第3章-钢结连接构-0.ppt
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1、第三章,钢结构的连接,图3.1 钢结构的连接方法,图3.22,图3.1b 钢结构的连接方法,图3.1b 螺栓连接,焊接:构造简单,节省材料,操作简便省工,生产效率高,在钢结构连接中应用较广。,栓接:,普通螺栓连接 (Q235钢),精制螺栓连接:A,B级,粗制螺栓连接:C 级,高强度 螺栓连接,摩擦型高强度螺栓连接:用于直接承受动力荷载的结构。,承压型高强度螺栓连接:用于承受静力或间接动力的结构。,铆接:传力可靠,塑性、韧性较好,但制造费工费料,且劳动强度高,目前已使用极少。,一、焊接的形式,1. 根据焊件的接头位置可分为,对接接头 对接焊缝,角接接头,搭接接头 角焊缝,T形接头,对接焊缝角焊缝
2、,图3.2 焊接接头及焊缝的形式,2. 根据施焊的位置可分为,平焊,立焊,横焊,仰焊,图3.3 焊缝的施焊位置,二、焊缝的表示方法,三、焊缝的质量等级及检查,1. 焊缝的缺陷,常见的缺陷:裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等。,图3.4 焊缝缺陷,2. 焊缝的质量等级及检查,依据标准:钢结构工程施工及验收规范 (GB50295),III级:外观检查,II级:外观检查 + 超声波,I级:外观检查 + 超声波 + 射线,质量等级增高,(1)对接焊缝,(2)角焊缝,3.3.1 焊缝的形式,3.3.2 对接焊缝的构造 (p49),1 常见的坡口型式: I型、V型、U型、X型、单边
3、V型、K型、单边U型。,2 焊件尺寸不同时的处理方法,1)板宽不同时,2)板厚不同时的处理方法,3.3.3 对接焊缝的计算,2 计算的基本假设:,2) 焊缝中应力分布情况基本与焊件原有相同。,1) 焊缝视为焊件截面的延续部分;,1 对接焊缝分为:焊透和部分焊透(自学)两种;部分焊透不能垂直受力承受动载,3.3.3.1 轴心力作用,式中:lw 焊缝的计算长度,当有引弧板时取 l 无引弧板时取l-2t,t 焊件中较薄焊件的厚度 ; T形连接中为腹板厚度, 对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,当计算不满足时怎么办?,当计算不满足时改为斜对接焊缝,另:当tan1.5时,不用验算 !,3.3.3.2 弯矩
4、和剪力共同作用时,1. 矩形截面,1) 正应力计算,2)剪应力计算,式中:Ww 焊缝截面抵抗矩;, 对接焊缝抗剪强度设计值。,Sw 焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩;,Iw 焊缝截面惯性矩;,2. “I”字形截面,除按矩形截面验算max、max 点外,尚须补充:,式中为何引用系数1.1 ?,考虑折算应力只在局部发生,因而将焊缝强度提高。,例1 两块钢板连接,采用对接焊缝。已知F=950kN(设计值),板宽600mm,板厚为8mm,钢材Q235,焊条E43系列,手工焊,无引弧板。,问焊缝承受的最大应力是多少?,3.4.1 角焊缝的构造 P,3.4.1.1 角焊缝的形式,按焊缝长度与外
5、力作用方向关系不同可,侧面角焊缝,正面角焊缝,角焊缝的形式:侧面角焊缝和正面角焊缝,按角焊缝截面形式,直角角焊缝,斜角角焊缝,(a) 普通型,(b) 平坦型,(2)斜角角焊缝,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,试验表明侧面角焊缝主要承受剪力,强度相对较低,塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折,故剪应力沿焊缝长度分布不均匀,两端大中间小,lw/hf越大剪应力分布越不均匀。,A. 应力分析,(1)侧面角焊缝(侧焊缝),B. 破坏形式,A. 应力分析,正面角焊缝受力复杂,应力集中严重,塑性较差,但强度较高,与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上。,(2)正面角焊缝
6、,B. 正面角焊缝的破坏形式,二、角焊缝的构造,1、最大焊脚尺寸hf,max,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,hf,max应满足以下要求:,hf,max1.2t1(钢管结构除外) 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,maxt; 当 t6mm时,hf,maxt-(12)mm;,2、最小焊脚尺寸hf,min,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应满足以下要求:,式中: t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1
7、mm; 当t24mm时, hf,min=t2,3.侧面角焊缝的最大计算长度,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。焊缝长度越长,应力集中系数越大。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;当焊缝长度达到一定的长度后,可能破坏首先发生在焊缝两端,故:,注: 1、当实际长度大于以上值时,计算时不与考虑; 2、当内力沿侧焊缝全长分布时,不受上式限制。,4.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落弧坑相距太近,以及可能产生缺陷,使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力,规范规定:,5. 搭接连接的构造要求,当板
8、件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时: A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均,规范规定:,B、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲 太大,规范规定:,D. 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。,C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时,应作2hf的绕 角焊,且转角处必须连续施焊。,三、直角角焊缝的强度计算公式,1、试验表明,直角角焊缝的破坏常发生在喉部,故通常将45o截面作为计算截面,作用在该截面上的应力如下图所示:,2、实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难, 为了简化计算,规范假定:焊缝在有效截面处破坏,且各应力分量满足以下折算应力公式:,3、
9、由于我国规范给定的角焊 缝强度设计值,是根据抗剪条 件确定的故上式又可表达为:,4、直角角焊缝的强度计算公式:,将33、34式,代入32式得:,式35即为,规范给定的角焊缝强度计算通用公式 f正面角焊缝强度增大系数; 静载时取1.22,动载时取1.0。,对于正面角焊缝,f=0,由35式得:,对于侧面角焊缝,f=0,由35式得:,以上各式中: he=0.7hf; lw角焊缝计算长度,考虑起灭弧缺陷时,每条焊缝取其 实际长度减去2hf。,四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算,1、轴心力作用下,(1)轴心力作用下的盖板对接连接:,A、仅采用侧面角焊缝连接:,B、采用三面围焊连接:,(2)T形角焊缝
10、连接,代入式3-5验算焊缝强度,即:,B. 两个方面力综合作用时,式中:,(对竖直焊缝),(对水平焊缝),(3)角钢角焊缝连接,A、仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得:,故:,角钢两侧角焊缝的内力分配系数,表3.2,对于校核问题:,对于设计问题:,B、采用三面围焊,由力及力矩平衡得:,余下的问题同情况A,即:,对于校核问题:,对于设计问题:,C、采用L形围焊,代入下式3-20,3-21得:,对于设计问题:,例2 如图所示双角钢支撑拉杆,承受轴心拉力N = 700kN (设计值,间接动力荷载),试设计其与节点板的连接角焊缝。已知钢材为Q235AF,焊条E为43型。,分析 设计角钢连接角焊缝的
11、型式,因此有三种不同型式可供采用: 两面侧焊; 三面围焊; L形围焊。,通常解此类题型是先假设焊脚尺寸后,再求焊缝的长度。,已知条件 荷载设计值及其性质; 连接板及角钢的尺寸。,解:一、按构造要求,确定角焊缝焊脚尺寸范围,已知:节点板 t = 14mm, 角钢 t1 = 10mm,hf,max = t1 1 = 9mm (角钢尖和角钢端部)。,二、角焊缝设计,1. 用侧面角焊缝,等边角钢,正反面角焊缝,每面需要:,实用角焊缝已标于图中:,角钢背:12200 (12190=2280mm2 2188mm2),角钢尖:6170 (6160=960mm2 938mm2)。,如题中未给出焊脚尺寸,则设角
12、钢背焊脚尺寸为 12mm,长lw1,设角钢尖焊脚尺寸为6mm,长lw2,考虑无引弧板:,N3 = 20.78901601.22=196.76kN,2. 采用三面围焊,设全部角焊缝焊脚尺寸为8mm,实用:l1 = lw1 + 5 = 214mm,取215mm,l2 = lw2 + 5 = 68mm,取70mm,l3 = b = 90mm,3. L形围焊,因内力较大,需hf3过大,不能采用L形围焊。,3.4.2.3 弯矩、剪力和轴力共同作用时的角焊缝计算, 矩形截面,将综合作用分解为各力单独作用之和有:,3.4.2 角焊缝的计算,3.4.2.3 弯矩、剪力和轴力共同作用时的角焊缝计算,(1)偏心轴
13、力作用下角焊缝强度计算,(2) V、M共同作用下焊缝强度计算,对于A点:,式中:Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩; h1两翼缘焊缝最外侧间的距离。,对于B点:,强度验算公式:,式中:h2、lw,2腹板焊缝的计算长度; he,2腹板焊缝截面有效高度。,三、扭矩、剪力和轴力共同作用,图3.21 扭矩、剪力和轴心力共同作用时搭接接头的角焊缝,=,假定: A、被连接件绝对刚性,焊缝为弹性,即:T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势; B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线,且大小与r成正比; C、在V作用下,焊缝群上的应力均匀分布。,3 T、V共同作用下,将F向焊缝群形心
14、简化得: V=F T=F(e1+e2),故:该连接的设计控制点 为A点和A点,T作用下A点应力:,将其沿x轴 和y轴分解:,剪力V作用下,A点应力:,A点垂直于焊缝长度方 向的应力为:,A点平行于焊缝长度方 向的应力为:,强度验算公式:,思考:以上计算方法为近似计算,为什么?,根据角焊缝强度的基本公式:,例3 试设计图示柱牛腿与柱的连接角焊缝。已知 F = 250kN (设计值,直接动力荷载), e = 0.4m,钢材Q235B,焊条E4316型。,图3.20,已知条件 荷载设计值及性质;焊缝形状及尺寸;,求解 焊脚厚度hf 。,解:,M = Fe = 250 0.4 = 100kN m,V
15、= F = 250kN,一、求等效荷载:,二、计算焊缝截面几何特征,计算时注意无引弧板,If = 0.7hf (23003/12+21901622+4901502) =15.80106 hf mm4,Aw = 20.7hf 300mm2,设焊缝焊脚尺寸为hf,A点:,B点:, 动力荷载 Bf = 1.0,计算假定:, N、V由焊缝全截面均匀承担。, 连接为绝对刚性,焊缝处于弹性工作状态;,根据假设,焊缝群最不利点是A点,式中:r A点的半径,IP = Ix + Iy 角焊缝有效截面的极惯性矩。,例4 试设计图示厚度为12mm的支托板和柱搭接的角焊缝,作用力F=100kN (设计值,静力)至柱翼
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