第四章金屬結(jié)構(gòu)連接2013

1、第四章第四章 金屬結(jié)構(gòu)的連接金屬結(jié)構(gòu)的連接本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：主要介紹金屬結(jié)構(gòu)中各種連接的計算方 法、構(gòu)造原則及設(shè)計原理本章重點：本章重點：焊接連接和螺栓連接的設(shè)計原理和計算 方法 第一節(jié) 焊接連接焊接優(yōu)點：省工省料、不削弱桿件截面，易于采用自 動化作業(yè)，并可用于復(fù)雜形狀構(gòu)件的連接。焊接缺點：質(zhì)量檢驗費事、連接剛度大，在內(nèi)應(yīng)力影響下 容易引起結(jié)構(gòu)的殘余變形。 焊接構(gòu)件的厚度： 碳素鋼 低合金鋼 mm40mm30手弧焊是各種電弧焊方法中發(fā)展最早、目前仍然應(yīng)用最廣的一種焊接方法，電弧是在焊條的端部和被焊工件表面之間燃燒埋弧自動焊（或半自動焊）：焊接時在焊接區(qū)的上面覆蓋一層顆粒狀焊劑，電弧在焊劑層下

2、燃燒，將焊絲端部和局部母材熔化，形成焊縫。 電焊電弧焊（手工焊、自動焊、半自動焊、氣體保護焊）電阻焊電渣焊焊接包括電焊、氣焊兩大類（利用電弧作為熱源）（利用電弧作為熱源）電阻焊一般是使工件處在一定電極壓力作用下并利用電流通過工件時所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化而實現(xiàn)連接的焊接方法。 電渣焊：利用電流通過熔渣產(chǎn)生的電阻熱將工件端部熔化。 埋弧焊的特點：上部分焊劑熔化熔渣并與液態(tài)金屬發(fā)生冶金反應(yīng)。熔渣浮在金屬熔池的表面，一方面可以保護焊縫金屬，防止空氣的污染，并與熔化金屬產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，改善焊縫金屬的性能；另一方面還可以使焊縫金屬緩慢泠卻。埋弧焊可以采用較大的焊接電流 與手工電弧焊比：

3、焊縫質(zhì)量好，焊接速度高。與手工電弧焊比：焊縫質(zhì)量好，焊接速度高。 氣體保護焊：是利用連續(xù)送進的焊絲與工件之間燃燒的電弧作熱源，由焊炬噴嘴噴出的氣體保護電弧來進行焊接的。保護氣體作為金屬熔池的保護層把空氣隔絕 。是利用可燃氣體與氧混合燃料時形成的高溫火焰進行焊接的工藝方法。 氣焊氣焊氣焊時，氣焊絲不斷地送入熔池內(nèi)，與熔化的金屬熔合形成焊縫為了防止金屬被氧化或消除已形成的氧化物，在焊接有色金屬、鑄鐵及不銹鋼時，需加入氣焊熔劑焊接質(zhì)量與氣焊絲的化學(xué)成分和質(zhì)量有關(guān)焊接質(zhì)量與氣焊絲的化學(xué)成分和質(zhì)量有關(guān)一、焊接接頭的形式 對接 搭接T字形接頭角接頭傳遞軸力 主要承受彎曲的組合箱形截面 注意：注意：避免焊縫

4、立體交叉，及在一處焊縫大量集中，盡可能對稱 于構(gòu)件的重心布置也稱頂接各種坡口形式：各種坡口形式：加工容易，焊后易變形較V形坡口的變形和內(nèi)應(yīng)力小變形小，加工較困難二、焊縫的種類及構(gòu)造1、對接焊縫特點：特點：開坡口，被連接件在同一平面內(nèi)b=12mm 不開坡口的對接接頭條件：3mm對重要的構(gòu)件，6mm開坡口的對接接頭目的：使接頭根部焊透，便于清除熔渣。方法：機械、火焰、電弧種類：V形坡口形坡口鈍邊V形坡口V形坡口單邊鈍邊V形坡口單邊V形坡口V形坡口的特點：加工簡單，焊后易變形U形坡口形坡口U形坡口單邊U形坡口 雙面U形坡口（鋼板厚度4060mm)U形坡口特點形坡口特點：加工困難，焊后變形小注：注：a

5、、對于不同板厚的兩板件對接焊，焊縫厚度不小于連接板件中較 薄的板厚，保證焊縫強度不低于基材。 b、對接焊縫的表面凸起部分，易引起應(yīng)力集中。 c、不等厚的兩塊鋼板的連接如圖：X形坡口形坡口焊后變形小用于厚度大，要求變形小的結(jié)構(gòu)目的：減少應(yīng)力集中目的：減少應(yīng)力集中2、角焊縫（貼角焊縫） 連接不在同一平面內(nèi)的兩塊鋼板，并在相交處施焊使用范圍：搭接接頭、T字接頭、角接接頭優(yōu)點：優(yōu)點：不需要校正縫距，焊件無需預(yù)加工。缺點：缺點：焊縫根角上形成高峰應(yīng)力，用料較多手工焊自動焊計算厚度：直角三角形斜邊上的高為ehffehhh7 . 045sin兩直角邊不等，按短邊計算焊縫截面形狀（視為等腰直角三角形）:圖4-

6、5 角焊縫的計算截面3、焊縫的標注基本符號：輔助符號：焊縫尺寸：引出線表示焊縫橫剖面形狀表示焊縫表面形狀特征表示坡口和焊縫尺寸PHKhSRcd(基本符號)( )n l eN（焊縫段數(shù)） bPHKhSRcd(基本符號) b( )n l e焊縫橫截面的尺寸坡口尺寸、根部間隙焊縫長度方向尺寸角焊縫尺寸要求：1、minmax1.5fht2、maxmin1.2fht3、min408fflmmh及4、側(cè)焊縫最大計算長度max60(40ffflhh靜載）或（動載）一受靜力拉伸的搭接連接，采用普通角焊縫，問圖示焊縫布置和構(gòu)造有何不合理處？ 思考題：思考題：（為防止焊縫因冷卻過快產(chǎn)生裂紋等，一般不小于（為防止焊

7、縫因冷卻過快產(chǎn)生裂紋等，一般不小于4mm）（防止焊接過熱而引起焊件（防止焊接過熱而引起焊件“過燒過燒”，造成材質(zhì)變化），造成材質(zhì)變化）三、焊縫計算 假定應(yīng)力在計算截面上均勻分布 1、 對接焊縫 計算截面積 fl 注： 為實際長度減去10mmfl(1) 承受軸心拉力或壓力的對接焊縫計算對接正焊縫： hflN對接斜焊縫：sinhflNcoshflN 正應(yīng)力 剪應(yīng)力 （2）承受彎矩和剪力共同作用時的對接焊縫最大正應(yīng)力（點1） 1hfWM 焊縫截面抗彎模量 最大剪應(yīng)力（點0） 0hffISQ靜面矩 慣性矩 計算點2 22222h折焊縫截面焊縫截面例4-1 某主梁腹板采用焊縫拼接。已知拼接截面處的內(nèi)力M

8、=980kN.m；Q=200kN，Q235,手工焊，普通方法檢驗。試驗算焊縫強度。104002、角焊縫 側(cè)焊縫即縱向焊縫：主要受剪破壞主要受剪破壞 側(cè)焊縫的破壞形式端焊縫即橫向焊縫：受拉、彎、剪作用，簡化 為按剪切驗算強度按剪切驗算強度（1）承受軸向力的角焊縫計算計算假設(shè)：取角焊縫45分角面為計算截面，并假定剪應(yīng)力在角焊縫的計算截面上是均勻分布的。hfelhN注：a.實驗說明側(cè)焊縫長度方向剪應(yīng)力的分布是兩端大、中間小，焊縫愈長則兩端剪應(yīng)力與中間差別愈大。b.鋼板搭接接頭應(yīng)在兩塊鋼板上下搭接用角焊縫焊接，避免兩板上下偏心引起的附加彎矩太大。c.角鋼與節(jié)點板的搭接接頭見圖4-12(b) N1和N2

9、的合力位置在角鋼的重心線上：例4-2如圖，用角焊縫和拼接板連接兩塊鋼板，拼接板的尺寸為900mmX550mmX10mm，材料為Q235， ，角焊縫焊腳尺寸 ，試確定該拼接接頭所能承受的最大拉力。MPah180MPah100mmhf8解解：（1）連接焊縫所承受的拉力kNlhNhff1008100450487 . 047 . 01（2）拼接板所承受的拉力kNN19801805501022例4-3 參看圖4-12b角鋼與節(jié)點板的搭接接頭，角鋼2X130X90X10承受的拉力為70kN，不等肢角鋼以長肢與節(jié)點板焊接，鋼材為Q235，角焊縫焊腳尺寸 ，試確定焊縫長度并加以分配。mmhf8解：解：所需焊縫

10、長度角鋼肢背焊縫長度：mmhNlhef5 .43710087 . 02700002mml4 .2941065. 05 .4371角鋼肢尖長度：mml1 .1631035. 05 .4371(2) 承受扭矩和剪力共同作用時的角焊縫計算受扭矩和剪力共同作用時的角焊縫計算圖2PMn偏心載荷P可轉(zhuǎn)化為通過焊縫形心的軸力P和扭矩 。其中軸力P在計算截面上引起均布的剪應(yīng)力 ，方向平行于P，大小為： PaMnpfeplhP 引起的焊縫應(yīng)力計算： nM假定： 所連板件是絕對剛性的，而焊縫是彈性的;在扭矩作用下，連接件產(chǎn)生繞焊縫形心的相對轉(zhuǎn)動，焊縫上任一點的剪應(yīng)力方向垂直于該點與形心的連線，其大小與此連線的長度

11、成正比 由此推導(dǎo)，焊縫上任一點K處的剪應(yīng)力為pnIrM 將其沿x,y方向分解得：pnxIyMrypnyIxMrx所以， K點處的總剪應(yīng)力為 )(22hxyp（3） 承受彎矩和剪力共同作用時的角焊縫計算圖4-14 支托與柱的焊縫連接 計算方法：計算方法： 假設(shè)：1、剪力Q由腹板焊縫平均承受，彎矩M由全部焊縫承受。 2、彎矩在焊縫計算截面產(chǎn)生的剪應(yīng)力與其至焊縫計算截 面形心軸的距離y成正比。QMfQAQfMIMy 腹板焊縫下邊緣點的最大組合剪應(yīng)力為： 22hMQ剪力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力：彎矩所產(chǎn)生的剪應(yīng)力：例4-4 焊縫布置及幾何尺寸如圖4-16所示，偏心載荷P=100kN，焊縫計算厚度he=7mm，試

12、驗算焊縫強度。基材用16Mn，MPah150圖4-16PMn四、焊接連接的疲勞強度原因：1、焊接使材料變硬變脆。 2、焊接表面不平及裂紋、氣泡等。 3、避免角焊縫在連接處有急劇變化及出現(xiàn)平面及立體應(yīng)力措施：1）采用塑性高、韌性和抗裂性較好的材料。 2）對于對接接頭表面應(yīng)進行機械加工，對于焊縫 質(zhì)量應(yīng)進行嚴格檢查。 3）盡量采用自動焊和半自動焊。 4）角焊縫的疲勞強度比對接焊縫低得多。例：計算橋架箱形主、端梁的焊接連接。梁傳遞的最大支承力 ，最小支承力 ，工作級別A8，材料16Mn，焊條E4301，許用應(yīng)力 手工焊接，試設(shè)計焊縫尺寸。NFR5max1085. 2NFR4min105 .10MPa

13、MPa150 ,260AlfbFmax習(xí)題：習(xí)題：支托與柱焊接，材料Q235，焊條型號E43，焊縫需用應(yīng)力 支托承受載荷F=80kN,偏心距e=80mm，請驗算以下兩種焊接方法的焊縫靜強度。MPah100MPah1401）用角焊縫的方式，焊縫計算厚度he=5mm;2）支托開坡口焊透，并用hf=7mm的角焊縫封底。第二節(jié) 螺栓連接一、概述螺栓連接方式： 普通螺栓 精制螺栓 粗制螺栓 高強度螺栓 摩擦型高強度螺栓 承壓型高強度螺栓二、螺栓連接的布置螺栓的布置分并列式和錯列式。 注：對于重要構(gòu)件，應(yīng)盡量使螺栓群形心與構(gòu)件重心線重合，以避免 出現(xiàn)附加力矩螺栓容許間距規(guī)定的原因：螺栓容許間距規(guī)定的原因：

14、1、受力要求：防止壓曲、剪斷和撕裂2、使用要求：防潮、防銹蝕3、施工要求：操作空間三、螺栓連接的型式1、剪力螺栓連接2、拉力螺栓連接3、拉剪螺栓連接三、剪力螺栓連接的計算1、單拴抗剪承載力（1）普通螺栓特點： 預(yù)緊力小， 摩擦力小 受外力結(jié)合面滑動 靠螺栓的抗剪和承壓能力傳遞外力，故稱承壓型螺栓連接破壞形式： 拴身被剪壞b. 板被剪壞c. 栓身壓壞e. 拴身過渡彎曲f. 拴身被拉斷d. 板被壓壞計算時，只需考慮拴身被剪拴身被剪和板被壓壞板被壓壞兩項 螺栓剪斷鋼板剪壞螺栓被壓壞鋼板被壓壞螺栓彎曲螺栓被拉斷計算假設(shè)：承壓應(yīng)力在拴孔直徑平面上是均布的，剪應(yīng)力 在拴身截面上也是均布的。根據(jù)承壓條件決定

15、的單拴承載力為： ccdN根據(jù)抗剪條件決定的單拴承載力為： 42dnNjj 單拴的抗剪承載力為： ),min(jcNNN （2）摩擦型高強度螺栓的單拴抗剪承載力mmPfnKPfnN7 . 02. 軸心受剪螺栓連接的計算傳遞軸力的接頭形式如圖4-19計算假設(shè)：計算假設(shè)：各螺栓受力相等 傳遞軸力螺栓連接形式傳遞軸力螺栓連接形式對接接頭對接接頭搭接接頭搭接接頭計算方法：已知最大軸力，求螺栓數(shù)： NNz 驗算被連接件的強度： jAN式中Aj 為被連接件的凈面積，計算如下：圖4-20 Aj計算簡圖(a)并列式 (b)錯列式 (c)計算簡圖I-I 截面 )(ndbAjII-II截面 ) 1(2221nde

16、aneAj注：高強度螺栓連接，只需驗算構(gòu)件的疲勞強度。 普通螺栓需驗算疲勞強度。例4-4 構(gòu)件鋼板尺寸與軸力如圖4-21，構(gòu)件材料Q235，試設(shè)計雙面用拼接板連接的對接接頭。 圖4-21步驟：1、確定連接螺栓方法，初選拼接板尺寸及螺栓大小、材料3、計算螺栓數(shù)目（由承壓條件和承剪條件確定）4、螺栓連接的布置5、構(gòu)件強度校核6、拼接板強度校核2、計算單栓承載能力3.偏心受剪螺栓連接的計算 力F的計算：計算假設(shè)：通過螺栓群重心的力F在各螺栓上是平均分配的。每個螺栓所受剪力： 方向與力F平行zFNFA偏心受力螺栓連接 扭矩M=Fe在各螺栓上的分配：任一螺栓受力的大小 與該螺栓群重心O點的距離 成正比，

17、其方向垂直于該螺栓與O點的連線。由此得：MiNir22iiiMiyxMrN 將 分解為x方向和y方向的分力，最大受力點：MiN22iiAMxAyxMyN22iiAMyAyxMxN 所以，由偏心力F作用引起螺栓最大剪力為：)(22NNNNNMyAFMxA例4-5已知數(shù)據(jù)如圖4-23（a）所示，若采用6個由45號鋼制 成的 M20高強度螺栓連接，是否可以？四、拉力螺栓連接的計算1、受拉螺栓的單拴承載力（1）普通螺栓圖4-24 普通螺栓受力分析 螺栓中的最大拉力等于外拉力，與預(yù)緊力無關(guān)。其單拴承載力： 8 . 0442121ddNtt 受拉普通螺栓的強度校核條件為： tNT 圖4-25 高強度螺栓受

18、力分析 （2）高強度螺栓規(guī)范規(guī)定外拉力不得超過高強度螺栓預(yù)緊力P的70%。所以抗拉高強度螺栓的單拴承載力為： PNt7 . 0受拉高強度螺栓的強度校核條件為： tNT 2、彎矩使螺栓受拉時螺栓連接的計算（a）法蘭盤接頭 (b)普通螺栓受力圖 (c)高強度螺栓受力圖圖4-26 彎矩使螺栓受拉的圖示 假定中性軸位于最右列螺栓的中心線上，螺栓承受拉力的大小與該螺栓到中性軸的距離成正比。 螺栓承受的最大拉力驗算式：2maxtiiNxmxMT(2) 高強度螺栓連接假設(shè)中性軸位于螺栓群重心軸線上。高強度螺栓承受最大拉力的驗算式為：22maxtiiNxmMxT（1）普通螺栓連接注意：注意：螺栓群中性軸的位置

19、五、同時受拉受剪螺栓連接的計算1、同時受拉、受剪螺栓連接的單拴承載力(1) 普通螺栓兩種可能的破壞形式：兩種可能的破壞形式：一是螺桿受剪兼受拉破壞；二是孔壁承壓破壞。 1)()(22tjNTNNcNN 一個螺栓一個螺栓受的剪力受的剪力承壓設(shè)計承壓設(shè)計的強度的強度同時滿足同時滿足承剪設(shè)承剪設(shè)計強度計強度承拉設(shè)承拉設(shè)計強度計強度一個螺栓受的拉力一個螺栓受的拉力(2) 摩擦型高強度螺栓摩擦型高強度螺栓有拉力作用時的單拴抗剪承載力：)4 . 1(7 . 0TPfnNmj強度校核條件為： jNN PT7 . 02同時受拉、受剪螺栓連接的計算(1) 螺栓所受最大拉力的計算角點上的螺栓A的最大拉力TA： 普

20、通螺栓 2max2maxtiixiiyANzQymyMxmxMT 高強度螺栓 222max2maxtiixiiyANzQymyMxmxMT(2) 在剪力N及扭矩作用下螺栓的計算)(22NNNNNMxAFMyA(3) 在拉力和剪力共同作用下螺栓的計算1)()(22tjNTNNcNN )4 . 1(7 . 0TPfnNNmjPT7 . 0普通螺栓高強度螺栓例4-6 起重量Q=10t、跨度L=31.5m的橋式起重機偏軌箱形主 梁與端梁連接采用由45號鋼制成的高強度螺栓連接。 選用M24高強度螺栓12個構(gòu)成主梁一端的接頭，螺栓的 布置及起重小車行至連接處的載荷如圖4-29所示。試驗 算 高強度螺栓的強度。解：1）最大拉力驗算kNymyMTiixA32)24521502552(2245448522222max單拴承載能力kNPNt5 .1221757 . 07 . 0tANT 2）抗剪驗算kNzFNF25.1612195kNyxyMNiiAnMxA95. 21005. 3109)245215025524756(22453672066222222高強度螺栓高強度螺栓kNyxxMNiiAnMyA72. 51005. 347536720622k