钢结构设计原理课件.ppt

1、衢州学院衢州学院钢结构钢结构设计设计原理原理3.3.掌握掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、梁、杆、柱杆、柱)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。2.2.掌握掌握钢结构材料的主要性能及其主要影响因素，并钢结构材料的主要性能及其主要影响因素，并能正确地选择钢材；能正确地选择钢材；1.1.了解钢结构的应用和发展概况了解钢结构的应用和发展概况, ,掌握钢结构的特点；掌握钢结构的特点；钢结构原理的基本要求钢结构原理的基本要求4. 4. 熟悉熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。与土木工程相关的钢结构设计规范。教学参

2、考书及规范教学参考书及规范:1.1.钢结构钢结构（第三版）戴国欣（第三版）戴国欣 主编主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社2.2.钢结构设计规范钢结构设计规范 （GB50017-2003)GB50017-2003)3.3.钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 （GB50205-2001)GB50205-2001)重点：重点：1. 1. 掌握钢结构的特点。掌握钢结构的特点。2 2了解钢结构的应用范围。了解钢结构的应用范围。3 3了解钢结构在我国的发展趋势。了解钢结构在我国的发展趋势。3.1 3.1 钢结构的连接简介钢结构的连接简介一、焊缝连接一、焊缝连接 优点：不削弱截面，

3、方便施工，连接刚度大；优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。 对接焊缝连接对接焊缝连接角焊缝连接角焊缝连接二、铆钉连接二、铆钉连接 优点：连接刚度大，传力可靠；优点：连接刚度大，传力可靠； 缺点：对施工技术要求很高，缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，劳动强度大，施工条件差， 施施工速度慢。工速度慢。N 分为：分为： 普通螺栓连接普通螺栓连接 高强度螺栓连接高强度螺栓连接三、螺栓连接三、螺栓连接3.2 焊接方法和焊接连接形式焊接方法和焊接连接形式3.2.1 钢结构常用焊接方法钢结构常用焊接方法1

4、.1.手工电弧焊手工电弧焊原理：利用电弧产生热量原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形熔化焊条和母材形 成焊缝。成焊缝。 A、焊条的选择：、焊条的选择： 焊条应与焊件焊条应与焊件钢材相适应。钢材相适应。 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧Q235Q235钢选择钢选择E43E43型焊条（型焊条（E4300-E4328)E4300-E4328)Q345Q345钢选择钢选择E50E50型焊条型焊条(E5000-5048)(E5000-5048)Q390Q390、Q420Q420钢选择钢选择E55E55型焊条型焊条(E5500-5518)(E5500-5518)

5、B B、焊条的表示方法：、焊条的表示方法：E焊条焊条( (Electrode) )第第1 1、2 2位数字为熔融金属的最小抗拉强度位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2) )第第3 3、4 4适用焊接位置、电流及药皮的类型。适用焊接位置、电流及药皮的类型。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 、焊丝转盘焊丝转盘送丝器送丝器焊剂漏

6、斗焊剂漏斗焊剂焊剂熔渣熔渣焊件焊件埋弧自动焊埋弧自动焊A A、焊丝的选择应与焊件等强度。、焊丝的选择应与焊件等强度。 B B、优、缺点：、优、缺点： 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。焊接质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限等。缺点：设备投资大，施工位置受限等。 优、缺点：优、缺点： 优点：焊接速度快，焊接质优点：焊接速度快，焊接质量好。量好。 缺点：施工条件受限制等。缺点：施工条件受限制等。1.1.焊接连接形式焊接连接形式角部连接角部连接焊接连接形式（按被连接构件的相对位置）焊接连接形式（按被连接构件的相对位置）对接链接对

7、接链接采用拼接盖板的对接链接采用拼接盖板的对接链接搭接连接搭接连接T形链接形链接角部连接角部连接（1）对接焊缝）对接焊缝正对接焊缝正对接焊缝斜对接焊缝斜对接焊缝T型对接焊缝型对接焊缝（2）角焊缝）角焊缝外观检查：外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：内部无损检验：检验内部缺陷。检验内部缺陷。 内部检验主要采用超声内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方荧光检验等辅助检验方法。还可以采用法。还可以采用X X射线或射线或射线透照或拍片。射线透照或拍片。钢结构工程施工及验收规范钢结构工程施工及验收规范规定：规定： 焊缝按其

8、检验方法和质量要求分为一级、二级焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。和三级。 一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；三级质量标准；优点：（1）不需要在钢材上打孔钻眼，既省工省时，又不使材料的截面积受到减弱（2）任何形状的构件都可直接连接，一般不需要辅助零件，使连接构造简单，传力路线短，适应面广；（3）焊接连接的气密性和水密性都较好，结构刚性也较大，结构的整体性较好。缺点：

9、 （1）由于高温作用在焊缝附近形成热影响区，钢材的金相组织和机械性能发生变化，材质变脆；（2）焊接的残余应力会使结构发生脆性破坏和降低压杆稳定的临界荷载，同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化；（3）焊接结构具有连续性，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。1.1.焊缝缺陷焊缝缺陷3.3 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算1.1.角焊缝的形式角焊缝的形式: :直角角焊缝、斜角角焊缝直角角焊缝、斜角角焊缝（1）直角角焊缝hehfhf普通式普通式hehf1.5hf平坡式平坡式hehfhf凹面式凹面式（2）斜角角焊缝斜角角焊缝按he=0.7hf斜角角焊缝按he=0.7hf(a)hfhfhfhfa）锐

10、角角焊缝；b）钝角角焊缝(b)按he=hf coshfhfhfhf2按he=hf cos2对于对于135135o o或或606mmt6mm时，时，h hf,maxf,maxt-(1t-(12)mm2)mm；hf ft t1 1ttt t1 1hf f 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求应满足以下要求: : 式中式中: : t t2-较厚焊件厚度较厚焊件厚度 另另: :对于埋弧自动焊对于埋弧自动焊hf,min可减去可减去1mm; ; 对于对于T型连接单面角焊缝型连接单面角焊缝h

11、f,min应加上应加上1mm; ; 当当t t24mm时时, , hf,min=t=t2)(5 . 12min,计计算算数数值值只只进进不不舍舍！thf 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故

12、：fwhl60 注注： 1 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑； 2 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：定：mmhlfw408且且不不得得小小于于 当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：

13、 A.为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均，规范规定：不均，规范规定：B.为了避免焊缝横向收为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲缩时引起板件的拱曲 太大，规范规定：太大，规范规定：blw bwlt1t2）（或或）（mmtmmmmttb121901216111 C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2h2hf f的的绕绕 角焊角焊，且转角处必须连续施焊。且转角处必须连续施焊。bwl2hf f2551且且t t1t23.3.2 3.3.2 角焊缝的工作性能及强度角焊缝的工作性能及强度1.1.角焊缝的强度角焊

14、缝的强度A. A. 应力分析应力分析Nlw wN剪应力剪应力f f 试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，l lw w/h/hf f越大剪应力分布越不均匀。越大剪应力分布越不均匀。A. A. 应力分析应力分析 正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%-55

15、%35%-55%以上。以上。 斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。缝之间。 1 1）试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将故通常将4545o o截面作为计算截面，作用在该截面上的截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：应力如下图所示：hfhehh1h2dehelw wh-h-焊缝厚度、焊缝厚度、h h1 1熔深熔深h h2 2凸度、凸度、d d焊趾、焊趾、e e焊根焊根wuf)(32223 3）由于我国规范给定的角焊由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条缝强度设计值，是根据抗

16、剪条件确定的故上式又可表达为：件确定的故上式又可表达为：-焊缝金属的抗拉强度焊缝金属的抗拉强度) 13(3)( 3222wfwuffhelw wweyflhNwexflhN2f fNNyNxf= fh he el lw w45O45Oh hf fwfffff3232222 将将3 33 3、3 34 4式，代入式，代入3 32 2式得：式得：得 1.22整理上式，并令 23f )23(22wfffff式式3 35 5即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式f f正面角焊缝强度增大系数；正面角焊缝强度增大系数； 静载时取静载时取1.221.22，动载时取，动载

17、时取1.01.0。)33( wffewffhlN对于正面角焊缝，对于正面角焊缝，f f=0=0，由，由3 35 5式得：式得：对于侧面角焊缝，对于侧面角焊缝，f f=0=0，由，由3 35 5式得：式得：)43( wfewffhlN 以上各式中：以上各式中： h he e=0.7h=0.7hf f； l lw w角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其 实际长度减去实际长度减去2h2hf f。ewwffhlfN 3.3.3 3.3.3 角焊缝的计算角焊缝的计算wfwefflhN 1.1.轴心力作用下轴心力作用下轴心力作用下的盖板对接连接轴心力

18、作用下的盖板对接连接: :A A、仅采用侧面角焊缝连接：仅采用侧面角焊缝连接：B B、采用三面围焊连接：、采用三面围焊连接：wfewffhlNN NNl lw wl lw w算例算例1 1 如图所示两块板厚如图所示两块板厚t t14mm14mm的板采用上下两块盖板（板的板采用上下两块盖板（板厚厚t t8mm8mm）连接，钢材采用）连接，钢材采用Q235Q235，手工焊，焊条，手工焊，焊条E43E43，承，承受静态轴心力受静态轴心力N N500KN500KN，已知端缝长度为，已知端缝长度为Lw1Lw1400mm400mm，侧缝长度为侧缝长度为Lw2Lw2300mm300mm，根据下列情况设计焊缝

19、：，根据下列情况设计焊缝：（1 1）仅有侧面角焊缝；）仅有侧面角焊缝；（2 2）仅有正面角焊缝；）仅有正面角焊缝；解：解：根据构造要求焊角尺寸根据构造要求焊角尺寸 hf hf 1.2x81.2x8 t-(1t-(12)2)所以取所以取hf=6mmhf=6mm（2 2）仅有正面角焊缝；）仅有正面角焊缝；（1 1）仅有侧面角焊缝；）仅有侧面角焊缝；可得角焊缝计算的基本公式为可得角焊缝计算的基本公式为仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时仅有一垂直于焊缝长度方向的轴心力时仅有一垂直于焊缝长度方向的轴心力时同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时同时有平行和垂直于焊缝长度方向

20、的轴心力时2. 轴心力作用下，角钢与节点板连接的角焊缝计算轴心力作用下，角钢与节点板连接的角焊缝计算2.2.角钢角焊缝连接角钢角焊缝连接A A、仅采用侧面角焊缝连接、仅采用侧面角焊缝连接221121eNeNNNN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :故故: :NkeeeNNNkeeeNN2211212121肢肢尖尖焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数肢肢背背焊焊缝缝内内力力分分配配系系数数 2211212121keeekkeeekNe1e2bN1N2xxl lw1w1l lw2w2)83()73(222111wfewfwfewffhlNfhlN对于校核问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题

21、: :)173()163(222111 wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxl lw1w1l lw2w2B B、采用三面围焊、采用三面围焊)113(2)103(2322311NNkNNNkN由力及力矩平衡得由力及力矩平衡得: :)93(333wffewfhlN)93(33wffefbhN余下的问题同情况余下的问题同情况A，即，即: :Ne1e2bN1N2xxN3l lw1w1l lw2w2wfewfwfewffhlNfhlN222111对于校核问题对于校核问题: :对于设计问题对于设计问题: :wfewwfewfhNlfhNl222111Ne1e2bN1N2xxN3l lw

22、1w1l lw2w22. 轴心力作用下，角钢与节点板连接的角焊缝计算轴心力作用下，角钢与节点板连接的角焊缝计算算例算例2 2 如图所示某桁架腹杆采用角钢如图所示某桁架腹杆采用角钢2L140X102L140X10，用角焊缝三面，用角焊缝三面围焊与节点板连接，钢材采用围焊与节点板连接，钢材采用Q235Q235，手工焊，焊条，手工焊，焊条E43E43，承受静态轴心力承受静态轴心力N N1170KN1170KN，已知焊角尺寸，已知焊角尺寸hfhf8mm8mm，肢，肢背焊缝长度背焊缝长度Lw1Lw1400mm400mm，肢尖焊缝长度，肢尖焊缝长度Lw2Lw2250mm250mm，验，验算焊缝连接是否安全

23、：算焊缝连接是否安全：1）正面角焊缝承担的力）正面角焊缝承担的力 N3 = 0.7hflw3f ffw 0.7x8x140 x2x1.22x160306kN2）肢背受力：）肢背受力：3) 肢尖受力：肢尖受力：N1 =K1 NN3 /2 0.7x1170-306/2=666kN0.7x8x2x(400-8)x160=702kNN2 =K2NN3 /20.3x1170-306/2=198kN0.7x8x2x(250-8)x160=434kN3. N、M、V共同作用下共同作用下NeNx xNy y2wl2wlMANxNxM MNyNyewxAfNhlN,ewyAfhlN , wfAffAff 2,2

24、, h he eh he et t(1)(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算偏心轴力作用下角焊缝强度计算xAfMWM,26welhM2,6weewxAflhMhlN算例算例3 3验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝强度。钢材采用验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝强度。钢材采用Q235Q235，手工焊，焊条，手工焊，焊条E43E43，N300KN，V200KN，e e100mm100mm，已知焊角尺寸，已知焊角尺寸hfhf8mm8mm，焊缝长度，焊缝长度LwLw400mm400mm。剪力剪力V V产生产生弯矩弯矩M MVeVe产生产生轴力轴力N N产生产生焊缝强度验算：焊缝强度验算：Fe1e2x0l l

25、1l l2xxyyAA0TVr假定假定: :A A、被连接件绝对刚性，焊缝、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：为弹性，即：T T作用下被连作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋接件有绕焊缝形心旋转的趋势；势；B B、T T作用下焊缝群上任意点的作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与形心的连线，且大小与r r成成正比；正比；C C、在、在V V作用下，焊缝群上的应作用下，焊缝群上的应力均匀分布。力均匀分布。将将F F向焊缝群形心向焊缝群形心简化得简化得: : V=F V=F T=F(e T=F(e1 1+e+e2 2) )故：该连接的设计控制点故：

26、该连接的设计控制点 为为A A点和点和A A点点xxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he ee2x0l l1l l2xxyyAA0TVrT作用下作用下A点应力点应力: :yxPTAIIrTIrT将其沿将其沿x x轴轴和和y y轴分解轴分解: :rrIrTrrIrTxPTTAyyPTTAxcossin剪力剪力V作用下作用下,A,A点应力点应力: : weVVAylhV A A点垂直于焊缝长度方点垂直于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAyVAyf A A点平行于焊缝长度方点平行于焊缝长度方向的应力为向的应力为: :TAxf 强度验算公式：强度验算公式：wffff

27、f 22 wfTAxfVAyTAyf 22 即：即：思考思考: :以上计算方法为近似计算，为什么以上计算方法为近似计算，为什么? ?V VxxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e3.4 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算1 1、对接焊缝的坡口形式、对接焊缝的坡口形式: :t-t-焊件厚度焊件厚度(1)(1)当当:t6mm(:t6mm(手工焊手工焊),t10mm(),t20mm(3)t20mm时，宜采用时，宜采用U形、形、K形、形、X形坡口。形坡口。 对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和板厚和施工条件有关。施工条件有关

28、。 C=0.52mm（a）C=23mm（b）C=23mm（C）p p（d）C=34mmp pC=34mmp p（e）C=34mmp p（f）2 2、V V形、形、U U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；3 3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去焊缝的计算长度等于实际长度减去2t2t1 1t t1 1较薄焊件较薄焊件厚度；厚度；4 4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于、当板件厚度或宽度

29、在一侧相差大于4mm4mm时，应做坡时，应做坡度不大于度不大于1:2.5(1:2.5(静载静载) )或或1:4(1:4(动载动载) )的斜角，以平缓的斜角，以平缓过度，减小应力集中。过度，减小应力集中。1:2.51:2.5对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种；对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种；动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；力方向的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行

30、计算；对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。件强度计算相同。NNt1. 轴心力作用下的对接焊缝计算轴心力作用下的对接焊缝计算)223( wcwtwfftlN或式中：式中： N轴心拉力或压力；轴心拉力或压力； t板件较小厚度；板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；形连接中为腹板厚度； f ft tw w、f fc cw w 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。NNl lw wtA 当不满足上式时，可采用斜对当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图接焊缝连接如图B。wvwwcwtwftlNfftlN cos

31、sin或另另: :当当tantan1.51.5时时, ,不用验算不用验算! !NNtBNsinsinNcoscosl lw w（1）板件间对接连接）板件间对接连接因焊缝截面为矩形，因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：共同作用下应力图为：故其强度计算公式为：故其强度计算公式为：)233(62maxwtwwftlMWM)243(23maxwVwwwftlVtIVSl lw wtAMV式中：式中：W Ww w焊缝截面模量；焊缝截面模量； S Sw w-焊缝截面面积矩；焊缝截面面积矩； I Iw w-焊缝截面惯性矩。焊缝截面惯性矩。MV1焊缝截面焊缝截面A A、对于焊缝的、对于焊缝的maxma

32、x和和maxmax应满足式应满足式3-29和和3-30要求；要求；max11maxB B、对于翼缘与腹板交接点焊缝、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点）点），其折算应，其折算应 力尚应满足下式要求：力尚应满足下式要求：)253(1 . 132121wtf1.11.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。-320 x20320 x20-320 x20320 x20-1160 x101160 x10算例算例5 5如图所示焊接工字形梁仅在腹板上设一道对接拼接焊缝，如图所示焊接工字形梁仅在腹板上设一道对接拼接焊缝，钢材采用钢材采用Q345Q345，手工焊，

33、焊条，手工焊，焊条E50E50，拼接处弯矩，拼接处弯矩M M2600kNm2600kNm，剪力，剪力V V244kN244kN，设置引弧板，质量等级三级，设置引弧板，质量等级三级，试验算强度。试验算强度。验算内容：验算内容：（1 1）最大应力验算）最大应力验算（2 2）折算应力验算）折算应力验算（1 1）焊缝所处截面的惯性矩：）焊缝所处截面的惯性矩：上翼缘对上翼缘对x x轴的面积矩：轴的面积矩：上半截面对上半截面对x x轴轴的面积矩：的面积矩：（2 2）焊缝最大应力验算：）焊缝最大应力验算：（2 2）折算应力验算：腹板与上翼缘交界点）折算应力验算：腹板与上翼缘交界点折算应力：折算应力：一、焊接

34、残余应力的分类及其产生的原因 1 1、焊接残余应力的分类、焊接残余应力的分类 A A、纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向; ; B B、横向焊接残余应力横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向; ; C C、沿厚度方向的焊接残余应力。沿厚度方向的焊接残余应力。 2 2、焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力产生的原因 （1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达产生不均匀的温度场，焊缝处可达16001600o oC C，而邻近区域，而邻近区

35、域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+-500500o oC

36、C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm-+产生的原因产生的原因: :1 1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势的趋势，导致两焊件在焊缝处，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压中部受拉，两端受压；2 2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生膨胀，产生横向塑性压缩变形横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊缝的收

37、缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更远处焊缝，更远处焊缝则产生拉应力；则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关。 以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的横向应力xy+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向焊缝横向残余应力残余应力yx不同施焊方向下不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向焊缝横向收缩时产生的横向残余应力残余应力:-+施施

38、焊焊方方向向(e)-+-施施焊焊方方向向( f )xyyx-+-321x xy yz z 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生膨胀，产生塑性压缩变形塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因生压应力，因应力自相平衡应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力力。因此，除了横向和纵

39、向焊接残余应力x x, ,y y 外，外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力还存在沿厚度方向的焊接残余应力z z，这三种应力形，这三种应力形成同号成同号( (受拉受拉) )三向应力，大大三向应力，大大降低连接的塑性降低连接的塑性。1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响f f+-b bf fy y+-b bf fy yNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：因焊接残余应力自相平衡，故： yytyftBftbBNN 当板件全截面达到当板件全截面达到fy，即，即N=Ny时：时：结论：结论：焊接残余应力焊接残余应力对结构的静力对结构的静力强度没有影响。强度没有影响。+-f fy yf fb bB

40、Bt tftbBNftbNcyt )(2 2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响A、当焊接残余应力存在时，因截面的、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应部分拉应力已经达到力已经达到fy ，故该部分刚度为零，故该部分刚度为零（屈服），（屈服），这时这时在在N作用下应变增量为：作用下应变增量为： EtbBN 1 f f+-b bf fy yNN+-f fy yf fNNb bB Bt t因为因为B-bBB-b 2 2。结论：结论： 焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。了结构的刚度。EtBN 2 另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力

41、使其挠另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。 EtbBN 1 4 4、对疲劳强度的影响、对疲劳强度的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。 所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。冷脆性能的重要措施。 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达

42、到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。利影响。 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。 1 1、设计上的措施；设计上的措施；（1 1）焊接位置的合理安排）焊接位置的合理安排（2 2）焊缝尺寸要适当）焊缝尺寸要适当（3 3）焊缝数量要少，且不宜过分集中）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4 4）应尽量避免两

43、条以上的焊缝垂直交叉）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉（5 5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2 2、加工工艺上的措施、加工工艺上的措施（1 1）采用合理的施焊顺序）采用合理的施焊顺序（2 2）采用反变形处理）采用反变形处理（3 3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理3.6 螺栓连接的构造螺栓的种类1.1.普通螺栓普通螺栓C级级-粗制螺栓粗制螺栓，性能等级为，性能等级为4.6或或4.8级；级；4表示表示f fu u400N/mm400N/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy y/f/fu u=0.6=

44、0.6或或0.80.8；类孔类孔，孔径，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d) (d) 1 13mm3mm。A、B级级-精制螺栓精制螺栓，性能等级为，性能等级为5.6或或8.8级级; ;5或或8表示表示f fu u500500或或800800N/mmN/mm2 2, , 0.6或或0.8表示表示f fy y/f/fu u=0.6=0.6或或0.80.8；类孔类孔，孔径，孔径(d(do o)-)-栓杆直径栓杆直径(d)(d)0.30.30.5mm0.5mm。按其加工的精细程度和强度分为按其加工的精细程度和强度分为: :A、B、C三个级别。三个级别。由45号、40B和20MnTiB钢加工

45、而成，并经过热处理4545号号8.88.8级；级； 40B40B和和20MnTiB20MnTiB10.910.9级级大六角高强螺栓扭剪型高强螺栓3.6.1 螺栓的排列1.1.并列并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大；件截面削弱大；B 错列A 并列中距中距边距边距端距2.2.错列错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小；面削弱小； （1 1）受力要求）受力要求: : 垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，截面削弱过多而降低承载力

46、，螺栓的边距和端距不能螺栓的边距和端距不能太小；太小； 顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，为了防止板件被拉断或剪坏，端距端距不能太小；不能太小； 对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，为防止连接板件发生鼓曲，中距不中距不能太大。能太大。（2 2）构造要求；）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。不密，潮气侵入腐蚀钢材。 为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3d3do o。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。 为了便于扳手拧紧螺

47、母，螺栓中距应不小于为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3d3do o。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于端不宜少于两个永久螺栓两个永久螺栓，但组合构件的缀条除外；但组合构件的缀条除外；直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽双螺帽，或其他，或其他措施以防螺帽松动；措施以防螺帽松动；C C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接：于抗剪连接： 1

48、 1、承受静载或间接动载的次要连接；、承受静载或间接动载的次要连接； 2 2、承受静载的可拆卸结构连接；、承受静载的可拆卸结构连接； 3 3、临时固定构件的安装连接。、临时固定构件的安装连接。型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件；3.7.1 螺栓连接的受力形式FNFA 只受剪力B 只受拉力C 剪力和拉力共同作用（一）工作性能和破坏形式（一）工作性能和破坏形式 1.1.工作性能工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验, ,即可得到板件上即可得到板

49、件上a、b两点相对位两点相对位移移和作用力和作用力N的关系曲线的关系曲线, ,该曲该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段四个阶段, ,即：即： (1)(1)摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段(0(01 1段段) ) 直线段直线段连接处于弹性状态；连接处于弹性状态； 该阶段较短该阶段较短摩擦力较小。摩擦力较小。NO1234NNabNN/2N/2 (2) (2)滑移阶段滑移阶段(1(12 2段段) ) 克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大克服摩擦力后，板件间突然发生水平滑移，最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲线上为水平滑移量为栓孔和栓杆间的距离，表现在曲

50、线上为水平段。段。NO1234abNN/2N/2 (3)(3)栓杆传力的弹性阶段栓杆传力的弹性阶段(2(23 3段段) ) 该阶段主要靠栓杆与孔壁的该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力。栓杆受剪力、接触传力。栓杆受剪力、拉力拉力、弯矩作用弯矩作用，孔壁受挤压。由于材，孔壁受挤压。由于材料的弹性以及料的弹性以及栓杆拉力增大栓杆拉力增大所导所导致的板件间摩擦力的增大，致的板件间摩擦力的增大，N-N-关系以曲线状态上升。关系以曲线状态上升。 (4) (4)弹塑性阶段弹塑性阶段(3(34 4段段) ) 达到达到3后，即使给荷后，即使给荷载以很小的增量，连接的剪切载以很小的增量，连接的剪切变形迅速增大，直到