水工鋼結(jié)構(gòu)課程

水工鋼結(jié)構(gòu)課程第1頁/共92頁焊縫連接第2頁/共92頁螺栓連接第3頁/共92頁鉚釘連接第4頁/共92頁鋼結(jié)構(gòu)連接方法的優(yōu)缺點

費工費料傳力可靠，塑性韌性好，質(zhì)量易于檢查，抗動力荷載性能好鉚釘連接摩擦面處理及安裝工藝復(fù)雜，造價高加工方便，對結(jié)構(gòu)削弱少，可拆換，能承受動力荷載，耐疲勞，塑性韌性好高強螺栓螺栓精度低時不宜受剪，精度高時加工和安裝難度大裝卸便利，設(shè)備簡單普通螺栓螺栓連接對材質(zhì)要求高，產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，質(zhì)量檢驗工作量大適應(yīng)性強，構(gòu)造簡單，省材省工，密封性好,工效高,不削弱結(jié)構(gòu)焊縫連接缺點優(yōu)點連接方法第5頁/共92頁第二節(jié)焊接方法和焊縫強度按焊接方法不同分類：熔化焊：將主體金屬在連接處局部加熱至熔融狀態(tài)，并附加融化的填充金屬使金屬分子相互結(jié)合而形成整體。又分為電弧焊和氣焊等。電阻焊：將金屬通電后由接觸面上的電阻使接頭加熱到塑形狀態(tài)或局部熔融狀態(tài)，并施加壓力形成接頭。鋼結(jié)構(gòu)中主要使用電弧焊。第6頁/共92頁第二節(jié)焊接方法和焊縫強度一、電弧焊的原理和焊接方法電弧焊（手工焊、自動焊、半自動焊）1、手工電弧焊：采用低電壓、大電流引燃電弧，使焊條和焊件之間產(chǎn)生很大熱量和強烈弧光，利用電弧熱來融化焊件接頭和焊條進行焊接。第7頁/共92頁焊條材料和型號焊條是由金屬焊芯和藥皮兩部分所組成的。焊條的型號應(yīng)與焊件鋼材強度相適應(yīng)。Q235鋼用E43，Q345用E50，Q390和Q420用E55。其中43、50和55分別表示焊條熔覆金屬或者對接焊縫的抗拉強度為420N/mm2、490N/mm2和540N/mm2。焊芯的作用：是作為電極和填充金屬。藥皮的作用：穩(wěn)定電弧；隔離空氣；減緩冷卻；改善焊縫性能。第8頁/共92頁第9頁/共92頁焊劑層下自動焊示意圖2、焊劑層下的自動焊和半自動焊優(yōu)點：①生產(chǎn)率高②焊縫質(zhì)量高③節(jié)約焊條④技術(shù)易掌握缺點：①焊前裝配要求嚴格②受制于自動焊車軌道《焊接方法及設(shè)備》機械工業(yè)出版社畢惠琴主編第10頁/共92頁二氧化碳氣體保護焊過程示意圖

是利用二氧化碳氣體作為保護介質(zhì)的一種自動和半自動的電弧焊方法。3、二氧化碳氣體保護焊優(yōu)點：①生產(chǎn)率高②焊接變形小③抗銹能力強④操作方便⑤二氧化碳氣體廉價缺點：①設(shè)備復(fù)雜，易生事故②弧光很強，注意保護③金屬熔滴易飛濺造成焊縫缺陷第11頁/共92頁第二節(jié)焊接方法和焊縫強度二、焊縫連接的缺陷、質(zhì)量檢驗

焊縫連接的缺陷指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或鄰近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷，常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透(不包括規(guī)定不焊透者)等；以及焊縫外形尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。

第12頁/共92頁二、焊縫連接的缺陷、質(zhì)量檢驗其中裂紋的危害最大第13頁/共92頁二、焊縫連接的缺陷、質(zhì)量檢驗第14頁/共92頁二、焊縫連接的缺陷、質(zhì)量檢驗焊縫質(zhì)量檢驗

外觀檢查:檢查外觀缺陷和幾何尺寸。無損檢驗：檢查內(nèi)部缺陷。①超聲波檢驗②X射線透照第15頁/共92頁二、焊縫連接的缺陷、質(zhì)量檢驗焊縫質(zhì)量檢驗焊縫的級別①三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查，符合三級質(zhì)量標準；②二級焊縫要求通過外觀檢查和超聲波檢驗，其中要求超聲波檢驗每條焊縫的20%長度；③一級焊縫則要求通過外觀檢查和全部超聲波檢驗及必要的X射線檢驗,對抗動力和疲勞性能有較高要求處可采用一級焊縫。第16頁/共92頁三、焊縫連接的型式

（1）按構(gòu)件的相對位置分

分為對接、搭接、頂接

（2）按構(gòu)造分分為對接焊縫和角焊縫

第17頁/共92頁三、焊縫連接的型式

對接焊縫按作用力的方向可分為直縫和斜縫

角焊縫按作用力的方向可分為側(cè)縫和端縫

第18頁/共92頁三、焊縫連接的型式第19頁/共92頁三、焊縫連接的型式第20頁/共92頁四、焊縫的強度設(shè)計值

焊縫強度主要決定于焊縫金屬和主體金屬的強度。并與焊接形式、應(yīng)力集中程度以及焊接工藝條件等有密切關(guān)系。對接焊縫的抗壓、抗剪強度設(shè)計值與母材相同；抗拉強度設(shè)計值：Ⅰ、Ⅱ級質(zhì)量檢驗焊縫與母材相同；Ⅲ級質(zhì)量檢驗焊縫約取母材的85%即可。角焊縫中側(cè)面焊縫的強度低，正面焊縫的強度高，斜焊縫的強度介于兩者之間。但是由于角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，抗拉、抗剪和抗壓不分焊縫質(zhì)量檢驗等級而采用相同的強度設(shè)計值。第21頁/共92頁四、焊縫的強度設(shè)計值（表3-1）

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》

N/mm2第22頁/共92頁第三節(jié)對接焊縫的構(gòu)造和計算一、對接焊縫的構(gòu)造

優(yōu)點

用料經(jīng)濟，傳力平順均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中，對于承受動力荷載作用的焊接結(jié)構(gòu)，采用對接焊縫最為有利。缺點

對接焊縫的焊件邊緣需要進行坡口加工，焊件長度必須精確，施焊時焊件要保持一定的間隙。第23頁/共92頁一、對接焊縫的構(gòu)造第三節(jié)對接焊縫的構(gòu)造和計算圖3-7對接焊縫的坡口形式及符號根據(jù)板厚及焊接方法不同加工成不同的坡口第24頁/共92頁一、對接焊縫的構(gòu)造板厚相差超過四毫米時引弧板：影響計算長度有引弧板lw=l無引弧板lw=l-2t（t為較小焊件厚度）第25頁/共92頁（1）軸心受力的對接直焊縫計算

二、對接焊縫的強度計算第26頁/共92頁例題3-1

：Q235－F鋼板截面為500mm×14mm，采用手工焊條E43型(按Ⅲ級焊縫質(zhì)量檢驗)，試按下列情況設(shè)計對接焊縫:①鋼板承受軸心拉力N=1300kN，②按鋼板最大承載力設(shè)計軸心拉力和焊縫等級。

單位：mm課堂練習(xí)：習(xí)題3-1第27頁/共92頁鋼材的強度設(shè)計值(表2-4)焊縫的強度設(shè)計值（表3-1）第28頁/共92頁（2）對接焊縫承受彎矩和剪力二、對接焊縫的強度計算Iw：焊縫截面對中和軸慣性矩。Ww：截面抵抗矩：截面對其形心軸的慣性矩與界面上所求點到形心軸距離比值。Sw：所求應(yīng)力點以上或者以下焊縫截面對中和軸的面積矩。第29頁/共92頁例題3-2

：驗算Q235熱軋普通工字鋼I20a的對接焊縫強度。對接截面承受彎矩M=45kN.m,剪力V=80kN，采用手工焊焊條E43型(按Ⅱ級焊縫質(zhì)量檢驗)。單位：mm小問題:關(guān)于引弧板，題目中沒說但書上答案按有引弧板做的。。。。。第30頁/共92頁（3）對接焊縫承受彎矩、剪力和軸心力對接焊縫承受彎矩、剪力和軸心力共同作用時，焊縫正應(yīng)力為彎矩和軸心力引起的應(yīng)力之和（a）驗算，剪應(yīng)力仍按式(b)驗算，需要驗算折算應(yīng)力時按式（c）進行驗算。

二、對接焊縫的強度計算第31頁/共92頁例題3-2

：驗算Q235熱軋普通工字鋼I20a的對接焊縫強度。對接截面承受彎矩M=45kN.m,剪力V=80kN，拉力N=50KN，采用手工焊焊條E43型(按Ⅱ級焊縫質(zhì)量檢驗)。焊接過程中使用引弧板。單位：mm練習(xí)第32頁/共92頁作業(yè)習(xí)題3-2下次上課前交3-2提示：先把T型焊縫算成無引弧板的長度再算；圖中焊縫中和軸位置計算不正確第33頁/共92頁第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接第四節(jié)角焊縫連接的構(gòu)造和計算第34頁/共92頁第四節(jié)角焊縫連接的構(gòu)造和計算

一、受力特征和構(gòu)造要求

1、角焊縫按其受力方向和位置分為：

側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）

正面焊縫（端焊縫）兩者聯(lián)合使用稱為圍焊縫第35頁/共92頁一、受力特征和構(gòu)造要求hf:焊腳尺寸經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，焊縫破壞形式為剪切破壞，發(fā)生在三角形最小厚度平面。焊縫的有效厚度：

普通式平坡式深熔式直角角焊縫第36頁/共92頁一、受力特征和構(gòu)造要求2、角焊縫的構(gòu)造要求1）考慮焊口影響，計算長度取實際長度減去2hf。即lw=l-2hf2）最小焊腳尺寸，為較厚焊件厚度（mm）。自動焊時減小1mm,T形連接單面焊時增加1mm。當時，用。

第37頁/共92頁一、受力特征和構(gòu)造要求3）最大焊腳尺寸，是薄焊件厚度（mm）。對板邊焊縫還應(yīng)滿足，為板件厚(mm)。第38頁/共92頁一、受力特征和構(gòu)造要求4）側(cè)焊縫，為減輕剪應(yīng)力分布不均勻的程度，對計算最大值加以限制，受靜荷載時；受動荷載時，（超過部分計算不考慮）。第39頁/共92頁一、受力特征和構(gòu)造要求5）最小焊縫計算長度及。6）在端焊縫的搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的五倍，且不小于25mm。第40頁/共92頁二、角焊縫的符號第41頁/共92頁三、角焊縫的強度計算1、角焊縫計算的基本公式

對最薄弱面進行受力分析：受平面內(nèi)的應(yīng)力和豎直向上的應(yīng)力，

可再分解為和按第四強度理論有：第42頁/共92頁1、角焊縫計算的基本公式

帶入公式整理得：令為正面焊接強度的增大系數(shù)，等于第43頁/共92頁三、角焊縫的強度計算2、軸心力（拉、壓）作用時連接計算

對于側(cè)焊縫，只有平行于焊縫長度方向的軸心力Ny承受靜力荷載或間接承受動力荷載，取為1.22；直接承受動力荷載時取為1.0對于正面焊縫，只有垂直于焊縫長度方向的軸心力Nx第44頁/共92頁例題：兩Q235鋼材，板厚都為10mm，所受拉力為400KN，采用角焊縫形式進行焊接，若分別采用側(cè)焊縫和端焊縫，試分別設(shè)計這兩類焊縫。第45頁/共92頁三、角焊縫的強度計算2、軸心力（拉、壓）作用時連接計算

先計算正面焊縫所能承受的最大Nmax再按照N-Nmax驗算側(cè)面焊縫Nmax是平均分配在兩側(cè)焊縫上的第46頁/共92頁三、角焊縫的強度計算2、軸心力（拉、壓）作用時連接計算

肢背焊縫承擔(dān)N1=k1N;肢尖焊縫承擔(dān)N2=k2N第47頁/共92頁例題3-3

桁架腹桿的拉力為470kN，其截面由兩個等肢角鋼(2L75×8)組成，節(jié)點板厚10mm。試選擇該桿件截面尺寸，并設(shè)計角焊縫的連接。鋼材標號為Q235-F，焊條標號E43。第48頁/共92頁作業(yè)習(xí)題3-3下次上課前交第49頁/共92頁三、角焊縫的強度計算3、彎矩、剪力和軸力共同作用T型連接計算Ww：角焊縫有效截面模量Aw：角焊縫有效截面積第50頁/共92頁例題3-4驗算例圖3-4中牛腿與柱的角焊縫連接強度。牛腿與柱的鋼材用Q345鋼，P為靜載，手工焊焊條用E50。

第51頁/共92頁三、角焊縫的強度計算4、扭矩、剪力共同作用下搭接連接計算

為什么受扭矩？各焊縫到力P距離不等！！第52頁/共92頁三、角焊縫的強度計算4、扭矩、剪力共同作用下搭接連接計算

假定：

1）構(gòu)件是剛性的，角焊縫是彈性的；

2）構(gòu)件繞形心O轉(zhuǎn)動，角焊縫任意點的應(yīng)力方向垂直于該點與形心的連線，應(yīng)力的大小與其距離r的大小成正比。第53頁/共92頁例題3-5

牛腿和柱的搭接構(gòu)造如圖例3-5所示，焊縫厚度，鋼材為Q235，手工焊焊條用E43。驗算牛腿角圍焊縫所能承受的最大荷載P。第54頁/共92頁第五節(jié)焊接應(yīng)力和焊接變形

一、焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因1、原因：電弧對鋼板的不均勻加熱將沿焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力，以σx表示；將垂直于焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力，以σy表示；對厚度方向上的殘余應(yīng)力以σz表示。第55頁/共92頁

一、焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因2、縱向焊接應(yīng)力

平板對接時焊縫上縱向應(yīng)力沿焊縫長度方向上的分布（此圖對于低碳鋼適用，焊縫足夠長）第五節(jié)焊接應(yīng)力和焊接變形

第56頁/共92頁不同尺寸、不同截面上縱向殘余應(yīng)力σx的分布

（對于低碳鋼適用）第57頁/共92頁不同材料上縱向殘余應(yīng)力在橫截面上的分布焊縫縱向應(yīng)力沿板材橫向上的分布a)低碳鋼b)低合金鋼高溫區(qū)拉應(yīng)力低溫區(qū)壓應(yīng)力第58頁/共92頁

一、焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因

3、橫向焊接應(yīng)力=①+②

①焊縫沿縱向收縮時，兩塊鋼板會向外彎曲成弓形，這種趨勢被焊條金屬所阻止；②后焊部分對先焊部分的橫向拉應(yīng)力第59頁/共92頁

一、焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因

4、厚度方向焊接應(yīng)力

與上述兩種應(yīng)力形成了三向同號拉應(yīng)力場使焊縫工作極為不利第60頁/共92頁二、焊接殘余應(yīng)力和變形的危害性及解決措施

第61頁/共92頁1、減少或消除焊接殘余應(yīng)力的措施(1)設(shè)計角度，盡量避免三向拉應(yīng)力的情況(2)制造方面，采取適當?shù)暮附哟涡?/p>

焊縫較厚時采用分層焊，焊縫較長時采用分段焊(3)盡可能采用對稱焊縫第62頁/共92頁2、減少或消除焊接變形的措施(1)施焊前使構(gòu)件有一個和焊接變形相反的預(yù)變形

(2)采用合理的裝配和焊接順序(3)對于小尺寸的桿件，可在焊前預(yù)熱，或焊后回火加熱到600℃左右，然后緩慢冷卻，可消除焊接變形。(4)機械矯正：錘擊法第63頁/共92頁第六節(jié)

螺栓連接一、概述（一）螺栓的種類和特性普通螺栓粗制螺栓，精致螺栓

高強螺栓

摩擦型、承壓型

錨固螺栓第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接第64頁/共92頁1、普通螺栓粗制螺栓（C級）：螺桿比栓孔直徑小1.0-1.5mm，安裝制造簡單，成本低，受剪時產(chǎn)生較大滑移，工作性能差精制螺栓（A級、B級）：桿徑與孔徑基本相同，間隙小，約0.3mm，表面光滑尺寸準確，成本高2、高強螺栓：用高強度鋼材制成，利用特制扳手擰緊，產(chǎn)生很大預(yù)拉力，傳遞到接觸面，產(chǎn)生很大摩擦力摩擦型：完全依靠被連接件之間的摩阻力傳力承壓型：由摩阻力和螺桿的剪力、承壓共同傳力3、錨固螺栓孔徑為桿徑的1.5倍，只能受拉，不能受剪第65頁/共92頁第六節(jié)

螺栓連接

（二）連接形式（對接、搭接、頂接）按受力分第66頁/共92頁第六節(jié)

螺栓連接二、普通螺栓連接的構(gòu)造和計算

（一）構(gòu)造

1、受力要求M16,M18,M20,M22,M24,M27,M30

2、構(gòu)造要求

3、施工要求同一種構(gòu)件中宜用同種螺栓；排列簡單緊湊，便于安裝

第67頁/共92頁二、普通螺栓連接的構(gòu)造和計算

（一）構(gòu)造

第68頁/共92頁表3-3螺栓連接的強度設(shè)計（N/mm2）4.6級的含義：4表示材料熱處理后的最低抗拉強度fu為400N/mm26表示屈服強度與最低抗拉強度的比值（屈強比）8.8級？第69頁/共92頁(二)普通螺栓連接的強度計算1、單個螺栓的承載力設(shè)計值抗剪螺栓螺栓被剪壞單個螺栓的抗剪承載力設(shè)計值普通螺栓的抗剪強度設(shè)計值鋼板被剪壞單個螺栓的承壓承載力設(shè)計值連接件中同一受力方向承壓鋼板總厚度的較小值螺栓的承壓強度設(shè)計值第70頁/共92頁(二)普通螺栓連接的強度計算2、板件受軸心力作用的抗剪螺栓連接計算（1）螺栓數(shù)目的確定（2）構(gòu)件凈截面強度計算假定剪力平均分配An：構(gòu)件凈截面積f：鋼板抗拉強度，表2-4第71頁/共92頁例題3-6

設(shè)計一截面為16mm×340mm的鋼板拼接連接，采用兩塊拼接板t=9mm和5.6級精制螺栓連接。鋼板和螺栓均用Q235鋼。鋼板承受軸心拉力N=750kN。第72頁/共92頁(二)普通螺栓連接的強度計算3、受扭矩和剪力作用的抗剪螺栓連接計算

假定：（1）鋼板是剛性的，螺栓是彈性的；（2）鋼板繞螺栓中心轉(zhuǎn)動，螺栓受的剪切力N與r成正比，且與r垂直。第73頁/共92頁例題3-7

驗算例圖3-7所示的搭接連接。一塊支托板用Q235-F鋼，支托板厚度t=10mm，其上作用力P=60kN，用M20的精制螺栓連接。

第74頁/共92頁(二)普通螺栓連接的強度計算4、受拉力、剪力和彎矩共同作用的螺栓連接計算單個螺栓的抗拉承載力設(shè)計值抗拉螺栓

單個螺栓抗拉承載力設(shè)計值螺紋內(nèi)徑，有效面積，附錄五螺栓抗拉強度設(shè)計值第75頁/共92頁(二)普通螺栓連接的強度計算4、受拉力、剪力和彎矩共同作用的螺栓連接計算（1）當螺栓單純受拉時，則連接所需螺栓數(shù)目為：單個螺栓抗拉承載力設(shè)計值假設(shè)各螺栓承受的拉力相等第76頁/共92頁4、受拉力、剪力和彎矩共同作用的螺栓連接計算

（2）螺栓同時承受剪力和拉力，根據(jù)試驗研究，螺栓還應(yīng)滿足相關(guān)公式還應(yīng)考慮板件被壓壞的情況：單個螺栓承受的剪力單個螺栓承受的拉力單個螺栓抗剪承載力設(shè)計值單個螺栓抗拉承載力設(shè)計值單個螺栓承壓承載力設(shè)計值第77頁/共92頁4、受拉力、剪力和彎矩共同作用的螺栓連接計算

（3）螺栓同時承受剪力和彎矩——剪力較小的情況②各螺栓繞最下面的螺栓轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)動中心）彎矩對于螺栓而言產(chǎn)生拉力拉力大小與該螺栓到轉(zhuǎn)動中心的距離成正比作用于螺栓上的最大拉力：①作用于螺栓上的剪力第78頁/共92頁4、受拉力、剪力和彎矩共同作用的螺栓連接計算

（3）螺栓同時承受剪力和彎矩——剪力較大的情況①剪力很大時，通常設(shè)置支托受剪，螺栓只收拉力②還應(yīng)驗算支托處角焊縫強度第79頁/共92頁例題3-8

梁和柱翼緣用普通粗制螺栓連接，如例圖3-8所示。連接處剪力V=258kN,彎矩M=37.6kN.m，梁端設(shè)有支托。鋼材為Q235-F，螺栓用M20，焊條E43，手工焊，試設(shè)計此連接。第80頁/共92頁作業(yè)習(xí)題3-7說明：3-7：Ⅰ類螺孔（5.6、8.8級螺栓）第81頁/共92頁三、高強度螺栓連接的構(gòu)造和計算（一）高強度螺栓連接的構(gòu)造和性能高強度螺栓

摩擦型：以作用的剪力等于最大摩阻力為連接的極限荷載承壓型：剪力超過摩阻力時，靠摩阻力、剪切和承壓力共同受力普通螺