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文档简介
项目3钢结构设计任务:钢结构焊接连接上堂课内容回忆
项目13钢结构设计1.钢结构材料;2.钢结构焊接连接设计;
3.钢结构螺栓连接设计;
4.
钢结构基本构件设计;5.钢结构屋架1.钢结构的连接方法;2.对接焊接;
3.角焊缝。
第2讲
钢结构焊接连接设计教学目标:重点掌握钢结构对接焊接连接设计方法;掌握钢结构角焊缝连接设计方法。难点钢结构对接焊缝连接设计;钢结构角焊缝连接设计。..一、钢结构的连接方法焊缝连接铆钉连接螺栓连接普通螺栓连接高强度螺栓连接第2讲钢结构的连接设计1、焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方法。构造简单、不削弱构件截面,节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、连接的密封性好、刚度大。优点:焊接残余应力和残余变形对结构有不利影响,焊接结构的低温冷脆问题也比较突出。缺点:
除少数直接承受动载结构的某些连接,可广泛应用于工业与民用建筑钢结构和桥梁钢结构。2、铆钉连接优点:塑性和韧性较好,传力可靠,质量易于检查,适用于直接承受动载结构的连接。构造复杂,用钢量多。缺点:目前已很少采用。3、普通螺栓连接优点:用钢量多。缺点:施工简单、拆装方便。适用于安装连接和需要经常拆装的结构。
C级B级A级精制螺栓粗制螺栓Q235钢(4.6级)(8.8级)材料性能等级45号钢35号钢Ⅰ类孔Ⅱ类孔1.5~2.0mm0.18~0.25mmⅠ类孔:连接板组装时,孔口精确对准,孔壁平滑,孔轴线与板面垂直。Ⅱ类孔:质量达不到Ⅰ类孔要求的孔粗制螺栓(C级):它的制作精度较差,孔径比栓杆直径大1.0~1.5mm,便于制作和安装。粗制螺栓连接,适用于承受拉力,而受剪性能较差。因此,它常用于承受拉力的安装螺栓连接(同时有较大剪力时常另加承托承受),次要结构和可拆卸结构的抗剪连接,以及安装时的临时固定。精制螺栓(A级或B级):它的制作精度较高,孔径比栓杆直径只大0.3-0.5mm,连接的受力性能较粗制螺栓连接好,但其制作和安装都较费工,价格昂贵,故钢结构中较少采用。4、高强度螺栓连接包括螺帽和垫圈均采用高强度材料制作.是现代钢结构另一种主要的连接方法。高强度螺栓分大六角头型和扭剪型两种。
安装时通过特别的板手,以较大的扭矩上紧螺帽,使螺杆产生很大的预拉力。
优点:在材料、扳手、制造和安装方面有一些特殊的技术要求,价格较贵缺点:连接紧密、受力良好、耐疲劳、可拆换、安装简单以及动力荷载作用下不易松动高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接①高强度螺栓摩擦型连接
高强螺栓的预拉力把被连接的部件夹紧,使部件的接触面间产生很大的磨擦力,外力通过摩擦力来传递。栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.5-2.0mm优点:同高强度螺栓摩擦型连接缺点:连接紧密、可拆换、安装简单②高强度螺栓承压型连接
高强度螺栓摩擦型连接只利用摩擦传力这一工作阶段,以滑移作为承载能力的极限状态。
高强度螺栓承压型连接起初由摩擦传力,后期依靠栓杆抗剪和承压传力,极限状态和普通螺栓连接相同。
同普通螺栓一样,允许接触面滑移,依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。
栓孔直径比螺杆的公称直径d大1.0-1.5mm二、高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别普通螺栓连接:预拉力很小,摩擦力忽略不计,抗剪时依靠孔壁承压和栓杆抗剪来传力。高强度螺栓连接:预拉力很大,摩擦力很大,抗剪时全部或部分依靠摩擦来传力。
摩擦型连接的剪切变形小,弹性性能好,特别适用于承受动荷载的结构。承压型连接的承载力高于摩擦型,连接紧凑,但剪切变形大,不得用于承受动力荷载的结构中。
高强螺栓及其它螺栓的施工安装过程一、焊接方法手工电弧焊自动或半自动电弧焊电阻焊焊缝连接电弧焊气焊气体保护焊手工电弧焊
手工电弧焊设备简单,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,焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系。
手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材相适应,不同钢种的钢材相焊接时,宜采用与低强度钢相适应的焊条。Q235钢E43型焊条(E4300~E4328)Q345钢E50型焊条(E5000~E5048)Q390钢Q420钢E55型焊条(E5500~E5518)Exxxx适用焊接位置、电流以及药皮类型等熔敷金属的最小抗拉强度(N/mm2)表示焊条焊条表示方法自动或半自动电弧焊自动(电弧)焊:通常是指埋弧自动焊-在焊接部位覆有起保护作用的焊剂层,由填充金属制成的光焊丝插入焊剂层,与焊接金属产生电弧,电弧埋藏在焊剂层下,电弧产生的热量熔化焊丝、焊剂和母材金属形成焊缝,其焊接过程是自动化进行的。电阻焊:主要有点焊、对焊、缝焊等气焊利用可燃气体与助燃气体混合燃烧生成的火焰为热源,熔化焊件和焊接材料使之达到原子间结合的一种焊接方法。
助燃气体主要为氧气,可燃气体主要采用乙炔、液化石油气等。所使用的焊接材料主要包括可燃气体、助燃气体、焊丝、气焊熔剂等。特点设备简单不需用电。设备主要包括氧气瓶、乙炔瓶(如采用乙炔作为可燃气体)、减压器、焊枪、胶管等。由于所用储存气体的气瓶为压力容器、气体为易燃易爆气体,所以该方法是所有焊接方法中危险性最高的之一。一、焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置可分为平接搭接T型连接角接对接焊缝角焊缝焊缝连接的形式二、焊缝形式按所受力的方向分为对接焊缝正对接焊缝斜对接焊缝角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝按沿长度方向的布置分为连续角焊缝间断角焊缝按施焊位置分为平焊(俯焊)横焊立焊仰焊三、焊缝连接的缺陷、质量检验和焊缝质量级别1、焊缝缺陷
焊缝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。
常见缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等;以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。
钢材的化学成分不当;焊接工艺条件(如电流、电压、焊速、施焊次序等)选择不合适;焊件表面油污未清除干净等。裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。产生裂纹的原因:2、焊缝质量检验
焊缝质量检验一般可用外观检查及内部无损检验,前者检查外观缺陷和几何尺寸,后者检查内部缺陷。
内部无损检验目前广泛采用超声波检验,有时还用磁粉检验。此外还可采用X射线或γ射线透照或拍片。《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。二级焊缝全部外观检查,部分无损探伤检查一级焊缝全部外观检查,全部无损探伤检查三级焊缝全部外观检查3、焊缝质量等级的规定《钢结构设计规范》规定,焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况选用不同的质量等级。《焊缝符号表示方法》CB324—88规定:焊缝符号由指引线和表示焊缝截面形状的基本符号组成,必要时可加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号。
指引线一般由箭头线和基准线(一条为实线,另一条为虚线)所组成。基准线一般应与图纸的底边相平行,特殊情况也可与底边相垂直,当引出线的箭头指向焊缝所在的一面时,应将焊缝符号标注在基准线的实线上;当箭头指向对应焊缝所在的另一面时,应将焊缝符号标注在基准线的虚线上。4、焊缝符号及标注方法焊缝代号详见教材一、对接焊缝的形式和构造
对接焊缝按坡口形式分为I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝,带钝边V形缝(Y形缝)、带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝(K形缝)和双Y形缝(X形缝)。t≤10mmI形缝t=10~20mm带钝边单边V形缝或Y形缝t>20mm带钝边U形缝或K形缝或双Y形缝对接焊缝连接引弧板、引出板和包角焊
(1)引弧板和引出板引弧时由于电弧对母材的加热不足,应在操作上防止产生熔合不良、弧坑裂纹、气孔和夹渣等缺陷的发生,并不得在非焊接区域的母材上引弧和防止电弧击痕。当电弧因故中断或到焊缝终端时,应防止产生弧坑及发生弧坑裂纹,见下图:
压力管道和压力容器的薄弱环节是纵缝(其受力是端缝一倍),纵缝的薄弱环节是两端(即引弧端和熄弧端)。为了保证焊接质量,在对接焊的引弧端和熄弧端,必须安装与母材相同材料的引弧板和引出板,其坡口形式和板厚原则上应与母材相同。引弧板和引出板的长度:手工电弧焊及气体保护焊为25~60mm,半自动焊为40~60mm,埋弧自动焊为50~100mm,熔化嘴电渣焊为100mm以上。
引出板焊接后,当筒体在压力机上或辊床上校正之后,一般可用气割方法将其割去,气割时在距母材3~5mm处进行,然后用砂轮打磨平整。严禁用锤击落,以防在焊缝端部产生裂纹。包角焊当角焊缝的端部在构件上时,转角处宜连续包角焊,起落弧点不宜在端部或棱角处,应距焊缝端10mm以上,弧坑应填满。
二、对接焊缝连接的计算1、垂直于轴心力的对接焊缝【例】试验算如图所示钢板的对接焊缝的强度。图中b=540mm,t=22mm,轴心力的设计值为N=2150kN。钢材为Q235B,手工焊,焊条为E43型,三级检验标准的焊缝,施焊时加引弧板。
当采用引弧板施焊时,质量为一级、二级和没有拉应力的三级对接焊缝,其强度无须计算,质量为三级的受拉或无法采用引弧板的对接焊缝须进行强度计算。计算不满足要求时:改变焊缝位置改变焊缝级别改为斜焊缝①矩形截面2、受弯受剪的对接焊缝计算一、角焊缝的形式和构造按两焊脚边的夹角分为直角角焊缝斜角角焊缝按与外力作用方向分为正面角焊缝(端焊缝)侧面角焊缝斜向角焊缝按焊缝截面形式分为普通型角焊缝平坦型角焊缝凹面型角焊缝1、角焊缝的形式角焊缝连接直角角焊缝(两焊件垂直)斜角角焊缝(两焊件不垂直)hf---角焊缝焊脚尺寸he---角焊缝有效厚度
侧面角焊缝主要承受剪应力,塑性较好,弹性模量低,强度也较低。
在弹性工作阶段,应力沿焊缝长度方向分布不均匀,两端大中间小。在进入塑性工作阶段时产生应力重分布,在规范规定长度范围内,应力分布可趋于均匀。2、角焊缝的应力分布①侧面角焊缝
正面角焊缝的应力状态比侧面角焊缝复杂,截面的各点均存在正应力和剪应力,焊根处有很大的应力集中,其破坏强度比侧面角焊缝高,但塑性变形要差一些。
在焊缝截面上应力分布不均匀,但沿焊缝长度方向应力分布比较均匀,两端的应力略比中间的低。②正面角焊缝
斜面角焊缝的受力性能和强度介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。③斜面角焊缝3、角焊缝的构造要求①最小焊脚尺寸自动焊,最小焊脚尺寸可减小1mmT形连接的单面角焊缝,最小焊脚尺寸应增加1mm当焊件厚度等于或小于4mm时,最小焊脚尺寸取与焊件厚度相同。保证焊缝的最小承载能力,防止焊缝冷却过快产生裂纹。熔深大可靠性差②最大焊脚尺寸对板件边缘角焊缝的最大焊脚尺寸,还应符合下列要求:t≤6mmhf
≤tt>6mmhf≤t-(1~2)mm
当两焊件厚度相差悬殊,用等焊脚尺寸无法满足最大、最小焊缝厚度要求时,可用不等焊脚尺寸。避免烧穿较薄的焊件,减少焊接应力和焊接变形。④
侧面角焊缝最大计算长度
侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf,当大于上述数值时,其超过部分在计算中不予考虑。
若内力沿测面角焊缝全长分布时,计算长度可不受上述限制。⑤
角焊缝的其他构造要求
搭接连接当仅采用正面角焊缝时,不能只用一条正面角焊缝传力,并且搭接长度不得小于焊件较小厚度的五倍.同时不得小于25mm。③
最小计算长度均不得小于8hf和40mm实际焊接长度应较前述数值还要大2hf
所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况,当角焊缝的端部在构件转角处时,可连续地作长度为2hf的绕角焊。
当板件仅用两条侧焊缝连接时,宜使lw≥b,b≤16t(t>12mm)或200mm(t≤12mm),t为较薄焊件厚度。当b不满足此规定时,应加正面角焊缝,或加槽焊或塞焊。二、直角角焊缝的基本计算公式计算截面(有效截面)=计算厚度×计算长度计算厚度(有效厚度、喉部尺寸)he=0.7hf
计算厚度不考虑熔深和余高,计算时假定有效截面上应力均匀分布,并且不分抗拉、抗压或抗剪都采用同一强度设计值。余高三、角焊缝的计算
1、角焊缝受轴心力作用时的计算
①
侧面角焊缝βf是考虑正面角焊缝破坏强度较高的强度设计值增大系数静力荷载和间接承受动力荷载βf=1.22直接承受动力荷载βf=1②
正面角焊缝③
三面围焊【例】如图所示焊接连接,采用三面围焊,承受的轴心拉力设计值N=1100KN。钢材为Q235B,焊条为E43型,试验算此连接焊缝是否满足要求。解:查附表10.1得:正面焊缝承受的力:
则侧面焊缝承受的力为:则:满足要求。2、角钢连接的角焊缝计算①两面侧焊②三面围焊③L形围焊
【例】角钢截面为2L140×10,与厚度为16mm的节点板相连接,钢材为Q235B钢,手工焊,焊条为E43型。杆件承受静力荷载,由恒荷载标准值产生的NG=300kN(γG
=1.2),由活荷载标准值产生的NQ=580kN(γQ=1.4)。试分别设计下列情况时此节点的连接:(1)采用三面围焊;(2)采用两面围焊;(3)采用L形围焊。3、在弯矩、剪力和轴心力共同作用下的角焊缝计算计算步骤1)首先求单独外力作用下角焊缝的应力,并判断该应力对焊缝产生端缝受力(垂直于焊缝长度方向),还是侧缝受力(平行于焊缝长度方向)。2)采用叠加原理,将各种外力作用下的焊缝应力进行叠加。叠加时注意应取焊缝截面上同一点的应力进行叠加,而不能用各种外力作用下产生的最大应力进行叠加。因此,应根据单独外力作用下产生的应力分布情况判断最危险点进行计算。4)在剪力V作用下,判断哪一部分焊缝截面承受剪力作用,在受剪截面上应力分布是均匀的5)在弯矩M作用下,焊缝应力按三角形分布3)在轴力N作用下,在焊缝有效截面上产生均匀应力4)在剪力V作用下,判断哪一部分焊缝截面承受剪力作用,在受剪截面上应力分布是均匀的5)在弯矩M作用下,焊缝应力按三角形分布3)在轴力N作用下,在焊缝有效截面上产生均匀应力将弯矩和轴力产生的应力在A点叠加当连接直接承受动力荷载时β=1.0,其他β=1.22工字形或H形截面梁与钢柱翼缘的角焊缝连接,承受弯矩M和剪力V的共同作用。计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力,弯矩则由全部焊缝承受。翼缘下边缘的应力焊接残余应力和焊接变形一、焊接残余应力和变形的成因
焊接残余应力简称焊接应力,有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力,垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。(1)焊接残余应力的成因焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时,焊件上产生不均匀的温度场,焊缝及其附近温度最高,可达1600℃以上,而邻近区域温度则急剧下降。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大,但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制,产生了热塑性压缩。焊缝冷却时,被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短,但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中,这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用下的内应力,因此会在焊件内部自相平衡,这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力。1、纵向焊接应力2、横向焊接应力
横向焊接应力产生的原因有二:一是由于焊缝纵向收缩,使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形,但实际上焊缝将两块钢板连成整体,不能分开,于是两块板的中间产生横向拉应力
,而两端则产生压应力。二是由于先焊的焊缝已经凝固,会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀,使其发生横向塑性压缩变形。当焊缝冷却时,后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力,而先焊部分则产生横向压应力,在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。
在厚钢板的焊接连接中,焊缝需要多层施焊。因此,除有纵向和横向焊接应力σx、σy外,还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。在最后冷却的焊缝中部,这三种应力形成
同号三向拉应力,将大大降低连接的塑性。3、厚度方向的焊接应力
在厚钢板的焊接连接中,焊缝需要多层施焊。因此,除有纵向和横向焊接应力σx、σy外,还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。在最后冷却的焊缝中部,这三种应力形成
同号三向拉应力,将大大降低连接的塑性。(2)焊接残余变形的成因
在焊接过程中,由于不均匀的加热,在焊接区局部产生了热塑性压缩变形,当冷却时焊接区要在纵向和横向收缩,势必导致构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等。焊接残余变形包括纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等,且通常是几种变形的组合。任一焊接变形超过验收规范的规定时,必须进行校正,以免影响构件在正常使用条件下的承载能力。弯曲变形二、焊接应力和变形对结构工作性能的影响(1)焊接应力的影响1、对结构静力强度的影响
对在常温下工作并具有一定塑性的钢材,在静荷载作用下,焊接应力不影响结构强度。2、对结构刚度的影响构件上的焊接应力会降低结构的刚度。3、对低温冷脆的影响
焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的,必须引起足够的重视。在厚板和具有严重缺陷的焊缝中,以及在交叉焊缝的情况下,产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力,使裂纹容易发生和发展。4、对疲劳强度的影响
在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点,此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此,焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。(2)焊接变形的影响
焊接变形是焊接结构中经常出现的问题。焊接构件出现了变形,就需要花许多工时去矫正。比较复杂的变形,矫正的工作量可能比焊接的工作量还要大。有时变形太大,甚
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