第三章-連接-焊縫

第三章連接§3-1概述鋼結(jié)構(gòu)是由若干構(gòu)件組合而成的。連接的作用就是通過一定的方式將板材或型鋼組合成構(gòu)件，或?qū)⑷舾蓚€構(gòu)件組合成整體結(jié)構(gòu)，以保證其共同工作。因此，連接方式及其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響鋼結(jié)構(gòu)的工作性能。鋼結(jié)構(gòu)的連接必須符合安全可靠、傳力明確、構(gòu)造簡單、制造方便和節(jié)約鋼材的原則。連接接頭應(yīng)有足夠的強度，要有適宜于施行連接的足夠空間。一、連接種類1.鋼結(jié)構(gòu)的連接方法可分為焊接連接、螺栓連接和鉚釘連接。eq\o\ac(○,1)焊接連接：是鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法。焊接連接又可分為對接焊縫和角焊縫。eq\o\ac(○,2)螺栓連接：可分為普通螺栓連接和高強度螺栓連接。eq\o\ac(○,3)鉚釘連接：由于其構(gòu)造復(fù)雜、費鋼費工且為熱作業(yè)，現(xiàn)已很少使用。2.根據(jù)連接板的相對位置可分為對接、搭接和蓋板拼接。二、焊接連接與螺栓連接的特點1.焊接連接優(yōu)點：構(gòu)造簡單，任何形式的構(gòu)件都可直接相連；用料經(jīng)濟，不削弱截面；制作加工方便，可實現(xiàn)自動化操作；連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大。缺點：在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材的金相組織發(fā)生改變，導(dǎo)致局部材質(zhì)變脆；焊接殘余應(yīng)力和殘余變形使受壓構(gòu)件承載力降低；焊接結(jié)構(gòu)對裂紋很敏感，局部裂紋一旦萌生，就很容易擴展到整個構(gòu)件截面，低溫冷脆問題突出。2.螺栓連接（1）普通螺栓連接普通螺栓分為A、B、C三級。A級與B級為精制螺栓，螺栓表面光滑，尺寸準確，比大0.3~0.5㎜，對成孔質(zhì)量要求高。由于精度較高，因而受剪性能較C級螺栓好。但由于制作和安裝復(fù)雜，價格較高，已很少使用。C級為粗制螺栓，由未經(jīng)加工的圓鋼壓制而成，表面粗糙，比大1.5～3㎜。由于栓桿與栓孔間的間隙較大，受剪力作用時，變形較大，工作性能差。但安裝方便，且能有效地傳遞拉力，故一般可用于沿螺栓桿受拉的連接中，以及次要結(jié)構(gòu)的抗剪連接或安裝時的臨時固定。（2）高強度螺栓連接高強度螺栓連接分為摩擦型連接和承壓型連接。摩擦型連接的剪切變形小，彈性性能好，施工較簡單，可拆卸，耐疲勞，特別適用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。承壓型高強度螺栓的承載力高于摩擦型，但剪切變形大，故不得用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中。三、焊接相關(guān)知識簡介1.焊接方法手工電弧焊、氣體保護焊、單絲埋弧自動焊、雙絲埋弧自動焊、熔嘴電渣焊、栓釘焊等。（1）手工電弧焊是最常用的一種焊接方法。通電后，在涂有藥皮的焊條和焊件間產(chǎn)生電弧，所用焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)（Q235選用E43型，Q345選用E50型，Q390、Q420選用E55型，）。其設(shè)備簡單，操作靈活方便，適于任意空間位置的焊接，特別適于焊接短焊縫。但生產(chǎn)效率低，勞動強度大，焊接質(zhì)量隨機性大。（2）埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊方法。由于采用了自動或半自動操作，焊接是的工藝條件穩(wěn)定，焊縫化學(xué)成分均勻，質(zhì)量好，但對焊縫邊緣的裝配精度要求較高。（3）二氧化碳氣體保護焊是利用二氧化碳氣體作為保護介質(zhì)的一種電弧熔焊方法。（4）熔嘴電渣焊是先打盲孔，然后利用通電焊條底融，從而形成焊縫。（5）栓釘焊一般用于鋼梁與壓型鋼板之間的焊接。2.焊縫位置焊縫位置可分為平焊（俯焊）、橫焊、立焊和仰焊。3.焊接缺陷焊接缺陷指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。（1）氣孔由于焊接過程中的水產(chǎn)生的氫氣和氧氣而形成的。當氣孔為孤立時，對靜載的影響不大；當氣孔為鏈狀時，相當于裂縫，對靜載的影響較大。因此，在焊接時，應(yīng)對焊條進行烘干、保溫。（2）夾渣主要由焊條的藥皮引起，焊接完需清渣。（3）咬肉焊縫與熱影響區(qū)的交界處形成的弧坑，對疲勞強度的影響較大。（4）未焊透避免根部未焊透的措施：①焊件離開一段距離；②采用墊板實焊。墊板的強度越低，越易焊透（易融合）且應(yīng)低于母材的強度。（5）裂紋是焊接中最危險的缺陷。產(chǎn)生微裂縫的原因有很多，如鋼材的化學(xué)成分不當；焊接工藝條件選擇不合適等。4.焊縫的質(zhì)量焊縫的質(zhì)量等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。Ⅰ、外觀檢查＋100％的超聲波探測；Ⅱ、外觀檢測外，配以20％超聲波探傷；Ⅲ、外觀檢查（表面成型、焊縫尺寸、剖口、剖角）。5.表示方法圖3-1焊縫符號§3-2對接焊縫的構(gòu)造與計算一、構(gòu)造1、剖口要求⑴板厚t≤10㎜時，不開剖口，直邊對接焊；⑵板厚10㎜＜t≤20㎜時，開V型或型剖口；⑶板厚t＞20㎜時，開U型、K型或X剖口。2、拼接要求在對接焊縫的拼接處，當焊件的寬度不同或厚度相差4㎜以上時，應(yīng)分別在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面過渡和緩，減小應(yīng)力集中。3、引、滅弧板及墊板在焊縫的起滅弧處，常會出現(xiàn)弧坑等缺陷，這些缺陷對承載力影響極大，故焊接時宜設(shè)置引弧板，焊后將它割除。當無法采用引、滅弧板時，計算每道焊縫長度時應(yīng)減去2t（t為焊件的較小厚度）。墊板設(shè)在對接焊縫下部，防止焊縫金屬熔融物流淌，還可保證焊透?！鶎雍缚p的余高C，計算時不予以考慮，作強度儲備。4、對接焊的優(yōu)點：可實現(xiàn)等強連接；缺點：對剖口的要求較高，對加工制造要求較高。二、對接焊縫的計算類型一：軸心受拉（壓）力作用其中：N—軸力（N）；—焊縫的計算長度，當有引、滅弧板時，取=Ｂ（板寬）；當沒有引滅弧板，取=Ｂ-2t；t—焊縫厚度，計算時取min{}；—當N為拉力時，焊縫的抗拉強度設(shè)計值；—當N為壓力時，焊縫的抗壓強度設(shè)計值；※焊縫在壓應(yīng)力的作用下，也可能破壞。類型二：V作用或其中：——對接焊縫有效截面的慣性矩；——中和軸以上焊縫有效截面的面積矩；——對接焊縫的抗剪強度設(shè)計值；類型三：M作用其中：——焊縫有效截面的抵抗矩；如矩形截面=類型四：N、V、M共同作用⑴受拉側(cè)：⑵中和軸：⑶中和軸：類型五：（工字形截面梁）受N、V、M作用⑴受拉側(cè)：⑵中和軸：（其中指中和軸處的厚度，即腹板的厚度）⑶翼緣和腹板相交處：※※※：翼緣與腹板相交處的應(yīng)力為：；類型六：斜對接焊縫的計算∵N⊥=N·sinθN∥=N·cosθ∴σ=·sinθ；τ=·cosθ從而可得：tgθ=1.5；因而，當tgθ1.5時斜焊縫與母材等強。三、鋼結(jié)構(gòu)連接計算題的一般步驟(1)力向焊縫(螺栓群)形心簡化，得到N、V、M（形心力）；(2)求焊縫有效截面的幾何參數(shù)（后用再補）如、、、等；(3)分析形心力作用下焊縫(螺栓)中的內(nèi)力分布，找出危險點(螺栓)；(4)驗算危險點的內(nèi)力；(5)結(jié)論?！?-3角焊縫的構(gòu)造與計算一、構(gòu)造1.角焊縫的分類按焊縫與力的作用線的夾角分為：正面焊縫、側(cè)面焊縫和斜焊縫；按角焊縫的斷面形式可分為：直角角焊縫和斜角角焊縫；直角角焊縫又有：普通型、平坦型和凹面型。圖3-2直角角焊縫截面其中普通型最為常見，使用范圍最廣；凹面型的受力性能最好，但制造加工需要的水平較高，因而使用較少。斜角角焊縫與直角角焊縫相似，如下圖所示：圖3-3斜角角焊縫截面2.角焊縫的破壞形式可以分為三種：如下圖所示截面1所示為：焊縫與母材脫離（焊縫質(zhì)量差所致）；截面2所示為：焊縫被剪力剪斷（焊縫質(zhì)量差所致）；截面3所示為：沿焊縫45°截面破壞，是最為常見的一種破壞形式。注：截面1和截面2破壞多為焊縫質(zhì)量差所導(dǎo)致的。3.角焊縫的計算截面注：C為焊縫的余高，在計算時不考慮為焊縫的有效高度，；為角焊縫的焊角尺寸。4.角焊縫的尺寸規(guī)定（1）角焊縫的焊腳尺寸eq\o\ac(○,1)最大焊角尺寸為了避免焊縫區(qū)的基本金屬過燒，減少焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，除鋼管結(jié)構(gòu)外，角焊縫的焊腳尺寸不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍。如圖3－4所示。對板件邊緣的角焊縫，當板件厚度時，根據(jù)焊工的施焊經(jīng)驗，不易焊滿全厚度，故??；當時，通常采用小焊條施焊，易焊滿全厚度，則取。如果另一焊件厚度時，還應(yīng)滿足的要求。圖3-4最大焊腳尺寸eq\o\ac(○,2)最小焊腳尺寸角焊縫的焊腳尺寸也不能過小，否則焊縫因輸入能量過小，而焊縫厚度較大，以致施焊時冷卻速度過快，產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂。規(guī)范規(guī)定：角焊縫的焊腳尺寸hf不得小于1.5，t為較厚焊件厚度（單位為mm）。計算時，焊腳尺寸取mm的整數(shù)，小數(shù)點以后都進為1。自動焊熔深度較大，故所取最小焊腳尺寸可減少1mm；對T形連接的單面角焊縫，應(yīng)增加1mm；當焊件厚度小于或等于4mm（2）角焊縫的計算長度（對每條焊縫取實際長度減去2hf）其中:不小于或40mm；在靜載作用下，不大于60，在動載荷作用下，不大于40?！缚p長，傳力、耐久性等并不一定好。二、角焊縫的計算1.受力分析：圖3-5直角角焊縫的計算簡圖由可得，可得從而其中為抗拉強度極限，因此∵∴則有注：——外力⊥焊縫的應(yīng)力；——外力∥焊縫的應(yīng)力；——角焊縫的強度設(shè)計值；——正面角焊縫的強度增大系數(shù)。2.計算類型類型一：正面角焊縫其中：N——軸力（N）；——角焊縫的強度增大系數(shù)；——角焊縫的焊腳尺寸（㎜）；——角焊縫的計算長度（㎜），=b－2；——角焊縫的強度設(shè)計值（N/㎜2）。類型二：側(cè)面角焊縫其中：N——剪力（N）；——角焊縫的強度增大系數(shù)；——角焊縫的焊腳尺寸（㎜）；——角焊縫的計算長度（㎜），=b－2；——角焊縫的強度設(shè)計值（N/㎜2）。類型三：三面圍焊對于正面焊縫：對于側(cè)面焊縫：類型四：角鋼拼接節(jié)點（1）三面圍焊假定：正面焊縫充分發(fā)揮其強度。①②-；-③驗算焊縫1、2；其中的取值如下圖所示：圖3-6角鋼的內(nèi)力分配系數(shù)（2）兩面?zhèn)群浮嬎銜r，可令三面圍焊中的。軸力Ｎ分配給焊縫1，2：；；※設(shè)計角焊縫時，焊縫的實際長度：+2。（3）倒“L”形焊縫※這時，焊縫3不能充分發(fā)揮其強度。計算時，可令三面圍焊中的則；類型五：N、V、M共同作用eq\o\ac(○,1)力的簡化由力T; N=Ｆx；V=Ｆy；M=100Fx－100Fy；eq\o\ac(○,2)畫出焊縫的有效截面，并求其幾何參數(shù)：AW；W。AW＝2×7×180W=eq\o\ac(○,3)驗算其中：※（在直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中的角焊縫，?。黄渌闆r?。！魬?yīng)力的分布，在對接焊縫中為拋物線型，在角焊縫中為均勻分布。類型六：V、T共同作用eq\o\ac(○,1)焊縫有效截面簡圖及截面幾何參數(shù)確定有效截面的形心O的位置，計算慣性矩，有效截面面積AW。eq\o\ac(○,2)力的簡化F向形心可以簡化為V、T三個參數(shù)，T的應(yīng)力又可分解為如上圖所示。eq\o\ac(○,3)驗算：找危險點A（離形心越遠，T的作用效應(yīng)越大）;其中：∵；∴=+注：①指所有焊縫之和；②有效截面形心位置，由計算確定；③危險點的坐標，取有效截面最邊緣一點為A?！?-4焊接殘余應(yīng)力及焊接殘余變形一、定義1、焊接殘余應(yīng)力——由于焊接過程中不均勻的加熱、冷卻，在構(gòu)件中所產(chǎn)生的一種自平衡的應(yīng)力狀態(tài)。2、焊接殘余變形——由焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形。二、分類焊接應(yīng)力有沿焊縫長度方向的縱向焊接應(yīng)力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。三、分布狀態(tài)規(guī)律：應(yīng)力分布與焊接順序有一定關(guān)系“先焊產(chǎn)生壓應(yīng)力，后焊產(chǎn)生拉應(yīng)力”。四、測定方法有盲孔法、光彈法五、殘余應(yīng)力的影響對結(jié)構(gòu)靜力強度無影響（焊接應(yīng)力自相平衡）；剛度降低（增大了結(jié)構(gòu)的變形）；穩(wěn)定性降低（殘余拉應(yīng)力對穩(wěn)定有利，殘余壓應(yīng)力對穩(wěn)定不利）；其他：增加低溫冷脆傾向；對結(jié)構(gòu)的疲勞強度有明顯不利影響。六、減小方法1、設(shè)計方面（1）焊接位置的安排要合理只要結(jié)構(gòu)上允許，應(yīng)盡可能使焊縫對稱于構(gòu)件截面的中性軸，以減小焊接變形。（2）焊縫尺寸要恰當在保證安全的前提下，不得隨意加大焊縫厚度。焊縫尺寸過大容易引起過大的焊接應(yīng)力。（3）焊縫的數(shù)量宜少，不宜過分集中當幾塊鋼板交匯一處進行連接時要采取一定措施，不能直接焊在一處，由于熱量高度集中，會引起過大的焊接變形。（4）應(yīng)盡量避免兩條或三條焊縫垂直交叉比如梁腹板加勁肋