(钢结构设计原理)第三章钢结构的连接.ppt
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1、,钢结构的连接,焊缝连接,螺栓连接,钢结构的连接方法,钢结构的连接方法,钢结构的连接方法,连接的方式-焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接,连接的原则 安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材,钢结构的实际连接图片,钢结构的连接方法,焊缝连接,焊缝连接,20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现代钢结构最主要的连接方法之一。,*构造简单,任何形式的构件都可直接相连; *用料经济,不削弱截面; *制作加工方便,可实现自动化操作; *连接的密闭性好,结构刚度大,整体性好。,优点,焊缝连接,缺点,* 焊缝附近有热影响区,钢材的金相组织发生改变,导致局部材质变脆; * 焊接的残余应力使结构易发生脆
2、性破坏、降低压杆稳定的临界荷载,残余变形使结构形状、尺寸发生变化; * 焊接裂缝一经发生,便容易扩展到整体; * 低温冷脆问题较为突出; * 对钢结构的疲劳、稳定有不利影响; * 较多地依赖焊工的技能水平。,焊缝连接,铆钉连接,19世纪2030年代出现铆钉连接。把铆钉加热到10001500,用铆钉枪铆合。,*塑性和韧性较好; *传力可靠,质量易于检查和保证; *可用于承受动载的重型结构。,优点,*工艺复杂,噪音大,劳动条件差,用钢量大; *现已很少采用。,缺点,铆钉连接,栓钉连接,*栓钉将钢板与混凝土板连接起来; *栓钉承受剪力。,栓(焊)钉连接,射钉、自攻螺钉、新型铆钉连接,*用于薄壁构件(
3、压型钢板屋面板、墙板与梁、柱)连接; *钉承受剪力。,射钉、自攻螺钉、新型铆钉连接,螺栓连接,1)C级螺栓连接:用圆钢制成,杆身粗糙,尺寸不很准确。主要用于受拉连接和安装螺栓。 2)A、B级螺栓连接:螺杆机加工制成,尺寸准确,孔加工精度高。制造安装费工。A级:d24mm,l150mmh 和10d,B级:d24mm,l150mmh 和10d。,普通螺栓连接,普通螺栓连接,普通螺栓连接,高强螺栓连接,20世纪中钢结构开始采用。高强度螺栓采用高强度钢材并经热处理制成。拧紧螺栓使板件接触面产生很大摩擦力,依靠摩擦力传力。连接紧密,耐疲劳,承受动载可靠。是现代钢结构最主要的连接方法之一。,高强螺栓连接,
4、高强螺栓连接,高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母的合称。,由45号、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成。,45号8.8级;40B和20MnTiB10.9级,(a)大六角头螺栓 (b)扭剪型螺栓,高强螺栓连接比较,高强螺栓连接,高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较,高强螺栓连接优缺点,高强螺栓连接,*安装方便,便于拆卸,对安装工的要求高; *摩擦型高强度螺栓连接动力性能好; *耐疲劳,易阻止裂纹扩展;,优点,*需要在板件上开孔和拼装时对孔,制造工作量大; *螺栓孔还使构件截面削弱; *被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板,比焊接连接多费钢材。,缺点,螺栓连接,钢结构常用的焊接方法,高强螺栓连
5、接优缺点,钢结构常用的焊接方法,电弧焊 埋弧焊 电渣焊 气体保护焊 电阻焊,手工电弧焊,熔化焊,手工电弧焊,原理:利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。,手工电弧焊,优点:方便,适用于任意空间位置的焊接,特别适用于在高空和野外作业,小型焊接。,缺点 质量波动大,要求焊工等级高,劳动强度大,生产效率低。,手工电弧焊,手工电弧焊,手工电弧焊,焊条的选择 焊条应与焊件钢材(主体金属)相适应。,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-E5518),Q345钢选择E50型焊条 (E5001-E5048),Q235钢选择E43型焊条(E4300-E4328),焊条的表示方法:,E焊条(Elec
6、trode),第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度(kgf/mm2),第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。,不同钢种的钢材焊接,宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,埋弧焊,手工电弧焊,电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。,机器,优点:自动化程度高,焊接速度快,劳动强度低,焊接质量好。 缺点:设备投资大,施工位置受限。,焊丝的选择应与焊件等强度。,埋弧焊(自动或半自动),电渣焊,电渣焊,电渣焊,电渣焊常用于箱形梁、柱内部的横隔板焊接。,气体保护焊,电渣焊,气体保护焊,利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层,以防止有害气体的侵入。,优
7、点:没有熔渣,焊接速度快,焊接质量好。目前工厂很常用的焊接方法。 缺点:施工条件受限制,不适用于在风较大的地方施焊。,电阻焊,电阻焊,焊缝类型,焊缝类型,按被连接构件间的相对位置分为对接、搭接 、T形连接和角接四种。 按构造分:对接焊缝、角焊缝。 按工作性质分:强度焊缝(只作为传递内力)、密强焊缝(除传递内力外,还须保证不使气体或液体渗漏)。 按施焊位置分:俯焊(平焊)、立焊、横焊和仰焊。应尽量避免采用仰焊焊缝。,焊缝连接形式,焊缝形式,对接焊缝连接形式,对接焊缝按受力与焊缝方向分: 1)正对接焊缝(a):作用力方向与焊缝方向正交。 2)斜对接焊缝(b):作用力方向与焊缝方向斜交。,焊缝形式,
8、角焊缝连接形式,角焊缝按受力与焊缝方向分: 1)正面角焊缝(c) :作用力方向与焊缝长度方向垂直。 2)侧面角焊缝(c) :作用力方向与焊缝长度方向平行。 3)斜焊缝(c):作用力方向与焊缝方向斜交。,角焊缝形式,角焊缝连接形式,角焊缝沿长度方向的布置,1)连续角焊缝:受力性能较好,为主要的角焊缝形式。 2)间断角焊缝:在起、灭弧处容易引起应力集中,不重要或受力小的构件可采用。,焊缝的施工位置,角焊缝形式,焊缝的施工位置,平焊 立焊 横焊 仰焊,焊缝的特点,焊缝特点,焊缝缺陷,焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。,焊缝缺陷,焊缝质量检验,焊缝质量检验,外观检查
9、:检查外观缺陷和几何尺寸; 内部无损检验:检验内部缺陷。(超声波检验、X射线或g射线透照或拍片),焊缝质量等级及选用,钢结构设计规范(GB50017-2003)中,对焊缝质量等级的选用有如下规定:,1) 需要进行疲劳计算的构件中,垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级,受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。,2) 在不需要进行疲劳计算的构件中,凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级;受压时宜为二级。,3) 重级工作制和起重量50t的中级工作制吊车梁的腹板与上 翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的 对接与角接组合焊缝,质量不应低于二级。,4) 角焊缝
10、质量等级一般为三级,但对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,焊缝质量等级及选用,焊缝代号,焊缝代号,对接焊缝连接的构造要求,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。,对接焊缝的坡口形式,a)直边缝:适合板厚t 10mm b)单边V形、c)双边V形:适合板厚t 1020mm d)U形、e)K形、f)X形:适合板厚t 20mm,对接焊缝连接的构造要求,对接焊缝连接的构造要求,对接焊缝的构造处理,对接焊缝连接的构造要求,1)为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。,2)在焊缝的起灭弧处,常会出
11、现弧坑等缺陷,故焊接时可设置引弧板和引出板,焊后将它们割除。,对接焊缝连接的构造要求,3)在对接焊缝的拼接处,当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时,应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角,以使截面过渡和缓,减小应力集中。,对接焊缝连接的构造要求,对接焊缝的强度,1)受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2)一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。 3)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%。 4)采用一般的材料力学、弹性力学计算公式,对接焊缝连接的构造要求,轴心受力对接焊缝的强度计算,(3-1a),lw焊缝计算长度, t连接件
12、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(P9表1-4);,1)对lw的取值:考虑到起落弧缺陷的影响,无引弧板时,焊缝计算长度取实际长度减去2t;有引弧板时,取实际长度。,2)在一般加引弧板施焊的情况下,所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝,均与母材等强,不用计算。,3)直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况:a)没有引弧板时需要计算。b)受拉情况下的三级焊缝。,轴心受力对接焊缝的强度计算,轴心受力对接焊缝的强度计算,对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心,并与焊缝长度方向呈夹角,其计算公式为:,lw斜焊缝计算长度。加引弧板时,lwb/s
13、inq;不加引弧板时,lwb/sinq2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。(P9表1-4),规范规定,当斜焊缝倾角q56.3,即tanq1.5时,可认为对接斜焊缝与母材等强,不用计算。,斜向受力对接焊缝的强度计算,水工钢结构轴心受力对接焊缝的强度计算,按容许应力法计算水工钢结构时,其计算公式为:,N 按荷载标准值得出的轴心拉力或压力; twcw对接焊缝抗剪设计强度。(P12表1-9),水工钢结构轴心受力对接焊缝的强度计算,弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,以后按容许应力法设计钢结构时,只需要将相应公式里的强度设计值改用相应的容许应力,荷载效应N、V、M是按荷载标准值求得。,焊缝内应力分布同母
14、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。,弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝,弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,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。,(3-3),M焊缝承受的弯矩; Ww焊缝截面模量。,V焊缝承受的剪力; 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。,弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,(3-2),对于工字形或T形截面除应分别验算最大正
15、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:,(3-4),式中 : 1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1为考虑到最大折算应力只在局部出现,而将强度设计值适当提高系数。,弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝,工字形截面梁在弯曲时,弯曲正应力主要由上、下翼缘承担,剪应力主要由腹板承担,这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。,弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,轴力、弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,轴力、弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,牛腿处对接焊缝的强度计算,轴力、弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝,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:,(
16、3-5),(3-6),同样对于工字形、箱形截面,还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力,其公式为 :,(3-7),式中,轴力、弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,角焊缝的形式和强度,角焊缝按截面形式(两焊脚边的夹角)可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。,1、直角角焊缝,角焊缝的形式和强度,角焊缝的形式和强度,hf焊脚尺寸; he有效厚度(破坏面上焊缝厚度)并有,he hfcos45=0.7hf,理论焊缝截面,2、斜角角焊缝 两焊边的夹角a90或a90的焊缝。通常用于钢漏斗和钢管结构中。,焊脚边的夹角; he有效厚度(破坏面上焊缝厚度) 并有, he hfcos/2,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结
17、构外,不宜用作受力焊缝。,角焊缝的形式和强度,角焊缝的破坏形式,侧面角焊缝的破坏形式,正面角焊缝的破坏形式,正面角焊缝的破坏形式,角焊缝的受力特性,角焊缝荷载与变形关系,斜焊缝的受力性能和强度介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。,正面角焊缝的破坏强度比侧面角焊缝高。,q为试验焊缝与试件水平方向的夹角。,角焊缝的受力特性,角焊缝的计算模型,角焊缝的计算模型,角焊缝的构造,面积?,为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝由于冷却速度快而产生淬硬组织,导致母材开裂,hf,min应满足以下要求:,最小焊脚尺寸(hf,min),角焊缝的焊脚尺寸,自动焊(温度高而均匀):,手工焊角焊缝:,t较厚焊件的厚度。,焊
18、件厚度t4mm时:取hfmin= t,T形连接单面角焊缝(冷却快):,角焊缝的焊脚尺寸,最大焊脚尺寸(hfmax),对板件(厚度t )边缘的角焊缝(贴边焊) 当t6mm时,hfmaxt ; 当t6mm时,hfmaxt - (12)mm 。,为了避免焊缝局部过热,烧穿较薄的焊件,减小焊接残余应力和残余变形,hf,max应满足以下要求:,直接焊接钢管结构的尺寸不宜大于支管壁厚的2倍。,对于圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。,角焊缝的焊脚尺寸,角焊缝的计算长度,角焊缝计算长度(lw)取值 lwminlw lwmax,焊脚尺寸的取值 hfmin hf hfmax,最小计算长度
19、(lwmin),为了使焊缝能有一定的承载能力,根据使用经验,侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于:lwmin8hf 和40mm,考虑到焊缝两端的缺陷,其实际长度应较前述数值还要大2hf,lwmax60hf 若计算长度超过以上数值,则超过部分不纳入计算长度中。若内力沿侧焊缝全长分布时,计算长度不受此限制。,侧焊缝最大计算长度(lwmax),角焊缝的计算长度,减少角焊缝应力集中的措施,侧焊缝引起焊件拱曲,为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大,b16t(t 12mm)或200mm(t12mm);,构件端部仅有两边侧缝连接时,试验结果表明,连接的承载力与b / lw有关。为了避免应力传递的过分
20、弯折而使构件中应力不均,每条侧缝长度b / lw 1;,b为两侧缝之间的距离; lw为焊缝长度; t为较薄焊件的厚度。,减小角焊缝应力集中的措施,减少角焊缝应力集中的措施,3、直接承受动力荷载的结构中,角焊缝表面应做成直线形或凹形,焊脚尺寸的比例:正面角焊缝宜为1:1.5,长边与内力方向一致 ;侧面角焊缝可用直角焊缝为1:1 。,2、仅用正面角焊缝的搭接连接中,搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。,4、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。,减小角焊缝应力集中的措施,减少角焊缝应力集中的措施,5、在次要构件或次要焊接连接中,可采用
21、断续角焊缝。断续角焊缝的长度不得小于10hf 或50mm,断续角焊缝之间的净距,不应大于15t(对受压构件)或30t(对受拉构件),t为较薄焊件的厚度。以防板件局部凸曲鼓起,而对受力不利或潮气易于侵入而引起锈蚀。,断续角焊缝,减小角焊缝应力集中的措施,直角焊缝的破坏面,角焊缝有效截面上的应力,在外力作用下,直角角焊缝有效截面上有三个应力: 正应力,与焊缝长度方向(面外垂直) 剪应力,与焊缝长度方向(面内平行) 剪应力,与焊缝长度方向(面内垂直),直角焊缝有效截面上的应力状态,(3-8),ffw角焊缝强度设计值(见P9表1-4),把它看作是剪切强度。,我国规范采用了折算应力公式,引入抗力分项系数
22、后得角焊缝计算公式为:,直角焊缝强度的实用计算公式,如图所示承受互相垂直的Nx、 Ny、Nz轴心力作用的直角角焊缝, Nx产生垂直于焊缝长度方向平均应力fx, Ny产生垂直于焊缝长度方向平均应力fy, Nz平行于焊缝长度方向产生平均应力fz,,直角焊缝强度实用计算公式,Nx作用下应力,D,如图所示承受互相垂直的Nx、 Ny、Nz轴心力作用的直角角焊缝, Nx产生垂直于焊缝长度方向平均应力fx, Ny产生垂直于焊缝长度方向平均应力fy, Nz平行于焊缝长度方向产生平均应力fz,,直角焊缝强度实用计算公式,Nx作用下应力,Ny,D,Nx,Nx产生垂直于焊缝长度方向产生平均应力fx,其在有效截面上引
23、起的应力值为:,fx对于有效截面既不是正应力也不是剪应力,但可分解为 和 。,直角焊缝强度实用计算公式,Ny作用下应力,Ny,Nx,Ny产生垂直于焊缝长度方向产生平均应力fy,其在有效截面上引起的应力值为:,fy对于有效截面既不是正应力也不是剪应力,但可分解为 和 。,直角焊缝强度实用计算公式,Nz作用下应力,Ny,Nx,沿焊缝长度方向的力Nz,在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力 fz。,直角焊缝强度实用计算公式,破坏面上应力叠加,D,(3-8),直角焊缝强度实用计算公式,直角焊缝强度的实用计算公式,Ny,Nx,则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为:,(3-8),(3-9),直
24、角焊缝强度实用计算公式,特殊情况下直角焊缝强度的实用计算公式,正面角焊缝 f0,力N与焊缝长度方向垂直。,侧面角焊缝 f0,力N与焊缝长度方向平行。,(3-11),(3-10),直角焊缝强度实用计算公式,斜向角焊缝的强度计算,f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时 f 1.22,对直接承受动力荷载的结构, f 1.0 。,垂直于焊缝长度方向的分力Nsin 平行于焊缝长度方向的分力Ncos,外力N和焊缝长度方向斜交,代入(3-9),得焊缝计算公式:,斜向角焊缝,(3-13),轴心力作用时的角焊缝计算,直角焊缝强度实用计算公式,轴心力(拉、压和剪力)作用时的角焊缝计算,当焊件受轴心力,且轴心力
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