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第三章 钢结构的连接,第一节 钢结构的连接方法 第二节 焊接方法和焊缝连接形式 第三节 角焊缝的构造与计算 第四节 对接焊缝的构造与计算 第五节 焊接应力和焊接变形 第六节 螺栓连接的构造 第七节 普通螺栓连接的工作性能和计算 第八节 高强度螺栓连接的工作性能和计算 第九节 混合连接,第一节 钢结构的连接方法,在传力过程中,连接部位应有足够的强度,被连接件间 应保持正确的位置,以满足传力和使用要求。 钢结构的连接方法: 通常有焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种方式。,1、焊缝连接的特点 优点: 对几何形体适应性强,构造简单,连接方便,省工省时; 不需打孔,用料经济,不削弱截面,省材省工; 加工方便,可实现自动化操作,工效高 ; 密闭性好,结构刚度大,整体性较好。 缺点: 焊接附近有热影响区,材质变脆; 焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏,对裂纹比较敏感;残余变形使结构形状、尺寸发生变化; 焊接裂缝一经发生,便容易扩展,低温冷脆问题突出;对动力荷载比较敏感。 对材质要求高,焊接程序严格,质量检验工作量大。,返回,第一节 钢结构的连接方法,2、铆钉连接的特点 塑性和韧性较好; 连接紧密,传力可靠,质量易于检查; 用于直接承受动力荷载和跨度较大的结构中(如桥梁) 缺点:构造复杂,费工费料。很少使用。 3、螺栓连接的特点 分普通螺栓连接和高强螺栓连接 (1)普通螺栓连接 A、B、C三级:A和B为精制螺栓,C级为粗制螺栓; 材料等级: A和B为8.8级,C级为4.6级或4.8; 等级表示:如4.6级指螺栓成品的最低抗拉强度为400 N/mm2,屈强比为0.6的螺栓。 加工:A、B级由毛坯在车床上精确加工而成精制; C级为由未经加工的圆钢压制而成粗制;,第一节 钢结构的连接方法,螺孔:A、B级需要钻模钻成(类孔),孔径比螺杆大0.3mm左右;C级为一次冲成或不用钻模钻成(类孔)孔径比螺杆大1.53.0mm。 受力:A、B级受力性能好,连接变形小,可以既受拉又受剪,用于重要的连接;C级螺栓连接性能不如A、B级好,主要受拉,用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的次要连接。 费用: A、B级成本昂贵,C级螺栓价格便宜,能用C级螺栓的地方不用A、B级螺栓。 (2)高强螺栓连接 高强螺栓用高强度钢材制成,对结构削弱少,可拆换,摩擦面处理,安装工艺略为复杂,造价略高 。分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓。 摩擦型高强螺栓:只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力,以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态。,第一节 钢结构的连接方法,承压型高强螺栓:允许接触面滑移(剪力超过摩擦力),以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态。 受力:摩擦型高强螺栓剪切变形小,弹性性能好,耐疲劳,塑性韧性好,特别适用动力荷载,目前可以代替铆接;承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型,剪切变形大,不得用于承受动力荷载的结构。 材料等级:采用45号钢、40B和20MnTiB钢(热处理),材料等级为 8.8级或10.9级。 孔径:摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.52.0mm;承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.01.5mm。 4、射钉、自攻螺栓、焊钉连接 灵活,安装方便,构件无须予先处理,适用于轻钢、薄板结 构,不能受较大集中力 。焊钉用于混凝土和钢板的连接。,第一节 钢结构的连接方法,返回,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,一、钢结构常用的焊接方法: 1、 手工电弧焊 最常用,设备简单,操作灵活。但生产效率低,劳动强度大,焊接质量受焊工的影响大。 焊条选择:焊条应与焊件钢材相适应,Q235选择E43型(E43004328),Q345采用E50型焊条,Q390和Q420采用E55型焊条;不同钢种之间(例Q235与Q345)宜选用低组配方案(E43型),即采用低强度钢材相适应的焊条。 E表示焊条(Electrode),前 两位数字为熔敷金属的最小抗 拉强度(kgf/mm2),后两位为 焊接位置、电流及药皮类型等。,2、自动或半自动埋弧焊 大电流、细焊丝,熔深大,适用于厚板焊接。生产效率高,质量高。焊件变形小。 自动焊的引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动都是自动的,而半自动焊的焊接前进方式仍是依靠手持焊枪移动。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,4、电阻焊等 利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属,再通过压力使其焊合。 适用于薄壁型钢的焊接,板叠厚度不超过12mm。焊点主要承受剪力,抗拉能力较差。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,3、气体保护焊 二氧化碳气体保护焊是近年来发展起来的先进焊接方法。它是利用气体作为保护气体,使被熔化的金属不与空气接触,电弧加热集中,焊接速度快,熔化深度大,焊丝强度高,塑性好。采用高锰高硅型焊丝,具有较强的抗锈能力,焊缝不易产生气孔,适用于低碳钢、低合金高强度钢以及其他合金钢的焊接。 不适于风大的地方施焊。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,二、焊缝连接形式 按照被连接构件的相对位置来分为: 平接(直接对接和盖板对接):厚度相同或相近的两构件 搭接:不同厚度的两构件,传力不均匀,费材料 T形连接(顶接):组合截面 角部连接:箱形截面,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,盖板对接,三、焊缝形式 按焊缝和两个被连接件间的相对位置分类。 对接焊缝:焊缝和两个被连接件的平行面相连。 角焊缝:焊缝和两个被连接件的相交面相连。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,对接焊缝按受力与焊缝方向分: a)对接正焊缝:作用力方向与焊缝方向正交 b)对接斜焊缝:作用力方向与焊缝方向斜交 角焊缝按受力与焊缝方向分: a)端缝:作用力方向与焊缝长度方向垂直 b)侧缝:作用力方向与焊缝长度方向平行 c)斜角焊缝(斜缝),第二节 焊接方法和焊缝连接形式,按焊缝连续性: a)连续角焊缝(重要构件) :受力较好 b)断续角焊缝(次要构件) :易发生应力集中 断续角焊缝间断距离l15t(受压)和l30t(受拉), t为较薄件的厚度,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,按施焊位置: 平焊(俯焊)、立焊、横焊、仰焊,其中以俯焊施工位置最好,所以焊缝质量也最好,仰焊最差,尽量避免。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,四、焊缝缺陷 常见的焊接缺陷: 裂纹、焊瘤、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满。 缺陷的存在削弱受力面积,产生应力集中,易产生裂纹。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,五、焊缝质量检验 焊缝质量等级:钢结构工程施工质量验收规范(GB50205)对焊缝依其质量检查标准分为一级、二级和三级。 焊缝质量检验方法: 外观检查(外部尺寸和缺陷) 内部检查(内部缺陷):超声波探伤检验(主要) 、X射线、射线等(x射线应用广)检验、磁粉(辅助)、荧光检验(辅助) 。 三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准,即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹,咬边等缺陷 ;,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,一级焊缝需经外观检查、超声波探伤(检验每条焊缝全部长度)、x射线检验都合格; 二级焊缝需外观检查、超声波探伤(检验每条焊缝的20长度,且不小于200mm)合格; 焊缝等级的选用: 疲劳验算的构件:垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级,受压时为二级; 不进行疲劳计算的构件:对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级,受压时宜为二级;三级焊缝的抗拉强度设计值为主体钢材的85%; 重级工作制吊车和Q50T的中级工作制的吊车,吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝,不低于二级; 角焊缝一般为三级,只对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50T的中级工作制的吊车梁的角焊缝外观质量应符合二级。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,焊接时为保证质量,需要注意之处: (1)对不熟悉的钢种焊接时,需做工艺性能和力学性能的试验; (2)焊工要进行考核,持证上岗; (3)焊条、焊丝、焊剂按规定烘焙; (4)多层焊接需连续施焊,每层焊道之间要清理; (5)焊缝出现裂缝,应申报、查明原因,方能处理。,第二节 焊接方法和焊缝连接形式,返回,六、焊缝代号、螺栓及其孔眼 焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。 引出线:横线和带箭头的斜线组成,图形符号和焊脚尺寸标在横线上。 图形符号:表示焊缝的基本型式 辅助符号:焊缝的辅助要求。 螺栓及其孔眼图例见课本表3.3。,返回,第三节 角焊缝的构造与计算,一、角焊缝的构造 (1)角焊缝的截面形式: 直角角焊缝和斜角角焊缝。 )直角焊缝 (a)普通焊缝:应力集中较严重 (b)平坡焊缝 (正面):承受动力荷载时采用 (c)深熔焊缝 (侧面):承受动力荷载时采用,2)斜角角焊缝 (d)斜锐角焊缝 (e)斜钝角焊缝 (f)斜凹面角焊缝 l 主要用于钢管连接中,(2) 正面角焊缝(端焊缝)、侧面角焊缝 1)端缝:焊缝垂直于受力方向,其特点为受力后应力状态较复杂,应力集中严重,焊缝根部形成高峰应力,易于开裂。端缝破坏强度要高一些,但塑性差。,2)侧缝:焊缝长度方向与受力方向平行,其特点为应力分布 简单些,但弹性工作阶段分布并不均匀,剪应力两端大,中 间小。侧缝强度低,但塑性较好,两端出现塑性变形后将产 生应力重分布,在规定的长度内应力可趋于均匀。,(3)角焊缝的构造要求 角焊缝的几何特征:焊脚尺寸hf(焊缝直角边的边长)和焊缝计算长度lw。 焊脚尺寸hf:过小,冷却快,产生淬硬,裂纹; 过大,易烧伤、烧穿,热脆区增大,残余应力和残余变形增大。 最大焊脚尺寸:hf1.2 tmin ;对于构件边缘焊缝,为防咬边,当板件厚度t6mm时,一般取 hf t-(12)mm;当t6mm时,取hf t; tmin为较薄焊件厚 。 最小角脚尺寸:hf1.5 mm;对于T形连接的单面角焊缝,应增加1mm;当板件厚度t 4mm时,取 hf为焊件厚度;对自动焊可减1mm。,焊缝计算长度lw :太长,两端应力与中间应力相差太大; 太短,起落弧太近,局部加热严重。 侧面焊缝的最大计算长度:lw 60 hf,当实际长度对于上述数值时,其超过部分在计算中不予考虑; 角焊缝的最小计算长度: lw 8 hf,而且不得小于40mm。 搭接连接的构造要求: 当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时,为了避免应力传 递过分弯折而使构件中应力过分不均,应使每条侧焊缝长度大 于它们之间的距离,即lw=b。另外为了避免焊缝收缩时引 起板件的拱曲过大,还应使 b16t(当t12mm)或200mm (当t=12mm)。当不满足规定 时,应加正面角焊缝。,在仅用正面焊缝的搭接连接中,搭接长度不得小于焊件较小 厚度的5倍及25mm,以减小焊缝收缩而产生的残余应力,以 及因传力偏心而产生的附加应力。,所有围焊的转角处必须连续施焊,对非围焊的角焊缝的端部转角处应连续作2hf的转角焊。,角焊缝的构造,二、直角角焊缝的计算公式 1、有效高度、有效面积和有效截面 两焊脚边的夹角, 焊脚尺寸。 破坏截面: 假设焊缝破坏 截面为有效截 面(沿焊脚的角 平分面破坏, 最小截面)。,2、角焊缝的强度设计值(抗剪条件定) E43系列: E50系列: 3、有效截面的应力 垂直于角焊缝有效截面上的正应力; 有效截面上垂直于焊缝长度方向的剪应力; 有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力。 试验研究表明:三个方向应力与焊缝强度间的关系为,4、实用的计算方法: 设焊缝承受外力 Ny:垂直于lw,沿焊缝长度产生平均应力 不是正应力、剪应力,可分解为 Nz:平行于lw,沿焊缝长度产生平均剪应力 将 带入 得:,如果焊缝承受外力Nx、Ny、Nz,则角焊缝的计算公式为,端焊缝的强度增大系数, 对直接承受动力荷载结构中的角焊缝,取1.0; 按焊缝有效截面计算,垂直于焊缝长度方向的应力; 按焊缝有效截面计算,沿焊缝长度方向的剪应力。,三、角焊缝的计算 角焊缝的受力情况
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