焊接强度计算(清晰完整版).pdf

第一节 焊缝连接 一、焊接的方法与构造 焊接是将连接件局部加热成液态或胶体状态，采用压力或加填充金属 使之相互结合成整体的方法 机械装备金属结构主要采用熔焊法中的气焊、电弧焊和电渣焊，压焊 法中的点焊 1）对接连接）对接连接2）搭接连接）搭接连接3））T型连接和角接统称为顶接型连接和角接统称为顶接 图5-1 焊缝和焊缝连接型式 a），b），d）对接e），c），f）搭接g），h） T型连接i），j）角接1-直对接焊 缝2-斜对接焊缝3-端面角焊缝 4-侧面角焊缝 5-槽焊缝6-塞焊缝（电铆钉） 7，9-顶 接角焊缝8，10-顶接对接焊缝 1.焊接接头型式主要有三种：焊接接头型式主要有三种： 2．焊缝的种类及构造 机械装备金属结构中主要采用对接焊缝和角焊缝两种 （1）角焊缝按其长度的连贯性分为连续焊缝和断续（间断）焊缝两种 （2）焊缝按焊工施焊的方位分为俯焊、立焊（水平的和垂直的）、仰 焊（图5-2） 焊接时应优先采用施焊方便、质量可靠的俯焊缝；仰焊的条件最 差，不易保证焊缝质量，应尽量避免 二、焊缝的标注 根据GB/T 324-2008《焊缝符号表示方法》的规定，在结构施工图 纸上完整的焊缝符号包括基本符号、指引线、补充符号、尺寸符号。

1 焊缝代号包括： (1)基本符号(2)辅助符号(3)补充符号(4)尺寸符号 2 焊缝指引线: (1)箭头线(2)基准线(3)尾部 图图5-2 焊缝指引线、焊缝符号及尺寸标注分区示意图焊缝指引线、焊缝符号及尺寸标注分区示意图 1-箭头线箭头线 2-实基准线实基准线 3-虚基准线虚基准线 4-尾部线尾部线 三、焊缝的强度与许用应力 焊缝的强度与构件材质、焊条型号、连接型式和焊接工艺等有关， 焊缝的强度用许用应力（以结构件材料的基本许用应力乘以换算系数而 得）来表征焊缝的许用应力依焊条种类、结构材料、焊缝型式和应力种 类而有所不同 当对接正焊缝（如手工焊）的强度低于钢材强度时，为保证其等强 度，可采用对接斜焊缝连接（图5-3b），斜焊缝截面应力按下式 算： （ 当对接正焊缝（如手工焊）的强度低于钢材强度时，为保证其等强 度，可采用对接斜焊缝连接（图5-3b），斜焊缝截面应力按下式 算： （5-1）） [] h f N l σσ δ =≤ α α lf lf α α α α α α lf lf α α α α 图图5-3 承受轴向力的对接焊缝连接承受轴向力的对接焊缝连接 a）正焊缝）正焊缝b）斜焊缝）斜焊缝 四、焊缝的计算 （一）简单焊缝的计算 1．承受轴向力的对接焊缝 a. 当构件采用横向对接正焊缝时，对接正焊缝（图5-3a）的焊缝 截面应力按下式计算： [] s i n hh f N l α σσ δ =≤ [] c o s hh f N l α ττ δ =≤ b. 角焊缝连接分为端焊缝、侧焊缝和围焊缝三种型式。

角焊缝连接的破坏形式和焊缝截面应力分布较复杂，则假定角焊缝 沿强度较小的焊缝分角线平面发生剪切破坏，剪应力沿焊缝长度方向为 均匀分布 对称构件采用侧焊缝或围焊缝连接时，角焊缝截面应力按下式算 ： [] 0 .7 hh ff N hl ττ= Σ ≤ （（5-2） （ ） （5-3） （ ） （5-4）） 图图5-4 角焊缝的破坏形式和应力分布角焊缝的破坏形式和应力分布 不对称构件采用角焊缝连接（图5-5）时，侧焊缝面积的分配应保证焊 缝形心与构件截面的形心重合或接近，则按下式计算： [] 10 0.7 i i f fh K N libj hτ =+=（， ） （（5-5）） 图图5-5 用侧焊缝连接不对称构件用侧焊缝连接不对称构件 2.承受弯矩和剪力共同作用的焊缝 a.承受弯矩和剪力的对接焊缝中的K型焊缝（图5-6）按下式计算： [] 2 6 hh fff MM Wl h σσ==≤ h f h ff F S Ih ττ⎡⎤= ⎣⎦ ≤ （（5-6） （ ） （5-7）） 图图5-6 承受弯矩和剪力的对接焊缝和承受弯矩和剪力的对接焊缝和K型焊缝型焊缝 a）对接焊缝）对接焊缝b））K型焊缝型焊缝 [] 22 2 hhh στσ+≤ 对于焊缝中剪应力和正应力均较大处（如梁腹板与翼缘的连接）， 应按下式计算折算应力： 对于焊缝中剪应力和正应力均较大处（如梁腹板与翼缘的连接）， 应按下式计算折算应力： b. 承受弯矩和剪力的角焊缝（图5-7），与受轴向力构件的焊缝连接 一样，仍假定按焊缝最小截面的剪应力计算： [] 2222 ()() hFMh ff FM AW ττττ=+=+≤ （（5-8） （ ） （5-9）） 图图5-7 承受弯矩和剪力的角焊缝承受弯矩和剪力的角焊缝 （二）复杂焊缝的计算 1．支托焊缝连接 a.轴惯性矩法 ▲计算时假定： ①剪力F仅由竖直焊缝平均承受； ②焊缝与构件变形一致； ③弯矩M由全部焊缝承受，弯矩产生的剪应力与其至组合焊缝计算截面 形心轴的距离y成正比； 则由剪力F和弯矩M引起的焊缝剪应力分别为： F f F A τ= ′ M f M y I τ= （（5-10） （ ） （5-11）） 图图5-8轴惯性矩法的计算模型轴惯性矩法的计算模型 竖焊缝边缘的最大组合剪应力为：竖焊缝边缘的最大组合剪应力为： [ ] 22 FMh τττ+≤ （（5-12）） b.极惯性矩法 图5-9所示是采用角焊缝连接的支托结构，用以承受偏心载荷。

偏 心载荷F转化为通过焊缝形心的剪力和扭矩 图图5-9 极惯性矩法的计算模型极惯性矩法的计算模型 ▲计算时假定： ①剪力F由全部焊缝平均承受； ②连接构件是刚体，而焊缝是弹性的； ③在扭矩作用下，使支托产生绕焊缝形心O旋转，焊缝上任一点的剪应 力方向垂直于该点与焊缝形心Ｏ的连线，其大小与连线的长度成正比 ； 由剪力和扭矩引起的焊缝剪应力分别为：由剪力和扭矩引起的焊缝剪应力分别为： F f F A τ= n ni M p Mr I τ= 焊缝截面任意点的组合剪应力按矢量合成焊缝截面任意点的组合剪应力按矢量合成=+ n FM τ τττττ ??? ，且应按 验算焊缝强度，即 ，且应按 验算焊缝强度，即 [] maxh ττ≤ 最大剪应力τ最大剪应力τmax （（5-13）（）（5-14） （ ） （5-15）） 2．混合连接 （1）角焊缝与塞焊缝（电焊铆钉）连接 [] A fcd h N AA τ =+≥ 图图5-10 角焊缝与塞焊缝连接图角焊缝与塞焊缝连接图5-11 角焊缝与对接直焊缝连接角焊缝与对接直焊缝连接 （（5-16）） （2）角焊缝与对接正焊缝连接 当侧焊缝的长度和厚度确定后，塞焊缝（电焊铆钉）的直径为： （2）角焊缝与对接正焊缝连接 当侧焊缝的长度和厚度确定后，塞焊缝（电焊铆钉）的直径为： () 4 h c NA d n τ π ⎡ ⎤ − ⎣⎦ = [] h pz N AA σ =− [] 0.7 h z hh ff NA h l σ ττ − = Σ ≤[ ] （（5-17） （ ） （5-18） （ ） （5-19）） 焊缝连接疲劳强度计算及合理构造 机械装备金属结构在受变载荷作用时，将产生疲劳破坏。

焊接连接的 疲劳强度主要取决于钢材的种类、接头型式（应力集中情况）、结构工作 级别（应力谱和应力循环次数）、结构件（连接接头）的最大应力和应力 循环特性（）等 minmax /rσσ= 焊接连接的疲劳强度低于静强度，故对直接承受连续重复载荷的结构 件或连接接头，除计算静强度外，还应计算疲劳强度 为了提高焊接接头的静强度和疲劳强度，通常采用以下措施来保证 : 1）优先采用对接正焊缝连接 2）尽量采用自动焊和气体保护焊，选用与焊件材料相适应的优质焊条 和适宜的焊接程序，避免仰焊和立焊 3）不要任意加大焊缝，避免焊缝的密集和交叉，使焊缝形心与构件截 面的形心重合 4）为了避免焊缝起止点处出现凹形焊口，产生大的应力集中 4）为了避免焊缝起止点处出现凹形焊口，产生大的应力集中 5）宽度或厚度不同的构件对接时，对接焊缝处的钢板宽度和厚度均应 从一侧或两侧逐渐改变，并做成小于1：4的斜度（图5-12）用连接板连接构 件时，连接板端部的厚度和宽度也应逐渐减小（图5-13） 6）桁架节点板不宜过大，应尽量减少外露的尖角 图图 5-12 宽或厚度不相同的构件对接 图 宽或厚度不相同的构件对接 图5-13连接板端部与构件的合理连接连接板端部与构件的合理连接 第二节 普通螺栓连接和铆钉连接 一、普通螺栓及铆钉连接的分类和基本要求 铆接分为热铆和冷铆两种。

铆接的优点是对经常承受动载及在低 温下工作的结构，有较高的可靠性，韧性和塑性较好，质量检查方便但 铆钉连接工艺复杂，费工费时，现已很少采用 螺栓按照性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、 10.9、12.9等十个等级，其中8.8级以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并 经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，8.8级以下（不含8.8级） 通称普通螺栓 螺栓性能等级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓的公称抗拉 强度和材质的屈强比 栓接和铆接均可做成对接（用拼接板）、搭接和顶接的形式在连 接接头上排列布置形成螺栓（铆钉）群，最好采用同一孔径，尽量减 少构件同一截面的孔数 螺栓性能等级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓的公称抗拉 强度和材质的屈强比 栓接和铆接均可做成对接（用拼接板）、搭接和顶接的形式在连 接接头上排列布置形成螺栓（铆钉）群，最好采用同一孔径，尽量减 少构件同一截面的孔数 二、螺栓、销轴和铆钉的许用应力二、螺栓、销轴和铆钉的许用应力 螺栓和铆钉的强度与应力种类、螺栓、销轴和铆钉材料、制孔方法、螺栓精 度及类别有关 螺栓和铆钉的强度与应力种类、螺栓、销轴和铆钉材料、制孔方法、螺栓精 度及类别有关。

图图5-14 受剪连接的破环形式 栓接和铆接的强度计 受剪连接的破环形式 栓接和铆接的强度计 1．栓接和铆接受力和破坏形式： 按受力性质分为受剪连接和受拉连接两 种 ．栓接和铆接受力和破坏形式： 按受力性质分为受剪连接和受拉连接两 种 a. 受剪连接可能出现下列几种破坏形式（图受剪连接可能出现下列几种破坏形式（图5-14）：）： 1）栓杆剪切破坏较为常见栓杆剪切破坏较为常见 2）孔壁挤压破坏较为常见，其现象是孔的一边被压坏变为长形孔孔壁挤压破坏较为常见，其现象是孔的一边被压坏变为长形孔 3）杆身挤压破坏较为少见，采用较厚板可以避免杆身挤压破坏较为少见，采用较厚板可以避免 4）被连接构件剪切破坏当螺栓（铆钉排列满足规定要求 时，可以避免这种破坏) 受拉连接中，外载荷使被连接件的接触面有相互脱开的趋势， 使螺栓（铆钉）受过大的拉力而产生螺栓拉断（在螺纹截面）或铆 钉头拉脱（颈部拉断） 2．栓接和铆接的许用承载能力计算 在受剪连接中，栓接和铆接的承载能力为： 单栓抗剪 ．栓接和铆接的许用承载能力计算 在受剪连接中，栓接和铆接的承载能力为： 单栓抗剪 : 单钉抗剪单钉抗剪 : 孔壁承压孔壁承压 : 2 4 ll jjj d Pn π τ⎡⎤⎡⎤= ⎣⎦⎣⎦ 2 4 mm jjj d Pn π τ⎡⎤⎡⎤= ⎣⎦⎣⎦ []Pd cc σ ⎡⎤= Σ ⎣⎦ （（5-20） （ ） （5-21） （ ） （5-22）） （二）螺栓（铆钉）群的承载能力计算 根据连接不同的受力情况，连接计算方法分为以下两种： 1.受轴向力作用的连接计算 a.受拉连接中所需的螺栓（铆钉）总数 b.受剪连接中被孔削弱处连接构件的强度强度 : []m i n N n P ≥ [ ] minj N A σσ=≤ 图图5-15 在轴向力下受剪连接构件的净面积在轴向力下受剪连接构件的净面积 a）并列式）并列式b）错列式）错列式 c）计算图）计算图 （（5-23） （ ） （5-24）） 2．受扭矩作用的连接计算 （ ．受扭矩作用的连接计算 （1）受剪连接： （ ）受剪连接： （。