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教学教案-结构设计原理 第三版 叶见曙 pdfzip-第

时间:2021-04-01 11:58

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  叶见曙 · 结构设计原理(第三版) 第20章 钢结构的连接 叶见曙叶见曙 张娟秀张娟秀 马莹马莹 编编 PrinciPrincipp le ole off Structure Desi Structure Desiggnn pp ff gg 本章目录 20.0.1 焊缝连接焊缝连接 2020.22 普通螺栓连接普通螺栓连接 2020.33 高强度高强度螺栓连接螺栓连接 22 教学要求 了解焊接连接的方法和形式,理解焊接残余应力产生的原 因因,深刻理解对接焊缝和角焊缝的工作性能深刻理解对接焊缝和角焊缝的工作性能,熟练掌握在熟练掌握在 各种内力作用下,焊接连接的计算方法及构造。 掌握螺栓排列方式和构造要求,深刻理解普通螺栓连接的 工作性能作性能,熟练掌握普熟练掌握普通螺栓螺栓连接的计算方法接的计算方法。 了解高强度螺栓的施工方法,理解高强度螺栓连接的工作 性能,熟练掌握高强度螺栓连接的计算方法。 33 桥梁钢结构的基本构件如梁、柱、桁架等是由钢板、型钢 等连接而成等连接而成,而基本构件则通过安装连接成整体结构而基本构件则通过安装连接成整体结构。 钢结构的连接方式可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接 三种(图20-1)。 焊缝 螺栓 铆钉 钢板1 钢板2 钢板钢板1 钢板钢板2 钢板1 钢板钢板22 a) b) c) 图20-1 钢结构的连接方法 a)焊缝连接;b)螺栓连接;c)铆钉连接 螺栓连接又分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种螺栓连接又分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。。 44 20.1 焊缝连接 焊缝连接是以手工弧焊或自动焊缝连接是以手工弧焊或自动、半自动埋弧焊接作为连接手半自动埋弧焊接作为连接手 段并用金属焊条或焊丝作为材料将钢构件或钢板部件连接成整体 的方法的方法。 优点优点::不需要在钢材上开孔不需要在钢材上开孔,,截面不会受到削弱截面不会受到削弱,,构造简单构造简单,, 施工方便;易于采用自动化操作,生产效率高。 缺点:在焊缝附近的热影响区内,钢材材料会局部变脆;焊 接会产生焊接残余应力和残余变形,对结构的承载能力有不利影 响。焊接结构低温冷脆问题较突出。 焊缝质量易受操作人员技术熟练程度的影响焊缝质量易受操作人员技术熟练程度的影响。 55 20.1.1 钢结构中的焊接方法和焊缝连接的形式 11))焊接方法焊接方法 ((1))手手工电弧焊电弧焊 包有药皮的焊条和焊件分别作为电源的两极形成电弧, 在高温作用下在高温作用下,电弧周围的金属熔化成液态电弧周围的金属熔化成液态,形成熔池形成熔池, 同时焊条中的焊丝熔化进入熔池中,与焊件的熔融金属相 互结合,冷却后形成焊缝。 手工电弧焊应选用与焊接构件钢材的强度相适应手工电弧焊应选用与焊接构件钢材的强度相适应、、焊缝焊缝 的塑性及冲击韧性较高、抗裂性较好的焊条型号。 66 ((22))埋弧焊埋弧焊 埋埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊种电弧焊。 焊丝进入和电弧按焊接方向的移动有专门设备控制完成 的称为埋弧自动电弧焊。 焊丝进入有专门设备控制焊丝进入有专门设备控制,而电弧按焊接方向的移动靠而电弧按焊接方向的移动靠 人工操作完成的称为埋弧半自动电弧焊。 埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配。 77 ((33 ))气体保护焊气体保护焊 气体保护焊是利用二氧化碳(CO )气体或其他惰性气 2 体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。 气体保气体保护焊的优点的优点是电电弧热热量集中集中,焊接接速度快度快,焊件件 熔深大,热影响区较小,焊接变形较小; 气体保护焊所形成的焊缝强度比手工电弧焊高、塑性和 抗腐蚀性较好,适用于厚钢板或厚度100mm以上的特厚钢 板的连接板的连接。。 88 2 )焊缝连接的形式 (1)连接接头 对接对接接头接头 ((将连接的构件将连接的构件、部部 件或板件在同一平面内相互连接成 板件1 板件2 整体的连接方式整体的连接方式)) a) 搭接接头搭接接头 ((将连接的构件将连接的构件、、 部件或板件相互重叠连接成整体 盖板 板件2 的方式的方式)) 板件1 b) 板件2 c) 板件1 T形接头形接头 板件板件22 板件板件22 角部接头角部接头 板件2 板件1 板件板件11 板件1 d) f) g) 99 (2)焊缝形式 对接焊缝和角焊缝两种形式。 对接接头 搭接接头 对接焊缝 角焊缝 角焊缝 a)a) b)b) c)) T形接头 角部接头 角焊缝 K形坡 角焊缝角焊缝 角焊缝角焊缝 口焊缝 d)d) e)e) f)f) g)g) 图20-2 焊缝连接的形式 1010 3)焊缝连接的缺陷及质量检验 焊接接头产生不符合设计或工艺要求的现象称为焊缝 缺陷, 常见的焊缝缺陷有: 焊缝外形尺寸不符合要求焊缝外形尺寸不符合要求 咬边(沿焊趾处母材部位产生的沟槽或凹槽) 焊瘤(熔化的金属流淌在焊缝以外的母材上所形成的金属瘤) 表面缺陷 弧坑、气孔(焊接后残留在焊缝中的空气所形成的空穴) 烧穿(熔化金属自坡口背面流出形成穿孔的现象 表面裂纹表面裂纹 内部缺陷内部缺陷 内部裂纹内部裂纹,,内部气孔内部气孔,,夹渣夹渣 ((焊接后残留在焊缝中的熔渣焊接后残留在焊缝中的熔渣)、)、未焊透未焊透 以及焊缝成形不良等。 1111 外观检查 肉眼或低倍放大镜检查 焊缝质量检验方法 无损检查 超超声探伤,射线探伤,磁粉探伤及可渗透探伤伤 焊缝的质量要求可分为一级、二级和三级。 三级焊缝只要求对焊缝作外观检查并应符合三级质量标准。 二级二级、、一级焊缝则除外观检查外级焊缝则除外观检查外,,还要求还要求一定数量的超声定数量的超声 波检验并应符合相应级别的质量标准,超声波探伤不能对缺陷 作出判断时作出判断时,,应采用射线 对接焊缝的构造与计算 1)对接焊缝的构造 对接焊缝是在两焊件坡口面之间或一焊件的坡 口面与另面与另一焊件表面之间焊接的焊缝焊件表面之间焊接的焊缝。 应根据焊件厚度和施工条件将焊件边缘加工成 适当形式和尺寸的坡口(指在焊接部位加工成一定 形状的沟槽形状的沟槽)),保证焊件在全厚度内焊透保证焊件在全厚度内焊透。 1313 常见的坡口形式 板件1 板件2 板件2 板件2 p p c=0.5 2mm c=2 3mm c=3 4mm 板件1 板件1 a) 不开设坡口 b) V形坡口 c) U形坡口 板件2 板件板件22 板件板件22 p p p c =3 4mm c=2 3mm cc =33 44mm 板件1 板件1 板件1 d) X形坡口 e) K形坡口 f) 单边V形坡口 1414 对接焊缝应在两端设置引弧板(图20-5 )。 对接焊缝对接焊缝 引弧板引弧板 图20-5 对接焊缝施焊的引弧板 被焊板件 引弧板的钢材和坡口应与焊件相同,引弧板长度对手工焊 不小于不小于6060mm,对自动焊不小于对自动焊不小于150150mm, 引弧板在焊接完后用气割切除,并将板边沿受力方向修磨 平整。 当受条件限制无条件限制无法放置引弧板板时,焊焊缝计算算长度度应按实按实际 长度减去2h ,h 为焊脚尺寸。 f f 1515 在钢板宽度和厚度有变化的焊接中,当焊件宽度不等或厚 度相差度相差4mm 以上时上时,应将较宽或较厚板的应将较宽或较厚板的一侧或侧或两侧做成坡度侧做成坡度 不大于1:5的斜角,形成平缓的过渡,以减小应力集中(图20- 6 )。 a)a) b)b) 图20-6钢板的对接(对接焊缝) a) 改变宽度;b) 改变厚度 当对接焊接的两钢板厚度之差不超过4mm时,则可采用焊 缝表面斜坡来过渡缝表面斜坡来过渡。 1616 对接焊缝 22 ))对接焊缝的计算对接焊缝的计算 (1)轴向受力的对接焊缝 直对接焊缝时直对接焊缝时 ((图图20-7a )),强度验算式为强度验算式为: a) 直对接焊缝 轴向拉力或轴向压力计算值,N= N 0 d 分别为对接焊缝的抗压强度设计值 和抗拉强度设计值,见附表4-4 。   N  ≤≤ff ww 或或ff ww ((2020-11)) td cd l t w 焊缝的计算长度,采用引弧板时取 焊缝实际长度,未采用引弧板时取 在对接接头中为连接件的较小厚度,在T形 实际长度减去实际长度减去22hh 。。 ff 接头中为腹板厚度接头中为腹板厚度。 1717 斜对接焊缝时,分别验算斜对接焊缝的正应力和剪应力,即:   N sin 正应力  ≤f w (20-2 ) td ll tt w 作用力方向与焊缝长度方向间的夹角 剪应力   N cos≤f w (20-3 ) b) 斜对接焊缝 vd l t w 对接焊缝抗剪强度设计值 公路钢桥上一般规定,对接焊缝的抗压强度设计值、抗剪强度 设计值和一、二级检验的抗拉强度设计值均与被连接钢材相应的强 度设计值相同。 只有只有三级检验的承受轴向拉力对接焊缝才需按式级检验的承受轴向拉力对接焊缝才需按式 (20-1 )、式式 (20-2 )和式(20-3 )进行强度验算。 1818 (2 )弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 采用对接焊缝的钢板拼接(图20-8a ),受到弯矩和剪力共同作用。 图20-8 对接焊缝承受弯矩和剪 力共同作用力共同作用 a) 矩形截面对接焊缝 对接焊缝强度分别进行验算: 弯矩计算值,M= M 0 d MM 正应力  ≤f w (20-4 ) td W 焊缝截面模量 w 焊缝截面面积矩焊缝截面面积矩   VS 剪应力  w ≤f w (20-5 ) vd I t w 剪力计算值,V= V 0 d 焊缝截面惯性矩 1919 采用对接焊缝的T形或工字形截面梁,正应力和剪应力在同 一位置均较大时位置均较大时,还应验算腹板和翼缘交接处对接焊缝的折算还应验算腹板和翼缘交接处对接焊缝的折算 应力: 2 2 w ((2020--66 ))   ≤≤11.11ff 1 1 td  、 分别为腹板与翼缘交接处A 点焊缝正应力和剪应力; 1 1 式中的1.1是强度提高系数值。 图20-8 对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用 b) 工字形截面对接焊缝 2020 20.1.3 角焊缝的构造与计算 11))角焊缝的构造角焊缝的构造 (1)角焊缝的形式 角焊缝是指两焊件形成一定角度相交面上的焊缝。 按受力方向和位置分为垂直于受力方向的按受力方向和位置分为垂直于受力方向的正面角焊缝正面角焊缝、 平行于受力方向的侧面角焊缝、倾斜于受力方向的斜向角焊 缝缝、垂直于受力方向角焊缝和平行于受力方向角焊缝组成的垂直于受力方向角焊缝和平行于受力方向角焊缝组成的 周围角焊缝。 按截面形式可分为两焊脚边夹角为直角的直角角焊缝和 夹角为锐角或钝角的夹角为锐角或钝角的斜角角焊缝斜角角焊缝。 2121 直角角焊缝的截面形式 a) b) c) 图20-9 直角角焊缝截面 a)普通焊缝;b)平坡焊缝;c)深熔焊缝 h 为角焊缝的焊脚尺寸,它是在角焊缝横截面中画出最大等 f 腰三角形的等腰边长度腰三角形的等腰边长度。。 h =h cos45°0.7 h 称为角焊缝的有效厚度(指在角焊缝横 e f f 截面中所画出最大等腰三角形的等腰高度截面中所画出最大等腰三角形的等腰高度))。 2222 ((22 ))角焊缝尺寸的构造要求角焊缝尺寸的构造要求 ①最大焊脚尺寸 最大焊脚尺寸h 1.2t ,t 为较薄焊 f 1 1 件的厚度件的厚度,尺寸单位为尺寸单位为mm 。 a) 一般角焊缝 对于图20-11b )所示的板件边缘的 角焊缝应满足角焊缝应满足: 当t 8mm时, h t ; b)) 板件边缘角焊缝 11 ff 11 当t 8mm时, h (t -2),t 为较薄 图20-11 最大焊脚尺寸 1 f 1 1 焊件的厚度焊件的厚度,尺寸单位为尺寸单位为mm 。 2323 ②最小焊脚尺寸 角焊缝的最小焊脚尺寸应满足h 1.5(t ) 0.5 (mm ),t f max max 为较厚焊件的厚度。 对角部接头和T形接头不开坡口的角焊缝,当tmax20mm 时时,, hh 6mm6mm;;当当tt 20mm20mm时时,, hh 8mm8mm 。。 ff max ff ③侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝承受动载时,最大计算长度为l 50h ;承受 w f 静载时静载时,,最大计算长度为最大计算长度为ll 6060h 。当大于此规定时当大于此规定时,,超过的超过的 ww ff 若内力沿侧面角焊缝全长分布时(如焊接工字形梁翼缘与腹 板的连接缝板的连接缝),),其计算长度不受此限制其计算长度不受此限制。。 2424 ④角焊缝的最小计算长度 正面角焊缝或侧面角焊缝的计算长度应满足l 8h 。 w f ⑤⑤搭接接头的构造要求搭接接头的构造要求 在搭接接头中,搭接长度应不小于5tmin (图20-12 ),tmin为 接头较薄焊件的厚度且不应只采用一条正面角焊缝来传力。 tt miin 5t min 图20-12 搭接接头的角焊缝 2525 当板件端部仅有两条侧面角焊 缝连接时: 钢板横横向拱曲变变形 连续绕角焊 每条侧面角焊缝的计算长度应每条侧面角焊缝的计算长度应 大于两侧面焊缝之间的间距,即 ll bb 。 w 侧面角焊缝 间距b应满足b16tmin (tmin > 12mm时)或200mm (tmin12mm 时),不满足时,应加正面角焊缝。 图20-13 焊缝长度及两侧焊缝间距 当角焊缝的端部在构件转角处时,应有长度为2h 的绕角 f 焊焊且必须连续施焊须连续施焊,不能断焊不能断焊。 2626 (3 )角焊缝的受力特点 侧面角焊缝主要承受平行于焊缝长度方向的剪应力作用。 破坏常由两端开始破坏常由两端开始,在出现裂纹后在出现裂纹后,即很快地沿焊缝有效即很快地沿焊缝有效 截面(最小截面)迅速断裂。 正面角焊缝内应力沿焊缝长度方向比较均匀,两端比中间 略低。 正面角焊缝的破坏可能发生在两焊脚边或沿角焊缝45 °方 向的焊缝有效截面向的焊缝有效截面 ((最小截面最小截面))上上。 正面角焊缝刚度大、破坏时变形小,但强度较高,其平均 破坏强度是侧面角焊缝的强度的1.35~1.55倍。 2727 2)角焊缝的计算 直角角焊缝均以沿角焊缝直角角焊缝均以沿角焊缝4545°方向的焊缝有效截面作为计方向的焊缝有效截面作为计 算破坏截面。 角焊缝有效面积为每条角焊缝的有效厚度和计算长度的乘角焊缝有效面积为每条角焊缝的有效厚度和计算长度的乘 积,其中角焊缝的有效厚度t 0.7h ,计算长度为每条角焊缝 min f 实际长度减去规定的减小值。 N y N 外力N =N 垂直于焊缝长度方 板件板件11 zz yy 00 ydyd 向,且通过焊缝重心,沿焊缝长度 直角角焊缝 方向产生平均应力方向产生平均应力 值为值为: ff 板件2   N  y ((2020-88 )) h f e h h l ff e w 图20-15 b) 2828 可分解为 与 ,对于直角角焊缝: f    f   (20-9 )   2 外力N =N 平行于焊缝长度方向,且通过焊缝重心,沿 z 0 zd 焊缝长度方向产生的平均剪应力焊缝长度方向产生的平均剪应力 值为值为:: ff NN z f / / (20-10 ) h l e w 焊缝的计算长度 焊缝的有效厚度,对直角角焊缝取 h =0.7h 。 e f 图20-15 c) 2929 直角角焊缝在 和 共同作用处的强度计算式为: f f    f 2 2 w ( )  ≤f f f d (20-11 ) ff 为正面角焊缝的强度设计值增大系数为正面角焊缝的强度设计值增大系数, =(3/2)=(3/2)0.5=1=1.2222 。 f f 在公路桥梁钢结构设计中,一般不考虑正面角焊缝强度设 计值的提高计值的提高,通常取通常取 =0,故得到故得到 f 角焊缝的强度设计值 22 22 ww ((2020-1212))   ≤≤f f f fd 按焊缝有效截面计算按焊缝有效截面计算、垂直于垂直于 按焊缝有效截面计算按焊缝有效截面计算、平行于平行于 焊缝长度方向的应力 焊缝长度方向的剪应力 3030 (1)轴向力作用下拼接板角焊缝的计算 拼接接头矩形钢板仅用侧面角 焊缝连接焊缝连接,则则角焊缝强度计算表达角焊缝强度计算表达 盖板 侧面角焊缝 式为: 作用于构件的轴向力计 板件1 板件2 算值,N=0Nd NN NN N  ≤ w (20-13 ) f f fd hee lww 侧面角焊缝侧面角焊缝 角焊缝的抗拉、抗压或抗 角焊缝的有效厚度 剪强度设计值,按附表4-4 图20-16 a) 采用。 连接接头连接接头一侧侧面角焊侧侧面角焊 缝的计算长度之和 3131 拼接接头矩形钢板仅采用正面角焊缝连接,则角焊缝强度 计算表达式为计算表达式为 盖板盖板 正面角焊缝正面角焊缝 NN 板件1 板件2  ≤f w (20-14 ) f he lw fd N N 连接连接接头接头一侧正面角焊一侧正面角焊 正面角焊缝 缝的计算长度之和 图20-16 b) 拼接接头拼接接头矩形矩形钢钢板板采用角焊缝采用角焊缝三面围焊三面围焊,,按作用力按作用力NN 由连接由连接 一侧的角焊缝有效截面面积平均承担来计算角焊缝强度: NN ≤f w (20-15 ) he lw f d N N 连接一侧角焊缝的计算长度之和 角焊缝三面围焊 图20-16 c) 3232 例20-1 试设计图20-16所示的双盖板连接。 已知被拼接的板宽b=500mm,厚14mm;两块拼接板 块板宽块板宽b =300mm,厚厚10mm 。钢材采用钢材采用Q235钢钢,焊条为焊条为 1 E43型,手工焊。 结构安全等级为一级,轴向拉力设计值N =1118.6kN 。 d 3333 解:查附表4-4知采用Q235钢时角焊缝的强度设计值 f w 140MPa。 fd 轴向力设计值轴向力设计值NN=NN =11.11 ××11181118.66=12301230.46kN46kN。 0 d 1)采用两面侧焊缝连接 由于h =10-2=8mm,h =1.5(t )0.5=6mm,取焊脚h =8mm,角 max min max f 焊缝的有效厚度h =0.7h =5.6mm 。 e f 计算连接一侧一条侧面角焊缝的长度为 3 NN 1230.461230.461010 ll 22hh 22 88 408408mm    1 4 w f 4 5.6 140 h f   e fd 取取ll 410mm410mm,侧面角焊缝长度侧面角焊缝长度ll 大于大于88hh 64mm64mm ,小于小于 1 1 f 60h 480mm 。 f 满足要求满足要求。 3434 22))采用三面围焊连接采用三面围焊连接 正面焊缝承载力为 N f wh l 1405.6(4502) 705.6kN fd e w 计算连接计算连接一侧侧一条侧面角焊缝的长度为条侧面角焊缝的长度为 N N (1230.46 705.6)103 ll hh 88 175mm175mm 11 4h f w ff 4 5.6 140 e fd 取取ll 18080mm ,,侧面角焊缝长度侧面角焊缝长度ll 大于大于88h 664mm ,,小于小于 11 11 ff 60h 480mm 。 f 满足要求满足要求。 3535 (2)轴向力作用下角钢角焊缝的计算 当承受轴向力的角钢用两面侧焊缝连接时当承受轴向力的角钢用两面侧焊缝连接时,利用利用NN ++NN NN 1 2 和N e = N e 两个平衡条件,可以解得: 1 1 2 2 e e 和e 分别为角钢肢背和角钢肢尖 1 1 2 至角钢截面形心的距离至角钢截面形心的距离 ll ff 11 N 1 N e2  NN NN kk NN ll 1 e e 1  f 1 N 2 1 2  (20-16 ) e e 2 NN 1 NN kk NN  2 e e 2  1 2  图20-17 a) k 和 k 分别为角钢肢背和肢尖的 11 22 焊缝分配系数 3636 当采用三面围焊时(图20-17b ),可先选定端焊缝的厚度 hh ,,并计算出它所能承受的内力并计算出它所能承受的内力:: e11 ff l f 1 w N N h l f 1 3 e f 3 fd 3 NN f e2 N 3 N 3  l N3 N N  k N  1 1  l e1 e2 2 2 

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