《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)課件》ch3-鋼結(jié)構(gòu)連接計(jì)算-焊縫連接

第3章鋼結(jié)構(gòu)的連接3.1對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.2

角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.3普通螺栓連接的受力性能和計(jì)算3.4

高強(qiáng)度螺栓連接的受力性能和計(jì)算焊縫連接鉚釘連接螺栓連接一、緒論一、緒論構(gòu)造簡(jiǎn)單——任何形狀的構(gòu)件可直連，無需輔助配件

省工省料——加工方便，不需打孔鉆眼，不削弱截面

施工快速——可自動(dòng)化操作

密閉性好，剛度小，整體性好優(yōu)點(diǎn)材質(zhì)易變脆

產(chǎn)生殘余應(yīng)力、殘余變形、焊接缺陷

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞、穩(wěn)定有不利影響較多地依賴焊工的技能水平缺點(diǎn)一、緒論施工簡(jiǎn)單，裝拆方便，對(duì)安裝工的要求高

摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接動(dòng)力性能好

耐疲勞、易阻止裂紋擴(kuò)展優(yōu)點(diǎn)廢料、開孔截面削弱

螺栓孔加工精度要求高缺點(diǎn)一、緒論塑性、韌性好，動(dòng)力性能好

加工費(fèi)料、加熱鉚合過程極其費(fèi)工鉚釘連接栓（焊）釘連接射釘、自攻螺釘連接二、緒論電弧焊

氣體保護(hù)焊電渣焊

氣焊電阻焊手工電弧焊

自動(dòng)埋弧焊半自動(dòng)埋弧焊手工電弧焊一、緒論一、緒論采用無涂層焊藥的焊絲，埋在焊劑下通電后電弧使焊絲、焊劑熔化形成焊縫熔化后的焊劑成為焊渣，浮在金屬面上焊縫質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高需專用焊接設(shè)備，成本高電動(dòng)電弧焊氣體保護(hù)焊一、緒論采用CO2氣體代替焊劑電弧使焊絲熔化形成焊縫CO2氣體保護(hù)被焊金屬與空氣接觸焊縫速度快，熔化深度大可手工焊，也可自動(dòng)化操作目前工廠的常用方法室外施焊要有避風(fēng)措施一、緒論采用管狀焊條（熔嘴），焊絲從管內(nèi)進(jìn)入電流通過熔渣產(chǎn)生的電阻熱，熔化焊件和焊絲，形成焊縫有消耗和非消耗熔嘴式電渣焊之分常用于高層建筑等箱形柱內(nèi)部的橫隔板焊縫氣焊一、緒論采用乙炔在氧氣中燃燒的火焰來熔化焊條適用于鋼板厚度薄的連接，一般小廠家備用此焊接設(shè)備電阻焊不采用焊接材料電流通過焊件表面的電阻，產(chǎn)生熱量熔化金屬，再加壓力而焊合適宜板厚不大于12mm的焊接冷彎薄壁型鋼連接常采用此焊接一、緒論焊接形式對(duì)接正焊縫對(duì)接斜焊縫用料經(jīng)濟(jì)，傳力平穩(wěn)，動(dòng)力性能好較厚的板需剖開口，費(fèi)工

施工簡(jiǎn)便傳力不均勻，應(yīng)力集中嚴(yán)重，搭接時(shí)費(fèi)料對(duì)接焊縫角焊縫一、緒論連續(xù)焊縫間接焊縫不重要或受力小的構(gòu)件可采用間接焊縫連接焊縫代號(hào)用于鋼結(jié)構(gòu)施工圖上對(duì)焊縫進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)明焊縫形式、尺寸和輔助要求。常用焊縫代號(hào)和標(biāo)注方法如下：

形式角焊縫對(duì)接焊縫塞焊縫三面圍焊單面焊縫雙面焊縫安裝焊縫相同焊縫標(biāo)注方法焊縫代號(hào)及標(biāo)注方法一、緒論

當(dāng)焊縫分布比較復(fù)雜或用上述注標(biāo)方法不能表達(dá)清楚時(shí)，可在標(biāo)注焊縫代號(hào)的同時(shí)，在圖上加?xùn)啪€表示焊縫。

焊縫代號(hào)及標(biāo)注方法俯焊橫焊仰焊立焊一、緒論施焊姿勢(shì)一、緒論焊縫缺陷一、緒論肉眼外觀檢查+超聲波+X射線用于抗動(dòng)力、疲勞荷載的重要連接肉眼外觀檢查用于一般連接肉眼外觀檢查+超聲波用于有較大拉應(yīng)力的較重要連接焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)二級(jí)一級(jí)

對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算不同寬度可不設(shè)斜坡不同厚度引弧板二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算與構(gòu)件母材強(qiáng)度計(jì)算方法相同采用一般的材料力學(xué)、彈性力學(xué)計(jì)算公式一級(jí)、二級(jí)檢驗(yàn)的對(duì)接焊縫強(qiáng)度可與母材等強(qiáng)，可不驗(yàn)算

對(duì)接焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算方法焊縫應(yīng)力驗(yàn)算二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

當(dāng)tg

1.5時(shí)，可認(rèn)為焊縫和母材等強(qiáng)度，不驗(yàn)算二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算式中，lw-斜裂縫計(jì)算長(zhǎng)度，ftw或fcw對(duì)接焊縫抗拉或抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度常見梁在彎矩、剪力、軸力作用下的內(nèi)力分布二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

式中：Ww——焊縫截面的抵抗矩

Iw——焊縫截面對(duì)其中和軸的慣性矩

Sw——焊縫截面在計(jì)算剪應(yīng)力處以上部分對(duì)中和軸

的面積矩

fvw——對(duì)接焊縫的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值正應(yīng)力1）矩形截面剪應(yīng)力二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算同時(shí)受彎、受剪的對(duì)接焊縫計(jì)算公式

2）工字形截面二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算腹板翼緣A點(diǎn)1點(diǎn)B點(diǎn)同時(shí)受彎、受剪的對(duì)接焊縫計(jì)算公式例1：設(shè)計(jì)500×14鋼板的對(duì)接焊縫連接。鋼板承受軸向拉力，其中恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值引起的軸心拉力值分別為700kN和400kN，相應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2和1.4。已知鋼材為Q235-B.F（A3F），采用E43型焊條手工電弧焊，三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，施焊時(shí)未用引弧板。

二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算計(jì)算思路：效應(yīng)S<抗力R

（即S=<）1．焊縫承受的軸心拉力設(shè)計(jì)值為2．三級(jí)對(duì)接焊縫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

3．先考慮用直焊縫驗(yàn)算其強(qiáng)度二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

直焊縫強(qiáng)度不夠，故應(yīng)采用斜焊縫。按照（tg

1.5

即

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）的要求布置斜焊縫。二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

例2:

8m跨度簡(jiǎn)支梁的截面和荷載(設(shè)計(jì)值,包括梁自重),擬在離支座2.5m處做翼緣和腹板的工廠拼接,試設(shè)計(jì)其拼接對(duì)接焊縫。已知鋼材為Q235-B.F（A3F），采用E43型焊條手工電弧焊，三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用引弧板施焊。二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算思路：首先分析此對(duì)接焊縫的受力情況為受彎和受剪，再對(duì)最不利點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

1.離支座2.5m處的內(nèi)力設(shè)計(jì)值

2．計(jì)算梁截面參數(shù)二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3．先考慮翼緣和腹板都用直焊縫拼接，驗(yàn)算其強(qiáng)度二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算二、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3．先考慮翼緣和腹板都用直焊縫拼接，驗(yàn)算其強(qiáng)度

角焊縫的構(gòu)造角焊縫的強(qiáng)度和基本計(jì)算公式軸心力、彎矩、扭矩單獨(dú)作用時(shí)的角焊縫計(jì)算公式軸心力、彎矩和剪力共同作用下T形連接的角焊縫計(jì)算在軸心力、扭矩和剪力共同作用下搭接連接的角焊縫計(jì)算

角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算直角焊縫斜角焊縫普通型平坡型深熔型直角焊縫截面形式三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算側(cè)焊縫主要受剪應(yīng)力，分布不均勻，兩頭大中間小剪斷面常發(fā)生在45度斜平面上強(qiáng)度較低，塑性較好三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算端焊縫端焊縫應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)比側(cè)焊縫復(fù)雜正、剪應(yīng)力都有，且分布很不均勻根部應(yīng)力集中最厲害，常常是開裂的起源點(diǎn)三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算端焊縫和側(cè)焊縫的受力性能比較三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算計(jì)算截面有效焊縫高度計(jì)算焊縫長(zhǎng)度均取焊縫45處的有效截面（假定破壞截面）he=0.7hflw=每條連續(xù)焊縫長(zhǎng)度-2hf不應(yīng)太小

不能焊透，實(shí)際承載力不足不應(yīng)太大

焊縫冷卻太快容易開裂，

焊縫冷卻后產(chǎn)生較大變形角焊縫高度（焊腳尺寸）不應(yīng)太短

不能焊透，實(shí)際承載力不足不應(yīng)太長(zhǎng)

焊縫冷卻太快容易開裂，焊縫冷卻后產(chǎn)生較大變形角焊縫長(zhǎng)度三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算若內(nèi)力沿側(cè)面角焊縫全長(zhǎng)分布，計(jì)算長(zhǎng)度不受上述限制三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算最小焊腳尺寸手工焊埋弧自動(dòng)焊當(dāng)tmax

<4mm時(shí)，hfmin=tmax

最大焊腳尺寸均應(yīng)滿足單面T形連接

搭接連接的焊縫計(jì)算長(zhǎng)度

當(dāng)板件僅用兩條側(cè)向角焊縫連接時(shí)

(1)lw≥b

(2)b<16t(t>12mm)或b<200mm(t≤12mm)[t為較薄焊件厚度]三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算其他構(gòu)造要求當(dāng)板件僅采用正面角焊縫時(shí)（1）≥5t[t為較薄焊件厚度]（2）且≥25mm在垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的軸力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力角焊縫的強(qiáng)度和基本計(jì)算公式焊縫有效厚度直角角焊縫的有效厚度三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算將其分解為垂直于焊縫有效截面的正應(yīng)力σ⊥和垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力τ⊥，即：在平行于焊縫長(zhǎng)度方向的軸力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力角焊縫的強(qiáng)度和基本計(jì)算公式三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算在σ⊥、τ⊥和τ∥綜合作用下，角焊縫按強(qiáng)度理論其不破壞的強(qiáng)度條件為：

其中

——正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)；對(duì)承受靜力荷載和間接動(dòng)力荷載，取1.22，對(duì)承受直接動(dòng)力荷載時(shí)，取1.0。

——角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算角焊縫的強(qiáng)度和基本計(jì)算公式三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算拼接板連接—受軸力N，通過連接焊縫群形心三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算拼接板連接—受軸力N，通過連接焊縫群形心三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算角鋼連接—受軸力N肢背肢尖由平衡條件三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算角鋼連接—焊縫內(nèi)力分配三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算角鋼連接—受軸力N由平衡條件由端焊縫強(qiáng)度確定肢背肢尖三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算L形連接—受軸力N正面角焊縫內(nèi)力角鋼肢背焊縫內(nèi)力L形焊縫三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算強(qiáng)度驗(yàn)算危險(xiǎn)點(diǎn)a危險(xiǎn)點(diǎn)b梁柱連接—受軸力N、剪力V和彎矩M三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算柱子牛腿連接—受扭矩T、剪力V和軸力N剪力V產(chǎn)生的A點(diǎn)應(yīng)力軸力N產(chǎn)生的A點(diǎn)應(yīng)力扭矩T產(chǎn)生的A點(diǎn)應(yīng)力X方向合應(yīng)力Y方向合應(yīng)力驗(yàn)算假設(shè)：1

被連接構(gòu)件是絕對(duì)剛性的,角焊縫是彈性;２被連接構(gòu)件繞角焊縫有效截面形心O旋轉(zhuǎn)３角焊縫任意一點(diǎn)應(yīng)力方向垂直該點(diǎn)與形心的連線三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算扭矩單獨(dú)作用在彎矩M作用下的應(yīng)力在軸力N作用下的應(yīng)力在剪力V作用下的應(yīng)力三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算T形角焊縫連接—受彎矩M、剪力V和軸力N分析受力類型

設(shè)計(jì)焊角尺寸

尋找最不利受力點(diǎn)

計(jì)算最不利點(diǎn)在每種荷載作用下的應(yīng)力大小

角焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算或計(jì)算判斷結(jié)果三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算角焊縫連接的設(shè)計(jì)與校核

例1：如圖所示拼接板的平接連接，若主板截面為14×400mm,承受軸心力設(shè)計(jì)值N=920KN（靜力荷載），鋼材為Q235，采用E43型系列焊條，手工焊。試設(shè)計(jì)拼接板尺寸。對(duì)比兩方案（a）用側(cè)面角焊縫；（b）用三面圍焊。解

（1）拼接板截面選擇關(guān)鍵：分析角焊縫的受力拼接板厚度：t1=40×1.4/(2×36)=0.78cm，取8mm，故每塊拼接板截面為8×360mm考慮拼接板要側(cè)面施焊，取拼接板寬度為360mm。(主板和拼接板寬度差略大于2hf)。三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

根據(jù)拼接板和主板承載能力相等原則，拼接板鋼材亦采用Q235，兩塊拼接板截面面積之和應(yīng)不小于主板截面面積。（2）焊縫設(shè)計(jì)直角角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fｆw=160N/mm2。設(shè)hf=6mmhf=8-(1~2)=6~7mm(t=8>6mm)三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

因b>200mm（b<200mm當(dāng)t<12mm),加直徑為20mm的電鉚釘4個(gè)，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度與角焊縫相同，電鉚釘承擔(dān)力(a)采用側(cè)面角焊縫三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算側(cè)面角焊縫的實(shí)際長(zhǎng)度為三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算被拼接兩板間留出隙縫10mm,拼接板長(zhǎng)度為57cm.。(a)采用側(cè)面角焊縫

三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

正面角焊縫承擔(dān)力為(b)采用三面圍焊比較以上兩種方案，可見三面圍焊比側(cè)面焊縫加電鉚釘經(jīng)濟(jì)合理，側(cè)面焊縫加電鉚釘在實(shí)際設(shè)計(jì)中較少采用

拼接板長(zhǎng)度為側(cè)面角焊縫的實(shí)際長(zhǎng)度為三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算(b)采用三面圍焊對(duì)比分析

例2：在如圖所示角鋼和節(jié)點(diǎn)板采用兩邊側(cè)焊縫的連接中，N=660kN（靜力荷載，設(shè)計(jì)值），角鋼為2L110×10，節(jié)點(diǎn)板厚度t1=12mm，鋼材為Q235-A?F，焊條為E43系列型，手工焊。試確定所需角焊縫的焊腳尺寸hf和實(shí)際長(zhǎng)度。三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算角鋼肢尖和肢背都取hf=8mm

1．角焊縫焊腳尺寸選擇

角鋼肢尖處最大hf:思路：分析角鋼連接的焊縫形式

查表得，角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fｆｗ=160kN/mm2

角鋼肢背處最大hf:hf≤1.2t2=1.2×10=12mm三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2.焊縫受力分配角鋼肢背角鋼肢尖三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.計(jì)算焊縫長(zhǎng)度

例3：設(shè)有牛腿與鋼柱連接，牛腿尺寸及作用力的設(shè)計(jì)值（靜力荷載）如圖所示。鋼材為Q235-A.F，采用E43系列型焊條，手工焊，試驗(yàn)算角焊縫。三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算思路：分析角焊縫的受力情況，找出最不利點(diǎn)設(shè)焊縫為周邊圍焊，轉(zhuǎn)角處連續(xù)施焊，沒有起弧落弧所引起的焊口缺陷，且假定剪力僅由牛腿腹板焊縫承受。取焊角hf=8mm,并對(duì)工字型翼緣端部繞轉(zhuǎn)部分焊縫忽略不計(jì)。三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算Iw=2×0.7×0.8×20×17.782+4×0.7×0.8×(9.5-0.56)×15.222+0.7×0.8×313×2/12=14500cm4

腹板上豎向焊縫有效截面面積為Aw=0.7×0.8×31×2=34.72cm2全部焊縫對(duì)X軸的慣性矩為三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算1.截面參數(shù)計(jì)算Ww2=14500/15.5=935.48cm4焊縫最外邊緣的抵抗矩為Ww1=14500/18.06=802.88cm3翼緣和腹板連接處的抵抗矩為三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算1.截面參數(shù)計(jì)算=86.4×103/802.88=107.61N/mm2﹤βfffw=1.22×160=195.2N/mm2在彎矩M=480×0.18=86.4kN-m作用下角焊縫最大應(yīng)力為三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2.驗(yàn)算角焊縫強(qiáng)度=480×103/34.72=138.25N/mm2=86.4×103/935.48=92.36N/mm2牛腿翼緣和腹板交接處有彎矩引起的應(yīng)力和剪力引起的應(yīng)力共同作用三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2.驗(yàn)算角焊縫強(qiáng)度

例4：如圖所示為一支托板與柱搭接連接，b=300mm,h=400mm,作用力的設(shè)計(jì)值V=200kN,鋼材為Q235-B，焊條E43系列型，手工焊，作用力距柱邊緣的距離為e=300mm,設(shè)支托板厚度為12mm,試驗(yàn)算角焊縫。三、角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算設(shè)三邊的焊腳尺寸hf