焊缝计算

第3章钢结构的连接学习要点•掌握连接的构造设计，能熟练地进行传力分析及连接的计算；•能严格区分：（1）焊透的对接焊缝连接和直角角焊缝连接的工作状态和计算方法的不同点；（2）普通螺栓连接和高强度螺栓连接的工作状态和计算方法的不同点；•了解各种连接的特点；•了解焊接残余应力和焊接残余变形的基本概念及其对结构工作的影响。3．1钢结构的连接方式一．焊接连接1．方法：电弧产生热量—焊条和焊件局部熔化—冷却凝结成焊缝—焊件连接成一体。2．优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；3．缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。4．应用范围：工业与民用建筑钢结构中的绝大部分连接。二．铆钉连接1．方法：孔比钉直径大1mm，加热900～1000℃，铆钉枪打铆。2．优点：连接刚度大，传力可靠。3．对施工技术要求很高，费钢费工。4．应用范围：已逐步被高强螺栓所取代。三．螺栓连接1．方法：通过螺栓产生紧固力，使被连接件连接成为一体。2．分类：I类孔：孔精确对准，内壁光滑，孔轴垂直于被连接板。dd00.3～0.5mmII类孔：达不到I类孔要求的，为II类孔。dd01～2mm。（1）普通螺栓粗制螺栓（C级螺栓）：用未加工的圆钢制成，尺寸不够精确，、只需II类孔。应用范围：受拉安装螺栓；次要结构、可拆卸结构的受剪连接；安装时的临时连接精制螺栓（A、B级）：栓杆由车床加工而成，表面光滑，尺寸准确，用I类孔。应用范围：直接受较大动力荷载的重要结构的安装螺栓A级：d≤24mm，l≤150mm和10dB级：d＞24mm，l＞150mm和10d（2）高强螺栓按材料等级分两种类型：8.8级（uf≥0.8/,800MPauyff）10.9级（uf≥0.9/,1000MPauyff）按计算、设计方法分两种类型：摩擦型——只靠挤压力产生的摩擦阻力传递剪力，摩擦阻力被克服即为破坏.只要求II类孔；优点：连接变形小，受力好，耐疲劳，可拆卸，施工简单。应用范围：桥梁、高层钢结构、工业厂房钢结构。承压型——在摩擦阻力被克服后继续靠栓杆承担荷载，连接变形比摩擦型大.要求用I类孔。优点：承载力高。缺点：摩擦力被克服后变形较大。应用范围：承受净力或间接动力荷载的结构。3．2焊接连接的特性一、焊接方法（1）手工焊方法：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；焊条：E43××（T42××）——适用于Q235（A3）E50××（T50××）——适用于Q345E55××（T55××）——适用于Q390，Q420其中43，50，55——最小抗拉强度，单位为2mmkg；××——电流种类，药皮及不同焊接位置。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。（2）自动（半自动）埋弧焊方法：利用电弧产生热量熔化焊丝、焊剂和母材形成焊缝。优点：焊缝质量均匀，内部缺陷少，塑性、冲击韧性好，焊接速度快，生产效率高，成本低，劳动条件好；适用：梁、柱、板等的大批量拼装制造焊缝。自动：有规则的较长焊缝半自动：不规则的焊缝或间断短焊缝（3）CO2气体保护焊方法：CO2气体作为电弧的保护介质，使熔化金属与空气隔离，以保持焊接过程稳定。优点：焊接速度快，强度高、塑性和抗腐性好。适用：厚或特厚钢板的焊接。二、焊缝连接形式对接连接搭接连接T形连接角部连接三、焊缝的形式（1）对接焊缝焊透的对接焊缝，部分焊透的对接焊缝；正对接焊缝，斜对接焊缝。（2）角焊缝按沿长度方向的布置：连续角焊缝、断续角焊缝；按外力方向：侧焊缝、端焊缝、斜焊缝四、施焊位置横焊、平焊、立焊、仰焊、船形焊3．3对接焊缝的构造和计算一、构造1.按焊件厚度不同，在焊件边缘加工成不同形式的坡口2.连接不同宽度或厚度的钢板时，应从板的一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5的斜角，两钢板厚度4mm时，直接用焊缝找坡；3.为消除焊口的缺陷，施焊时可在焊缝两端设置引弧板，无法采用时，计算时每条焊缝的长度各减去10mm。二、对接焊缝的强度（1）缺陷气泡、夹渣、裂纹等（2）质量检验方法外观检查：外观缺陷、几何尺寸无损检验：内部缺陷超声波（3）焊缝级别（GB50205－95）三级：全部外观检查；二级：全部外观检查；超声波抽查每条焊缝长度20％；一级：全部外观检查；超声波探伤焊缝长度的100％。三、焊透的对接焊缝的计算原理：对接焊缝的截面与被焊构件的截面相同，焊缝中的应力情况与被焊件截面中的基本相同，因而对接焊缝连接的计算方法与构件强度计算相似。即：焊缝中最大正应力、剪应力、折算应力等小于相应的焊缝强度设计值，则焊缝安全。1．轴心受拉（压）)/(minwtlN≤wtforwcfmint——对接连接中较小的厚度，忽略焊缝起鼓；wtf——对接焊缝抗拉强度；wcf——对接焊缝抗压强度；wl——焊缝的计算长度（板宽减去2tmm），若加引弧板，则焊缝的计算长度即为板宽。注：通过一、二级检验的对接焊缝的强度可以认为与母材等强度，连接不必验算；而仅通过三级检验的焊缝，wtf=0.85wcf,需要如上验算。若经验算强度不够，可采用斜焊缝；当a/b≤1.5时，可以不算。2．弯剪共同作用xmax/WM≤wtf)(wxmaxmaxtI/VS≤wvf受拉区腹板与翼缘的交界处hh0max1wx11tIVS2121zs3≤1.1wtf3．4角焊缝的构造与计算一．角焊缝的形式按受力侧焊缝——焊缝轴线平行于力线；端焊缝——焊缝轴线垂直于力线；斜焊缝——焊缝轴线倾斜于力线。按两边夹角直角角焊缝、斜角角焊缝按截面普通型、平坦型、凹面型二．直角角焊缝应力分析试验证明：1．侧焊缝以45°“咽喉截面”破坏居多；2．端焊缝的强度是侧焊缝强度的1.35～1.55倍。规范规定：在焊缝计算时以侧焊缝强度为基准（wff）,端焊缝强度为1.22wff，斜焊缝强度为。3θsin12wff三．直角角焊缝的构造1．最小焊缝高度：fminh=11.5t，1t—较厚板件的厚度；2．最大焊缝高度：2fmax1.2th，2t—较薄板件的厚度；对于贴边焊当t≤6mm时，fmaxh=t；当t6mm时，fmaxh=t－（1～2）mm要求：fminh≤fh≤fmaxh3．最大焊缝长度：fmaxl=60fh（静荷）fmaxl=40fh（动荷）若内力沿角焊缝全长分布，则计算长度不受此限；4．最小焊缝长度：fminl=8fh≮40mm要求：fminl≤fl≤fmaxl四．直角角焊缝的计算1．所有角焊缝只承受剪应力，只区分侧焊缝和端焊缝；2．焊缝计算截面为45°“咽喉截面”，面积为0.7fh(fl－2fhmm)；3．在静力条件下，考虑端焊缝强度提高22%；动力荷载下，不考虑其强度的提高；4．计算公式：22fβff≤wff其中：f——端焊缝受力总和；f——侧焊缝受力总和；fβ——焊缝强度提高因数，动力荷载时为1.0，静力荷载时为1.22。斜焊缝为。3θsin1125．计算步骤（1）求出同一平面焊缝群的形心；（2）将荷载向形心简化，找出最不利位置；（3）分别求出各荷载分量在最不利位置产生的应力；（4）区分侧焊缝受力与端焊缝受力，视荷载种类（静荷或动荷）代入公式，进行计算。6．几种典型的焊缝受力分析（1）斜向轴心力wf0.7sinlhNf，wf0.7coslhNfNhf22)()1.22(ff≤wff（2）盖板对接连接焊缝受轴心拉力（端焊缝）NNhfNNhfwf0.7lhNf≤wf1.22f焊缝受轴心剪力（侧焊缝）NhfNNNwf0.7lhNf≤wff三面围焊wfwf'0.7flhNfblwwf'0.7lhNNf≤wff（3）角钢连接焊缝的计算e2e1hfhf2N2121eeek＝2/32112eeek=1/3双面焊接：)2(0.721f11fhlhNk≤wff)2(0.722f22fhlhNk≤wff三面围焊：wff31.220.72fbhN)h(0.7221f31flhNNk≤wff)h(0.7222f32flhNNk≤wffe2e1hfN（4）焊缝受N，M，V联合作用wfV0.7sinαlhF，fN0.7cosαhF，2wfM0.7)sinαcosα(6lhaFbFaaαhfbF2V2NM)()1.22(≤wff（5）围焊缝受偏心剪力——扭矩＋剪力bFachfx)(20.7)2(0.7fxNfyVbahFbahF，yxTyyxTx)(2IIxaTIIbT2TxNTyV)()1.22(2≤wff3．5焊接应力和焊接变形一、成因及特点成因：假定焊件由纤维组成，但各纤维之间相互约束。不均匀分布的温度场，同时存在局部高温，加上纤维间的相互约束，便产生了焊接残余应力。由于约束程度不同，一部分残余应力会以残余变形的形式释放出来。特点：自相平衡力系。二、种类1．纵向残余应力2．横行残余应力3．厚度方向残余应力三、焊接残余应力对构件工作的影响1．对强度无影响2．降低构件的刚度3．降低构件的稳定承载力由于刚度降低，有效截面减小，过早地进入弹塑性区，弹性模量降低，所以稳定承载力降低（因为22cr/πE）4．降低构件的疲劳强度残余应力的存在，加快了疲劳裂纹的开展速度（双向或三向拉力场），因此，疲劳强度降低。5．加剧低温冷脆材料在低温下呈脆性，焊接残余应力的同号拉力场会阻碍材料塑性的发展，加重了脆性因素。四、焊接残余变形对构件工作的影响1．构件不平整，安装困难，且产生附加应力；2．变轴心受压构件为偏心受压构件。五、保证焊接质量及减小焊接残余应力的措施1．设计方面（1）采用细长，不采用短粗的焊缝；（2）对称布置焊缝，减小变形；（3）不等高连接加不大于1/4的斜坡，减小应力集中；（4）尽量防止锐角连接；（5）焊缝不宜过于集中，不要出现三向交叉焊缝；（6）注意施焊方便，以保证焊接质量。2．工艺方面（1）焊件预热法；（2）锤击法；减小残余应力（3）退火法；（4）反变形法；（5）合理施焊次序；减小残余变形（6）局部加热法。3．6普通螺栓连接的构造和计算一、构造1．排列方式（1）并列：简单，但截面消弱较大（2）错列：可减小截面消弱，但排列较繁2．排列要求（1）受力要求：如边距≥20d等；（2）构造要求：间距不能太大，避免压不紧潮气进入——腐蚀；（3）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于安装。二、计算连接分类抗剪螺栓连接、抗拉螺栓连接、拉剪螺栓连接1．抗剪螺栓的计算（1）工作性能1）弹性段（0～1）：板件间相互挤压，靠摩擦阻力传力；2）相对滑移段（1～2）：摩擦阻力被克服后，板件间产生滑移，栓（钉）杆与孔壁相接触，滑移量取决于栓（钉）杆与孔的间距；3）弹塑性工作阶段（2～4）：螺栓杆既受剪又受弯直到破坏为止。（2）可能的破坏形式1）栓杆被剪断；2）被连接板被挤压破坏；3）被连接板被拉（压）破坏；4）被连接板被剪破坏——拉豁；5）栓杆受弯破坏。Ae)tb)BAa)BAA35°d)a135°Ac)（3）如何避免所有破坏的可能性1）栓（钉）杆长度（t）≤05d——防止受弯破坏；2）1a≥02d，栓距≥03d——避免拉豁；3）通过计算保证螺栓抗剪；4）通过计算保证螺栓抗挤压；5）通过计算保证被连接构件具有足够的拉压强度。1、2——构造措施3、4、5——计算，3、4属螺栓计算；5属构件计算。（4）计算1）单个螺栓的设计值一个螺栓的抗剪承载能力：bv2vbv4πnfdNvn——剪切面数；d——螺栓直径；bvf——螺栓抗剪设计强度。一个螺栓抗挤压承载能力：bcminbcftdNd——螺栓直径；mint——被连接板中受力一侧的总厚度的较小值；bcf——螺栓承压设计强度。2）螺栓群受轴力基本假定：螺栓群均匀受力。nNNmax当受力一边螺栓分布长度0115dl时，会出现较严重的传力不均匀现象。折减系数：011501.1dl当0160dl时，取0.7对受力最大的螺栓进行验算：maxN≤