工学金属结构的连接

2023/9/2物流工程学院WHUT1

金属结构是由型材、铸锻件间用一定的连接方式组成的能承载的工程结构，常见的连接方式有以下几种。2023/9/2物流工程学院WHUT2§3—1连接方法及特点一、方法：

焊接：（广泛应用）螺栓连接：（用于常装拆的结构）分为：普通螺栓和高强度螺栓铆钉连接：（国外仅用于特重型桥吊主梁）胶合连接：（国内未采用）销轴连接：（用于两构件间的连接）2023/9/2物流工程学院WHUT3二、特点：

焊接：制造简便，省工省料，不削弱构件截面易于自动化操作；但易产生残余应力和变形、焊接缺陷，质量不易检查。螺栓连接：易装拆，质量易检查，塑性、韧性

好，但费工费料，削易构件截面，动载作用下易松动；高强度螺栓除具有普通螺栓优点以外，还具有传力均匀，2023/9/2物流工程学院WHUT4

应力集中小，疲劳强度高等优点，但螺栓制造和连接表面要求较高。铆接：承动载能力强，低温下工作较可靠，但不能拆。2023/9/2物流工程学院WHUT5§3—2连接的材料一、焊接（与焊接方法有关），焊接方法达

35种之多。1.金属结构（起重机）常用的方法：

气焊：氧炔焊（氧，乙炔）用于焊薄板，切割金属；热源为气2023/9/2物流工程学院WHUT6电弧焊：应用最多热源：电弧①手工电弧焊；②埋弧自动（半自动）焊；③气体保护焊电渣焊：热源：电流通过燃渣产生电阻热，常用于焊厚板或大截面构件。2023/9/2物流工程学院WHUT72.焊接材料：（电弧焊）

1）手工电弧焊——焊条（按等强度原则选）焊Q235，常用E43型（老T42型）

E4303（一般）

注：“43”为抗拉强度“0”为位置“03”为药皮及电流（T422）

E4315E4316应用于重要结构或重级工作制（T427）（T426）2023/9/2物流工程学院WHUT8焊16Mn,常用E50型（T50型）

E5003（T502）

E5015（T507）

E5016（T506）焊Q235与16Mn的混合连接：

E43型（一般）.E50型（贴角焊，受力较大的焊缝）2023/9/2物流工程学院WHUT92）埋弧自动（半自动）焊：焊丝+焊剂焊Q235：H08，H08A，H08Mn+高硅型焊剂焊16Mn:H08MnA,H10Mn2+低锰型或无锰型焊剂

3）气体保护焊：焊丝+气体（CO2，氩气等）2023/9/2物流工程学院WHUT10二、螺栓分为：①普通螺栓—Q235-A,Q235-B,35；②高强度螺栓—螺栓：

d≤24mm.45,40B,20MnTiBd＞24mm.20MnTiB,35VB

螺母：45，15MnVB

垫圈：45(平垫圈)2023/9/2物流工程学院WHUT11§3—3.焊接接头型式与焊缝型式对接接头对接焊缝

2023/9/2物流工程学院WHUT12

搭接接头贴角焊缝

塞焊缝（角）槽形焊缝（角）2023/9/2物流工程学院WHUT13T字接头开剖口焊缝角接接头开剖口焊缝

2023/9/2物流工程学院WHUT14§3—4.焊缝的静强度计算一、对接焊缝的静强度计算.1.承受轴力的对接焊缝：

2023/9/2物流工程学院WHUT15

σh=N/Af=N/lf·δ≤〔σh〕

式中：lf—焊缝计算长度：有引弧板时lf=b

无引弧板时lf=b-5×2mm〔σh〕—焊缝许用应力，查表3-1（P67）2023/9/2物流工程学院WHUT16

2.承受剪力的对接焊缝（纯剪）

τ=Q/Af=Q/lf·d≤〔τh〕

式中：lf、δ同前，〔τh〕查表3—12023/9/2物流工程学院WHUT173.N、Q、M共同作用下的对接焊缝例1：2023/9/2物流工程学院WHUT18危险点：A、B.A：σh=N/Af+M/Wf≤〔σh〕B:τh=QSf/If·δ≤〔τh〕Sf—计算点到截面边缘部分的截面面积对中性轴（通过截面型心的轴）的静矩2023/9/2物流工程学院WHUT19例2：2023/9/2物流工程学院WHUT20危险点：A，B.A：

B:2023/9/2物流工程学院WHUT21二、贴角焊缝的静强度计算1）侧焊缝2023/9/2物流工程学院WHUT22（1）应力分布规律：不均匀（曲线），两头大中间小（2）破坏形式：剪切破坏，破坏面为最小剪切面（45度工作面）2023/9/2物流工程学院WHUT232）端焊缝2023/9/2物流工程学院WHUT24

（1）应力分布规律：复杂，应力集中在根部（a点）；（2）破坏形式：多样。3)围焊缝（三面围焊）：塑性低于侧焊，静强度和侧焊相当，疲劳强度高于侧焊，由于贴角焊缝差别较大，受力复杂精确计算十分困难，以往多数国家采用以实验结果为主要依据的计划设计算法。2023/9/2物流工程学院WHUT252.贴角焊缝发计算假定：

除忽略焊接残余应力及焊缝的增高影响外，做如下几点假定：

1）不分侧缝和端缝

2）以焊接的最小截面—45斜面作为计算截面

3）不论连接受拉、压、剪、弯、把计算应力均视为剪应力。2023/9/2物流工程学院WHUT263.贴角焊缝的静强度计算

1）连接受轴向力的搭接接头例1.2023/9/2物流工程学院WHUT27

τN=N/Af=N/(∑lf·δf)≤〔τh〕δf=焊缝计算厚度.δf=0.7hf∑lf—焊缝计算长度之和.

2023/9/2物流工程学院WHUT28例2.

τN=N/Af=N/(∑lf·δf)≤〔τh〕其中δf为周长

∑lf—连接一边焊缝的计算长度之和，按下面规则取值2023/9/2物流工程学院WHUT292023/9/2物流工程学院WHUT30注：焊缝计算长度的规定：（1）各条侧缝或端缝的最小计算长度取为

8hf且不小于40mm（由构造保证）.

（2）侧焊缝的最大计算长度受静载：每条侧缝取lf≤60hf

受动载：每条侧缝取lf≤40hf

（超出部分不考虑）2023/9/2物流工程学院WHUT312）受弯矩M的T字接头2023/9/2物流工程学院WHUT32危险点：AIfx——对轴x求惯性矩，称为轴惯性矩法。

2023/9/2物流工程学院WHUT333）承受M的搭接接头2023/9/2物流工程学院WHUT34计算假设：（1）构件为绝对刚性，焊缝为弹性；（2）在M作用下，构件焊缝计算截面型心作相对转动

由上面假设有：在一点处，τi大小于其到O的距离成正比，方向垂直于连线当点距O为单位长度r=1时，焊缝计算应力为：τ1

当点距O为单位长度r=i时，焊缝计算应力为：τi

τ1/r1=τi/ri

r1=1

τi=τ1·r

i2023/9/2物流工程学院WHUT35

IP（极惯矩）

所以：τ1=M/IP

任一点处：τi=τi·ri=ri·M/IP

τmax=rmax·M/IP

离型心最远的焊缝所受的剪应力.

强度计算式：τmax=rmax·M/IP≤〔τh〕极惯性矩法2023/9/2物流工程学院WHUT36τmax=rmax·M/(Ix+Iy)≤〔τh〕轴惯性矩法（常用）2023/9/2物流工程学院WHUT374）复杂焊缝的强度计算（1）承受N、Q、M的工字形截面接头的贴角的焊缝2023/9/2物流工程学院WHUT38①将外力P、N向焊缝截面简化得：Q=P，M=P·e,N.②计算焊缝截面几何特性参数：Af,A′f,If,WfA,WfB③危险点：A，B强度计算A:B:2023/9/2物流工程学院WHUT39式中：Af—焊缝总面积.

Af—腹板焊缝部分的面积.

,WfA,WfB—分别为A，

B点的抗弯截面模量2023/9/2物流工程学院WHUT40（2）承受N，Q，M的搭接接头2023/9/2物流工程学院WHUT41①将外力向形心转化得：N，Q=P，M=P·e

假设：在N，Q作用下，应力由全部焊缝均担任一点处：τN=N/Af(→)τQ=Q/Af(↓)

在M作用下，离O点最远的点为A，B点.危险点：A（见右上图分析）

sinα=ymax/rA

cosα=xmax/rA

2023/9/2物流工程学院WHUT42

强度条件：其中：τMA=rA·M/IP=rA·M/Ix+Iy

2023/9/2物流工程学院WHUT43§3—5设计焊接结构的注意事项根据资料统计，疲劳失效占金属结构失效形式的（80—90）%，尤其对经常满载，频繁工作，承受变载，动载的港口装卸用的起重机，疲劳破坏往往从焊接接头处开始产生.一、合理选材：塑、韧性好——抗裂性好，慎用高强度钢材。板厚一般δmin≥4mmδmax≤40mmQ235δmax≤30mm16Mn2023/9/2物流工程学院WHUT44二、构造设计：合理布置焊缝，注意细节处理.1.焊缝不宜太集中2023/9/2物流工程学院WHUT452.避免焊缝主体交叉（使主焊缝连续，次焊缝断开）3.避免焊缝布置在易产生应力集中处2023/9/2物流工程学院WHUT464.不同厚（宽）的钢板对焊接时，应使力流平滑过渡.2023/9/2物流工程学院WHUT47

（满足表3—2的不等厚板对接厚度差时，可不开斜口）对接：δ＞6mm(手工焊)δ＞8mm（自动焊）应开剖口，剖口形式详见机械设计手册或国家标准5.不允许采用单面搭接端焊缝2023/9/2物流工程学院WHUT486.焊缝布置应便于施工（详见P75）

7.焊缝高度（贴角焊缝hmin,hmax）,应满足构造要求（P70）2023/9/2物流工程学院WHUT498.焊缝重心线应尽量与构件重心线重合焊缝的分配比例见P71，表3—42023/9/2物流工程学院WHUT509.承静载时，宜优先采用二面侧焊承动载时，宜优先采用三面侧焊桁架节点2023/9/2物流工程学院WHUT51§3—6普通螺栓连接一、分类：

普通螺栓：①粗制—Ⅱ类孔，Φ孔-d栓=1～2mm，用于主要受拉的连接2023/9/2物流工程学院WHUT52②精制—Ⅰ类孔，Φ孔-d栓=0.2～0.3mm,（铰孔）用于同时承拉，剪，或受剪连接.

（钻模、钻、冲孔、扩钻、铰孔）2023/9/2物流工程学院WHUT53二、连接形式：①剪力螺栓连接②拉力螺栓连接③拉剪力螺栓连接三、螺栓布置的极限尺寸要求（P79，表3—5）布置方式及要求：①并列②错列见P28图3—492023/9/2物流工程学院WHUT54§3—7剪力螺栓连接计算2023/9/2物流工程学院WHUT55一、受轴心力作用下的受剪螺栓连接

破坏形式：栓杆剪断，孔壁或杆身压坏，板端剪裂，板端拉裂，板拉断常见破坏形式：栓杆剪断，孔壁挤坏，板拉断。计算内容：螺栓、构件计算方法：Ⅰ先计算所需螺栓数，后进行布置

Ⅱ先按经验布置，后验算按方法Ⅰ.2023/9/2物流工程学院WHUT561.所需螺栓数：式中：—单螺栓抗剪许用承载力和孔壁抗压许用承载力中的较小值

许用剪应力见表3—7

—许用压应力表3—7—挤压面积

—同方向承压构件的较小总厚度2023/9/2物流工程学院WHUT572.构件强度计算：设δB＜∑δA（如取构件板B计算）:2023/9/2物流工程学院WHUT58危险截面：并列布置时—为第1列栓孔处（Ⅰ—Ⅰ截面）错列布置时—①第1列栓孔处（Ⅰ—Ⅰ截面）②第1，2列及其后面栓孔处的锯齿形截面（Ⅱ—Ⅱ）强度验算：σ=N/Aj≤〔σ〕Aj—Ⅰ—Ⅰ截面：Aj=A-n1dδⅡ—Ⅱ截面：Aj=A-(n1+n2)dδ+

2023/9/2物流工程学院WHUT59

二、偏心力作用下的受剪螺栓连接2023/9/2物流工程学院WHUT60外力向螺栓群心o转化假定：①在过o的P力作用下，各栓受相同剪力，RP=P/n②在M作用下，连接板绕群心o旋转，各栓受剪力，大小与其与o距离成正比，方向垂直于连线oi；R1/r1=Ri/ri=KRi=KriRmax=K·rmax2023/9/2物流工程学院WHUT61分析：危险螺栓？Rmax=?

危险螺栓：4和6

在M作用下：2023/9/2物流工程学院WHUT62在P作用下：RP=P/n危险螺栓强度条件：

式中：—取和中的较小者2023/9/2物流工程学院WHUT63§3—8拉力螺栓连R:杠杆反力2023/9/2物流工程学院WHUT64一、轴心作用下的拉力螺栓螺栓破坏截面—螺纹、根部。考虑杠杆反力及应力集中因素的影响，将螺栓许用应力降低20%式中：—单栓抗拉许用承载力.

—螺栓抗拉许用应力.—螺栓材料许用应力

d0—螺纹内径2023/9/2物流工程学院WHUT65二、力矩作用下的拉力螺栓2023/9/2物流工程学院WHUT66

假定连接法兰（板）刚性足够大，在M作用下，连接板绕受压边排螺栓线：x′-x′轴转动，各螺栓所受拉力与其到x′-x′轴的距离成正比。

Pi/yi=Pmax/ymax

Pi=Pmax·yi/ymax

螺栓强度条件：

2023/9/2物流工程学院WHUT67

三、偏心受拉螺栓2023/9/2物流工程学院WHUT68

当e>ρ时：先计算e=M/Nρ=Ix/n|ymax|再判断：e≤ρ或e＞ρ而后计算：Pmax

螺栓强度条件：

2023/9/2物流工程学院WHUT69§3—9拉剪螺栓连接计算：(自学)

根据试验结果：在拉剪联合作用下，符合因形相关公式：2023/9/2物流工程学院WHUT70

若螺栓的计算拉力、剪力分别为Pll和Pjl，则强度条件为：

（结论：当强度满足）2023/9/2物流工程学院WHUT71§3—10高强度螺栓连接设计计算一、种类、特点及应用1.按形状分：①大六角头

用扭矩扳手

2023/9/2物流工程学院WHUT72②扭剪形（日本首例）

先用普通扳手，后用TC型电动扳手套住螺母和卡头终拧，直至卡头拧断。2023/9/2物流工程学院WHUT732.按受剪螺栓受力性能的不同阶段分：摩擦型承压型摩擦型的工作原理：对螺栓施加足够大的预紧力使被连接件接触面间产生摩擦力来传递力。承载能力极限状态：被连接件间的摩擦阻力刚被克服作为其极限状态.

2023/9/2物流工程学院WHUT74

特点：不松动，耐疲劳。应用：用于直接承受动杂载的结构。承压型：承载能力极限状态：连接面间滑移后，栓杆剪断或孔壁挤压坏，宜用于承静载或间接承动载的结构。2023/9/2物流工程学院WHUT75

二、摩擦型高强螺栓连接的强度计算

1.轴心力作用下的剪力螺栓2023/9/2物流工程学院WHUT76N/n≤〔P〕

〔P〕—但栓抗滑许用承载力.

〔P〕=0.7·Zm·f·PgZm—传力摩擦面数；

f—摩擦系数（与表面处理方法有关），查表（3-9）

Pg—预拉力（预紧力）.查表3-80.7—安全系数n=1.43的倒数.2023/9/2物流工程学院WHUT772.偏心力作用下的剪力螺栓

计算公式同普通螺栓，但许用承载力应为高强螺栓的许用承载力。2023/9/2物流工程学院WHUT783.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.2023/9/2物流工程学院WHUT79强度条件：单栓抗滑承载力：PQ≤〔P〕′

单栓抗拉承载力：PN≤0.7Pg〔P〕′—拉、剪作用下的单栓抗滑许用承载力

〔P〕′=0.7Zmf(Pg-1.4Pt)Pt—每个螺栓