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1、 国际焊接学会授权的培训机构 哈尔滨焊接技术培训中心 Harbin Welding Training Institute 国际焊接工程师培训课程 Training Course for International Welding Engineer IIW Authorised Training Body 焊接结构及设计复习提纲 前言 结构设计基础部分 焊接结构设计 结构设计基础部分 安全校核 强度校核 稳定性校核 刚度校核 Sd 作用力 结构设计基础 强度理论基础 Rd 抵抗力 强度理论基础 1 例 材料 S235 问题1 简支梁的结构构成 由杆件 承受弯矩 和支座 将载荷传递到地基 组成 支
2、座包括 固定支座 提供两个支座反力 应用在此结构 活动支座 提供一个支座反力 应用在此结构 紧固支座 提供三个支座反力 未应用 问题2 此结构体系是否属于静定系统 n a z 3 s 3 0 3 1 0 静定系统 问题3 简支梁受哪几种内力作用 如何分布 内力是指物体内部各质点之间的相互作用 物体不受 外力时 其内部各质点之间也存在内力 它使质点间 相对位置保持不变 当物体受外力作用而发生变形 时 物体所受内力发生变化 产生了 附加内力 称 为内力 内力包括 水平方向力 N 物体水平方向所受内力 构件不承受 垂直方向力 V 物体垂直方向所受内力 构件承受 弯 矩 M 物体所受力矩 构件承受 其
3、分布趋势见上图 计算过程如下 Av支座A的垂直方向支座反力 Bv支座B的垂直方向支座反力 AH支座A的水平方向支座反力 MA力矩 1 Fd Q l 292 5 8 2340kN 2 支座反力计算 平衡条件 H 0 V 0 M 0 3 内力计算 平衡条件 H 0 V 0 M 0 水平方向力 N 垂直方向力 V 横向内力V Q 的确定 设A B点之间任取一点 距A点为x 弯 矩 M 截面弯矩M的确定 设A B之间任取一点至A点距离 为x 问题4 计算梁的截面参量惯性距Iy和翼板截面参量 静距Sy Iy惯性矩cm4 弯曲和剪切引起的应力 弯曲所产生的变形 Sy 静矩cm3 剪切时的应力 问题5 简支
4、梁受哪几种应力作用 在截面上如何分 布 应力 力 受力面积 正应力 作用力垂直作用到横截面积上 剪应力 作用力平行作用到横截面积上 问题6 简支梁所使用材料的许用应力 为了使建筑物不致在应力达到屈服极限时出现变形 现象 许用应力是根据材料S235屈服极限而不是根 据断裂极限来进行保障 问题7 简支梁所使用材料的强度和延伸率是如何 确 定的 材料特征值用来表示材料的性能 也用来说明在载 荷 作用下所能达到的结构关系 在拉伸试验中 如果把应力和由应力引起的应变表 示 在一个坐标系中 就会产生一个应力 应变图 该 图 描绘了变形的特征 问题8 确定简支梁所使用材料的屈强比 有何意 义 屈强比较大表示
5、可节约材料 屈强比较大表示可提 高安全性 问题9 梁的截面如果选择箱型截面 会提高哪方 面 的能力 梁的截面如果选择箱型截面可提高梁的抗扭曲能力 扭曲是构件横截面在扭矩 当作用力偏离剪力中心 时 则将产生扭矩的作用下相对轴线而产生的转 动 变形 如果载荷通过剪切中心构件上不产生扭曲 Am是箱形梁的剪力作用的面积 即图中阴影线部分 问题10 说明焊缝标识的意义 ISO2553 焊缝为双面角焊缝 焊缝厚度为6mm 焊接位置为箭 头所指位置 问题11 此梁的焊接接头是哪一种 焊接接头是把零件或部件用焊接的方法相互连接起 来 的区域 接头的种类是通过零部件在结构设计上相 互 配置的情况而确定的 焊接工
6、字梁为T型接头 问题12 选用哪一种角焊缝 有何特点 选用平面角焊缝 施工中认为这种焊缝形状是最经 济 的 因为它不存在多余的焊缝体积 尽管存在小的 外 部缺口效应 但在主要承受静载荷的构件上仍可使 用 这种焊缝形状 另 凸面角焊缝一般应被避免 它是不经济的并且具有最 大的缺口效应 仅在角接焊缝时使用这种焊缝形状 甚至认为是有利的 凹面角焊缝的焊缝体积大于平角焊缝的焊缝体积 凹 形角焊缝具有最小的外部缺口效应 因此优先用于承 受动载的构件中 它们多半只能在船形位置焊接时得 到 不等腰焊缝常用于端面焊缝的焊接 目的是减少缺口 效应 应力集中 问题13 焊缝可能受哪几种应力 此焊缝受那种应 力 垂
7、直正应力 平行正应力 垂直剪应力 平行剪应力 焊缝承受 问题14 确定角焊缝的焊缝厚度 有哪些限定条件 按DIN18800 1 DIN18800T1 钢结构 min a 2 0 问题14 确定焊缝的极限应力 按DIN18800 1 它 受哪些因素影响 影响焊接接头应力极限的因素有 材料的连接强度 载荷种类 焊缝形式 焊缝质量 结构中焊缝的位置 问题15 校核角焊缝的强度 按DIN18800 1 焊接结构设计 2 不同载荷下的焊接结构 不同载荷条件下的破坏形式 在静载及主要承受静载的状态下 将导致 形变断裂 脆性断裂 层状撕裂和失稳破坏 在热负荷状态下 将导致 低温的影响 脆性断裂 高温的影响
8、屈服极限的高温失效及 蠕变失效 在动载荷状态下 将导致 疲劳断裂 层状撕裂的产生和防止 应用低硫含量和 或高ED 板材厚度方向的断面收 缩率 值的材料 设计及生产技术方面 尽可能避免厚度方向上 由于焊接残余应力引起的应力或者把它降至很低 作用于收缩方向上的焊缝厚度aD尽可能低 焊缝连接基础应尽可能大 焊道数应少 焊道次数应考虑局部缓冲 尽可能选择对称焊缝形式和对称焊接顺序 尽可能使用轧制产品所有层次与焊缝连接 通过连接范围的缓冲减少层状撕裂倾向 予热 100 设计及生产技术方面 尽可能避免厚度方向上 由于焊接残余应力引起的应力或者把它降至很低 作用于收缩方向上的焊缝厚度aD尽可能低 焊缝连接基
9、础应尽可能大 焊道数应少 焊道次数应考虑局部缓冲 尽可能选择对称焊缝形式和对称焊接顺序 尽可能使用轧制产品所有层次与焊缝连接 通过连接范围的缓冲减少层状撕裂倾向 予热 100 3 主静载焊接结构 钢结构特点 钢材强度高 塑性 韧性较好 重量轻 材质均匀和力学计算的假定比较符合 制作简便 施工工 期短 密闭性好 耐蚀性差 耐热不耐火 低温和其它条件下 可能发生脆断 构件结构设计要求 受压条件下的失稳 桁架梁和 实 壁梁 受压构件的弯曲失稳 轴心受力构件 轴心受力构件的常用截面形式 可 分为实腹式和格构式两大类 受弯构件 实腹式受弯构件梁 格构式受弯构 件 桁架梁 梁的局部稳定和腹板加劲肋设计 构
10、件结构设计要求 受压条件下的失稳 桁架梁和 实壁梁 受压构件的弯曲失稳 轴心受力构件 轴心受力构件的常用截面形 式 可分为实腹式和格构式两大类 受弯构件 实腹式受弯构件梁 格构式受弯 构 件桁架梁 梁的局部稳定和腹板加劲肋设计 按DIN18800 1钢制构件的限定和结构基础 钢材种类 钢材选择和证书 冷变形区域的焊接 焊接填充材料及辅助材料 焊接的实壁梁 使用轧制型材可以很方便地改变实壁梁的高度 只需改变腹板的高度 可增大该处的惯性矩 并减小 支座 但应注意在支承处验证其抗剪能力 在弯矩和剪力的作用下 需对受弯梁进行局部加 强 在L0长度区域内进行加强后 增大在该区域内的 惯性矩 提高承载能力
11、 实壁梁加强板的配置及翼板加强时端部的焊接接头 由腹板及加强板组成的区域称作翘曲区 为提 高梁的稳定性及承受弯曲和剪应力的能力 需对梁 进行刚度加强 即 横向加强和纵向加强 桁架梁 桁架梁的优点是 每个杆件的材料性能均可得 到充分利用 从焊接观点来说 每个杆件的截面形状 选择以及节点的结构形式设计非常重要 杆件的截面形状可根据不同的条件进行选择 并有不同的方案 合理的焊接方案 合理的制作方案 防腐技术方案 焊接节点 型材的选择 闭式型材 封闭式结构的优点是可充分利用其 截面面积 并可将顶部承受的压应力传递到基础 上 但却增加了受弯梁的连接困难 并将导致局部 过载 开式型材 开式结构不能充分利用
12、其截面面 积 但却不存在受弯梁的连接困难 因此在工程结 构上经常采用 钢质量组别的选择 应力状态 构件的重要性 温度 构件厚度 框架转角结构 角平分线上受载时的应力分布 应力分布不是 直线而是双曲线 在直角截面上 平面交界处的拉 应力 在转角凸出处上的分布一直为零 尖锐的转 角凹进处 压应力在理论上上升到无穷大 框架转角结构设计准则 选R h 1 内翼板的强度要高于外翼板 框架转角区域的腹板加强 对于径向力 采取通过径向的调整加强 同时 增加板厚等措施 提高稳定性 腹板和翼板之间的颈部焊缝测定为双轴应力状 态 4 动载焊接结构 断裂力学 脆性断裂的产生原因及特点 名义工作应力低 断裂之前无明显
13、塑性变形 突 发断裂 低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻 发生低应力脆性断裂的结构内 多半存在着较大 的内应力 有较高的内能 发生低应力脆性断裂的结 构上 必有裂源或应力集中点存在 脆性断裂对缺陷 和应力集中很敏感 拉应力是裂纹产生和扩展的动力 拉应力及缺陷 的大小直接影响裂纹萌生和扩展的速度 阻止裂纹扩 展的主要因素是压应力和材料的塑性变形 内因 即结构抗力是预防脆性断裂的根基 外 因 即载荷性质 加载速率 环境因素等 是发生 脆性断裂的条件 须同时兼顾 方能避免脆断灾害 的发生 预防脆性断裂的措施 正确选择材料 正确设 计合理 安排结构制造工艺 正确使用 精心维护 断裂力学的应用 断裂力
14、学的在于研究宏观裂纹在什么条件下 才 会导致失稳扩展 引发脆性断裂 建立裂纹尺寸与破 坏应力之间的关系 这对结构安全设计 合理选材 改进材质和施工工艺 以及制定裂纹体力学的概念标 准等都有重要意义 线弹性断裂力学 应力强度因子它反映材料抵抗脆性断裂 或裂纹 失稳扩展的能力 平面应变条件下 材料抵抗脆性断裂的判据是 非线性 弹塑性 断裂力学 用裂纹尖端张开位移 COD 和形变功率 J积 分 等来描述大范围屈服裂纹尖端的力学状态 疲劳断裂的产生原因及特点 脆性破坏与疲劳破坏的相同点 都属于低应力 破坏 破坏之前 结构都没有明显的征兆或外观变形 突发性强 令人促不及防 都对应力集中很敏感 起裂位置多
15、半都存在原始缺陷 或起裂于应力集中点 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点 载荷 性质不同 对温度敏感性 受载次数多少 断裂经 历时间 断裂经历过程 断裂机理机制 宏观断口形 貌 微观断口形貌 按滚盘滚动与馈电方式分 缝焊可分为连续缝焊 断 续缝焊和步进缝焊 连续缝焊时 滚盘连续转动 电流不断通过工件 这 种方法易使工件表面过热 电极磨损严重 因而很少 使用 断续缝焊时 滚盘连续转动 电流断续通过工件 形 成的焊缝由彼此搭迭的熔核组成 由于电流断续通过 在休止时间内 滚盘和工件得以冷却 因而可以提 高滚盘寿命 减小热影响区宽度和工件变形 获得较 优的焊接质量 步进缝焊时 滚盘断续转动 电流在工件
16、不动时通过 工件 由于金属的熔化和结晶均在滚盘不动时进行 改善了散热和压固条件 因而可以更有效地提高焊接 质量 延长滚盘寿命 缝焊的种类 疲劳强度的基本概念 影响焊接接头疲劳强度的因素 疲劳载荷的性质和大小 腐蚀介质会加速疲劳 裂纹的萌生和扩展速率 降低疲劳寿命 结构构造刚柔相济的程度 结构上 特别是接头 上的各种应力集中现象 材质的纯度与材料的塑性和 韧度 结构残余拉应力 提高焊接结构疲劳强度的工艺 结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的 最主要因素 预防 减小应力集中的工作 应该贯穿 于产品设计 制造和使用的整个过程当中 设计措施 工艺措施 使用中的维护措施 焊接结构疲劳强度设计的一般原则 考虑实用性 进行功能设计 进行方案设计 进行具体的施工图设计 设计动载焊接结构必须特别强调两点 动载对 应力集中非常敏感 焊接接头属于刚性连接形式 对 应力集中也比较敏感 而且 焊接结构 难免有焊接残 余应力 变形 焊接缺陷等 有应力集中现象 5 焊接压力装置的制作 技术规程 欧洲压力装置技术规程DGRL 压力容器条例 TRB 压力容器 TRG压缩气体 TRR压力管道 压力容器工作组规范 AD
