(2)最小
21、焊脚尺寸,为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织,导致母材开裂, hf,min 还应满足以下要求:,式中: t较厚焊件厚度 另外:对埋弧自动焊hf,min可减小1mm; 对T形连接单面角焊缝hf,min应增加1mm; 当t4mm时, hf,min=t,取整mm数,小数点以后只进不舍。,(3)设计焊角尺寸hf 应满足,2、焊缝计算长度的构造要求,侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均两端大而中间小。焊缝越长,应力集中越显著。如果焊缝长度不是太大,焊缝两端达到屈服强度后,继续加载,应力会渐趋均匀;但是当焊缝长度超过某一限值后,可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发展,最终导致焊缝破
22、坏。,(1)侧面角焊缝的最大计算长度,当实际长度大于以上限值时,计算时超出部分不予考虑;但当内力沿侧焊缝全长分布时,lw不受此限制.,故侧面焊缝计算长度:,(2)侧面角焊缝的最小计算长度,对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝,焊件局部加热严重且起灭弧坑相距太近,使焊缝不可靠。焊缝越短应力集中也越严重,故根据经验,规定:,此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。,为了避免起弧、落弧位于应力集中较大的转角处,应连续地绕过转角加焊一段2hf的长度。,(3)侧面角焊缝的计算长度,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时:,3、搭接连接的构造要求,试验结果表明,连接的承载力与b / lw有关。当b / lw1时,连接承载
23、力随比值增大明显下降,这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致,为防止连接强度过分降低,规范规定: b / lw 1,为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大,要求: b12mm)或190mm(t12mm),式中:b为两侧焊缝的距离; lw为侧焊缝计算长度; t为较薄焊件的厚度。,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。,当焊缝端部在焊件转角处时,应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。,三、直角角焊缝强度计算的基本公式,分析计算直角角焊缝时,作如下假定和简化处理: 假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45;, 不计焊缝熔入焊件的深度和
24、焊缝表面的弧线高度,偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he,he0.7hf。,1、基本假定,有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积。计算时假定有效截面上应力均匀分布。,2、有效截面上的应力状态,在外力作用下,直角角焊缝有效截面上有三个应力:, 正应力 垂直于焊缝有效截面(面外垂直) 剪应力 平行于焊缝长度方向(面内平行) 剪应力 垂直于焊缝长度方向(面内垂直),3、破坏时的极限条件,国际标准化组织(ISO)推荐用式(3-1)确定角焊缝的极限强度:,式中: fuw -焊缝金属的抗拉强度,出于偏于安全考虑,且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致,欧洲钢结
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