焊缝螺栓连接计算（高教课件）

1、第三章 连 接,1,向上文档,连接要求 力学方面：安全可靠，具有足够强度、刚度和延性； 施工方面：构造简单，制造方便 连接方法：焊接、铆接和螺栓连接,（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接,第一节 钢结构的连接方法,2,向上文档,表1 三种连接方法优缺点,3,向上文档,第二节 焊缝连接形式,一、焊接方法 分类：电弧焊、气焊和电阻焊等 原理：利用电弧产生的热能使连接处的焊件钢材局部熔化，并添加焊接时由焊条或焊丝熔化的钢液，冷却后共同形成焊缝使两焊件连成一体。 焊缝与空气的隔离：焊接过程中如果焊缝直接与空气接触，那么空气中的氧、氮等气体会进入焊缝而使焊缝变脆。,4,向上文档,1、手工电弧焊

2、： 原理： 特点：适用于各种焊接位置 药皮： 焊条型号与焊件母材钢号的匹配： Q235（E43型焊条） Q345（E50型焊条） Q390和Q420（E55型焊条）； 不同强度钢材焊接的焊条选择？,5,向上文档,2、自动（半自动）埋弧焊： 特点：效率高，熔化深度大、质量好，塑性韧性好，焊接变形小，热影响区范围小；适用于长而直的焊缝 焊剂层：,6,向上文档,3、气体保护焊： 原理同埋弧焊，只是改用利用CO2作为保护介质； 速度快，焊件熔深大、焊接质量好； 周围风速不能太大。 4、电阻焊： 原理：利用电流通过焊件接触点表面的电阻产生的热量来熔化金属，再通过压力使其熔合。 焊接厚度12mm,7,向上

3、文档,表2 各种焊接方法的特点,8,向上文档,二、焊缝连接形式 连接形式：按照被连接焊件的相互位置：,平接（对接） 搭接 T形连接 角部连接,9,向上文档,三、焊接位置 根据所持焊条与焊缝的相对位置： a）俯焊（平焊）、b)立焊、c)横焊、d）仰焊；,其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好；仰焊最难操作、质量不易保证；,10,向上文档,四、焊缝符号 作用：表明焊缝形式、尺寸和辅助要求 表示方法：指引线、基本符号，必要时加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸； 指引线：基准线（一实一虚）和箭头线； 基本符号：表示焊缝的形状,11,向上文档,常用焊缝基本符号,12,向上文档,13,向上文档,第三节

4、焊缝类别及其构造要求,焊缝类别,对接焊缝,角焊缝,14,向上文档,一、对接焊缝： （一）特点：传力直接、焊缝受力明确，不产生应力集中； （二）分类： 1）直缝：作用力方向与焊缝方向正交 2）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交,15,向上文档,（三）构造要求 1）坡口形式：根据板厚和施工条件选择 板厚 （1）t20mm：U、K、X形；,（a）I形缝； （b）带钝边单边V形缝； （c）V形缝,（d）U形； （e）K形缝； （f）X形缝,16,向上文档,g）加垫板的I形缝 h）加垫板的带钝边单边V形缝 i）加垫板的V形缝,施工条件： 为保证施工质量，当一侧施焊完毕后，常需翻过来在反面清除根部后进行一次补

5、焊，如无条件，则应在正面施焊时在焊缝的根部加设临时垫板；,17,向上文档,3）厚度或者宽度不同时：一定坡度使截面平缓过渡；,2）引弧板的设置： 消除焊口引起的应力集中现象；,18,向上文档,（一） 特点：无需坡口，构造较对接焊缝简单 （二）按受力与焊缝方向分： 1）端缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直 2）侧缝：作用力方向与焊缝长度方向平行,二、角焊缝,19,向上文档,（三）截面形式: 直角角焊缝 斜角角焊缝,a) 普通焊缝 b）平坡焊缝 c）深熔焊缝,有效截面、有效厚度,20,向上文档,（四）应力分布 1、侧面角焊缝：应力分布不均匀，两端大中间小，焊缝越长，不均匀分布越显著；由于塑性变形，破坏

6、前趋于均匀。,21,向上文档,2、正面角焊缝：截面受力状态较为复杂；,22,向上文档,3、正面角焊缝与侧面角焊缝力学性能比较,（1）正面角焊缝强度和刚度都高于侧面角焊缝； （2）侧面角焊缝塑性性能较正面角焊缝好。,23,向上文档,（五）角焊缝构造要求,1、焊脚尺寸hf 最小焊脚尺寸：对手工焊，hf应不小于 ，tmax为较厚焊件的厚度；对自动焊，可减小1mm； 最大焊脚尺寸：不大于较薄焊件厚度的1.2倍。,板件边缘的焊缝，当t 6mm时，hf t；当t6mm时，hf t (12)mm。,24,向上文档,2、焊缝长度 lw 太短：使焊缝起弧点和落弧点太近，焊缝端部易坍塌； 不宜小于8hf或40 m

7、m,太长：侧面角焊缝沿长度方向应力分布不均，两端大中 间小，过长则可能使两端先破坏； 不宜大于60hf 3、其他构造要求：P42-43,25,向上文档,第四节 焊缝强度计算,角焊缝强度计算 对接焊缝强度计算,26,向上文档,一、角焊缝强度计算,（一）角焊缝强度计算公式,角焊缝承受三个方向力：,27,向上文档,可得角焊缝计算的基本公式为,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时,仅有一垂直于焊缝长度方向的轴心力时,同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时,28,向上文档,注意环节： 1、计算长度：考虑起弧和落弧由实际长度减去2hf； 2、一般只考虑一个垂直于焊缝长度方向的力； 3、 强度设计增大系数：

8、4、正应力和剪应力的正确理解； 角焊缝强度计算步骤 1、根据构造要求初定焊接尺寸hf； 2、确定总的有效面积，需考虑多条焊缝； 3、分别求解平行于焊缝长度方向的应力 和垂直于焊缝长度方向的应力 ，然后代入公式计算。,29,向上文档,（二）受轴心力作用的拼接板连接,1、仅侧面角焊缝,强度验算：,承载力验算：,30,向上文档,算例1,如图所示两块板厚t14mm的板采用上下两块盖板（板厚t8mm）连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N500KN，已知端缝长度为Lw1400mm，侧缝长度为Lw2300mm，根据下列情况设计焊缝： （1）仅有侧面角焊缝； （2）仅有正面角焊缝；,解

9、： 根据构造要求焊角尺寸 hf 1.2x8 t-(12) 所以取hf=6mm,31,向上文档,（1）仅有侧面角焊缝；,32,向上文档,（二）受轴心力作用的拼接板连接,2、仅正面角焊缝,强度验算：,承载力验算：,33,向上文档,算例1,如图所示两块板厚t14mm的板采用上下两块盖板（板厚t8mm）连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N500KN，已知端缝长度为Lw1400mm，侧缝长度为Lw2300mm，根据下列情况设计焊缝： （1）仅有侧面角焊缝； （2）仅有正面角焊缝；,解： 根据构造要求焊角尺寸 hf 1.2x8 t-(12) 所以取hf=6mm,34,向上文档,（2

10、）仅有正面角焊缝；,35,向上文档,3、三面围焊时：先计算正面角焊缝受力N1，剩余的N-N1由侧面角焊缝承担。（一般采用连续焊接，即hf相等）,1）正面角焊缝承担内力N1 ：,2）剩余的N-N1由侧面角焊缝承担：,36,向上文档,（三）受轴心力作用的角钢连接,1、当用侧面角焊缝连接时:两面侧焊,肢背 N1=e2 N /（e1+e2）=K1 N,肢尖 N2=e1 N /（e1+e2）=K2 N,肢背、肢尖焊缝强度验算,37,向上文档,38,向上文档,2、三面围焊时：先计算正面角焊缝受力N3，剩余的N-N3由侧面角焊缝承担。,1）正面角焊缝承担的力 N3 =0.7hflw3f ffw,2）侧面角焊

11、缝承担的力,肢背 N1 =e2 N /（e1+e2）N3 /2=K1 NN3 /2,肢尖 N2 =e1 N /（e1+e2）N3 /2=K2NN3 /2,3）肢背、肢尖焊缝强度验算,39,向上文档,算例2,如图所示某桁架腹杆采用角钢2L140X10，用角焊缝三面围焊与节点板连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N1170KN，已知焊角尺寸hf8mm，肢背焊缝长度Lw1400mm，肢尖焊缝长度Lw2250mm，验算焊缝连接是否安全：,40,向上文档,（四）弯矩作用下的焊缝强度计算,1、确定焊缝有效截面； 2、计算焊缝的有效截面模量； 3、计算弯曲正应力：,41,向上文档,（五

12、）弯矩、剪力和轴心力共同作用,42,向上文档,算例3,验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝强度。钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，N300KN，V200KN，e100mm，已知焊角尺寸hf8mm，焊缝长度Lw400mm。,43,向上文档,剪力V产生,弯矩MVe产生,轴力N产生,焊缝强度验算：,44,向上文档,（六）扭矩作用下的焊缝,基本假定 （1）被连接构件是绝对刚性的，而焊缝则是弹性的； （2）被连接板件绕角焊缝有效截面形心o旋转，角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心o的连线，应力的大小与其距离r的大小成正比。,45,向上文档,基本步骤： （1）求解JIxIy； 焊缝形心求解； （2）求

13、解扭转应力 （3）求解垂直于和平行于焊缝长度方向的应力分量： （4）代入角焊缝强度验算公式：,46,向上文档,（七）扭矩、剪力和轴心力共同作用,47,向上文档,角焊缝计算思路： 1、根据荷载情况明确角焊缝参数，包括焊角尺寸hf、焊缝长度lw、截面模量w、惯性矩等； 2、分别求解各种荷载工况下的截面应力； 3、求解垂直于截面和平行于截面应力，应力合成，代入计算公式,48,向上文档,算例4：p54，例35,49,向上文档,二、对接焊缝的计算 （一）对接焊缝强度 （1）钢材牌号焊条型号 （2）焊缝质量： I、II、 III级 压剪：焊缝和焊件等强；不需计算焊缝强度 拉： I、II级焊缝和焊件等强，不

14、需计算焊缝强度； III级：0.85f（母材强度），计算焊缝强度。,焊透对接焊缝 部分焊透对接焊缝,50,向上文档,（二）焊透对接焊缝：厚度与焊件相同，焊件截面（如果厚度不一则取薄板截面）,（1）轴心受力的对接焊缝 N（lwt）fwt或fwc,51,向上文档,（2）受弯、受剪的对接焊缝计算 最大应力值验算 max MWw fwt maxVS（Iwt） fwV,焊缝为矩形截面,52,向上文档,焊缝为工字形截面,折算应力验算,考虑到最大折算应力只发生在局部个别点，所以将强度设计值适当提高10。,53,向上文档,算例5,如图所示焊接工字形梁仅在腹板上设一道对接拼接焊缝，钢材采用Q345，手工焊，焊条

15、E50，拼接处弯矩M2600kNm，剪力V244kN，设置引弧板，质量等级三级，试验算强度。,验算内容： （1）最大应力验算 （2）折算应力验算,54,向上文档,（1）焊缝所处截面的惯性矩： 上翼缘对x轴的面积矩： 上半截面对x轴的面积矩：,（2）焊缝最大应力验算：,55,向上文档,（2）折算应力验算：腹板与上翼缘交界点 折算应力：,56,向上文档,（三）部分焊透的对接焊缝 应用：联系或是临时连接 坡口形式：按角焊缝计算,57,向上文档,一、焊接应力的分类和产生的原因,纵向焊接应力,第五节 焊接应力和焊接变形,58,向上文档,横向焊接应力 （1）纵向收缩（2）施焊先后不同：后冷却的受拉,59,

16、向上文档,厚度方向的焊接应力 （1）中间受拉，四周受压应力状态； （2）中间厚板焊缝三向受拉，降低塑性；,60,向上文档,二、焊接应力对结构性能的影响,对结构静力强度的影响：承载力没有影响,61,向上文档,对结构刚度的影响：塑性部分没法提供刚度，刚度降低,对低温冷脆的影响：两向或者三向应力，变脆,对疲劳强度的影响：降低疲劳强度或允许应力幅,62,向上文档,三、 焊接变形,残余变形形式,63,向上文档,64,向上文档,1、合理的焊缝设计,焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心 焊缝尺寸（焊脚和焊缝长度）要适当，采用细长焊缝 焊缝不宜过分集中（图a）：过大的焊接应力 应尽量避免三向焊缝交叉（图b

17、） 焊条易达到（图d），避免仰焊,65,向上文档,2、合理的工艺措施 采取合理的施焊次序,66,向上文档,施焊前加相反的预变形（图a、b） 焊前预热，焊后回火（图c）,67,向上文档,第六节 螺栓连接的构造,一、引 言 分类： 普通螺栓 高强螺栓 直径：有效直径（de ，Ae）和公称直径d（M20M24）,精制螺栓：A级和B级，5.6级和8.8级 粗制螺栓：C级，4.6级和4.8级,摩擦型螺栓：板件间的摩擦力为极限状态； 承压型螺栓：摩擦力先被克服，直至螺杆剪切或者孔壁承压破坏；,68,向上文档,二、螺栓连接的排列和构造要求,排列方式： 并列：简单整齐 错列：紧凑,69,向上文档,排列要求 受

18、力要求：钢板端部剪断，端距不应小于2d0； 受拉时，栓距和线距不应过小； 受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大； 构造要求：边距和中距不宜过大，否则接触面不紧密，潮气入侵造成锈蚀； 施工要求：有一定的施工空间，便于转动扳手拧紧螺帽。,70,向上文档,71,向上文档,孔、螺栓图例,72,向上文档,传力方式： 抗剪螺栓：螺栓杆抗剪和螺栓杆对孔壁承压传递剪力； 抗拉螺栓：螺栓杆承受沿杆长方向的拉力； 同时抗剪、抗拉螺栓:,第七节 普通螺栓连接的计算,73,向上文档,一、抗剪螺栓,工作性能：克服界面摩擦力，螺杆承压（剪切和弯曲），塑性破坏 1、破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端被剪断；螺栓杆

19、弯曲,74,向上文档,2、 一个抗剪螺栓的设计承载力计算,抗剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,(a) 单剪 (b) 双剪 (c) 四剪面,一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值,75,向上文档,3、普通螺栓的抗剪连接计算,1）轴心力作用下的抗剪计算 螺栓强度,板件净截面强度,净截面面积An,（1）并列 N1=N； N2 =N(n1/n) N ；N3 = N (n1+n2)/n N 对被连接板：An=t (bn1d0) 对拼接板： An =2t1 (bn3d0),76,向上文档,（2）错列:,77,向上文档,算例6,如图所示某钢板的搭接连接，板件厚t16mm，宽b240mm，拼接板t

20、17mm，采用C级螺栓M22，孔径d023.5mm，承受轴心力N500kN，钢材采用Q235，试设计该连接。,抗剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,抗剪螺栓的承载力设计值,78,向上文档,板件净截面强度:,抗剪螺栓数： 取螺栓数n6,79,向上文档,2）扭矩作用下的抗剪计算 基本假定, 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；, 各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群形心o的距离r成正比，力的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直。,80,向上文档,平衡条件：,根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件,则,或,验算,81,向上文档,3）螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算,

21、在扭矩T作用下，螺栓1 受力为,82,向上文档,在剪力V和轴力N作用下，螺栓均匀受力：,则螺栓1受的最大剪力N1应满足：,例题7 p74 例题39,83,向上文档,二、抗拉螺栓连接 1、受力性能：,撬力现象： 有效面积：,84,向上文档,2、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算,或者,85,向上文档,3、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算,假定：中和轴在最下排螺栓处,则,86,向上文档,4、M、N共同作用（偏心受拉）螺栓计算,87,向上文档,(1) 小偏心受拉： 所有螺栓均承受拉力，接触面有相互脱离的趋势，不存在受压区，螺栓群形心为中和轴，弯距产生应力分布呈三角形分布，叠加轴心力后螺栓全受拉。,（1）,（

22、2）,yes,小偏心受拉,no,大偏心受拉,88,向上文档,(2)大偏心受拉： 当偏心距较大时，板端出现受压区，则近似取中和轴位于最下排螺栓处（同纯弯）。,89,向上文档,偏心受拉螺栓计算步骤： （1）计算螺栓抗拉承载力： （2）判断大、小偏心受拉： （3）假如小偏心，则根据公式验算安全： （4）假如大偏心，则根据公式验算安全：,90,向上文档,例题8：如图所示某一屋架节点，C级螺栓，M20，5排螺栓，间距为100mm，Q235BF钢，偏心力P200kN，偏心距e80mm，验算连接；,（2）判断大、小偏心受拉,所以属于小偏心受拉,（1）抗拉承载力计算：,91,向上文档,三、螺栓群同时受剪力和拉

23、力的计算,92,向上文档,螺栓不发生拉剪破坏：,板不发生承压破坏：,（1）支托仅起安装作用： 螺栓群受力为M=Ve和剪力V，则,例题9：P80，例题3-12,93,向上文档,（2）支托承受剪力： 螺栓群只承受弯矩M=Ve作用，则,支托与柱翼缘的角焊缝验算：,为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，取1.251.35,94,向上文档,第八节 高强螺栓连接的计算,一、概述 分类：摩擦型与承压型 受力特性：抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态（同普通螺栓），所以承载力大于前者。受拉时两者无区别。 高强螺栓的材料与强度等级 由

24、高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。 10.9级：一般为20MnTiB、40Cr等材料， fu1000N/mm2， fy/fu0.9； 8.8级：一般为35号、45号钢和40B钢制成， fu800N/mm2， fy/fu0.8。,95,向上文档,1、高强螺栓连接的预拉力,施加方法：扭矩法、转角法（大六角头型）、扭剪法（扭剪型） 预拉力设计值：高强度螺栓预拉力设计值按材料抗拉强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑： 螺栓材质的不均匀性，引入折减系数0.9； 施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9； 在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2； 钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。,96,向上文档,97,向上文档,2、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数 滑移系数与处理方法和构件的钢号有关，P8