钢结构设计原理第三章
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图3.10 直角角焊缝截面
图3.11 斜角角焊缝截面
二、侧面角焊缝受力分析
主要承受剪力,塑性较 好,弹性模量低,强度 较低 应力沿焊缝长度方向分 布不均匀,两端大,中 间小 经过塑性变形,应力重 分布,可使应力分布不 均匀的现象趋缓
图3.12 侧焊缝的应力
三、正面角焊缝受力分析
应力复杂,强度较高,塑性变形差
按沿长度方向的布置,分为连续角焊缝和间断角 焊缝;
图3.6 连续角焊缝和断续角焊缝
按施焊位置分为平焊、横焊、立焊及仰焊。
图3.7 焊缝施焊位置 (a)平焊;(b)横焊;(c)立焊;(d)仰焊
3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验
一、 焊缝缺陷
图3.8 焊缝缺陷 (a)裂纹;(b)焊瘤;(c)烧穿;(d)弧坑; (e)气孔;(f)夹渣;(g)咬边;(h)未熔合;(i)未焊透
三、焊缝质量等级的选用按《钢结构设计规范》 (GB50017-2003)的要求。
3.2.4 焊缝符号、螺栓及其孔眼图例 焊缝符号、
表3.2 焊缝符号
《焊缝符号表示法》规定:焊缝代号由引出线、 图形符号和辅助符号三部分组成。
注:”c”表示焊件之间的离缝距离;“p”表示焊件的端部宽度;“a”表示对接焊 缝的坡口角度;“hf”表示角焊缝的焊脚尺寸
2 2 N3 = 4helw3 f f = 4×0.7×10× 150 +100 ×160= 8076kN . w
连接一侧焊缝所能承受的内力为:
N ' = N1 + N2 + N3 = 109.3 + 492.8 + 807.6 = 1409.7kN > N = 1400kN
满足要求。
(2)承受斜向轴心力的角焊缝连接计算
式中 N1、N2—角钢肢背和肢尖上的侧面角焊缝所分担的轴力; e—角钢的形心距; α1、α2—角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数,设计时 可近似取 α = 2 , α = 1
1
3
2
3
例3.3 试确定如图所示承受静态轴心力的三面 围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知 角钢为2∟125×10,与厚度为8mm的节点板 连接,其肢背搭接长度为300mm,焊脚尺寸 均为hf=8mm,钢材为Q235B,手工焊,焊条 为E43型。
N2 = α2N
lw 2 =
N1 = α1N
N2 w 2 × 0 .7 h f 1 f f
实际焊缝长度为计算长度加2hf。
三面围焊: 端焊缝承受的力: 肢背:
N1 =
N3 = 2× 0.7hf 3bβ f f f
w
N (b − e) N3 N − = α1N − 3 b 2 2 Ne N3 N N2 = − = α2 N − 3 b 2 2
图3.13 正面角焊缝应力状态
关于hfmax
3.3.2 角焊缝的构造要求
hf ≥ 1.5 t
图3.14 最大焊脚尺寸
h f ≥ 1 .5 t h f ≥ 4 mm 关于hfmin 侧面角焊缝的最大计算长度 lw ≤ 60 h f (静 ) l w ≤ 40 h f (动 ) 角焊缝最小计算长度 l w ≥ 40 mm lw ≥ 8 h f
作用于焊缝有效截面的上 应力有: 垂直于焊缝有效截面的 正力 σ ⊥ 垂直于焊缝长度方向的 剪应力 ⊥ 沿焊缝长度方向的剪应 力 τ ∥
τ
图3.18 角焊缝有效截面上的应力
图3.19 直角角焊缝的计算
Nx σ ⊥= τ ⊥= τf = τ ∥= 2 he ∑ lw 式中 Ny—垂直于焊缝长度方向的轴心力; he—角焊缝的有效厚度,对直角角焊缝等于0.7hf,hf为 焊脚尺寸; lw—焊缝的计算长度,考虑起灭弧缺陷,按各条焊缝的 实际长度每端减去hf计算。
1
N 1400 × 10 3 ∑ lw = = = 1250 mm w 0 .7 × 10 × 160 he f f
一条侧焊缝的实际长度为:
lw =
'
∑ lw 1250 + 2h f = + 20 = 333mm < 60h f = 60 ×10 = 600mm 4 4
所需拼接盖板长度:
L = 2lw +10 = 2 × 333+10 = 676mm
搭接连接的构造要求
搭接连接的构造要求
b ≤ 200mm
当板件端部仅有两侧面角焊缝时,每条侧焊缝的长度不宜小于 两侧焊缝之间的距离 即
b ≤1 lw
b ≤ 16 t
( t > 12 mm 时)
b ≤ 200 mm ( t ≤ 12 mm 时 )
3.3.3直角角焊缝强度计算的基本公式 直角角焊缝强度计算的基本公式
3.1.2 铆钉连接
优点:传力可靠,塑性、韧性好,运用于 动力结构中 缺点:构造、工艺复杂,费工费料
3.1.3 螺栓连接
一、普通螺栓连接 A、B级 精制螺栓,很少使用 C级 粗制螺栓,4.6级或4.8级, 传递拉力好,剪切连接变形较大 二、高强度螺栓连接 摩擦型:只依靠板层间的摩擦阻力传力,并以剪力 不超过接触面摩擦力为设计准则。 承压型:允许接触面滑移,以连接达到破坏的极限 承载力为设计准则 材料:45#中碳钢,40B,20MnTiB加工经热处理。 强度等级:8.8级,10.9级
二、焊缝质量检验
焊缝缺陷的存在将削弱焊缝的受力面积,在缺陷处 引起应力集中,故对连接的强度、冲击韧性及冷弯 性能等均有不利影响。因此.焊缝质量检验极为重 要。 《钢结构工程施工及验收规范》规定焊缝按其检验 方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝 只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准 一级、二级焊缝则除外观检查外,还要求一定数量 的超声波检验并符合相应级别的质量标准。
解:角焊缝的焊脚尺寸hf应根据板件厚度确定:
焊缝在板件边缘时施焊,拼接盖板厚度 t2=16mm>6mm,t2<t1,则 hfmax=t-(1~2)=16-(1~2)=15mm或14mm hfmin=1.5 t =1.5 28 =7.9mm 取hf=10mm,查附表1.2 得角焊缝强度设计值ffw=160N/mm2 (1)采用两面侧焊时
满足要求,故选定拼接盖板尺寸为680mm×240mm×16mm。
(2)采用三面围焊时 正面角焊缝所能承受的内力为:
N' = 2helw β f f f = 2× 0.7×10× 240×1.22×160= 6559kN .
' w
所需焊缝的总长度为:
N − N ' (1400 − 655 . 9 ) × 10 3 ∑ lw = = = 664 mm w 0 . 7 × 10 × 160 he f f
'
,取680mm
式中,10mm为两块被连接钢板间的间隙。 选定拼接盖板宽度b=240mm,则:
A' = 240 × 2 ×16 = 7680mm2 > A = 270 × 28 = 7560mm
满足强度要求。 根据构造要求可知 且
b = 240mm < lw = 313mm
b < 16t = 16 ×16 = 256mm
当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达 清楚时,在标注焊缝代号的同时,可在图形上 加栅线表示:
图3.9 用栅线表示焊缝 (a)正面焊缝;(b)背面焊缝;(c)安装焊缝 表3.3 螺栓及其孔眼图例
3.3 角焊缝的构造与计算
3.3.1 角焊缝的形式和强度
一、截面形式 直角角焊缝 斜角角焊缝 普通型 坡式 凹面式
解:正面角焊缝所能承受的内力N3为
N3 = 2helw3β f f f = 2 × 0.7 × 8×125×1.22×160 = 273.3kN
w
肢背角焊缝所能承受的内力N1为
w
N1 = 2helw1 f f = 2 × 0.7 × 8 × (300 − 8)×160 = 523.3kN N 273.3 N1 = α1 N − 3 = 0.67 N − = 523.3kN 2 2 523.3 +136.7 则 N= = 985.1kN 0.67
Ny σf = he ∑ lw
σf
根据试验结果,并与材料的折算应力计算公式一致, 得下式 2 2 2 w w
σ ⊥ + (τ ⊥ + τ∥ ) fu = 3 f f 3 =
式中 fuw—焊缝金属的抗拉强度; ffw—角焊缝抗剪强度。
σf 2 w ( ) + τf 2 ≤ f f βf
将σ⊥、τ⊥、τ∥代入,得:
对接焊接 正对接 斜对接 K形对接焊缝 正面角焊缝:力的方向与焊缝长度方向垂直 侧面角焊缝:力的方向与焊缝长度方向平行 斜角焊缝:力的方向与焊缝长度方向倾斜
角焊缝
按所受力的方向,对接焊缝分为正对接焊缝和斜 对接焊缝,角焊缝可分为正面角焊缝、侧面角焊 缝和斜面角焊缝;
图3.5 焊缝形式 (a)正对接焊缝;(b)斜对接焊缝;(c)角焊缝
图3.2 手工电弧焊
图3.3 埋弧自动电弧焊
3.2.2 焊缝形式和接头形式
一、焊缝连接形式
按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角 部连接四种。
图3.4 焊缝连接的形式 (a)对接连接;(b)用拼接盖板的对接连接;(c)搭接连接;(d)、(e)T形连接(f)、 (g)角部连接
二、焊缝形式
3.钢结构的连接 钢结构的连接
3.1 钢结构的连接方法
钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连 接和螺栓连接三种:
图3.1 钢结构的连接方法 (a)焊缝连接;(b)螺栓连接;(c)铆钉连接
3.1.1 焊接连接
优点:构造简单,用料经济,加工方便, 结构刚度大,密闭性好 缺点:热影响区材质变脆,产生焊接应力
3.2 焊接方法和焊缝连接形式
3.2.1 钢结构常用焊接方法
1.手工电孤焊 设备简单,操作灵活方便,适于任意空间位置的焊接,特 别适于焊接短焊缝,但生产效率低,劳动强度大,焊接质量 不易保证。 2.埋孤焊(自动或半自动) 焊接时的工艺条件稳定,焊缝的化学成分均匀,形成的焊 缝质量好,焊件变形小,但对焊件边缘装配精读要求高。 3.气体保护焊 利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质的一种电弧 熔焊方法。形成的焊缝强度比手工电弧焊高,塑性和抗腐蚀 性好,适用于全位置的焊接。但不适用于野外或有风的地方 施焊。
( 4
σf
2
)+τ f ≤ 3 f f
2
w
或
式中 σf —按焊缝有效截面( helw )计算,垂直于焊缝长
度方向的应力; τf —按焊缝的有效截面( helw )计算,沿焊缝长度 方向的剪应力;
βf—正面角焊缝的强度设计值增大系数,对承受静力 荷载或间接承受动力荷载的结构, β f = 3 = 1.22 2 1 当为斜焊缝时, βf = 2
当采用三面围焊时, 正面角焊缝承担的力:
N ' = β f f f源自文库∑ helw
w
N = β f f f ∑ helw
' w
侧面角焊缝强度:
N − N' w τf = ≤ ff ∑ helw
图3.21 受轴心力的盖板连接
例3.2 试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢 板宽B=270mm,厚度t1=28mm,拼接盖板厚 度t2=16mm。该连接承受静态轴心力 N=1400kN(设计值),钢材为Q235B,手 工焊,焊条为E43型。
一条侧面焊缝的长度为:
lw =
'
∑ lw 664 + hf = + 10 = 176 mm 4 4
,取为180mm。
拼接盖板的长度为: L = 2lw' +10 = 2 ×180+10 = 370mm
(3)采用菱形拼接盖板时 正面角焊缝: N = 2h l β f w = 2×0.7×10× 40×1.22×160=109.3kN 1 e w1 f f 侧面角焊缝: N = 4h l f w = 4×0.7×10×(120−10)×160= 4928kN . 2 f w2 f 斜焊缝:
1−sin θ 3
ffw—角焊缝的抗拉、抗剪和抗压强度设计值。 对正面角焊缝: 对侧面角焊缝:
N w σf = ≤ βf ff h el w
τ
f
=
N w ≤ ff h elw
对承受直接动力荷载的焊缝连接,βf=1
3.3.4 直角角焊缝连接的计算
一、承受轴心力作用时角焊缝连接计算
(1)用盖板的对接连接承受轴心力(拉力或压力)时
N x = N sin θ
N y = N cos θ
N sin θ σf = ∑ helw
N cosθ τf = ∑helw
σf 2 w 2 ( ) + τf ≤ f f βf
图3.22 斜向轴心力作用
则
(3)承受轴心力的角钢角焊缝计算
图3.23 桁架腹杆与节点板的连接
两面侧焊:
N3 = 0 N1 lw1 = w 2 × 0 .7 h f 1 f f