钢结构基本原理及设计

钢结构基本原理及设计§3-4焊接残余应力和焊接变形3.4.1焊接残余应力和变形的成因一.焊接残余应力的成因焊接残余应力简称焊接应力1.现象2.成因§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计（1）焊缝出现不均匀温度场焊缝附近温度最高，可高达1600度以上在焊缝区以外，温度则急剧下降§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平面)而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。热应力互相阻碍§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计（3）由于钢材在600℃以上时呈塑性状态(热塑性状态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失时不能恢复应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名焊接残余应力。Q235钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈服点。残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面内的应力，因而截面上的残余应力自相平衡。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计（1）纵向焊接应力3.分类纵向焊接应力横向焊接应力沿厚度方向的焊接应力（2）横向焊接应力§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计两部分组成：其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图(a)中虚线所示的弯曲变形。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力，而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图(b)所示。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却焊缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图(c)的叠加，如图(d)所示。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计（3）厚度方向的焊接应力§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计二.焊接残余变形的成因1.焊接不均匀的加热焊接区产生热塑性压缩变形冷却时焊接区要在纵向和横向收缩构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转2.焊接残余变形纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计纵向收缩变形和横向收缩变形§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形焊缝横向收缩所引起的角变形§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须共同考虑的问题，必须从设计和工艺两方面来解决。波浪式变形扭曲变形§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计后冷处形成残余拉应力后冷处形成收缩变形§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计3.4.2焊接应力和变形对结构工作性能的影响一.焊接应力的影响1.对结构静力强度的影响§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计焊接应力自相平衡受拉区应力面积At受压区应力面积Ac即At=Ac=btfy。截面达到屈服点fy时所承受的外力()ycyyNABbtfBtf焊接应力不影响结构的强度2.对结构刚度的影响焊接应力降低结构的刚度。残余应力的拉杆的抗拉刚度为（B-b）tE，而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为BtE3.残余应力影响压杆稳定性有效面积、有效惯性矩§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计4.对低温冷脆的影响焊接残余应力对低温冷脆影响厚板和具有严重缺陷的焊缝中，以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计5.对疲劳强度的影响在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.二.焊接变形的影响构件安装困难矫正影响尺寸和外形初偏心初弯曲可能降低结构的承载能力附加内力§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计3.4.3减少焊接应力和变形的措施设计和焊接工艺一.合理的焊缝设计（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的hf加大焊缝长度。不要因考虑“安全”而任意加大超过计算所需要的焊缝尺寸。§3-4焊接残余应力和焊接变形（2）尽可能能减少不必要的焊缝采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，不但增加了装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。钢结构基本原理及设计§3-4焊接残余应力和焊接变形（3）合理地安排焊缝的位置安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残余变形和尽量避免三向焊缝相交。三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续钢结构基本原理及设计§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。（6）肋板不宜带锐角焊缝不宜过分集中板宽不同避免仰焊§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计二.合理的工艺措施（1）采用合理的焊接顺序和方向。先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝，使焊缝有较大的横向收缩余地。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计采用适当的焊接顺序和方向。例如采用对称焊，分段退焊(即分段焊接，每段施焊方向与焊接推进的总方向相反)、跳焊、多层多道焊等，使各次焊接的残余应力和变形的方向相反和互相抵消。§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计（3）锤击或辗压焊缝（4）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600℃左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。（2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。（5）局部加热（6）退火法§3-4焊接残余应力和焊接变形钢结构基本原理及设计§3-5普通螺栓的构造和计算3.5.1螺栓的排列和其他构造要求一.螺栓的排列螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求：（1）受力要求（2）构造要求（3）施工要求§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计l1（1）受力要求：端距与栓距过大过小都不好，受压时栓距过大板件易发生凸曲，且螺栓易受力不均匀，受拉时端距或栓距过小板件易剪切破坏。（2）构造要求：栓距过大则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而发生锈蚀。（3）施工要求：保证一定空间转动扳手。螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计二.螺栓的其他构造要求（1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。（2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。弹簧垫圈（3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。（4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板）加肋板减少撬力加强刚度§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计3.5.2普通螺栓的受剪连接按受力情况可分为三类：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力作用。一.受剪连接的工作性能1.四个阶段：（1）摩擦传力的弹性阶段（2）滑移阶段（3）栓杆传力弹性阶段（4）弹塑性阶段§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计注意受剪螺栓与受拉螺栓的区别：螺栓受拉螺栓受拉且受剪螺栓受剪§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计2.抗剪螺栓连接根据被连接钢板的组合情况，通常有单剪和双剪两种受力型式。(1)当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓杆剪切破坏。3.破坏形式§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计(2)当螺栓直径较粗而被连接钢材较薄时，孔壁可能在螺栓杆局部承压或挤压下产生较大挤压应力和塑性变形，最终导致螺栓孔拉长，称为挤压破坏。(3)当螺栓孔距板端距离较小时，导致板端沿最大剪应力方向剪断。称为冲剪破坏。(4)当构件开孔较多使截面削弱较大时，可能发生构件沿净截面的强度破坏。§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计破坏形式有：①栓杆直径较小，板件较厚时，栓杆被剪断；②当栓杆直径较大，板件较薄时，板件可能先被挤坏，栓杆和板件挤压是相对的，叫做螺栓承压破坏；③端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏；④板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉断。§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计通常情况下，采用构造措施避免端板被剪坏。构造措施如下：螺栓孔端距满足l1≥2d0，以免板端被剪坏。对抗剪普通螺栓连接一般应计算a.螺栓杆抗剪强度b.孔壁承压强度c.验算构件的净截面强度§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计计算假定：①栓杆受剪计算时，螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布；②孔壁承压计算时，挤压力沿栓杆直径平面均匀分布。二.单个普通螺栓的受剪计算§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计2()4bbvvvNndfbbccNdtfminmin(,)bbbvvcNNN一个抗剪普通螺栓的承载力设计值Nvbmin应按抗剪承载力设计值Nvb和承压承载力设计值Ncb的较小值采用，即：受剪承载力设计值：承压承载力设计值：§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计其中螺栓抗剪强度设计值fvb只取决于螺栓钢材，一般用Q235钢孔壁承压强度设计值fcb只取决于构件钢材，其值按螺栓端距等于2倍孔径(构造要求最小值)控制确定式中:nv——螺栓受剪面数目．取nv＝1(单剪)或2(双剪)；Σt——同一受力方向承压构件的较小总厚度，单剪时取min(t1，t2)，双剪时取min(2t1，t2)。minmin(,)bbbvvcNNN每个螺栓所受的实际剪力应不超过其抗剪的承载力(均按设计值)，即Nv≤Nvbmin。§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计三.普通螺栓群受剪连接计算1.普通螺栓群轴心受剪与侧焊缝的受力相似，螺栓受力是不均匀的，两端受力大，中间受力小。1)当连接长度时，1015ld§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计螺栓数目的确定：外力N(设计值)通过螺栓群形心使螺栓受剪时，假定所有螺栓受力相等。l1n=N/Nvbmin杆件在节点处或拼接每侧的受力螺栓至少用2个。具体排列应符合构造要求。所需螺栓数目为:假定成立的依据：只要尺寸l1不是非常非常大，螺栓受力可以通过内力重分布予以调节。§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计当构件在节点处或接头一侧的螺栓沿受力方向的连接长度l1太长时，各螺栓受力将严重不均匀，即连接两端的螺栓受力大于中间螺栓而可能首先达到极限承载力引起破坏。§3-5普通螺栓的构造和计算l1钢结构基本原理及设计2)当l1＞15d0时（d0为螺栓孔径），螺栓承裁力设计值应按下式β系数折减。适用于普通螺栓、高强度螺栓和铆钉连接。101.1150ld0.7l1101.10.7150ldminbNnN§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计3)构件净截面强度计算：构件上开设螺栓孔后，应验算其净截面强度是否满足设计要求。对错列排列的螺栓，要考虑板件有两个破坏截面。§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计2.普通螺栓群偏心受剪螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用线至螺栓群中心线的距离为e。§3-5普通螺栓的构造和计算钢结构基本原理及设计(1)扭矩作用下螺栓群计算承受扭矩T，每个螺栓承受扭矩引起的剪力。假定：a.被连接件为绝对刚性;b.螺栓受力均在弹性阶段。c