第八章-钢结构的连接(焊接)1

第八章第八章(Connections)要求1.了解钢结构连接的种类及各自的特点；2.了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算方法及构造要求；3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响；4.了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算和构造要求。一、焊缝连接§8.1钢结构的连接方法对接焊缝连接(buttwelding)【优点】不削弱截面，方便施工，连接刚度大，密封性好；【缺点】材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。角焊缝连接(filletwelding)20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。焊接是现代钢结构最主要的连接方法。钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure对接焊缝按受力与焊缝方向分：正对接焊缝(a)：作用力方向与焊缝方向正交。斜对接焊缝(b)：作用力方向与焊缝方向斜交。角焊缝按受力与焊缝方向分：正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。斜焊缝：作用力方向与焊缝方向斜交。对接焊缝角焊缝1.焊缝形式（1）对接焊缝正对接焊缝（2）角焊缝T型对接焊缝斜对接焊缝2.焊缝的方位（不是“竖焊”）（不是“俯焊”）3.焊接连接形式搭接顶接平接顶接钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure*构造简单，任何形式的构件都可直接相连；*用料经济，不削弱截面；*制作加工方便，可实现自动化操作；*连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。焊接的缺点*焊缝附近有热影响区，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；*焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏、降低压杆稳定的临界荷载，残余变形使结构形状、尺寸发生变化；*焊接裂缝一经发生，便容易扩展到整体；*低温冷脆问题较为突出。焊接的优点小结二、螺栓连接分为：普通螺栓连接高强度螺栓连接N【优点】施工方便；【缺点】削弱截面，费工费料。1）．普通螺栓连接（1）C级螺栓连接：用圆钢制成，杆身粗糙，尺寸不很准确。主要用于受拉连接和安装螺栓。（2）A、B级螺栓连接：螺杆机加工制成，尺寸准确，孔加工精度高。制造安装费工。A级：d≤24mm，l≤150mm和10d，B级：d24mm，l150mm和10d。2).高强度螺栓连接20世纪中叶开始采用。高强度螺栓则用高强度钢材制成并经热处理。拧紧螺栓使板件接触面产生很大摩擦力，依靠摩擦力传力。连接紧密，耐疲劳，承受动载可靠。是现代钢结构最主要的连接方法之一。【优点】连接刚度大，传力可靠；三、铆钉连接【缺点】对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，施工速度慢。现已很少采用。•19世纪20-30年代出现铆钉连接。把铆钉加热到1000-1500oC，用铆钉枪铆合。1.1.对接焊缝的坡口形式对接焊缝的坡口形式一、对接焊缝的构造§8.2对接焊缝的构造与计算对接焊缝的焊件常做坡口（edgepreparation），坡口形式与板厚和施工条件有关。可不做坡口,采用直边缝···················t6mm(手工焊)···················t10mm(埋弧焊)宜采用单边V形和双边V形坡口··········t=7~20mm宜采用U形、K形、X形坡口···············t20mmt--焊件厚度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）1）V形、U形坡口焊缝单面施焊，为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板或者补焊；2）对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板（run-ontab）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2t1，t1—较薄焊件厚度；垫板垫板垫板引弧板2.2.对接焊缝的构造处理对接焊缝的构造处理3）当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。≤1:2.5≤1:2.53.3.对接焊缝的优缺点对接焊缝的优缺点【优点】用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。【缺点】需剖口，焊件长度要求精确。钢结构常用焊接方法1.电弧焊原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。Q390、Q420钢选择——E55型焊条(E5500--5518)Q345钢选择——E50型焊条(E5000--5048)Q235钢选择——E43型焊条（E4300--E4328)记住啦B、焊条的表示方法：E—焊条(Electrode)第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)第3、4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。【缺点】质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。【优点】方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；C、优、缺点电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊接，常用电阻点焊，板叠总厚度一般不超过12mm，焊点应主要承受剪力，其抗拉(撕裂)能力较差。3．电渣焊电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。缺点是输入的热量大，接头在高温下停留时间长、焊缝附近容易过热，焊缝金属呈粗大结晶的铸态组织，冲击韧性低，焊件在焊后一般需要进行正火和回火热处理。2．电阻焊焊缝缺陷及焊缝质量检查1.焊缝缺陷(welddefect)焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹(crack)、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔(porosity)、夹渣(slaginclusion)、咬边(undercut)、未熔合、未焊透(lackofpenetration)等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。2.焊缝质量检查外观检查(visualinspection)：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验(non-destructiontest)：检验内部缺陷。注:内部检验主要采用超声波(ultrasonicinspection)，有时还用磁粉检验(magneticparticle)荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线(X-radiography)或γ射线透照或拍片。《钢结构工程施工及验收规范》规定：焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。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。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；《钢结构设计规范》（GB50017--2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：(1)需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。3.焊缝质量等级及选用(2)在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。（３）重级工作制和起重量Ｑ＞５０ｔ的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的Ｔ形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。（４）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Ｑ＞５０ｔ的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。4.焊缝代号(weldingsymbol)焊透（fullpenetration）‹对接焊缝分为部分焊透（partialpenetration）（自学）‹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；二、对接焊缝的计算NNt‹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，不予计算。三级焊缝需进行计算；‹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。记住啦！【强调】对接焊缝的强度！！！1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。2）三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%，三级检验的焊缝的强度低于母材。3）一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。1.1.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wwtcwNffltσ=≤或式中：N—轴心拉力或压力；t—板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；ftw、fcw—对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。NNlwt(A)当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。(81)−sin(82)cos(83)wwtcwwvwNffltNfltθσθτ=≤−=≤−或NNt(B)θNsinθNcosθlw规范规定，当斜焊缝倾角θ≦56.3°，即tanθ≦1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。2.M、V共同作用下的对接焊缝计算lwtAMVστmax26wtwwMMfWltσ==≤max3(84)2wwVwwVSVfItltτ==⋅≤−因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：故其强度计算公式为：（1）板件间对接连接式中：Ww—焊缝截面模量；Sw--焊缝截面面积矩；Iw--焊缝截面惯性矩。（2）工字形截面梁对接连接计算MV1焊缝截面A、对于焊缝的σmax和τmax应满足式8-4要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足：221131.1(87)wtfστ+≤−1.1的含义是什么？【系数1.1】考虑最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高系数。【说明】工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。例题：hehfhf普通式hehf1.5hf平坦式1、角焊缝的形式:一、角焊缝的形式和受力分析§8.3角焊缝的构造与计算直角角焊缝、斜角角焊缝（1）直角角焊缝hehfhf凹面式按he=0.7hf斜角角焊缝按he=0.7hf(a)hfαhfhfhfαa）锐角角焊缝；b）钝角角焊缝(b)按he=hfcoshfhfαhfhfαα2按he=hfcosα2（2）斜角角焊缝对于α135o或α60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。（1）侧面角焊缝（侧焊缝）2.直角角焊缝的受力分析【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，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。剪应力τfA.应力分析NlwNB.破坏形式（2）正面角焊缝A.应力分析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35%--55%以上。B.正面角焊缝的破坏形式（3）斜角焊缝斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。二、角焊缝的构造1、最大焊脚尺寸hf,max(legsize)为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:hf,max≤1.2t1（钢管结构除外）式中:t1---较薄焊件厚度。tt1hf对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：当t≤6mm时，hf,max≤t；当t6mm时，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t2、最小焊脚尺寸hf,min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，hf,min应满足以下要求:)(5.12min,计算数值只进不舍！thf≥式中:t2----较厚焊件厚度另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm;对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;当t2≤4mm时,hf,min=t23.侧面角焊缝的最大计算长度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；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：fwhl60≤注：1、当实际长度大于以上值时，计算时不予考虑；2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。4.侧面角焊缝的最小计算长度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