钢结构的连接图片很好.ppt

1.了解钢结构连接的种类及特点。 2.了解焊接的工作性能，掌握焊接连接的构造要求和计算方法。 3.掌握螺栓连接的构造要求和计算方法。 4.掌握焊接残余应力和残余变形产生的原因及对结构工作性能的影响。,3.1 钢结构的连接方法 3.2 焊接方法和焊缝连接形式 3.3 角焊缝的构造与计算 3.4 对接焊缝的构造与计算 3.5 焊接应力和焊接变形 3.6 螺栓连接的构造 3.7 普通螺栓连接的工作性能和计算 3.8 高强度螺栓连接的工作性能和计算,本章目录,基本要求,第3.1节 钢结构的连接方法,1. 概述 2. 焊缝连接 3. 螺栓连接 4. 铆钉连接,了解钢结构的连接方法及特点,本节目录,基本要求,3.1.1 概述,连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构件,或将若干构件组合成整体结构,以保证其共同工作。,钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种。,3.1.2 焊缝连接,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，钢材局部材质变脆； 焊接残余应力和残余变形降低受压构件承载力； 对裂纹敏感，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。,3.1.3 螺栓连接,铆钉连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合,常用加热铆合，也可在常温下铆合。 铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受动力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受动力荷载的结构。 但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很少采用。,3.1.4 铆钉连接,图3.1.3 铆钉连接,第3.2节 焊接方法和焊缝连接形式,1. 钢结构常用焊接方法 2. 焊缝连接形式及焊缝形式 3. 焊缝缺陷及焊缝质量检验,了解焊缝连接类型、焊接方法及质量要求等,本节目录,基本要求,1、手工电弧焊,3.2.1 钢结构常用焊接方法,（1）原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。,（4）焊条的表示方法：E后面加4个数字,E表示焊条(Electrode),前两位数字为熔融金属的最小抗拉强度（N/mm2),后两位数字表示适用焊接位置、电流种类及药皮类型等。,（2）优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。,（3）缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量取决于焊工的精神状态与技术水平，质量波动大。,（5）焊条的选择,焊条应与焊件钢材相适应；不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。如：,Q390、Q420钢E55型焊条(E5500-5518),Q345钢E50型焊条(E5000-5048),Q235钢E43型焊条（E4300-E4328),2、埋弧焊（自动或半自动）,（1）原理：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。,（2）优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低；电弧热量集中，熔深大，热影响区小；工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。,（3）缺点：装配精度要求高，设备投资大，施工位置受限等。,（4）焊丝的选择：埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn等。,3、气体保护焊,气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触。其优点：电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。焊接效率高，适用于全位置的焊接。,1、焊缝连接形式,3.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式,按被连接钢材的相互位置，可分为：,（1）对接连接,2、焊缝形式,（1）,正交,平行,斜交,对接焊缝,角焊缝,正对接焊缝,斜对接焊缝,按受力方向,正面角焊缝,侧面角焊缝,斜焊缝,（2）角焊缝沿长度方向的布置分为：,连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。,断续角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，用于次要构件或受力小的连接。,长度b10hf或50mm,受压时,间断距离l15t; 受拉时l30t， 其中hf为角焊缝的焊脚尺寸，t为较薄焊件的厚度。,（3）角焊缝按施焊位置分为：,1、焊缝缺陷,3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验,焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。,常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。,2、焊缝质量检验,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。（超声波检验、X射线或射线透照或拍片）,3、焊缝质量等级及选用,钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001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；,（1）焊缝质量等级,一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波探伤检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。,钢结构设计规范(GB500172003)中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：,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。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。,（2）焊缝等级选用,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。,重级工作制和起重量500kN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形接头焊透的对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级。,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500kN的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,（3）焊缝符号,第3.3节 角焊缝的构造与计算,1. 角焊缝的形式和强度 2. 角焊缝的构造要求 3. 直角角焊缝强度计算的基本公式 4. 直角角焊缝计算,1. 掌握角焊缝形式、受力特点及构造要求,本节目录,基本要求,2. 掌握直角角焊缝的计算方法,3.3.1 角焊缝的形式和强度,1、角焊缝的形式,角焊缝按截面形式（根据两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。应用情况如下：,（1）直角角焊缝,图中：hf称为焊脚尺寸；he称为焊缝的有效厚度,直角角焊缝通常焊成表面微凸的等腰直角三角形截面。对直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝截面通常焊成平坡形式，侧面角焊缝截面则焊成凹面形式。,（2）斜角角焊缝,两焊边夹角90或90的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。,对于135或60斜角角焊缝，除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,2、直角角焊缝的布置,按角焊缝与外力的关系可分为：,（1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 （2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。（3）斜焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。,3、直角角焊缝的受力分析,（1）侧面角焊缝（侧焊缝）,试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，但塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故弹性阶段剪应力沿焊缝长度分布不均匀，呈两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。但在接近塑性工作阶段时，应力趋于均布。,（2）正面角焊缝（端焊缝）,正面角焊缝受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度要高一些，与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上，但塑性较差。,y,（3）斜焊缝,斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正面角焊缝之间。,4、破坏截面的提出,直角角焊缝破坏试验结果表明： 侧焊缝破坏沿45喉截面居多 端焊缝破坏则多不在45喉截面,而直角角焊缝中： 侧焊缝破坏强度最低 端焊缝破坏强度最高，是侧焊缝的1.351.55倍 斜焊缝居中,故为简化计算，偏于安全地假定破坏发生于45 喉截面上。,5、有效截面,图中： hf称为焊脚尺寸； he称为焊缝的有效厚度，he=0.7 hf，略去余高。,有效截面（计算截面）面积45方向截面上有效厚度与焊缝计算长度的乘积。,3.3.2 角焊缝的构造要求,1、焊角尺寸hf的构造要求,为了避免因焊脚尺寸过大或过小而引起“烧穿”、“变脆”等缺陷，以及焊缝长度太长或太短而出现焊缝受力不均匀等现象，对角焊缝的焊脚尺寸、焊缝长度还有限制。在计算角焊缝连接时，除满足焊缝的强度条件外，还必须满足以下构造要求。,（1）最大焊脚尺寸,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，除钢管结构除外，hf,max应满足以下要求:,若另一焊件厚度t1t时，还应满足hf,max1.2t1,hf,max1.2t1 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 t6mm时，hf,maxt-(12)mm 当 t6mm时，hf,maxt,（2）最小焊脚尺寸,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: t较厚焊件厚度 另外：对埋弧自动焊hf,min可减小1mm; 对T形连接单面角焊缝hf,min应增加1mm; 当t4mm时, hf,min=t,取整mm数，小数点以后只进不舍。,（3）设计焊角尺寸hf 应满足,（1）侧面角焊缝的最大计算长度,2、焊缝计算长度的构造要求,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。焊缝越长，应力集中越显著。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；但是当焊缝长度超过某一限值后，可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发展，最终导致焊缝破坏。,当实际长度大于以上限值时，计算时超出部分不予考虑；但当内力沿侧焊缝全长分布时，lw不受此限制.,故侧面焊缝计算长度：,（2）侧面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灭弧坑相距太近，使焊缝不可靠。焊缝越短应力集中也越严重，故根据经验，规定正面角焊缝和侧面角焊缝的计算长度：,（3）侧面角焊缝的计算长度,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：,3、搭接连接的构造要求,试验结果表明，连接的承载力与b / lw有关。当b / lw1时，连接承载力随比值增大明显下降，这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致，为防止连接强度过分降低，规范规定： b / lw 1,为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，要求： b16t（t 12mm）或190mm（t12mm）,式中：b为两侧焊缝的距离； lw为侧焊缝计算长度； t为较薄焊件的厚度。,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。,当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。,3.3.3 直角角焊缝强度计算的基本公式,分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理: 假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45；, 不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he，he0.7hf。,1、基本假定,有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积。计算时假定有效截面上应力均匀分布。,2、有效截面上的应力状态,在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：, 正应力 垂直于焊缝有效截面（面外垂直） 剪应力 平行于焊缝长度方向（面内平行） 剪应力 垂直于焊缝长度方向（面内垂直）,3、破坏时的极限条件,国际标准化组织(ISO)推荐用式(3-1)确定角焊缝的极限强度:,式中： fuw -焊缝金属的抗拉强度,出于偏于安全考虑,且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会(ECCS)，将(3-1)的1.8改为3即：,我国规范采用了以上折算应力公式，但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，故引入抗力分项系数后上式又可表达为,以下图为例，推导直角角焊缝强度计算的实用公式。,4、直角角焊缝的强度计算公式,ffw角焊缝强度设计值,f 对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为 和 。,在Nx作用下，在有效截面内产生与焊缝长度方向平行的剪应力为：,在Ny作用下,产生与有效截面成45交角的平均应力为,可将f 分解为 和 ，如下,（3-6）,（3-4）,（3-5）,将式（3-4）和式（3-6）代入式（3-3），得,上式即为规范给定的直角角焊缝强度计算通用公式。,f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时 f 1.22，对直接承受动载的结构， f 1.0 。,对正面角焊缝， f0，力Ny与焊缝长度方向垂直，则,对侧面角焊缝 ，f0，力Nx与焊缝长度方向平行，则,（3-8）,（3-9）,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。,3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接的计算,1、轴心力作用时角焊缝的计算,（1）承受斜向轴心力的T形角焊缝连接,方法一：分力法求解,将力N分解为垂直于焊缝 和平行于焊缝的分力：,Nx=Nsin，Ny=Ncos,计算应力：,代入式3-7验算焊缝强度，即:,方法二：直接法求解,将式3-10和式3-11代入式3-12，可得:,将 代入上式，得,（3-13）,则受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：,当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。 盖板对接连接可采用两侧侧面角焊缝连接，正面角焊缝连接和三面围焊连接。,（2）轴心力作用下的盖板对接连接,仅采用侧面角焊缝连接,lw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和。,采用三面围焊连接（矩形盖板）,先计算正面角焊缝承担的内力,lw连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和。,再计算侧面角焊缝的强度,lw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,采用三面围焊连接（菱形盖板）,f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。 f 为斜焊缝强度增大系数。,在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。,（3）承受轴心力的角钢角焊缝连接,如左图钢桁架节点，弦杆和腹杆采用双角钢组成的T形截面，腹杆通过节点板与弦杆连接。,仅用侧面焊缝连接,解上式，得,由力及力矩平衡得：,在N1、N2作用下，肢背、肢尖焊缝的计算长度为：,（3-16）,（3-17）,采用三面围焊,设计时先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3 ，并求出它所分担的内力N3 ：,（3-18）,通过平衡关系，可得肢背和肢尖焊缝分担的内力为:,利用式3-16和3-17可得肢背、肢尖焊缝的计算长度。,采用L形围焊,令N20，由式3-20，得：,L形围焊角焊缝计算公式为：,（3-22）,若求出得hf3大于hfmax ,则不能采用L形围焊,（3-21）,由水平平衡关系，得：,未采用绕角焊时,采用绕角焊时,2、受弯矩M 、轴力N 、剪力V联合作用的角焊缝计算,（1）偏心斜拉力作用,在偏心斜拉力作用下，角焊缝可看作同时承受轴心力Nx、剪力Ny和弯矩M=Nxe的共同作用。,由轴心拉力Nx产生的应力：,由弯矩M产生的最大应力：,因A点应力为最大，所以是设计控制点。对A点：,A点由轴心拉力Nx和弯矩M产生的应力方向相同，直接叠加得：,其中：,A点由剪力Ny产生的应力：,则角焊缝强度计算公式为：,（2）V、M共同作用下角焊缝强度计算。对于工字钢（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接。,假设：腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩由全部焊缝承受,对于翼缘最外纤维1点处：,式中:Iw全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩； h1上、下翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离。,对翼缘与腹板焊缝交点2处：,则腹板焊缝在2点的强度验算式为：,工字梁与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩M化为一对水平力H=M/h。则：,翼缘焊缝的强度计算式：,（3）承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝计算,搭接扭矩 顶接弯矩,注意区分偏心受力时：,将F向焊缝群形心简化得: 剪力：V=F 扭矩：T=F(e1+e2),计算时按弹性理论假定: 被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。 扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。 在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,经过分析，可知：A点和A点为该连接的设计控制点,T作用下A点应力:,将其沿x轴和y轴分解:,Ip为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip =Ix+Iy Ix，Iy焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩； rx，ry为焊缝形心到焊缝验算点A的距离在x、y方向的投影长度。,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: f=Ty+Vy ， 平行于焊缝长度方向的应力为: f =Tx,则A点强度验算公式：,即：,应该指出在上述计算方法中，假定竖向力产生的应力v为平均分布是为了简化计算。实际上，在图3.3.22所示竖向力作用下的轴心受剪，其中水平焊缝为正面焊缝，而竖直焊缝为侧面焊缝，两者单位长度分担的应力是不同的，前者较大，后者较小。显然，假设轴心剪力产生的应力为平均分布，与前面基本公式推导中考虑焊缝方向的思路不符。同样，在确定形心位置以及计算扭矩产生的应力时，也没有考虑焊缝方向，而只在最后验算式中引进了正面角焊缝的强度增大系数f，所以上面的计算方法具有一定的近似性。,3.3.5 斜角角焊缝的计算,斜角角焊缝一般用于腹板倾斜的T形接头，计算时采用与直角角焊缝相同的公式。对斜角角焊缝不论其有效截面上的应力情况如何，均不考虑焊缝的方向，一律取f=1.0。,第3.4节 对接焊缝的构造与计算,1. 对接焊缝的构造 2. 对接焊缝的计算,掌握对接焊缝构造和计算方法,本节目录,基本要求,3.4.1 对接焊缝的构造,(1)对接手工焊，焊件厚度t6mm；对埋弧焊t10mm时，可不做坡口，采用直边缝。,1、对接焊缝的坡口形式,对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。,(2)当焊件厚度t=720mm时，宜采用单边V形或双边V形坡口。,(3) 当t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,2、对接焊缝的优缺点,优点：用料经济、力线不弯折、传力均匀、无明显的 应力集中，利于承受动力荷载。 缺点：经常需开坡剖口，焊件下料精度要求高。,3、对接焊缝的构造处理,（1）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。,（2）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的斜角，以平缓过度，减小应力集中。对于直接受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度应不大于1:4。,3.4.2 对接焊缝的计算,对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种，后面不做特殊说明，均指焊透的对接焊缝。,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。,1、轴心受力的对接焊缝,lw焊缝计算长度，无引弧板和引出板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。 t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度 。 ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,（2）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况： 没有引弧板时需要计算； 受拉情况下的三级焊缝。,其余：,说明：,（3）当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接，如 下：,lw斜焊缝计算长度。设引弧板时，lwa/sin；不设引弧板时，lwa/sin2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。,经计算，当tg1.5时，对接斜焊缝强度不低于母材，可不用检算。,2、承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝,焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件：,（1）板件间对接连接,M 焊缝承受的设计弯矩； Ww焊缝计算截面模量。,V 焊缝承受的设计剪力； Iw 焊缝计算截面惯性矩； Sw 计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对 中和轴的面积矩。,（2）工字形截面梁对接连接计算,对于工字形截面梁的对接接头，除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力：,式中： 1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1考虑到最大折算应力只在局部出现，故将强度设计值适当提高。,3、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝,轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：,腹板与翼缘交界处的折算应力:,式中,焊透的对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，其计算方法与母材的强度计算完全相同。,第3.5节 焊接应力和焊接变形,1. 焊接应力的分类和产生的原因 2. 焊接应力对结构工作性能的影响 3. 焊接变形 4. 减小焊接应力和焊接变形的措施,1.了解焊接应力产生的主要原因、分类以及对结构 性能影响 2.了解减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施,本节目录,基本要求,3.5.1 焊接应力的分类和产生的原因,1.焊接残余应力的分类,纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向,横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力。,厚度方向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。,钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀和收缩不均匀。导致在主体金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。,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。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度可高达1600C，而邻近区域温度骤降。 温度高的钢材膨胀大，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，但受到周围钢材的限制而产生残余拉应力。 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残余压应力。 对于低碳钢和低合金钢，这种拉应力可以达到钢材的屈服强度。,焊缝的纵向收缩：使焊件有反向弯曲变形的趋势，而实际又不能分开，于是导致两焊件在焊缝处中间产生横向拉应力，两端则产生压应力；,由以下两部分收缩力所引起,（2）横向焊接残余应力,施焊先后约束影响：焊接时先焊焊缝已凝固，会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，而先焊焊缝产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生横向拉应力。,（3）沿厚度方向的焊接残余应力, 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，产生塑性压缩变形。,焊缝冷却成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。,当钢材厚度t20mm时,厚度方向焊接应力较小,可忽略;但t50mm时,厚度方向焊接应力可达50N/mm2。,如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。,3.5.2 焊接应力对结构性能的影响,1、对结构静力强度的影响,2、对结构刚度的影响,当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该部分刚度为零（已屈服），这时在N作用下应变增量为：,当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：,因此：存在焊接残余应力将使结构变形增大，即降低了结构的刚度。,以上图轴心受拉杆件为例：,3、对压杆稳定承载力的影响,对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。,5、对疲劳强度的影响,4、对低温冷脆的影响,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。,在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。,3.5.3 焊接变形,1、焊接残余变形的种类,在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、 歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。实际的焊接变形常常是几种变形的组合。,2、焊接变形对结构性能的影响,焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正； 影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载 力，引起事故。,3.5.4 减小焊接应力和焊接变形的措施,1. 设计方面的措施,（4）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力,（2）合理的选择焊缝的尺寸和形式,（3）尽量避免焊缝的过分集中和交叉,2、工艺上的措施,（1）采用合理的施焊顺序,图3.5.6,（2）采用反变形处理,（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,第3.6节 螺栓连接的构造,1. 螺栓的排列 2. 螺栓的种类 3. 螺栓连接的构造要求,了解螺栓的排列形式和要求,本节目录,基本要求,3.6.1 螺栓的排列,1、排列形式分类,螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。 排列的方式通常分为并列和错列两种形式。,并列简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。,错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。,2、螺栓排列的要求,（1）受力要求,在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。,平行于受力方向： 端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于2d0； 受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。,因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距,（2）构造要求 边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的最大容许间距,（3）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。,3.6.2 螺栓连接的构造要求,螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：,（1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。,（2）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动。,（3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。,（5）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板），应适当增强其强度（如加设加劲板），以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。,（4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。,3.6.3 螺栓的种类,1、普通螺栓,由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理,45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级,2、高强度螺栓连接,高强度螺栓分类： 根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。,传力途径：,摩擦型依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。,承压型依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。,孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5-2.0mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0-1.5mm。,第3.7节 普通螺栓连接的工作性能和计算,1. 普通螺栓的抗剪连接 2. 普通螺栓的抗拉连接 3. 普通螺栓受剪力和拉力的联合作用,1. 掌握普通螺栓连接的工作特点及破坏形式,本节目录,基本要求,2. 掌握普通螺栓连接的计算方法,3.7.1 普通螺栓的抗剪连接,1、抗剪连接工作性能和破坏形式,（1）工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。,摩擦传力的弹性阶段(0-1段) 直线段连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。,滑移阶段(1-2段) 水平段摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。,栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段),曲线上升段该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。,弹塑性阶段(3-4段),荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载。,（2）抗剪连接的破坏形式,栓杆被剪坏 破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时,孔壁被挤压破坏 破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时,板件被拉断 破坏条件：截面削弱过多时,由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。,板件端部被剪坏 破坏条件：端矩a过小时 构造保证措施：端矩不应 小于2d0,栓杆弯曲破坏 破坏条件：螺栓杆过长时 构造保证措施：栓杆长度不应大于5d,前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑和两种形式破坏。,2、单个普通螺栓抗剪连接的承载力计算,由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压（即螺栓承压）两种情况。,（1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：,式中： nv 受剪面数目。单剪=1；双剪=2 ；四剪=4 d 螺栓杆公称直径； fvb 螺栓的抗剪强度设计值。,（2）螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗，板件相对较薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布，则单栓承压设计承载力：,对双剪：取t1与t2+t3中较小者 对单剪：取t1与t2中较小者,一个抗剪普通螺栓的承载力设计值：,3、普通螺栓群抗剪连接计算,（1）普通螺栓群轴心受剪,试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大,中间小。,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N 由各螺栓平均分担。,即连接所需螺栓数为：,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：,因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：,当 时，,当 时，,以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。,F作用下每个螺栓平均受力，则,（2）普通螺栓群偏心受剪,（3.37）,栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下： 连接件绝对刚性, 螺栓弹性； 连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线垂直。,“1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。,计算公式推导如下：,设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 、r2 、r3 ，rn，各螺栓承受的分力分别为N1T、 N2T、N3T ， NnT，根据平衡条件得：,将上式代回(a)，得用k表达的T式：,由假设得到，,（k为常数）,（a）,（b）,（c）,螺栓“1”离形心最远是危险螺栓,联合（c）和（b）得最大剪力N1T,将N1T分解为水平和竖直分力：,xi 第i个螺栓中心的x坐标,yi 第i个螺栓中心的y坐标,（3.38）,（3.39）,（3.40）,受力最大螺栓“1”所受的合力为:,当螺栓群布置在一个狭长带，例如y13x1，则可假定xi=0，由此得N1Ty=0，,设计中，通常是先按构造要求排好螺栓，再按式（3.41）验算受力最大的螺栓。,（3.41）,3.7.2 普通螺栓的抗拉连接,1、单个普通螺栓的抗拉承载力,螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，抗拉螺栓的破坏形式表现为栓杆被拉断。假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，因此，一个普通螺栓的抗拉承载力设计值为：,Ae 螺栓在螺纹处的有效截面积； de 螺栓有效直径； ftb螺栓的抗拉强度设计值， ftb 0.8f 。,式中：,当传递拉力杆件刚度不大时，如图T形连接在受拉后将发生较大的变形，并起杠杆作用，在外侧端部产生撬力Q，因此，螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。试验证明影响撬力的因素较多，由于确定Q值比较复杂，在计算中不计Q力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即取 ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值);并采取构造措施加强连接的刚度，如设加劲肋。,2、普通螺栓群轴心受拉,当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：,式中：,3、普通螺栓群在弯矩作用下受拉,Ntb单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,在弯矩M作用下，被连接件有顺弯 矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓 受拉。,按弹性设计，其假定为： 连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。,显然， 受拉力最大螺栓为距中和轴最远的1号螺栓。,由力矩平衡可得：,由假定可得：,由式(b)得:,将式(b)代入式(a)得:,设计时只要满足下式即可：,因此，螺栓“1”分担的拉力：,4、普通螺栓群偏心受拉,螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩MNe的联合作用。按弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。,小偏心受拉计算 当M较小，N较大时，所有螺栓均承受拉力作用，此时被连板件绕螺栓群形心O转动。螺栓群受力最大的螺栓拉力为：,受力最小的螺栓拉力满足条件：,（a）, 0 （b）,式（a）表示受力最大螺栓的拉力不超过单个螺栓的承载力设计值；式（b）则表示全部螺栓受拉，不存在受压区。由此式可得NMIN0时的偏心距eyi2（ny1）。令= yi2（ny1）为螺栓有效截面组成的核心距，则e时为小偏心受拉。,大偏心受拉计算 当偏心距e较大时，即e时为大偏心受拉，则端板底部将出现受压区。,这时，偏于安全取中和轴位于最下排螺栓形心O处，根据平衡可得受拉力最大螺栓分担的拉力,即要求其满足：,（M较大，N较小）,注意与小偏心时e和yi的区别。,3.7.3 普通螺栓受剪力和拉力的联合作用,同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。,试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图所示。,规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：,验算螺栓剪-拉联合作用：,验算孔壁承压：,NVb单个螺栓抗剪承载力设计值； Ncb单个螺栓承压承载力设计值 Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值； Nv 、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。,第3.8节 高强度螺栓连接的工作性能和计算,1. 高强度螺栓连接的工作性能 2. 高强度螺栓群的抗剪计算 3. 高强度螺栓群的抗拉计算,1. 掌握高强度螺栓的类型和工作特点,本节目录,基本要求,2. 掌握高强度螺栓的计算方法,3.8.1 高强度螺栓连接的工作性能,1、高强度螺栓的类型,按设计准则的不同，高强度螺栓分为两类： 摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为摩擦力被克服； 承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。在外力的作用下螺栓承受剪力和拉力。,螺栓的预拉力P(即板件间的法向压紧力)、摩擦面间的抗滑移系数和钢材种类等都直接影响到高强度螺栓摩擦型连接的承载力。,2、高强度螺栓的预拉力,预拉力是通过拧紧螺帽，使螺杆受到拉伸作用而使被连接板件间产生压紧力。,高强度螺栓分大六角头型和扭剪型两种，二者预拉力控制方法各不相同。,（1）高强度螺栓预拉力的建立方法,为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要。,A、力矩法（控制拧紧力矩） 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%-50%， 使板件贴紧密； 终拧初拧基础上,按100%设计终拧力矩拧紧。 特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,大六角头螺栓的预拉力控制方法有：,B、转角法 初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密； 终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120180完成终拧。 特点：预拉力的建立简单、有效，但要注意防止欠拧、漏拧和超拧。, 扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）,初拧拧至终拧力矩的60%80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。 特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等。,（2）高强度螺栓预拉力的确定,高强螺栓的预拉力设计值P由下式确定,式中：,Ae螺纹处有效截面积； fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu =830N/mm2，10.9级,取fu =1040N/mm2,系数1.2考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低；,系数0.9为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数；考虑材料的不均匀性的折减系数；附加安全系数。,一个高强度螺栓的设计预拉力P,3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数,按公式计算出的P值以5kN的倍数取整就形成规范规定的设计预拉力。,高强度螺栓摩擦面抗滑移系数大小与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而降低。不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数见下表。,摩擦面抗滑移系数值,4、高强度螺栓抗剪连接工作性能,受力过程与普通螺栓相似，也分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。,但比较两条N曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段（0-1段）远远大于普通螺栓。通过1点后，连接产生了滑移，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。,对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为摩擦力被克服，板件间出现相对滑移，因此以1点为极限。,对于高强度螺栓承压型连接，破坏准则为连接达到其极限状态4点。,（1）高强度螺栓摩擦型抗剪连接,单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值:,0.9抗力分项系数 R的倒数( R=1.111); nf传力摩擦面数目，单剪时=1，双剪时=2； P预拉力设计值; 摩擦面抗滑移系数。,式中：,实验表明，低温对摩擦型连接高强度螺栓抗剪承载力无明显影响，当温度t=100150时，螺栓的预拉力将产生温度损失，故应将摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值降低10 。当温度t150时，应采取隔热措施。,高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同，即,（2）高强度螺栓承压型抗剪连接,取单栓抗剪承载力为：,单栓抗剪设计承载力：,单栓承压设计承载力：,剪切面在螺纹处时,5、高强度螺栓抗拉连接工作性能,高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力P，板层之间则有压力C，而P与C维持平衡，即 C = P,当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的压力C减小为Cf，栓杆拉力P增加为Pf，根据平衡关系有:,若螺栓和被连接板件保持弹性，板叠厚度为，则,螺栓杆的伸长量=板件压缩恢复量,Ab栓杆截面面积； Ap板件挤压面面积。,由以上三式，可得,当板件即将被拉开时： Cf=0，有Pf=Nt，因此：,一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，近似取AP/Ab=10，则有：,当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加10%。另外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于P时，卸载后螺栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当Nt不大于0.8P时，则无松弛现象，这时Pf=1.07P，可认为螺杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接触，所以现行规范规定：,摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉设计承载力为：,承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：,式中：Ae螺栓杆的有效截面面积； de 螺栓杆的有效直径； ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值。,（3.55）,应当注意（式3.55)的取值没有考虑杠杆作用而引起的撬力影响，实际上这种杠杆作用存在于所有螺栓的抗拉连接中。研究表明，当螺栓所受外拉力N0.5P时，连接不出现撬力；撬力Q大约在Nt达到0.5P时开始出现，起初增加缓慢，以后逐渐加快，到临近破坏时因螺栓开始屈服而又有所下降。,由于撬力Q(图3.71)的存在，外拉力的极限值有所降低，因此如果在设计中不计算撬力Q，应使N0.5P或者增大T形连接件翼缘板的刚度。分析表明，当翼缘板得厚度t1不小于2倍螺栓直径时，螺栓中可完全不产生撬力，实际工程中很