金属结构的连接金属结构的连接8/6/20241信息与通信 金属结构的连接3131连接方法及特点连接方法及特点3232连接的材料连接的材料33.33.焊接接头型式与焊缝型式焊接接头型式与焊缝型式34.34.焊缝焊缝的静的静强强度度计计算算3535设计焊接结构的注意事项设计焊接结构的注意事项3636普通螺栓普通螺栓连连接接3737剪力螺栓连接计算剪力螺栓连接计算3838拉力螺栓连拉力螺栓连3939拉剪螺栓连接计算：拉剪螺栓连接计算： 310310高强度螺栓连接设计计算高强度螺栓连接设计计算311销轴连接8/6/20242信息与通信 金属结构的连接 金属结构是由型材、铸锻件间用一定的连接方式组成的能承载的工程结构，常见的连接方式有以下几种。8/6/20243信息与通信 金属结构的连接31连接方法及特点v一、方法： 焊接：（广泛应用） 螺栓连接：（用于常装拆的结构）分为： 普通螺栓和高强度螺栓 铆钉连接：（国外仅用于特重型桥吊主梁） 胶合连接：（国内未采用） 销轴连接：（用于两构件间的连接）8/6/20244信息与通信 金属结构的连接v二、特点： 焊 接：制造简便，省工省料，不削弱构 件截面 易于自动化操作；但易产生残余应力和 变形、焊接缺陷，质量不易检查。 螺栓连接：易装拆，质量易检查，塑性、韧性 好，但费工费料，削弱构件截面，动载 作用下易松动；高强度螺栓除具有普通 螺栓优点以外，还具有传力均匀， 8/6/20245信息与通信 金属结构的连接 应力集中小，疲劳强度高等优点，但 螺栓制造和连接表面要求较高。 铆 接：承动载能力强，低温下工作较可靠， 但不能拆。 8/6/20246信息与通信 金属结构的连接32连接的材料v一、焊接（与焊接方法有关），焊接方法达 35种之多。1.金属结构（起重机）常用的方法： 气焊：氧炔焊（氧，乙炔）用于焊薄板， 切割金属；热源为气 8/6/20247信息与通信 金属结构的连接电弧焊：应用最多 热源：电弧 手工电弧焊； 埋弧自动（半自动）焊； 气体保护焊 电渣焊：热源：电流通过燃渣产生电阻热，常用于焊 厚板或大截面构件。8/6/20248信息与通信 金属结构的连接 2.焊接材料：（电弧焊） 1）手工电弧焊焊条（按等强度原则选） 焊Q235，常用E43型（老T42型） E4303 （一般） 注：“43”为抗拉强度 “0”为位置 “03”为药皮及电 流 （T422） E4315 E4316 应用于重要结构 或重级工作制（T427） （T426）8/6/20249信息与通信 金属结构的连接焊16Mn,常用E50型 （T50型） E5003 （T502） E5015 （T507） E5016 （T506）焊Q235与16Mn的混合连接： E43型（一般）. E50型（贴角焊，受力较大的焊缝）8/6/202410信息与通信 金属结构的连接 2）埋弧自动（半自动）焊：焊丝+焊剂 焊Q235：H08，H08A，H08Mn + 高硅型焊剂 焊16Mn: H08MnA,H10Mn2 + 低锰型或无锰型焊 剂 3）气体保护焊：焊丝+气体（CO2，氩气等）8/6/202411信息与通信 金属结构的连接二、螺栓分为： 普通螺栓 Q235-A,Q235-B,35； 高强度螺栓 螺栓： d24mm.45,40B,20MnTiB d24mm.20 MnTiB,35VB 螺母：45，15MnVB 垫圈：45 (平垫圈)8/6/202412信息与通信 金属结构的连接33.焊接接头型式与焊缝型式对接接头 对接焊缝 8/6/202413信息与通信 金属结构的连接 搭接接头 贴角焊缝 塞焊缝（角） 槽形焊缝（角） 8/6/202414信息与通信 金属结构的连接T字接头 开剖口焊缝角接接头 开剖口焊缝 8/6/202415信息与通信 金属结构的连接34.焊缝的静强度计算v一、对接焊缝的静强度计算. 1.承受轴力的对接焊缝： 8/6/202416信息与通信 金属结构的连接 h=N/Af=N/lfh 式中：lf焊缝计算长度：有引弧板时 lf=b 无引弧板时 lf=b-52mm h焊缝许用应力，查表3-1（P67）8/6/202417信息与通信 金属结构的连接 2.承受剪力的对接焊缝（纯剪） =Q/Af=Q/lfdh 式中：lf、同前，h查表318/6/202418信息与通信 金属结构的连接 3.N、Q、M共同作用下的对接焊缝例1：8/6/202419信息与通信 金属结构的连接危险点：A、B. A：h=N/Af+M/Wf h B: h=QSf/Ifh Sf计算点到截面边缘部分的截面面积对中性 轴（通过截面型心的轴）的静矩8/6/202420信息与通信 金属结构的连接v例2：8/6/202421信息与通信 金属结构的连接危险点：A，B. A： B: 8/6/202422信息与通信 金属结构的连接v二、贴角焊缝的静强度计算1）侧焊缝8/6/202423信息与通信 金属结构的连接（1）应力分布规律：不均匀（曲线）， 两头大中间 小（2）破坏形式：剪切破坏，破坏面为 最小剪切面（45度工作面）8/6/202424信息与通信 金属结构的连接2）端焊缝8/6/202425信息与通信 金属结构的连接 （1）应力分布规律：复杂，应力集中在根部（a点）； （2）破坏形式：多样。3) 围焊缝（三面围焊）：塑性低于侧焊，静强度和 侧焊相当，疲劳强度高于侧焊，由于贴角焊缝差别较大，受力复杂精确计算十分困难，以往多数国家采用以实验结果为主要依据的计划设计算法。8/6/202426信息与通信 金属结构的连接 2.贴角焊缝发计算假定： 除忽略焊接残余应力及焊缝的增高影响外，做如下几点假定： 1）不分侧缝和端缝 2）以焊接的最小截面45斜面作为计算截面 3）不论连接受拉、压、剪、弯、把计算应力均视 为剪应力。8/6/202427信息与通信 金属结构的连接 3.贴角焊缝的静强度计算 1）连接受轴向力的搭接接头例1. 8/6/202428信息与通信 金属结构的连接 N=N/Af=N/(lff)h f=焊缝计算厚度. f=0.7hf lf焊缝计算长度之和. 8/6/202429信息与通信 金属结构的连接例2. N=N/Af=N/(lff)h 其中f为周长 lf连接一边焊缝的计算长度之和，按下面规则取值8/6/202430信息与通信 金属结构的连接8/6/202431信息与通信 金属结构的连接注：焊缝计算长度的规定： （1）各条侧缝或端缝的最小计算长度取为 8 hf且不小于40mm（由构造保证）. （2）侧焊缝的最大计算长度 受静载：每条侧缝取lf60hf 受动载：每条侧缝取lf40hf （超出部分不考虑）8/6/202432信息与通信 金属结构的连接2）受弯矩M的T字接头8/6/202433信息与通信 金属结构的连接危险点：A Ifx对轴x求惯性矩，称为轴惯性矩法。 8/6/202434信息与通信 金属结构的连接3）承受M的搭接接头 8/6/202435信息与通信 金属结构的连接计算假设： （1）构件为绝对刚性，焊缝为弹性； （2）在M作用下，构件焊缝计算截面型心作相对转动 由上面假设有：在一点处，i大小于其到O的距离成正比，方向垂直于连线 当点距O为单位长度r=1时，焊缝计算应力为：1 当点距O为单位长度r=i时，焊缝计算应力为：i 1/r1=i/ri r1=1 i =1r i8/6/202436信息与通信 金属结构的连接 IP（极惯矩） 所以： 1=M/IP 任一点处： i=iri=riM/IP max=rmaxM/IP 离型心最远的焊缝所受的剪应力. 强度计算式：max=rmaxM/IP h 极惯性矩法8/6/202437信息与通信 金属结构的连接max=rmaxM/(Ix+Iy)h轴惯性矩法（常用） 8/6/202438信息与通信 金属结构的连接4）复杂焊缝的强度计算（1）承受N、Q、M的工字形截面接头的贴角 的焊缝8/6/202439信息与通信 金属结构的连接将外力P、N向焊缝截面简化得：Q=P，M=Pe ,N.计算焊缝截面几何特性参数：Af,Af,If,WfA,WfB危险点：A，B强度计算A:B:8/6/202440信息与通信 金属结构的连接式中：Af焊缝总面积. Af腹板焊缝部分的面积. ,WfA,WfB分别为A， B点的抗弯截面模量8/6/202441信息与通信 金属结构的连接（2）承受N，Q，M的搭接接头 8/6/202442信息与通信 金属结构的连接将外力向形心转化得：N，Q=P，M=Pe 假设：在N，Q作用下，应力由全部焊缝均担 任一点处：N=N/Af() Q=Q/Af() 在M作用下，离O点最远的点为A，B点.危险点：A（见右上图分析） sin=ymax/rA cos=xmax/rA 8/6/202443信息与通信 金属结构的连接 强度条件： 其中：MA=rAM/IP=rAM/Ix+Iy 8/6/202444信息与通信 金属结构的连接35设计焊接结构的注意事项根据资料统计，疲劳失效占金属结构失效形式的（8090）%，尤其对经常满载，频繁工作，承受变载，动载的港口装卸用的起重机，疲劳破坏往往从焊接接头处开始产生.一、合理选材：塑、韧性好抗裂性好，慎用高强度钢材。板厚一般min4mm max40mm Q235max30mm 16Mn8/6/202445信息与通信 金属结构的连接二、构造设计：合理布置焊缝，注意细节处理. 1.焊缝不宜太集中8/6/202446信息与通信 金属结构的连接2.避免焊缝主体交叉（使主焊缝连续，次焊缝断开）3.避免焊缝布置在易产生应力集中处8/6/202447信息与通信 金属结构的连接4.不同厚（宽）的钢板对焊接时，应使力流平滑过渡.8/6/202448信息与通信 金属结构的连接 （满足表32的不等厚板对接厚度差时，可不开斜口）对接：6mm (手工焊) 8mm（自动焊） 应开剖口，剖口形式详见机械设计手册或国家标准5.不允许采用单面搭接端焊缝8/6/202449信息与通信 金属结构的连接 6.焊缝布置应便于施工（详见P75） 7.焊缝高度（贴角焊缝hmin,hmax）,应满足构造要 求（P70）8/6/202450信息与通信 金属结构的连接 8.焊缝重心线应尽量与构件重心线重合 焊缝的分配比例见P71，表348/6/202451信息与通信 金属结构的连接 9.承静载时，宜优先采用二面侧焊 承动载时，宜优先采用三面侧焊 桁架节点8/6/202452信息与通信 金属结构的连接36普通螺栓连接一、分类： 普通螺栓：粗制类孔，孔-d栓=1 2mm， 用于主要受拉的连接8/6/202453信息与通信 金属结构的连接 精制类孔，孔-d栓=0.20.3mm, （铰孔）用于同时承拉，剪，或受剪连接. （钻模、钻、冲孔、扩钻、铰孔）8/6/202454信息与通信 金属结构的连接二、连接形式： 剪力螺栓连接 拉力螺栓连接 拉剪力螺栓连接三、螺栓布置的极限尺寸要求（P79，表35） 布置方式及要求：并列 错列 见P28图3498/6/202455信息与通信 金属结构的连接37剪力螺栓连接计算8/6/202456信息与通信 金属结构的连接一、受轴心力作用下的受剪螺栓连接 破坏形式：栓杆剪断，孔壁或杆身压坏，板端 剪裂，板端拉裂，板拉断 常见破坏形式：栓杆剪断，孔壁挤坏，板拉断。 计算内容：螺栓、构件 计算方法：先计算所需螺栓数，后进行布置 先按经验布置，后验算按方法.8/6/202457信息与通信 金属结构的连接 1.所需螺栓数： 式中： 单螺栓抗剪许用承载力 和孔壁抗压 许用承载力 中的较小值 许用剪应力见表37 许用压应力表37 挤压面积 同方向承压构件的较 小总厚度8/6/202458信息与通信 金属结构的连接 2.构件强度计算：设BA （如取构件板B计 算）:8/6/202459信息与通信 金属结构的连接危险截面：并列布置时为第1列栓孔处（截面）错列布置时第1列栓孔处（截面） 第1，2列及其后面栓孔处的锯齿形截 面（）强度验算：=N/Aj Aj截面： Aj=A-n1d 截面： Aj=A-(n1+n2) d+ 8/6/202460信息与通信 金属结构的连接 二、偏心力作用下的受剪螺栓连接8/6/202461信息与通信 金属结构的连接外力向螺栓群心o转化假定：在过o的P力作用下， 各栓受相同剪力，RP=P/n在M作用下，连接板绕 群心o旋转，各栓受剪力， 大小与其与o距离成正比， 方向垂直于连线oi；R1/r1=Ri/ri=K Ri=Kri Rmax=Krmax8/6/202462信息与通信 金属结构的连接分析：危险螺栓？Rmax=? 危险螺栓：4和6 在M作用下： 8/6/202463信息与通信 金属结构的连接在P作用下：RP=P/n危险螺栓强度条件： 式中： 取 和 中的较小者 8/6/202464信息与通信 金属结构的连接38拉力螺栓连R:杠杆反力 8/6/202465信息与通信 金属结构的连接一、轴心作用下的拉力螺栓 螺栓破坏截面螺纹、根部。 考虑杠杆反力及应力集中因素的影响，将螺栓许用应力降低20%式中： 单栓抗拉许用承载力. 螺栓抗拉许用应力. 螺栓材料许用应力 d0螺纹内径 8/6/202466信息与通信 金属结构的连接二、力矩作用下的拉力螺栓8/6/202467信息与通信 金属结构的连接 假定连接法兰（板）刚性足够大，在M作用下，连接板绕受压边排螺栓线：x- x轴转动，各螺栓所受拉力与其到x- x轴的距离成正比。 Pi/yi=Pmax/ymax Pi=Pmaxyi/ymax 螺栓强度条件： 8/6/202468信息与通信 金属结构的连接 三、偏心受拉螺栓8/6/202469信息与通信 金属结构的连接 当e时： 先计算e=M/N =Ix/n|ymax| 再判断：e 或 e而后计算：Pmax 螺栓强度条件： 8/6/202470信息与通信 金属结构的连接39拉剪螺栓连接计算：(自学) 根据试验结果：在拉剪联合作用下，符合因形相关公式： 8/6/202471信息与通信 金属结构的连接 若螺栓的计算拉力、剪力分别为Pll和Pjl，则强度条件为： （结论：当 强度满足）8/6/202472信息与通信 金属结构的连接310高强度螺栓连接设计计算一、种类、特点及应用1.按形状分： 大六角头 用扭矩扳手 8/6/202473信息与通信 金属结构的连接 扭剪形（日本首例） 先用普通扳手，后用TC型电动扳手套住螺母和卡头终拧，直至卡头拧断。8/6/202474信息与通信 金属结构的连接 2.按受剪螺栓受力性能的不同阶段分：摩擦型 承压 型 摩擦型的工作原理：对螺栓施加足够大的预紧力使 被连接件接触面间产生摩擦力 来传递力。 承载能力极限状态：被连接件间的摩擦阻力刚被克 服作为其极限状态. 8/6/202475信息与通信 金属结构的连接 特点：不松动，耐疲劳。 应用：用于直接承受动杂载的结构。 承压型：承载能力极限状态：连接面间滑移后，栓 杆剪断或孔壁挤压坏，宜用于承静载或间接 承动载的结构。8/6/202476信息与通信 金属结构的连接 二、摩擦型高强螺栓连接的强度计算 1.轴心力作用下的剪力螺栓8/6/202477信息与通信 金属结构的连接 N/nP P但栓抗滑许用承载力. P=0.7ZmfPg Zm传力摩擦面数； f摩擦系数（与表面处理方法有关），查表（3-9） Pg预拉力（预紧力）.查表3-8 0.7安全系数n=1.43的倒数.8/6/202478信息与通信 金属结构的连接 2.偏心力作用下的剪力螺栓 计算公式同普通螺栓，但许用承载力应为高强螺栓的许用承载力。8/6/202479信息与通信 金属结构的连接 3.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.8/6/202480信息与通信 金属结构的连接强度条件：单栓抗滑承载力：PQP 单栓抗拉承载力：PN0.7Pg P拉 、剪作用下的单栓抗滑许用承载力 P=0.7Zmf(Pg-1.4Pt) Pt每个螺栓所受的外拉力.Pt0.7Pg8/6/202481信息与通信 金属结构的连接 4.被连接件的强度计算8/6/202482信息与通信 金属结构的连接每个螺栓所产生的摩擦力：N/n n为螺栓总数 第一排为n1个螺栓产生： （N/n）n1的摩擦力=N N=N-N=N-(N/n)n140%=N（1-0.4n1/n） 被连接件的强度条件： = N/Aj Aj为净载面积8/6/202483信息与通信 金属结构的连接311销轴连接一、销轴计算 静强度： w销轴许用弯曲应力8/6/202484信息与通信 金属结构的连接不重要及受载不大：Q235， w=125MP 载荷不大，要求任性较高： 20正火回火 w=125 MP 有一定强度及加工塑性要求： 35正火回火 w =165 MP 调质w=175 MP 广泛应用：45正火回火 w=195 MP 调质w=215 MP 载荷较大，无很大冲击的重要轴. 40Cr调质w=245 MP8/6/202485信息与通信 金属结构的连接8/6/202486信息与通信 金属结构的连接 二、耳板计算 危险截面：BB，AA8/6/202487信息与通信 金属结构的连接8/6/202488信息与通信 金属结构的连接 解三次超静定结构（利用对称性及变形协调条件）求Nb,Qb,Mb,Na,Qa,Ma. 由弹性力学，应用弹性曲梁公式计算危险载面应力 =Ni/A + Mi/AR +(Mi/ARK)y/(R+y) A 截面积 R 截面重心线半径 k与截面有关的系数.矩形： k=(R/h) (2R+h)/(2R-h) -1 y计算截面上计算点的坐标值.8/6/202489信息与通信 金属结构的连接8/6/202490信息与通信 金属结构的连接