第四章 金属结构的连接2013

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Q
M
图4-14 支托与柱的焊缝连接
计算方法: 假设:1、剪力Q由腹板焊缝平均承受,弯矩M由全部焊缝承受。 2、弯矩在焊缝计算截面产生的剪应力与其至焊缝计算截 面形心轴的距离y成正比。
剪力所产生的剪应力: 弯矩所产生的剪应力:
Q
M
Q A 'f
My If
腹板焊缝下边缘点的最大组合剪应力为:
由此推导,焊缝上任一点K处的剪应力为
M nr Ip
将其沿x,y方向分解得:
y Mn y x r Ip
x Mn x y r Ip
2 2 ( ) 所以, K点处的总剪应力为 p y x [ h ]
(3) 承受弯矩和剪力共同作用时的角焊缝计算
T字形接头 也称顶接
角接头
主要承受弯曲的组合箱形截面 注意:避免焊缝立体交叉,及在一处焊缝大量集中,尽可能对称 于构件的重心布置
二、焊缝的种类及构造
1、对接焊缝
特点:开坡口,被连接件在同一平面内
各种坡口形式:
b=1~2mm
变形小,加工较困难
加工容易,焊后易变形
较V形坡口的变形和内应力小
① 不开坡口的对接接头
40mm
低合金钢
30 mm
焊接包括电焊、气焊两大类
电弧焊(手工焊、自动焊、半自动焊、气体保护焊)
(利用电弧作为热源)
电焊
电阻焊 电渣焊
手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用 最广的一种焊接方法,电弧是在焊条的端部和被焊工 件表面之间燃烧 埋弧自动焊(或半自动焊):焊接时在焊接区的上面 覆盖一层颗粒状焊剂,电弧在焊剂层下燃烧,将焊丝 端部和局部母材熔化,形成焊缝。
出现附加力矩
三、螺栓连接的型式
1、剪力螺栓连接 2、拉力螺栓连接
3、拉剪螺栓连接
三、剪力螺栓连接的计算
1、单拴抗剪承载力 (1)普通螺栓 特点: 预紧力小, 摩擦力小 受外力结合面滑动
靠螺栓的抗剪和承压能力传递外力,故称承压型螺栓连接
破坏形式: a. 拴身被剪坏 b. 板被剪坏 c. 栓身压坏 d. 板被压坏 e. 拴身过渡弯曲 f. 拴身被拉断
例4-2如图,用角焊缝和拼接板连接两块钢板,拼接板的尺寸为 [h] 180MPa 900mmX550mmX10mm,材料为Q235, [h] 100MPa ,角焊缝焊脚尺寸 hf 8mm ,试确定该拼接
接头所能承受的最大拉力。
解:(1)连接焊缝所承受的拉力
N1 0.7h f 4l f [ h ] 0.7 8 4 450100 1008 kN
手工焊
自动焊
使用范围:搭接接头、T字接头、角接接头 优点:不需要校正缝距,焊件无需预加工。 缺点:焊缝根角上形成高峰应力,用料较多
焊缝截面形状(视为等腰直角三角形):
两直角边不等,按短边计算
图4-5 角焊缝的计算截面
计算厚度:直角三角形斜边上的高为 he
he h f sin 45 0.7h f
2 2 Q M [ h ]
例4-4 焊缝布置及几何尺寸如图4-16所示,偏心载荷
P=100kN,焊缝计算厚度he=7mm,试验算焊缝强度。 基材用16Mn, [ h ] 150MPa
P
Mn
图4-16
四、焊接连接的疲劳强度
原因:1、焊接使材料变硬变脆。 2、焊接表面不平及裂纹、气泡等。 3、避免角焊缝在连接处有急剧变化及出现平面及立体应力 措施:1)采用塑性高、韧性和抗裂性较好的材料。 2)对于对接接头表面应进行机械加工,对于焊缝 质量应进行严格检查。 3)尽量采用自动焊和半自动焊。 4)角焊缝的疲劳强度比对接焊缝低得多。
惯性矩
静面矩
计算点2
2 2 折 2 2 2 [ h ]
例4-1 某主梁腹板采用焊缝拼接。已知拼接截面处的内力 M=980kN.m;Q=200kN,Q235,手工焊,普通方法检验。 试验算焊缝强度。
10
400
2、角焊缝
侧焊缝即纵向焊缝:主要受剪破坏
侧焊缝的破坏形式
端焊缝即横向焊缝:受拉、弯、剪作用,简化 为按剪切验算强度 (1)承受轴向力的角焊缝计算 计算假设:取角焊缝45°分 角面为计算截面,并假定剪 应力在角焊缝的计算截面上 是均匀分布的。
A
lf
b
习题:
支托与柱焊接,材料Q235,焊条型号E43,焊缝需用应力
[ h ] 100MPa
[ h ] 140MPa
支托承受载荷F=80kN,偏心距
e=80mm,请验算以下两种焊接方法的焊缝静强度。 1)用角焊缝的方式,焊缝计算厚度he=5mm;
2)支托开坡口焊透,并用hf=7mm的
第四章 金属结构的连接
本章内容:主要介绍金属结构中各种连接的计算方 法、构造原则及设计原理 本章重点:焊接连接和螺栓连接的设计原理和计算
方法
第一节 焊接Leabharlann 接焊接优点:省工省料、不削弱杆件截面,易于采用自 动化作业,并可用于复杂形状构件的连接。 焊接缺点:质量检验费事、连接刚度大,在内应力影响下 容易引起结构的残余变形。 焊接构件的厚度: 碳素钢
(2)拼接板所承受的拉力
N 2 2 10 550180 1980 kN
例4-3 参看图4-12b角钢与节点板的搭接接头,角钢 2X130X90X10承受的拉力为70kN,不等肢角钢以 长肢与节点板焊接,钢材为Q235,角焊缝焊脚尺 寸 h f 8mm,试确定焊缝长度并加以分配。
条件:
6mm 3mm
对重要的构件,
②开坡口的对接接头 目的:使接头根部焊透,便于清除熔渣。 方法:机械、火焰、电弧 种类: V形坡口
钝边V形坡口
V形坡口
单边钝边V形坡口
单边V形坡口
V形坡口的特点:加工简单,焊后易变形 U形坡口
双面U形坡口 U形坡口 单边U形坡口
(钢板厚度40~60mm)
N sin [ h ] l f N cos [ h ] l f
(2)承受弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝
焊缝截面
最大正应力(点1) 1 W [ h ] f
焊缝截面抗弯模量
M
最大剪应力(点0)
QSf 0 [ h ] I f
埋弧焊的特点:上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶 金反应。熔渣浮在金属熔池的表面,一方面可以保护焊缝 金属,防止空气的污染,并与熔化金属产生物理化学反应, 改善焊缝金属的性能;另一方面还可以使焊缝金属缓慢泠 却。埋弧焊可以采用较大的焊接电流
与手工电弧焊比:焊缝质量好,焊接速度高。 电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流 通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化 而实现连接的焊接方法。 电渣焊:利用电流通过熔渣产生的电阻热将工件端部熔化。 气体保护焊:是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的 电弧作热源,由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊 接的。保护气体作为金属熔池的保护层把空气隔绝 。
角焊缝封底。
第二节 螺栓连接
一、概述
螺栓连接方式: 普通螺栓 精制螺栓 粗制螺栓
高强度螺栓 摩擦型高强度螺栓
承压型高强度螺栓
二、螺栓连接的布置
螺栓的布置分并列式和错列式。
螺栓容许间距规定的原因:
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、施工要求:操作空间 注:对于重要构件,应尽量使螺栓群形心与构件重心线重合,以避免
气焊
是利用可燃气体与氧混合燃料时形成的高温火焰进行焊 接的工艺方法。 气焊时,气焊丝不断地送入熔池 内,与熔化的金属熔合形成焊缝 为了防止金属被氧化或消除已 形成的氧化物,在焊接有色金 属、铸铁及不锈钢时,需加入 气焊熔剂 焊接质量与气焊丝的化学成分和质量有关
一、焊接接头的形式
对接 传递轴力
搭接
思考题:
一受静力拉伸的搭接连 接,采用普通角焊缝, 问图示焊缝布置和构造 有何不合理处?
三、焊缝计算
假定应力在计算截面上均匀分布
1、 对接焊缝
计算截面积
lf
注:l f 为实际长度减去10mm
(1) 承受轴心拉力或压力的对接焊缝计算 N [ h ] 对接正焊缝: l f
对接斜焊缝: 正应力 剪应力
N z [N ]

N [ ] Aj
式中Aj 为被连接件的净面积,计算如下:
图4-20 Aj计算简图 (a)并列式 (b)错列式 (c)计算简图
I---I 截面 II---II截面
Aj (b nd)
A j [2e1 (n 1) a 2 e 2 nd ]
注:高强度螺栓连接,只需验算构件的疲劳强度。 普通螺栓需验算疲劳强度。 例4-4 构件钢板尺寸与轴力如图4-21,构件材料Q235,试设 计双面用拼接板连接的对接接头。
解:所需焊缝长度
l f N 70000 437.5m m 2he [ h ] 2 0.7 8 100
角钢肢背焊缝长度:
l1 437.5 0.65 10 294.4mm
角钢肢尖长度:
l1 437.5 0.35 10 163.1mm
(2) 承受扭矩和剪力共同作用时的角焊缝计算
U形坡口特点:加工困难,焊后变形小
X形坡口
焊后变形小
用于厚度大,要求变形小的结构
注:a、对于不同板厚的两板件对接焊,焊缝厚度不小于连接板件中较
薄的板厚,保证焊缝强度不低于基材。
b、对接焊缝的表面凸起部分,易引起应力集中。 c、不等厚的两块钢板的连接如图:
目的:减少应力集中
2、角焊缝(贴角焊缝)
连接不在同一平面内的两块钢板,并在相交处施焊

N he l f
[ h ]
注:a.实验说明侧焊缝长度方向剪应 力的分布是两端大、中间小,焊缝愈 长则两端剪应力与中间差别愈大。
b.钢板搭接接头应在两块钢板上下 搭接用角焊缝焊接,避免两板上下 偏心引起的附加弯矩太大。
c.角钢与节点板的搭接接头见图412(b) N1和N2的合力位置在角钢的 重心线上:
例:计算桥架箱形主、端梁的焊接连接。梁传递的最大支承
力 FR max 2.85105 N ,最小支承力 FR min 10.5 104 N ,工作级别
A8,材料16Mn,焊条E4301,许用应力 [ ] 260MPa,[ ] 150MPa 手工焊接,试设计焊缝尺寸。
Fmax
2P
Mn
受扭矩和剪力共同作用时的角焊缝计算图
偏心载荷P可转化为通过焊缝形心的轴力P和扭 矩 M n Pa 。其中轴力P在计算截面上引起均布的 剪应力 p ,方向平行于P,大小为:
P p he l f
M n 引起的焊缝应力计算:
假定: ①所连板件是绝对刚性的,而焊缝是弹性的; ②在扭矩作用下,连接件产生绕焊缝形心的相对转动,焊缝上任一 点的剪应力方向垂直于该点与形心的连线,其大小与此连线的长度 成正比
角焊缝尺寸要求:
1、 h f min 1.5 tmax (为防止焊缝因冷却过快产生裂纹等,一般不小于4mm)
2、
hf max 1.2tmin
(防止焊接过热而引起焊件“过烧”,造成材质变化)
3、 l f min 40mm及8hf 4、侧焊缝最大计算长度
l f max 60hf (静载)或40h(动载) f
4
单拴的抗剪承载力为: [ N ] min([N c ],[ N j ]) (2)摩擦型高强度螺栓的单拴抗剪承载力 Pfnm [N ] 0.7 Pfnm K
2. 轴心受剪螺栓连接的计算
传递轴力的接头形式如图4-19
对接接头
搭接接头
传递轴力螺栓连接形式 计算假设:各螺栓受力相等
计算方法:①已知最大轴力,求螺栓数: ②验算被连接件的强度:
螺栓剪断
钢板剪坏
螺栓被压坏
钢板被压坏
螺栓弯曲
螺栓被拉断
计算时,只需考虑拴身被剪和板被压坏两项
计算假设:承压应力在拴孔直径平面上是均布的,剪应力
在拴身截面上也是均布的。
根据承压条件决定的单拴承载力为:
[ N c ] d [ c ]
根据抗剪条件决定的单拴承载力为: d 2 [N j ] n j [ ]
3、焊缝的标注
基本符号: 表示焊缝横剖面形状 辅助符号: 表示焊缝表面形状特征 焊缝尺寸: 表示坡口和焊缝尺寸
引出线
焊缝横截面的尺寸
坡口尺寸、根部间隙 α·β· b 焊缝长度方向尺寸
P· H· K· h· S· R· c· d(基本符号) n l (e) N(焊缝段数) P· H· K· h· S· R· c· d(基本符号) n l (e) α·β· b
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