鋼結(jié)構(gòu)的焊接培訓(xùn)課件.ppt

鋼結(jié)構(gòu)的焊接 章介 1 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法 2 2 焊接連接的特性 3 對接焊縫的構(gòu)造和計算 4 角焊縫的構(gòu)造和計算 5 焊接殘余應(yīng)力與變形 6 普通螺栓連接的構(gòu)造與計算 7 高強螺栓連接 3 一 焊縫連接 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法 優(yōu)點 不削弱截面 方便施工 連接剛度大 缺點 材質(zhì)易脆 存在殘余應(yīng)力 對裂紋敏感 4 三 螺栓連接 優(yōu)點 連接剛度大 傳力可靠 分為 普通螺栓連接高強度螺栓連接 二 鉚釘連接 缺點 對施工技術(shù)要求很高 勞動強度大 施工條件差 施工速度慢 優(yōu)點 拆裝方便缺點 板件有削弱 5 一 鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法 1 手工電弧焊 A 焊條的選擇 焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng) 原理 利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫 焊接連接的特性 6 Q390 Q420鋼選擇E55型焊條 E5500 5518 Q345鋼選擇E50型焊條 E5000 5048 B 焊條的表示方法 E 焊條 Electrode 第1 2位數(shù)字為熔融金屬的最小抗拉強度 kgf mm2 第3 4適用焊接位置 電流及藥皮的類型 不同鋼種的鋼材焊接 宜采用與低強度鋼材相適應(yīng)的焊條 缺點 質(zhì)量波動大 要求焊工等級高 勞動強度大 效率低 優(yōu)點 方便 特別在高空和野外作業(yè) 小型焊接 Q235鋼選擇E43型焊條 E4300 E4328 C 優(yōu) 缺點 2 埋弧焊 自動或半自動 7 8 A 焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強度 B 優(yōu) 缺點 優(yōu)點 自動化程度高 焊接速度快 勞動強度低 焊接質(zhì)量好 缺點 設(shè)備投資大 施工位置受限等 送絲器 機器 3 氣體保護焊 9 優(yōu) 缺點 優(yōu)點 焊接速度快 焊接質(zhì)量好 缺點 施工條件受限制等 二 焊接連接形式和焊縫形式 10 1 焊接連接形式 對接 11 搭接 2 焊縫形式 12 1 對接焊縫 2 角焊縫 13 3 焊縫位置 三 焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢查 14 1 焊縫缺陷 2 焊縫質(zhì)量檢查 15 外觀檢查 檢查外觀缺陷和幾何尺寸 內(nèi)部無損檢驗 檢驗內(nèi)部缺陷 內(nèi)部檢驗主要采用超聲波 有時還用磁粉檢驗熒光檢驗等輔助檢驗方法 還可以采用X射線或 射線透照或拍片 16 鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范 規(guī)定 焊縫按其檢驗方法和質(zhì)量要求分為一級 二級和三級 三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質(zhì)量標準 一 二級焊縫除外觀檢查外 尚要求一定數(shù)量的超聲波檢驗并符合相應(yīng)級別的質(zhì)量標準 3 焊縫質(zhì)量等級及選用 17 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB50017 2003 中 對焊縫質(zhì)量等級的選用有如下規(guī)定 1 需要進行疲勞計算的構(gòu)件中 垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p受拉時應(yīng)為一級 受壓時應(yīng)為二級 2 在不需要進行疲勞計算的構(gòu)件中 凡要求與母材等強的受拉對接焊縫應(yīng)不低于二級 受壓時宜為二級 18 重級工作制和起重量 的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的 形接頭焊透的對接與角接組合焊縫 不應(yīng)低于二級 角焊縫質(zhì)量等級一般為三級 直接承受動力荷載且需要驗算疲勞和起重量 的中級工作制吊車梁的角焊縫的外觀質(zhì)量應(yīng)符合二級 19 4 焊縫代號 20 詳細參見表3 1 圖3 13 一 對接焊縫的構(gòu)造 21 1 對接焊縫的坡口形式 對接焊縫的構(gòu)造與計算 對接焊縫的焊件常做坡口 坡口形式與板厚和施工條件有關(guān) t 焊件厚度 1 當 t 6mm 手工焊 t 10mm 埋弧焊 時可不做坡口 采用直邊縫 2 t 7 20mm時 宜采用單邊V形和雙邊V形坡口 3 t 20mm時 宜采用U形 K形 X形坡口 22 2 V形 U形坡口焊縫單面施焊 但背面需進行補焊 3 對接焊縫的起 滅弧點易出現(xiàn)缺陷 故一般用引弧板引出 焊完后將其切去 不能做引弧板時 每條焊縫的計算長度等于實際長度減去2t1 t1 較薄焊件厚度 4 當板件厚度或?qū)挾仍谝粋?cè)相差大于4mm時 應(yīng)做坡度不大于1 2 5 靜載 或1 4 動載 的斜角 以平緩過度 減小應(yīng)力集中 23 24 二 對接焊縫的計算 對接焊縫分為 焊透和部分焊透 自學(xué) 兩種 動荷載作用下部分焊透的對接焊縫不宜用做垂直受力方向的連接焊縫 對于靜載作用下的一級和二級對接焊縫其強度可視為與母材相同 不與計算 三級焊縫需進行計算 對接焊縫可視作焊件的一部分 故其計算方法與構(gòu)件強度計算相同 25 26 1 軸心力作用下的對接焊縫計算 式中 N 軸心拉力或壓力 t 板件較小厚度 T形連接中為腹板厚度 ftw fcw 對接焊縫的抗拉和抗壓強度設(shè)計值 當不滿足上式時 可采用斜對接焊縫連接如圖B 另 當tan 1 5時 不用驗算 2 M V共同作用下的對接焊縫計算 27 因焊縫截面為矩形 M V共同作用下應(yīng)力圖為 故其強度計算公式為 式中 Ww 焊縫截面模量 Sw 焊縫截面面積矩 Iw 焊縫截面慣性矩 1 板件間對接連接 2 工字形截面梁對接連接計算 28 A 對于焊縫的 max和 max應(yīng)滿足式3 2和3 3要求 B 對于翼緣與腹板交接點焊縫 1點 其折算應(yīng)力尚應(yīng)滿足下式要求 1 1 考慮最大折算應(yīng)力只在局部出現(xiàn)的強度增大系數(shù) 例3 2計算圖3 22所示T形截面牛腿與柱翼緣連接的對接焊縫 牛腿翼緣板寬130mm 厚12mm 腹板高200mm 厚10mm 牛腿承受豎向荷載設(shè)計值V 100kN 力作用點到焊縫截面距離e 200mm 鋼材為Q345 焊條E50型 焊縫質(zhì)量標準為三級 施焊時不加引弧板 29 求解思路 1 受力特征 3 有效截面及截面特性 4 應(yīng)力 2 計算內(nèi)容 5 強度 習(xí)題 3 2 一 角焊縫的形式和受力分析 30 1 角焊縫的形式 角焊縫的構(gòu)造與計算 直角角焊縫 斜角角焊縫 1 直角角焊縫 31 2 斜角角焊縫 對于 135o或 60o斜角角焊縫 除鋼管結(jié)構(gòu)外 不宜用作受力焊縫 32 1 側(cè)面角焊縫 側(cè)焊縫 2 直角角焊縫的受力分析 33 試驗表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力 強度相對較低 塑性性能較好 因外力通過焊縫時發(fā)生彎折 故剪應(yīng)力沿焊縫長度分布不均勻 兩端大中間小 lw hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻 A 應(yīng)力分析 B 破壞形式 34 2 正面角焊縫 35 36 A 應(yīng)力分析 正面角焊縫受力復(fù)雜 應(yīng)力集中嚴重 塑性較差 但強度較高 與側(cè)面角焊縫相比可高出35 55 以上 B 正面角焊縫的破壞形式 37 3 斜角焊縫 38 斜焊縫的受力性能介于側(cè)面角焊縫和正側(cè)面角焊縫之間 二 角焊縫的構(gòu)造 39 1 最大焊腳尺寸hf max 為了避免焊縫處局部過熱 減小焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形 hf max應(yīng)滿足以下要求 hf max 1 2t1 鋼管結(jié)構(gòu)除外 式中 t1 較薄焊件厚度 對于板件邊緣的角焊縫 尚應(yīng)滿足以下要求 當t 6mm時 hf max t 當t 6mm時 hf max t 1 2 mm 2 最小焊腳尺寸hf min 為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織 導(dǎo)致母材開裂 hf min應(yīng)滿足以下要求 40 式中 t2 較厚焊件厚度另 對于埋弧自動焊hf min可減去1mm 對于T型連接單面角焊縫hf min應(yīng)加上1mm 當t2 4mm時 hf min t2 3 側(cè)面角焊縫的最大計算長度 側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長度方向受力不均 兩端大而中間小 焊縫長度越長 應(yīng)力集中系數(shù)越大 如果焊縫長度不是太大 焊縫兩端達到屈服強度后 繼續(xù)加載 應(yīng)力會漸趨均勻 當焊縫長度達到一定的長度后 可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端 故 41 注 1 當實際長度大于以上值時 計算時不與考慮 2 當內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長分布時 不受上式限制 4 側(cè)面角焊縫的最小計算長度 對于焊腳尺寸大而長度小的焊縫 焊件局部加熱嚴重且起落弧坑相距太近 以及可能產(chǎn)生缺陷 使焊縫不可靠 故為了使焊縫具有一定的承載力 規(guī)范規(guī)定 42 5 搭接連接的構(gòu)造要求 當板件端部僅采用兩條側(cè)面角焊縫連接時 A 為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均 規(guī)范規(guī)定 43 B 為了避免焊縫橫向收縮時引起板件的拱曲太大 規(guī)范規(guī)定 D 在搭接連接中 搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍 且不得小于25mm 44 C 當角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時 應(yīng)作2hf的繞角焊 且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊 三 直角角焊縫的強度計算公式 1 試驗表明 直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部 故通常將45o截面作為計算截面 作用在該截面上的應(yīng)力如下圖所示 45 2 實際上計算截面的各應(yīng)力分量的計算比較繁難 為了簡化計算 規(guī)范假定 焊縫在有效截面處破壞 且破壞時各應(yīng)力分量滿足以下折算應(yīng)力公式 46 3 由于我國規(guī)范給定的角焊縫強度設(shè)計值 是根據(jù)抗剪條件確定的故上式又可表達為 4 直角角焊縫的強度計算公式 47 48 將能量強度條件可得 上式即為規(guī)范給定的角焊縫強度計算通用公式 f 正面角焊縫強度增大系數(shù) 靜載時取1 22 動載時取1 0 49 對于正面角焊縫 f 0 可得 對于側(cè)面角焊縫 f 0 可得 以上各式中 he 0 7hf lw 角焊縫計算長度 考慮起滅弧缺陷時 每條焊縫取其實際長度減去2hf 50 四 各種受力狀態(tài)下的直角角焊縫連接計算 1 軸心力作用下 1 軸心力作用下的蓋板對接連接 A 僅采用側(cè)面角焊縫連接 B 采用三面圍焊連接 51 2 T形角焊縫連接 代入式3 13驗算焊縫強度 即 52 3 角鋼角焊縫連接 A 僅采用側(cè)面角焊縫連接 由力及力矩平衡得 故 53 54 對于校核問題 對于設(shè)計問題 55 B 采用三面圍焊 由力及力矩平衡得 余下的問題同情況 A 即 56 對于校核問題 對于設(shè)計問題 57 C 采用L形圍焊 由平衡條件可得 對于設(shè)計問題 58 2 N M V共同作用下 1 偏心軸力作用下角焊縫強度計算 59 2 V M共同作用下焊縫強度計算 對于A點 式中 Iw 全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩 h1 兩翼緣焊縫最外側(cè)間的距離 60 對于B點 強度驗算公式 式中 h2 lw 2 腹板焊縫的計算長度 he 2 腹板焊縫截面有效高度 3 T V共同作用下 將F向焊縫群形心簡化得 V FT F e1 e2 61 假定 A 被連接件絕對剛性 焊縫為彈性 即 T作用下被連接件有繞焊縫形心旋轉(zhuǎn)的趨勢 B T作用下焊縫群上任意點的應(yīng)力方向垂直于該點與焊縫形心的連線 且大小與r成正比 C 在V作用下 焊縫群上的應(yīng)力均勻分布 故 該連接的設(shè)計控制點為A點和A 點 62 T作用下A點應(yīng)力 將其沿x軸和y軸分解 側(cè)縫 正縫 63 剪力V作用下 A點應(yīng)力 A點垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力為 A點平行于焊縫長度方向的應(yīng)力為 強度驗算公式 思考 以上計算方法為近似計算 為什么 焊接殘余應(yīng)力和變形 一 焊接殘余應(yīng)力的分類及其產(chǎn)生的原因1 焊接殘余應(yīng)力的分類A 縱向焊接殘余應(yīng)力 沿焊縫長度方向 B 橫向焊接殘余應(yīng)力 垂直于焊縫長度方向 C 沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力 2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 1 縱向焊接殘余應(yīng)力 64 65 焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程 焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場 焊縫處可達1600oC 而鄰近區(qū)域溫度驟降 高溫鋼材膨脹大 但受到兩側(cè)溫度低 膨脹小的鋼材限制 產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮 焊縫冷卻時被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮 但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力 對于低碳鋼和低合金鋼 該拉應(yīng)力可以使鋼材達到屈服強度 焊接殘余應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力 故在焊件內(nèi)自相平衡 這必然在焊縫稍遠區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力 2 橫向焊接殘余應(yīng)力 產(chǎn)生的原因 1 焊縫的縱向收縮 使焊件有反向彎曲變形的趨勢 導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉 兩端受壓 2 焊接時已凝固的先焊焊縫 阻止后焊焊縫的橫向膨脹 產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形 焊縫冷卻時 后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力 而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力 因應(yīng)力自相平衡 更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力 應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān) 以上兩種應(yīng)力的組合即為 橫向焊接殘余應(yīng)力 66 67 3 沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力 在厚鋼板的焊接連接中 焊縫需要多層施焊 焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫 阻止后焊焊縫的膨脹 產(chǎn)生塑性壓縮變形 焊縫冷卻時 后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力 而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力 因應(yīng)力自相平衡 更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力 因此 除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力 x y外 還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力 z 這三種應(yīng)力形成同號 受拉 三向應(yīng)力 大大降低連接的塑性 68 二 焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響 1 對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響 69 因焊接殘余應(yīng)力自相平衡 故 當板件全截面達到fy 即N Ny時 2 對結(jié)構(gòu)剛度的影響 70 A 當焊接殘余應(yīng)力存在時 因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達到fy 故該部分剛度為零 屈服 這時在N作用下應(yīng)變增量為 B 當截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時 在N作用下應(yīng)變增量為 因為B b 2 71 結(jié)論 焊接殘余應(yīng)力的存在增大了結(jié)構(gòu)的變形 即降低了結(jié)構(gòu)的剛度 另外 對于軸心受壓構(gòu)件 焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小 降低壓桿的穩(wěn)定承載力 詳見第4章 3 對低溫冷脆的影響 對于厚板或交叉焊縫 將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力 限制了其塑性的發(fā)展 增加了鋼材低溫脆斷傾向 所以 降低或消除焊接殘余應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要措施 72 4 對疲勞強度的影響 在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達到鋼材的屈服強度 此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域 因此焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞強度有明顯的不利影響 三 焊接變形 焊接變形包括 縱向收縮 橫向收縮 彎曲變形 角變形和扭曲變形等 通常是幾種變形的組合 73 74 75 76 77 78 四 減小焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的措施 1 設(shè)計上的措施 1 焊接位置的合理安排 2 焊縫尺寸要適當 3 焊縫數(shù)量要少 且不宜過分集中 4 應(yīng)盡量避免兩條以上的焊縫垂直交叉 5 應(yīng)盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力2 加工工藝上的措施 1 采用合理的施焊順序 2 采用反變形處理 3 小尺寸焊件 應(yīng)焊前預(yù)熱或焊后回火處理 79 80 一 普通螺栓的種類和構(gòu)造要求 81 普通螺栓連接構(gòu)造與計算 一 普通螺栓種類 C級 粗制螺栓 性能等級為4 6或4 8級 4表示fu 400N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 類孔 孔徑 do 栓桿直徑 d 1 3mm A B級 精制螺栓 性能等級為5 6或8 8級 5或8表示fu 500或800N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 類孔 孔徑 do 栓桿直徑 d 0 3 0 5mm 按其加工的精細程度和強度分為 A B C三個級別 82 二 螺栓的排列 1 并列 簡單 整齊 緊湊所用連接板尺寸小 但構(gòu)件截面削弱大 2 錯列 排列不緊湊 所用連接板尺寸大 但構(gòu)件截面削弱小 3 螺栓排列的要求 1 受力要求 垂直受力方向 為了防止螺栓應(yīng)力集中相互影響 截面削弱過多而降低承載力 螺栓的邊距和端距不能太小 順力作用方向 為了防止板件被拉斷或剪壞 端距不能太小 對于受壓構(gòu)件 為防止連接板件發(fā)生鼓曲 中距不能太大 2 構(gòu)造要求 螺栓的邊距和中距不宜太大 以免板件間貼合不密 潮氣侵入腐蝕鋼材 83 3 施工要求 為了便于扳手擰緊螺母 螺栓中距應(yīng)不小于3do 根據(jù)以上要求 規(guī)范給定了螺栓的容許間距 84 三 螺栓連接的構(gòu)造要求 為了保證連接的可靠性 每個桿件的節(jié)點或拼接接頭一端不宜少于兩個永久螺栓 但組合構(gòu)件的綴條除外 直接承受動荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽 或其他措施以防螺帽松動 C級螺栓宜用于沿桿軸方向的受拉連接 以下情況可用于抗剪連接 1 承受靜載或間接動載的次要連接 2 承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接 3 臨時固定構(gòu)件的安裝連接 85 86 二 螺栓連接的受力形式 A只受剪力 B只受拉力 C剪力和拉力共同作用 三 普通螺栓抗剪連接 一 工作性能和破壞形式1 工作性能對圖示螺栓連接做抗剪試驗 即可得到板件上a b兩點相對位移 和作用力N的關(guān)系曲線 該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個階段 即 1 摩擦傳力的彈性階段 0 1段 直線段 連接處于彈性狀態(tài) 該階段較短 摩擦力較小 87 2 滑移階段 1 2段 克服摩擦力后 板件間突然發(fā)生水平滑移 最大滑移量為栓孔和栓桿間的距離 表現(xiàn)在曲線上為水平段 88 3 栓桿傳力的彈性階段 2 3段 該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力 栓桿受剪力 拉力 彎矩作用 孔壁受擠壓 由于材料的彈性以及栓桿拉力增大所導(dǎo)致的板件間摩擦力的增大 N 關(guān)系以曲線狀態(tài)上升 4 彈塑性階段 3 4段 達到 3 后 即使給荷載以很小的增量 連接的剪切變形迅速增大 直到連接破壞 4 點 曲線的最高點 即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu 89 2 破壞形式 1 螺栓桿被剪壞栓桿較細而板件較厚時 2 孔壁的擠壓破壞栓桿較粗而板件較薄時 3 板件被拉斷截面削弱過多時以上破壞形式予以計算解決 90 4 板件端部被剪壞 拉豁 端矩過小時 端矩不應(yīng)小于2dO 91 5 栓桿彎曲破壞螺栓桿過長 栓桿長度不應(yīng)大于5d 二 抗剪螺栓的單栓承載力設(shè)計值 由破壞形式知抗剪螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況 故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定 92 nv 剪切面數(shù)目 d 螺栓桿直徑 fvb fcb 螺栓抗剪和承壓強度設(shè)計值 t 連接接頭一側(cè)承壓構(gòu)件總厚度的較小值 單栓抗剪承載力 抗剪承載力 承壓承載力 剪切面數(shù)目nv 93 三 普通螺栓群抗剪連接計算 1 普通螺栓群軸心力作用下抗剪計算 94 試驗證明 栓群在軸力作用下各個螺栓的內(nèi)力沿栓群長度方向不均勻 兩端大 中間小 當l1 15d0 d0為孔徑 時 連接進入彈塑性工作狀態(tài)后 內(nèi)力重新分布 各個螺栓內(nèi)力趨于相同 故設(shè)計時假定N有各螺栓均擔 所以 連接所需螺栓數(shù)為 當l1 15d0 d0為孔徑 時 連接進入彈塑性工作狀態(tài)后 即使內(nèi)力重新分布 各個螺栓內(nèi)力也難以均勻 端部螺栓首先破壞 然后依次破壞 由試驗可得連接的抗剪強度折減系數(shù) 與l1 d0的關(guān)系曲線 95 故 連接所需栓數(shù) 普通螺栓群軸心力作用下 為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進行板件的凈截面驗算 拼接板的危險截面為2 2截面 96 A 螺栓采用并列排列時 主板的危險截面為1 1截面 97 B 螺栓采用錯列排列時 主板的危險截面為1 1和1 1 截面 98 拼接板的危險截面為2 2和2 2 截面 2 普通螺栓群偏心力作用下抗剪計算 F作用下每個螺栓受力 99 T作用下連接按彈性設(shè)計 其假定為 1 連接板件絕對剛性 螺栓為彈性 2 T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動 各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關(guān)系 方向與ri垂直 100 顯然 T作用下 1 號螺栓所受剪力最大 r1最大 由假定 2 得 由上式可得 由力的平衡條件得 101 從而可得 將N1T沿坐標軸分解得 由此可得螺栓1的強度驗算公式為 102 另外 當螺栓布置比較狹長 如y1 3x1 時 可進行如下簡化計算 令 xi 0 則N1Ty 0 四 普通螺栓的抗拉連接 103 一 普通螺栓抗拉連接的工作性能 抗拉螺栓連接在外力作用下 連接板件接觸面有脫開趨勢 螺栓桿受桿軸方向拉力作用 以栓桿被拉斷為其破壞形式 二 單個普通螺栓的抗拉承載力設(shè)計值 式中 Ae 螺栓的有效截面面積 de 螺栓的有效直徑 ftb 螺栓的抗拉強度設(shè)計值 公式的兩點說明 1 螺栓的有效截面面積因栓桿上的螺紋為斜方向的 所以公式取的是有效直徑de而不是凈直徑dn 現(xiàn)行國家標準取 104 2 螺栓垂直連接件的剛度對螺栓抗拉承載力的影響 A 螺栓受拉時 一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞 即螺桿并非軸心受拉 當連接板件發(fā)生變形時 螺栓有被撬開的趨勢 杠桿作用 使螺桿中的拉力增加 撬力Q 并產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象 連接件剛度越小撬力越大 試驗證明影響撬力的因素較多 其大小難以確定 規(guī)范采取簡化計算的方法 取ftb 0 8f f 螺栓鋼材的抗拉強度設(shè)計值 來考慮其影響 105 B 在構(gòu)造上可以通過加強連接件的剛度的方法 來減小杠桿作用引起的撬力 如設(shè)加勁肋 可以減小甚至消除撬力的影響 106 三 普通螺栓群的軸拉設(shè)計 107 一般假定每個螺栓均勻受力 因此 連接所需的螺栓數(shù)為 108 四 普通螺栓群在彎炬作用下 M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計 其假定為 1 連接板件絕對剛性 螺栓為彈性 2 螺栓群的中和軸位于最下排螺栓的形心處 各螺栓所受拉力與其至中和軸的距離呈正比 109 顯然 1 號螺栓在M作用下所受拉力最大 由力學(xué)及假定可得 同前可得 110 強度要求為 111 五 普通螺栓群在偏心拉力作用下 偏心力作用下普通螺栓連接 可采用偏于安全的設(shè)計方法 即疊加法 五 普通螺栓拉 剪聯(lián)合作用 112 因此 2 由試驗可知 兼受剪力和拉力的螺桿 其承載力無量綱關(guān)系曲線近似為一 四分之一圓 1 普通螺栓在拉力和剪力的共同作用下 可能出現(xiàn)兩種破壞形式 螺桿受剪兼受拉破壞 孔壁的承壓破壞 3 計算時 假定剪力由螺栓群均勻承擔 拉力由受力情況確定 規(guī)范規(guī)定 普通螺栓拉 剪聯(lián)合作用為了防止螺桿受剪兼受拉破壞 應(yīng)滿足 為了防止孔壁的承壓破壞 應(yīng)滿足 113 另外 拉力和剪力共同作用下的普通螺栓連接 當有承托承擔全部剪力時 螺栓群按受拉連接計算 承托與柱翼緣的連接角焊縫按下式計算 114 式中 考慮剪力對角焊縫偏心影響的增大系數(shù) 一般取 1 25 1 35 其余符號同前 高強度螺栓連接計算 115 高強螺栓由45號 40B和20MnTiB鋼加工而成 并經(jīng)過熱處理 45號 8 8級 40B和20MnTiB 10 9級 a 大六角頭螺栓 b 扭剪型螺栓 一 高強度螺栓的工作性能及單栓承載力按受力特征的不同高強度螺栓分為兩類 摩擦型高強度螺栓 通過板件間摩擦力傳遞內(nèi)力 破壞準則為克服摩擦力 承壓型高強度螺栓 受力特征與普通螺栓類似 1 高強度螺栓預(yù)拉力的建立方法通過擰緊螺帽的方法 螺帽的緊固方法 A 轉(zhuǎn)角法施工方法 初擰 用普通扳手擰至不動 使板件貼緊密 116 終擰 初擰基礎(chǔ)上用長扳手或電動扳手再擰過一定的角度 一般為120o 180o完成終擰 特點 預(yù)拉力的建立簡單 有效 但要防止欠擰 漏擰和超擰 B 扭矩法施工方法 初擰 用力矩扳手擰至終擰力矩的30 50 使板件貼緊密 終擰 初擰基礎(chǔ)上 按100 設(shè)計終擰力矩擰緊 特點 簡單 易實施 但得到的預(yù)拉力誤差較大 117 C 扭斷螺栓桿尾部法 扭剪型高強度螺栓 施工方法 初擰 擰至終擰力矩的60 80 終擰 初擰基礎(chǔ)上 以扭斷螺栓桿尾部為準 特點 施工簡單 技術(shù)要求低易實施 質(zhì)量易保證等高強度螺栓的施工要求 由于高強度螺栓的承載力很大程度上取決于螺栓桿的預(yù)拉力 因此施工要求較嚴格 1 終擰力矩偏差不應(yīng)大于 10 2 如發(fā)現(xiàn)欠 漏和超擰螺栓應(yīng)更換 3 擰固順序先主后次 且當天安裝 當天終擰完 如工字型梁為 上翼緣 下翼緣 腹板 118 2 高強度螺栓預(yù)拉力的確定 高強度螺栓預(yù)拉力是根據(jù)螺栓桿的有效抗拉強度確定的 并考慮了以下修正系數(shù) 考慮材料的不均勻性的折減系數(shù)0 9 為防止施工時超張拉導(dǎo)致螺桿破壞的折減系數(shù)0 9 考慮擰緊螺帽時 螺栓桿上產(chǎn)生的剪力對抗拉強度的降低除以系數(shù)1 2 附加安全系數(shù)0 9 因此 預(yù)拉力 119 Ae 螺紋處有效截面積 fu 螺栓熱處理后的最抵抗拉強度 8 8級 取fu 830N mm2 10 9級 取fu 1040N mm2 3 高強度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù) 摩擦型高強度螺栓是通過板件間摩擦力傳遞內(nèi)力的 而摩擦力的大小取決于板件間的擠壓力 P 和板件間的抗滑移系數(shù) 板件間的抗滑移系數(shù)與接觸面的處理方法和構(gòu)件鋼號有關(guān) 其大小隨板件間的擠壓力的減小而減小 120 規(guī)范給出了預(yù)拉力值和不同鋼材在不同接觸面處理方法下的抗滑移系數(shù) 如下表 121 4 高強度螺栓抗剪連接的工作性能和單栓承載力 1 抗剪連接工作性能受力過程與普通螺栓相似 分為四個階段 摩擦傳力的彈性階段 滑移階段 栓桿傳力的彈性階段 彈塑性階段 但比較兩條N 曲線可知 由于高強度螺栓因連接件間存在很大的摩擦力 故其第一個階段遠遠大于普通螺栓 122 A 對于高強度螺栓摩擦型連接 其破壞準則為板件發(fā)生相對滑移 因此其極限狀態(tài)為1點而不是4點 所以1點的承載力即為一個高強度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力 123 式中 0 9 抗力分項系數(shù) R的倒數(shù) R 1 111 nf 傳力摩擦面數(shù)目 摩擦面抗滑移系數(shù) P 預(yù)拉力設(shè)計值 2 抗剪連接單栓承載力 B 對于高強度螺栓承壓型抗剪連接 允許接觸面發(fā)生相對滑移 破壞準則為連接達到其極限狀態(tài)4點 所以高強度螺栓承壓型連接的單栓抗剪承載力計算方法與普通螺栓相同 124 N O 高強度螺栓 普通螺栓 單栓抗剪承載力 抗剪承載力 承壓承載力 5 高強度螺栓抗拉連接工作性能和單栓承載力 當外拉力為零 即N 0時 P C 當外拉力為Nt時 板件有被拉開趨勢 板件間的壓力C減小為Cf 栓桿拉力P增加為Pf 由力及變形協(xié)調(diào)得 125 Ab 栓桿截面面積 Ap 板件擠壓面面積 板疊厚度 當板件即將被拉開時 Cf 0 有Pf Nt 因此 一般板件間的擠壓面面積比栓桿截面面積大的多 近似取AP Ab 10 得 126 顯然栓桿的拉力增加不大 另外 試驗證明 當栓桿的外加拉力大于P時 卸載后螺栓桿的預(yù)拉力將減小 即發(fā)生松弛現(xiàn)象 但當Nt不大于0 8P時 則無松弛現(xiàn)象 這時Pf 1 07P 可認為螺桿的預(yù)拉力不變 且連接板件間有一定的擠壓力保持緊密接觸 所以現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定 A 摩擦型高強度螺栓的單栓抗拉承載力為 上式未考慮橇力的影響 當考慮橇力影響時 螺栓桿的拉力Pf與Nt的關(guān)系曲線如圖 Nt 0 5P時 橇力Q 0 Nt 0 5P后 橇力Q出現(xiàn) 增加速度先慢后快 橇力Q的存在導(dǎo)致連接的極限承載力由Nu降至Nu 所以 如設(shè)計時不考慮橇力的影響 應(yīng)使Nt 0 5P或增加連