钢结构基本原理课件：第三章

1、钢钢 结结 构构3 钢结构连接钢结构连接3 3 钢结构连接钢结构连接本章内容本章内容: : (1)(1)钢结构的连接方法钢结构的连接方法n (2)(2)焊接方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式 n (3)(3)角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算 n (4)(4)对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算n (5)(5)焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形n (6)(6)螺栓连接的构造螺栓连接的构造 n (7)(7)普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算 n (8)(8)高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算 本章重点：本章重点：角焊缝的构造与计算，普

2、通螺栓连接的计算，角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计算， 高强度螺栓连接的计算高强度螺栓连接的计算本章难点本章难点：如何运用相关公式进行各种连接计算：如何运用相关公式进行各种连接计算3.1 3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法2、铆接铆接1、焊接焊接 对接焊缝对接焊缝角角 焊焊 缝缝 3. 1. 1 钢结构连接种类钢结构连接种类 焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接3、螺栓连接螺栓连接普通螺栓：靠螺栓杆承压和普通螺栓：靠螺栓杆承压和 受剪传递荷载受剪传递荷载高强螺栓高强螺栓3. 1. 2 3. 1. 2 连接特点连接特点优点（优点（1）构造简单，制造省工；）构造简单，

3、制造省工； （2）不削弱截面，经济；）不削弱截面，经济； （3）连接刚度大，密闭性能好；）连接刚度大，密闭性能好； （4）易采用自动化作业，生产效率高。）易采用自动化作业，生产效率高。 缺点（缺点（1）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆；）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆； （2）产生焊接残余应力和残余应变；）产生焊接残余应力和残余应变； （3）裂缝易扩展，低温下易脆断。）裂缝易扩展，低温下易脆断。一、焊缝连接一、焊缝连接优点：安装拆卸方便。优点：安装拆卸方便。缺点：构造复杂，削弱截面，不经济。缺点：构造复杂，削弱截面，不经济。二、螺栓连接二、螺栓连接 1 1、普通螺栓连接、普通螺栓连接 由23

4、5钢制成，根据加工精度分根据加工精度分A A、B B、C C三级三级. . A B A B级精制螺栓级精制螺栓,类孔，孔径比杆径大类孔，孔径比杆径大0.3-0.5mm0.3-0.5mm，抗剪性能好抗剪性能好, , 制造安装费工，少用。制造安装费工，少用。 C C级粗制螺栓级粗制螺栓,类孔，孔径比杆径大类孔，孔径比杆径大1.5-2.0mm1.5-2.0mm，抗剪，抗剪性能差，但传递拉力性能好，性能等级为性能差，但传递拉力性能好，性能等级为4.64.6级或级或4.84.8级级 。3. 1. 2 3. 1. 2 连接特点连接特点2 2、高强螺栓连接、高强螺栓连接（1 1）性能等级）性能等级 高强钢材

5、制成：优质碳素钢：高强钢材制成：优质碳素钢：3535号、号、4545号；号； 合合 金金 钢：钢：20MnTiB20MnTiB、40B40B、35VB35VB。 性能等级：性能等级：8.88.8级、级、10.910.9级。级。 小数点前小数点前8 8、1010螺栓材料经热加工后的最低抗拉螺栓材料经热加工后的最低抗拉强度为强度为830830、1040N/mm1040N/mm2 2； 小数点后小数点后0.80.8、0.90.9屈强比屈强比 uff /2 . 03. 1. 2 3. 1. 2 连接特点连接特点摩擦型摩擦型：只靠摩擦阻力传力：只靠摩擦阻力传力, ,以剪力达到接触面的摩以剪力达到接触面的

6、摩擦力作为承载力极限状态擦力作为承载力极限状态设计准则设计准则（2 2）按抗剪性能分）按抗剪性能分承压型承压型：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏为：以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏为承载力极限状态承载力极限状态设计准则设计准则 摩擦型螺栓连接：变形小，弹性性能好，耐疲摩擦型螺栓连接：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。劳，施工较简单，适用于承受动力荷载的结构。 承压型螺栓连接：承载力高于摩擦型连接，连接承压型螺栓连接：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。紧凑，剪切变形大，不能用于承受动力荷载的结构。3. 1. 2 3.

7、1. 2 连接特点连接特点 3.2 3.2 焊接方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式3. 2. 1 钢结构常用焊接方法钢结构常用焊接方法 1.1.手工电弧焊手工电弧焊打火引弧打火引弧-电弧周围的金属液化电弧周围的金属液化(熔池熔池)焊条焊条熔化熔化滴入熔池滴入熔池与焊件的熔融金属结和冷却即与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。形成焊缝。电弧焊：电弧焊： 手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。优点：方便，特别在高空和野外作业；优点：方便，特别在高空和野外作业；缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效

8、率低。强度大，效率低。 焊条焊条: : 焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。Q235Q235E43E43焊条；焊条； Q345Q345E50E50焊条焊条Q390Q390（Q420Q420）E55E55焊条焊条E E焊条；型号由四部分组成焊条；型号由四部分组成 E E 前两位数前两位数 焊缝金属最小抗拉强度焊缝金属最小抗拉强度(43kg/mm(43kg/mm2 2) )；后两位数后两位数 焊接位置、电流及药皮类型。焊接位置、电流及药皮类型。不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条的焊条3. 2

9、. 1 钢结构常用的焊接方法钢结构常用的焊接方法 手工电弧焊手工电弧焊 3.2 3.2 焊接方法和连接形式焊接方法和连接形式 2. 2. 自动（半自动）埋弧焊自动（半自动）埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。优点：质量好，效率高；优点：质量好，效率高；缺点：需要专用设备。缺点：需要专用设备。3. 3. 气体保护焊气体保护焊利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为保护介质的一种方法。为保护介质的一种方法。优点：质量好；优点：质量好；缺点：对环境要求高。（结束）缺点：对环境要求高。（结束）（ 被连接钢材的相互位置）对接连接搭接连接T型连接

10、角部连接焊缝连接形式 3.2.2 3.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式焊缝连接形式及焊缝形式1.焊缝连接形式 焊缝连接形式 (1)(1)按焊缝的截面形式分按焊缝的截面形式分对接焊缝对接焊缝角角 焊焊 缝缝 2.2.焊缝形式焊缝形式按受力方向划分按受力方向划分 正正对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 对接焊缝对接焊缝 斜斜对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝倾斜倾斜于力线于力线 正面正面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 角焊缝角焊缝 侧面侧面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝平行平行于力线于力线 斜斜角焊缝角焊缝: 焊缝焊缝倾斜倾斜于力线于力线(2)焊缝沿长度方向的布置焊缝沿长度方向的布置

11、注意注意: : 在受压构件中在受压构件中 L15L15tL L不宜过长不宜过长 在受拉构件中在受拉构件中 L30L30t （t为较薄焊件的厚度）为较薄焊件的厚度） 2.2.焊缝形式焊缝形式（3 3）焊缝的施焊方位）焊缝的施焊方位平焊（俯焊）平焊（俯焊）立焊立焊横焊横焊 仰焊仰焊 2.2.焊缝形式焊缝形式3.2.3 3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷及焊缝质量检验1 1、焊缝缺陷：、焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊缝金属或附近热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影响区钢材表面或内部的缺陷 3.2 3.2 焊接方法和连接形式焊接方法和连接形式2.2.焊缝质量检验焊缝质

12、量检验三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸）三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸）二级：除外观检查，超声波抽检二级：除外观检查，超声波抽检一级：同二级一级：同二级3.3.焊缝质量等级的选用焊缝质量等级的选用（1 1）需要进行疲劳计算的构件，凡是对接焊缝均应焊透。其）需要进行疲劳计算的构件，凡是对接焊缝均应焊透。其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或T T形对接与角接组合焊形对接与角接组合焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级；作用力平行于焊缝长度缝受拉时应为一级，受压时应为二级；作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。方向的纵向对接焊缝应

13、为二级。3.2.3 3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷及焊缝质量检验 3.2 3.2 焊接方法和连接形式焊接方法和连接形式（2）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母材等强的）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母材等强的对接焊缝应焊透。母材等强的受拉对接焊缝应不低于对接焊缝应焊透。母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。二级；受压时宜为二级。（3）重级工作制和起重量）重级工作制和起重量Q500KN的中级工作制吊车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点板之间的T形接头均要求焊透，质量等级不应低于二

14、形接头均要求焊透，质量等级不应低于二级。级。（4）不要求焊透的）不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，一般仅要求外观质量检查，具体规定如下：三级检验；一般仅要求外观质量检查，具体规定如下：三级检验；承受动力荷载且需要验算疲劳和承受动力荷载且需要验算疲劳和Q 500KN的中级吊的中级吊车梁，二级。车梁，二级。h hf f3.2.4 3.2.4 焊缝代号、螺栓及其孔眼图例焊缝代号、螺栓及其孔眼图例 3.2 3.2 焊接方法和连接形式焊接方法和连接形式焊缝代号焊缝代号- -

15、引出线、图形符号、辅助符号引出线、图形符号、辅助符号角焊缝角焊缝 3.2.4 3.2.4 焊缝代号、螺栓及其孔眼图例焊缝代号、螺栓及其孔眼图例 焊缝代号焊缝代号- -引出线、图形符号、辅助符号引出线、图形符号、辅助符号焊缝分布不规则，在标注焊缝符号的同时，可在图形上加栅线（结束）（结束） 3. 3 3. 3 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算3.3.1 角焊缝的形式和强度fh角焊缝的角焊缝的焊脚尺寸焊脚尺寸eh角焊缝的角焊缝的计算厚度计算厚度，对直角角焊缝：，对直角角焊缝：fehh7 . 0角焊缝一般用直角角焊缝。夹角角焊缝一般用直角角焊缝。夹角 的斜角的斜角角焊缝，角焊缝，不宜不宜用作受力

16、焊缝（钢管结构除外）用作受力焊缝（钢管结构除外）0060135或按截面形式划分按截面形式划分 直角角焊缝直角角焊缝角焊缝角焊缝 斜角角焊缝斜角角焊缝侧面角焊缝强度低、塑性好；应力沿长度方向分布不均侧面角焊缝强度低、塑性好；应力沿长度方向分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。匀，呈两端大而中间小的状态。侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝侧面角焊缝侧面角焊缝平行于力的作用方向平行于力的作用方向NNNNtbLLaN按受力方向划分按受力方向划分 正面角焊缝受力复杂，截面中的各面均存在正应力和剪正面角焊缝受力复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力；强度高，塑性差。应力；强度高，塑

17、性差。正面角焊缝正面角焊缝垂直于力的作用方向垂直于力的作用方向（2 2）按角焊缝与作用力的关系分）按角焊缝与作用力的关系分3. 3. 2 角焊缝构造要求角焊缝构造要求minmax2 .1thf（1 1）最大焊脚尺寸要求）最大焊脚尺寸要求对边缘角焊缝 thmmtfmax,6)21 (,6maxmmthmmtf为避免焊缝区基本金属为避免焊缝区基本金属“过热过热”，减少焊件的残，减少焊件的残余应力和残余变形。余应力和残余变形。焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度快而焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织产生淬硬组织maxmin5 .1thf对自动焊对自动焊:mmhf1min对对

18、T型连接的单面角焊缝：型连接的单面角焊缝：mmhf1min当焊件厚度当焊件厚度thmmtfmin,4maxffminfhhh设计：（2 2）最小焊脚尺寸要求）最小焊脚尺寸要求（3 3）侧面角焊缝最大计算长度）侧面角焊缝最大计算长度fh60静力荷载静力荷载fh40动力荷载动力荷载wl侧面角焊缝沿长度方向受力不均匀，两端大中间小，所侧面角焊缝沿长度方向受力不均匀，两端大中间小，所以一般均规定其最大计算长度。以一般均规定其最大计算长度。注：若内力沿角焊缝注：若内力沿角焊缝全长分布全长分布，则计算长度，则计算长度不不受此限受此限注意注意：焊脚尺寸和焊缝计算长度：焊脚尺寸和焊缝计算长度取取mm的整的整数

19、，小数点以后都进为数，小数点以后都进为1。)40,8max(minmmhlfw设计：设计：maxminwwwlll(4)(4)角焊缝的最小计算长度角焊缝的最小计算长度（防止局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相（防止局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近，及其他缺陷，使得焊缝不可靠）距太近，及其他缺陷，使得焊缝不可靠）1 1）在搭接连接中，搭接长度）在搭接连接中，搭接长度L5L5t min min 且且25mm25mm。（5 5） 搭接连接的构造要求搭接连接的构造要求L5tL5tmin min 且且25mm25mm。为了减少收缩应力以及因偏心在钢板与连接件中产生的次应力为了减少收缩应力以

20、及因偏心在钢板与连接件中产生的次应力3 3）围焊的围焊的转角处转角处必须必须连续施焊。连续施焊。非围焊时，可在构件转非围焊时，可在构件转角处作长度角处作长度2h 2h f f 的绕角焊的绕角焊)mmt (mm)mmt ( tb122001216或 （为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲大为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲大）2 2）当板件端部仅有两侧面角焊缝时，）当板件端部仅有两侧面角焊缝时，l l wwbb（两侧焊缝距离）（两侧焊缝距离）同时同时（5 5） 搭接连接的构造要求搭接连接的构造要求190190（为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均匀为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应

21、力不均匀）:的关系和实际长度角焊缝的计算长度fwllfwwhllll侧面角焊缝正面角焊缝三面围焊：. 1fwhll2. 2侧面角焊缝两面侧焊：fwfwhllhllL侧面角焊缝正面角焊缝形围焊：. 3不在内）（绕角的侧面角焊缝绕角焊：fwhll2. 4NNllNNllNNllNNfh2ll焊缝实际长度焊缝实际长度 取为取为5mm的倍数，如的倍数，如192mm取为取为195mm，196mm取为取为200mm。l3. 3. 3 3. 3. 3 直角角焊缝强度计算的基本公式直角角焊缝强度计算的基本公式feh.h70（1 1）侧面角焊缝的破坏大多在）侧面角焊缝的破坏大多在45450 0截面；截面；h h

22、f fh he e受力特点：受力特点： （3 3）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差 ； （2 2）正面角焊缝应力状态）正面角焊缝应力状态复杂复杂，可能沿，可能沿45450 0截面破截面破坏，也可能沿溶合边破坏；坏，也可能沿溶合边破坏；feh.h70fheh受力特点：受力特点： 计算步骤计算步骤（1）求出同一平面焊缝群的形心）求出同一平面焊缝群的形心（2）将荷载向）将荷载向形心形心简化，找出简化，找出最不利位置最不利位置（3）分别求出）分别求出各荷载分量各荷载分量在最不利位置产生的在最不利位置产生的应力应力（4）区分区分正面角焊缝正面角焊缝受力和受力和侧

23、面角焊缝侧面角焊缝受力，视受力，视荷荷 载种类载种类(静荷或动荷）代入角焊缝的基本计算公静荷或动荷）代入角焊缝的基本计算公 式进行计算。式进行计算。（5）验算是否满足）验算是否满足构造要求构造要求。（作用力平行于焊缝方向）（作用力平行于焊缝方向）wfwefflhNfN NN N（3 38 8）1 1、侧面角焊缝、侧面角焊缝（结束）（结束）2 2、正面角焊缝、正面角焊缝wfwffweffflhN22. 1当承受动力荷载时：当承受动力荷载时：0 . 1ffN NN N-正面角焊缝强度增大系数，正面角焊缝强度增大系数，1.22 1.22 。f3 .3 .斜向角焊缝斜向角焊缝ffN NN Ny y=

24、N= Ncos cos fweyflhNwexflhNN Nx x=N=Nsin ( (两面侧焊）两面侧焊）( (由构造确定由构造确定h hf f ) )NNNNtbLLa(1) (1) 连接盖板连接盖板1 .1 .轴心受力角焊缝连接计算轴心受力角焊缝连接计算3.3.4 3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算各种受力状态下直角角焊缝连接计算wfwefflhNwffwfhNl7 . 0fwwhll24盖板长度盖板长度：alLw 2板由由得得( (三面围焊）三面围焊）wewfflhfNblw（a)a)端面角焊缝承担端面角焊缝承担3NNNN1(b)(b)侧面角焊缝承担的力侧面角焊缝承担的力1N

25、( (由构造确定由构造确定h hf f ) )NNNNtbLLa(1) (1) 连接盖板连接盖板NNwffweflhN( (三面围焊）三面围焊）由由得得)(1NNN（结束）（结束）(c)(c)焊缝长度计算焊缝长度计算wfwefflhN1wffwfhNl7 . 01盖板长度盖板长度：NNNNbtLLafwwhll4alLw 2板NN由由N1得得解：解：查附表查附表1.22/160mmNfwfmmthf9 . 7285 . 15 . 1maxminmmhf10min取mmhf1415)21 (16maxmmt281mmt162kNN1400B-Q235例例3.23.2 试设计用拼接盖板的对接连接试

26、设计用拼接盖板的对接连接( (图图3.24)3.24)。已知钢板。已知钢板宽宽B B270mm270mm，厚度，厚度，拼接盖板厚度拼接盖板厚度。该连接该连接 ( (设计值设计值) )，钢材为，钢材为工工焊，焊条为焊，焊条为E43E43型。型。承受的静态轴心为承受的静态轴心为，手手 (1) (1) 两面侧焊两面侧焊NNNNtbLLammfhNlwffw1250160107 . 014007 . 0mmhmmhllffww600603331024125024 盖板长度盖板长度：mmalLw6761033322板 一条焊缝的实际长度一条焊缝的实际长度取取680mm 焊缝总长度焊缝总长度 NlhfNw

27、ewff65587024022. 1107 . 022（a)a)端面角焊缝承担端面角焊缝承担3NNNN1侧面角焊缝承担的力侧面角焊缝承担的力1NNNNNtbLLaNN(2)(2)三面围焊三面围焊(b) (b) 焊缝长度计算焊缝长度计算mmfhNlwffw664160107 . 065587014000007 . 01mmmmhllfww1801761046644取 (c) (c) 一条焊缝长度一条焊缝长度(d) (d) 盖板长度盖板长度mmalLw3701018022 板盖板为：盖板为：370mm370mm240mm240mm16mm16mmlw 2w 1N11ebNN2N3e2（2 2）角钢

28、角焊缝连接）角钢角焊缝连接( (桁架的杆件桁架的杆件, ,计算焊缝长度计算焊缝长度) )（a a ） 三面围焊三面围焊1 .1 .轴心受力角焊缝连接计算轴心受力角焊缝连接计算3.3.4 3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算各种受力状态下直角角焊缝连接计算N N1 1N N3 3N N2 2 N= N N= N1 1+ N+ N2 2+ N+ N3 32N肢背、肢尖焊缝承担的力肢背、肢尖焊缝承担的力1N端面焊缝承担的力端面焊缝承担的力3Nlw 2w 1N11ebNN2N3e2N N1 1N N3 3N N2 2wffffbhN337 . 02wffweflhN3得端面焊缝承担的力得端面焊

29、缝承担的力3N由由lw2w1N11ebNN2N3e2wffffbhN337 . 022311NNN2322NNN令：令：-肢背、肢尖内力分配系数，近似取肢背、肢尖内力分配系数，近似取2/32/3，1/31/312be21be122321bNNebN2321NbeNNlw 2w 1N11ebNN2N3e2N N1 1N N3 3N N2 2由：由：bwffwfhNl1117 . 02fwhll11肢尖、肢背所需焊缝长度肢尖、肢背所需焊缝长度 l1、l 21lwffwfhNl2227 . 02fwhll22lw2w1N11ebNN2N3e2（B B）两面侧焊）两面侧焊03NNN11NN22bN1l

30、w1lw2N2Ne2e153wffwfhNl7 . 0211wffwfhNl7 . 0222fwhll211fwhll222bN1lw1lw2N2Ne2e1 例例 3.3 3.3 试确定图试确定图3.253.25所示承受静态轴心力作用的三所示承受静态轴心力作用的三（2 2）肢背焊缝承担的力）肢背焊缝承担的力N N1 1（1 1）端部焊缝承担的力）端部焊缝承担的力N N3 3。2/160mmNfwfkNfbhNwfff3 .27316022. 112587 . 027 . 0233 解解 ：kN3 .52367. 0133. 02（3 3）焊缝连接承担的力）焊缝连接承担的力N N（5 5）肢尖焊

31、缝长度）肢尖焊缝长度（4 4）肢尖焊缝承担的力）肢尖焊缝承担的力N N2 2（结束）（结束）作业：作业：P72习题习题3.13月月17日（周二）交日（周二）交 2. 2. 承受弯矩、剪力和轴力共同作用的角焊缝承受弯矩、剪力和轴力共同作用的角焊缝已知：已知：M、 V 、 N、问题：验算焊缝强度或设计、问题：验算焊缝强度或设计（1）应力计算）应力计算 3. 3 3. 3 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算3.3.4 3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算各种受力状态下直角角焊缝连接计算N Nx xN NN Ny yM M + + +b b）MM作用下作用下a a）N Nx x作用下，焊缝是

32、正面角焊缝作用下，焊缝是正面角焊缝wfxNlhN7 . 02 N Nx xM M AB 27 . 026wfeMlhMWM（2）强度条件）强度条件wfffMNf22)( wfyflhN7 . 02c c）N Ny y作用下，焊缝是侧面角焊缝作用下，焊缝是侧面角焊缝N Ny y22)(fff3. 围焊缝承受剪力和扭矩作用时的计算围焊缝承受剪力和扭矩作用时的计算假定假定：（：（1）构件是完全刚性的，角焊缝处于弹性状态；）构件是完全刚性的，角焊缝处于弹性状态； （2）角焊缝群上任意一点的应力方向垂直于该点与形心）角焊缝群上任意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的连线，且应力

33、大小与连线长度r成正比。成正比。1l2lrrTVFTA0 x1e2exxxxyyyyxryroofh7 . 0fh7 . 0rrAVfTfTfT21eeVTVF扭矩剪力向形心处简化将力yxpTIIrTIrTAT点的应力为作用下，在扭矩1l2lrrTVFTA0 x1e2exxxxyyyyxryroofh7 . 0fh7 . 0rrAVfTfTfTpyypTTfpxxpTTfTIrTrrIrTIrTrrIrTyxsincos轴分解：轴和沿将1l2lrrTVFTA0 x1e2exxxxyyyyxryroofh7 . 0fh7 . 0rrAVfTfTfT212llhVlhVAVeweVf点的应力为作用

34、下，在剪力TffTfVff，wfffffff22代入公式和将1l2lrrTVFTA0 x1e2exxxxyyyyxryroofh7 . 0fh7 . 0rrAVfTfTfT（3）典型问题：工字型牛腿焊缝的计算典型问题：工字型牛腿焊缝的计算第一种方法假设：第一种方法假设：剪力由腹板焊缝承剪力由腹板焊缝承担担弯矩由全部焊缝承担弯矩由全部焊缝承担wffwffhIM21a）翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：）翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：M-焊缝承担的弯矩焊缝承担的弯矩IW-全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩翼缘焊缝仅承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力； 腹板焊缝即承受垂直于焊

35、缝长度方向的应力又承受平行腹板焊缝长度方向的剪应力222hIMwfb）腹板焊缝：）腹板焊缝：)(22 weflhVwfffff222)(腹板焊缝腹板焊缝A点的强度：点的强度：h e2 -腹板焊缝焊脚有效尺寸腹板焊缝焊脚有效尺寸, h e2=0.7h f 2h 2 -腹板焊缝实际长度腹板焊缝实际长度第二种方法第二种方法假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩矩，此时弯矩M可以化为一对水平力可以化为一对水平力H=M/h。则翼缘焊缝的强度计算公式为则翼缘焊缝的强度计算公式为腹板焊缝的强度计算公式为腹板焊缝的强度计算公式为 截面特性计算截面特性计

36、算截面积截面积：上、下翼缘及腹板截面积之和上、下翼缘及腹板截面积之和296136210220cmAcmy04.169639210201361220142323232406423.1054367. 654.564388806.904833.13104.164021021012104.162013636112104mIx中和轴（形心）位置中和轴（形心）位置：按全截面对某轴的面积按全截面对某轴的面积矩等于各块板分别对该轴的面积矩之和求得。矩等于各块板分别对该轴的面积矩之和求得。惯性矩惯性矩：各板块自身惯性矩再加上各板块面积乘以板块中心至各板块自身惯性矩再加上各板块面积乘以板

37、块中心至中和轴距离的平方。中和轴距离的平方。y40080 xxy1yb2002010020104333150367.166333.1333102121136121202121cmIy3331299304. 8240643 .150101503150004.1624064cmWcmWcmyIWbxayxax；36683204.161604.15220cmSbx各点抵抗矩各点抵抗矩：惯性矩除以该点至中和轴的距离。惯性矩除以该点至中和轴的距离。各点面积矩各点面积矩：该点以上（或以下）的截面积对中和轴的面积矩。该点以上（或以下）的截面积对中和轴的面积矩。如按如按b b点以下面积矩计算，点以下面积矩计算

38、，中和轴以上部分取负值，以下部分取正值中和轴以上部分取负值，以下部分取正值366802. 4104. 898.10196.2196.22210cmSbxy40080 xxy1yb200201002010a（结束）（结束） 解解 ： = =19677cm4kNfwff19516022. 1a) 计算翼缘焊缝：计算翼缘焊缝： b) 计算腹板焊缝：计算腹板焊缝：kNfwf1603.4 3.4 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造和计算3. 4. 1 3. 4. 1 构造构造1 1、坡口型式：、坡口型式：坡口型式：厚度很小，手工焊坡口型式：厚度很小，手工焊6mm6mm，埋弧焊，埋弧焊10mm10mm时时

39、 直边缝直边缝； 一般厚度，一般厚度，单边单边V V形或形或V V形形坡口坡口 厚度较大，厚度较大，20mm20mm，U U形、形、K K形或形或X X 形形坡口坡口mmta10)(直边坡口mmtVb2010)(形坡口单边mmtVc2010)(形坡口mmtUd20)(形坡口mmtKe20)(形坡口mmtXf20)(形坡口对接焊缝的坡口形式对接焊缝的坡口形式2 2、截面的改变、截面的改变 拼接处，当焊件的宽度或厚度相差拼接处，当焊件的宽度或厚度相差4mm4mm以上时，从一侧或以上时，从一侧或两侧做坡度不大于两侧做坡度不大于1 1：2.5 2.5 （承受动力荷载且需要进行疲劳（承受动力荷载且需要进

40、行疲劳计算的结构不大于计算的结构不大于1：4）的斜角，平缓过渡。的斜角，平缓过渡。 静力荷载作用时允许不设。静力荷载作用时允许不设。当不设引弧板时，每条当不设引弧板时，每条焊缝计算长度等于实际长度减焊缝计算长度等于实际长度减2 t（t为较薄焊件厚度）为较薄焊件厚度） 3 3、引弧板、引弧板起落弧处起落弧处, ,宜加宜加引弧板引弧板( (引出板引出板) )3. 4. 2 3. 4. 2 对接焊缝的计算对接焊缝的计算焊缝强度与钢材强度比较：-质量检验为一、二级时质量检验为一、二级时, ,焊缝强度与钢材强度相等；焊缝强度与钢材强度相等；-质量检验为三级时质量检验为三级时, , 抗压强度、抗剪强度与钢

41、材强度相等，抗压强度、抗剪强度与钢材强度相等， 抗拉强度等于抗拉强度等于0.85%0.85%的母材强度。的母材强度。 受拉连接受拉连接, ,三级检验时三级检验时, ,进行焊缝强度验算。进行焊缝强度验算。对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。焊缝可视为构件的组成部分；焊缝可视为构件的组成部分；焊缝中应力分布基本同构件。焊缝中应力分布基本同构件。1. 1. 焊透的对接焊缝的计算焊透的对接焊缝的计算(1) (1) 轴心受力对接焊缝轴心受力对接焊缝wcwtwfftlN 或5 .1tan时时,强度可不进行验算。强度可不进行验算。N 轴心拉力或压力。轴心拉力或压力。l

42、 lw w -焊缝的计算长度。未采用引弧板焊缝的计算长度。未采用引弧板,实际长度减实际长度减2t 。t - 对接连接中对接连接中,连接件较小厚度连接件较小厚度; T形连接中形连接中, 腹板厚度。腹板厚度。当当(2) 承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算vMvMMvwvwwwftlVtIVS23maxwtwwftlMWM2max6截面剪应力截面剪应力a)矩形截面矩形截面截面正应力截面正应力Ww-焊缝截面模量焊缝截面模量Sw-焊缝截面面积矩焊缝截面面积矩Iw-焊缝截面惯性矩焊缝截面惯性矩-焊缝抗剪强度设计值焊缝抗剪强度设计值wvftl lw wMV（3-29）（

43、3-30）wtf1 . 132121b)工字形截面工字形截面hh0max1 最大正应力满足式（最大正应力满足式（3-29）要求）要求 最大剪应力满足（最大剪应力满足（3-30） 在腹板与翼缘交接处，验算折算应力在腹板与翼缘交接处，验算折算应力（3-31）tIVSww11t1Sw1-翼缘对中和轴的翼缘对中和轴的面积矩面积矩b)22(1011thbtSw 例3-8 计算工字牛腿与钢柱的对接焊缝强度，F=550kN, 偏心距e=300mm, 钢材为Q235-B, 焊条E43型, 手工焊, 三级检验。翼缘加引弧板。 解解 ： a）最大正应力）最大正应力maxmkNMkNFV1653 . 0550,55

44、0 截面几何特征值和内力截面几何特征值和内力 【解解】：】：c）1 1点的折算应力点的折算应力tIVSww11b）最大剪应力）最大剪应力作业：作业：P72习题习题3.33月月24日（周二）交日（周二）交否满足。要求：验算焊缝强度是。间的夹角之和，载作用，受静力荷，焊脚尺寸手工焊，型，焊条钢，钢材为焊缝连接，用直角角如图所示为板与柱翼缘例05315025010432353 . 3FPkNPkNFmmhEQffhFP150150100AB值解：角焊缝的强度设计2160mmNfwf补充练习题补充练习题向形心简化得将斜向力 PmkNePMkNPPkNPPyyx121 . 012012053sin150

45、sin9053cos150cos00点的应力计算各力作用下 AfhFP150150100ABmmhlmmhfwf60060808mmhllfw2801023002一条角焊缝的计算长度22/6 .30/3 .1527 .866 .65mmNmmNVffNfMff得：代入公式和将wfffffff222222/160/5 .1286 .3022. 13 .152mmNfmmNwf满足强度要求23232262/6 .30280107 . 02101202/7 .86280107 . 0210250902/6 .65280107 . 021012626mmNlhPmmNlhFPmmNlhMWMweyVf

46、wexNfweMffhFP150150100AB3.5 3.5 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形3.5.1 3.5.1 焊接应力的分类和形成原因焊接应力的分类和形成原因 焊接残余应力焊接残余应力-由于焊接时产生不均匀温度场，导致焊件不由于焊接时产生不均匀温度场，导致焊件不 均匀胀缩，冷却后引起的内部残存应力。均匀胀缩，冷却后引起的内部残存应力。 焊接残余变形焊接残余变形-焊接冷却后引起的产生的变形。焊接冷却后引起的产生的变形。焊接应力的分类：纵向、横向和厚度方向焊接应力的分类：纵向、横向和厚度方向具备条件：具备条件：2 2、变形受到约束、变形受到约束3 3、塑性变形、塑性变形1 1、不均匀

47、温度场、不均匀温度场1. 1. 纵向焊接应力纵向焊接应力lllll-自由伸长量自由伸长量l-共同伸长量共同伸长量压压拉拉加热中间板块加热中间板块, , 中间板块伸长。由于变形协调，中间变形受到中间板块伸长。由于变形协调，中间变形受到约束共同伸长，中间受压，两端受拉。约束共同伸长，中间受压，两端受拉。冷却冷却 ：中间回缩，中间受拉，：中间回缩，中间受拉， 两端受压。两端受压。拉压平衡，残留在构件中。拉压平衡，残留在构件中。lll纵向纵向 - - 施焊方向施焊方向（结束）（结束）冷却收缩时冷却收缩时 ：焊缝附近产生拉应力：焊缝附近产生拉应力 焊缝远处产生压应力焊缝远处产生压应力1)1)焊缝纵向收缩

48、时焊缝纵向收缩时, ,钢板有相对弯曲的趋向钢板有相对弯曲的趋向, ,中部中部拉应力拉应力; ;两端两端压应力压应力2. 2. 横向焊接应力横向焊接应力2 2）后焊焊缝收缩）后焊焊缝收缩受限受限横向拉应力横向拉应力; ;先焊焊缝先焊焊缝-压应力压应力, ,远端远端-拉应力拉应力3. 3. 厚度方向焊接应力厚度方向焊接应力 焊厚钢板焊厚钢板, ,冷却时冷却时, ,外围先冷固外围先冷固, ,内层收缩受限内层收缩受限, ,焊缝中部受拉焊缝中部受拉, ,四周受压四周受压. .3.5.2 3.5.2 焊接应力对结构性能的影响焊接应力对结构性能的影响1 1、静力强度、静力强度无残余应力无残余应力yfANN2

49、 /1A2 /1A2A 有残余应力有残余应力残余应力是自相平衡残余应力是自相平衡(特点）特点）yfAA21yyyyfAfAfAN21yNN残余应力对构件静力强度无影响残余应力对构件静力强度无影响yyyfAAfAN111)(2 2、刚度、刚度无残余应力无残余应力AEN有残余应力有残余应力EAN111残余应力存在降低结构刚度残余应力存在降低结构刚度)(ANE3 3、稳定承载力、稳定承载力无残余应力无残余应力202lEINcr（欧拉临界力（欧拉临界力)有残余应力有残余应力20121lEINcr1crcrNN稳定承载力降低稳定承载力降低5 5、疲劳强度、疲劳强度 降低降低 4 4、低温冷脆、低温冷脆

50、存在三向拉应力存在三向拉应力, ,塑性变形受限塑性变形受限, ,变脆。变脆。 3.5.3 3.5.3 焊接变形焊接变形3.5.4 3.5.4 减少焊接应力和焊接变形的措施减少焊接应力和焊接变形的措施1、设计方面、设计方面 尺寸适当，宜采用细长焊缝。尺寸适当，宜采用细长焊缝。 位置合理，焊缝应布置在结构对称位置上。位置合理，焊缝应布置在结构对称位置上。 焊缝数量宜少，不宜过分集中焊缝数量宜少，不宜过分集中 应尽量避免三向焊缝相交。应尽量避免三向焊缝相交。2、工艺措施、工艺措施 选择合理的施焊程序选择合理的施焊程序 反变形法反变形法 焊件预热法焊件预热法 退火法退火法 锤击法锤击法 局部加热法局部

51、加热法合理的施焊程序合理的施焊程序 规格：形式为大六角头型，其代号用字母规格：形式为大六角头型，其代号用字母M与与公称直径表示。常用公称直径表示。常用M16、M20、M24、 螺栓的排列：并列、错列螺栓的排列：并列、错列3. 6 螺栓连接的构造螺栓连接的构造3. 6. 1 3. 6. 1 螺栓的排列螺栓的排列螺栓的排列要满足以下三个方面的要求：螺栓的排列要满足以下三个方面的要求： （1 1）受力要求：端距过小，端部撕裂；受压，顺内力方）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。向，中距过大，鼓曲。 （2 2）构造要求：螺栓间距不能太大，避免压不紧潮气进）构造要求：螺栓间距

52、不能太大，避免压不紧潮气进入导致腐蚀。入导致腐蚀。 （3 3）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于安装。于安装。 规范制定出螺栓排列最大、最小容许距离（表3-4）， 在型钢上排列的螺栓还应符合各自线距和最大孔径的要求（表3-53-7）。 1、每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺、每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个；栓数不宜少于两个； 2、直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺、直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施；帽或其他防止螺帽松动的有效措施； 3、由于、由于

53、C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。级螺栓受剪。 4、当采用高强螺栓连接时，拼接件不能采用型钢，只、当采用高强螺栓连接时，拼接件不能采用型钢，只能采用钢板。能采用钢板。 （型钢抗弯刚度大，不能保证摩擦面紧密结合）（型钢抗弯刚度大，不能保证摩擦面紧密结合） 3. 6. 2 3. 6. 2 螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求3. 7 普通螺栓连接的

54、工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算 剪力螺栓（抗剪螺栓）：螺栓杆剪力螺栓（抗剪螺栓）：螺栓杆垂直于垂直于力线力线按受力情况分为按受力情况分为 拉力螺栓（抗拉螺栓）：拉力螺栓（抗拉螺栓）： 螺栓杆螺栓杆平行于平行于力线力线 既受剪又受拉的螺栓既受剪又受拉的螺栓NNNNNNF抗剪连接抗拉连接抗剪连接抗剪连接板件之间有板件之间有相互错动相互错动的趋势的趋势抗拉连接抗拉连接板件之间有板件之间有相互脱开相互脱开的趋势的趋势（结束）（结束）3.7.1 3.7.1 普通螺栓的抗剪连接（受剪螺栓连接）普通螺栓的抗剪连接（受剪螺栓连接）1 1、抗剪连接的工作性能、抗剪连接的工作性能（1）弹性阶段（）弹性

55、阶段（01段）段） 加载初，荷载小，连接中剪力小，荷载靠构件间接触面加载初，荷载小，连接中剪力小，荷载靠构件间接触面的摩擦力传递，栓杆与孔壁之间的间隙保持不变。的摩擦力传递，栓杆与孔壁之间的间隙保持不变。（2）滑移阶段（）滑移阶段（12段）段） 剪力达到摩擦力最大值，板件间产生相对滑移，直至栓剪力达到摩擦力最大值，板件间产生相对滑移，直至栓杆与孔壁接触。杆与孔壁接触。（3）栓杆直接传力的弹性阶段）栓杆直接传力的弹性阶段 外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，曲线上升，外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，曲线上升，3点，螺栓或连接板达到弹性极限。点，螺栓或连接板达到弹性极限。（4）弹塑性阶段）

56、弹塑性阶段 在此阶段即使荷载增量很小，连接的剪切变形迅速加在此阶段即使荷载增量很小，连接的剪切变形迅速加大，直至连接破坏。大，直至连接破坏。4点点-极限荷载。极限荷载。受剪螺栓的破坏形式受剪螺栓的破坏形式 1）栓杆被剪断）栓杆被剪断 2）钢板被挤压破坏（螺栓承压破坏）钢板被挤压破坏（螺栓承压破坏） 3）钢板被拉断）钢板被拉断 4）钢板被剪坏）钢板被剪坏 b)a)35d)35c)针对以上破坏形式，应采取以下措施针对以上破坏形式，应采取以下措施 1）通过计算保证螺栓抗剪）通过计算保证螺栓抗剪 2）通过计算保证螺栓抗挤压）通过计算保证螺栓抗挤压 3）通过计算保证板件有足够的拉压强度）通过计算保证板件

57、有足够的拉压强度 4）螺栓端距）螺栓端距 避免钢板被拉豁避免钢板被拉豁02d2 2、单个普通螺栓抗剪承载力、单个普通螺栓抗剪承载力受剪承载力设计值受剪承载力设计值bvvbvfdnN4242dnv -受剪面数目受剪面数目, 单剪单剪nv =1.0 , 双剪双剪nv=2.0 , 四剪四剪nv=4.0 。d -螺栓杆直径螺栓杆直径 。NNNNNNFNN42d 单个螺栓承载力设计值单个螺栓承载力设计值bcbvbNNN,minmin承压承载力设计值承压承载力设计值bcbcftdNt -同一受力方向承压板同一受力方向承压板 较小总厚度。较小总厚度。d3 3、普通螺栓群受剪连接计算、普通螺栓群受剪连接计算单

58、个螺栓所受的力单个螺栓所受的力1NbNnNNmin10115dl 对承载力进行修正对承载力进行修正(1) (1) 轴心受剪轴心受剪所需螺栓数所需螺栓数n:bNNnmin1lbNnNNmin17 . 01501 . 101dl强度折减系数bNNnmin 普通螺栓群普通螺栓群轴心受剪轴心受剪的计算流程的计算流程bcbVNN 、计算bcbVbNNN，minmin0115dl bNNnminbNNnmin7 . 01501 . 101dl）排列螺栓取整数按规定（表 4 . 3是否（结束）（结束）。静力荷载设计值为。此连接承受的孔直径级），螺栓普通螺栓（采用钢，拼接板的连接。钢材为拉双设计如图所示为轴心

59、受例kNNmmdCMQ90024222356 . 30bcbVff得：解：查附表 3 . 1bVVbVfdnN42设计值为一个螺栓的抗剪承载力2/305mmN2/140mmNkN4 .10614042214. 322N2/N2/N340 26010NNbcbcf tdN设计值为一个螺栓的承压承载力kN2 .1343052022NN5301020t12t12t例3.9N2/N2/N80505080120 120 5050340 26010NNkNNNNbcbVb4 .106,minminNN5301020t12t12t个所需螺栓个数为：5 . 84 .106900minbNNn普通螺栓级个取22

60、9MC4 . 349，表距离：螺栓的最大、最小容许Pmmmmmmmmmmmm288722887214472中间排中距（顺内力）中间排中距（垂直内力外排中距中心间距：mmmmmmmm96369648边距端距中心至构件边缘距离：mmdmml3601518001=160(2)(2) 偏心受剪偏心受剪e eV=F V=F （剪力）（剪力）T=F e T=F e （扭矩）（扭矩）bNNmin1满足满足: :T212121yxra) a) 计算计算 T T 作用下单个螺栓受力作用下单个螺栓受力(N(N1 1= =? ?) )iiTTTrNrNrN 22111212rrNNTT11rrNNiTiT假定：板件