钢结构设计原理.ppt

钢 结 构基 本 原 理 土木工程学院2007年2008年第二学期3 钢结构的连接本章内容：本章内容：(1)钢结构的连接方法钢结构的连接方法 (2)焊接方法和焊接连接形式焊接方法和焊接连接形式 (3)角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算 (4)对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算 (5)螺栓连接的构造螺栓连接的构造 (6)普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算 (7)高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算本章重点：本章重点：角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计角焊缝的构造与计算，普通螺栓连接的计 算，高强度螺栓连接的计算。算，高强度螺栓连接的计算。本章难点：本章难点：如何运用相关公式进行各种连接计算。如何运用相关公式进行各种连接计算。2、铆接铆接1、焊接焊接 对接焊缝对接焊缝角角 焊焊 缝缝焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法3.1.1 钢结构连接种类钢结构连接种类图图3.1 3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法(a)(a)、(b)(b)焊缝连接；焊缝连接；(c)(c)铆钉连接铆钉连接(a)(b)(c)(a)(b)(c)3、螺栓连接螺栓连接 普通螺栓：普通螺栓：高强螺栓高强螺栓靠螺栓杆承压和靠螺栓杆承压和受剪传递荷载受剪传递荷载图图3.2 3.2 螺栓连接螺栓连接优点：优点：（1 1）构造简单，制造省工；）构造简单，制造省工；（2 2）不削弱截面，经济；）不削弱截面，经济；（3 3）连接刚度大，密闭性能好；）连接刚度大，密闭性能好；（4 4）易采用自动化作业，生产效率高。）易采用自动化作业，生产效率高。缺点：缺点：（1 1）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆；）焊缝附近有热影响区，该处材质变脆；（2 2）产生焊接残余应力和残余应变；）产生焊接残余应力和残余应变；（3 3）裂缝易扩展，低温下易脆断。）裂缝易扩展，低温下易脆断。1 1、焊缝连接、焊缝连接3.1.2 连接特点连接特点优点：优点：安装拆卸方便。安装拆卸方便。缺点：缺点：构造复杂，削弱截面，不经济。构造复杂，削弱截面，不经济。2 2、螺栓连接、螺栓连接 1 1、普通螺栓连接、普通螺栓连接 由由235235钢制成，根据加工精度分钢制成，根据加工精度分A A、B B、C C三级。三级。A A、B B级级精精制制螺螺栓栓,类类孔孔，孔孔径径比比杆杆径径大大0.3-0.3-0.5mm0.5mm，抗剪性能好，抗剪性能好,制造安装费工，少用。制造安装费工，少用。C C 级级粗粗制制螺螺栓栓,类类孔孔，孔孔径径比比杆杆径径大大1.5-2.0mm1.5-2.0mm，抗抗剪剪性性能能差差，但但传传递递拉拉力力性性能能好好，性性能能等等级级为为4.64.6级或级或4.84.8级。级。（1 1）性能等级）性能等级 高强钢材制成：优质碳素钢：高强钢材制成：优质碳素钢：3535号、号、4545号号 合合 金金 钢：钢：20MnTiB20MnTiB、40B40B、35VB35VB 性能等级：性能等级：8.88.8级、级、10.910.9级。级。小数点前小数点前8 8、1010螺栓材料经热加工后的最低抗拉螺栓材料经热加工后的最低抗拉 强度为强度为800800、1000N/mm1000N/mm2 2；小数点后小数点后0.80.8、0.90.9屈强比屈强比 2、高强螺栓连接高强螺栓连接摩擦型：摩擦型：只靠摩擦阻力传力，以只靠摩擦阻力传力，以剪力达到接触面的摩擦力剪力达到接触面的摩擦力 作为承载力极限状态作为承载力极限状态设计准则。设计准则。（2 2）按抗剪性能分）按抗剪性能分承压型：承压型：以以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承作为承 载力极限状态载力极限状态设计准则。设计准则。摩擦型螺栓连接：摩擦型螺栓连接：变形小，弹性性能好，耐疲劳，施工较变形小，弹性性能好，耐疲劳，施工较 简单，适用于承受动力荷载的结构。简单，适用于承受动力荷载的结构。承压型螺栓连接：承压型螺栓连接：承载力高于摩擦型连接，连接紧凑，剪承载力高于摩擦型连接，连接紧凑，剪 切变形大，不能用于承受动力荷载的结构。切变形大，不能用于承受动力荷载的结构。3.2 焊接方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式3.2.1 钢结构常用焊接方法钢结构常用焊接方法 1.1.手工电弧焊手工电弧焊 打火引弧打火引弧-电弧周围的金属液化电弧周围的金属液化(溶池溶池)焊条熔化焊条熔化 滴入溶池滴入溶池与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。电弧焊：电弧焊：手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊。优点：优点：方便，特别在高空和野外作业；方便，特别在高空和野外作业；缺点：缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。效率低。焊条焊条：焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。Q235Q235E43E43焊条；焊条；Q345Q345E50E50焊条；焊条；Q390Q390（Q420Q420）E55E55焊条。焊条。E E焊条；型号由四部分组成焊条；型号由四部分组成 E E 前两位数前两位数 焊缝金属最小抗拉强度焊缝金属最小抗拉强度(43kg/mm(43kg/mm2 2)；后两位数后两位数 焊接位置、电流及药皮类型。焊接位置、电流及药皮类型。不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。手工电弧焊手工电弧焊2.2.自动（半自动）埋弧焊自动（半自动）埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。优点：优点：质量好，效率高；质量好，效率高；缺点：缺点：需要专用设备。需要专用设备。3.3.气体保护焊气体保护焊 利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为保利用二氧化碳气体或者其他惰性气体作为保护介质的一种方法。护介质的一种方法。优点：优点：质量好；质量好；缺点：缺点：对环境要求高。对环境要求高。（被连接钢材的相互位置）对接连接搭接连接T型连接角部连接焊缝连接形式 3.2.2 焊缝连接形式及焊缝形式焊缝连接形式及焊缝形式1.1.焊缝连接形式焊缝连接形式图图3.3 T3.3 T形连接形连接图图3.4 3.4 搭接连接搭接连接焊缝连接形式焊缝连接形式图图3.5 3.5 焊缝连接的形式焊缝连接的形式(a)(a)对接连接；对接连接；(b)(b)用拼接盖板的对接连接；用拼接盖板的对接连接；(c)(c)搭接连接；搭接连接；(d)(d)、(e)T(e)T形连接；形连接；(f)(f)、(g)(g)角部连接角部连接(1)(1)按焊缝的截面形式分按焊缝的截面形式分对接焊缝对接焊缝角角 焊焊 缝缝 2.2.焊缝形式焊缝形式图图3.6 3.6 焊缝形式焊缝形式 (a)(a)正对接连接；正对接连接；(b)(b)斜对接焊缝；斜对接焊缝；(c)(c)角焊缝角焊缝按按受受力力方方向向划划分分 正正对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 对接焊缝对接焊缝 斜斜对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝倾斜倾斜于力线于力线 正面正面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 角焊缝角焊缝 侧面侧面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝平行平行于力线于力线 斜斜角焊缝角焊缝:焊缝焊缝倾斜倾斜于力线于力线(2)(2)焊缝沿长度方向的布置焊缝沿长度方向的布置注意注意:L L不宜过长不宜过长 在受压构件中在受压构件中 L15t L15t 在受拉构件中在受拉构件中 L30t L30t （t t为较薄焊为较薄焊 件的厚度）件的厚度）图图3.7 3.7 连接角焊缝和断续角焊缝连接角焊缝和断续角焊缝（3 3）焊缝的施焊方位）焊缝的施焊方位平焊（俯焊）平焊（俯焊）横焊横焊 立焊立焊 仰焊仰焊 图图3.8 3.8 焊缝施焊位置焊缝施焊位置 (a)(a)平焊；平焊；(b)(b)横焊；横焊；(c)(c)立焊；立焊；(d)(d)仰焊仰焊3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷及焊缝质量检验1 1、焊缝缺陷：、焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊缝金属或附近热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影响区钢材表面或内部的缺陷图图3.9 3.9 焊缝缺陷焊缝缺陷(a)(a)裂纹；裂纹；(b)(b)焊瘤；焊瘤；(c)(c)烧穿；烧穿；(d)(d)弧坑；弧坑；(e)(e)气孔；气孔；(f)(f)夹渣；夹渣；(g)(g)咬边；咬边；(h)(h)未熔合；未熔合；(i)(i)未焊缝未焊缝2.2.焊缝质量检验焊缝质量检验三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸）三级：只进行外观检查（即检查外观缺陷和几何尺寸）二级：除外观检查，超声波抽检二级：除外观检查，超声波抽检一级：同二级一级：同二级3.3.焊缝质量等级的选用焊缝质量等级的选用 （1 1）需要进行疲劳计算的构件，凡是对接焊缝均应）需要进行疲劳计算的构件，凡是对接焊缝均应焊透。其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或焊透。其中垂直于作用力方向的横向对接焊缝或T T形对形对接与角接组合焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级；接与角接组合焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级；作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。（2 2）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母材）不需要进行疲劳计算的构件，凡要求与母材等强的对接焊缝应焊透。母材等强的受拉对接焊缝等强的对接焊缝应焊透。母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。应不低于二级；受压时宜为二级。（3 3）重级工作制和起重量）重级工作制和起重量Q500kNQ500kN的中级工作制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杆与节点板之间的T T形接头均要求焊透，质量等级不形接头均要求焊透，质量等级不应低于二级。应低于二级。（4 4）不要求焊透的）不要求焊透的T T形接头采用的角焊缝或部分形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，一般仅要求外观质量检查，具体规定如下角焊缝，一般仅要求外观质量检查，具体规定如下:三级检验三级检验;承受动力荷载且需要验算疲劳和承受动力荷载且需要验算疲劳和Q500kNQ500kN的中级吊车梁，二级。的中级吊车梁，二级。3.2.4 焊缝代号、螺栓及其孔眼图例焊缝代号、螺栓及其孔眼图例 焊缝符号表示法焊缝符号表示法规定：焊缝符号一般由规定：焊缝符号一般由基本基本符号符号与与指引线指引线组成，必要时还可加上组成，必要时还可加上补充符号补充符号和和焊缝焊缝尺寸尺寸。基本符号：基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用表示焊缝的横截面形状，如用“”表示表示角焊缝角焊缝,用用“V V”表示表示V V形坡口听对接焊缝；形坡口听对接焊缝；补充符号：补充符号：补充说明焊缝的某些特征，如用补充说明焊缝的某些特征，如用“”表表示现场安装焊缝，用示现场安装焊缝，用“”表示焊件三面带有焊缝；表示焊件三面带有焊缝；指引线指引线 ：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等。号和焊缝尺寸等。表表3.1 3.1 焊缝符号焊缝符号表表3.1 3.1 焊缝符号焊缝符号续表续表当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时时,在标注焊缝符号的同时在标注焊缝符号的同时,可在图形上加栅线表示。可在图形上加栅线表示。图图3.10 3.10 用栅线表示焊缝用栅线表示焊缝(a)(a)正面焊缝；正面焊缝；(b)(b)背面焊缝；背面焊缝；(c)(c)安装焊缝安装焊缝表表3.2 3.2 螺栓及其孔眼图例螺栓及其孔眼图例3.3 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算角焊缝的角焊缝的焊脚尺寸焊脚尺寸角焊缝的角焊缝的计算厚度计算厚度，对直角角焊缝：，对直角角焊缝：按截面形式划分按截面形式划分3.3.1 角焊缝的形式与强度角焊缝的形式与强度图图3.11 3.11 直角角焊缝截面直角角焊缝截面角焊缝角焊缝直角角焊缝直角角焊缝斜角角焊缝斜角角焊缝角焊缝一般用直角角焊缝。角焊缝一般用直角角焊缝。夹角夹角 或或 的斜角角焊缝，的斜角角焊缝，不宜不宜用作用作受力焊缝受力焊缝(钢管结构除外钢管结构除外).).图图3.12 3.12 斜角角焊缝截面斜角角焊缝截面侧侧面面角角焊焊缝缝强强度度低低、塑塑性性好好；应应力力沿沿长长度度方方向向分分布布不不均均匀，呈两端大而中间小的状态。匀，呈两端大而中间小的状态。1 1、侧面角焊缝侧面角焊缝平行于力的作用方向平行于力的作用方向NNNNtbLLaN按角焊缝与作用力的关系分按角焊缝与作用力的关系分:侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝侧面角焊缝、正面角焊缝、斜焊缝图图3.13 3.13 侧面角焊缝受力示意图侧面角焊缝受力示意图图图3.14 3.14 侧焊缝的应力侧焊缝的应力正正面面角角焊焊缝缝受受力力复复杂杂，截截面面中中的的各各面面均均存存在在正正应应力力和剪应力；强度高，塑性差。和剪应力；强度高，塑性差。2 2、正面角焊缝正面角焊缝垂直于力的作用方向垂直于力的作用方向3 3、斜焊缝、斜焊缝受力性能和强度值介于正面角焊缝受力性能和强度值介于正面角焊缝 和侧面角焊缝之间。和侧面角焊缝之间。图图3.15 3.15 正面角焊缝应力状态正面角焊缝应力状态（1 1）最大焊脚尺寸）最大焊脚尺寸对边缘角焊缝对边缘角焊缝 为避免焊缝区基本金属为避免焊缝区基本金属“过热过热”，减少焊件，减少焊件的残余应力和残余变形。的残余应力和残余变形。3.3.2 角焊缝构造要求角焊缝构造要求图图3.16 3.16 最大焊脚尺寸最大焊脚尺寸 焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织。快而产生淬硬组织。对自动焊对自动焊:对对T T型连接的单面角焊缝：型连接的单面角焊缝：当焊件厚度当焊件厚度设计设计：（2 2）最小焊脚尺寸要求）最小焊脚尺寸要求（3 3）不等焊脚尺寸的构造要求）不等焊脚尺寸的构造要求 当焊件的厚度相差较大且当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合要求时，等焊脚尺寸不能符合要求时，可采用不等焊脚尺寸。可采用不等焊脚尺寸。（4 4）侧面角焊缝的最大计算长度）侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝沿长度受力不均匀，两端大中间小侧面角焊缝沿长度受力不均匀，两端大中间小,所以一般均规定其最大计算长度。所以一般均规定其最大计算长度。6060hf 静力荷载静力荷载4040hf 动力荷载动力荷载注：若内力沿角焊缝注：若内力沿角焊缝全长分布全长分布，则计算长度，则计算长度不不受此限受此限注意注意：焊脚尺寸和焊缝计算长度：焊脚尺寸和焊缝计算长度取取mmmm的整数，小数点的整数，小数点 以后都进为以后都进为1 1。图图3.17 3.17 不等焊脚尺寸的构造要求不等焊脚尺寸的构造要求设计：设计：防防止止局局部部加加热热严严重重，焊焊缝缝起起灭灭弧弧所所引引起起的的缺缺陷陷相相距距太近，及其他缺陷，使得焊缝不可靠。太近，及其他缺陷，使得焊缝不可靠。在搭接连接中，搭接长度在搭接连接中，搭接长度L5t L5t min min ，且且25mm25mm。为了减少收缩应力为了减少收缩应力以及因偏心在钢板与连以及因偏心在钢板与连接件中产生的次应力接件中产生的次应力（5 5）角焊缝的最小计算长度）角焊缝的最小计算长度（6 6）搭接连接的构造要求）搭接连接的构造要求图图3.18 3.18 搭接连接搭接连接围焊的围焊的转角处转角处 必须必须连续施焊连续施焊.非围焊，可在非围焊，可在 构件转角处作构件转角处作 长度长度2 2h f 的绕的绕 角焊。角焊。为了避免焊缝为了避免焊缝横向收缩时引横向收缩时引起板件的拱曲起板件的拱曲大。大。当板件端部仅有两侧面角焊缝时，当板件端部仅有两侧面角焊缝时，lwb (b b为两侧焊缝距离为两侧焊缝距离)同时同时或或图图3.19 3.19 焊缝长度及两侧焊缝间距焊缝长度及两侧焊缝间距焊缝实际长度焊缝实际长度 取为取为5mm的倍数，如的倍数，如192mm取为取为195mm，196mm取为取为200mm。角焊缝的计算长度角焊缝的计算长度 lw 和实际长度和实际长度 l 的关系：的关系：4.绕角焊：侧面角焊缝 lw=l(绕角焊的2hf不在内)图图3.20 3.20 角焊缝长度的计算角焊缝长度的计算（1 1）侧面角焊缝的破坏大多在）侧面角焊缝的破坏大多在4545o o截面；截面；受力特点：受力特点：3.3.3 直角角焊缝强度计算的基本公式直角角焊缝强度计算的基本公式图图3.21 3.21 侧焊缝破坏形式侧焊缝破坏形式(a)(a)实际剪坏面；实际剪坏面；(b)(b)计算剪坏面计算剪坏面图图3.22 3.22 角焊缝截面角焊缝截面h焊缝厚度；焊缝厚度；hf焊缝厚度；焊缝厚度；he焊缝有效厚度焊缝有效厚度(焊焊喉部位喉部位)；h1熔深；熔深；h2凸度；凸度；d焊趾；焊趾；e焊跟焊跟 （3 3）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差。）正面角焊缝破坏强度高，刚度大，塑性差。（2 2）正面角焊缝应力状态复杂，可能沿）正面角焊缝应力状态复杂，可能沿4545o o截面破截面破坏，也可能沿溶合边破坏；坏，也可能沿溶合边破坏；图图3.23 3.23 焊脚尺寸及有效焊脚厚度焊脚尺寸及有效焊脚厚度计算步骤：计算步骤：（1 1）求出同一平面焊缝群的形心；）求出同一平面焊缝群的形心；（2 2）将荷载向）将荷载向形心形心简化，找出简化，找出最不利位置；最不利位置；（3 3）分别求出）分别求出各荷载分量各荷载分量在最不利位置产生在最不利位置产生 的的应力应力；（4 4）区分区分正面角焊缝正面角焊缝受力和受力和侧面角焊缝侧面角焊缝受力，受力，视视荷载种类荷载种类（静荷或动荷）代入角焊缝（静荷或动荷）代入角焊缝 的基本计算公式进行计算。的基本计算公式进行计算。（5 5）验算是否满足）验算是否满足构造要求构造要求。（作用力平行于焊缝方向）（作用力平行于焊缝方向）N NN N1 1、侧面角焊缝、侧面角焊缝图图3.24 3.24 侧面角焊缝的应力分布示意图侧面角焊缝的应力分布示意图当承受动力荷载时：当承受动力荷载时：N NN N-正面角焊缝强度增大系数，正面角焊缝强度增大系数，1.22。2 2、正面角焊缝、正面角焊缝（作用力垂直于焊缝方向）（作用力垂直于焊缝方向）图图3.25 3.25 正面角焊缝的应力分布示意图正面角焊缝的应力分布示意图N NN Ny y=Ncos=Ncos N Nx x=Nsin=Nsin 3 3、斜向角焊缝、斜向角焊缝图图3.26 3.26 斜向轴心力作用斜向轴心力作用 两两 面面 侧侧 焊焊(由构造确定由构造确定hf )NNNNtbLLa(1)(1)用盖板的对接连接承受轴心力时用盖板的对接连接承受轴心力时1.1.承受轴心力作用时角焊缝连接计算承受轴心力作用时角焊缝连接计算盖板长度：盖板长度：由由得得3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算各种受力状态下直角角焊缝连接计算图图3.27 3.27 受轴心力的盖板连接受轴心力的盖板连接 (只有侧面角焊缝只有侧面角焊缝)(由构造确定由构造确定hf )NNNNtbLLa由由得得 三三 面面 围围 焊焊(a)(a)端面角焊缝承担端面角焊缝承担 N(b)(b)侧面角焊缝承担侧面角焊缝承担 N1 1图图3.28 3.28 受轴心力的盖板连接受轴心力的盖板连接 (三面围焊三面围焊)盖板长度盖板长度：NNNNbtLLaNN由由N1得得(c)(c)焊缝长度计算焊缝长度计算图图3.28 3.28 受轴心力的盖板连接受轴心力的盖板连接 (三面围焊三面围焊)解解 查附表查附表1.2 例例3.13.1试设计用拼接盖板的对接连接试设计用拼接盖板的对接连接(图图3.29)3.29)。已知钢板宽已知钢板宽B=270mmB=270mm，厚度，厚度t t1 1=28mm=28mm，拼接盖板厚度，拼接盖板厚度t t2 2=16mm=16mm。该连接承受静态轴心力该连接承受静态轴心力N=1400kN(N=1400kN(设计值设计值)，钢材为，钢材为Q235BQ235B，手工焊，焊条为手工焊，焊条为E43E43型。型。图图3.29 3.29 例例3.13.1图图 (a)(a)两面侧焊时两面侧焊时(1)(1)两面侧焊两面侧焊NNNNtbLLa 盖板长度盖板长度 一条焊缝的实际长度一条焊缝的实际长度取取680680mm 焊缝总长度焊缝总长度 图图3.29 3.29 例例3.13.1图图 (b)(b)两面侧焊两面侧焊 选定拼接盖板宽度选定拼接盖板宽度 b=240mmb=240mm，则：，则：A=240216=7680mm2A=27028=7560mm2满足强度要求。满足强度要求。根据构造要求可知：根据构造要求可知：b=240mmlw=313mm且 b16t=1616=256mm满足要求，故选定拼接盖板尺寸为满足要求，故选定拼接盖板尺寸为680mm240mm16mm。(2)(2)三面围焊三面围焊 端面角焊缝承担端面角焊缝承担 N侧面角焊缝承担侧面角焊缝承担 N1 1N1=NN 焊缝长度计算焊缝长度计算图图3.29 3.29 例例3.13.1图图 (c)(c)三面围焊时三面围焊时NNNNtbLLa 一条焊缝长度一条焊缝长度 盖板长度盖板长度盖板尺寸为：盖板尺寸为：取为取为180mm.图图3.29 3.29 例例3.13.1图图 (d)(d)三面围焊三面围焊（a a）三面围焊三面围焊N N1 1N N3 3N N2 2 N=N1+N2+N33.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算各种受力状态下直角角焊缝连接计算1.1.承受轴心力作用时角焊缝连接计算承受轴心力作用时角焊缝连接计算(2)(2)承受轴心力的角钢角焊缝计算承受轴心力的角钢角焊缝计算肢背、肢尖焊缝承担的力肢背、肢尖焊缝承担的力 N1、N2，端面焊缝承担的力端面焊缝承担的力 N3N Nlw1lw2图图3.30 3.30 三面围焊三面围焊(a(a)(b(b)N N1 1N N3 3N N2 2由由得端面焊缝承担的力得端面焊缝承担的力 N3图图3.30 3.30 三面围焊三面围焊图图3.30 3.30 三面围焊三面围焊(a(a)(b(b)(c(c)lw1lw2N N令：令：-肢背、肢尖内力分配系数，近似取肢背、肢尖内力分配系数，近似取2/32/3，1/31/3。N N1 1N N3 3N N2 2b由由lw2lw1图图3.30 3.30 三面围焊三面围焊(a(a)N N肢尖、肢背所需焊缝长度肢尖、肢背所需焊缝长度 l1、l2图图3.30 3.30 三面围焊三面围焊(c(c)（b b）两面侧焊两面侧焊图图3.31 3.31 两面侧焊两面侧焊表表3.3 3.3 角钢角焊缝内力分配系数角钢角焊缝内力分配系数 例例 3.23.2 试确定图试确定图3.353.35所示承受静态轴心力作用的三面围焊所示承受静态轴心力作用的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢为连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢为212521251010，与厚度为与厚度为8 8mm的节点板连接，其肢背搭接长度为的节点板连接，其肢背搭接长度为300300mm，焊脚，焊脚尺寸均为尺寸均为hf=8=8mm，钢材为，钢材为Q235BQ235B，手工焊，焊条为，手工焊，焊条为E43E43型。型。图图3.32 3.32 例例3.23.2图图（2 2）肢背焊缝承担的力）肢背焊缝承担的力N1（1 1）端部焊缝承担的力）端部焊缝承担的力N3 解解：（3 3）焊缝连接承担的力）焊缝连接承担的力N（5 5）肢尖焊缝长度）肢尖焊缝长度（4 4）肢尖焊缝承担的力）肢尖焊缝承担的力N N2 2 2.2.承受弯矩、轴心力或剪力联合作用的承受弯矩、轴心力或剪力联合作用的已知：已知：M、V 、N 问题：验算焊缝强度或设计问题：验算焊缝强度或设计（1）应力计算）应力计算3.3 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝连接计算各种受力状态下直角角焊缝连接计算图图3.33 3.33 承受偏心斜拉力的角焊缝承受偏心斜拉力的角焊缝角焊缝连接计算角焊缝连接计算N Nx xN NN Ny yM M+图图3.34 3.34 承受偏心斜拉力时的等价形式承受偏心斜拉力时的等价形式(c(c)(a)(a)(b)(b)(d)(d)(e)(e)b b）M M作用下作用下a a）N Nx x作用下，焊缝是正面角焊缝作用下，焊缝是正面角焊缝N Nx xM M 图图3.34(c)3.34(c)图图3.34(d)3.34(d)（2 2）强度条件）强度条件c c）N Ny y作用下，焊缝是侧面角焊缝作用下，焊缝是侧面角焊缝N Ny y图图3.34(e)3.34(e)3.3.承受扭矩与剪力联合作用时的角焊缝连接计算承受扭矩与剪力联合作用时的角焊缝连接计算 假定：假定：(1)(1)构件是完全刚性的，角焊缝处于弹性状态；构件是完全刚性的，角焊缝处于弹性状态；(2)(2)角焊缝群上任意一点的应力方向垂直于该点与形心角焊缝群上任意一点的应力方向垂直于该点与形心 的连线，且应力大小与连线长度的连线，且应力大小与连线长度r r成正比。成正比。图图3.35 3.35 受剪力和扭矩作用的角焊缝受剪力和扭矩作用的角焊缝图图3.35 3.35 受剪力和扭矩作用的角焊缝受剪力和扭矩作用的角焊缝图图3.35 3.35 受剪力和扭矩作用的角焊缝受剪力和扭矩作用的角焊缝图图3.35 3.35 受剪力和扭矩作用的角焊缝受剪力和扭矩作用的角焊缝典型问题：典型问题：工字型牛腿焊缝的计算工字型牛腿焊缝的计算第一种方法假设：第一种方法假设：剪力由腹板焊缝承剪力由腹板焊缝承担担弯矩由全部焊缝承担弯矩由全部焊缝承担a a）翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：）翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：M焊缝承担的弯矩焊缝承担的弯矩Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩翼缘焊缝仅承受垂翼缘焊缝仅承受垂直于焊缝长度方向直于焊缝长度方向的弯曲应力；的弯曲应力；图图3.36 3.36 工字形梁工字形梁(或牛腿或牛腿)的角焊缝连接的角焊缝连接腹腹板板焊焊缝缝即即承承受受垂垂直直于于焊焊缝缝长长度度方方向向的的应应力力又又承承受受平平行行腹腹板板焊焊缝缝长长度度方向的剪应力方向的剪应力b b）腹板焊缝：）腹板焊缝：腹板焊缝腹板焊缝A A点的强度：点的强度：h e2 腹板焊缝焊脚有效尺寸腹板焊缝焊脚有效尺寸,h e2=0.7h f 2h 2 腹板焊缝实际长度腹板焊缝实际长度图图3.37 3.37 工字形梁的角焊缝连接工字形梁的角焊缝连接第二种方法假设第二种方法假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩M可以化为一对水平力可以化为一对水平力H=M/h。则翼缘焊缝的强度计算公。则翼缘焊缝的强度计算公式为式为腹板焊缝的强度计算公式为腹板焊缝的强度计算公式为 截面特性计算截面特性计算截面积截面积：上、下翼上、下翼缘及腹板截面及腹板截面积之和之和中和轴（形心）位置中和轴（形心）位置：按全截面按全截面对某某轴的面的面积矩等于各矩等于各块板分板分别对该轴的面的面积矩之和求得。矩之和求得。惯性矩惯性矩：各板各板块自身自身惯性矩再加上各板性矩再加上各板块面面积乘以板乘以板块中心至中心至中和中和轴距离的平方。距离的平方。40080200201002010图图3.38 3.38 截面特性计算截面特性计算各点抵抗矩各点抵抗矩：惯性矩除以性矩除以该点至中和点至中和轴的距离。的距离。各点面积矩各点面积矩：该点以上（或以下）的截面点以上（或以下）的截面积对中和中和轴的面的面积矩。矩。如按如按b b点以下面积矩计算，点以下面积矩计算，中和轴以上部分取负值，以下部分取正值中和轴以上部分取负值，以下部分取正值40080200201002010图图3.38 3.38 截面特性计算截面特性计算图图3.39 3.39 例例3.33.3图图 例例 3.33.3试验算图试验算图3.423.42所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢材为材为Q235BQ235B，焊条为，焊条为E43E43型，手工焊。静态荷载设计值型，手工焊。静态荷载设计值N=365kNN=365kN，偏心距偏心距e e=350mm=350mm，焊脚尺寸，焊脚尺寸hf1f1=8mm=8mm，hf2f2=6mm=6mm。图。图3.42(b)3.42(b)为焊缝为焊缝有效截面的示意图。有效截面的示意图。a)a)计算翼缘焊缝：计算翼缘焊缝：解解：V=N=365kN，M=Ne=3650.35=127.8kNm（1 1）考虑腹板焊缝参加传递弯矩的计算方法考虑腹板焊缝参加传递弯矩的计算方法 全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为：全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为：翼缘焊缝的最大应力：翼缘焊缝的最大应力：b)b)计算腹板焊缝：计算腹板焊缝：弯矩弯矩M引起的最大应力：引起的最大应力：剪力剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力：在腹板焊缝中产生的平均剪应力：则腹板焊缝的强度（则腹板焊缝的强度（A点为设计控制点）为：点为设计控制点）为：（2 2）不）不考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法 翼缘焊缝所承受的水平力：翼缘焊缝所承受的水平力：（h值值近似取近似取为为翼翼缘缘中中线间线间距离）距离）翼缘焊缝的强度：翼缘焊缝的强度：腹板焊缝的强度：腹板焊缝的强度：坡口型式：厚度很小，手工焊坡口型式：厚度很小，手工焊6mm6mm，埋弧焊，埋弧焊10mm10mm时时 直边缝直边缝；一般厚度，一般厚度，单边单边V V形或形或V V形形坡口；坡口；厚度较大，厚度较大，20mm20mm，U U形、形、K K形或形或X X 形形坡口。坡口。3.4 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算3.4.1 对接焊缝的构造对接焊缝的构造1 1、坡口形式、坡口形式图图3.40 3.40 对接焊缝的坡口形式对接焊缝的坡口形式(a)(a)直边缝；直边缝；(b)(b)单边单边V V形坡口；形坡口；(c)(c)V V形坡口；形坡口；(d)(d)U U形坡口；形坡口；(e)(e)K K形坡口；形坡口；(f)(f)X X形坡口形坡口 拼拼接接处处，当当焊焊件件的的宽宽度度或或厚厚度度相相差差4mm4mm以以上上时时，从从一一侧侧或或两两侧侧做做坡坡度度不不大大于于1 1：2.5 2.5（承承受受动动力力荷荷载载且且需需要要进进行行疲疲劳劳计算的结构不大于计算的结构不大于1 1：4 4）的斜角，平缓过渡。的斜角，平缓过渡。静静力力荷荷载载作作用用时时允允许许不不设设。当当不不设设引引弧弧板板时时，每每条条焊焊缝缝计算长度等于实际长度减计算长度等于实际长度减2 t（t为较薄焊件厚度）。为较薄焊件厚度）。起落弧处起落弧处,宜加引弧板宜加引弧板(引出板引出板)。2 2、截面的改变、截面的改变3 3、引弧板、引弧板图图3.41 3.41 钢板拼接钢板拼接图图3.42 3.42 用引弧板和引出板焊接用引弧板和引出板焊接(a)(a)改变宽度；改变宽度；(b)(b)改变厚度改变厚度焊缝强度与钢材强度比较：-质量检验为一、二级时质量检验为一、二级时,焊缝强度与钢材强度相等；焊缝强度与钢材强度相等；-质量检验为三级时质量检验为三级时,抗压强度、抗剪强度与钢材强度相等，抗压强度、抗剪强度与钢材强度相等，抗拉强度等于抗拉强度等于0.85%0.85%的母材强度。的母材强度。受拉连接受拉连接,三级检验时三级检验时,进行焊缝强度验算。进行焊缝强度验算。对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。对接焊缝的计算公式与构件强度公式相同。焊缝可视为构件的组成部分；焊缝可视为构件的组成部分；焊缝中应力分布基本同构件。焊缝中应力分布基本同构件。3.4.2 对接焊缝的计算对接焊缝的计算1 1、焊透的对接焊缝的计算、焊透的对接焊缝的计算(1)(1)轴心受力对接焊缝轴心受力对接焊缝时时,强度可不进行验算。强度可不进行验算。N 轴心拉力或压力；轴心拉力或压力；lw 焊缝的计算长度，未采用引弧板焊缝的计算长度，未采用引弧板,实际长度减实际长度减2 2t t 。t t 对接连接中对接连接中,连接件较小厚度；连接件较小厚度；T T形连接中形连接中,腹板厚度。腹板厚度。注：当注：当图图3.43 3.43 对接焊缝受轴心力对接焊缝受轴心力(2)(2)承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝图图3.44 3.44 对接焊缝受弯矩和剪力联合作用对接焊缝受弯矩和剪力联合作用(a)(a)钢板对接接头；钢板对接接头；(b)(b)工字形截面梁的对接接头工字形截面梁的对接接头Ww-焊缝截面模量焊缝截面模量Sw-焊缝截面面积矩焊缝截面面积矩Iw-焊缝截面惯性矩焊缝截面惯性矩-焊缝抗剪强度设计值焊缝抗剪强度设计值tl lw wMV a)a)矩形截面矩形截面 截面正应力截面正应力截面剪应力截面剪应力图图3.45 3.45 对接焊缝矩形截面对接焊缝矩形截面 在腹板与翼缘交接处，验算折算应力在腹板与翼缘交接处，验算折算应力t t1 1Sw1w1-翼缘对中和轴的面积矩翼缘对中和轴的面积矩,b b b)b)工字形截面工字形截面 最大正应力最大正应力:最大剪应力最大剪应力:,h0 0为腹板高度腹板高度图图3.46 3.46 工字形截面工字形截面 例例 3.43.4计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度(图图3.50)3.50)。F=550=550kN(设计设计值值)，偏心距，偏心距e e=300mm=300mm。钢材为。钢材为Q235BQ235B，焊条为焊条为E43E43型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上、下翼缘加引型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上、下翼缘加引弧板和引出板施焊。弧板和引出板施焊。图图3.47 3.47 例例3.43.4图图a a）最大正应力）最大正应力 解解：截面几何特征值和内力截面几何特征值和内力:c c）“1 1”点的折算应力点的折算应力b b）最大剪应力）最大剪应力3.5 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形3.5.1 焊接应力的分类和产生的原因焊接应力的分类和产生的原因1 1、纵向焊接应力、纵向焊接应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向图图3.48 3.48 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力(a)(a)、(b)(b)施焊时焊缝及附近的温度场施焊时焊缝及附近的温度场(c)(c)钢板上纵向焊接应力钢板上纵向焊接应力2 2、横向焊接应力、横向焊接应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向3 3、厚度方向的焊接应力、厚度方向的焊接应力图图3.49 3.49 焊缝的横向焊接应力焊缝的横向焊接应力图图3.50 3.50 厚板中的焊接残余应力厚板中的焊接残余应力3.5.2 焊接应力对结构性能的影响焊接应力对结构性能的影响1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响没有影响没有影响2 2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响会降低结构的刚度会降低结构的刚度3 3、对低温工作的影响、对低温工作的影响 会增加钢材在低温下的脆断倾向会增加钢材在低温下的脆断倾向4 4、对疲劳强度的影响、对疲劳强度的影响有明显的不利影响有明显的不利影响3.5.3 焊接变形焊接变形 焊焊接接变变形形是是焊焊接接构构件件经经局局部部加加热热冷冷却却后后产产生生的的不不可可回回复复变变形形，包包括括纵纵向向收收缩缩、横横收收缩缩、角角变变形形、弯弯曲曲变变形形或或扭扭曲曲变变形形等，通常是几种变形的组合。等，通常是几种变形的组合。3.5.4 减小焊接应力和焊接变形的措施减小焊接应力和焊接变形的措施1 1、设计上的措施、设计上的措施（1 1）焊接位置的安排要合理；）焊接位置的安排要合理；（2