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1、 1 钢结构的连接方法 2 2 焊接连接的特性 3 对接焊缝的构造和计算 4 角焊缝的构造和计算 5 焊接残余应力与变形 6 普通螺栓连接的构造与计算 7 高强螺栓连接 3 一 焊缝连接 钢结构的连接方法 对接焊缝连接 优点 不削弱截面 方便施工 连接刚度大 缺点 材质易脆 存在残余应力 对裂纹敏感 角焊缝连接 4 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 N 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 优点 拆装方便 缺点 板件有削弱 5 一 钢结构常用焊接方法 1 手工电弧焊 A 焊条的选择 焊条应与焊件 钢材相适应 原
2、理 利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形 成焊缝 焊接连接的特性 焊机 导线 熔池 焊条 焊钳 保护气体 焊件 电弧 6 Q390 Q420钢选择E55型焊条 E5500 5518 Q345钢选择E50型焊条 E5000 5048 B 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 Q235钢选择E43型焊条 E4300 E4328 C 优 缺点 7 焊丝
3、转盘 送丝器焊剂漏斗 焊剂 熔渣 焊件 埋弧自动焊 8 A 焊丝的选择应与焊件等强度 B 优 缺点 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 送 丝 器 机 器 9 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 10 1 焊接连接形式 对接 11 搭接 12 1 对接焊缝 正对接焊缝 2 角焊缝 T型对接焊缝斜对接焊缝 13 3 焊缝位置 14 1 焊缝缺陷 15 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 射线透照或拍
4、片 16 钢结构工程施工及验收规范 规定 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 17 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 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 18 重级工作制和起重量 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
5、间的 形接头焊透的对接与角接组合焊缝 不应低于二级 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 的中级工作制 吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级 19 20 详细参见表3 1 图3 13 21 1 对接焊缝的坡口形式 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 t20mm时 宜采用U形 K形 X形坡口 22 C 0 5 2mm a C 2 3mm b C 2 3mm C p d C 3 4mmp C 3 4mm p e C 3 4mm p f 2 V形 U形坡口焊缝单面施焊 但背面需进行补焊 3
6、 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 23 1 2 5 1 2 5 24 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 不与计算 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 25 NN t 26
7、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 NN lw t A 当不满足上式时 可采用斜对 接焊缝连接如图B 另 当tan 1 5时 不用验算 NN t B Nsin Ncos lw 27 lw t A M V 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 28 M V1 焊缝截面 A 对于焊缝的 max和 max应满足式3 2和3 3要求 max 1 1 max B 对于翼缘与腹板交接
8、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 29 求解思路 1 受力特征 3 有效截面及截面特性 4 应力 2 计算内容 5 强度 习题 3 2 30 he hf hf 普通式 he hf 1 5hf 平坡式 1 角焊缝的形式 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 he hf hf 凹面式 31 2 斜角角焊缝 对于 135o 或 6mm时 hf max t 1 2 mm hf t1 t 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 40 式中 t2 较厚焊件厚度 另 对于
9、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 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 41 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 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 42
10、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 43 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 t1 t2 b 44 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 b 2hf t1 t2 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 45 hf he h h1 h2 d e he lw h 焊缝厚度 h1 熔深 h2 凸度 d 焊趾 e 焊根 46 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
11、 式中 焊缝金属的抗拉强度 he lw 47 N Ny Nx f f he lw 45O45O hf 48 将能量强度条件可得 上式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 49 对于正面角焊缝 f 0 可得 对于侧面角焊缝 f 0 可得 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 50 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 NN lw lw 51 2 T形角焊缝连接 Nx Ny
12、 N N 代入式3 13验算焊缝强度 即 52 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 N e1 e2 b N1 N2 xx lw1 lw2 53 54 对于校核问题 对于设计问题 N e1 e2 b N1 N2 xx lw1 lw2 55 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 N e1 e2 b N1 N2 xx N3 lw1 lw2 56 对于校核问题 对于设计问题 N e1 e2 b N1 N2 xx N3 lw1 lw2 57 C 采用L形围焊 由平衡条件可得 对于设计问题 N e1 e2 b N1 xx N3 lw1 58 2 N
13、M V共同作用下 1 偏心轴力作用下角焊缝强度计算 N e Nx Ny M A Nx M Ny hehe t 59 2 V M共同作用下焊缝强度计算 h1 fA fB f 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 xx h h2 B B A h1 M e F V M 60 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 h1 f1 f2 f xx h h2 B B A h1 M V M 将F向焊缝群形心 简化得 V F T F e1 e2 61 假定 A 被连接件绝对刚性 焊缝 为弹性 即 T作用下
14、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 F e1e2x0 l1 l2 xx y y A A 0 T V r 故 该连接的设计控制点 为A点和A 点 62 xx y y r rx ry A TAx TAy TA 0 Vy he T作用下A点应力 将其沿x轴 和y轴分解 e2x0 l1 l2 xx y y A A 0 T V r 侧缝 正缝 63 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
15、似计算 为什么 V xx y y r rx ry A TAx TAy TA 0 Vy he 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 64 65 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
16、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 500oC 800oC 300oC 300oC 500oC 800oC 施 焊 方 向 8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm 产生的原因 1 焊缝的纵向收缩 使焊件有反向弯曲变形的趋势 导致两焊件在焊缝处中部受拉 两端受压 2 焊接时已凝固的先焊焊缝 阻止后焊焊缝的横向 膨胀 产生横向塑性压缩变形 焊缝冷却时 后 焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力 而先焊焊缝产生压应力 因应力自相平衡 更远 处焊缝则产生拉应力 应力分布与施焊方向有关 以上两种应力的组合即为 横向焊接残余应力 66 67 a 焊缝纵向收缩 时的变形趋势 b 焊缝纵向收缩 时的横向应力 x y 施 焊 方 向 c 焊缝横向收缩 时的横向应力 x y d 焊缝横向 残余应力 y x 不同施焊方向下 焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 施 焊 方 向 e 施 焊 方 向 f x y y x 在厚钢板的焊接连接中 焊缝需要多层施焊 焊接 时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝 阻止后焊焊缝的膨 胀 产生塑
