毕业设计(论文)-钢结构的焊接变形与应力分析.doc
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1、洛阳理工学院毕业设计(论文)钢结构的焊接变形与应力分析摘 要 近年来,随着我国的工业发展,钢结构工程因其结构性能好、结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好,适于承受冲击和地震荷载、要求施工速度快、节能环保、便于机械化生产和工业化程度高等很多优越条件,因此钢结构工程在建筑领域被广泛应用。 本课题主要对H型钢焊接变形与应力进行研究,主要内容包括H型钢结构概述、H型钢结构焊接工艺、H型钢结构焊接应力与变形分析、典型H型钢结构焊接生产工艺等,本文通过研究分析H钢结构焊接应力与变形的类型及原因,以指导钢结构的生产及应用。关键词:钢结构,焊接变形,应力,强度STEEL STRUCTURE WELD
2、ING DEFORMATIONAND STRESS ANALYSIABSTRACTIn recent years, along with Chinas industrial development, steel structure engineering because of its structure performance is good, structural organization uniformity, high strength, high modulus of elasticity, plasticity and toughness, suitable for bear imp
3、act and the seismic load, construction speed and facilitate the mechanization of manufacturing and higher degree industrialization superior conditions, so many steel structure engineering in architecture has been widely used. But, cant deny, steel structure still exist defects and hidden trouble. St
4、eel structure welding process is the welding deformation and the welding stress wait for blemish. Steel structure welding process is actually in welding after heating and cooling local area, but due to the solidification process of non-uniform temperature field, causing welding uneven expansion and
5、contraction, thereby internally generated welding welding stress and cause the welding deformation. This paper mainly analyzes the steel structure types and reasons of the welding deformation and stress elimination. KEY WORDS: steel structure, The welding deformation, Stress, StrengthIII目录中文摘要ABSTRA
6、CT目 录前言1第1章 钢结构的组成及发展3第2章 H型钢概述62.1 H型钢优点、适用范围62.1.1 H型钢的优点62.1.2 H型钢的适用范围62.2 H型钢的产品规格分类、表示方法72.3 H型钢结构对连接的要求72.4 H型钢生产方式72.5 H型钢生产工艺8第3章 H型钢结构焊接工艺及变形103.1 H型钢焊接工艺设计103.1.1 H型钢结构特点103.1.2 H型钢的制作要点103.1.3 焊接过程中的难点103.1.4 产生变形的原因113.2 焊接工艺分析113.2.1 熔透焊的难点113.2.2 焊接工艺方案113.2.3 焊接工艺方法123.2.4 焊接变形控制与矫正1
7、23.2.5 采取的预防方法和产生的效果13第4章 H型钢结构焊接应力与变形分析154.1 型钢焊接变形种类及影响因素154.2 型钢的应力与变形164.2.1 纵向残余应力x164.2.2 横向残余应力y174.2.3 厚度方向的残余应力z184.2.4 焊接应力与变形产生的原因184.2.5 焊接残余应力对焊接结构的影响204.2.6 控制措施21第5章 箱形柱产生的焊接变形及工艺控制措施225.1 箱形柱的结构特点225.2 焊接变形分类及其影响225.2.1 焊接残余变形的分类225.2.2 焊接残余变形对焊接结构的影响235.3 箱形柱焊接变形影响因素245.4 箱形柱常见焊接变形规
8、律分析255.4.1 箱形柱挠曲变形规律255.4.2 箱形柱焊接收缩变形27结 论32谢 辞33参考文献34附 录36外文资料翻译40前言钢结构的发展有悠久的历史。钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成,是主要的建筑结构类型之一。 钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。我国是最早用铁制造承重结构的国家,远在秦始皇时代(公元前246-219年),就已经用铁做简单的承重结构, 而西方国家在17世纪才开始使用金属承重结构。公元3-6世纪, 聪明勤劳的我国人民就用铁链修建铁索悬桥,著名的四川泸定大渡河铁索桥,云南的元江桥和贵州的盘江桥等都是我国早期铁体承重结构的例子。在世界上钢结构
9、的发展也很迅速,1960 日本积水(SEKISUI HOUSE)公司推出A型钢结构住宅。1961 建成北京工人体育馆。中国现代悬索结构的开始。 1962 日本大和公司推出A型钢结构住宅。 1965 日本松下住宅推出R2N型钢结构住宅。1970 当时世界最高大厦纽约世界贸易大厦建成,高410米 1973 当时最高的芝加哥西尔斯大厦Sears Tower完工,110层,高442米。1974 中国颁布TJ 17-44 (半概率,半经验的设计法)。钢结构因其技术成熟、施工周期短、易于回收等独特优势,得到了迅速发展和普遍应用。而焊接作为一项重要的钢结构制作和连接技术,但随之带来的焊接变形与应力问题也日益
10、突出。金属构件焊接时,焊缝区域局部受热膨胀,而周围的母材还处于冷态式或加热温度不高,因而对受热区域母材的膨胀起约束作用,因而焊接区受压,而母材受拉;随着电弧前移,已完成焊接的热影响冷却收缩,而其周围的母材此时起到了约束其收缩的作用,因而焊缝区域受拉,而其周围的母材金属受压。在焊接应力作用下,如果焊件的拘束度较小,则焊件会产生相应的变形,如缩短、弯曲、翘曲等;如果焊件的拘束度很大,此时焊件不能自由变形,但在应力作用下会产生局部的应变,同时产生较大的残余应力。焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中,在焊件上产生局部高温的不均匀温度场,焊接中心处温度可达1800,局部高温使材料产生不均匀的膨胀。处于
11、高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀,于是焊件内出现内应力,使高温区的材料受到挤压,产生局部压缩塑性应变,在冷却过程中,经受压缩塑性应变的材料,由于不能自由收缩而受到拉伸,于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。另外,由于构件受到焊接热循环的作用,使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化,引起了因金属组织转变而造成体积上的变化。产生相变应力。除上述两种原因外,如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住,也会在焊接件中产生焊接应力,上述因素就是焊接残余应力的形成过程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的过程。但由于不均匀温度场,导致
12、焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。本课题主要从H型钢结构的焊接变形与应力对钢结构的影响来分析。32第一章 钢结构的组成及发展 1.1 钢结构主要组成部分钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成,是主要的建筑结构类型之一。 钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。 钢结构住宅屋面系统是由屋架、结构OSB面板、防水层、轻型屋面瓦(金属或沥青瓦)组成的。 迈特建筑轻钢结构的屋面,外观可以有多种组合。材料也有多种。在保障了防水这一技术的前提下,外观有了许多的选择方案。钢结构为确保达到保温效果,在建筑物的外墙和屋面中使用的保温隔热材料能长期使用并能保温隔热。
13、迈特建筑轻钢结构住宅一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外,在墙外侧再贴一层保温材料,有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥;楼层之间搁栅内填充玻璃纤维,减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维,减少户墙之间的热传递。1.2 钢结构的发展前景 近年来轻钢结构建筑在国内以施工进度快(构件为预制,与土建基础部分可同时施工) 、外形色彩美观、时尚、环保(拆除时较混凝土结构易处理) 得到较快发展。这种结构形式,大多采用的是焊接H型钢。作为钢结构主体材料的结构设计,H型钢已被业内专家认为是今后的发展趋势。据统计2005年我国H型钢需求量约250万吨,2010年需求量500万吨,但目前我国H型钢年
14、生产能力为120万吨,市场需求量非常巨大。一 H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展H型钢由于截面经济合理、性能优越、加工制作和施工安装工艺简单、方便、快捷,成为建筑钢结构体系中重要的材料组成部分,从而被广泛应用于国民经济建设的各个领域,工业厂房,特别是重工业厂房中的承重框架梁、柱构件,如上海晶元芯片工厂两个月就用了几千吨;化工行业的大量管廊和罐体、塔体设备支架,冶金行业炼钢平台、高炉框架、厂房、轨道等,电厂的煤仓、汽机岛、输送长廊等等。陆地和海洋石油钻井平台、车辆、仓储式大型超市、桥梁隧道等大型施工。仅深圳西部电厂基础打桩414*405就用了5000多吨。地下工程的钢桩及支护结构,SM
15、W坑基施工法就使上海F1赛车场、上海南站地下700*300、488*300用了1万多吨,钱塘江大桥施工辅桥、西湖隧道的坑道支护;厦门、湖南会展中心等等都看到了H型钢的身影。钢结构建筑形式的多元化、多样化,促进了钢结构形式多种多样。有普通钢结构、薄壁轻钢结构、高层民用建筑钢结构、门式钢架轻型房屋钢结构、网架结构、压型钢板结构、钢结构焊接和高强度螺栓连接、钢与混凝土结合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨(型钢)混凝土结构等等。如:轻钢结构,目前在国际上,特别是在我国,是被重点推荐的一种结构形式。它具有重量轻、经济性好等特点,目前在各种屋盖结构及单层房屋中得到广泛应用。在中、小跨度的屋盖中,轻型钢及轻型钢管
16、拱型结构(平面曲线材架)也是较多采用的形式之一。网壳结构在大跨度空间结构的建造中越来越多,网壳结构在地震作用下的动力性能与设计也得到了普遍关注。网壳结构形式较多,有空间网格结构、单桩层面网壳结构、单层球面网壳结构、索承网壳结构等。钢管结构因其形式多样,结构灵活多变,可与其他钢结构相互关连,更是城镇建设中大型建筑常见的结构形式。目前一些造型优美的体育场馆如“鸟巢”、机场候机楼和会展中心应用钢结构等都采用了这些形式。不过,螺旋焊管在高层大厦、重工业厂房等重钢结构中新的应用,都使热轧H型钢在钢结构领域应用受到限制。 二 钢结构住宅前景广阔轻钢结构住宅也是近10年来发展最快的领域,在美国采用轻型钢结构
17、占非住宅建筑投资的50%以上。这些结构工业化、商品化程度高,施工快,综合效益高,市场需求量很大,已引起结构设计人员认识。轻钢住宅的研究开发已在各地试点,是轻钢发展的一个重要方向,目前已经有多种低层、多层和高层的设计方案和实例。钢结构住宅通用体系用于民用住宅,具有独特的优势,与其它住宅通用体系相比,其主要特点是:1 自重轻,可减轻建筑物的重量约30%,有利于建设高层,特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方,其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。2 布置灵活,开间大,房型丰富,约可提高建筑面积3%5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性,有利于满足现代人的居住需要,适应现代住宅的市场需求。 3
18、 可以工厂化生产,更易实现工业化、定型化、批量化生产,提高劳动生产率。4 施工周期大大缩短。据研究,钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半,减少作业量,且其节能指标可达50%,属环保型绿色建筑体系。钢结构住宅因其可做到大跨度、大空间,分隔使用灵活,而且施工速度快、抗震有利的特点,必将对我国传统的住宅结构产生较大冲击。但由于受到相关领域如墙体材料、消防验收的制约,特别是在工业化、城市化快递进程中,人们环保意识淡薄,劳动力成本低等因素,导致住宅钢结构在我国短时间内难以形成规模。一旦住宅钢结构技术上取得突破性进展,逐步取代传统建筑形态进入住宅建设市场,钢结构行业将引来爆发性的增长。三 拖挂
19、车、造船、叉车生产等制造业是H型钢应用的潜在市场 拖挂车主要分集装箱专用车和半挂车,美国和欧洲的集装箱专用车用量很大,周转效率很高。该运输车的大梁基本上采用W12系列的热轧H型钢,美国市场年销售车身约30万辆,国内生产出口在23万辆。马钢近期W12系列的开发,不仅会逐步替代进口材料,而且有出口有能力。国内随着经济的快速发展,对运输业的要求也越来越高,大型载货车重型化、箱式化是货车制造业的发展方向。其大梁由槽钢过度到工字钢,目前已大量使用特殊的焊接H型钢。但由于竞争激烈,许多厂家利用价格较低的翼缘板和开平板来降低成本,加上尺寸特殊,短期内采用热轧H型钢的难度比较大。大型船舶的龙骨,叉车门架、城市
20、高架的隔音护栏、施工隧道和矿井的支护、大型机械设备的底座轨道等等都是H型钢的潜在市场。四 利用资源优势大力发展钢结构产业在重钢结构方面,除宝冶、二十冶等之外,武钢、首钢钢结构也走在前面,承担的大部分都是公司自己开发的项目。在轻钢结构方面,莱钢等单位发展早、规模大,马钢小H型钢紧随其后。钢厂内部除了厂房、设备平台之外,很多场合都可以用H型钢,比如用小H型钢制作的围墙,而且使用寿命低,成本低。型钢生产过程中由于多种因素会产生一些非定尺和可利用材,比如轨道、管廊支架,基础打桩等能用一些通过分检之后的可利用材,在莱钢就看到几乎所有新建的支架、厂房都使用H型钢,在济钢、长钢等也都是大量使用H型钢。第2
21、章 H型钢概述H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材,因其断面与英文字母“H”相同而得名。 2.1 H型钢优点、适用范围2.1.1 H型钢使用中有以下显著优点:1 H型钢可使建筑等钢结构件重量减轻1530%,用于桥梁上可减轻结构件重量1315%;2 在荷载相同的情况下,使用H型钢可节省用钢量;3 用H型钢建造建筑物或工程,可比采用钢筋砼缩短一半的建设工期并减少施工对周围环境的影响;4 建造同等面积的楼宇,用H型钢比用钢筋砼能增加约6%的有效使用面积,在同样跨度时可减少梁的高度,故同净空高度时可减少楼层高度,节约内外墙工作量约3%;5 H型钢可剖分、切割组装加工成T形
22、钢及蜂窝梁,用其替代工、角、槽等普通型钢制作屋架、支撑等构件可节省很多材料,减轻结构重量;6 H型钢的抗动载性能大大高于焊接H型钢和钢筋砼,其抗震性及抗台风性极好,更适合用来建造高层建筑、工业厂房和大跨度桥梁等;7 热轧H型钢由万能轧机轧制成型,截面尺寸准确平直,比焊接H型钢少了焊接、校正工序,可节约成本费用约1530%。2.1.2 H型钢适应范围由于H型钢的各个部位均以直角排布,因此H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点,已被广泛应用。常用于要求承截能力大,截面稳定性好的大型建筑(如厂房、高层建筑等),以及桥梁、船舶、起重运输机械、石油钻井平台、设备基础、支
23、架、基础桩等。 2.2 H型钢的产品规格分类、表示方法H型钢分为宽翼缘H型钢(HK)、窄翼缘H型钢(HZ)和H型钢桩(HU)三类。其表示方法为:高度H宽度B腹板厚度t1翼板厚度t2,如H型钢Q235、SS400,200200812表示为高200mm宽200mm腹板厚度8mm,翼板厚度12mm的宽翼缘H型钢,其牌号为Q235或SS400。2.3 H型钢结构对连接的要求基本构件通过连接制成整体结构。例如:屋架。在H型钢结构中,连接的设计、制作、安装占有很重要的地位,所以设计时,在选用合理的连接方式时,应考虑以下问题:1 连接设计与结构内力分析时的假定相一致;2 连接设计应选择最不利的荷载工况;2
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