焊缝强度计算

钢结构连接Connection第一节连接方式和特点第二节对接焊缝的构造和计算第三节角焊缝的构造和计算第四节普通螺栓的构造和计算第五节高强度螺栓的构造和计算一、连接基本方式§1连接方式和特点1.焊接连接2.紧固件连接3.其他使金属高温融化后形成整体胶水�采用焊接材料�电焊接、气焊、电渣焊不采用焊接材料�电阻焊螺栓�普通螺栓高强度螺栓铆钉�冶金式��机械式��化学式�二、焊接工艺§1连接方式和特点电弧焊接电阻焊气焊手工电弧焊利用乙炔在氧气中燃烧形成的火焰融化焊条形成焊缝自动�半自动�埋弧焊利用电流通过待连接焊件的表面产生的热量融化金属、通过压力使之熔合二氧化碳气体保护焊利用通电后焊接材料�焊条或焊丝�和焊件之间产生电弧�熔化焊接材料形成焊缝电渣焊利用电流通过熔渣所产生的电阻热熔化填充金属和母材�凝固后形成连接三、焊缝连接形式及其他§1连接方式和特点焊件相对位置基本焊缝形式施焊位置平接母材和焊接材料俯焊对接焊缝搭接顶接立焊横焊仰焊角焊缝组合形式与母材等强或与低强度母材等强四、焊接连接的特点§1连接方式和特点工厂焊接时工作效率高�节省材料设计灵活例�工字形截面铆钉连接�螺栓�连接密闭性好�整体性强�刚度大例�杆件任意方向的连接有焊接变形p.244�避免与校正对焊工技能水平依赖程度大有焊接残余应力�影响刚度、稳定和疲劳强度焊接热影响区材料变脆整体性使得裂纹易于在相连材料间扩展五、紧固件连接的工艺和特点§1连接方式和特点工艺特点定位、制孔�冲孔、钻孔工地连接方便�设备和熟练工依赖性小��摩擦面处理�紧固件安装连接接头抗疲劳性能好较易阻断裂纹扩展工序多、耗材高加工制作精度依赖性强对母材截面造成缺损便于结构重复使用�拆、移�一、构造与焊缝表示§2对接焊缝的构造和计算垫板、清根与补焊(与母材等强)坡口及标注引弧板与引出板�本版教材统称引弧板�变厚度、变宽度的过渡(p.217图8-12)1:2.51:2.5二、计算方法§2对接焊缝的构造和计算焊缝截面焊缝强度设计值(根据设计规范确定)1确定计算截面上的内力�荷载效应�注意点�防止内力漏项一般计算步骤2计算焊缝截面特性A,W,S,I等3应力计算4强度校核1采用引弧板时�焊缝全长有效2未采用引弧板时�计算焊缝长度=焊缝长度—2t(原5mm)1焊缝质量等级为一、二级�按母材强度设计值确定(等强)2焊缝质量等级为三级�适当降低焊缝强度设计值焊缝质量等级与检查方法有关�板厚×焊缝计算长度三、典型问题§2对接焊缝的构造和计算承受轴心受力的钢板的斜向对接焊缝p.219式�8-2�8-3�承受弯矩和剪力的“牛腿”的对接焊缝p.219图8-18注意�复杂应力→折算应力承受轴心受力的钢板的对接焊缝p.218式�8-1�承受弯矩、剪力和轴力的对接拼缝一、构造与焊缝表示§3角焊缝的构造和计算端缝侧缝斜角焊缝焊缝长度垂直力线焊缝长度平行力线直角焊缝普通直角焊缝平坡焊缝深熔焊缝单边坡口不焊透焊缝绕焊断续焊hfhfhfhfhfhfhf焊脚尺寸hf一、构造与焊缝表示�续�§3角焊缝的构造和计算焊脚尺寸hf与焊缝长度L(p.225)最小焊脚尺寸�防止收缩开裂最大焊脚尺寸�防止薄板烧穿最小长度�防止缺陷集中最大长度�防止应力不均匀两条侧缝最大间距规定�传力均匀性角焊缝标注单面焊接与双面焊接�焊脚与长度围焊�L�三边�四边等�工地焊接8-1208888二、角焊缝受力特点§3角焊缝的构造和计算实际应力分布端缝�三向应力�侧缝�剪应力为主破坏面假定和应力分布假定有效截面=角焊缝破坏面�最小截面�有效截面高度�普通直角焊缝he=0.7hf//τehσ⊥强度试验公式和端侧缝强度比较222w//3()3fσττ⊥⊥++≤端缝强度大、刚性高�破坏时变形小�侧缝破坏时平均计算应力约为端缝的0.8倍�应力沿长度分布不均匀�变形能力大2222ww30.51.5231.22ffστσσσσ⊥⊥+≈+==→=22ww//333ffτττ==→=τ⊥σ⊥σ//ττ=τ⊥hf三、单个角焊缝强度的实用公式§3角焊缝的构造和计算焊缝破坏面上的计算应力垂直焊缝长度平行焊缝长度其中�或实用公式22wffff()fστβ+≤22fxfyfxfy2wff2ffσσσστβ+−+≤(非规范式)//ττ⊥σ⊥fNσ→fVτ→fwe/Nlhσ=fwe/Vlhτ=wf2llh=−wll=ef,0.7hh=//ττ⊥σ⊥xfxNσ→fVτ→yfyNσ→f1.22β=端焊缝强度设计值增大系数�直接承受动力荷载时取为1.0wff——角焊缝强度设计值�为焊缝极限强度/材料分项系数四、角焊缝计算要点§3角焊缝的构造和计算焊缝�焊缝群�内力分析轴力、剪力及联合作用弯矩及与轴力、剪力的共同作用扭矩及与轴力、剪力的共同作用焊缝群截面特性计算计算长度�非连续焊缝计算长度=焊缝长度-n×hf连续焊缝只考虑起弧和落弧处的扣除有效截面积、截面模量等应力计算强度校核确定、fσfτwf2f2f)(f≤+τβσ五、典型问题�1�§3角焊缝的构造和计算焊缝群受轴力与剪力1.三面围焊钢板(如翼缘盖板)强度校核wff1e12f2e22()Nflhlhhβ≤+−1l2l2lNN2.平行焊接角钢焊缝设计�4.L型焊接角钢NN1f1,lh2f2,lh1e2eb121(/)NebNkN==焊缝内力212(/)NebNkN==0.70.30.250.750.650.35肢背系数肢尖系数1k2k3.三面围焊接角钢NN1130.5NkNN=−焊缝内力2230.5NkNN=−自习焊缝内力如何确定�并问式(8-21)是否满足静力平衡条件五、典型问题(2)§3角焊缝的构造和计算焊缝群受弯矩和其他力作用NVMVxyMfxfxMyIσ=NfxfNAσ=VfyfwVAτ==NM2V2wfxfxfyff()()fσστβ−+≤内力计算,,,NVNVM⇒应力计算强度计算五、典型问题(3)§3角焊缝的构造和计算焊缝群受扭矩和其他力作用mmrrττ=焊缝群受扭计算的基本假定�1.被连接钢板是刚性的�焊缝则发生弹性变形2.焊缝上任一点应力的指向与焊缝群形心的连线垂直�大小与连线长度正比mmdFdArdArττ==焊缝上任一微段的合力该微段对焊缝群形心的扭矩2mmdMrdFrdArτ==焊缝群的总扭矩mmfyfxfmm()JIIrrττ=+=2miimMrdFrdArτ==∫∫22mm()xydArτ=+∫mτmrrτdAxyyxmτmrMfxτMMfyσNfxτVfyσNVθ焊缝群同时受扭和其他力时的应力计算�以Q点为例QMmfxmffsinsinMrMyJJττθθ===MfyfMxJσ=NfxwieifNNlhAτ==∑VfyfVAσ=�强度计算���VMfyfy2NM2wfxfxff()()fσσττβ−++≤问�该焊缝群中Q是否为最危险点�如果S点上需进行强度校核�应力分量如何计算�S六、对接焊缝与角焊缝的比较§3角焊缝的构造和计算焊缝强度动力性能对接焊缝焊接时较厚板件连接部位往往需要坡口只需少量垫板引弧板等辅助材料应力计算方法与母材金属相同强度设计值与母材金属相同母材-焊缝金属-母材之间能较平缓过渡�应力集中较小角焊缝不需坡口加工需要多种形式的连接板件或搭接�较费材应力计算方法与母材金属有较多不同点强度设计值与母材金属不同接头处截面变化大于对接连接�动力性能一般差于对接焊缝接头加工制作一、普通螺栓类型§4普通螺栓的构造和计算螺栓等级4.6、4.8级�Q235钢�C级螺栓�5.6、8.8级�优质碳素钢或45号钢�A、B级螺栓�受力性质受剪螺栓受拉螺栓螺栓孔制作精度普通螺栓的孔径d0比螺栓直径d大1~1.5mmI类孔�孔壁粗糙度小�孔径偏差允许+0.25mm�对应A、B级螺栓II类孔�孔壁粗糙度大�孔径偏差允许+1mm�对应C级螺栓二、剪力螺栓的工作性能和强度§4普通螺栓的构造和计算工作机理传力模式�摩擦→孔壁承压和螺栓杆受剪单个螺栓抗剪设计承载力抗剪面概念破坏模式螺栓杆剪断孔壁压坏钢板拉断钢板剪坏螺栓杆弯曲→计算→计算→计算→计算与构造→构造bv2vbv4fdnN⋅⋅⋅=πbcbcfdtN⋅⋅=∑同向承压厚度},min{][bcbvbvNNN=5ld≤三、拉力螺栓的工作性能和强度§4普通螺栓的构造和计算2004春工作机理被连接钢板接触面脱开�螺栓受拉撬力的概念(螺栓的拉力究竟多大�)单个螺栓抗拉强度bt2ebt4fdN⋅⋅=π撬力产生的原因对螺栓拉力的影响减小撬力的措施破坏截面�螺纹处螺栓的有效截面�p.250表8-6�F0.5F0.5FF0.5FP+PP0.5FP+螺栓是否会受压破坏�四、螺栓排列及构造要求§4普通螺栓的构造和计算并列与错列采用错列排列的原因螺栓排列与钢构件的净截面计算螺栓容许间距的规定P246表8—2�以螺栓孔径为基数间距规定的原因1受力要求�防止压曲、剪断和撕裂2使用要求�防潮、防锈蚀3 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 要求�操作空间五、螺栓群计算�1�§4普通螺栓的构造和计算“均匀受剪”的螺栓群1特点�螺栓群中各螺栓剪力作用线相互平行说明�实际螺栓群内剪力可能不均匀沿受力方向螺栓的分布越长�螺栓受力越不均匀2计算要点��1�确定连接面上的剪力�2�计算单个螺栓的平均剪力�3�确定螺栓的承剪强度设计值几个承剪面�螺栓受剪控制还是孔壁承压控制�是否因分布长度过大需对承剪强度折减��4�被连接钢构件的净截面计算101.1/150ldη=−1.0η=0.7η=10/15ld≤bbVV[][]NNη→1015/60ld<≤10/60ld≥五、螺栓群计算�2�§4普通螺栓的构造和计算扭矩作用下的螺栓群计算1假定�螺栓为弹性体�被连接构件为刚性体螺栓受力大小与距螺栓群形心的距离成正比受力方向垂直于螺栓与到螺栓群形心的连线垂直2计算要点�注意与平均剪力的叠加其余同前xyMxNMNxNNVVyNMyNMx22ii()MyNxy=+∑My22ii()MxNxy=+∑五、螺栓群计算�3�§4普通螺栓的构造和计算轴力�拉力�作用下的螺栓群的计算1计算假定�1�“中和轴”的位置�2�螺栓受力大小与距中和轴距离成正比2螺栓承载力能力校核用受力最大螺栓校核弯矩作用下的螺栓群的计算Mb11t2iMyNNy=≤∑五、螺栓群计算�4�§4普通螺栓的构造和计算螺栓所受拉力大小取决于弯曲“中和轴”在哪里�1�假定弯曲“中和轴”在螺栓形心�中图�拉力和弯矩共同作用下螺栓群的计算轴力是压力时怎样�M1c1c2iMyNy=−∑1'Mb1t'2i()MNeyNNy+=≤∑NNNn=�2�若MN1c0NN+≥则假定成立�最大受拉螺栓Mb1t1t2iMyNNNyn=+≤∑�3�若MN1c0NN+<则存在受压区�假定中和轴在受压侧最外排螺栓处�下图�注意两种情况下y坐标值分别与各自的中和轴位置对应1ty'1y五、螺栓群计算�5�§4普通螺栓的构造和计算剪力和轴力共同作用下的螺栓群的计算1计算公式2避免普通螺栓受剪的剪力支托1)()(2btt2bvv≤+NNNNbcvNN≤�一、高强度螺栓施工方法和工作性能§5高强度螺栓的构造和计算施工方法钢板打孔�孔径d0比螺栓直径d大1~1.5mm�承压型连接�1.5~2mm�摩擦型连接�摩擦面处理�仅对摩擦型连接��增大摩擦系数螺栓施加预拉力�对摩擦型连接和承压型连接�高强度螺栓抗剪工作性能Fu高强度螺栓摩擦型连接的设计准则高强度螺栓承压型连接的设计准则普通螺栓FFFF二、高强度螺栓的设计承载力§5高强度螺栓的构造和计算一个摩擦型连接的高强度螺栓的抗剪设计承载力一个磨擦型连接的高强度螺栓的抗拉设计承载力PnN⋅⋅=μfbv9.0一个承压型连接的高强度螺栓的抗剪设计承载力PN8.0bt=},4min{][bcbv2vbv∑⋅⋅⋅=fdtfdnNπ是否需要计算螺栓孔承压�一个承压型连接的高强度螺栓的抗拉设计承载力与普通螺栓相同P.261表8-8查预拉力�P.261表8-7查抗滑移系数三、高强度螺栓群的计算�1�§5高强度螺栓的构造和计算螺栓群均匀受剪螺栓群受剪、受拉1)()(2btt2bvv≤+NNNN2.1/bcvNN≤两种连接型式的承载力�摩擦型连接与承压型连接摩擦型连接的净截面强度计算�孔前传力概念摩擦型连接1bttbvv≤+NNNN)25.19.0tfbvNPnN−⋅⋅=�μ承压型连接11(10.5/)NNnn=−(GBJ17-88)(GB50017-2003)与普通螺栓计算公式不同�考虑预紧力的作用N三、高强度螺栓群的计算�2�§5高强度螺栓的构造和计算螺栓群受弯、受拉螺栓群受扭/受扭受剪内力在各螺栓上的分配方法同普通螺栓群强度校核方法区分摩擦型连接还是承压型连接螺栓群受弯内力在各螺栓上的分配原则与普通螺栓相同�中和轴位置有两种假定�1中和轴在螺栓群形心的假定�同济大学编写教材�理由�螺栓最大拉力不允许超过0.8P�被连接钢板始终受压�只是压力大小变化而已2中和轴位置与普通螺栓群一样�陈绍蕃教材�试验校核�受力较小时接近假定1�较大时偏向假定2强度校核根据受拉螺栓计算内力计算时中和轴假定同上作业钢结构连接第2次书面作业�p.266起E8.3,E8.5,E8.6,E8.7,E8.8第3次书面作业�p.268起E8.11,E8.12,E8.13,E8.14自平衡力系�力与弯矩复杂(多维)应力状态�面内应力为主§1连接方式和特点焊接残余应力的特点���不影响静力强度使构件整体刚度提前降低�相对无残余应力时�0.6rtyfσ=0.3rcyfσ=���0.4yfσ=0.30.40.1−+=0.60.41+=���0.8yfσ=0.110.43/20.7+×=���yfσ=0.710.23/21+×=对疲劳强度的影响�对构件稳定性的影响�PuP/yAf=P=�u=�§4普通螺栓的构造和计算FF/2F/2F/2F/2F/2F/2F/43F/43F/4F/4螺栓承剪面概念