第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接1焊縫連接

第3章鋼結(jié)構(gòu)的連接鋼結(jié)構(gòu)是由鋼構(gòu)件經(jīng)連接而成的結(jié)構(gòu),因此連接在鋼結(jié)構(gòu)總占有很重要的位置,它直接關(guān)系鋼結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟。在受力過程中，連接應(yīng)有足夠的強度，被連接構(gòu)件之間應(yīng)保持正確的相互位置。一、鋼結(jié)構(gòu)連接的基本方法焊接連接連接方式備注缺點優(yōu)點構(gòu)造簡單省工省料施工快速連接的密閉性好受材料和操作的影響大對鋼材材性要求較高最基本最廣泛施工簡單裝拆方便費料開孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高費料費工很少應(yīng)用塑性韌性好動力性能好傳力可靠螺栓連接鉚釘連接二、各連接方式的特點3.1焊接方法和焊接連接形式3.2角焊縫的構(gòu)造和計算3.3

對接焊縫的構(gòu)造和計算3.4

焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形3.5螺栓連接的構(gòu)造3.6C級普通螺栓連接的工作性能和計算3.7高強螺栓連接的工作性能和計算

手工電弧焊1.電弧焊

焊機導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護氣體焊件電弧3.1

焊接方法和焊接連接形式一、焊接方法原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

手工電弧焊Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--5518)Q345鋼選擇E50型焊條(E5000--5048)B、焊條的表示方法第1、2位數(shù)字為熔融金屬的最小抗拉強度（kgf/mm2)第3、4適用焊接位置、電流及藥皮的類型。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強度鋼材相適應(yīng)的焊條。Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)

A、焊條的選擇缺點：質(zhì)量波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，效率低。優(yōu)點：方便，特別在高空和野外作業(yè)，小型焊接；C、優(yōu)、缺點

自動、半自動埋弧焊、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動焊A、焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強度。B、優(yōu)、缺點：優(yōu)點：自動化程度高，焊接速度快，勞動強度低，焊接質(zhì)量好。缺點：設(shè)備投資大，施工位置受限等。2.氣體保護焊焊接速度快，熔化深度大

可手工焊，也可自動化操作

目前工廠很常用的焊接方法

室外施焊要有避風措施，防止氣孔、焊接缺陷二、焊縫連接的形式

1、按焊縫的構(gòu)造分角焊縫被連接板件2對接焊縫對接焊縫被連接板件1對接焊縫,角焊縫2、按兩焊件的相對位置分

3、對接焊縫按受力與焊縫方向分a）直縫：作用力方向與焊縫方向正交b）斜縫：作用力方向與焊縫方向斜交

4、角焊縫按受力與焊縫方向分a）端縫：作用力方向與焊縫長度方向垂直b）側(cè)縫：作用力方向與焊縫長度方向平行c)斜縫:作用力與焊縫長度方向斜交角焊縫的種類Na)Nb)θNc)5、按焊縫連續(xù)性a）連續(xù)焊縫：受力較好b）斷續(xù)焊縫：易發(fā)生應(yīng)力集中

6、按施工位置俯焊、立焊、橫焊、仰焊其中以俯焊施工位置最好，所以焊縫質(zhì)量也最好，仰焊最差。a)焊條俯焊d)仰焊b)立焊c)橫焊三、焊縫的缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗1.焊縫缺陷2.焊縫質(zhì)量檢驗四、焊縫代號作用表明焊縫型式、尺寸和輔助要求表示方法

由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成一、角焊縫的形式和構(gòu)造1.分類一正面角焊縫（端縫）側(cè)面角焊縫（側(cè)縫）斜向角焊縫3.2

角焊縫的構(gòu)造和計算直角角焊縫斜角角焊縫2.分類二一般采用（a）。但（a）應(yīng)力集中較嚴重，在承受動力荷載時采用（b）、（c）。直角角焊縫hehfhf(a)普通型hehf1.5hf(b)平坦型hehfhf(c)凹面型ab45°BACEDhfhfhe圖中

hf—焊腳尺寸（焊縫根角至焊縫外邊的尺寸），

he—焊縫有效厚度。并有

he=0.7hf，

he—總是450斜面上的最小高度。直角角焊縫斜角角焊縫

主要用于鋼管連接中我們主要討論直角焊縫（d）斜銳角焊縫d)e)（e）斜鈍角焊縫f)（f）斜凹面角焊縫

1）最大焊腳尺寸hf,max為了避免焊縫處局部過熱，減小焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，hf,max應(yīng)滿足以下要求:

hf,max≤1.2tmin（鋼管結(jié)構(gòu)除外）式中:tmin---較薄焊件厚度。t1tminhf對于板件邊緣的角焊縫,則應(yīng)滿足以下要求：

當t1≤6mm時，hf,max≤t1；當t1>6mm時，hf,max≤t1-(1~2)mm；hftmint13.角焊縫的構(gòu)造要求2）最小焊腳尺寸hf,min

為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

式中:tmax----較厚焊件厚度

另:對于埋弧自動焊hf,min可減去1mm;

對于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當tmax≤4mm時,hf,min=t3）側(cè)面角焊縫的最大計算長度受靜力荷載受動力荷載

側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長度越長，應(yīng)力集中系數(shù)越大。如果焊縫長度不是太大，焊縫兩端達到屈服強度后，繼續(xù)加載，應(yīng)力會漸趨均勻；當焊縫長度達到一定的長度后，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：4）側(cè)面角焊縫的最小計算長度

對于焊腳尺寸大而長度小的焊縫，焊件局部加熱嚴重且起落弧坑相距太近，以及可能產(chǎn)生缺陷，使焊縫不可靠。故為了使焊縫具有一定的承載力，規(guī)范規(guī)定：5）搭接連接的構(gòu)造要求

當板件端部僅采用兩條側(cè)面角焊縫連接時：

A、為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，規(guī)范規(guī)定：B、為了避免橫向收縮時引起板件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)定：t1t2bD.在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度

的5倍，且不得小于25mm。

C.當角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hf

焊縫是一塊體，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，計算時把直角三角形以外的部分去掉，按有效厚度he確定最危險截面（順著焊縫方向的平面），通常稱為有效截面，對有效截面進行驗算。hfdcbadcbahehfhfhfhe有效截面——焊縫兩焊腳面交線（aa）與有效厚度he組成的截面（下圖中adda）。二、角焊縫的工作性能及強度（1）側(cè)焊縫

這些剪應(yīng)力實際分布不均。試驗表明兩頭大中間小?？紤]到出現(xiàn)塑性后應(yīng)力重分布，規(guī)范規(guī)定在焊縫長度范圍內(nèi)按均勻分布計算。NNN

N

有效截面上只有與焊縫長度方向平行的剪應(yīng)力

。（2）端（正面）焊縫N/2B2NAB1N/2abcN/2B2NAN/2N/2⊥⊥有效截面上與焊縫長度方向垂直的正應(yīng)力⊥和剪應(yīng)力⊥。正面角焊縫剛度大，破壞時變形小，強度比側(cè)縫高，但塑性變形能力比側(cè)縫小，常呈脆性破壞。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，強度條件計算：ffw—角焊縫的設(shè)計強度。=/=/∥=代入上式得(f)2僅側(cè)面角焊縫（圖a）僅正面角焊縫（圖b）1.軸心力（拉力、壓力和剪力）作用下角焊縫的計算

三、角焊縫的計算三面圍焊時（圖c）先計算計算正面角焊縫受力N1，剩余的N－

N1由側(cè)面角焊縫承擔。菱形拼接板（圖d）簡化計算不計正面及斜焊縫的f：A、僅采用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw22.軸心力作用下，角鋼與節(jié)點板連接的角焊縫計算

對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形圍焊對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1xxN3lw1a)形心MNVo1有效截面AABB焊縫受M、V、N作用3.彎矩、剪力、軸力共同作用下的頂接連接角焊縫b)1VNM剪力V與焊縫軸線平行，在有效截面上產(chǎn)生均勻分布剪應(yīng)力。

軸力N與焊縫軸線垂直，形成垂直于焊縫方向的均勻分布應(yīng)力fNa)形心MNVo1有效截面c)XXlwf=在M作用下，有效截面上產(chǎn)生垂直于焊縫方向且按三角形分布的應(yīng)力fMa)形心MNVo1有效截面AABBc)XXlw有效截面b)1

We—角焊縫有效截面繞x軸的抵抗矩在1點處，有垂直于焊縫長度方向的最大應(yīng)力f，且

角焊縫計算的一般公式牛腿在彎矩、剪力共同作用下的角焊縫連接4.承受扭矩剪力軸心力作用三面圍焊角焊縫計算按彈性理論假定：被連接件是絕對剛性的，它有繞焊縫形心O旋轉(zhuǎn)的趨勢，而角焊縫本身是彈性的；角焊縫群上任一點的應(yīng)力方向垂直于該點與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長度r成正比。

扭矩T引起的剪應(yīng)力最大在A點最大，A點為設(shè)計控制點NC=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）3.4

對接焊縫的構(gòu)造和計算一、對接焊縫的構(gòu)造應(yīng)用：板厚為tt≤10mm

時，用a）、b)、

工字形

t=10～20mm時，用c）、d)單邊V、V字形

t＞20mm時，用e)、f)

X、K、U字形墊板墊板墊板加墊板的坡口為防止熔化金屬流淌必要時可在坡口下加墊板（1）起落弧處易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工復(fù)雜，除承受動力荷載外，一般不用，計算時將焊縫長度兩端各減去t(t為較薄焊件的厚度)。對接焊縫的構(gòu)造處理引弧板b（2）變厚度板或變寬度板對接，在板的一面或兩面切成坡度不大于1：2.5的斜面，避免應(yīng)力集中。對接焊縫分為：焊透和部分焊透兩種；動荷載作用下部分焊透的對接焊縫不宜用做垂直受力方向的連接焊縫；對于靜載作用下的一級和二級對接焊縫其強度可視為與母材相同，不與計算。三級焊縫需進行計算；對接焊縫可視作焊件的一部分，故其計算方法與構(gòu)件強度計算相同。二、對接焊縫的計算NNtN（1）直焊縫

1、受軸心力作用的對接焊縫

（2）斜焊縫

2、受彎矩和剪力共同作用的對接焊縫

MMVVlwtlwt驗算截面

分別驗算、（1）矩形截面（2）工字形截面MMVV驗算截面.1

問題特點：在腹板和翼緣連接處（1點），、均較大。還要用最大折算應(yīng)力進行檢算。

1、1—受拉區(qū)1點的正應(yīng)力、剪應(yīng)力。系數(shù)1.1考慮折算應(yīng)力發(fā)生在焊縫局部，設(shè)計強度提高10%。

折算應(yīng)力驗算公式：規(guī)范規(guī)定：在對接接頭和T形接頭中，承受彎矩和剪力共同作用的對接焊縫或角接組合焊縫，其正應(yīng)力和剪應(yīng)力應(yīng)分別進行計算，但在同時受有較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力處，應(yīng)計算折算應(yīng)力。與構(gòu)件母材強度計算方法相同采用一般的材料力學、彈性力學計算公式一級、二級檢驗的對接焊縫強度可與母材等強，可不驗算小結(jié)§3.4

焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘余應(yīng)力的分類及其產(chǎn)生的原因

1.焊接殘余應(yīng)力的分類

A、縱向焊接殘余應(yīng)力—沿焊縫長度方向;B、橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面;C、沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面。

2.焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）縱向焊接殘余應(yīng)力焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫處可達1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達到屈服強度。焊接殘余應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++（2）橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:1、焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為，橫向焊接殘余應(yīng)力。(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力σx,σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力σz，這三種應(yīng)力形成同號(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響1、對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當板件全截面達到fy，即N=Ny時：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的靜力強度沒有影