鋼結(jié)構(gòu)的連接焊接

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的連接焊接大綱要求1.了解鋼結(jié)構(gòu)連接的種類及各自的特點；2.了解焊接連接的工作性能，掌握焊接連接的計算方法及構(gòu)造要求；3.了解焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因及其對結(jié)構(gòu)工作的影響；4.了解螺栓連接的工作性能，掌握螺栓連接的計算和構(gòu)造要求。第2頁,共120頁，星期六，2024年，5月一、焊縫連接

§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法對接焊縫連接(buttwelding)【優(yōu)點】不削弱截面，方便施工，連接剛度大；【缺點】材質(zhì)易脆，存在殘余應(yīng)力，對裂紋敏感。角焊縫連接(filletwelding)

第3頁,共120頁，星期六，2024年，5月三、螺栓連接

【優(yōu)點】連接剛度大，傳力可靠；分為：普通螺栓連接高強度螺栓連接二、鉚釘連接N【缺點】對施工技術(shù)要求很高，勞動強度大，施工條件差，施工速度慢。第4頁,共120頁，星期六，2024年，5月一、鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法1.手工電弧焊A、焊條的選擇：

焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)。原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

§3.2焊接方法和焊接連接形式

焊機導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護氣體焊件電弧第5頁,共120頁，星期六，2024年，5月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：E—焊條(Electrode)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?！救秉c】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；Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)C、優(yōu)、缺點第6頁,共120頁，星期六，2024年，5月2.埋弧焊（自動或半自動）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動焊第7頁,共120頁，星期六，2024年，5月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。送絲器機器第8頁,共120頁，星期六，2024年，5月3.氣體保護焊優(yōu)、缺點：【優(yōu)點】焊接速度快，焊接質(zhì)量好?！救秉c】施工條件受限制等。第9頁,共120頁，星期六，2024年，5月鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理DesignPrinciplesofSteelStructure*構(gòu)造簡單，任何形式的構(gòu)件都可直接相連；*用料經(jīng)濟，不削弱截面；*制作加工方便，可實現(xiàn)自動化操作；*連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好。

焊接的缺點*焊縫附近有熱影響區(qū)，鋼材的金相組織發(fā)生改變，導(dǎo)致局部材質(zhì)變脆；*焊接的殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞、降低壓桿穩(wěn)定的臨界荷載，殘余變形使結(jié)構(gòu)形狀、尺寸發(fā)生變化；*焊接裂縫一經(jīng)發(fā)生，便容易擴展到整體；*低溫冷脆問題較為突出。焊接的優(yōu)點小結(jié)第10頁,共120頁，星期六，2024年，5月二、焊接連接形式和焊縫形式1.焊接連接形式搭接角部連接對接T型連接第11頁,共120頁，星期六，2024年，5月鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理DesignPrinciplesofSteelStructure對接焊縫按受力與焊縫方向分：

1）正對接焊縫(a)：作用力方向與焊縫方向正交。

2）斜對接焊縫(b)：作用力方向與焊縫方向斜交。

角焊縫按受力與焊縫方向分：

1）正面角焊縫(c)：作用力方向與焊縫長度方向垂直。

2）側(cè)面角焊縫(c)：作用力方向與焊縫長度方向平行。

3）斜焊縫（c）：作用力方向與焊縫方向斜交。分為對接焊縫和角焊縫。2.焊縫形式第12頁,共120頁，星期六，2024年，5月（1）對接焊縫正對接焊縫（2）角焊縫T型對接焊縫斜對接焊縫第13頁,共120頁，星期六，2024年，5月3.焊縫位置第14頁,共120頁，星期六，2024年，5月三、焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢查1.焊縫缺陷(welddefect)

焊縫缺陷指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。

常見的缺陷有裂紋(crack)、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔(porosity)、夾渣(slaginclusion)、咬邊(undercut)、未熔合、未焊透(lackofpenetration)等；以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。

第15頁,共120頁，星期六，2024年，5月第16頁,共120頁，星期六，2024年，5月2.焊縫質(zhì)量檢查外觀檢查(visualinspection)：檢查外觀缺陷和幾何尺寸；內(nèi)部無損檢驗(non-destructiontest)

：檢驗內(nèi)部缺陷。注:內(nèi)部檢驗主要采用超聲波(ultrasonicinspection)

，有時還用磁粉檢驗(magneticparticle)熒光檢驗等輔助檢驗方法。還可以采用X射線(X-radiography)或γ射線透照或拍片。第17頁,共120頁，星期六，2024年，5月《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定：

焊縫按其檢驗方法和質(zhì)量要求分為一級、二級和三級。

三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

一、二級焊縫除外觀檢查外，尚要求一定數(shù)量的超聲波檢驗并符合相應(yīng)級別的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。第18頁,共120頁，星期六，2024年，5月

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017--2003）中，對焊縫質(zhì)量等級的選用有如下規(guī)定：

(1)需要進行疲勞計算的構(gòu)件中，垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p受拉時應(yīng)為一級，受壓時應(yīng)為二級。3.焊縫質(zhì)量等級及選用(2)在不需要進行疲勞計算的構(gòu)件中，凡要求與母材等強的受拉對接焊縫應(yīng)不低于二級；受壓時宜為二級。第19頁,共120頁，星期六，2024年，5月

（３）重級工作制和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的Ｔ形接頭焊透的對接與角接組合焊縫，不應(yīng)低于二級。（４）角焊縫質(zhì)量等級一般為三級，直接承受動力荷載且需要驗算疲勞和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級工作制吊車梁的角焊縫的外觀質(zhì)量應(yīng)符合二級。第20頁,共120頁，星期六，2024年，5月第21頁,共120頁，星期六，2024年，5月4.焊縫代號(weldingsymbol)

第22頁,共120頁，星期六，2024年，5月hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式1、角焊縫的形式:一、角焊縫的形式和受力分析§3.3角焊縫的構(gòu)造與計算直角角焊縫、斜角角焊縫（1）直角角焊縫hehfhf凹面式第23頁,共120頁，星期六，2024年，5月（2）斜角角焊縫對于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外,不宜用作受力焊縫。第24頁,共120頁，星期六，2024年，5月（1）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）2.直角角焊縫的受力分析第25頁,共120頁，星期六，2024年，5月試驗表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力，強度相對較低，塑性性能較好。因外力通過焊縫時發(fā)生彎折，故剪應(yīng)力沿焊縫長度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻。剪應(yīng)力τfA.應(yīng)力分析NlwN第26頁,共120頁，星期六，2024年，5月B.

破壞形式第27頁,共120頁，星期六，2024年，5月（2）正面角焊縫第28頁,共120頁，星期六，2024年，5月A.應(yīng)力分析正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑性較差，但強度較高，與側(cè)面角焊縫相比可高出35%--55%以上。第29頁,共120頁，星期六，2024年，5月B.正面角焊縫的破壞形式第30頁,共120頁，星期六，2024年，5月（3）斜角焊縫斜焊縫的受力性能介于側(cè)面角焊縫和正側(cè)面角焊縫之間。第31頁,共120頁，星期六，2024年，5月二、角焊縫的構(gòu)造

1、最大焊腳尺寸hf,max(legsize)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≤1.2t1（鋼管結(jié)構(gòu)除外）式中:t1---較薄焊件厚度。tt1hf對于板件邊緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：當(dāng)t≤6mm時，hf,max≤t；當(dāng)t>6mm時，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t第32頁,共120頁，星期六，2024年，5月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:t2----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(dāng)t2≤4mm時,hf,min=t2第33頁,共120頁，星期六，2024年，5月3.側(cè)面角焊縫的最大計算長度側(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(dāng)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：注：

1、當(dāng)實際長度大于以上值時，計算時不與考慮；

2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長分布時，不受上式限制。第34頁,共120頁，星期六，2024年，5月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(yán)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：第35頁,共120頁，星期六，2024年，5月5.搭接連接的構(gòu)造要求當(dāng)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、為了避免焊縫橫向收縮時引起板件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)定：t1t2b第36頁,共120頁，星期六，2024年，5月D.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(dāng)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。b2hft1t2第37頁,共120頁，星期六，2024年，5月三、直角角焊縫的強度計算公式

1、試驗表明，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，故通常將45o截面作為計算截面，作用在該截面上的應(yīng)力如下圖所示：σ┻hfhehh1h2deτ┻τ∥helwh---焊縫厚度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根第38頁,共120頁，星期六，2024年，5月

焊腳尺寸

(legsize)

：hfd

c

b

a

dcbahehfhf試驗表明，直角角焊縫的破壞常沿有效厚度方向發(fā)生。

有效厚度(throatthickness)：

he（＝0.7hf）

焊縫厚度：有效厚度+熔深+凸度

有效截面：有效厚度×計算長度(effectivelength)計算時假定有效截面上應(yīng)力均勻分布?！編讉€重要概念】焊縫破壞面第39頁,共120頁，星期六，2024年，5月【幾個重要概念】在外力作用下，直角角焊縫有效截面上有三個應(yīng)力：

—正應(yīng)力，與焊縫長度方向（面外垂直）

∥—剪應(yīng)力，與焊縫長度方向（面內(nèi)平行）

—剪應(yīng)力，與焊縫長度方向（面內(nèi)垂直）

第40頁,共120頁，星期六，2024年，5月2、實際上計算截面的各應(yīng)力分量的計算比較繁難，為了簡化計算，規(guī)范假定：焊縫在有效截面處破壞，且各應(yīng)力分量滿足以下折算應(yīng)力公式:

3、由于我國規(guī)范給定的角焊縫強度設(shè)計值，是根據(jù)抗剪條件確定的故上式又可表達為：式中：-焊縫金屬的抗拉強度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw┻┻∥第41頁,共120頁，星期六，2024年，5月4、直角角焊縫的強度實用計算公式：NNyNxσfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf

如圖所示承受互相垂直的Ny、Nx兩個軸心力作用的直角角焊縫，Ny垂直于焊縫長度方向產(chǎn)生平均應(yīng)力

f，其在有效截面上引起的應(yīng)力值為：第42頁,共120頁，星期六，2024年，5月

f

對于有效截面既不是正應(yīng)力也不是剪應(yīng)力，但可分解為

和

。┻┻∥第43頁,共120頁，星期六，2024年，5月將3—3、3—4式，代入3—2式得：式3—5即為，規(guī)范給定的角焊縫強度計算通用公式βf—正面角焊縫強度增大系數(shù)；靜載時取1.22，動載時取1.0。記住啦第44頁,共120頁，星期六，2024年，5月對于正面角焊縫，τf=0，由3—5式得：對于側(cè)面角焊縫，σf=0，由3—5式得：以上各式中：

he=0.7hf；

lw—角焊縫計算長度，考慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其實際長度減去2hf。第45頁,共120頁，星期六，2024年，5月1.軸心力（拉力、壓力和剪力）作用時角焊縫的計算

當(dāng)焊件受軸心力，且軸心力通過連接焊縫群的中心，焊縫的應(yīng)力可認(rèn)為是均勻分布的。(1）用蓋板的對接連接A、僅采用側(cè)面角焊縫連接NNlwSlw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和四、各種受力狀態(tài)下的直角角焊縫連接計算第46頁,共120頁，星期六，2024年，5月B、采用三面圍焊連接NNlwlw’先計算正面角焊縫承擔(dān)的內(nèi)力Slw′－連接一側(cè)的正面角焊縫計算長度的總和再計算側(cè)面角焊縫的強度Slw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和第47頁,共120頁，星期六，2024年，5月例1：驗算下圖所示連接的強度。已知板寬400mm，厚18mm,受軸心力N=1425kN（靜荷載），鋼材Q235F，手工焊，焊條E43型。取hf=8mm。兩塊矩形蓋板寬340mm，厚12mm。NNNNa)第48頁,共120頁，星期六，2024年，5月取左半焊件和其上焊縫為分離體，依焊縫性質(zhì)，三條焊縫分兩類：側(cè)焊縫和端焊縫，且具有對軸力作用線的對稱性。將軸心力N分解到焊縫各部分：N1、N2。

N1——側(cè)焊縫上，平行于焊縫軸線的力。

N2——端焊縫上，垂直于焊縫軸線的力。N}N210340N1/2N1/2N2abcd起弧：d，cd=210-5落弧：a,ab=210-5，bc=340靜荷載：端焊縫有1.22分析第49頁,共120頁，星期六，2024年，5月解：①查《規(guī)范》確定ffw從焊條E43、角焊縫、Q235鋼，查出焊縫強度設(shè)計值，得ffw=160N/mm2②推演驗算公式 側(cè)焊縫：N1≤ffw∑helw1 端焊縫：N2≤1.22ffw∑helw2

N1、

N2合成N，

N=N1+N2

N≤ffwhe（∑lw1+1.22∑lw2

）

N≤ffwhe（lwab+lwcd+1.22lwbc

）

N≤ffw×0.7×8×(205+205

+1.22×340)×2驗算第50頁,共120頁，星期六，2024年，5月滿足強度要求。第51頁,共120頁，星期六，2024年，5月(2)T形角焊縫連接NxNyNθN代入式3-5驗算焊縫強度，即:第52頁,共120頁，星期六，2024年，5月(3)角鋼角焊縫連接A、僅采用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2第53頁,共120頁，星期六，2024年，5月對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2第54頁,共120頁，星期六，2024年，5月B、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第55頁,共120頁，星期六，2024年，5月對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2第56頁,共120頁，星期六，2024年，5月C、采用L形圍焊代入下式3-20，3-21得:Ne1e2bN1xxN3lw1第57頁,共120頁，星期六，2024年，5月角鋼角焊縫的軸力分配系數(shù)k1、k2的取值見下表第58頁,共120頁，星期六，2024年，5月例2：設(shè)計如圖所示雙不等邊角鋼和節(jié)點板間的連接角焊縫。受動力荷載N=575kN。鋼材Q235，手工焊，焊條E43型。N=575kN2160×100×10解：只有側(cè)焊縫分析目標(biāo)：設(shè)計焊縫（包括焊腳尺寸、焊縫長度）操作：焊腳尺寸根據(jù)經(jīng)驗擬定；焊縫總長度應(yīng)滿足強度要求。特點：角鋼肢背和肢尖焊縫長度（lw1、lw2）分別為總焊縫長度lw的k1、k2倍。第59頁,共120頁，星期六，2024年，5月Nk1Nk2Nlw2lw1

1、確定焊縫強度設(shè)計值ffw

查《規(guī)范》得ffw=160N/mm22、計算焊縫總長lw

1)

擬定焊腳尺寸hf

根據(jù)角鋼板厚為10mm，考慮到受動荷作用，擬定hf=6mm，則有he=0.7hf。且同一節(jié)點上，所有焊縫的有效厚度宜相同。

計算第60頁,共120頁，星期六，2024年，5月3、設(shè)計角鋼肢背和肢尖焊縫長度lw1、lw21）確定內(nèi)力分配系數(shù)k1、k2

本問題屬于不等邊角鋼長邊相連，得

k1=0.65k2=0.352）肢背、肢尖焊縫計算長度

l

w1=0.65×428=278mm

l

w2=0.35×428=150mm

3）肢背、肢尖焊縫設(shè)計長度

lw1=278+14=292mm

lw2=150+14=164mm加2hf是考慮起落弧。2)計算焊縫總長第61頁,共120頁，星期六，2024年，5月2、N、M、V共同作用下(1)偏心軸力作用下角焊縫強度計算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet第62頁,共120頁，星期六，2024年，5月(2)V、M共同作用下焊縫強度計算h1σfAσfBτf對于A點：式中：Iw—全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩；

h1—兩翼緣焊縫最外側(cè)間的距離。xxhh2BB’Ah1MeFVM假設(shè)：腹板焊縫承受全部剪力，全部焊縫承受彎矩。第63頁,共120頁，星期六，2024年，5月對于B點：強度驗算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊縫的計算長度；

he,2—腹板焊縫截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM第64頁,共120頁，星期六，2024年，5月假定:A、被連接件絕對剛性，焊縫為彈性，即：T作用下被連接件有繞焊縫形心旋轉(zhuǎn)的趨勢；B、T作用下焊縫群上任意點的應(yīng)力方向垂直于該點與焊縫形心的連線，且大小與r成正比；C、在V作用下，焊縫群上的應(yīng)力均勻分布。3、T、V共同作用下將F向焊縫群形心簡化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：該連接的設(shè)計控制點為A點和A’點第65頁,共120頁，星期六，2024年，5月xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A點應(yīng)力:將其沿x軸和y軸分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr第66頁,共120頁，星期六，2024年，5月剪力V作用下,A點應(yīng)力:A點垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力為:A點平行于焊縫長度方向的應(yīng)力為:強度驗算公式：思考:以上計算方法為近似計算，為什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe第67頁,共120頁，星期六，2024年，5月例題1、某T型牛腿，角焊縫連接，F(xiàn)=250kN，Q235鋼，E43型焊條，靜荷載，確定焊腳尺寸。解：1、確定焊縫計算長度（兩條L型焊縫)豎焊縫：lw1＝200－5＝195mm，水平焊縫：lw2＝（200－16）/2-5＝87mm,取lw2＝85mm第68頁,共120頁，星期六，2024年，5月2、求焊縫形心及慣性矩：3、力向形心轉(zhuǎn)移4、受力控制點分項應(yīng)力（下點）第69頁,共120頁，星期六，2024年，5月5、焊縫強度結(jié)算：6、焊腳尺寸確定：

?。旱?0頁,共120頁，星期六，2024年，5月例3：

設(shè)計圖中節(jié)點板和預(yù)埋鋼板間的角焊縫。偏心力P=150kN（靜荷載）。鋼材Q235F，手工焊，焊條E43型。100100·20P453VNM節(jié)點板預(yù)埋鋼板第71頁,共120頁，星期六，2024年，5月分析【目標(biāo)】設(shè)計節(jié)點板和預(yù)埋鋼板間的角焊縫（設(shè)計焊腳尺寸、驗算焊縫強度，焊縫長度已由其它構(gòu)造要求確定。）【操作】焊腳尺寸根據(jù)經(jīng)驗擬定；驗算焊縫強度?！咎攸c】

荷載P不通過焊縫截面形心，使焊縫受軸力N、剪力V、彎矩M。屬于角焊縫受彎矩、剪力、軸心力共同作用的情形。第72頁,共120頁，星期六，2024年，5月計算①確定焊縫強度設(shè)計值ffw

查《規(guī)范》得ffw=160N/mm2②作用在焊縫上的力素計算

N=3P/5=3×150/5=90kNV=4P/5=4×150/5=120kNM=Ne=90×2=180kN-cm③擬定焊腳尺寸hf

考慮到連接板件厚度為10mm，受靜力荷載。取hf=8mm。④確定危險點，計算危險點應(yīng)力焊縫下端點最危險，該點各項應(yīng)力為：第73頁,共120頁，星期六，2024年，5月∥焊縫強度富裕量較大是因為節(jié)點板尺寸較大的緣故，而節(jié)點半尺寸常由其它構(gòu)造要求決定。第74頁,共120頁，星期六，2024年，5月例4：設(shè)計梁與鋼柱間的連接角焊縫（周遍圍焊），并驗算角焊縫強度。鋼材Q235F，手工焊，焊條E43型。偏心力N=400kN（間接動力荷載引起），e=25cm。NVMa)b)c)第75頁,共120頁，星期六，2024年，5月分析【目標(biāo)】設(shè)計節(jié)點板和預(yù)埋鋼板間的角焊縫（設(shè)計焊腳尺寸、驗算焊縫強度，焊縫長度已由其它構(gòu)造要求確定。）【操作】焊腳尺寸根據(jù)經(jīng)驗擬定；驗算焊縫強度；是一個只有彎矩和剪力作用的問題，荷載情況簡單。其中

=M?！咎攸c】因周邊圍焊，焊縫截面較復(fù)雜，計算慣性矩時忽略繞角部分（留作起落弧用）；剪應(yīng)力由兩條豎向焊縫（牛腿腹板焊縫）承受。第76頁,共120頁，星期六，2024年，5月計算

①確定焊縫強度設(shè)計值ffw

查《規(guī)范》得ffw=160N/mm2②作用在焊縫上的力素計算

V=N=400×103NM=Ne=400×25×104=10000×104N-mm③擬定焊腳尺寸hf

考慮到牛腿腹板厚為10mm，受間接動力荷載。設(shè)計hf=8mm，并將所有焊腳尺寸取相同值。

④計算焊縫截面抗剪面積Af慣性矩Ix

Af=0.7×8×360×2=4032mm2Ix=0.7×8×200(205.6-5.6/2)2×2+0.7×8(95-5.6)(180-5.6/2)2×4+0.7×8×3603×2/12=19897×104mm4

第77頁,共120頁，星期六，2024年，5月⑤確定危險點，計算危險點應(yīng)力由應(yīng)力分布圖知，腹板上端焊縫和翼緣下側(cè)焊縫交點最危險，該點至中性軸距離為

y=180mm。各項應(yīng)力為：∥⑥危險點強度驗算滿足強度要求。第78頁,共120頁，星期六，2024年，5月例5

：設(shè)計牛腿板與鋼柱間的連接角焊縫（三面圍焊），并驗算焊縫強度。板邊長度l1=300mm，l2=400mm，偏心力F=196kN,e1=300mm，直接承受動力荷載，鋼材Q235F，手工焊，焊條為E43型。ye1MFVAoa)e2l1l2xryrxrb)yoxy0.7hf第79頁,共120頁，星期六，2024年，5月分析【目標(biāo)】設(shè)計牛腿板和鋼柱板間的角焊縫（設(shè)計焊腳尺寸、驗算焊縫強度，焊縫長度已由其它構(gòu)造要求確定。）【特點】彎矩和剪力共同作用【操作】焊腳尺寸根據(jù)經(jīng)驗擬定；驗算焊縫強度。

計算

①確定焊縫強度設(shè)計值ffw

查《規(guī)范》得ffw=160N/mm2ye1TNVAoa)e2l1l2②擬定焊腳尺寸hf

考慮到牛腿板厚度不明，受直接動力荷載。暫設(shè)計hf=8mm，并將所有焊腳尺寸取相同值。第80頁,共120頁，星期六，2024年，5月③計算焊縫截面幾何量

（1）形心位置（2）慣性矩

Ix=0.7×8×4003/12+0.7×8×300×2002×2=16.4×107mm4

Iy=0.7×8×3003×2/12+0.7×8×300(150-90)2×2+0.7×8×400×902

=5.5×107mm4

Jf=Ix+Iy=(16.4+5.5)×107mm4=21.9×107mm4

x=90mmxyx300400e2=l1-=300-90=210mm。xe=e1+e2=300+210=510mm

rx=e2=210mm，

ry=200mm(202.8)

第81頁,共120頁，星期六，2024年，5月④作用在焊縫上的力素計算

V=F=196×103N

M=Fe=196×510×103=100000×103N-mm

⑤危險點強度驗算rMVxyx300400e2e1NA強度滿足要求。第82頁,共120頁，星期六，2024年，5月五、斜角角焊縫的計算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B1、規(guī)定：由于斜角角焊縫的研究不夠充分，為簡化計算，規(guī)范規(guī)定：對于兩焊腳邊夾角60o≤α≤135o的斜T形連接，其斜角角焊縫采用與直角角焊縫相同的計算公式，且統(tǒng)一取βf=1.0。第83頁,共120頁，星期六，2024年，5月2、斜角角焊縫的計算厚度由幾何關(guān)系得其通式為：式中：b、b1和b2≤5mm說明：A.b1和b2≤1.5mm時,

可取b1、b2=0B.b1和b2>5mm時,

應(yīng)如圖“B”方式處理，且使b≤5mm。α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B第84頁,共120頁，星期六，2024年，5月1、對接焊縫的坡口形式:一、對接焊縫的構(gòu)造§3.4對接焊縫的構(gòu)造與計算

對接焊縫的焊件常做坡口（edgepreparation），坡口形式與板厚和施工條件有關(guān)。

t--焊件厚度(1)當(dāng):t<6mm(手工焊),t<10mm(埋弧焊)時可不做坡口,采用直邊縫;(2)t=7~20mm時，宜采用單邊V形和雙邊V形坡口;(3)t>20mm時，宜采用U形、K形、X形坡口。第85頁,共120頁，星期六，2024年，5月C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）第86頁,共120頁，星期六，2024年，5月1）V形、U形坡口焊縫單面施焊，為防止熔化金屬流淌必要時可在坡口下加墊板或者補焊；2）對接焊縫的起、滅弧點易出現(xiàn)缺陷，故一般用引弧板（run-ontab）引出，焊完后將其切去；不能做引弧板時，每條焊縫的計算長度等于實際長度減去2t1，t1—較薄焊件厚度；墊板墊板墊板引弧板2、對接焊縫的構(gòu)造處理:第87頁,共120頁，星期六，2024年，5月3）當(dāng)板件厚度或?qū)挾仍谝粋?cè)相差大于4mm時，應(yīng)做坡度不大于1:2.5(靜載)或1:4(動載)的斜角，以平緩過度，減小應(yīng)力集中?！?:2.5≤1:2.53、對接焊縫的優(yōu)缺點優(yōu)點：用料經(jīng)濟、傳力均勻、無明顯的應(yīng)力集中，利于承受動力荷載。缺點：需剖口，焊件長度要求精確。

第88頁,共120頁，星期六，2024年，5月對接焊縫分為：焊透（fullpenetration）和部分焊透（partialpenetration）（自學(xué)）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NNt記住啦！第89頁,共120頁，星期六，2024年，5月【說明】對接焊縫的強度

1）受壓、受剪的對接焊縫與母材強度相等。

2）三級檢驗的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉強度為母材強度的85%，三級檢驗的焊縫的強度低于母材。。

3）一、二級檢驗的焊縫的抗拉強度可認(rèn)為與母材強度相等。第90頁,共120頁，星期六，2024年，5月1、軸心力作用下的對接焊縫計算式中：

N—軸心拉力或壓力；

t—板件較小厚度；T形連接中為腹板厚度；

ftw、fcw

—對接焊縫的抗拉和抗壓強度設(shè)計值。NNlwt(A)當(dāng)不滿足上式時，可采用斜對接焊縫連接如圖B。第91頁,共120頁，星期六，2024年，5月NNt(B)θNsinθNcosθlw規(guī)范規(guī)定，當(dāng)斜焊縫傾角q≦56.3°，即tanq≦1.5時，可認(rèn)為對接斜焊縫與母材等強，不用計算。第92頁,共120頁，星期六，2024年，5月2、M、V共同作用下的對接焊縫計算lwtAMVστ因焊縫截面為矩形，M、V共同作用下應(yīng)力圖為：故其強度計算公式為：式中：Ww—焊縫截面模量；Sw--焊縫截面面積矩；

Iw--焊縫截面慣性矩。（1）板件間對接連接第93頁,共120頁，星期六，2024年，5月（2）工字形截面梁對接連接計算MV1焊縫截面A、對于焊縫的σmax和τmax應(yīng)滿足式3-29和3-30要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、對于翼緣與腹板交接點焊縫（1點），其折算應(yīng)力尚應(yīng)滿足：1.1—考慮最大折算應(yīng)力只在局部出現(xiàn)，而將強度設(shè)計值適當(dāng)提高系數(shù)。。工字形截面梁在彎曲時，彎曲正應(yīng)力主要由上、下翼緣承擔(dān)，剪應(yīng)力主要由腹板承擔(dān)，這使得截面上各處的材料能達到充分的利用。第94頁,共120頁，星期六，2024年，5月鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理DesignPrinciplesofSteelStructure（1）焊縫受力很小甚至不受力，且要求外觀齊平美觀。（2）焊縫受力雖較大，但采用焊透對接焊縫強度又得不到發(fā)揮；如采用角焊縫，焊腳又過大，于是做成用坡口加強的角焊縫。三、部分焊透對接焊縫的計算部分焊透的對接焊縫截面型式坡口形式有V形（全V形和半V形）、U形和J形三種。在轉(zhuǎn)角處采用半V形和J形坡口時，不宜在板的厚度上開坡口，這樣可避免焊縫收縮的板厚度方向產(chǎn)生裂紋。第95頁,共120頁，星期六，2024年，5月鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理DesignPrinciplesofSteelStructure由于未焊透，在焊件之間存在縫隙，焊根處有較大的應(yīng)力集中，受力性能接近于角焊縫。規(guī)范規(guī)定：部分焊透的對接焊縫的強度按角焊縫強度公式計算，在垂直于焊縫長度方向的壓力作用下，取

f＝1.22

；其他情況取

f＝1.0

。

不焊透對接焊縫計算——用角焊縫公式計算焊縫有效厚度

he

的取值為：a)V形坡口≥60°時，取he=s；

<60°時，取he=0.75s

b)單邊V形和K形坡口，≥45°±5°取he=s-3mmc)U形、J形坡口，取he=s

s為坡口根部至焊縫表面的最短距離（不考慮焊縫的凸度）

為V形、單邊V形、K形坡口的角度。第96頁,共120頁，星期六，2024年，5月鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理DesignPrinciplesofSteelStructure【不焊透對接焊縫的禁用】

《規(guī)范》規(guī)定：（1）在直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，垂直于受力方向的焊縫不得采用不焊透的對接焊縫；

（2）對重級工作制和起重量大于或等于50噸的中級工作制吊車梁上翼緣和腹板間的T型連接應(yīng)采用焊透的對接焊縫。

第97頁,共120頁，星期六，2024年，5月例題：第98頁,共120頁，星期六，2024年，5月第99頁,共120頁，星期六，2024年，5月第100頁,共120頁，星期六，2024年，5月§3－5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;

C、沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力。

2、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）縱向焊接殘余應(yīng)力第101頁,共120頁，星期六，2024年，5月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-----++第102頁,共120頁，星期六，2024年，5月[縱向焊接應(yīng)力]簡言之

焊接高溫焊縫周圍產(chǎn)生塑性壓縮，冷卻時收縮受到限制，焊縫附近區(qū)受拉，焊縫區(qū)以外受壓。第103頁,共120頁，星期六，2024年，5月（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。第104頁,共120頁，星期六，2024年，5月(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第105頁,共120頁，星期六，2024年，5月【橫向焊接應(yīng)力】簡言之縱向收縮產(chǎn)生反向變形—中間受拉，兩端受壓先焊接限制后焊接變形—中間受壓，兩端受拉應(yīng)力疊加第106頁,共120頁，星期六，2024年，5月（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第107頁,共120頁，星期六，2024年，5月【Z向焊接應(yīng)力】簡言之表面先冷卻限制內(nèi)部收縮，內(nèi)部受拉，表面受壓。第108頁,共120頁，星期六，2024年，5月二、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

----------沒有影響2、對結(jié)構(gòu)剛度的影響