钢结构设计原理之角焊缝的构造和计算讲义.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,7.4,角焊缝的构造和计算,一、构造,种类,:,根据受力方向和焊缝的位置分,正面角焊缝,和,侧面角焊缝,根据焊脚边的夹角分,直角角焊缝,和,斜角角焊缝,焊缝截面形式,普通焊缝,、直线型,、等边凹型,正面角焊缝,侧面角焊缝,h,e,h,f,h,f,普通式,h,e,h,f,1.5h,f,平坡式,（,1,）,直角角焊缝,h,e,h,f,h,f,凹面式,（,2,）,斜角角焊缝,对于,135,o,或,6mm,时，,h,f,max,t-(1,2)mm,；,h,f,t,1,t,4.,角焊缝的尺寸限制,（,2,）最小焊脚尺寸,h,f,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，,h,f,min,应满足以下要求,:,式中,:,t,2,-,较厚焊件厚度,当,t,2,4mm,时,h,f,min,=t,2,另,:,对于自动埋弧焊,h,f,min,可减去,1mm,;,对于,T,型连接单面角焊缝,h,f,min,应加上,1mm,;,（,3,）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：,注,：1,、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；,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，规范规定：,5.,搭接连接的构造要求,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：,A,、,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：,B,、,为了避免焊缝横向收,缩时引起板件的拱曲,太大，规范规定：,t,1,t,2,b,D.,在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的,5,倍，且不得小于,25mm,。,C.,当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作,2h,f,的,绕,角焊,，且转角处必须连续施焊。,b,2h,f,t,1,t,2,二、直角角焊缝的强度计算公式,1,、,试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在,喉部,，故通常将,45,o,截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：,h,f,h,e,h,h,1,h,2,d,e,h,e,l,w,h-,焊缝厚度、,h,1,熔深,h,2,凸度、,d,焊趾、,e,焊根,2,、,实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难，为了简化计算，规范假定：,焊缝在有效截面处破坏,，且各应力分量满足以下折算应力公式,:,3,、,由于我国规范给定的角焊,缝强度设计值，是根据抗剪条,件确定的故上式又可表达为：,式中：,-,焊缝金属的抗拉强度,h,e,l,w,4,、,直角角焊缝的强度计算公式：,f,=,f,h,e,l,w,45,O,45,O,h,f,N,N,y,N,x,N,z,上式即为规范给定的角焊缝强度计算通用公式,f,正面角焊缝强度增大系数；,静载时取,1.22,，动载时取,1.0,。,对于正面角焊缝，,f,=0,，得：,对于侧面角焊缝，,f,=0,，得：,以上各式中：,h,e,=0.7,h,f,；,l,w,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,2,h,f,。,三,.,实际应用,拼接板连接受轴心力作用,角钢与节点板的连接,在弯矩、剪力、轴力作用下,在扭矩、剪力作用下角焊缝计算,1,、拼接板连接受轴心力作用,（,1,）轴心力作用下的盖板对接连接,:,A,、,仅采用侧面角焊缝连接：,B,、,采用三面围焊连接：,N,N,l,w,l,w,被连接板截面为,14350,，拼接盖板宽度,b,=300,，,厚度,t,2,=8,。,承受轴心力设计值,N,=930kN,（,静力荷载），钢材为,Q235,，,采用,E43,系列焊条，手工焊，采用三面围焊。试设计此连接。,(2),T,形角焊缝连接,N,x,N,y,N,N,验算焊缝强度，即,:,2,、角钢与节点板的连接角焊缝连接,A,、,仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得,:,故:,N,e,1,e,2,b,N,1,N,2x,x,l,w1,l,w2,仅采用侧面角焊缝连接,对于校核问题,:,对于设计问题,:,N,e,1,e,2,b,N,1,N,2,x,x,l,w1,l,w2,B,、,采用三面围焊,由力及力矩平衡得,:,余下的问题同情况,A,，即,:,N,e,1,e,2,b,N,1,N,2,x,x,N,3,l,w1,l,w2,计算三面围焊的角钢连接，角钢为,2L1409010,，,连接板厚度,t,=12mm,，,承受静荷载设计值,N,=1000kN,。,钢材为,Q235B,，,焊条,E43,型，手工焊。焊脚尺寸为,h,f,=8mm,，,焊缝强度设计值,f,f,w,=160N/mm,2,。,求角钢所需焊缝长度。,C采用,L,形围焊,代入下式,3-20,，,3-21,得,:,对于设计问题,:,N,e,1,e,2,b,N,1,x,x,N,3,l,w1,3,、,N,、,M,、,V,共同作用下,(1,),偏心轴力作用下角焊缝强度计算,N,e,N,x,N,y,M,A,Nx,M,Ny,h,e,h,e,t,(,2,),V,、,M,共同作用下焊缝强度计算,h,1,fA,fB,f,对于,A,点：,式中：,I,w,全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；,h,1,两翼缘焊缝最外侧间的距离。,x,x,h,h,2,B,B,A,h,1,M,e,F,V,M,对于,B,点：,强度验算公式：,式中：,h,2,、,l,w,2,腹板焊缝的计算长度；,h,e,2,腹板焊缝截面有效高度。,h,1,f1,f2,f,x,x,h,h,2,B,B,A,h,1,M,V,M,假定,:,A,、,被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：,T,作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；,B,、,T,作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与,r,成正比；,C,、在,V,作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,4,、,T,、,V,共同作用下,将,F,向焊缝群形心,简化得,:,V=F,T=F(e,1,+e,2,),F,e,1,e,2,x,0,l,1,l,2,x,x,y,y,A,A,0,T,V,r,故：该连接的设计控制点,为,A,点和,A,点,T作用下,A,点应力,:,将其沿,x,轴,和,y,轴分解,:,x,x,y,y,r,r,x,r,y,A,TAx,TAy,TA,0,Vy,h,e,e,2,x,0,l,1,l,2,x,x,y,y,A,A,0,T,V,r,剪力,V,作用下,A,点应力,:,A,点垂直于焊缝长度方,向的应力为,:,A,点平行于焊缝长度方,向的应力为,:,强度验算公式：,思考,:,以上计算方法为近似计算，为什么,?,V,x,x,y,y,r,r,x,r,y,A,TAx,TAy,TA,0,Vy,h,e,7.5,焊接残余应力和焊接残余变形,一、焊接残余应力的分类及其产生的原因,1,、焊接残余应力的分类,A,、,纵向焊接残余应力,沿焊缝长度方向,;,B,、,横向焊接残余应力,垂直于焊缝长度方向,;,C,、,沿厚度方向的焊接残余应力,2,、焊接残余应力产生的原因,（,1,）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，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达,1600,o,C,，,而邻近区域温度骤降。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。,+,-,-,500o,C,800,o,C,300,o,C,300,o,C,500,o,C,800,o,C,施焊方向,8cm,6,4,2,0,2,4,6,8cm,-,-,-,-,-,+,+,（,2,）横向焊接残余应力,产生的原因,:,1,、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向,弯曲变形,的趋势，导致两焊件在焊缝处,中部受拉，两端受压,；,2,、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生,横向塑性压缩变形,。,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，而先焊焊缝产生压应力，因,应力自相平衡,，更远处焊缝则产生拉应力,；,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 时的变形趋势,-,+,-,(b),焊缝纵向收缩 时的横向应力,x,y,+,-,+,施焊方向,(c),焊缝横向收缩 时的横向应力,x,y,-,+,-,+,(d),焊缝横向,残余应力,y,x,不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力,:,-,+,+,施焊方向,(e),-,+,-,施焊方向,(f),x,y,y,x,（,3,）沿厚度方向的焊接残余应力,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，阻止后焊焊缝的膨胀，产生,塑性压缩变形,。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，而先焊焊缝产生压应力，因,应力自相平衡,，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,x,y,外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力,z,，,这三种应力形成同号,(,受拉,),三向应力，大大,降低连接的塑性,。,-,+,-,321,x,y,z,二、焊接残余应力对结构性能的影响,1,、对结构静力强度的影响,f,+,-,-,b,f,y,+,-,-,b,f,y,N,y,N,y,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到,f,y,，即,N=,N,y,时：,结论：,焊接残余应力,对结构的静力强度没有影响。,+,-,-,f,y,f,b,B,t,2,、对结构刚度的影响,A,、,当焊接残余应力存在时，因截面的,bt,部分拉应力已经达到,f,y,，,故该部分刚度为零,（屈服），,这时在,N,作用下应变增量为：,f,+,-,-,b,f,y,N,N,+,-,-,f,y,f,N,N,b,B,t,因为,B-b,2,。,结论：,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。,B,、,当截面上没有焊接残余应力时，在,N,作用下应变增量为：,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）。,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。,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。,3,、对低温冷脆的影响,4,、对疲劳强度的影响,在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，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,有明显的不利影响,。,三、焊接变形,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。,四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施,1,、,设计上的措施；,（,1,）焊接位置的合理安排,（,2,）焊缝尺寸要适当,（,3,）焊缝数量要少，且不宜过分集中,（,4,）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉,（,5,）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力,2,、加工工艺上的措施,（,1,）采用合理的施焊顺序,（,2,）采用反变形处理,（,3,）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,