《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》課件第章殘余應(yīng)力+螺栓連接

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理青海大學(xué)土木工程學(xué)院教授班級：交通2011(1、2)章節(jié)內(nèi)容1、焊縫連接2、普通螺栓連接3、高強螺栓連接20鋼結(jié)構(gòu)的連接20.1.7焊接殘余應(yīng)力及殘余變形高度不均勻的溫度場造成構(gòu)件內(nèi)部收縮與膨脹的不均勻性，致使構(gòu)件產(chǎn)生變形，這種變形叫焊接變形。(a)縱向收縮和橫向收縮；(b)彎曲變形；(c)角變形；(d)波浪變形；(e)扭曲變形而焊縫和焊縫附近鋼材不能自由地變形，因受到周圍鋼材的約束而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。

一、焊接殘余應(yīng)力的分類和原因焊接應(yīng)力是一種無荷載作用的內(nèi)應(yīng)力，因此會自相平衡，包括以下三個部分：

1、縱向焊接應(yīng)力

2、橫向焊接應(yīng)力

3、沿厚度方向的焊接應(yīng)力20.1.7焊接殘余應(yīng)力及殘余變形+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm施焊時焊縫附近達1600℃以上，而鄰近區(qū)域溫度驟降。焊縫周圍產(chǎn)生不均勻溫度場-----++1、縱向焊接應(yīng)力——沿焊縫長度方向成因：施焊時焊縫處鋼材受熱伸長，但受兩側(cè)低溫區(qū)域的限制產(chǎn)生熱塑性壓縮；焊縫冷卻時收縮又受到限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力；拉應(yīng)力大小可達鋼材屈服點fy；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力，焊件內(nèi)應(yīng)力自相平衡。2、橫向焊接應(yīng)力兩部分組成：其一是由焊縫區(qū)的縱向收縮所引起。如把鋼板假想沿焊縫切開，由于焊縫的縱向收縮，兩塊鋼板產(chǎn)生如圖(a)中虛線所示的彎曲變形。因而可見在焊縫長度的中間部分必然產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而在焊縫的兩瑞則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，應(yīng)力分布如圖(b)所示。其二是由焊縫的橫向收縮所引起。施焊時，焊縫的形成有先有后，先焊的部分先冷卻，先冷卻的焊縫區(qū)限制了后冷卻焊縫區(qū)的橫向收縮，使產(chǎn)生橫向焊接殘余應(yīng)力如圖(c)所示。最后的橫向焊接殘余應(yīng)力當(dāng)為兩者即圖(b)和圖(c)的疊加，如圖(d)所示。在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。-+-321σxσyσz冷卻時外圍焊縫散熱快先冷固，內(nèi)層焊縫收縮受限制產(chǎn)生沿厚度方向的拉應(yīng)力，外部則產(chǎn)生壓應(yīng)力。因此除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力x

，y外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力z

，這三種應(yīng)力形成同號三向拉應(yīng)力，大大降低連接的塑性。3、厚度方向的焊接應(yīng)力20.1.7焊接殘余應(yīng)力及殘余變形二、

減少焊接應(yīng)力和變形的措施1、合理的焊縫設(shè)計（1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式滿足最小焊腳尺寸的條件下，一般用較小的hf加大焊縫長度，即設(shè)計成焊腳尺寸較小而焊縫長度長些；注意：不要因考慮“安全”而任意加大超過計算所需要的焊縫尺寸。

（2）盡可能減少不必要的焊縫不但增加了裝配和焊接的工作量，易引起大的焊接變形。20.1.7焊接殘余應(yīng)力及殘余變形（3）合理地安排焊縫的位置焊縫不宜過分集中并盡量對稱布置焊縫以消除焊接殘余變形和盡量避免三向焊縫相交。三向焊縫相交時，中斷次要焊縫使主要焊縫保持連續(xù)（4）盡量避免截面突變引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，連接過渡平緩。

（5）避免焊接缺陷，盡量避免仰焊二、

減少焊接應(yīng)力和變形的措施1、合理的焊縫設(shè)計20.1.7焊接殘余應(yīng)力及殘余變形2、

合理的工藝措施（1）采用合理的焊接順序和方向。

先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫，先焊錯開的短焊縫，后焊直通的長焊縫，使焊縫有較大的橫向收縮余地。二、

減少焊接應(yīng)力和變形的措施20.1.7焊接殘余應(yīng)力及殘余變形

采用適當(dāng)?shù)暮附禹樞蚝头较?。例如采用對稱焊，分段退焊(即分段焊接，每段施焊方向與焊接推進的總方向相反)、跳焊、多層多道焊等，使各次焊接的殘余應(yīng)力和變形的方向相反和互相抵消。3、錘擊或輾壓焊縫，使焊縫舒張，降低焊接殘余應(yīng)力；4、預(yù)熱和回火對于小尺寸焊件，焊前預(yù)熱，或焊后回火加熱至600℃左右，然后緩慢冷卻。2、采用反變形法減小焊接變形或焊接應(yīng)力。5、局部加熱；6、退火法二、

減少焊接應(yīng)力和變形的措施20.1.7焊接殘余應(yīng)力及殘余變形焊前預(yù)熱和焊后緩冷是減少焊縫區(qū)與焊件其他部分的溫差，降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻地冷卻下來，減少殘余應(yīng)力與變形螺栓連接螺栓連接是用螺栓將構(gòu)件、部件連成整體的連接方式。螺栓是由螺桿、螺母、墊圈組成的堅固件。缺點優(yōu)點施工簡單，拆裝方便，摩擦型高強度螺栓連接動力性能好耐疲勞，易阻止裂紋擴展費料、開孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高20.2鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接①普通螺栓連接根據(jù)加工精度分A、B、C三級。

A、B級精制螺栓，采用低合金鋼或再經(jīng)熱處理后制成，Ⅰ類孔，孔徑比桿徑大0.3-0.5mm，抗剪性能好，制造安裝費工，少用。性能等級5.6級或8.8級。

C級粗制螺栓，一般Q235鋼，Ⅱ類孔，孔徑比桿徑大1.5-2.0mm，抗剪性能差，但傳遞拉力性能好，性能等級為4.6級或4.8級。②高強螺栓連接高強鋼材制成：優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼

性能等級：8.8級、10.9級。等級符號說明：小數(shù)點前8、10——螺栓材料經(jīng)熱加工后的最低抗拉強度為800、1000N/mm2；小數(shù)點后0.8、0.9——屈強比摩擦型高強螺栓：只靠摩擦阻力傳力，以剪力達到接觸面的摩擦力作為承載力極限狀態(tài)——設(shè)計準(zhǔn)則。變形小，彈性性能好，耐疲勞，施工較簡單，適用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。承壓型高強螺栓：以作用剪力達到栓桿抗剪或孔壁承壓破壞作為承載力極限狀態(tài)——設(shè)計準(zhǔn)則。承載力高于摩擦型連接，連接緊湊，剪切變形大，不能用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。20.2鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算普通螺栓規(guī)格精制螺栓粗制螺栓分類A級和B級C級強度等級5.6級和8.8級4.6級和4.8級孔加工方式車床上經(jīng)過切削而成單個零件上一次沖成加工精度螺桿與栓孔直徑之差為0.25～0.5mm螺桿與栓孔直徑之差為1.5～2mm受力特點抗剪抗拉均好抗剪差、抗拉好經(jīng)濟性能價格高價格經(jīng)濟用途直接承受較大動力荷載的重要結(jié)構(gòu)，現(xiàn)被摩擦型高強螺栓替代沿螺栓桿軸受拉的連接；次要的抗剪連接；安裝的臨時固定注：A、B兩級的區(qū)別只是尺寸不同。A級用于d≤24mm，l≤150mm的螺栓，B級用于d>24mm，

l>150mm螺栓。

20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算一、普通螺栓連接的構(gòu)造計算1.螺栓的排列和構(gòu)造要求☆規(guī)格：形式為大六角頭型，其代號用字母M與公稱直徑表示。常用M16、M20、M24?！盥菟ǖ呐帕校翰⒘?、錯列。并列錯列20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算螺栓的排列要滿足以下三個方面的要求：（1）受力要求：端距過小，端部撕裂；受壓，順內(nèi)力方向，中距過大，鼓曲。（2）構(gòu)造要求：螺栓間距不能太大，避免壓不緊潮氣進入導(dǎo)致腐蝕。（3）施工要求：螺栓間距不能太近，滿足凈空要求，便于安裝。中心距太大<2d端距過小20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的螺栓最大、最小容許間距，排列螺栓時宜按最小容許間距取用，且宜取5mm的倍數(shù)，并按等距離布置，以縮小連接的尺寸。最大容許間距一般只在起連系作用的構(gòu)造連接中采用。端距邊距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距端距中距邊距線距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0邊距20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算型鋼的螺栓(鉚釘)排列20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算1、為了保證連接的可靠性，每個桿件的節(jié)點或拼接接頭一端不宜少于兩個永久螺栓；螺栓的其它構(gòu)造要求：2、直接承受動荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽，或其他措施以防螺帽松動；3、C級螺栓宜用于沿桿軸方向的受拉連接，以下情況可用于抗剪連接：

①承受靜載或間接動載的次要連接；

②承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接；

③臨時固定構(gòu)件的安裝連接。4、沿桿軸方向受拉螺栓連接的端板，應(yīng)適當(dāng)加大剛度，以減小撬力對螺栓抗拉承載力的不利影響。20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算螺栓連接的受力形式分為：只受剪力，只受拉力。有時受剪力和拉力的共同作用。

N（B）拉力螺栓F（C）剪力和拉力共同作用F（A）剪力螺栓受力垂直螺桿，承剪、承壓。連接件有錯動趨勢受力平行螺桿，承拉連接件有脫開趨勢二、普通螺栓連接受剪、受拉時的工作性能20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算NδO1234NNabNN/2N/2對圖示螺栓連接做抗剪試驗,即可得到板件上a、b兩點相對位移δ與作用力N的關(guān)系曲線,該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個階段1.抗剪螺栓連接

(1)摩擦傳力的彈性階段(0~1段)

直線段—連接處于彈性狀態(tài)；該階段較短—摩擦力較小。(2)滑移階段(1~2段)

克服摩擦力后，板件間突然發(fā)生水平滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的間隙，表現(xiàn)在曲線上為水平段?？辜袈菟ㄟB接受力后，首先由構(gòu)件間的摩擦力來傳遞外力。當(dāng)外力增大超過極限摩擦力后，構(gòu)件間相對滑移，螺桿開始接觸構(gòu)件的孔壁而受剪，孔壁則受壓。單個螺栓抗剪試驗結(jié)果20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算NδO1234abNN/2N/2(3)栓桿傳力的彈性階段(2~3段)

該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力。栓桿受剪力、拉力、彎矩作用，孔壁受擠壓。由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導(dǎo)致的板件間摩擦力的增大，N-δ關(guān)系以曲線狀態(tài)上升。

(4)彈塑性階段(3~4段)

達到‘3’后，即使給荷載以很小的增量，連接的剪切變形迅速增大，直到連接破壞?！?’點（曲線的最高點）即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算栓桿傳力的彈性階段：外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受擠壓傳遞，內(nèi)力分布不均；

因此，當(dāng)外力作用于螺栓群中心時，在計算中認(rèn)為所螺栓受力是相同的。（a）塑性階段受力狀態(tài)（b）彈性階段受力狀態(tài)20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算彈塑性階段：內(nèi)力重分布，螺栓受力趨于均勻a)AB栓桿較細(xì)而板件較厚時螺栓桿剪斷b)BA栓桿較粗而板件較薄時孔壁擠壓c)A截面削弱過多時鋼板被拉斷d)35o35oa1A端矩過小時；端矩≥2d0鋼板剪斷e)A板過厚螺栓桿過長；栓桿長度＜5d螺栓彎曲20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算計算保證構(gòu)造保證剪力螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況，故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定：20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算單個剪力螺栓的設(shè)計承載力：受剪承載力設(shè)計值：承壓承載力設(shè)計值：d假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力均勻分布；假定擠壓力沿栓桿直徑平面（實際上是相應(yīng)于栓桿直徑平面的孔壁部分）均勻分布驗算：抗剪承載力設(shè)計值：承壓承載力設(shè)計值：t1<t2

,Σt=t1t1t2t1t2t3t2<t1+t3

,Σt=t2d+b<a+c+e

,Σt=b+d螺栓直徑承壓設(shè)計強度剪面數(shù)目螺栓抗剪設(shè)計強度承壓構(gòu)件一側(cè)總厚度的較小值一個抗剪螺栓的承載力設(shè)計值：20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算連接長度越大，螺栓受力越不均勻，當(dāng)連接長度l1>15d0時，應(yīng)將螺栓的承載力乘以折減系數(shù)。20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算2.抗拉螺栓連接一個拉力螺栓的承載力設(shè)計值：de—螺栓的有效直徑，取值見附表4-5；[σtb]—螺栓抗拉容許應(yīng)力，見附表4-2。20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算螺栓受拉時，外力會使被連接構(gòu)件的接觸面互相脫開而使螺栓受拉，最后螺桿被拉斷而破壞；假定拉應(yīng)力在螺栓截面上均勻分布；三、螺栓群的計算1.螺栓群在軸心力作用下的抗剪計算軸力N由每個螺栓平均分擔(dān)，連接一側(cè)所需螺栓數(shù)為：N/2Nl1N/220.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算螺栓孔削弱了受拉鋼板的截面面積，因此還需對板件進行強度驗算，強度計算公式為：20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算螺栓排列為錯列時：危險截面1-1（正交截面）、2-2（折線截面）An=min{A1-1，A2-2}20.2普通螺栓連接的構(gòu)造和計算n1為危險截面1-1（正交截面）上的螺栓數(shù)、n2為危險截面2-2（折線截面）上的螺栓數(shù)。一、高強度螺栓連接的性能20.3高強度螺栓的連接性能和計算強度等級采用鋼材8.8級45號鋼、40B鋼10.9級20MnTiB鋼、35VB鋼按材料分類按受力特征分類受力特征承載力極限狀態(tài)安裝孔徑應(yīng)用特點摩擦型外力達到板件摩擦力d0=d+1.5~2剪切變形小，耐疲勞，動載下不易松動承壓型外力超過摩擦力栓桿受剪板件承壓d0=d+1.0~1.5承載力比摩擦型大，剪切變形大，一般不用于直接動載情況1.高強度螺栓的預(yù)拉力①大六角頭螺栓的預(yù)拉力控制方法有：

a.力矩法初擰——用力矩扳手?jǐn)Q至終擰力矩的30%~50%，使板件貼緊密；終擰——初擰基礎(chǔ)上，按100%設(shè)計終擰力矩擰緊。

特點：簡單、易實施，但得到的預(yù)拉力誤差較大。為了保證通過摩擦力傳遞剪力，高強度度螺栓的預(yù)拉力P的準(zhǔn)確控制非常重要。b.轉(zhuǎn)角法

初擰——用普通扳手?jǐn)Q至不動，使板件貼緊密；

終擰——初擰基礎(chǔ)上用長扳手或電動扳手再擰過一定的角度，一般為120o~180o完成終擰。

特點：預(yù)拉力的建立簡單、有效，但要防止欠擰、漏擰和超擰。大六角頭型20.3高強度螺栓的連接性能和計算②扭斷螺栓桿尾部法（扭剪型高強度螺栓）初擰——擰至終擰力矩的60%~80%；終擰——初擰基礎(chǔ)上，以扭斷螺栓桿尾部為準(zhǔn)。特點：施工簡單、技術(shù)要求低易實施、質(zhì)量易保證等。高強螺栓的預(yù)拉力設(shè)計