第三章 连接-焊缝

第三章连接§3-1概述钢结构是由若干构件组合而成的。连接的作用就是通过一定的方式将板材或型钢组合成构件，或将若干个构件组合成整体结构，以保证其共同工作。因此，连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。钢结构的连接必须符合安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。连接接头应有足够的强度，要有适宜于施行连接的足够空间。一、连接种类1.钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。eq\o\ac(○,1)焊接连接：是钢结构最主要的连接方法。焊接连接又可分为对接焊缝和角焊缝。eq\o\ac(○,2)螺栓连接：可分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。eq\o\ac(○,3)铆钉连接：由于其构造复杂、费钢费工且为热作业，现已很少使用。2.根据连接板的相对位置可分为对接、搭接和盖板拼接。二、焊接连接与螺栓连接的特点1.焊接连接优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦萌生，就很容易扩展到整个构件截面，低温冷脆问题突出。2.螺栓连接（1）普通螺栓连接普通螺栓分为A、B、C三级。A级与B级为精制螺栓，螺栓表面光滑，尺寸准确，比大0.3~0.5㎜，对成孔质量要求高。由于精度较高，因而受剪性能较C级螺栓好。但由于制作和安装复杂，价格较高，已很少使用。C级为粗制螺栓，由未经加工的圆钢压制而成，表面粗糙，比大1.5～3㎜。由于栓杆与栓孔间的间隙较大，受剪力作用时，变形较大，工作性能差。但安装方便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。（2）高强度螺栓连接高强度螺栓连接分为摩擦型连接和承压型连接。摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工较简单，可拆卸，耐疲劳，特别适用于承受动力荷载的结构。承压型高强度螺栓的承载力高于摩擦型，但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结构中。三、焊接相关知识简介1.焊接方法手工电弧焊、气体保护焊、单丝埋弧自动焊、双丝埋弧自动焊、熔嘴电渣焊、栓钉焊等。（1）手工电弧焊是最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧，所用焊条应与焊件钢材相适应（Q235选用E43型，Q345选用E50型，Q390、Q420选用E55型，）。其设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量随机性大。（2）埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。由于采用了自动或半自动操作，焊接是的工艺条件稳定，焊缝化学成分均匀，质量好，但对焊缝边缘的装配精度要求较高。（3）二氧化碳气体保护焊是利用二氧化碳气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。（4）熔嘴电渣焊是先打盲孔，然后利用通电焊条底融，从而形成焊缝。（5）栓钉焊一般用于钢梁与压型钢板之间的焊接。2.焊缝位置焊缝位置可分为平焊（俯焊）、横焊、立焊和仰焊。3.焊接缺陷焊接缺陷指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。（1）气孔由于焊接过程中的水产生的氢气和氧气而形成的。当气孔为孤立时，对静载的影响不大；当气孔为链状时，相当于裂缝，对静载的影响较大。因此，在焊接时，应对焊条进行烘干、保温。（2）夹渣主要由焊条的药皮引起，焊接完需清渣。（3）咬肉焊缝与热影响区的交界处形成的弧坑，对疲劳强度的影响较大。（4）未焊透避免根部未焊透的措施：①焊件离开一段距离；②采用垫板实焊。垫板的强度越低，越易焊透（易融合）且应低于母材的强度。（5）裂纹是焊接中最危险的缺陷。产生微裂缝的原因有很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件选择不合适等。4.焊缝的质量焊缝的质量等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级。Ⅰ、外观检查＋100％的超声波探测；Ⅱ、外观检测外，配以20％超声波探伤；Ⅲ、外观检查（表面成型、焊缝尺寸、剖口、剖角）。5.表示方法图3-1焊缝符号§3-2对接焊缝的构造与计算一、构造1、剖口要求⑴板厚t≤10㎜时，不开剖口，直边对接焊；⑵板厚10㎜＜t≤20㎜时，开V型或型剖口；⑶板厚t＞20㎜时，开U型、K型或X剖口。2、拼接要求在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4㎜以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。3、引、灭弧板及垫板在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时宜设置引弧板，焊后将它割除。当无法采用引、灭弧板时，计算每道焊缝长度时应减去2t（t为焊件的较小厚度）。垫板设在对接焊缝下部，防止焊缝金属熔融物流淌，还可保证焊透。※对接焊缝的余高C，计算时不予以考虑，作强度储备。4、对接焊的优点：可实现等强连接；缺点：对剖口的要求较高，对加工制造要求较高。二、对接焊缝的计算类型一：轴心受拉（压）力作用其中：N—轴力（N）；—焊缝的计算长度，当有引、灭弧板时，取=Ｂ（板宽）；当没有引灭弧板，取=Ｂ-2t；t—焊缝厚度，计算时取min{}；—当N为拉力时，焊缝的抗拉强度设计值；—当N为压力时，焊缝的抗压强度设计值；※焊缝在压应力的作用下，也可能破坏。类型二：V作用或其中：——对接焊缝有效截面的惯性矩；——中和轴以上焊缝有效截面的面积矩；——对接焊缝的抗剪强度设计值；类型三：M作用其中：——焊缝有效截面的抵抗矩；如矩形截面=类型四：N、V、M共同作用⑴受拉侧：⑵中和轴：⑶中和轴：类型五：（工字形截面梁）受N、V、M作用⑴受拉侧：⑵中和轴：（其中指中和轴处的厚度，即腹板的厚度）⑶翼缘和腹板相交处：※※※：翼缘与腹板相交处的应力为：；类型六：斜对接焊缝的计算∵N⊥=N·sinθN∥=N·cosθ∴σ=·sinθ；τ=·cosθ从而可得：tgθ=1.5；因而，当tgθ1.5时斜焊缝与母材等强。三、钢结构连接计算题的一般步骤(1)力向焊缝(螺栓群)形心简化，得到N、V、M（形心力）；(2)求焊缝有效截面的几何参数（后用再补）如、、、等；(3)分析形心力作用下焊缝(螺栓)中的内力分布，找出危险点(螺栓)；(4)验算危险点的内力；(5)结论。§3-3角焊缝的构造与计算一、构造1.角焊缝的分类按焊缝与力的作用线的夹角分为：正面焊缝、侧面焊缝和斜焊缝；按角焊缝的断面形式可分为：直角角焊缝和斜角角焊缝；直角角焊缝又有：普通型、平坦型和凹面型。图3-2直角角焊缝截面其中普通型最为常见，使用范围最广；凹面型的受力性能最好，但制造加工需要的水平较高，因而使用较少。斜角角焊缝与直角角焊缝相似，如下图所示：图3-3斜角角焊缝截面2.角焊缝的破坏形式可以分为三种：如下图所示截面1所示为：焊缝与母材脱离（焊缝质量差所致）；截面2所示为：焊缝被剪力剪断（焊缝质量差所致）；截面3所示为：沿焊缝缝45°截面破坏坏，是最为为常见的一一种破坏形形式。注：截面1和截截面2破坏多为为焊缝质量量差所导致致的。3.角焊缝的的计算截面面注：C为焊缝的的余高，在在计算时不不考虑为焊缝的有效高高度，；为角焊缝的焊角角尺寸。4.角焊缝的的尺寸规定定（1）角焊缝的焊脚脚尺寸eq\o\aac(○,1)最大焊角角尺寸为了避免焊缝区区的基本金金属过烧，减减少焊件的的焊接残余余应力和残残余变形，除除钢管结构构外，角焊焊缝的焊脚脚尺寸不宜宜大于较薄薄焊件厚度度的1.2倍。如图3－4所示。对板件边缘的角角焊缝，当当板件厚度度时，根据据焊工的施施焊经验，不易焊满全厚度，故取；当时，通常采用小焊条施焊，易焊满全厚度，则取。如果另一焊件厚度时，还应满足的要求。图3-4最大大焊脚尺寸寸eq\o\ac(○,2)最小焊焊脚尺寸角焊缝缝的焊脚尺尺寸也不能能过小，否否则焊缝因因输入能量量过小，而而焊缝厚度度较大，以以致施焊时时冷却速度度过快，产产生淬硬组组织，导致致母材开裂裂。规范规规定：角焊焊缝的焊脚脚尺寸hf不得小于1.5，t为较厚焊焊件厚度（单单位为mmm）。计算算时，焊脚脚尺寸取mmm的整数数，小数点点以后都进进为1。自动焊焊熔深度较较大，故所所取最小焊焊脚尺寸可可减少1mmm；对T形连接的的单面角焊焊缝，应增增加1mm；当焊焊件厚度小小于或等于于4mm时，则则取与焊件件厚度相同同。（2）角焊缝的计算算长度（对对每条焊缝缝取实际长长度减去2hf）其中:不小小于或40mm；在静载作作用下，不不大于60，在动动载荷作用用下，不大大于40。※焊缝长，传传力、耐久久性等并不不一定好。二、角焊缝的计计算1.受力分析析：图3-5直角角角焊缝的的计算简图图由可得，可得从而其中为抗拉强度度极限，因此∵∴则有注：——外力⊥⊥焊缝的应应力；——外力∥焊缝的应应力；———角焊缝的的强度设计计值；———正面角焊焊缝的强度度增大系数数。2.计算类型型类型一：正面面角焊缝其中：N——轴轴力（N）；——角焊缝的强度增增大系数；；——角焊缝的焊脚尺尺寸（㎜）；；——角焊缝的计算长长度（㎜），=b－2；——角焊缝的强度设设计值（N/㎜2）。类型二：侧面面角焊缝其中：N——剪剪力（N）；——角焊缝的强度增增大系数；；——角焊缝的焊脚尺尺寸（㎜）；；——角焊缝的计算长长度（㎜），=b－2；——角焊缝的强度设设计值（N/㎜2）。类型三：三面围围焊对于正面焊缝：：对于侧面焊缝：：类型四：角钢拼拼接节点（1）三面围焊假定：正面焊缝缝充分发挥挥其强度。①②-；-③验算焊缝缝1、2；其中的取值如下下图所示：：图3-6角钢钢的内力分分配系数（2）两面侧焊※计算时，可令三三面围焊中中的。轴力Ｎ分配给焊焊缝1，2：；；※设计角焊缝时，焊焊缝的实际际长度：+2。（3）倒“L”形焊缝※这时，焊缝3不不能充分发发挥其强度度。计算时，可令三三面围焊中中的则；类型五：N、VV、M共同作用用eq\o\ac(○,1)力的简简化由力T; N=Ｆx；V=Ｆy；M=100Fxx－100FFy；eq\o\ac(○,2)画出焊焊缝的有效效截面，并并求其几何参数：AWW；W。AW＝2×7×1800W=eq\o\ac(○,3)验算其中：※（在直接承受动力力荷载的结结构中的角角焊缝，取取；其它情情况取）。※剪应力的分布，在在对接焊缝缝中为抛物物线型，在在角焊缝中中为均匀分分布。类型六：V、T共同作用用eq\o\ac(○,1)焊缝有有效截面简简图及截面面几何参数数确定有效截面的的形心O的位置，计计算惯性矩矩，有效截截面面积AW。eq\o\ac(○,2)力的简简化F向形心可以简化化为V、T三个参数数，T的应力又又可分解为为如上图所所示。eq\o\ac(○,3)验算：：找危险点A（离离形心越远远，T的作用效效应越大）;其中：∵；∴=+注：①指所有焊缝之和和；②有效截面形心位位置，由计计算确定；；③危险点的坐标，取取有效截面面最边缘一一点为A。§3-4焊焊接残余应应力及焊接接残余变形形一、定义1、焊接残余应力力——由于焊接接过程中不不均匀的加加热、冷却却，在构件件中所产生生的一种自自平衡的应应力状态。2、焊接残余变形形——由焊接残残余应力导导致的变形形。二、分类焊接应力有沿焊焊缝长度方方向的纵向向焊接应力力，垂直于于焊缝长度度方向的横横向焊接应应力和沿厚厚度方向的的焊接应力力。三、分布状态规律：应力分布布与焊接顺顺序有一定定关系“先焊产生生压应力，后后焊产生拉拉应力”。四、测定方法有盲孔法、光弹弹法五、残余应力的的影响对结构静力强度度无影响（焊焊接应力自自相平衡）；；刚度降低（增大大了结构的的变形）；；稳定性降低（残残余拉应力力对稳定有有利，残余余压应力对对稳定不利利）；其他：增加低温温冷脆倾向向；对结构构的疲劳强强度有明显显不利影响响。六、减小方法1、设计方面（1）焊接位置的安安排要合理理只要结构构上允许，应应尽可能使使焊缝对称称于构件截截面的中性性轴，以减减小焊接变变形。（2）焊缝尺寸要恰恰当在保证安安全的前提提下，不得得随意加大大焊缝厚度度。焊缝尺尺寸过大容容易引起过过大的焊接接应力。（3）焊缝的数量宜宜少，不宜宜过分集中中当几块钢钢板交汇一一处进行连连接时要采采取一定措措施，不能能直接焊在在一处，由由于热量高高度集中，会会引起过大大的焊接变变形。（4）应尽量避免两两条或三条条焊缝垂直直交叉比如梁腹腹板加劲肋肋与腹板及及翼缘的连连接焊缝，就就应中断，以以保证主要要焊缝（腹腹板与翼