(钢结构设计原理)第三章钢结构的连接.ppt

1、钢结构的连接,焊缝连接,螺栓连接,钢结构的连接方法,钢结构的连接方法,钢结构的连接方法,连接的方式-焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接,连接的原则 安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材,钢结构的实际连接图片,钢结构的连接方法,焊缝连接,焊缝连接,20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现代钢结构最主要的连接方法之一,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，整体性好,优点,焊缝连接,缺点,焊缝附近有热影响区，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆； * 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏、降低

2、压杆稳定的临界荷载，残余变形使结构形状、尺寸发生变化； * 焊接裂缝一经发生，便容易扩展到整体； * 低温冷脆问题较为突出； * 对钢结构的疲劳、稳定有不利影响； * 较多地依赖焊工的技能水平,焊缝连接,铆钉连接,19世纪2030年代出现铆钉连接。把铆钉加热到10001500，用铆钉枪铆合,塑性和韧性较好； *传力可靠，质量易于检查和保证； *可用于承受动载的重型结构,优点,工艺复杂，噪音大，劳动条件差，用钢量大； *现已很少采用,缺点,铆钉连接,栓钉连接,栓钉将钢板与混凝土板连接起来； *栓钉承受剪力,栓（焊）钉连接,射钉、自攻螺钉、新型铆钉连接,用于薄壁构件（压型钢板屋面板、墙板与梁、柱）

3、连接； *钉承受剪力,射钉、自攻螺钉、新型铆钉连接,螺栓连接,1）C级螺栓连接：用圆钢制成，杆身粗糙，尺寸不很准确。主要用于受拉连接和安装螺栓。 2）A、B级螺栓连接：螺杆机加工制成，尺寸准确，孔加工精度高。制造安装费工。A级：d24mm，l150mmh 和10d，B级：d24mm，l150mmh 和10d,普通螺栓连接,普通螺栓连接,普通螺栓连接,高强螺栓连接,20世纪中钢结构开始采用。高强度螺栓采用高强度钢材并经热处理制成。拧紧螺栓使板件接触面产生很大摩擦力，依靠摩擦力传力。连接紧密，耐疲劳，承受动载可靠。是现代钢结构最主要的连接方法之一,高强螺栓连接,高强螺栓连接,高强度螺栓是高强螺杆和

4、配套螺母的合称,由45号、40B和20MnTiB钢经过热处理加工而成,45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级,a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓,高强螺栓连接比较,高强螺栓连接,高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较,高强螺栓连接优缺点,高强螺栓连接,安装方便，便于拆卸，对安装工的要求高； *摩擦型高强度螺栓连接动力性能好； *耐疲劳，易阻止裂纹扩展,优点,需要在板件上开孔和拼装时对孔，制造工作量大； *螺栓孔还使构件截面削弱； *被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板，比焊接连接多费钢材,缺点,螺栓连接,钢结构常用的焊接方法,高强螺栓连接优缺点,钢结构常用的焊接方法,电弧焊 埋弧焊 电

5、渣焊 气体保护焊 电阻焊,手工电弧焊,熔化焊,手工电弧焊,原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝,手工电弧焊,优点：方便，适用于任意空间位置的焊接，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接,缺点 质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低,手工电弧焊,手工电弧焊,手工电弧焊,焊条的选择 焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-E5518,Q345钢选择E50型焊条 (E5001-E5048,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328,焊条的表示方法,E焊条(Electrode,第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2

6、,第3、4表示适用焊接位置、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,埋弧焊,手工电弧焊,电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法,机器,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,焊丝的选择应与焊件等强度,埋弧焊（自动或半自动,电渣焊,电渣焊,电渣焊,电渣焊常用于箱形梁、柱内部的横隔板焊接,气体保护焊,电渣焊,气体保护焊,利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵入,优点：没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。目前工厂很常用的焊接方法。 缺点：施工条件受限制

7、，不适用于在风较大的地方施焊,电阻焊,电阻焊,焊缝类型,焊缝类型,按被连接构件间的相对位置分为对接、搭接 、T形连接和角接四种。 按构造分:对接焊缝、角焊缝。 按工作性质分：强度焊缝（只作为传递内力）、密强焊缝（除传递内力外，还须保证不使气体或液体渗漏）。 按施焊位置分：俯焊(平焊)、立焊、横焊和仰焊。应尽量避免采用仰焊焊缝,焊缝连接形式,焊缝形式,对接焊缝连接形式,对接焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正对接焊缝(a)：作用力方向与焊缝方向正交。 2）斜对接焊缝(b)：作用力方向与焊缝方向斜交,焊缝形式,角焊缝连接形式,角焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向

8、垂直。 2）侧面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向平行。 3）斜焊缝（c）：作用力方向与焊缝方向斜交,角焊缝形式,角焊缝连接形式,角焊缝沿长度方向的布置,1）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。 2）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，不重要或受力小的构件可采用,焊缝的施工位置,角焊缝形式,焊缝的施工位置,平焊 立焊 横焊 仰焊,焊缝的特点,焊缝特点,焊缝缺陷,焊缝缺陷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,焊缝缺陷,焊缝质量检验,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g射线透照或拍片,焊

9、缝质量等级及选用,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。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级,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,3） 重级工作制和起重量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形接头焊透的 对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级,4） 角焊缝质量等级一般为三级，但对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应

10、符合二级,焊缝质量等级及选用,焊缝代号,焊缝代号,对接焊缝连接的构造要求,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,对接焊缝的坡口形式,a）直边缝：适合板厚t 10mm b）单边V形、c）双边V形：适合板厚t 1020mm d）U形、e）K形、f）X形：适合板厚t 20mm,对接焊缝连接的构造要求,对接焊缝连接的构造要求,对接焊缝的构造处理,对接焊缝连接的构造要求,1）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板,2）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,对接焊缝连接的构造要求,3）在对接焊缝的拼接处，当焊件

11、的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中,对接焊缝连接的构造要求,对接焊缝的强度,1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2）一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。 3）三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%。 4）采用一般的材料力学、弹性力学计算公式,对接焊缝连接的构造要求,轴心受力对接焊缝的强度计算,3-1a,lw焊缝计算长度， 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（P9表1-4,1）对lw的取值：考虑

12、到起落弧缺陷的影响，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度,2）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算,3）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况：a)没有引弧板时需要计算。b)受拉情况下的三级焊缝,轴心受力对接焊缝的强度计算,轴心受力对接焊缝的强度计算,对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心，并与焊缝长度方向呈夹角，其计算公式为,lw斜焊缝计算长度。加引弧板时，lwb/sinq；不加引弧板时，lwb/sinq2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。（P9表1-4,规范规定，当斜焊缝倾角q56.3，即tanq

13、1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算,斜向受力对接焊缝的强度计算,水工钢结构轴心受力对接焊缝的强度计算,按容许应力法计算水工钢结构时，其计算公式为,N 按荷载标准值得出的轴心拉力或压力； twcw对接焊缝抗剪设计强度。（P12表1-9,水工钢结构轴心受力对接焊缝的强度计算,弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,以后按容许应力法设计钢结构时，只需要将相应公式里的强度设计值改用相应的容许应力，荷载效应N、V、M是按荷载标准值求得,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,弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝,弯矩和剪力作用

14、对接焊缝的强度计算,弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,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,3-3,M焊缝承受的弯矩； Ww焊缝截面模量,V焊缝承受的剪力； 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,弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,3-2,对于工字形或T形截面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,3-4,式中 : 1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1为考虑到最大折算应力只在局部出现，而

15、将强度设计值适当提高系数,弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝,工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用,弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,轴力、弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算,轴力、弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,牛腿处对接焊缝的强度计算,轴力、弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝,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,3-5,3-6,同样对于工字形、箱形截面，还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力，其公式为,3-7,式中,轴力、弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算,角焊缝的形式和强度,角焊缝按截面

16、形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝,1、直角角焊缝,角焊缝的形式和强度,角焊缝的形式和强度,hf焊脚尺寸； he有效厚度（破坏面上焊缝厚度）并有，he hfcos45=0.7hf,理论焊缝截面,2、斜角角焊缝 两焊边的夹角a90或a90的焊缝。通常用于钢漏斗和钢管结构中,焊脚边的夹角； he有效厚度（破坏面上焊缝厚度） 并有， he hfcos/2,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝,角焊缝的形式和强度,角焊缝的破坏形式,侧面角焊缝的破坏形式,正面角焊缝的破坏形式,正面角焊缝的破坏形式,角焊缝的受力特性,角焊缝荷载与变形关系,斜焊缝的受力性能和强度介

17、于正面角焊缝和侧面角焊缝之间,正面角焊缝的破坏强度比侧面角焊缝高,q为试验焊缝与试件水平方向的夹角,角焊缝的受力特性,角焊缝的计算模型,角焊缝的计算模型,角焊缝的构造,面积,为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝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,最小焊脚尺寸(hf,min,角焊缝的焊脚尺寸,自动焊（温度高而均匀,手工焊角焊缝,t较厚焊件的厚度,焊件厚度t4mm时：取hfmin= t,T形连接单面角焊缝（冷却快,角焊缝的焊脚尺寸,最大焊脚尺寸(hfmax,对板件（厚度t ）边缘的角焊缝（贴边焊） 当t6mm时，hfmaxt ； 当t6mm时，hfmaxt -

18、 (12)mm,为了避免焊缝局部过热，烧穿较薄的焊件，减小焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求,直接焊接钢管结构的尺寸不宜大于支管壁厚的2倍,对于圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3,角焊缝的焊脚尺寸,角焊缝的计算长度,角焊缝计算长度（lw）取值lwminlw lwmax,焊脚尺寸的取值 hfmin hf hfmax,最小计算长度（lwmin,为了使焊缝能有一定的承载能力，根据使用经验，侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：lwmin8hf 和40mm,考虑到焊缝两端的缺陷，其实际长度应较前述数值还要大2hf,lwmax60hf 若计算长度超过以上数值

19、，则超过部分不纳入计算长度中。若内力沿侧焊缝全长分布时，计算长度不受此限制,侧焊缝最大计算长度（lwmax,角焊缝的计算长度,减少角焊缝应力集中的措施,侧焊缝引起焊件拱曲,为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，b16t（t 12mm）或200mm（t12mm,构件端部仅有两边侧缝连接时,试验结果表明，连接的承载力与b / lw有关。为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，每条侧缝长度b / lw 1,b为两侧缝之间的距离； lw为焊缝长度； t为较薄焊件的厚度,减小角焊缝应力集中的措施,减少角焊缝应力集中的措施,3、直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例

20、：正面角焊缝宜为1:1.5，长边与内力方向一致 ；侧面角焊缝可用直角焊缝为1:1,2、仅用正面角焊缝的搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm,4、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,减小角焊缝应力集中的措施,减少角焊缝应力集中的措施,5、在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝的长度不得小于10hf 或50mm，断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。以防板件局部凸曲鼓起，而对受力不利或潮气易于侵入而引起锈蚀,断续角焊缝,减小角焊缝应力集中的措施,直角

21、焊缝的破坏面,角焊缝有效截面上的应力,在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： 正应力，与焊缝长度方向（面外垂直） 剪应力，与焊缝长度方向（面内平行） 剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直,直角焊缝有效截面上的应力状态,3-8,ffw角焊缝强度设计值（见P9表1-4），把它看作是剪切强度,我国规范采用了折算应力公式，引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为,直角焊缝强度的实用计算公式,如图所示承受互相垂直的Nx、 Ny、Nz轴心力作用的直角角焊缝， Nx产生垂直于焊缝长度方向平均应力fx， Ny产生垂直于焊缝长度方向平均应力fy， Nz平行于焊缝长度方向产生平均应力fz,直角焊缝强度实用计算公式

22、,Nx作用下应力,D,如图所示承受互相垂直的Nx、 Ny、Nz轴心力作用的直角角焊缝， Nx产生垂直于焊缝长度方向平均应力fx， Ny产生垂直于焊缝长度方向平均应力fy， Nz平行于焊缝长度方向产生平均应力fz,直角焊缝强度实用计算公式,Nx作用下应力,Ny,D,Nx,Nx产生垂直于焊缝长度方向产生平均应力fx，其在有效截面上引起的应力值为,fx对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为 和,直角焊缝强度实用计算公式,Ny作用下应力,Ny,Nx,Ny产生垂直于焊缝长度方向产生平均应力fy，其在有效截面上引起的应力值为,fy对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为 和,直角焊缝强度

23、实用计算公式,Nz作用下应力,Ny,Nx,沿焊缝长度方向的力Nz，在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力 fz,直角焊缝强度实用计算公式,破坏面上应力叠加,D,3-8,直角焊缝强度实用计算公式,直角焊缝强度的实用计算公式,Ny,Nx,则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为,3-8,3-9,直角焊缝强度实用计算公式,特殊情况下直角焊缝强度的实用计算公式,正面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向垂直,侧面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向平行,3-11,3-10,直角焊缝强度实用计算公式,斜向角焊缝的强度计算,f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时 f 1.22，对直接承受动力荷载的结构，

24、 f 1.0,垂直于焊缝长度方向的分力Nsin 平行于焊缝长度方向的分力Ncos,外力N和焊缝长度方向斜交,代入（3-9），得焊缝计算公式,斜向角焊缝,3-13,轴心力作用时的角焊缝计算,直角焊缝强度实用计算公式,轴心力（拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,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,用盖板的对接连接,仅采用侧面角焊缝连接,Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,轴心力作用时的角焊缝计算,3-10,轴心力（拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,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,用盖板的对接连接,仅采用正面角焊

25、缝连接,Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,3-11,轴心力作用时的角焊缝计算,采用三面围焊菱形拼接板连接,为了使传力线平缓过渡，减小矩形拼接板转角处的应力集中，可改为菱形拼接板，菱形拼接板的正面角焊缝的长度较小，为简化计算，可不考虑应力方向，按下式计算,Slw角焊缝计算长度的总和,轴心力作用时的角焊缝计算,轴心力（拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,采用三面围焊矩形拼接板连接,先计算正面角焊缝承担的内力,Slw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,Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,轴心力（拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,承受轴心力的角钢端部连接,在钢桁架中

26、，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（如图所示）。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,桁架腹杆节点板的连接,轴心力作用时的角焊缝计算,轴心力（拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,用侧面焊缝连接,解上式得肢背和肢尖的受力为,3-16a,3-16b,在N1、N2作用下，侧缝的计算长度为,肢背,肢尖,K1角钢肢背焊缝的内力分配系数 K2角钢肢尖焊缝的内力分配系数,轴心力作用时的角焊缝计算,轴心力（拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,角钢角焊缝内力分配系数K（和图3-22一致,轴心力作用时的角焊缝计算,轴心力（

27、拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,角钢用三面围焊时，可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3 ，并算出它所能承受的内力N3,3-17a,通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为,3-17b,角钢角焊缝围焊的计算,N,N1,N2,e,b,N3,lw2,lw1,在N1、N2作用下，侧焊缝的长度用公式同前面,轴心力作用时的角焊缝计算,轴心力（拉、压和剪力）作用时的角焊缝计算,当采用L形围焊时，令N20，得,L形围焊角焊缝计算公式为,若求出得hf3大于hfmax ,则不能采用L形围焊,复杂受力时的角焊缝计算,角钢角焊缝L围焊的计算,N,N1,N2,e,b,N3,lw1,轴心力（拉、压和剪力

28、）作用时的角焊缝计算,受弯矩M 、剪力V 、轴力N 联合作用时角焊缝的计算,由轴心拉力Nx产生的应力,由弯矩M产生的最大应力,复杂受力时的角焊缝连接计算,复杂受力时的角焊缝计算,A点产生的剪应力,A点控制应力最大为控制设计点,A点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力Nx和弯矩M产生的正应力。直接叠加得,代入角焊缝实用计算公式（3-13,复杂受力时的角焊缝连接计算,复杂受力时的角焊缝计算,三面围焊受扭矩、剪力和轴力联合作用时角焊缝的计算,承受偏心力的三面围焊,将F向焊缝群形心简化得: 轴心力 VF扭矩 T=Fe,故：该连接的设计控制点为A点和A点,计算时按弹性理论假定: 被连接件绝对刚性，它有绕焊

29、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,复杂受力时的角焊缝连接计算,复杂受力时的角焊缝计算,N,T作用下A点应力,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； xmax、ymax为焊缝形心到焊缝验算点在x、y方向的距离,复杂受力时的角焊缝连接计算,复杂受力时的角焊缝计算,V作用下A点应力,N作用下A点应力,复杂受力时的角焊缝计算,复杂受力时的角焊缝连接计算,A点垂直于焊缝长度方向的应力为: vy， Ty，

30、平行于焊缝长度方向的应力为: Nx, Tx,强度验算公式,3-21,焊接残余应力的分类,复杂受力时的角焊缝连接计算,焊接残余应力的分类,纵向焊接应力：长度方向的应力 横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力 ； 厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力,焊接残余应力的成因,焊接残余应力的成因,1) 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,纵向焊接残余应力,2) 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

31、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,焊接残余应力的成因,3) 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,焊接残余应力的成因,焊接残余应力的成因,横向焊接残余应力,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,焊接残余应力的成因,焊接残余应力的成因,横向焊接残余应力,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,焊接残余应力

32、的成因,焊接残余应力的成因,不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力,焊接残余应力的成因,焊接残余应力的成因,沿厚度方向的焊接残余应力,1) 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊,2) 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,3) 因此，除了横向和纵向焊接残余应力x ，y外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力z ，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性,焊接残余变形的产生,焊接残余应力的成因,在施焊时，由于不均匀的加热和冷却

33、，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：纵向收缩和横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等,焊接残余变形,焊接残余变形的产生,焊接残余应力和变形对结构工作性能的影响,对结构静力强度的影响,因焊接残余应力自相平衡，故,当板件全截面达到fy，即N=Ny时,焊接应力和变形对结构工作性能的影响,焊接残余应力和变形对结构刚度的影响,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（屈服），这时在N作用下应变增量为,1 2,当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为,结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度,焊

34、接应力和变形对结构工作性能的影响,低温冷脆的影响,低温冷脆的影响,对疲劳强度的影响,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,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,对压杆稳定的影响,焊接应力和变形对结构工作性能的影响,焊接残余应力和变形对结构工作性能总的影响,常温下不影响结构的静力强度； 增

35、大结构的变形，降低结构的刚度； 降低疲劳强度； 在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性变形，在低温下使裂纹易发生和发展； 降低压杆的稳定性,焊接变形的影响,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,焊接应力和变形对结构工作性能的影响,焊接应力的影响,减少影响的措施,1）采用合理的施焊顺序和方向 （2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力 （3）锤击或碾压焊缝使焊缝得到延伸 （4）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,合理的焊缝设计,1）合理的选择焊缝的尺寸和形式 （2）尽可能减少不必要的焊缝 （3）合理的安排焊缝的位置

36、 （4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉 （5）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力,合理的工艺措施,减少焊接应力和变形的措施,焊缝问题解法,焊缝问题解法,验算型问题,1）已知尺寸和荷载情况，问是否满足设计要求。 （2）解法 验算是否满足构造条件； 将荷载向焊缝形心简化，分析焊缝受力性质，确定受力最大点； 按相应公式验算,焊缝设计型问题解法,1）特点 已知荷载和连接构造情况，需完成连接设计。 （2）解法 确定连接方式和焊缝布置及受力最大点位置； 依构造条件初选hf，按相应公式求lw。或者依问题定出lw，按相应公式求hf。 根据求出的hf 或lw ，调整确定hf和lw的设计采用值。 验算hf或lw是否满

37、足构造条件。若不满足，重选hf，重复上述过程，直到满足为止,设计型问题,焊缝问题解法,普通螺栓的种类和特性,普通螺栓的种类和特性,普通螺栓的排列,普通螺栓的排列,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。排列的方式有并列排列和错列排列两种,螺栓的排列方式,并列比较简单整齐，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，但螺栓错排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大,普通螺栓的构造要求,因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距,普通螺栓的构造要求,普通螺栓的构造要求,c）最大容许间距 若栓距及线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易

38、侵入缝隙而发生锈蚀。规范规定了螺栓的最大容许间距,d）最小容许间距 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,普通螺栓的构造要求,普通螺栓的构造要求,根据规范规定的螺栓最大、最小容许间距，排列螺栓时宜按最小容许间距取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用,普通螺栓的构造要求,普通螺栓的其它构造要求,为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓,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,C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：

39、 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,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,普通螺栓的其它构造要求,普通螺栓连接的分类,普通螺栓连接的分类,螺栓连接的受力形式分为：只受剪力，只受拉力，受剪力和拉力的共同作用,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,剪力螺栓的破坏形式,剪力螺栓的破坏形式,a）螺栓剪断（动画） b）钢板孔壁挤压破坏（动画） c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断（动画） d）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏（动画） e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏（动画） f）

40、螺栓双剪破坏 （动画,剪力螺栓的破坏发生原因,剪力螺栓的破坏发生原因,a）螺栓剪断-螺栓直径太小而钢板较厚时发生 b）孔壁挤压破坏-螺栓直径太大而钢板较薄时发生 c）钢板拉断-钢板顺螺孔削弱过多可能发生 d）端部钢板剪断-顺受力方向的端距过小时发生的 e）螺杆受弯破坏-螺栓过长时发生的,受剪螺栓连接受力性能,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,该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段,受剪螺栓连接受力性能,1) 摩擦传力的弹性阶段(01段) 直线段连接处于弹性状态； 该阶段较短摩擦力较小,2) 滑移阶段(12段) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移

41、，最大滑移量为栓孔和栓杆间的间隙，表现在曲线上为水平段,受剪螺栓连接受力性能,3) 栓杆传力的弹性阶段(23段) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升,4) 弹塑性阶段(34段) 达到3后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。4点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu,受剪螺栓连接受力性能,单个普通螺栓受剪计算,单栓抗剪承载力,抗剪承载力设计值,承压承载力设计值,单个普通螺栓的受剪计算,抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，

42、故单栓抗剪承载力由以下两式决定,3-22,3-24,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,单个普通螺栓受剪计算,剪力螺栓的剪面数和承压厚度,nv受剪面数目； d螺栓杆直径； fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值； t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值,单个普通螺栓的受剪计算,抗剪承载力设计值,承压承载力设计值,3-22,3-24,普通螺栓群受轴心力作用时连接计算,试验证明,栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，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，内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定N由各螺栓平

43、均分担,普通螺栓群受轴心力N作用时的连接计算,连接一侧所需螺栓数为,3-26,普通螺栓群受轴心力作用时连接计算,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线,连接所需栓数,普通螺栓群受轴心力N作用时的连接计算,普通螺栓群受轴心力作用时钢板净截面强度验算,为防止构件或连接板因螺孔削弱过大而被拉（压）断，需进行钢板的净截面强度验算,普通螺栓群受轴心力N作用时的连接计算,An构件或连接板的净截面面积,构件或连接板净截面面积的计算,普通螺栓群受轴心力N作用时的连

44、接计算,An,普通螺栓群受偏心剪力作用时连接计算,构件,连接板,a) I-I (b) I-I II-II,a) III-III (b) III-III,P作用下每个螺栓受力,普通螺栓群受偏心剪力P作用时的连接计算,普通螺栓群受偏心剪力作用时连接计算,P,P,P,1,扭矩作用下的基本假设 连接件绝对刚性, 螺栓弹性； T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离ri成正比，方向与它和形心的连线垂直,普通螺栓群受偏心剪力P作用时的连接计算,显然，T作用下1号螺栓所受剪力最大（r1最大,剪力计算公式,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

45、为N1T、 N2T、N3T ， NnT，根据平衡条件得,普通螺栓群受偏心剪力作用时连接计算,得用N1T表达的T式,由假设得到,螺栓1离形心最远是危险螺栓,最大剪力N1T,普通螺栓群受偏心剪力P作用时的连接计算,普通螺栓群受偏心剪力作用时连接计算,将N1T它分解为水平和竖直分力,得受力最大螺栓所承受的合力为,3-30,如果y13x1，则可假定xi=0 。 由此得NT1y=0,则计算式为,普通螺栓群受偏心剪力P作用时的连接计算,普通螺栓受拉的工作性能,普通螺栓受拉的工作性能,b) 试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20来考虑撬力的影响，取ftb=0.8f（f

46、螺栓钢材的抗拉强度设值,a) 螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大,受拉螺栓的撬力,c) 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响,单个普通螺栓受拉承载力计算,翼缘加强的措施,3-32a,Ntb单个螺栓抗拉承载力；Ae 螺栓螺纹处的有效面积； de 螺栓有效直径；附录3 (P375) ftb 螺栓的抗拉强度设计值。 ftb 0.8f,假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，则一个拉力螺栓

47、的承载力设计值,单个普通螺栓受拉承载力计算,普通螺栓群受拉承载力计算,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目为,3-34,3-32a,螺栓群受拉承载力计算,普通螺栓群在弯矩作用下的受拉计算,螺栓群在弯矩M作用下的抗拉计算,M作用下螺栓连接按弹性设计，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,普通螺栓群在弯矩作用下的受拉计算,显然1号螺栓在M作用下所受拉力最大,由力学及假定可得,螺栓群在弯矩M作用下的抗拉计算,普通螺栓群在弯矩作用下的受拉计算,将式(c)代入式(b)得,由式(a)得,

48、因此，设计时只要满足下式即可,螺栓i 的拉力,即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值,螺栓群在弯矩M作用下的抗拉计算,普通螺栓群在偏心力作用下的受拉计算,螺栓群偏心受拉,小偏心受拉当M/N较小时，所有螺栓均承受拉力作用，构件B绕螺栓群的形心O转动。螺栓群的最大和最小螺栓受力为,3-38a,螺栓群在偏心力作用下的抗拉计算,普通螺栓群在偏心力作用下的受拉计算,3-38b,当 Nmin0 则表示所有螺栓受拉，螺栓群绕形心轴旋转,螺栓群在偏心力作用下的抗拉计算,3-38a,普通螺栓群在偏心力作用下的受拉计算,小偏心受拉,大偏心受拉 当Nmin 0 时，由于M/N较大，构件B绕A

49、点（底排螺栓）旋转趋势，偏于安全取中和轴位于最下排螺栓O处，受拉力最大的螺栓要求满足,3-39,螺栓群在偏心力作用下的抗拉计算,剪拉螺栓群的计算,不考虑拉力产生的拉应力的影响,剪拉螺栓群的计算,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,剪拉联合作用的螺栓,剪力和拉力的相关曲线,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,剪拉螺栓群的计算,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,验算剪-拉联合作用,3-40,3-41,验算孔壁承压,NVb单个螺栓抗剪承载力设计值； Nc

50、b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,剪拉螺栓群的计算,普通螺栓连接问题解法,普通螺栓连接问题解法,1)特点 已知尺寸和荷载，问是否满足设计要求。 (2)解法 验算是否满足构造条件；确定荷载作用方式和螺栓受力特征（受剪、受拉、拉剪）及受力最大螺栓；按相应公式验算,1验算型问题,1)特点 已知荷载和连接构造，需完成连接设计。 (2)解法 I抗剪型 II拉力型 III拉剪型,2设计型问题,普通螺栓连接问题解法,1验算型问题,N 作用 初选 d，求出Nbmin ； 求n； 按构造要求排列； 净截面验算，依结果调整d或排列，直至满

51、足要求。 ii其它荷载作用 初选 d、n和排列； 考虑荷载种类，确定受力最大螺栓； 按相应公式验算； 调整（d、n或排列）验算，直至满足要求,2设计型问题,I抗剪型,普通螺栓连接问题解法,普通螺栓连接问题解法,1验算型问题,2设计型问题,II拉力型,i. N作用 初选 d，求出Nbt ； 求n； 按构造要求排列。 iiM作用 初选 d、n和排列； 确定受力最大螺栓； 调整（d、n或排列）验算，直至满足要求,普通螺栓连接问题解法,普通螺栓连接问题解法,1验算型问题,2设计型问题,III拉剪型,无支托或不考虑支托受力 初选 d、n和排列； 确定受力最大螺栓； 调整（d、n或排列）验算，直至满足要求

52、。 ii考虑支托受力 螺栓按拉力型M作用设计；支托与柱之间的焊缝按角焊缝设计,普通螺栓连接问题解法,高强螺栓连接的性能,高强度螺栓连接的性能,材料 高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的合称。高强度螺栓常用钢材有优质碳素钢中的45号钢，合金钢中的20锰钛硼钢等。制成的螺栓有8.8级和10.9级,分类按受力特征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，破坏准则为克服摩擦力；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,工作特点 高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，或克服摩擦力之后通

53、过螺杆与孔壁之间的承压，以达到传递外力的目的,高强螺栓和普通螺栓的区别,高强度螺栓与普通螺栓的区别,摩擦型和承压型高强螺栓的设计准则,高强度螺栓摩擦型和承压型连接的设计准则,高强螺栓抗剪连接的性能,高强度螺栓摩擦型连接设计准则,高强度螺栓承压型连接设计准则,由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连接件中有很大的预压力，当连接受剪时，主要依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到1点。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,高强度螺栓抗剪连接的性能,高强螺栓抗剪连接的性能,对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为1点，所

54、以1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力,对于高强度螺栓承压型连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态4点，所以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,高强度螺栓抗剪连接的性能,高强螺栓抗拉连接的性能,高强度螺栓受拉,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C = P (状态a,高强度螺栓抗拉连接的性能,高强螺栓抗拉连接的性能,高强度螺栓受拉,加荷载拉力Nt后，螺栓拉力从P增加了 P，板件挤压力则由C减小了 C (状态b)。 Nt C= P,高强度螺栓抗拉连接的性能,NtP 时，则螺栓可能达到材

55、料的屈服强度，在卸载后使连接产生松弛现象，预拉力会降低,高强螺栓预拉力的建立方法,高强度螺栓预拉力的建立方法,1、 大六角头螺栓的预拉力控制方法有：a.力矩法 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,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,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120o180o完成终拧。 特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧,高强螺栓预拉力的建立方法,2、 扭断螺栓杆尾部法（