钢结构基础第3章

1、大纲要求大纲要求1.1.了解钢结构连接的种类及各自的特点；了解钢结构连接的种类及各自的特点；2.2.了解焊接连接的工作性能，了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算掌握焊接连接的计算方法及构造要求；方法及构造要求；3.3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响；工作的影响；4.4.了解螺栓连接的工作性能，了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算掌握螺栓连接的计算和构造要求。和构造要求。一、一、焊缝连接焊缝连接 3.13.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法对接焊缝连接对接焊缝连接优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；优点：不削弱截面

2、，方便施工，连接刚度大；缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。 角焊缝连接角焊缝连接三、螺栓连接三、螺栓连接 优点：连接刚度大，传力可靠；优点：连接刚度大，传力可靠； 分为：分为： 普通螺栓连接普通螺栓连接 高强度螺栓连接高强度螺栓连接二、铆钉连接二、铆钉连接N缺点：对施工技术要求很高，缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，劳动强度大，施工条件差， 施施工速度慢。工速度慢。一、钢结构常用焊接方法一、钢结构常用焊接方法1.1.手工电弧焊手工电弧焊A、焊条的选择：、焊条的选择： 焊条应与焊件焊条应与焊件钢材相适应。钢材相适应。原理：利用电弧

3、产生热量原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形熔化焊条和母材形 成焊缝。成焊缝。 3.2 焊接方法和焊接连接形式焊接方法和焊接连接形式 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧Q390Q390、Q420Q420钢选择钢选择E55E55型焊条型焊条(E5500-5518)(E5500-5518)Q345Q345钢选择钢选择E50E50型焊条型焊条(E5000-5048)(E5000-5048)B B、焊条的表示方法：、焊条的表示方法：E焊条焊条( (Electrode) )第第1 1、2 2位数字为熔融金属的最小抗拉强度位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/m

4、m2) )第第3 3、4 4适用焊接位置、电流及药皮的类型。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。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；Q235Q235钢选择钢选择E43E43型焊条（型焊条（E4300-E4328)E4300-E4328)C C、优、缺点、优、缺点2.2.埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊（自动或半自动）、焊丝转盘焊丝转盘送丝器

5、送丝器焊剂漏斗焊剂漏斗焊剂焊剂熔渣熔渣焊件焊件埋弧自动焊埋弧自动焊A A、焊丝的选择应与焊件等强度。、焊丝的选择应与焊件等强度。 B B、优、缺点：、优、缺点： 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。焊接质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限等。缺点：设备投资大，施工位置受限等。 送送丝丝器器机机器器3.3.气体保护焊气体保护焊优、缺点：优、缺点： 优点：焊接速度快，焊接质优点：焊接速度快，焊接质量好。量好。 缺点：施工条件受限制等。缺点：施工条件受限制等。二、焊接连接形式和焊缝形式二、焊接连接形式和焊缝形式1.1.焊接连接形式焊

6、接连接形式搭接搭接角部连接角部连接T形连接形连接对接对接2.2.焊缝形式焊缝形式（1）对接焊缝）对接焊缝正对接焊缝正对接焊缝（2）角焊缝）角焊缝T型对接焊缝型对接焊缝斜对接焊缝斜对接焊缝3. 3. 焊缝位置焊缝位置3.3 、焊缝缺陷及焊缝质量检查、焊缝缺陷及焊缝质量检查1.1.焊缝缺陷焊缝缺陷2.2.焊缝质量检查焊缝质量检查外观检查：外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：内部无损检验：检验内部缺陷。检验内部缺陷。 内部检验主要采用超声内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方荧光检验等辅助检验方法。还可以采用法。还可以

7、采用X X射线或射线或射线透照或拍片。射线透照或拍片。钢结构工程施工及验收规范钢结构工程施工及验收规范规定：规定： 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。和三级。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；三级质量标准； 一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。 钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017-2003GB50017-2003）中，对焊）中，对焊缝质量等级的选用有如

8、下规定：缝质量等级的选用有如下规定： (1) (1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向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。的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。 3.3.焊缝质量等级及选用焊缝质量等级及选用(2) (2) 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材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。等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。 （）重级工作制和起重量（）重级工作制和起重量 的中级工作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制吊车梁的腹板

9、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，与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。不应低于二级。 （）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力（）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。4.4.焊缝代号焊缝代号hehfhf普通式普通式hehf1.5hf平坡式平坡式1 1、角焊缝的形式、角焊缝的形式: :一、角焊缝的形式和受力分析一、角焊缝的形式和受力分析3.4 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算

10、直角角焊缝、斜角角焊缝直角角焊缝、斜角角焊缝（1 1）直角角焊缝直角角焊缝hehfhf凹面式凹面式按he=0.7hf斜角角焊缝按he=0.7hf(a)hfhfhfhfa）锐角角焊缝；b）钝角角焊缝(b)按he=hf coshfhfhfhf2按he=hf cos2（2）斜角角焊缝斜角角焊缝对于对于135135o o或或606mmt6mm时，时，h hf,maxf,maxt-(1t-(12)mm2)mm；hf ft t1 1t2 2、最小焊脚尺寸、最小焊脚尺寸hf,min 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，硬组织，导致母材开裂

11、，hf,min应满足以下要求应满足以下要求: : )(5 . 12min,计计算算数数值值只只进进不不舍舍！thf 式中式中: : t t2-较厚焊件厚度较厚焊件厚度 另另: :对于埋弧自动焊对于埋弧自动焊hf,min可减去可减去1mm; ; 对于对于T型连接单面角焊缝型连接单面角焊缝hf,min应加上应加上1mm; ; 当当t t24mm时时, , hf,min=t=t23.3.侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。两端大而中间小。焊缝长度越长，

12、应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：fwhl60 注注： 1 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑； 2 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。4.4.侧面角焊缝的最小计算长度侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热对于焊脚尺寸大

13、而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：定：mmhlfw408且不得小于且不得小于 5. 搭接连接的构造要求搭接连接的构造要求 当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时： A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均，规范规定：不均，规范规定：blw B、为了避免焊缝横向收、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲缩时引起板件的拱曲 太大，规

14、范规定：太大，规范规定：）（或或）（mmtmmmmttb121901216111 t1t2bwlD. 在在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的的5倍，且不得小于倍，且不得小于25mm。 C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2h2hf f的的绕绕 角焊角焊，且转角处必须连续施焊。，且转角处必须连续施焊。bwl2hf f2551且且t t1t2三、直角角焊缝的强度计算公式 1 1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部喉部，故通常将故通常将4545o o截面作为计算截面，作用

15、在该截面上的截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：应力如下图所示：hfhehh1h2dehelw wh-h-焊缝厚度、焊缝厚度、h h1 1熔深熔深h h2 2凸度、凸度、d d焊趾、焊趾、e e焊根焊根2 2、实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难，实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难， 为了简化计算，规范假定：为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截面处破坏焊缝在有效截面处破坏，且各应力分量满足以下折算应力公式且各应力分量满足以下折算应力公式: : 2223()(3 1)wuf3 3、由于我国规范给定的角焊由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条缝强度设计值，是根据抗

16、剪条件确定的故上式又可表达为：件确定的故上式又可表达为：式中：式中：wuf-焊缝金属的抗拉强度焊缝金属的抗拉强度2223()3(3 2)wwufffhelw w4 4、直角角焊缝的强度计算公式：直角角焊缝的强度计算公式：)43( wexflhN ) 33( weyflhN 2f ff= fh he el lw w45O45Oh hf fNNyNxwfffff3232222 将将3 33 3、3 34 4式，代入式，代入3 32 2式得：式得：得 1.22整理上式，并令 23f )53(22 wfffff 式式3 35 5即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公

17、式f f正面角焊缝强度增大系数；正面角焊缝强度增大系数； 静载时取静载时取1.221.22，动载时取，动载时取1.01.0。) 43( wexflhN ) 33( weyflhN 2f f)23(3)( 3222 wfwuff)63( wffewffhlN 对于正面角焊缝，对于正面角焊缝，f f=0=0，由，由3 35 5式得：式得：对于侧面角焊缝，对于侧面角焊缝，f f=0=0，由，由3 35 5式得：式得：)73( wfewffhlN 以上各式中：以上各式中： h he e=0.7h=0.7hf f； l lw w角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷

18、时，每条焊缝取其 实际长度减去实际长度减去2h2hf f。)53(22 wfffff ewwffhlfN 四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算wfwefflhN 1 1、轴心力作用下、轴心力作用下(1)(1)轴心力作用下的盖板对接连接轴心力作用下的盖板对接连接: :A A、仅采用侧面角焊缝连接：仅采用侧面角焊缝连接：B B、采用三面围焊连接：、采用三面围焊连接：wfewffhlNN NNl lw wl lw w(2)(2)T形角焊缝连接形角焊缝连接)83(cos ewfhlN )93(sin ewfhlN )53(22 wfffff N Nx xN Ny

19、 yN N2wl2wlN N代入式代入式3-53-5验算焊缝强度，即验算焊缝强度，即: :(3)(3)角钢角焊缝连接角钢角焊缝连接A A、仅采用侧面角焊缝连接、仅采用侧面角焊缝连接)113()103(221121 eNeNNNN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :故故: :)133()123(2211212121 NkeeeNNNkeeeNN肢肢尖尖焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数肢肢背背焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数 2211212121keeekkeeekNe1e2bN1N2xxl lw1w1l lw2w2)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核

20、问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题: :)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxl lw1w1l lw2w2B B、采用三面围焊采用三面围焊)213(2)203(2322311 NNkNNNkN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :)183(333 wffewfhlN )193(33 wffefbhN 余下的问题同情况余下的问题同情况A，即，即: :Ne1e2bN1N2xxN3l lw1w1l lw2w2)153()143(222111 wfewfwfewffhlNfhlN 对于校核问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题:

21、:)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxN3l lw1w1l lw2w2)233()223(23123 NNNNkNC C、采用、采用L L形围焊形围焊代入下式代入下式3-203-20，3-213-21得得: :对于设计问题对于设计问题: :02 N)243(333111 wwfffwfewlfNhfhNl )213(2)203(2322311 NNkNNNkNNe1e2bN1xxN3l lw1w12 2、N、M、V共同作用下共同作用下(1(1) )偏心轴力作用下角焊缝强度计算偏心轴力作用下角焊缝强度计算NeNx xNy y2wl2wlMAN

22、xNxM MNyNy 2,6weewxAflhMhlN ewyAfhlN , wfAffAff 2,2, h he eh he et t( (2) ) V、M共同作用下焊缝强度计算共同作用下焊缝强度计算h1fAfAfBfBf fwffwfAfhIM 21对于对于A点：点：式中：式中：I Iw w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； h h1 1两翼缘焊缝最外侧间的距离。两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxh h2BBAh1MeFVM对于对于B点：点： 2,2,22weffBwfBlhVhIM wffBffBf 22 强度验算公式：强度验算公式：式中：式中：h h2 2

23、、l lw,2w,2腹板焊缝的计算长度；腹板焊缝的计算长度； h he,2e,2腹板焊缝截面有效高度。腹板焊缝截面有效高度。h1f1f1f2f2f fxxh h2BBAh1MVM假定假定: :A A、被连接件绝对刚性，焊缝、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：为弹性，即：T T作用下被连作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋接件有绕焊缝形心旋转的趋势；势；B B、T T作用下焊缝群上任意点的作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与形心的连线，且大小与r r成成正比；正比；C C、在、在V V作用下，焊缝群上的应作用下，焊缝群上的应力均匀分布。力均匀分

24、布。3、T、V共同作用下共同作用下将将F F向焊缝群形心向焊缝群形心简化得简化得: : V=F V=F T=F(e T=F(e1 1+e+e2 2) )Fe1e2x0l l1l l2xxyyAA0TVr故：该连接的设计控制点故：该连接的设计控制点 为为A A点和点和A A点点xxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e)253( yxPTAIIrTIrT T作用下作用下A点应力点应力: :将其沿将其沿x x轴轴和和y y轴分解轴分解: :)273(cos)263(sin rrIrTrrIrTxPTTAyyPTTAx e2x0l l1l l2xxyyAA0TVr剪力

25、剪力V作用下作用下,A,A点应力点应力: : weVVAylhV A A点垂直于焊缝长度方点垂直于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAyVAyf A A点平行于焊缝长度方点平行于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAxf 强度验算公式：强度验算公式：wfffff 22 wfTAxfVAyTAyf 22 即：即：V VxxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e五、斜角角焊缝的计算五、斜角角焊缝的计算1 12 2h hf1f1h hf1f1h hf2f2h hf2f2h he2e2h he1e1b b1 1b b2 2图图A1 12 2h hf1f1h hf1

26、f1h hf2f2h hf2f2h he2e2h he1e1b b图图B1 1、由于斜角角焊缝的研究不够充分，为简化计算，、由于斜角角焊缝的研究不够充分，为简化计算， 规范规定：对于两焊脚边夹角规范规定：对于两焊脚边夹角60o135o的的 斜斜T T形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相 同的计算公式，且统一取同的计算公式，且统一取f=1.0。2 2、斜角角焊缝的计算厚度、斜角角焊缝的计算厚度hei由几何关系得其通式为：由几何关系得其通式为： 2cossin21iifieibbbhh 、或或式中：式中：b b、b b1和和b b25mm5mm说明：说明：A

27、. bA. b1和和b b21.5mm1.5mm时时, , 可取可取b b1、b b2=0=0B. bB. b1和和b b2 5mm 5mm时时, , 应如图应如图“B B”方式处方式处 理，且使理，且使b5mmb5mm。1 12 2h hf1f1h hf1f1h hf2f2h hf2f2h he2e2h he1e1b b1 1b b2 2图图A1 12 2h hf1f1h hf1f1h hf2f2h hf2f2h he2e2h he1e1b b图图B1 1、对接焊缝的坡口形式、对接焊缝的坡口形式: :一、对接焊缝的构造一、对接焊缝的构造3.5 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算 对接焊

28、缝的焊件常做坡口，坡口形式与对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和板厚和施工条件施工条件有关。有关。 t-t-焊件厚度焊件厚度(1)(1)当当:t6mm(:t6mm(手工焊手工焊),t10mm(),t20mm(3)t20mm时，宜采用时，宜采用U形、形、K形、形、X形坡口。形坡口。C=0.52mm（a）C=23mm（b）C=23mm（C）p p（d）C=34mmp pC=34mmp p（e）C=34mmp p（f）2 2、V V形、形、U U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；3 3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧、对接焊缝的起、灭弧点易

29、出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去焊缝的计算长度等于实际长度减去2t2t1 1，t t1 1较薄焊较薄焊件厚度；件厚度；4 4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm4mm时，应做坡时，应做坡度不大于度不大于1:2.5(1:2.5(静载静载) )或或1:4(1:4(动载动载) )的斜角，以平缓的斜角，以平缓过度，减小应力集中。过度，减小应力集中。1:2.51:2.5对接焊缝分为：对接焊缝分为：焊透焊透和和部分焊透（自学）部分焊透（自学）两种；两种；动荷载作用下

30、部分焊透的对接焊缝不宜用做动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受垂直受力方向力方向的连接焊缝；的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。件强度计算相同。二、对接焊缝的计算二、对接焊缝的计算NNt1、轴心力作用下的对接焊缝计算轴心力作用下的对接焊缝计算)283( wcwtwfftlN或 式中：式中： N轴心拉力或压力；轴心拉力或压力； t板件较

31、小厚度；板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；形连接中为腹板厚度； f ft tw w、f fc cw w 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。NNl lw wtA 当不满足上式时，可采用斜对当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图接焊缝连接如图B。wvwwcwtwftlNfftlN cossin或另另: :当当tantan1.51.5时时, ,不用验算不用验算! !NNtBNsinsinNcoscosl lw w2、M、V共同作用下的对接焊缝计算共同作用下的对接焊缝计算l lw wtAMV)293(62max wtwwftlMWM )303(23max wVwwwf

32、tlVtIVS 因焊缝截面为矩形，因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：共同作用下应力图为：故其强度计算公式为：故其强度计算公式为：式中：式中：W Ww w焊缝截面模量；焊缝截面模量； S Sw w-焊缝截面面积矩；焊缝截面面积矩； I Iw w-焊缝截面惯性矩。焊缝截面惯性矩。（1）板件间对接连接）板件间对接连接（2）工字形截面梁对接连接计算工字形截面梁对接连接计算MV1焊缝截面焊缝截面A A、对于焊缝的、对于焊缝的maxmax和和maxmax应满足式应满足式3-32和和3-33要求；要求；max11maxB B、对于翼缘与腹板交接点焊缝、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点）点），其折算应

33、，其折算应 力尚应满足下式要求：力尚应满足下式要求：)343(1 . 132121wtf1.11.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。)323(62maxwtwwftlMWM)333(23maxwVwwwftlVtIVS3.6 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形一、焊接残余应力的分类及其产生的原因一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1 1、焊接残余应力的分类、焊接残余应力的分类 A A、纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向; ; B B、横向焊接残余应力横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向; ;

34、C C、沿厚度方向的焊接残余应力。沿厚度方向的焊接残余应力。 2 2、焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力产生的原因 （1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上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，焊缝处可达产生不均匀的温度场，焊缝处可达16001600o oC C，而邻近区域，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生小的钢材限制，产生热态塑性压缩热态塑性压缩，焊缝冷却时被，焊缝冷却时被塑性塑性压缩压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限

35、制而产生的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到达到屈服强度屈服强度。焊接残余应力是无荷载的。焊接残余应力是无荷载的内应力内应力，故在，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm-+ （2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力产生的原因产生的原因:

36、:1 1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，的趋势，导致两焊件在焊缝处导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压中部受拉，两端受压；2 2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生膨胀，产生横向塑性压缩变形横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝冷却时，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，因焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更远处焊缝，更远处焊缝则产生拉应力则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关

37、。 以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的横向应力xy+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向焊缝横向残余应力残余应力yx不同施焊方向下不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-+施施焊焊方方向向(e)-+-施施焊焊方方向向( f )xyyx（3 3）沿厚度方向的焊接残余应力）沿厚度方向的焊接残余应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施

38、焊，焊在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生膨胀，产生塑性压缩变形塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的。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，因生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力x x, ,y y 外，外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力还存在沿厚度方向的焊接残余应力z z，这三种应力形，这

39、三种应力形成同号成同号( (受拉受拉) )三向应力，大大三向应力，大大降低连接的塑性降低连接的塑性。-+-321x xy yz z二、焊接残余应力对结构性能的影响二、焊接残余应力对结构性能的影响1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响f f+-b bf fy y+-b bf fy yNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：因焊接残余应力自相平衡，故： yytyftBftbBNN 当板件全截面达到当板件全截面达到fy，即，即N=Ny时：时：结论：结论：焊接残余应焊接残余应力力对结构的对结构的静力强度没静力强度没有影响。有影响。+-f fy yf fb bB Bt tftbBNftbNcyt

40、 )(2 2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响A、当焊接残余应力存在时，因截面的、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应部分拉应力已经达到力已经达到fy ，故该部分刚度为零，故该部分刚度为零（屈服），（屈服），这时这时在在N作用下应变增量为：作用下应变增量为： EtbBN 1 f f+-b bf fy yNN+-f fy yf fNNb bB Bt t因为因为B-bBB-b 2 2。结论：结论： 焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。了结构的刚度。B、当截面上没有焊接残余应力时，在、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增作

41、用下应变增量为：量为：EtBN 2 另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠另外，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（详见第五章）。曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。 EtbBN 1 对于厚板或交叉焊缝，将产生对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。 所以，所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷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脆性能的重要措施。3 3、对低温冷脆的影响、对低温冷脆的影响4 4、对疲劳强度的影

42、响、对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到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钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感敏感区域区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不有明显的不利影响利影响。三、焊接变形三、焊接变形 焊接变形包括：焊接变形包括：纵向收缩、纵向收缩、横向收缩横向收缩、弯曲变形弯曲变形、角变形角变形和和扭曲变形扭曲变形等，通常是几种变形的组合。等，通常是几种变形的组合。 四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施1 1、设计上的

43、措施；设计上的措施；（1 1）焊接位置的合理安排）焊接位置的合理安排（2 2）焊缝尺寸要适当）焊缝尺寸要适当（3 3）焊缝数量要少，且不宜过分集中）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4 4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉（5 5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2 2、加工工艺上的措施、加工工艺上的措施（1 1）采用合理的施焊顺序）采用合理的施焊顺序（2 2）采用反变形处理）采用反变形处理（3 3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理3.7 3.7 螺栓连接的构造螺栓连接的构造一、螺栓的

44、种类一、螺栓的种类1.1.普通螺栓普通螺栓C级级-粗制螺栓粗制螺栓，性能等级为，性能等级为4.6或或4.8级；级；4表示表示f fu u400N/mm400N/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.8；类孔类孔，孔径，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d) (d) 1 13mm3mm。A、B级级-精制螺栓精制螺栓，性能等级为，性能等级为5.6或或8.8级级; ;5或或8表示表示f fu u500500或或800800N/mmN/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.

45、8；类孔类孔，孔径，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d)(d)mm0.5mm。按其加工的精细程度和强度分为按其加工的精细程度和强度分为: :A、B、C三个级别。三个级别。2.2.高强度螺栓高强度螺栓由由4545号、号、40B40B和和20MnTiB20MnTiB钢加工而成，并经过热处理钢加工而成，并经过热处理45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级 （a a）大六角头螺栓）大六角头螺栓 （b b）扭剪型螺栓）扭剪型螺栓扭剪型高强度螺栓扭剪型高强度螺栓二、螺栓的排列二、螺栓的排列1.1.并列并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构简单、整齐、紧凑所用连接

46、板尺寸小，但构 件截面削弱大；件截面削弱大；B B 错列错列A A 并列并列中距中距中距中距边距边距边距边距端距端距2.2.错列错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小；面削弱小； 3.3.螺栓排列的要求螺栓排列的要求（1 1）受力要求）受力要求: : 垂直受力方向：垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不螺栓的边距和端距不能太小；能太小； 顺力作用方向：顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，为了防止板件被拉断或剪坏，端距端距不能太小；不能

47、太小； 对于受压构件：对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，为防止连接板件发生鼓曲，中距不中距不能太大。能太大。（2 2）构造要求；）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。不密，潮气侵入腐蚀钢材。（3 3）施工要求）施工要求 为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3d3do o。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。三、螺栓连接的构造要求三、螺栓连接的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为了保证连接的可靠性，每个杆件

48、的节点或拼接接头一端不宜少于端不宜少于两个永久螺栓两个永久螺栓；直接承受直接承受动荷载动荷载的普通螺栓连接应采用的普通螺栓连接应采用双螺帽双螺帽，或其他，或其他措施以防螺帽松动；措施以防螺帽松动；C C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用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：于抗剪连接： 1 1、承受静载或间接动载的次要连接；、承受静载或间接动载的次要连接； 2 2、承受静载的可拆卸结构连接；、承受静载的可拆卸结构连接； 3 3、临时固定构件的安装连接。、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，型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保

49、证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；3.83.8 普通螺栓连接计算普通螺栓连接计算一、螺栓连接的受力形式一、螺栓连接的受力形式FNFA 只受剪力只受剪力B 只受拉力只受拉力C 剪力和拉力剪力和拉力共同作用共同作用 二、普通螺栓抗剪连接二、普通螺栓抗剪连接 对图示螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验, ,即可得到板件上即可得到板件上a、b两点相对位两点相对位移移和作用力和作用力N的关系曲线的关系曲线, ,该曲该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段四个阶段, ,即：即： NO1234NNabNN/2N/2 二、普

50、通螺栓抗剪连接二、普通螺栓抗剪连接（一）工作性能和破坏形式（一）工作性能和破坏形式 1.1.工作性能工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验, ,即可得到板件上即可得到板件上a、b两点相对位两点相对位移移和作用力和作用力N的关系曲线的关系曲线, ,该曲该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段四个阶段, ,即：即： (1)(1)摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(0(01 1段段) ) 直线段直线段连接处于弹性状态；连接处于弹性状态； 该阶段较短该阶段较短摩擦力较小。摩擦力较小。NO1234NNabNN/2N/2 (2) (2)滑移阶段滑移阶段(1

51、(12 2段段) ) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平段。段。NO1234abNN/2N/2 (3)(3)栓杆传力的弹性阶段栓杆传力的弹性阶段(2(23 3段段) ) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、接触传力。栓杆受剪力、拉力拉力、弯矩作用弯矩作用，孔壁受挤压。由于材，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及料的弹性以及栓杆拉力增大栓杆拉力增大所导所导致的板件间摩擦力的增大，致的板件间摩擦力的增大，N-N-关系以曲线状态上升

52、。关系以曲线状态上升。 (4)(4)弹塑性阶段弹塑性阶段(3(34 4段段) ) 达到达到3后，即使给荷载后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切变以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到连接破坏。形迅速增大，直到连接破坏。 4点（曲线的最高点）即点（曲线的最高点）即为普通螺栓抗剪连接的极限承为普通螺栓抗剪连接的极限承载力载力Nu。NO1234abNN/2N/2Nu2.2.破坏形式破坏形式（1 1）螺栓杆被剪坏）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时栓杆较细而板件较厚时（2 2）孔壁的挤压破坏）孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时栓杆较粗而板件较薄时（3 3）板件被拉断）板件被拉断 截面削弱过多时

53、截面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。以上破坏形式予以计算解决。N/2NN/2NNNN（4 4）板件端部被剪坏）板件端部被剪坏( (拉豁拉豁) ) 端矩过小时；端矩不应小于端矩过小时；端矩不应小于2d2dO ONN（5 5）栓杆弯曲破坏）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d5d这这两两种种破破坏坏构构造造解解决决N/2NN/2（二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值（二）抗剪螺栓的单栓承载力设计值 由破坏形式知由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取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，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故单栓

54、抗剪承载力由以下两式决定: :nv剪切面数目剪切面数目； d螺栓杆直径；螺栓杆直径；fvb、fcb螺栓抗剪和承压强度设计值；螺栓抗剪和承压强度设计值；t t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。bcbvbNNN，minmin单栓抗剪承载力：单栓抗剪承载力：)383(42bvvbvfdnN抗剪承载力：抗剪承载力：)393 (bcbcf tdN承压承载力：承压承载力：d剪切面数目剪切面数目n nv vNN1 vn单单剪剪：NN/2N/22 vn双双剪剪：4 vn四四剪剪：N/2N/3N/3N/3N/2（三）普通螺栓群抗剪连接计算（三）普通螺栓群抗剪连接计算1 1、

55、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算、普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算 N/2Nl l1 1N/2平均值平均值螺栓的内力分布螺栓的内力分布 试验证明试验证明, ,栓群在轴栓群在轴力作用下各个螺栓的内力力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀，沿栓群长度方向不均匀，两端大两端大, ,中间小。中间小。 当当l l1 115d15d0 0(d(d0 0为孔径为孔径) )时，时，连接进入弹塑性工作状态后，连接进入弹塑性工作状态后，内力重新分布，各个螺栓内内力重新分布，各个螺栓内力趋于相同，故设计时假定力趋于相同，故设计时假定N有各螺栓均担。有各螺栓均担。)403(minbNNn所以，连接所需螺栓数为：所以，

56、连接所需螺栓数为： 当当l l1 115d15d0 0(d(d0 0为孔径为孔径) )时，连接进入弹塑性工作状时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布态后，即使内力重新分布, ,各个螺栓内力也难以均匀，各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏端部螺栓首先破坏, ,然后依次破坏。由试验可得连接的然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数抗剪强度折减系数与与l l1 1/d/d0 0的关系曲线的关系曲线。)353(1501 . 1601501010 dldld 时时：当当试验曲线试验曲线8.88.8级级 M22M22我国规范我国规范1.00.750.50.25010 20 30 40 5

57、0 60 70 80l l1 1/d/d0 0平均值平均值长连接螺栓的内力分布长连接螺栓的内力分布7 .06001 时时：当当dl)363(min bNNn 故，连接所需栓数：故，连接所需栓数：NNbt tt t1 1b1 普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断普通螺栓群轴心力作用下，为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算。尚应进行板件的净截面验算。拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-2截面截面: :A A、螺栓采用并列排列时、螺栓采用并列排列时: :主板的危险截面为主板的危险截面为1-1截面截面: :1122 主主板板厚厚度度。主主板板宽宽度度；危危险险截截面面上上的的螺螺栓栓数

58、数；螺螺栓栓孔孔直直径径；钢钢材材强强度度设设计计值值 tbmdftdmbAfANnn001 ,1 ,; 拼拼接接板板厚厚度度。危危险险截截面面上上的的螺螺栓栓数数；拼拼接接板板宽宽度度；螺螺栓栓孔孔直直径径；钢钢材材强强度度设设计计值值 1101012,2,;5 . 0tmbdftdmbAfANnn NNt tt t1 1bc2c3c4c1B B、螺栓采用错列排列时、螺栓采用错列排列时: :主板的危险截面为主板的危险截面为1-1和和1-1截面截面: : 主主板板厚厚度度。主主板板宽宽度度；危危险险截截面面上上的的螺螺栓栓数数；螺螺栓栓孔孔直直径径；钢钢材材强强度度设设计计值值；式式中中：截截

59、面面：对对于于截截面面：对对于于 tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn00222140;1211;11 1111NNbt tt t1 1b1c2c3c4c1拼接板的危险截面为拼接板的危险截面为2-2和和2-2截面截面: : 拼拼接接板板厚厚度度。拼拼接接板板宽宽度度；危危险险截截面面上上的的螺螺栓栓数数；螺螺栓栓孔孔直直径径；钢钢材材强强度度设设计计值值；式式中中：截截面面：对对于于截截面面：对对于于 1101022214101;1222;225 . 0tbmdftdmccmcAtdmbAfANnnn 22222 2、普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算、普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算F

60、作用下每个螺栓受力作用下每个螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F)373(1 nFNFT作用下连接按弹性设计，其假定为作用下连接按弹性设计，其假定为： （1 1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； （2 2） T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系，方向与力与其至形心距离呈线形关系，方向与r ri垂直。垂直。TxyN1TN1TxN1Tyr11 显然，显然，T作用下作用下1号螺号螺栓所受剪力最大栓所受剪力最大（r r1最大）。最大）。)383(2211 nnTTTrNrNrNT)