钢结构设计原理第3章 连接.ppt

第三章,钢结构的连接,,大纲要求,1.了解钢结构连接的种类及各自的特点； 2.了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算方法及构造要求； 3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响； 4.了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算和构造要求一、焊缝连接,§3.1 钢结构的连接方法,优点：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．结构刚度大缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出三、螺栓连接,优点：连接刚度大，传力可靠；,分为：普通螺栓连接高强度螺栓连接,二、铆钉连接,缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差， 施工速度慢一、钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊,用手工操纵焊条、用电弧作为热源的焊接方法,,§3.1.1 焊接方法和焊接连接形式,焊条的选择：,焊条应与焊件钢材相适应Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500--5518),Q345钢选择E50型焊条(E5000--5048),Q235钢选择E43型焊条（E4300--E4328),焊条的表示方法：,E—焊条(Electrode),第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4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缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；,手工电弧焊优、缺点,2.埋弧焊（自动或半自动）,利用在焊剂层下燃烧的电 弧进行焊接的方法,焊丝的选择应与焊件等强度 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，施工位置受限等3.气体保护焊,优、缺点：优点：焊接速度快，焊接质量好缺点：施工条件受限制等1.焊缝形式,（1）对接焊缝：焊缝位于被连接板件或其中一个板件的平面内,（2）角焊缝：焊缝位于两个被连接板件的边缘位置,二、焊接连接形式和焊缝形式,2.焊接连接形式（按被连接构件的相对位置）,对接链接,采用拼接盖板的对接链接,搭接连接,T形链接,角部连接,3. 焊缝位置,三、焊缝缺陷及焊缝质量检查,1.焊缝缺陷,裂纹,焊瘤,烧穿,弧坑,气孔,夹渣,咬边,未熔合,未焊透,2.焊缝质量检查,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷内部检验主要采用超声波，有时还用磁粉检验荧光检验等辅助检验方 法还可以采用X射线或 γ射线透照或拍片《钢结构工程施工及验收规范》规定（不要求）,,焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级 和三级。

三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合 三级质量标准；,一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准《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：P64,(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3.焊缝质量等级及选用,(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 Ｑ＞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Ｔ形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级４）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Ｑ＞５０ｔ的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级4.焊缝代号,,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造,§3.2 对接焊缝的构造与计算,对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关t--焊件厚度,(1)当:t<6mm(手工焊),t<10mm(埋弧焊)时可不做坡口,采用直边缝;,(2)t=7~20mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;,(3)t>20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。

2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊； 3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1—较薄焊件厚度； 4、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(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种； 动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不予计算三级焊缝需进行计算； 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二、对接焊缝的计算,1、轴心力作用下的对接焊缝计算,式中：N—轴心拉力或压力；t—板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；ftw、fcw —对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B另:当tanθ≤1.5时,不用验算!,2、M、V共同作用下的对接焊缝计算,因焊缝截面为矩形，M、 V共同作用下应力图为：,故其强度计算公式为：,式中：Ww—焊缝截面模量； Sw--焊缝截面面积矩；Iw--焊缝截面惯性矩。

1）板件间对接连接,（2）工字形截面梁对接连接计算,A、对于焊缝的σmax和τmax应满足式3-29和3-30要求；,B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足下式要求：,1.1—考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数1、角焊缝的形式:,一、角焊缝的形式和受力分析,§3.3 角焊缝的构造与计算,直角角焊缝、斜角角焊缝,（1）直角角焊缝,,（2）斜角角焊缝,对于α>135o或α<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）,2.直角角焊缝的受力分析,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,B. 正面角焊缝的破坏形式,（3）斜角焊缝,斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间单击图片播放,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,max≤1.2t1（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 t≤6mm时，hf,max≤t；当 t>6mm时，hf,max≤t-(1~2)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1mm;当t2≤4mm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，计算时不予考虑；2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制4.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、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3—4、3—5式，代入3—3式得：,式3—6即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式 βf—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，τf=0，由3—6式得：,对于侧面角焊缝，σf=0，由3—6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形角焊缝连接,代入式3-6验算焊缝强度，即:,(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:,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:,,,2、N、M、V共同作用下,(1)偏心轴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 简化得:V=FT=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：,T、V联合作用下 的例题,五、斜角角焊缝的计算,1、由于斜角角焊缝的研究不够充分，为简化计算，规范规定：对于两焊脚边夹角60o≤α≤135o的斜T形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相同的计算公式，且统一取βf=1.02、斜角角焊缝的计算厚度hei,由几何关系得其通式为：,式中：b、b1和b2≤5mm,说明： A. b1和b2≤1.5mm时,可取b1、b2=0 B. b1和b2 > 5mm时,应如图“B”方式处理，且使b≤5mm。

§3.4 焊接应力和焊接变形,一、焊接残余应力的分类及其产生的原因1、焊接残余应力的分类A、纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;B、横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向;C、沿厚度方向的焊接残余应力2、焊接残余应力产生的原因（1）纵向焊接残余应力,焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。