焊接结构学焊接结构力学特征及结构设计

1、知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容焊接结构的特点、焊接结构的特点、类型类型熟悉焊接结构的优点和熟悉焊接结构的优点和不足，了解其分类方法，熟不足，了解其分类方法，熟悉其所涉及的力学性能悉其所涉及的力学性能焊接结构优点、不足；按焊接结构优点、不足；按用途、结构形式、制造方法用途、结构形式、制造方法分类；静载力学性能、断裂分类；静载力学性能、断裂性能、疲劳性能、应力腐蚀性能、疲劳性能、应力腐蚀性能、高温力学性能性能、高温力学性能焊接结构力学特焊接结构力学特征征了解三种类型焊接结构了解三种类型焊接结构的力学特征的力学特征桁架结构、板壳结构和实桁架结构、板壳结构和实体结构的力学特征体结构的

2、力学特征焊接结构设计焊接结构设计熟悉焊接结构设计的基熟悉焊接结构设计的基本特点、基本要求、基本方本特点、基本要求、基本方法和合理性分析；结合典型法和合理性分析；结合典型焊接结构实例分析，掌握焊焊接结构实例分析，掌握焊接接头的设计要点接接头的设计要点设计基本要求：以实用性设计基本要求：以实用性为核心，以可靠性为前提，为核心，以可靠性为前提，以工艺性和经济性为制约条以工艺性和经济性为制约条件。从实用性、可靠性、工件。从实用性、可靠性、工艺性和经济性四方面进行焊艺性和经济性四方面进行焊接结构设计的合理性分析接结构设计的合理性分析1/2532/253由于焊接结构的使用目的不同，所用的材由于焊接结构的使

3、用目的不同，所用的材料种类、结构形式、尺寸精度、焊接方法和焊料种类、结构形式、尺寸精度、焊接方法和焊接工艺也不相同，这就使得焊接结构种类颇多。接工艺也不相同，这就使得焊接结构种类颇多。但焊接结构的主要作用是一致的，但焊接结构的主要作用是一致的，那就是能够那就是能够长时间承受自身重量及外部载荷而保持其形状长时间承受自身重量及外部载荷而保持其形状和性能不变。和性能不变。本章只从大型焊接结构的角度考虑，讨论本章只从大型焊接结构的角度考虑，讨论焊接结构的特点、类型、力学特征和设计思路，焊接结构的特点、类型、力学特征和设计思路，进一步对典型焊接结构产品进行力学特征和焊进一步对典型焊接结构产品进行力学特征

4、和焊接接头设计分析。接接头设计分析。 3/2537.1 焊接结构的特点及分类焊接结构的特点及分类7.2 焊接结构力学特征焊接结构力学特征7.3 焊接结构设计焊接结构设计7.4 焊接结构实例分析焊接结构实例分析4/2537.1.1 焊接结构的特点焊接结构的特点 焊接结构的原材料多为经过轧制的板材焊接结构的原材料多为经过轧制的板材和各种断面形状的型材，这些材料的强度高、和各种断面形状的型材，这些材料的强度高、韧性好、易于加工，因此焊接结构工艺性能韧性好、易于加工，因此焊接结构工艺性能和力学性能都非常好，承受动载荷时的疲劳和力学性能都非常好，承受动载荷时的疲劳强度也令人满意。强度也令人满意。1. 焊

5、接结构的优点焊接结构的优点5/253 铆接或栓接结构的接头须预先在母材上钻孔，铆接或栓接结构的接头须预先在母材上钻孔，钉孔削弱了连接接头的工作截面，连接接头的强钉孔削弱了连接接头的工作截面，连接接头的强度只有母材强度的度只有母材强度的80%左右。左右。 现代焊接技术已经能够使得焊接接头强度等现代焊接技术已经能够使得焊接接头强度等于甚至高于母材的强度，也具有良好的疲劳性能于甚至高于母材的强度，也具有良好的疲劳性能和断裂韧性。和断裂韧性。多为多为或或，与铸造和锻造结构相比，当承受的载荷和工作条与铸造和锻造结构相比，当承受的载荷和工作条件相同时，焊接结构自重较轻、节省材料、所需件相同时，焊接结构自重

6、较轻、节省材料、所需截面较小，运输和架设也较方便。截面较小，运输和架设也较方便。6/253 轧制钢板具有良好的塑性，在一般情况下，轧制钢板具有良好的塑性，在一般情况下，不会因为局部超载造成突然断裂破坏，而是事不会因为局部超载造成突然断裂破坏，而是事先出现较大的变形预兆，以便采取补救措施。先出现较大的变形预兆，以便采取补救措施。轧制钢板还具有良好的韧性，对作用在结构上轧制钢板还具有良好的韧性，对作用在结构上的动载荷适应性强，为焊接结构的安全使用提的动载荷适应性强，为焊接结构的安全使用提供了可靠保证。供了可靠保证。焊接结构为一个整体，具有较大的抗变形焊接结构为一个整体，具有较大的抗变形7/253能

7、力，因此可以长期保持原有设计形状不变。能力，因此可以长期保持原有设计形状不变。但是这一优点在结构失效时就变成了缺点，容但是这一优点在结构失效时就变成了缺点，容易造成脆性断裂和整体断裂。易造成脆性断裂和整体断裂。 钢板和型材的内部组织均匀，各个方向的钢板和型材的内部组织均匀，各个方向的力学性能基本相同，在一定的应力范围内，钢力学性能基本相同，在一定的应力范围内，钢板和型材处于理想弹性状态，与工程力学所采板和型材处于理想弹性状态，与工程力学所采用的基本假定较吻合，故焊接结构承载能力计用的基本假定较吻合，故焊接结构承载能力计算结果准确可靠。算结果准确可靠。8/253 采用焊接方法连接容易做到紧密不渗

8、漏，采用焊接方法连接容易做到紧密不渗漏，密封性好，适用于制造各种容器，尤其是密封性好，适用于制造各种容器，尤其是。 此外，大型焊接结构适用于工厂制造、工此外，大型焊接结构适用于工厂制造、工地安装的施工方法，结构部件形状尺寸精度高，地安装的施工方法，结构部件形状尺寸精度高，铆焊和栓焊结构共同存在，使焊接结构综合力铆焊和栓焊结构共同存在，使焊接结构综合力学性能得到最大限度的发挥。学性能得到最大限度的发挥。 9/2532. 焊接结构的不足之处焊接结构的不足之处 经过经过的焊接热循环作用，的焊接热循环作用，使得焊接结构具有自身独特的力学特点。使得焊接结构具有自身独特的力学特点。10/253只有正确认识

9、并掌握了这些特点，做只有正确认识并掌握了这些特点，做到到和和，才能生产出综合性能优良的焊，才能生产出综合性能优良的焊接结构。接结构。11/2537.1.2 焊接结构的分类焊接结构的分类 焊接结构类型众多，其分类方法也不尽焊接结构类型众多，其分类方法也不尽相同，各分类方法之间也有交叉和重复现象。相同，各分类方法之间也有交叉和重复现象。即使同一焊接结构之中也有局部的不同结构即使同一焊接结构之中也有局部的不同结构形式，因此很难准确和清晰地对其进行分类。形式，因此很难准确和清晰地对其进行分类。 通常可以从通常可以从（使用者）、（使用者）、（设计者）和（设计者）和（生产者）来进行分（生产者）来进行分类，

10、见表类，见表7-1。 12/253分类方法分类方法结构类型结构类型焊接结构的代表产品焊接结构的代表产品主要受力载荷形式主要受力载荷形式按按分类分类运载工具运载工具汽车、火车、船舶、飞机、航天器等汽车、火车、船舶、飞机、航天器等静载、交变载荷、冲击载荷静载、交变载荷、冲击载荷存贮容器存贮容器气罐、油罐、料仓等气罐、油罐、料仓等静载静载压力容器压力容器锅炉、钢包、反应釜、冶炼炉、气罐等锅炉、钢包、反应釜、冶炼炉、气罐等静载、热疲劳载荷、高温载荷静载、热疲劳载荷、高温载荷起重设备起重设备建筑塔吊、车间行车、汽车吊等建筑塔吊、车间行车、汽车吊等静载、低周疲劳载荷静载、低周疲劳载荷建筑设施建筑设施桥梁、

11、钢结构的房屋、厂房、场馆等桥梁、钢结构的房屋、厂房、场馆等静载、风雪载荷、低周疲劳载荷静载、风雪载荷、低周疲劳载荷海洋设施海洋设施船舶、港口起重设备、海洋钻井平台等船舶、港口起重设备、海洋钻井平台等静载、疲劳载荷、应力腐蚀静载、疲劳载荷、应力腐蚀焊接机器焊接机器减速机、机床机身、旋转体等减速机、机床机身、旋转体等静载、交变载荷静载、交变载荷按按分类分类桁架结构桁架结构桥梁、网架结构等桥梁、网架结构等静载、低周疲劳载荷、大气腐蚀静载、低周疲劳载荷、大气腐蚀板壳结构板壳结构压力容器、锅炉、管道等压力容器、锅炉、管道等静载、交变载荷、应力腐蚀静载、交变载荷、应力腐蚀实体结构实体结构机床机身、机器、旋

12、转体等机床机身、机器、旋转体等静载、交变载荷静载、交变载荷按按分类分类铆焊结构铆焊结构小型机器结构等小型机器结构等静载、交变载荷静载、交变载荷栓焊结构栓焊结构桥梁、轻钢结构等桥梁、轻钢结构等静载、风雪载荷、低周疲劳静载、风雪载荷、低周疲劳铸焊结构铸焊结构机床机身等机床机身等静载、交变载荷静载、交变载荷锻焊结构锻焊结构机器零件、大型厚壁压力容器等机器零件、大型厚壁压力容器等静载、交变载荷静载、交变载荷全焊结构全焊结构起重设备、船舶、压力容器等起重设备、船舶、压力容器等静载、交变载荷、应力腐蚀静载、交变载荷、应力腐蚀表表7-1 焊接结构的类型焊接结构的类型13/253 从从考虑，主要按考虑，主要按

13、进行分类。这样的分类方法不仅适合于专业进行分类。这样的分类方法不仅适合于专业技术人员，也适合于普通人员，可以使使用者技术人员，也适合于普通人员，可以使使用者清晰地了解焊接结构的形状尺寸、功能作用、清晰地了解焊接结构的形状尺寸、功能作用、承受载荷类型以及对焊接结构的要求，有利于承受载荷类型以及对焊接结构的要求，有利于所用材料的选择和结构设计。所用材料的选择和结构设计。 例如，提起交通运载工具，人们自然想到例如，提起交通运载工具，人们自然想到的是轻质、高速、安全、能耗等问题。这也是的是轻质、高速、安全、能耗等问题。这也是焊接结构设计者和制造者首先考虑的分类方法。焊接结构设计者和制造者首先考虑的分类

14、方法。14/253 从从考虑，主要按考虑，主要按进行分类。这样的分类方法主要适用于专业进行分类。这样的分类方法主要适用于专业技术人员，有利于设计人员进行受力分析、结技术人员，有利于设计人员进行受力分析、结构设计、材料选择。构设计、材料选择。 主要结构形式有主要结构形式有、和和三种形式，其具体选择依赖于焊接结构三种形式，其具体选择依赖于焊接结构的用途、承受载荷的能力和自身重量等。如板的用途、承受载荷的能力和自身重量等。如板壳结构比桁架结构的承载能力大，而实体结构壳结构比桁架结构的承载能力大，而实体结构主要用于机器和机床机身等结构。主要用于机器和机床机身等结构。15/253 从从考虑，主要按考虑，

15、主要按进行分类。这样的分类方法主要适进行分类。这样的分类方法主要适用于制造工艺人员，要从焊接结构的使用性用于制造工艺人员，要从焊接结构的使用性能、形状大小、生产规模、制造成本以及材能、形状大小、生产规模、制造成本以及材料的加工工艺性能等方面考虑，以便在保证料的加工工艺性能等方面考虑，以便在保证满足使用性能的要求下，提高生产效率，降满足使用性能的要求下，提高生产效率，降低制造成本。低制造成本。 例如，桥梁多为栓焊结构，其梁柱构件例如，桥梁多为栓焊结构，其梁柱构件均在工厂内采用焊接方法制造，在工地现场均在工厂内采用焊接方法制造，在工地现场只进行螺栓联接。只进行螺栓联接。16/253 和和是指铸造或

16、锻造部是指铸造或锻造部件通过焊接形成尺寸更大，不能一次铸造和件通过焊接形成尺寸更大，不能一次铸造和锻造的结构，这些方法在大型厚壁重型结构锻造的结构，这些方法在大型厚壁重型结构中得到应用。中得到应用。 随着焊接技术水平的不断提高，随着焊接技术水平的不断提高，得到了快速发展，如船舶、压力容器得到了快速发展，如船舶、压力容器和起重设备等等。和起重设备等等。17/2537.1.3 焊接结构涉及的力学性能焊接结构涉及的力学性能 在在、和和的作用下，焊接结构应具有保持其自的作用下，焊接结构应具有保持其自身形状不变的能力，即具有身形状不变的能力，即具有和和的能力，因此焊接结构必须具有满足使的能力，因此焊接结

17、构必须具有满足使用要求的力学性能。用要求的力学性能。 主要考虑的力学性能见表主要考虑的力学性能见表7-2。 18/253力学性能力学性能具体指标具体指标涉及的焊接结构或部件涉及的焊接结构或部件主要试验方法主要试验方法一般静载一般静载力学性能力学性能屈服强度屈服强度所有焊接结构所有焊接结构拉伸试验拉伸试验拉伸强度拉伸强度所有焊接结构所有焊接结构拉伸试验拉伸试验临界失稳压应力临界失稳压应力承受压力的支柱、薄板结构承受压力的支柱、薄板结构失稳试验失稳试验硬度硬度焊接接头焊接接头硬度试验硬度试验刚度刚度梁、机床机身梁、机床机身拉伸试验拉伸试验抗弯刚度抗弯刚度梁、板壳结构梁、板壳结构弯曲试验弯曲试验抗扭

18、刚度抗扭刚度梁、柱结构梁、柱结构扭曲试验扭曲试验断裂断裂力学力学性能性能缺口韧度缺口韧度所有焊接结构，尤其是低温结构所有焊接结构，尤其是低温结构缺口冲击试验缺口冲击试验断裂韧度断裂韧度厚板和重要焊接结构、低温结构厚板和重要焊接结构、低温结构断裂韧性试验断裂韧性试验表表7-2 焊接结构涉及的力学性能焊接结构涉及的力学性能（接下页）（接下页）19/253疲劳疲劳力学力学性能性能疲劳强度疲劳强度承受交变载荷的焊接结构承受交变载荷的焊接结构疲劳试验疲劳试验裂纹扩展速率裂纹扩展速率承受交变载荷的焊接结构承受交变载荷的焊接结构疲劳裂纹扩展试验疲劳裂纹扩展试验应力腐蚀应力腐蚀性能性能应力腐蚀门槛值应力腐蚀门

19、槛值腐蚀环境下的焊接结构腐蚀环境下的焊接结构应力腐蚀试验应力腐蚀试验应力腐蚀裂纹扩应力腐蚀裂纹扩展速率展速率腐蚀环境下的焊接结构腐蚀环境下的焊接结构应力腐蚀试验应力腐蚀试验高温高温力学力学性能性能蠕变强度蠕变强度高温焊接结构，如电站锅炉高温焊接结构，如电站锅炉蠕变试验蠕变试验蠕变速率蠕变速率高温焊接结构，如电站锅炉高温焊接结构，如电站锅炉蠕变试验蠕变试验蠕变持久强度蠕变持久强度高温焊接结构，如电站锅炉高温焊接结构，如电站锅炉蠕变持久强度试验蠕变持久强度试验蠕变裂纹扩展蠕变裂纹扩展速率速率高温焊接结构，如电站锅炉高温焊接结构，如电站锅炉蠕变裂纹扩展速率蠕变裂纹扩展速率试验试验（续上页）（续上页）

20、20/2537.2.1 桁架结构及其力学特征桁架结构及其力学特征可容纳可容纳6万观众的沈阳奥体中心钢结构工程万观众的沈阳奥体中心钢结构工程主拱全长主拱全长360米，为全国最大的米，为全国最大的沈沈阳阳奥奥体体中中心心21/253神舟飞船发射塔架（神舟飞船发射塔架（100100多米高）多米高）22/2531. 桁架结构及适用范围桁架结构及适用范围 又称为杆系结构，是指由长度远大又称为杆系结构，是指由长度远大于其宽度和厚度的杆件在节点处通过焊接工艺相于其宽度和厚度的杆件在节点处通过焊接工艺相互连接组成能够承受横向弯曲的结构，其杆件按互连接组成能够承受横向弯曲的结构，其杆件按照一定的规律组成几何不变

21、结构。照一定的规律组成几何不变结构。 焊接桁架结构广泛应用于建筑、桥梁、起重焊接桁架结构广泛应用于建筑、桥梁、起重机、高压输电线路和广播电视发射塔架等，如图机、高压输电线路和广播电视发射塔架等，如图7-1所示。所示。的不同，又可分为的不同，又可分为(图图7-1c)、(图图7-1a)和和(图图7-1b,d,e)。23/253图图7-1 基于用途的桁架种类基于用途的桁架种类a) 屋盖桁架屋盖桁架 b) 桥梁桁架桥梁桁架 c) 拱形桥梁桁架拱形桥梁桁架 d) 龙门起重机桁龙门起重机桁 e) 悬吊组合桥桁架悬吊组合桥桁架24/253 是一种高次超静定的空间杆系结是一种高次超静定的空间杆系结构（图构（图

22、7-2）。其空间刚度大、整体性强、稳定）。其空间刚度大、整体性强、稳定性强和安全度高，具有良好的抗震性能和较好性强和安全度高，具有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果，同时兼有重量轻、省材料、的建筑造型效果，同时兼有重量轻、省材料、制作安装方便等优点，是一种适用于大、中跨制作安装方便等优点，是一种适用于大、中跨度屋盖体系的结构形式。网架结构度屋盖体系的结构形式。网架结构可分可分为为(简称网架，见图简称网架，见图7-2a)和和(简称网壳，见图简称网壳，见图7-2b,c)。网架可布置成双层或。网架可布置成双层或三层，双层网架是最常用的一种网架形式。三层，双层网架是最常用的一种网架形式。 25/253

23、图图7-2 网架网架结构结构a) 平面网架平面网架 b) 球冠形网壳球冠形网壳 c) 曲面网壳曲面网壳1-内天沟内天沟 2-墙架墙架 3-轻质条形墙板轻质条形墙板 4-网架板网架板 5-悬挂吊车悬挂吊车 6-混凝土柱混凝土柱 7-坡度小立柱坡度小立柱 8-网架网架 26/253附图附图1 曲面网架钢结构曲面网架钢结构 与弧形网架类似，但曲面网架的空间构造更与弧形网架类似，但曲面网架的空间构造更富有变化，也更复杂，由多个平面内的弧线或曲富有变化，也更复杂，由多个平面内的弧线或曲线构成的一个曲面，形成层次更丰富的外观造型。线构成的一个曲面，形成层次更丰富的外观造型。27/253 球型钢网壳见球型钢

24、网壳见附图附图1，建筑直径，建筑直径21m，建，建筑高度为筑高度为20.5m，基本是整球，支座落地，球，基本是整球，支座落地，球壳通过壳通过20个支点（每个支点设垂直和径向两个支点（每个支点设垂直和径向两个支座）支撑在直径个支座）支撑在直径10米的钢筋混凝土圆柱米的钢筋混凝土圆柱上。支座高度为上。支座高度为20cm，因此球壳底边直径为，因此球壳底边直径为10.4m。球壳周边为宽。球壳周边为宽18m，深，深1m的环形水的环形水面，人通过球壳东西两侧水面下的两条通道面，人通过球壳东西两侧水面下的两条通道进入球壳内部，通道两侧设有辅助用房。进入球壳内部，通道两侧设有辅助用房。28/253 球壳内部通

25、过球壳内部通过10m直径的钢筋混凝土圆筒直径的钢筋混凝土圆筒（厚度为（厚度为0.3m）建两层设备层，一层在地下，一）建两层设备层，一层在地下，一层在地上，在层在地上，在3.2m标高处钢筋混凝土圆筒延与水标高处钢筋混凝土圆筒延与水平面成平面成750角逐渐增大。上部设两层房屋，一层角逐渐增大。上部设两层房屋，一层建筑面积为建筑面积为70m2，二层建筑面积为，二层建筑面积为98m2，屋顶，屋顶平台建筑面积为平台建筑面积为138m2，在房屋外侧设旋转楼梯，在房屋外侧设旋转楼梯可上到屋顶平台，平台周边设防护栏，在平台上可上到屋顶平台，平台周边设防护栏，在平台上可进行观光及联欢活动。在上半球设有活动马道，

26、可进行观光及联欢活动。在上半球设有活动马道，马道上端有旋转平台，人可以通过平台的爬梯及马道上端有旋转平台，人可以通过平台的爬梯及电动顶窗到球顶进行检修及维护。电动顶窗到球顶进行检修及维护。29/253附图附图2 大兴西红门直径大兴西红门直径21m短程线网壳设计短程线网壳设计 30/2532. 桁架结构组成及杆件截面形状桁架结构组成及杆件截面形状 桁架结构由桁架结构由、和和三部分组三部分组成。成。 桁架结构中常用的型材有工字钢、桁架结构中常用的型材有工字钢、T型钢、管型钢、管材、角钢、槽钢、冷弯薄型材、热轧中薄板以及冷材、角钢、槽钢、冷弯薄型材、热轧中薄板以及冷轧板等。轧板等。 图图7-3给出了

27、常用上弦杆的截面形式。给出了常用上弦杆的截面形式。（如图（如图7-3d,e）。）。31/253图图7-3 常用上弦杆的截面形式常用上弦杆的截面形式a) 角钢角钢 b) 双角钢双角钢 c) 角钢组焊的箱形角钢组焊的箱形 d) T形形 e) 槽钢组焊的槽钢组焊的T形形 f) 槽钢组焊的箱形槽钢组焊的箱形 g) 箱形箱形 h) 工字形工字形32/253 图图7-4给出了常用的下弦杆的截面形式，给出了常用的下弦杆的截面形式，结构相对简单。，结构相对简单。 可以看出，桁架结构中上、下弦杆截面形式可以看出，桁架结构中上、下弦杆截面形式基本相同，只是考虑到受力情况不同，主受力板基本相同，只是考虑到受力情况不

28、同，主受力板位置有所变化。一般情况下，位置有所变化。一般情况下，。腹杆截面形式与上、下弦杆截。腹杆截面形式与上、下弦杆截面形式也基本相同，腹杆主要承受轴心拉力或轴面形式也基本相同，腹杆主要承受轴心拉力或轴心压力，所以心压力，所以33/253图图7-4 常用下弦杆的截面形式常用下弦杆的截面形式a) 角钢角钢 b) 双角钢双角钢 c) T形形 d) 槽钢组焊的箱形槽钢组焊的箱形 e) 槽钢组焊的箱形槽钢组焊的箱形 f) 箱形箱形 g) 工字形工字形34/2533. 桁架结构的焊接节点形式桁架结构的焊接节点形式 焊接节点是指用焊接方法将各个不同方焊接节点是指用焊接方法将各个不同方向的型材组合成整体并

29、承受应力的结构。图向的型材组合成整体并承受应力的结构。图7-5a,b,c给出三种将型材直接焊接在一起的节给出三种将型材直接焊接在一起的节点，这些焊接节点虽然具有强度高、节省材点，这些焊接节点虽然具有强度高、节省材料、重量轻和结构紧凑等优点，但焊接节点料、重量轻和结构紧凑等优点，但焊接节点处焊缝密集，焊后残余应力高，应力复杂，处焊缝密集，焊后残余应力高，应力复杂，容易产生严重的应力集中。容易产生严重的应力集中。35/253 如果结构承受的是如果结构承受的是，则焊接节点，则焊接节点应尽量采用应尽量采用。管材焊接节点相贯较。管材焊接节点相贯较多，制造比较困难，可采用插入多，制造比较困难，可采用插入(

30、见图见图7-5d)或部分插入连接板或部分插入连接板(见图见图7-5e)。目前多用。目前多用，即将各个方向的管材焊在一个空，即将各个方向的管材焊在一个空心钢球上，结构强度高，受力合理心钢球上，结构强度高，受力合理(见图见图7-5f) 。36/253图图7-5 桁架结构的焊接节点形式桁架结构的焊接节点形式a) 工字钢或工字钢或T型钢节点型钢节点 b) 角钢桁架节点角钢桁架节点c) 管材节点管材节点 d) 插入连接板插入连接板 e) 部分插入连接板部分插入连接板 f) 球形节点球形节点37/2534. 桁架结构的力学特征桁架结构的力学特征 桁架结构杆件承受有桁架结构杆件承受有、和和四种载荷，而大部分

31、杆件只承四种载荷，而大部分杆件只承受轴心力的作用，其受力合理、自重轻、材料受轴心力的作用，其受力合理、自重轻、材料利用率高。利用率高。应尽量避免非节点载荷引起受压应尽量避免非节点载荷引起受压弦杆局部弯曲，尽量使长腹杆受拉，短腹杆受弦杆局部弯曲，尽量使长腹杆受拉，短腹杆受压，腹杆数量宜少，总长度要短，节点构造要压，腹杆数量宜少，总长度要短，节点构造要简单合理。外形轮廓越接近外载荷引起的弯矩简单合理。外形轮廓越接近外载荷引起的弯矩图形，其弦杆受力越为合理图形，其弦杆受力越为合理。38/253 桁架形式的确定一般与桁架形式的确定一般与、有关。焊接桁架的设有关。焊接桁架的设计应满足计应满足、和和的要求

32、。一般桁架的要求。一般桁架的刚度多由桁架的高跨比控制，桁架结构的承载的刚度多由桁架的高跨比控制，桁架结构的承载力主要靠各组成杆件的强度和稳定性以及节点的力主要靠各组成杆件的强度和稳定性以及节点的强度来保证，桁架的整体稳定性通过合理的布置强度来保证，桁架的整体稳定性通过合理的布置支撑体系或横向联系结构来取得。支撑体系或横向联系结构来取得。 桁架结构中桁架结构中比较简单，只需确比较简单，只需确定焊缝有效截面后，按照承受拉力和或压力计算定焊缝有效截面后，按照承受拉力和或压力计算公式，求出最大应力，满足许用应力的要求即可。公式，求出最大应力，满足许用应力的要求即可。39/2537.2.2 板壳结构及其

33、力学特征板壳结构及其力学特征a) 压力容器压力容器b) 飞机壳体飞机壳体c) 汽车起重机汽车起重机d) 门式起重机门式起重机40/253世界上最大的客机波音世界上最大的客机波音747 （416人）、空客人）、空客A380（840人）人）41/253波音波音747-400空客空客A380翼展翼展64.4米米79.8米米机长机长70.6米米73.0米米高高24.1米米最高载客量最高载客量416人人840人人最大商载最大商载65吨吨150吨吨起飞总重起飞总重362395吨吨最大航程最大航程13570公里公里货位体积货位体积1132立方米立方米空客空客A380比波音比波音747客机面积多出客机面积多出

34、40以上。以上。42/2531. 板壳结构分类及适用范围板壳结构分类及适用范围 板壳结构是由板材焊接而成的刚性立体板壳结构是由板材焊接而成的刚性立体结构，钢板的厚度远小于其它两个方向的尺结构，钢板的厚度远小于其它两个方向的尺寸，所以板壳结构又称寸，所以板壳结构又称薄壁结构薄壁结构。 （1）按照）按照分类，板分类，板壳结构又分为壳结构又分为和和，薄板结，薄板结构是中面为平面，薄壳结构是中面为曲面。构是中面为平面，薄壳结构是中面为曲面。43/253 （2）按照按照分类，板壳结构可分为分类，板壳结构可分为储气储气罐罐、储液罐储液罐、锅炉压力锅炉压力容器等要求密闭的容器，容器等要求密闭的容器，大直径高

35、压输油管道、输气管道等，冶炼用的大直径高压输油管道、输气管道等，冶炼用的高炉炉壳，交通运载工具的轮船船体、飞机舱高炉炉壳，交通运载工具的轮船船体、飞机舱体、客车车体等等。另外还有以钢板形式为主体、客车车体等等。另外还有以钢板形式为主要制造原材料的箱体结构也属于板壳结构，如要制造原材料的箱体结构也属于板壳结构，如汽车起重机箱形伸缩臂架、转台、车架、支腿，汽车起重机箱形伸缩臂架、转台、车架、支腿，挖掘机的动臂、斗杆、铲斗，门式起重机的主挖掘机的动臂、斗杆、铲斗，门式起重机的主梁、刚性支腿、挠性支腿等。梁、刚性支腿、挠性支腿等。44/253 （3）按照按照分类，板壳结构可分分类，板壳结构可分、等。等

36、。 （4）按照按照分类，板壳结构可分类，板壳结构可分分、和和等。等。45/2532. 板壳结构的基本形式板壳结构的基本形式 单壁结构只由一层钢板拼接而成，承受拉单壁结构只由一层钢板拼接而成，承受拉伸应力的能力较强，而承受压缩应力的能力较弱。伸应力的能力较强，而承受压缩应力的能力较弱。对于有密封要求的压力容器，为了避免较大应力对于有密封要求的压力容器，为了避免较大应力集中的作用，主体结构往往采用单壁结构，其连集中的作用，主体结构往往采用单壁结构，其连接处均采用对接接头。接处均采用对接接头。 为了提高板壳承受弯曲应力、扭曲应力和压为了提高板壳承受弯曲应力、扭曲应力和压缩应力的能力，提高结构刚度和稳

37、定性，往往在缩应力的能力，提高结构刚度和稳定性，往往在46/253结构钢板的内侧加装有肋板支撑，形成板架结构结构钢板的内侧加装有肋板支撑，形成板架结构（图（图7-6a），其骨架多为），其骨架多为T形截面梁（图形截面梁（图7-6b）。）。板架结构可以承受多种类型的复杂载荷。板架结构可以承受多种类型的复杂载荷。图图7-6 板壳结构的骨架形式板壳结构的骨架形式a) 板架结构板架结构 b) 骨架形式骨架形式a)b)47/253箱型板壳结构主要是以板材经过冷或热箱型板壳结构主要是以板材经过冷或热加工后形成截面为方形、长方形、圆形，具加工后形成截面为方形、长方形、圆形，具有纵向焊缝的结构形式，也可以采用型

38、材焊有纵向焊缝的结构形式，也可以采用型材焊接而成，其抗弯能力和稳定性较强。在较大接而成，其抗弯能力和稳定性较强。在较大尺寸和特殊情况下，内部也可以加焊肋板以尺寸和特殊情况下，内部也可以加焊肋板以进一步提高其抗弯能力。进一步提高其抗弯能力。48/2533. 板壳结构的力学特征板壳结构的力学特征 板壳结构具有优异的综合力学特征，板壳结构具有优异的综合力学特征，能够承受多方向的能够承受多方向的拉、压、弯、扭拉、压、弯、扭等形式等形式的静载、动载和疲劳载荷，具有较强的形的静载、动载和疲劳载荷，具有较强的形状稳定性和抗变形能力。板壳结构类型不状稳定性和抗变形能力。板壳结构类型不同，其力学特征也不尽相同。

39、同，其力学特征也不尽相同。49/253 主要以主要以为主，承受较大的内部为主，承受较大的内部压力。在壳体壁板上形成压力。在壳体壁板上形成的的多种应力，如：内部压力引起的多种应力，如：内部压力引起的、附加载荷引起的附加载荷引起的、几何形状不连续、几何形状不连续引起的引起的、温度差引起的、温度差引起的和焊接过程引起的和焊接过程引起的。这些拉伸应。这些拉伸应力有可能使得局部应力达到材料的屈服强度力有可能使得局部应力达到材料的屈服强度和断裂韧性指标，造成变形和断裂。和断裂韧性指标，造成变形和断裂。50/253 典型的板壳焊接结构形式，为了减轻自典型的板壳焊接结构形式，为了减轻自身的重量，往往采用薄板制

40、造。梁柱的截面形身的重量，往往采用薄板制造。梁柱的截面形状大多数为箱形、工字形、圆形、状大多数为箱形、工字形、圆形、T T形等。形等。 。梁横截面上存在。梁横截面上存在和和两种应力，两种应力，一般情况下，正应力是支配梁强度计算的主要一般情况下，正应力是支配梁强度计算的主要因素，只有在某些特殊情况下，才需进行切应因素，只有在某些特殊情况下，才需进行切应力强度校核。力强度校核。51/253 在横向弯矩应力的作用下，横截面上的在横向弯矩应力的作用下，横截面上的正应力由下列公式计算：正应力由下列公式计算：zIMy（7-1） 式中，式中，为横截面上任意点处的正应力；为横截面上任意点处的正应力；M为横截面

41、上的弯矩；为横截面上的弯矩；y为横截面上任一点的为横截面上任一点的纵坐标；纵坐标； 为横截面对水平中性轴为横截面对水平中性轴z的惯性矩。的惯性矩。zI52/253 由式由式(7-1)可知，横截面上的正应力沿截可知，横截面上的正应力沿截面高度方向呈线性分布，在中性轴处的正应面高度方向呈线性分布，在中性轴处的正应力为零，中性轴的上、下两侧截面分别受拉力为零，中性轴的上、下两侧截面分别受拉和受压，在上、下边缘处的正应力最大。和受压，在上、下边缘处的正应力最大。 这些这些一般都远小于薄板的拉伸一般都远小于薄板的拉伸强度，不会使板材产生拉伸屈服或断裂，而强度，不会使板材产生拉伸屈服或断裂，而有利的作用是

42、使薄板更加平整和美观。有利的作用是使薄板更加平整和美观。53/253 但但却会给薄板带来稳定性的问题，却会给薄板带来稳定性的问题，如果薄板构件所受轴向压应力小于临界失稳压如果薄板构件所受轴向压应力小于临界失稳压应力，即应力，即acr，则可以认为薄板构件不会发，则可以认为薄板构件不会发生生，反之则薄板结构将发生失稳。轻，反之则薄板结构将发生失稳。轻者引起板材变形，重者导致薄板结构的失效。者引起板材变形，重者导致薄板结构的失效。 主要承受主要承受和和，应力是两者产生的应力之和。细，应力是两者产生的应力之和。细长压杆的承载能力并不取决于轴向抗压强度，长压杆的承载能力并不取决于轴向抗压强度，而取决于受

43、压时是否能保持直线形态的平衡而取决于受压时是否能保持直线形态的平衡。54/253 若将外加压力考虑成与轴线重合的理想若将外加压力考虑成与轴线重合的理想长柱力学模型，则将长柱由直线稳定平衡转长柱力学模型，则将长柱由直线稳定平衡转化为不平衡时所受到的轴向压力的极限值称化为不平衡时所受到的轴向压力的极限值称为临界压力：为临界压力：22Ecr(7-2) 式中，式中，称为压杆的柔度或长细比，反称为压杆的柔度或长细比，反应杆端约束情况、压杆长度、截面形状和尺应杆端约束情况、压杆长度、截面形状和尺寸等因素对临界失稳压应力的综合影响。寸等因素对临界失稳压应力的综合影响。55/253 板材所具有的临界失稳压应力

44、为：板材所具有的临界失稳压应力为：2)(BKcr（7-3） 式中，式中，为板厚；为板厚；B为板宽；为板宽；K为与拘束情为与拘束情况有关的系数。况有关的系数。56/253 可见可见。设计薄板结构最重要的问题是要保证。设计薄板结构最重要的问题是要保证其局部稳定性，其局部稳定性，：57/2537.2.3 实体结构及其力学特征实体结构及其力学特征a) 减速器箱体减速器箱体b) 水轮机转轮水轮机转轮c) 齿轮齿轮d) 机车用柴油机机身机车用柴油机机身58/2531. 实体结构分类及适用范围实体结构分类及适用范围 又称为实腹式结构，其截面部分是连续的，一又称为实腹式结构，其截面部分是连续的，一般由轧制型钢

45、制成，常采用角钢、工字钢、般由轧制型钢制成，常采用角钢、工字钢、T形钢、形钢、圆钢管、方形钢管等。圆钢管、方形钢管等。构件受力较大时，可用轧制型构件受力较大时，可用轧制型钢或钢板焊接成工字形、圆管形、箱形等组合截面。钢或钢板焊接成工字形、圆管形、箱形等组合截面。 。在焊接结构产。在焊接结构产品中，实体结构主要应用于各种机器的机身和旋转构品中，实体结构主要应用于各种机器的机身和旋转构件，如机床机身、锻压机械梁柱、减速器箱体、柴油件，如机床机身、锻压机械梁柱、减速器箱体、柴油机机身、齿轮、滑轮、皮带轮、飞轮、鼓筒、发电机机机身、齿轮、滑轮、皮带轮、飞轮、鼓筒、发电机转子支架、汽轮机转子和水轮机工作

46、轮等。转子支架、汽轮机转子和水轮机工作轮等。 59/2532. 实体结构的基本形式实体结构的基本形式 实体结构的主体形式是实体结构的主体形式是，其断面形，其断面形状为规则或不规则的三边形、四边形或多边形，状为规则或不规则的三边形、四边形或多边形，也具有圆形结构。也具有圆形结构。 是是，其结构是由与主轴垂直和平行的许多钢板焊接而其结构是由与主轴垂直和平行的许多钢板焊接而成。与主轴平行的板状元件有水平板、中侧板、成。与主轴平行的板状元件有水平板、中侧板、支承板、内侧板和外侧板，这些纵向的钢板贯穿支承板、内侧板和外侧板，这些纵向的钢板贯穿整个机身长度，内侧板、中侧板和外侧板上端和整个机身长度，内侧板

47、、中侧板和外侧板上端和顶板焊在一起，下端和主轴承座焊在一起。与主顶板焊在一起，下端和主轴承座焊在一起。与主60/253 机车用柴油机机身机车用柴油机机身61/253轴垂直的钢板下端与主轴承座焊在一起，上端与轴垂直的钢板下端与主轴承座焊在一起，上端与左右顶板焊在一起。这些纵横交错的板材形成了左右顶板焊在一起。这些纵横交错的板材形成了大小不一、形状各异的箱格结构。大小不一、形状各异的箱格结构。 实体结构焊接接头形状多样，常有实体结构焊接接头形状多样，常有和和，采用，采用。实体结构壁厚变。实体结构壁厚变化较大，不同厚度板材的对接接头，在厚板上采化较大，不同厚度板材的对接接头，在厚板上采取平缓过渡措施

48、。由于实体结构中各部位的力学取平缓过渡措施。由于实体结构中各部位的力学性能要求不一样，常常采用铸造或锻造部件，因性能要求不一样，常常采用铸造或锻造部件，因此此。62/2533. 实体结构的力学特征实体结构的力学特征 实体结构多为机器部件，受力复杂。由实体结构多为机器部件，受力复杂。由于承受负载重量、运动部件之间的作用力和于承受负载重量、运动部件之间的作用力和运动时产生的惯性力，尤其部件之间的作用运动时产生的惯性力，尤其部件之间的作用力往往是高周或低周循环的交变载荷，因此力往往是高周或低周循环的交变载荷，因此实体结构要具有实体结构要具有和和。实体结构也必须有实体结构也必须有，以保证机器，以保证机

49、器运行时，在承受各种作用力的情况下不致发运行时，在承受各种作用力的情况下不致发生不可接受的变形。生不可接受的变形。63/253 实体结构中的焊缝数量较多，且分布集中，不实体结构中的焊缝数量较多，且分布集中，不可避免存有严重的可避免存有严重的，这对结构尺寸的，这对结构尺寸的稳定性有较大的影响，尤其是切削机床的机身要求稳定性有较大的影响，尤其是切削机床的机身要求尺寸稳定性更高，所以这类焊接机身必须在尺寸稳定性更高，所以这类焊接机身必须在。 实体结构的板材或型材厚度比较大，对实体结构的板材或型材厚度比较大，对，一般采用韧性比较高的低碳钢和，一般采用韧性比较高的低碳钢和低合金高强钢材料。采用对接接头和

50、全焊透的低合金高强钢材料。采用对接接头和全焊透的T形形接头，承受各种拉、压、剪切、弯矩力的作用。接头，承受各种拉、压、剪切、弯矩力的作用。 。64/253 当金属结构采用焊接方法制造时，必须做该当金属结构采用焊接方法制造时，必须做该产品的焊接设计。产品的焊接设计。包括包括、等，每一设计等，每一设计都有其详细的具体内容。都有其详细的具体内容。 焊接结构设计是焊接产品设计的中心内容，焊接结构设计是焊接产品设计的中心内容，是在全面考虑了焊接接头静载力学性能、焊接变是在全面考虑了焊接接头静载力学性能、焊接变形与应力、焊接结构断裂性能、疲劳性能、应力形与应力、焊接结构断裂性能、疲劳性能、应力腐蚀破坏、高

51、温性能和焊接结构力学特征等特点腐蚀破坏、高温性能和焊接结构力学特征等特点的基础上进行的。的基础上进行的。65/2537.3.1 焊接结构的设计方法焊接结构的设计方法1. 焊接结构设计的基本特点焊接结构设计的基本特点 只要只要具有足够操作空间的金属结构，都可以采用焊具有足够操作空间的金属结构，都可以采用焊接结构。接结构。 任何任何大型的金属结构，只要在起重和运输条件允许大型的金属结构，只要在起重和运输条件允许的尺寸范围，就可以把它划分成若干部件分别的尺寸范围，就可以把它划分成若干部件分别制造，然后吊运到现场组装焊接成整体。制造，然后吊运到现场组装焊接成整体。66/253 被焊接被焊接的两构件的材

52、料厚度，可厚可薄，厚与薄相的两构件的材料厚度，可厚可薄，厚与薄相差很大的两构件也能互相焊接。差很大的两构件也能互相焊接。 在在同一个结构上，可以按实际需要在不同部位同一个结构上，可以按实际需要在不同部位配置不同性能的金属材料，做到物尽其用，配置不同性能的金属材料，做到物尽其用，如复合齿轮等。如复合齿轮等。67/253 这些轧制型材可以是标准的，也可这些轧制型材可以是标准的，也可以按需要设计成专用的，这样的结构重量轻、以按需要设计成专用的，这样的结构重量轻、焊缝少。焊缝少。 如设如设计成铸计成铸-焊结构、锻焊结构、锻-焊结构、栓焊结构、栓-焊结构、冲焊结构、冲压压-焊接结构等。焊接结构等。68/

53、2532. 焊接结构设计的基本要求焊接结构设计的基本要求 所设计的焊接结构应当满足下列基本要求：所设计的焊接结构应当满足下列基本要求： 焊接结构必须达到产品所要焊接结构必须达到产品所要求的使用功能和预期效果。求的使用功能和预期效果。 焊接结构在使用期内必须安焊接结构在使用期内必须安全可靠全可靠, 受力必须合理，能满足静载强度、疲受力必须合理，能满足静载强度、疲劳强度、韧性、刚度、稳定性、抗振性和耐蚀劳强度、韧性、刚度、稳定性、抗振性和耐蚀性等各方面的要求。性等各方面的要求。69/253金属材料应具有良好的焊接金属材料应具有良好的焊接性能，焊接结构必须能够方便的进行焊接操性能，焊接结构必须能够方

54、便的进行焊接操作，能够进行焊前预加工和必要的焊后处理，作，能够进行焊前预加工和必要的焊后处理，也具有焊接与检验操作的可达性。此外，焊也具有焊接与检验操作的可达性。此外，焊接结构设计也应考虑机械化和自动化焊接的接结构设计也应考虑机械化和自动化焊接的要求。要求。制造焊接结构时，所消耗的制造焊接结构时，所消耗的原材料、能源和工时应最少，其综合成本尽原材料、能源和工时应最少，其综合成本尽可能低。可能低。70/253 对一个具体焊接产品来说，这些基对一个具体焊接产品来说，这些基本要求必须统筹兼顾，它们之间的关系本要求必须统筹兼顾，它们之间的关系是：是：，。 此外，在可能的条件下此外，在可能的条件下。 7

55、1/2533. 焊接结构设计的基本方法焊接结构设计的基本方法 对于大型复杂的焊接结构设计，一般分为对于大型复杂的焊接结构设计，一般分为、和和三个工作阶段。其中最重三个工作阶段。其中最重要的确定焊接结构形状和尺寸的任务是在技术设计阶要的确定焊接结构形状和尺寸的任务是在技术设计阶段完成。段完成。，设计方法有，设计方法有和和，焊接结构设计目前大量采用的仍，焊接结构设计目前大量采用的仍然是传统设计方法，如许用应力设计法；大型或重要然是传统设计方法，如许用应力设计法；大型或重要的焊接结构设计，逐渐采用现代设计方法中的可靠性的焊接结构设计，逐渐采用现代设计方法中的可靠性设计法；随着计算机和有限元方法的发展

56、，对于焊接设计法；随着计算机和有限元方法的发展，对于焊接结构局部细节，已经开始采用有限元数值模拟辅助设结构局部细节，已经开始采用有限元数值模拟辅助设计方法。计方法。 72/253 许用应力设计方法又称安全系数设计法或许用应力设计方法又称安全系数设计法或常规定值设计法，是以满足工作能力为基本要常规定值设计法，是以满足工作能力为基本要求的一种设计方法。对于一般用途的构件，设求的一种设计方法。对于一般用途的构件，设计时需要满足的强度条件或刚度条件分别为：计时需要满足的强度条件或刚度条件分别为： 73/253 许用应力、许用变形和许用安全系数许用应力、许用变形和许用安全系数一般由国家工程主管部门根据安

57、全和经济的一般由国家工程主管部门根据安全和经济的原则，按照材料的强度、载荷、环境情况、原则，按照材料的强度、载荷、环境情况、加工质量、计算精确度和构件的重要性等予加工质量、计算精确度和构件的重要性等予以确定。以确定。 在我国，锅炉、压力容器、起重机、在我国，锅炉、压力容器、起重机、铁路车辆、桥梁等行业都在各自的设计规范铁路车辆、桥梁等行业都在各自的设计规范中确定了各种材料的许用应力、许用变形和中确定了各种材料的许用应力、许用变形和许用安全系数。许用安全系数。 74/253 在机械工程中可靠性设计是保证机械及零部在机械工程中可靠性设计是保证机械及零部件满足给定可靠性指标的一种机械设计方法。件满足

58、给定可靠性指标的一种机械设计方法。 与上述许用应力设计法不同，与上述许用应力设计法不同，。因而其设计结果更符合实际，。因而其设计结果更符合实际，做到既安全可靠而又经济。对于重要的机械或要做到既安全可靠而又经济。对于重要的机械或要求质量小、可靠性高的构件都应采用这种设计法。求质量小、可靠性高的构件都应采用这种设计法。 75/253 可靠性设计是一门新兴学科，目前正处在积可靠性设计是一门新兴学科，目前正处在积极发展和完善阶段，设计所需的呈分布状态的各极发展和完善阶段，设计所需的呈分布状态的各种数据，有些还须试验、采集和积累。种数据，有些还须试验、采集和积累。 在我国，按照在我国，按照GB50017

59、2003规定，工业与民用房屋和一般构筑物的钢规定，工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计，除疲劳强度计算外，应采用以概率理结构设计，除疲劳强度计算外，应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，这是为了保证所论为基础的极限状态设计方法，这是为了保证所设计的构件能满足预期可靠度要求，必须使载荷设计的构件能满足预期可靠度要求，必须使载荷引起在构件截面或连接中的应力效应小于或等于引起在构件截面或连接中的应力效应小于或等于其强度设计值。其强度设计值。 76/253 上述两种方法都属于数学中的解析方法，适上述两种方法都属于数学中的解析方法，适用于焊接结构的整体形状和尺寸的设计。对于焊接用于焊接结构的整体形

60、状和尺寸的设计。对于焊接结构的局部细节来说，计算起来繁琐而又不准确。结构的局部细节来说，计算起来繁琐而又不准确。 近年来，有限元数值模拟方法在焊接结构设计近年来，有限元数值模拟方法在焊接结构设计中的应用得到快速发展，逐渐形成了独具特色的有中的应用得到快速发展，逐渐形成了独具特色的有限元数值模拟辅助设计法。与许用应力设计法或可限元数值模拟辅助设计法。与许用应力设计法或可靠性设计方法共同使用，弥补了这两种方法的细节靠性设计方法共同使用，弥补了这两种方法的细节问题处理的不足，使得焊接结构更加安全可靠。问题处理的不足，使得焊接结构更加安全可靠。77/253 采用有限元数值模拟辅助设计方法来分析采用有限