《结构设计原理》课件第20-1-4章 残余应力+螺栓连接

1、青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 结构设计原理结构设计原理 青海大学 土木工程学院 教授班级：交通2011(1、2) 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 l章节内容章节内容 1、焊缝连接 2、普通螺栓连接 3、高强螺栓连接 20 钢结构的连接 20.1.7 焊接残余应力及残余变形 高度不均匀的温度场造成构件内部收缩与膨胀的不均匀性， 致使构件产生变形，这种变形叫焊接变形。 (a) 纵向收缩和横向收缩；(b) 弯曲变形；(c) 角变形； (d) 波浪变形；(e) 扭曲变形 而焊缝和焊缝附近 钢材不能自由地变形， 因受到周围钢材的约 束而产生焊接残余应 力。 一、焊接残余应力的分

2、类和原因 焊接应力是一种无荷载作用的内应力，因此会自相平衡， 包括以下三个部分： 1、纵向焊接应力 2、横向焊接应力 3、沿厚度方向的焊接应力 20.1.7 焊接残余应力及残余变形 + - - 500oC 800oC 300oC 300oC 500oC 800oC 施施 焊焊 方方 向向 8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm 施焊时焊缝附近达1600以上，而邻近区域温度骤降。 焊缝周围 产生不均 匀温度场 - - - - - + + 1、纵向焊接应力沿焊缝长度方向 成因： a.施焊时焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产 生热塑性压缩； b.焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力；

3、c.拉应力大小可达钢材屈服点 fy； d.远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。 2、横向焊接应力 两部分组成： 其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊 缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图(a)中虚线 所示的弯曲变形。 因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力， 而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图(b)所示。 其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有 先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却焊 缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。 最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图(c)的叠加， 如图(d)所示。

4、l在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向 先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形 。 - + - 3 2 1 x y z l冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生 沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。 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三向拉应力，大大降低连 接的塑性。 3、厚度方向的焊接应力 20.1.7 焊接残余应力及残余变形 二、 减少焊接应力和变形的措施 1、合理的焊缝设计 （1）合理的选择焊缝的尺寸和形式 满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的hf加大焊 缝长度，即设计成焊脚尺寸较小

5、而焊缝长度长些； 注意：不要因考虑“安全”而任意加大超过计算所需 要的焊缝尺寸。 （2）尽可能减少不必要的焊缝 不但增加了装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变 形。 20.1.7 焊接残余应力及残余变形 （3）合理地安排焊缝的位置 焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残 余变形和尽量避免三向焊缝相交。 三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续 （4）尽量避免截面突变引起的应力集中现象，连接过渡平 缓。 （5）避免焊接缺陷，尽量避免仰焊 二、 减少焊接应力和变形的措施 1、合理的焊缝设计 20.1.7 焊接残余应力及残余变形 2、 合理的工艺措施 （1）采用合理的焊接顺序和方向。

6、先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，先 焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝，使焊缝有较大的横 向收缩余地。 二、 减少焊接应力和变形的措施 20.1.7 焊接残余应力及残余变形 采用适当的焊接顺序和方向。 例如采用对称焊，分段退焊(即分段焊接，每段施焊方向 与焊接推进的总方向相反)、跳焊、多层多道焊等，使各次焊 接的残余应力和变形的方向相反和互相抵消。 3、锤击或辗压焊缝，使焊缝舒张，降低焊接残余应力； 4、预热和回火 对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至 600左右，然后缓慢冷却。 2、采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。 5、局部加热；6、退火法 二、 减少焊接应力和变形的措施

7、 20.1.7 焊接残余应力及残余变形 焊前预热和焊后缓冷是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝 区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，减少残余应力与变形 螺栓连接 螺栓连接是用螺栓将构件、部件连成整体的连接方式。 螺栓是由螺杆、螺母、垫圈组成的坚固件。 缺点 优点 施工简单，拆装方便， 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 费料、开孔截面削弱 螺栓孔加工精度要求高 20.2 钢结构螺栓连接 普通螺栓连接 根据加工精度分A、B、C三级。 A、B级精制螺栓，采用低合金钢或再经热处理后制成，类孔， 孔径比杆径大0.3-0.5mm，抗剪性能好， 制造安装费工，少用。性能 等级

8、5.6级或8.8级。 C级粗制螺栓，一般Q235钢，类孔，孔径比杆径大1.5-2.0mm， 抗剪性能差，但传递拉力性能好，性能等级为4.6级或4.8级。 高强螺栓连接 高强钢材制成：优质碳素钢和合金钢 性能等级：8.8级、10.9级。 等级符号说明：等级符号说明：小数点前8、10螺栓材料经热加工后的最低抗 拉强度为800、1000N/mm2； 小数点后0.8、0.9屈强比 摩擦型高强螺栓：只靠摩擦阻力传力，以剪力达到接触面的摩擦力作 为承载力极限状态设计准则。 变形小，弹性性能好，耐疲劳，施工较简单，适用于承受动力荷 载的结构。 承压型高强螺栓：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承 载力

9、极限状态设计准则。 承载力高于摩擦型连接，连接紧凑，剪切变形大，不能用于承 受动力荷载的结构。 20.2 钢结构螺栓连接 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 普通螺栓规格精制螺栓粗制螺栓 分类A级和B级C级 强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级 孔加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成 加工精度 螺杆与栓孔直径之差为 0.250.5mm 螺杆与栓孔直径之差为 1.52mm 受力特点抗剪抗拉均好抗剪差、抗拉好 经济性能价格高价格经济 用途 直接承受较大动力荷载的 重要结构，现被摩擦型高 强螺栓替代 沿螺栓杆轴受拉的连接； 次要的抗剪连接；安装的 临时固定 注：A、B两级的区别只是尺

10、寸不同。 A级用于d24mm，l150mm的 螺栓，B级用于d24mm， l150mm 螺栓。 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 一、普通螺栓连接的构造计算 1.螺栓的排列和构造要求 规格：形式为大六角头型，其代号用字母M与公称直径表示。常用 M16、M20、M24。 螺栓的排列：并列、错列。 并列错列 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 螺栓的排列要满足以下三个方面的要求： （1）受力要求：端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方向，中距过 大，鼓曲。 （2）构造要求：螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进入导致腐蚀。 （3）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于安装。 中心距太大 2d 端

11、距过小 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 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。 端距端距 边距边距 1.5d0 (1.2d0) 2d02d0 1.5d0 3d0 端距端距端距端距端距端距中距中距 边距边距 线距线距 3d0 2d03d0 1.5d0 1.5d0 3d0 3d02d0 边距边距 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 型钢的螺栓(铆钉)排列 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 1、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

12、个永久螺栓； 螺栓的其它构造要求： 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，以下情况可用于抗剪连接： 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。 4、沿杆轴方向受拉螺栓连接的端板，应适当加大刚度，以减小撬力对螺 栓抗拉承载力的不利影响。 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 螺栓连接的受力形式分为：只受剪力，只受拉力。有时受剪力和 拉力的共同作用。 N （B） 拉力螺栓 F （C） 剪力和拉力共同作用 F （A） 剪力螺栓 受力垂直螺杆，承剪、 承压。 连接件有错动趋势 受力平行螺

13、杆，承拉 连接件有脱开趋势 二、普通螺栓连接受剪、受拉时的工作性能 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 N O 1 2 3 4 N N a b N N/2 N/2 对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件 上a、b两点相对位移与作用力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 1. 抗剪螺栓连接 (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，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。 抗剪螺栓连接受力后，首先由构 件间的摩擦力来传递外力。当外力 增大超过极限

14、摩擦力后，构件间相 对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁 而受剪，孔壁则受压。 单个螺栓抗剪试验结果单个螺栓抗剪试验结果 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 N O 1 2 3 4 a b N N/2 N/2 (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。 20.2 普通螺栓连接的

15、构造和计算 栓杆传力的弹性阶段：外力主要是靠螺栓受 剪和孔壁受挤压传递，内力分布不均； 因此，当外力作用于螺栓群中心时，在 计算中认为所 螺栓受力是相同的。（a）塑性阶段受力状态）塑性阶段受力状态 （b）弹性阶段受力状态）弹性阶段受力状态 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 弹塑性阶段：内力重分布，螺栓受力趋于均匀 a) A B 栓杆较细而板件较厚时 螺栓杆剪断 b) B A 栓杆较粗而板件较薄时 孔壁挤压 c) A 截面削弱过多时 钢板被拉断 d) 35 35 a1 A 端矩过小时；端矩2d0 钢板剪断 e) A 板过厚螺栓杆过长；栓杆长度5d 螺栓弯曲 20.2 普通螺栓连接的构造和计算

16、计算保证计算保证 构造保证构造保证 剪力螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况，故单栓 抗剪承载力由以下两式决定： 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 单个剪力螺栓的设计承载力： 受剪承载力设计值： 承压承载力设计值： d b v 2 v b v 4 f d nN b c b c f tdN b v b c b min ,minNNN p 假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布 ； p 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 验算： b vmin NN 抗剪承载力设计值： b v 2 v b v 4 f d nN 承压承载力设计值： b c b c f t

17、dN t1 t2 ,t= t1 t1 t2 t1 t2 t3 t2 t1+ t3 ,t= t2 d+b15d0时，应将螺栓的承载力乘以折减系数。 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 1 0 1.10.7 150 l d 10 600.7ld当时： 2.抗拉螺栓连接 2N 角钢变形 N Q Pf 焊加劲肋 2N 一个拉力螺栓的承载力设计值： 2 bb e tt 4 d N de螺栓的有效直径，取值见附表4-5； tb螺栓抗拉容许应力，见附表4-2。 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 a)螺栓受拉时，外力会使被连接构件的接触面互相脱开而使螺栓 受拉，最后螺杆被拉断而破坏； b)假定拉应力在螺栓截

18、面上均匀分布； 三、螺栓群的计算 1.螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算 轴力N由每个螺栓平均分担，连接一侧所需螺栓数为： b min N n N N/2 N l1 N/2 b v b c b min ,minNNN 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 螺栓孔削弱了受拉钢板的截面面积，因此还需对板件进 行强度验算，强度计算公式为： n N A 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 螺栓排列为错列时： 危险截面1-1（正交截面）、2-2 （折线截面） An=minA1-1，A2-2 22 2 2421220 2(1)Ateneen d 20.2 普通螺栓连接的构造和计算 1-110 At bn d n

19、1为危险截面1-1（正交截面）上的螺栓数、 n2为危险截面2-2 （折线截面）上的螺栓数。 一、高强度螺栓连接的性能 20.3 高强度螺栓的连接性能和计算 强度等级采用钢材 8.8级45号钢、40B钢 10.9级20MnTiB钢、35VB钢 按材料分类 按受力特征分类 受力特征承载力极限状态安装孔径应用特点 摩擦型外力达到板件摩擦力d0=d+1.52 剪切变形小，耐疲劳 ，动载下不易松动 承压型 外力超过摩擦力 栓杆受剪 板件承压 d0=d+1.01.5 承载力比摩擦型大，剪 切变形大，一般不用于 直接动载情况 1.高强度螺栓的预拉力 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

20、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。 大六角 头型 20.3 高强度螺栓的连接性能和计算 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。 eueu 0.90.90.9 0.6 1.2 PA fA f 高强螺栓的预拉力设计值由下式确定： 扭剪型 20.3 高强度螺栓的连接性能和计算 查表20-5 2.高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数 F 摩擦型高强度螺栓是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的 大小取决于板件间的挤压力（P）和板件间的抗滑移系数 ； 连接处接触面 处理方法 构 件 的 钢 号 Q