第四章金属结构连接2013

1、第四章第四章 金属结构的连接金属结构的连接本章内容：本章内容：主要介绍金属结构中各种连接的计算方 法、构造原则及设计原理本章重点：本章重点：焊接连接和螺栓连接的设计原理和计算 方法 第一节 焊接连接焊接优点：省工省料、不削弱杆件截面，易于采用自 动化作业，并可用于复杂形状构件的连接。焊接缺点：质量检验费事、连接刚度大，在内应力影响下 容易引起结构的残余变形。 焊接构件的厚度： 碳素钢 低合金钢 mm40mm30手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧埋弧自动焊（或半自动焊）：焊接时在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下

2、燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化，形成焊缝。 电焊电弧焊（手工焊、自动焊、半自动焊、气体保护焊）电阻焊电渣焊焊接包括电焊、气焊两大类（利用电弧作为热源）（利用电弧作为热源）电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法。 电渣焊：利用电流通过熔渣产生的电阻热将工件端部熔化。 埋弧焊的特点：上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶金反应。熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保护焊缝金属，防止空气的污染，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢泠却。埋弧焊可以采用较大的焊接电流 与手工电弧焊比：

3、焊缝质量好，焊接速度高。与手工电弧焊比：焊缝质量好，焊接速度高。 气体保护焊：是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接的。保护气体作为金属熔池的保护层把空气隔绝 。是利用可燃气体与氧混合燃料时形成的高温火焰进行焊接的工艺方法。 气焊气焊气焊时，气焊丝不断地送入熔池内，与熔化的金属熔合形成焊缝为了防止金属被氧化或消除已形成的氧化物，在焊接有色金属、铸铁及不锈钢时，需加入气焊熔剂焊接质量与气焊丝的化学成分和质量有关焊接质量与气焊丝的化学成分和质量有关一、焊接接头的形式 对接 搭接T字形接头角接头传递轴力 主要承受弯曲的组合箱形截面 注意：注意：避免焊缝

4、立体交叉，及在一处焊缝大量集中，尽可能对称 于构件的重心布置也称顶接各种坡口形式：各种坡口形式：加工容易，焊后易变形较V形坡口的变形和内应力小变形小，加工较困难二、焊缝的种类及构造1、对接焊缝特点：特点：开坡口，被连接件在同一平面内b=12mm 不开坡口的对接接头条件：3mm对重要的构件，6mm开坡口的对接接头目的：使接头根部焊透，便于清除熔渣。方法：机械、火焰、电弧种类：V形坡口形坡口钝边V形坡口V形坡口单边钝边V形坡口单边V形坡口V形坡口的特点：加工简单，焊后易变形U形坡口形坡口U形坡口单边U形坡口 双面U形坡口（钢板厚度4060mm)U形坡口特点形坡口特点：加工困难，焊后变形小注：注：a

5、、对于不同板厚的两板件对接焊，焊缝厚度不小于连接板件中较 薄的板厚，保证焊缝强度不低于基材。 b、对接焊缝的表面凸起部分，易引起应力集中。 c、不等厚的两块钢板的连接如图：X形坡口形坡口焊后变形小用于厚度大，要求变形小的结构目的：减少应力集中目的：减少应力集中2、角焊缝（贴角焊缝） 连接不在同一平面内的两块钢板，并在相交处施焊使用范围：搭接接头、T字接头、角接接头优点：优点：不需要校正缝距，焊件无需预加工。缺点：缺点：焊缝根角上形成高峰应力，用料较多手工焊自动焊计算厚度：直角三角形斜边上的高为ehffehhh7 . 045sin两直角边不等，按短边计算焊缝截面形状（视为等腰直角三角形）:图4-

6、5 角焊缝的计算截面3、焊缝的标注基本符号：辅助符号：焊缝尺寸：引出线表示焊缝横剖面形状表示焊缝表面形状特征表示坡口和焊缝尺寸PHKhSRcd(基本符号)( )n l eN（焊缝段数） bPHKhSRcd(基本符号) b( )n l e焊缝横截面的尺寸坡口尺寸、根部间隙焊缝长度方向尺寸角焊缝尺寸要求：1、minmax1.5fht2、maxmin1.2fht3、min408fflmmh及4、侧焊缝最大计算长度max60(40ffflhh静载）或（动载）一受静力拉伸的搭接连接，采用普通角焊缝，问图示焊缝布置和构造有何不合理处？ 思考题：思考题：（为防止焊缝因冷却过快产生裂纹等，一般不小于（为防止焊

7、缝因冷却过快产生裂纹等，一般不小于4mm）（防止焊接过热而引起焊件（防止焊接过热而引起焊件“过烧过烧”，造成材质变化），造成材质变化）三、焊缝计算 假定应力在计算截面上均匀分布 1、 对接焊缝 计算截面积 fl 注： 为实际长度减去10mmfl(1) 承受轴心拉力或压力的对接焊缝计算对接正焊缝： hflN对接斜焊缝：sinhflNcoshflN 正应力 剪应力 （2）承受弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝最大正应力（点1） 1hfWM 焊缝截面抗弯模量 最大剪应力（点0） 0hffISQ静面矩 惯性矩 计算点2 22222h折焊缝截面焊缝截面例4-1 某主梁腹板采用焊缝拼接。已知拼接截面处的内力M

8、=980kN.m；Q=200kN，Q235,手工焊，普通方法检验。试验算焊缝强度。104002、角焊缝 侧焊缝即纵向焊缝：主要受剪破坏主要受剪破坏 侧焊缝的破坏形式端焊缝即横向焊缝：受拉、弯、剪作用，简化 为按剪切验算强度按剪切验算强度（1）承受轴向力的角焊缝计算计算假设：取角焊缝45分角面为计算截面，并假定剪应力在角焊缝的计算截面上是均匀分布的。hfelhN注：a.实验说明侧焊缝长度方向剪应力的分布是两端大、中间小，焊缝愈长则两端剪应力与中间差别愈大。b.钢板搭接接头应在两块钢板上下搭接用角焊缝焊接，避免两板上下偏心引起的附加弯矩太大。c.角钢与节点板的搭接接头见图4-12(b) N1和N2

9、的合力位置在角钢的重心线上：例4-2如图，用角焊缝和拼接板连接两块钢板，拼接板的尺寸为900mmX550mmX10mm，材料为Q235， ，角焊缝焊脚尺寸 ，试确定该拼接接头所能承受的最大拉力。MPah180MPah100mmhf8解解：（1）连接焊缝所承受的拉力kNlhNhff1008100450487 . 047 . 01（2）拼接板所承受的拉力kNN19801805501022例4-3 参看图4-12b角钢与节点板的搭接接头，角钢2X130X90X10承受的拉力为70kN，不等肢角钢以长肢与节点板焊接，钢材为Q235，角焊缝焊脚尺寸 ，试确定焊缝长度并加以分配。mmhf8解：解：所需焊缝

10、长度角钢肢背焊缝长度：mmhNlhef5 .43710087 . 02700002mml4 .2941065. 05 .4371角钢肢尖长度：mml1 .1631035. 05 .4371(2) 承受扭矩和剪力共同作用时的角焊缝计算受扭矩和剪力共同作用时的角焊缝计算图2PMn偏心载荷P可转化为通过焊缝形心的轴力P和扭矩 。其中轴力P在计算截面上引起均布的剪应力 ，方向平行于P，大小为： PaMnpfeplhP 引起的焊缝应力计算： nM假定： 所连板件是绝对刚性的，而焊缝是弹性的;在扭矩作用下，连接件产生绕焊缝形心的相对转动，焊缝上任一点的剪应力方向垂直于该点与形心的连线，其大小与此连线的长度

11、成正比 由此推导，焊缝上任一点K处的剪应力为pnIrM 将其沿x,y方向分解得：pnxIyMrypnyIxMrx所以， K点处的总剪应力为 )(22hxyp（3） 承受弯矩和剪力共同作用时的角焊缝计算图4-14 支托与柱的焊缝连接 计算方法：计算方法： 假设：1、剪力Q由腹板焊缝平均承受，弯矩M由全部焊缝承受。 2、弯矩在焊缝计算截面产生的剪应力与其至焊缝计算截 面形心轴的距离y成正比。QMfQAQfMIMy 腹板焊缝下边缘点的最大组合剪应力为： 22hMQ剪力所产生的剪应力：弯矩所产生的剪应力：例4-4 焊缝布置及几何尺寸如图4-16所示，偏心载荷P=100kN，焊缝计算厚度he=7mm，试

12、验算焊缝强度。基材用16Mn，MPah150图4-16PMn四、焊接连接的疲劳强度原因：1、焊接使材料变硬变脆。 2、焊接表面不平及裂纹、气泡等。 3、避免角焊缝在连接处有急剧变化及出现平面及立体应力措施：1）采用塑性高、韧性和抗裂性较好的材料。 2）对于对接接头表面应进行机械加工，对于焊缝 质量应进行严格检查。 3）尽量采用自动焊和半自动焊。 4）角焊缝的疲劳强度比对接焊缝低得多。例：计算桥架箱形主、端梁的焊接连接。梁传递的最大支承力 ，最小支承力 ，工作级别A8，材料16Mn，焊条E4301，许用应力 手工焊接，试设计焊缝尺寸。NFR5max1085. 2NFR4min105 .10MPa

13、MPa150 ,260AlfbFmax习题：习题：支托与柱焊接，材料Q235，焊条型号E43，焊缝需用应力 支托承受载荷F=80kN,偏心距e=80mm，请验算以下两种焊接方法的焊缝静强度。MPah100MPah1401）用角焊缝的方式，焊缝计算厚度he=5mm;2）支托开坡口焊透，并用hf=7mm的角焊缝封底。第二节 螺栓连接一、概述螺栓连接方式： 普通螺栓 精制螺栓 粗制螺栓 高强度螺栓 摩擦型高强度螺栓 承压型高强度螺栓二、螺栓连接的布置螺栓的布置分并列式和错列式。 注：对于重要构件，应尽量使螺栓群形心与构件重心线重合，以避免 出现附加力矩螺栓容许间距规定的原因：螺栓容许间距规定的原因：

14、1、受力要求：防止压曲、剪断和撕裂2、使用要求：防潮、防锈蚀3、施工要求：操作空间三、螺栓连接的型式1、剪力螺栓连接2、拉力螺栓连接3、拉剪螺栓连接三、剪力螺栓连接的计算1、单拴抗剪承载力（1）普通螺栓特点： 预紧力小， 摩擦力小 受外力结合面滑动 靠螺栓的抗剪和承压能力传递外力，故称承压型螺栓连接破坏形式： 拴身被剪坏b. 板被剪坏c. 栓身压坏e. 拴身过渡弯曲f. 拴身被拉断d. 板被压坏计算时，只需考虑拴身被剪拴身被剪和板被压坏板被压坏两项 螺栓剪断钢板剪坏螺栓被压坏钢板被压坏螺栓弯曲螺栓被拉断计算假设：承压应力在拴孔直径平面上是均布的，剪应力 在拴身截面上也是均布的。根据承压条件决定

15、的单拴承载力为： ccdN根据抗剪条件决定的单拴承载力为： 42dnNjj 单拴的抗剪承载力为： ),min(jcNNN （2）摩擦型高强度螺栓的单拴抗剪承载力mmPfnKPfnN7 . 02. 轴心受剪螺栓连接的计算传递轴力的接头形式如图4-19计算假设：计算假设：各螺栓受力相等 传递轴力螺栓连接形式传递轴力螺栓连接形式对接接头对接接头搭接接头搭接接头计算方法：已知最大轴力，求螺栓数： NNz 验算被连接件的强度： jAN式中Aj 为被连接件的净面积，计算如下：图4-20 Aj计算简图(a)并列式 (b)错列式 (c)计算简图I-I 截面 )(ndbAjII-II截面 ) 1(2221nde

16、aneAj注：高强度螺栓连接，只需验算构件的疲劳强度。 普通螺栓需验算疲劳强度。例4-4 构件钢板尺寸与轴力如图4-21，构件材料Q235，试设计双面用拼接板连接的对接接头。 图4-21步骤：1、确定连接螺栓方法，初选拼接板尺寸及螺栓大小、材料3、计算螺栓数目（由承压条件和承剪条件确定）4、螺栓连接的布置5、构件强度校核6、拼接板强度校核2、计算单栓承载能力3.偏心受剪螺栓连接的计算 力F的计算：计算假设：通过螺栓群重心的力F在各螺栓上是平均分配的。每个螺栓所受剪力： 方向与力F平行zFNFA偏心受力螺栓连接 扭矩M=Fe在各螺栓上的分配：任一螺栓受力的大小 与该螺栓群重心O点的距离 成正比，

17、其方向垂直于该螺栓与O点的连线。由此得：MiNir22iiiMiyxMrN 将 分解为x方向和y方向的分力，最大受力点：MiN22iiAMxAyxMyN22iiAMyAyxMxN 所以，由偏心力F作用引起螺栓最大剪力为：)(22NNNNNMyAFMxA例4-5已知数据如图4-23（a）所示，若采用6个由45号钢制 成的 M20高强度螺栓连接，是否可以？四、拉力螺栓连接的计算1、受拉螺栓的单拴承载力（1）普通螺栓图4-24 普通螺栓受力分析 螺栓中的最大拉力等于外拉力，与预紧力无关。其单拴承载力： 8 . 0442121ddNtt 受拉普通螺栓的强度校核条件为： tNT 图4-25 高强度螺栓受

18、力分析 （2）高强度螺栓规范规定外拉力不得超过高强度螺栓预紧力P的70%。所以抗拉高强度螺栓的单拴承载力为： PNt7 . 0受拉高强度螺栓的强度校核条件为： tNT 2、弯矩使螺栓受拉时螺栓连接的计算（a）法兰盘接头 (b)普通螺栓受力图 (c)高强度螺栓受力图图4-26 弯矩使螺栓受拉的图示 假定中性轴位于最右列螺栓的中心线上，螺栓承受拉力的大小与该螺栓到中性轴的距离成正比。 螺栓承受的最大拉力验算式：2maxtiiNxmxMT(2) 高强度螺栓连接假设中性轴位于螺栓群重心轴线上。高强度螺栓承受最大拉力的验算式为：22maxtiiNxmMxT（1）普通螺栓连接注意：注意：螺栓群中性轴的位置

19、五、同时受拉受剪螺栓连接的计算1、同时受拉、受剪螺栓连接的单拴承载力(1) 普通螺栓两种可能的破坏形式：两种可能的破坏形式：一是螺杆受剪兼受拉破坏；二是孔壁承压破坏。 1)()(22tjNTNNcNN 一个螺栓一个螺栓受的剪力受的剪力承压设计承压设计的强度的强度同时满足同时满足承剪设承剪设计强度计强度承拉设承拉设计强度计强度一个螺栓受的拉力一个螺栓受的拉力(2) 摩擦型高强度螺栓摩擦型高强度螺栓有拉力作用时的单拴抗剪承载力：)4 . 1(7 . 0TPfnNmj强度校核条件为： jNN PT7 . 02同时受拉、受剪螺栓连接的计算(1) 螺栓所受最大拉力的计算角点上的螺栓A的最大拉力TA： 普

20、通螺栓 2max2maxtiixiiyANzQymyMxmxMT 高强度螺栓 222max2maxtiixiiyANzQymyMxmxMT(2) 在剪力N及扭矩作用下螺栓的计算)(22NNNNNMxAFMyA(3) 在拉力和剪力共同作用下螺栓的计算1)()(22tjNTNNcNN )4 . 1(7 . 0TPfnNNmjPT7 . 0普通螺栓高强度螺栓例4-6 起重量Q=10t、跨度L=31.5m的桥式起重机偏轨箱形主 梁与端梁连接采用由45号钢制成的高强度螺栓连接。 选用M24高强度螺栓12个构成主梁一端的接头，螺栓的 布置及起重小车行至连接处的载荷如图4-29所示。试验 算 高强度螺栓的强度。解：1）最大拉力验算kNymyMTiixA32)24521502552(2245448522222max单拴承载能力kNPNt5 .1221757 . 07 . 0tANT 2）抗剪验算kNzFNF25.1612195kNyxyMNiiAnMxA95. 21005. 3109)245215025524756(22453672066222222高强度螺栓高强度螺栓kNyxxMNiiAnMyA72. 51005. 347536720622k