3钢结构知识.ppt
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1、本章内容: 3.1 连接方法 3.2 焊接方法和焊缝形式 3.3 对接焊缝的构造和计算 3.4 角焊缝的构造和计算 3.5 焊接应力和焊接变形 3.6 螺栓连接的构造要求 3.7 螺栓的工作性能及承载力 3.8 螺栓连接的设计、验算,3.1 连接方法 钢结构的构件制作和整体安装都离不开零部件和构件之间的连接(connection)。钢结构主要的连接方法是焊接连接和螺栓连接,有时也使用铆钉连接。,焊接连接 螺栓连接 铆钉连接,3,(1) 焊接连接,在被连接金属件之间的缝隙区域,通过高温使被连接金属与填充金属熔融结合,冷却后形成牢固连接的工艺过程称为焊接连接(welded connection),
2、填充金属带称为焊缝。 焊接连接不削弱构件截面,接头紧凑,可以采用自动化操作,是现代钢结构最主要的连接方法。但是,由于焊缝附近高温作用而形成的热影响区,使钢材的金相组织和力学性能发生变化,材质变脆,一旦局部发生裂纹很容易扩展,尤其在低温下易发生脆断;另外,焊接过程中会产生焊接应力和焊接变形,对结构的工作性能往往有不利影响。,连接方法,(2) 螺栓连接 螺栓连接需要在被连接间上钻孔,装上螺杆、拧紧螺帽进行连接。,5,螺栓(bolt)分为普通螺栓和高强度螺栓两类。 普通螺栓:分为A、B、C三级。A、B级螺栓称为精制螺栓,成本较高,其性能等级为8.8级(表示抗拉强度不小于800N/mm2,屈服点与抗拉
3、强度之比为0.8); C级螺栓为粗制螺栓,成本低,其性能等级为4.6级或4.8级。 高强螺栓:高强度螺栓用优质碳素钢或低合金钢制作,并经过热处理,材料性能等级达到8.8级以上。高强度螺栓按工作性能不同,又分为摩擦型连接和承压型连接。,(3)铆钉连接 铆钉(rivet)连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合,常用加热铆合,也可在常温下铆合。铆钉连接的塑性、韧性较好,连接变形小,承受动力荷载时抗疲劳性能好,适合于重型和直接承受动力荷载的结构。但由于铆钉连接费材费工,噪音大,一般情况下很少采用。,连接方法,3.2 焊接方法和焊缝形式 3.2.1 钢结构的焊接方法 常用:电弧焊(手工电弧焊、自动(或
4、半自动)埋弧焊),气体保护焊及电阻焊 。,手工电弧焊,手工电弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配,如: Q235-E43;Q345-E50;Q390-E55,8,自动埋弧焊,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,气体保护焊: 气体保护焊简称气电焊,是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质,在电弧周围造成局部的保护层,使被熔化的钢材不与空气接触,因而电弧加热集中,焊接速度快,熔化深度大,焊缝强度高,塑性好。 电阻焊: 电阻焊是利用电流通过焊 件接触点表面的电阻所产生的热量 来熔化金属,再通过压力使其焊合。 冷
5、弯薄壁型钢的焊接常用这种接触 点焊(如图)。电阻焊适用于板叠厚 度不超过12mm的焊接。,电阻焊,焊接方法,3.2.2 焊缝形式及焊接连接形式 焊缝形式主要有两种:对接焊缝和角焊缝,按施焊时焊工所持焊条与焊件间的相对位置关系,焊缝还分为:,焊缝形式,12,除上述主要形式外,有时还采用焊钉和槽焊。 即在板件上加工出圆孔或槽孔,在孔内进行部分或全部焊接。焊钉和槽焊用于搭接连接可以传递剪力,或用于防止搭接部分的鼓曲,或用于组装件的连接。,3.2.3 焊缝缺陷和焊缝质量检验 (1)焊缝缺陷 焊缝的常见缺陷:,裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷(defect)。按裂纹产生的时间,可分为热裂纹和冷裂纹。,(2)
6、 焊缝质量检验与焊缝强度 焊缝检验就是检验焊缝及焊接热影响区域的有无各种缺陷,并作出相应的处理,评价焊接质量、性能是否达到设计要求,确保焊缝安全可靠。 达到不同质量检验等级的焊 缝,焊缝的强度设计值也不同( 见附表1.3)。钢结构设计规 范(GB50017-2003)对各种情 况下的焊缝质量等级要求作了相 关规定,设计时按规范要求 选用。,3.2.4 焊缝代号 焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注,标明焊缝形式、尺寸和辅助要求。常用焊缝代号和标注方法如下:,表3.1 焊缝代号及标注方法,当焊缝分布比较复杂或用上述注标方法不能表达清楚时, 可在标注焊缝代号的同时,在图上加栅线表示焊缝。,焊缝
7、代号,3.3 对接焊缝的构造和计算 3.3.1 对接焊缝的构造 对接焊缝常做成带坡口的形式,故又称为坡口焊缝。常用的坡口形式有直边形、单边V形、V形、U形、K形和X形(如下图)。做坡口是为了便于施焊,保证焊接质量,应根据焊件的厚度选用不同的坡口形式。坡口形状参数有:斜坡角度、钝边厚度p和间隙宽度c。,当焊件厚度t6mm(手工焊)或t10mm(埋弧焊)时,可采用直边形焊缝;对于一般厚度(t820mm),可采用单边V或V形焊缝,斜坡口和间隙c形成一个焊条能够施焊的空间,使焊缝易于焊透;对于厚度t20mm,应采用施焊空间更大的U形、K形或X形焊缝。 当间隙c过大时,为防止熔化金属溢出,可采用垫板,施
8、焊成型后,垫板可除去,也可保留。,对接焊缝的构造,对接焊缝加引弧板,对接焊缝的构造,对接焊缝的两端,常因不能熔透而出现凹形的焊口,焊口处常产生裂纹和应力集中。所以,对接焊缝施焊时应采用引弧板消除此影响;在一些特殊情况下无法采用引弧板时(如T形接头的对接焊缝),每条焊缝的计算长度(有效长度)焊缝长度2t(t为较薄焊件的厚度)。,在对接焊缝的拼接处,当两块焊件的宽度 或厚度相差4mm以上时,应分别把较宽或较厚一 侧的板件做成不大于1:2.5的斜边与窄或薄的焊件 焊接,使截面缓和过渡以减小应力集中。,对接焊缝的构造,3.3.2 对接焊缝的强度计算 焊缝的强度计算,就是计算焊缝在各种受力情况下,是否满
9、足强度条件,保证连接的可靠性。 (1)对接焊缝受轴心力作用,对接焊缝与轴力垂直时,焊缝截面的应力均匀分布,强度计算公式为:,式中 N 轴心拉力或压力; lw 焊缝的计算长度。未使用引弧板时, lw l2t,采用引弧板时 lwl;,l 焊缝的几何长度; t 被连接件的较小厚度,在T形连接中为腹板厚度; ftw、 fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值(查附表1.3)。,对于焊缝质量等级为一、二级的对接焊缝,其强度与钢材强度相等。因此,如果连接中使用了引弧板,则钢材强度满足焊缝强度就满足,可不验算。而焊缝质量为三级的焊缝,其强度低于钢材强度,必须按公式(3.1)计算。,对接焊缝的强度计算,25,如果
10、直焊缝的强度不满足,可使用斜对接焊缝(如图),使焊缝的长度增加,应力减小。若取焊缝与与作用力之间的夹角56.3o(tan 1.5),斜焊缝的强度不会低于钢材,可以不验算。,(2)对接焊缝受弯矩、剪力共同作用,图示用对接焊缝连接的工字形截面梁,焊缝受弯矩和剪力共同作用。截面上正应力、剪应力分布如图示,在上、下翼缘边有最大正应力,在腹板中部有最大剪应力,且都属于单向应力状态,可分别验算这两点的抗弯强度和抗剪强度:,另外,在翼缘与腹板相交处,同时受较大正应力和剪应力,且属于双向应力状态,该点的应力按折算应力计算。考虑到折算应力只是在局部出现,焊缝的强度设计值可提高10,故得计算公式如下:,M、V共同
11、作用,式中 Iw焊缝计算截面的惯性矩; Sw计算剪应力处以外的焊缝计算截面对中和轴的面 积矩; Ww焊缝计算截面的抵抗矩; tw腹板厚度; fvw对接焊缝的抗剪强度设计值。,式中 1腹板与翼缘交接处由弯矩引起的正应力; 1腹板与翼缘交接处的剪应力;,(3)对接焊缝受轴心力、弯矩和剪力共同作用,将轴心力作用产生的正应力与弯矩产生的正应力叠加。此时,最大正应力在翼缘边,单向受力;其余部分均受正应力和剪应力作用,属双向应力状态,其中翼缘与腹板相交处正应力和剪应力都较大。需对上述两点进行强度验算,计算公式如下:,例3.1,3.4 角焊缝的构造和计算 3.4.1 角焊缝的截面形式和受力性能,角焊缝截面形
12、式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝两类: 其中直角角焊缝的直角边边长hf称为焊脚尺寸;he称为焊缝的有效厚度,是计算角焊缝破坏面面积的参数之一 。,直角角焊缝及截面形式,斜角角焊缝及截面形式,角焊缝的构造,31,角焊缝按受力情况还分为正面角焊缝和侧面角焊缝。焊缝长度方向垂直于力作用方向的角焊缝称为正面角焊缝(也称端焊缝);平行于力作用方向的角焊缝称为侧面角焊缝(简称侧焊缝)。,侧面角焊缝在外力作用下主要承受剪应力,塑性较好,强度较低。在弹性阶段,应力沿焊缝长度方向分布不均匀,两端大而中间小,破坏的起点常在焊缝两端,破坏面约为450斜面,如图所示。,破坏过程(演示),受力性能,正面角焊缝的应力状态比
13、侧面角焊缝复 杂,截面上受正应力及剪应力作用,如图所示。 正面角焊缝的强度比侧面角焊缝高,但塑性较差, 焊缝根角处应力集中突出,常在此处首先出现裂纹而破坏。 在直接承受动态荷载的结构中,正面角焊缝的截面常用平坦式,侧面角焊缝的截面常用凹面式。,受力性能,3.4.2 角焊缝的构造要求,为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)最小焊脚尺寸 手工焊 : 埋弧自动焊: T型连接的单面角焊缝: 式中tmax较厚焊件的厚度。当
14、焊件厚度小于或等于4mm时,最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。,构造要求,2)最大焊脚尺寸 式中t较薄焊件的厚度。,当两块钢板厚度相差悬殊大,用等腰直角角焊缝无法满足最大、最小焊脚尺寸要求时,可用不等焊脚尺寸,按满足右图要求采用(其中t1t2)。,当角焊缝贴着焊件板边缘施焊时,为避免产生“咬边”现象,角焊缝的最大焊脚尺寸应符合图示要求: 圆孔或槽孔内角焊缝 的最大焊脚尺寸为圆孔 直径或槽孔短径的13。,3)最小计算长度,此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。,构造要求,计算长度:,4)最大计算长度 对侧面角焊缝 承受静力荷载或间接承受动力荷载时, 直接承受动力荷载时, 在满足受力和构造要求的前提下,从减
15、小焊接热影响的角度来说,应尽可能采用焊脚尺寸小而长度较长的焊缝。,小结 设计时,焊缝需满足: 焊脚尺寸:,构造要求,38,5)其他构造要求 当板件的端部仅有两侧角焊缝连接时,为避免应力传递的过分曲折而使构件中应力过分不均,应使每条侧面角焊缝长度不小于两侧面角焊缝之间的距离b。,构造要求,同时,为了避免因焊缝横向收缩,引起板件 拱曲,应使侧面角焊缝之间的距离b不宜大于16t (当t12mm)或190mm(当t12mm),t为较薄焊件 厚度。若不能满足上述规定时,应加正面角焊缝或焊钉。 当角焊缝的端部在构件转角处时,为避免起、灭弧缺陷发生在应力集中较大的转角处,宜连续地绕过转角加焊2hf。 在搭接
16、连接中,搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍,且不小于25mm,以减小焊缝收缩应力和偏心产生的转动对连接的影响,构造要求,对次要构件且焊缝受力很小时,可采用间 断角焊缝连接。间断角焊缝长度l必须大于10hf,且不小于50mm;间断角焊缝的间距e不宜太长,以免因间断过大,使连接不紧密。 对受压构件:间距e 15t 对受拉构件:间距e30t t较薄焊件的厚度。,构造要求,3.4.3 直角角焊缝计算的基本公式,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45o; 不计焊缝熔入焊件的深度和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,
17、he 0.7hf。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。,角焊缝计算简图,因此有角焊缝的强度条件 :,式中垂直于焊缝有效截面的正应力; 有效截面上垂直焊缝长度方向的剪应力; 有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力; ffw角焊缝的强度设计值,由角焊缝的抗剪试验和可靠度分析确定(附表1.3)。 相当于焊缝单向抗拉强度设计值。 因为:,将 、 、 代人(3.7)式整理得:,写为:,基本公式,由式(3.8)还可导出正面角焊缝和侧面角焊缝的计算公式: 1)当Ny=0,f=0,只有轴心力Nx作用,焊缝为正面角焊缝,其计算公式为:,2)当Nx=0,f0,只有轴心力Ny作用,焊缝为侧面
18、角焊缝,其计算公式为:,式中:f称为正面角焊缝的强度增大系数。对承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的正面角焊缝, 即正面角焊缝的强度是侧面角焊缝强度的1.22倍;对直接承受动力荷载结构中的正面角焊缝,考虑其刚度大,韧性差,将其强度降低使用,取f =1.0。,基本公式,lw角焊缝的计算长度。考虑起、落弧的影响,每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2hf。 公式(3.83.10)即为角焊缝计算的基本公式。基本公式在分析过程中虽作了简化处理,但计算结果与试验结果相符,满足角焊缝设计计算要求。,3.4.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算 (1)轴心力作用下的角焊缝连接计算 盖板连接 可采用两侧侧面角
19、焊 缝连接,正面角焊缝连接 和三面围焊连接。,只有侧焊缝连接时,按式(3.10)计算; 只有正面角焊缝连接时,按式(3.9)计算; 采用三面围焊时,先用式(3.7)计算正面角焊缝所承担的轴心力N,其余轴心力(N-N)由侧焊缝承担,即:,连接计算,先计算:,再验算:,lw表示连接一侧角焊缝计算 长度的总和。 角钢与节点板连接 图示钢桁架,弦杆和腹杆 采用双角钢组成的T形截面, 腹杆通过节点板与弦杆连接。,角钢与节点板的连接采用两面侧焊时:,由平衡条件:,解得:,式中k1、k2焊缝内力分配系数;角钢类型与组合方式不同,内力分配系数不同,按表3.2采用。,连接计算,表3.2 焊缝内力分配系数,连接计
20、算,48,采用三面围焊的角焊缝时,先按构造要求设定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3,并求出正面角焊缝所承担的力N3为:,再根据平衡条件(M=0)可得:,连接计算,采用L形围焊时,令(3.13) 式中的N20,得:,连接计算,和对接焊缝情况类似,考虑施焊时起、灭弧在 焊缝端部产生的缺陷,取焊缝长度计算长度2hf。 采用两边侧面角焊缝连接并在角钢端部连续地绕角加焊2hf时,加焊的2hf可抵消起灭弧的影响,取焊缝长度计算长度 对于三面围焊,要求在角钢端部转角处连续施焊,故每条侧焊缝只有一端受起、灭弧的影响,取侧面角焊缝的长度计算长度 hf 。,例3.2,例3.3,连接计算,(2)弯矩、剪力及轴力共同作用的
21、角焊缝连接计算,连接计算,根据剪力V、轴力N和弯距M的作用方向,确定 角焊缝有效截面上的危险点为A,按式(3.8) 验算,即:,设计时,一般已知角焊缝的实际长度,这时可按构造要求选焊脚尺寸hf ,再按式(3.16)验算危险点的强度。如不满足,可调整hf (如果hf hf.max时,需调整焊缝长度),直到计算结果满足强度条件为止。,例3.4,连接计算,(3)扭矩、剪力及轴力共同作用下的角焊缝计算,在扭矩作用下,焊缝上及点剪应力最大,设点产生的剪应力,为便于分析,将其分解为垂直于焊缝长度的应力和平行于焊缝长度的应力,其中:,连接计算,式中:I0焊缝计算截面的极惯性矩。 设在N、V作用下焊缝的应力均
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