《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課件第20-1-4章 殘余應(yīng)力+螺栓連接

1、青海大學(xué)青海大學(xué) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 青海大學(xué) 土木工程學(xué)院 教授班級(jí)：交通2011(1、2) 青海大學(xué)青海大學(xué) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 l章節(jié)內(nèi)容章節(jié)內(nèi)容 1、焊縫連接 2、普通螺栓連接 3、高強(qiáng)螺栓連接 20 鋼結(jié)構(gòu)的連接 20.1.7 焊接殘余應(yīng)力及殘余變形 高度不均勻的溫度場(chǎng)造成構(gòu)件內(nèi)部收縮與膨脹的不均勻性， 致使構(gòu)件產(chǎn)生變形，這種變形叫焊接變形。 (a) 縱向收縮和橫向收縮；(b) 彎曲變形；(c) 角變形； (d) 波浪變形；(e) 扭曲變形 而焊縫和焊縫附近 鋼材不能自由地變形， 因受到周?chē)摬牡募s 束而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng) 力。 一、焊接殘余應(yīng)力的分

2、類和原因 焊接應(yīng)力是一種無(wú)荷載作用的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)自相平衡， 包括以下三個(gè)部分： 1、縱向焊接應(yīng)力 2、橫向焊接應(yīng)力 3、沿厚度方向的焊接應(yīng)力 20.1.7 焊接殘余應(yīng)力及殘余變形 + - - 500oC 800oC 300oC 300oC 500oC 800oC 施施 焊焊 方方 向向 8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm 施焊時(shí)焊縫附近達(dá)1600以上，而鄰近區(qū)域溫度驟降。 焊縫周?chē)?產(chǎn)生不均 勻溫度場(chǎng) - - - - - + + 1、縱向焊接應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向 成因： a.施焊時(shí)焊縫處鋼材受熱伸長(zhǎng)，但受兩側(cè)低溫區(qū)域的限制產(chǎn) 生熱塑性壓縮； b.焊縫冷卻時(shí)收縮又受到限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力；

3、c.拉應(yīng)力大小可達(dá)鋼材屈服點(diǎn) fy； d.遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力，焊件內(nèi)應(yīng)力自相平衡。 2、橫向焊接應(yīng)力 兩部分組成： 其一是由焊縫區(qū)的縱向收縮所引起。如把鋼板假想沿焊 縫切開(kāi)，由于焊縫的縱向收縮，兩塊鋼板產(chǎn)生如圖(a)中虛線 所示的彎曲變形。 因而可見(jiàn)在焊縫長(zhǎng)度的中間部分必然產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力， 而在焊縫的兩瑞則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，應(yīng)力分布如圖(b)所示。 其二是由焊縫的橫向收縮所引起。施焊時(shí)，焊縫的形成有 先有后，先焊的部分先冷卻，先冷卻的焊縫區(qū)限制了后冷卻焊 縫區(qū)的橫向收縮，使產(chǎn)生橫向焊接殘余應(yīng)力如圖(c)所示。 最后的橫向焊接殘余應(yīng)力當(dāng)為兩者即圖(b)和圖(c)的疊加， 如圖(d)所示。

4、l在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向 先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形 。 - + - 3 2 1 x y z l冷卻時(shí)外圍焊縫散熱快先冷固，內(nèi)層焊縫收縮受限制產(chǎn)生 沿厚度方向的拉應(yīng)力，外部則產(chǎn)生壓應(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(hào)三向拉應(yīng)力，大大降低連 接的塑性。 3、厚度方向的焊接應(yīng)力 20.1.7 焊接殘余應(yīng)力及殘余變形 二、 減少焊接應(yīng)力和變形的措施 1、合理的焊縫設(shè)計(jì) （1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式 滿足最小焊腳尺寸的條件下，一般用較小的hf加大焊 縫長(zhǎng)度，即設(shè)計(jì)成焊腳尺寸較小

5、而焊縫長(zhǎng)度長(zhǎng)些； 注意：不要因考慮“安全”而任意加大超過(guò)計(jì)算所需 要的焊縫尺寸。 （2）盡可能減少不必要的焊縫 不但增加了裝配和焊接的工作量，易引起大的焊接變 形。 20.1.7 焊接殘余應(yīng)力及殘余變形 （3）合理地安排焊縫的位置 焊縫不宜過(guò)分集中并盡量對(duì)稱布置焊縫以消除焊接殘 余變形和盡量避免三向焊縫相交。 三向焊縫相交時(shí)，中斷次要焊縫使主要焊縫保持連續(xù) （4）盡量避免截面突變引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，連接過(guò)渡平 緩。 （5）避免焊接缺陷，盡量避免仰焊 二、 減少焊接應(yīng)力和變形的措施 1、合理的焊縫設(shè)計(jì) 20.1.7 焊接殘余應(yīng)力及殘余變形 2、 合理的工藝措施 （1）采用合理的焊接順序和方向。

6、先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫，先 焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫，后焊直通的長(zhǎng)焊縫，使焊縫有較大的橫 向收縮余地。 二、 減少焊接應(yīng)力和變形的措施 20.1.7 焊接殘余應(yīng)力及殘余變形 采用適當(dāng)?shù)暮附禹樞蚝头较颉?例如采用對(duì)稱焊，分段退焊(即分段焊接，每段施焊方向 與焊接推進(jìn)的總方向相反)、跳焊、多層多道焊等，使各次焊 接的殘余應(yīng)力和變形的方向相反和互相抵消。 3、錘擊或輾壓焊縫，使焊縫舒張，降低焊接殘余應(yīng)力； 4、預(yù)熱和回火 對(duì)于小尺寸焊件，焊前預(yù)熱，或焊后回火加熱至 600左右，然后緩慢冷卻。 2、采用反變形法減小焊接變形或焊接應(yīng)力。 5、局部加熱；6、退火法 二、 減少焊接應(yīng)力和變形的措施

7、 20.1.7 焊接殘余應(yīng)力及殘余變形 焊前預(yù)熱和焊后緩冷是減少焊縫區(qū)與焊件其他部分的溫差，降低焊縫 區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻地冷卻下來(lái)，減少殘余應(yīng)力與變形 螺栓連接 螺栓連接是用螺栓將構(gòu)件、部件連成整體的連接方式。 螺栓是由螺桿、螺母、墊圈組成的堅(jiān)固件。 缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 施工簡(jiǎn)單，拆裝方便， 摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接動(dòng)力性能好 耐疲勞，易阻止裂紋擴(kuò)展 費(fèi)料、開(kāi)孔截面削弱 螺栓孔加工精度要求高 20.2 鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接 普通螺栓連接 根據(jù)加工精度分A、B、C三級(jí)。 A、B級(jí)精制螺栓，采用低合金鋼或再經(jīng)熱處理后制成，類孔， 孔徑比桿徑大0.3-0.5mm，抗剪性能好， 制造安裝費(fèi)工，少用。性能 等級(jí)

8、5.6級(jí)或8.8級(jí)。 C級(jí)粗制螺栓，一般Q235鋼，類孔，孔徑比桿徑大1.5-2.0mm， 抗剪性能差，但傳遞拉力性能好，性能等級(jí)為4.6級(jí)或4.8級(jí)。 高強(qiáng)螺栓連接 高強(qiáng)鋼材制成：優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼 性能等級(jí)：8.8級(jí)、10.9級(jí)。 等級(jí)符號(hào)說(shuō)明：等級(jí)符號(hào)說(shuō)明：小數(shù)點(diǎn)前8、10螺栓材料經(jīng)熱加工后的最低抗 拉強(qiáng)度為800、1000N/mm2； 小數(shù)點(diǎn)后0.8、0.9屈強(qiáng)比 摩擦型高強(qiáng)螺栓：只靠摩擦阻力傳力，以剪力達(dá)到接觸面的摩擦力作 為承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 變形小，彈性性能好，耐疲勞，施工較簡(jiǎn)單，適用于承受動(dòng)力荷 載的結(jié)構(gòu)。 承壓型高強(qiáng)螺栓：以作用剪力達(dá)到栓桿抗剪或孔壁承壓破壞作為承 載力

9、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 承載力高于摩擦型連接，連接緊湊，剪切變形大，不能用于承 受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)。 20.2 鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 普通螺栓規(guī)格精制螺栓粗制螺栓 分類A級(jí)和B級(jí)C級(jí) 強(qiáng)度等級(jí)5.6級(jí)和8.8級(jí)4.6級(jí)和4.8級(jí) 孔加工方式車(chē)床上經(jīng)過(guò)切削而成單個(gè)零件上一次沖成 加工精度 螺桿與栓孔直徑之差為 0.250.5mm 螺桿與栓孔直徑之差為 1.52mm 受力特點(diǎn)抗剪抗拉均好抗剪差、抗拉好 經(jīng)濟(jì)性能價(jià)格高價(jià)格經(jīng)濟(jì) 用途 直接承受較大動(dòng)力荷載的 重要結(jié)構(gòu)，現(xiàn)被摩擦型高 強(qiáng)螺栓替代 沿螺栓桿軸受拉的連接； 次要的抗剪連接；安裝的 臨時(shí)固定 注：A、B兩級(jí)的區(qū)別只是尺

10、寸不同。 A級(jí)用于d24mm，l150mm的 螺栓，B級(jí)用于d24mm， l150mm 螺栓。 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 一、普通螺栓連接的構(gòu)造計(jì)算 1.螺栓的排列和構(gòu)造要求 規(guī)格：形式為大六角頭型，其代號(hào)用字母M與公稱直徑表示。常用 M16、M20、M24。 螺栓的排列：并列、錯(cuò)列。 并列錯(cuò)列 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 螺栓的排列要滿足以下三個(gè)方面的要求： （1）受力要求：端距過(guò)小，端部撕裂；受壓，順內(nèi)力方向，中距過(guò) 大，鼓曲。 （2）構(gòu)造要求：螺栓間距不能太大，避免壓不緊潮氣進(jìn)入導(dǎo)致腐蝕。 （3）施工要求：螺栓間距不能太近，滿足凈空要求，便于安裝。 中心距太大 2d 端

11、距過(guò)小 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 根據(jù)規(guī)范規(guī)定的螺栓最大、最小容許間距，排列螺栓時(shí)宜按 最小容許間距取用，且宜取5mm的倍數(shù)，并按等距離布置，以縮 小連接的尺寸。最大容許間距一般只在起連系作用的構(gòu)造連接中 采用。 端距端距 邊距邊距 1.5d0 (1.2d0) 2d02d0 1.5d0 3d0 端距端距端距端距端距端距中距中距 邊距邊距 線距線距 3d0 2d03d0 1.5d0 1.5d0 3d0 3d02d0 邊距邊距 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 型鋼的螺栓(鉚釘)排列 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 1、為了保證連接的可靠性，每個(gè)桿件的節(jié)點(diǎn)或拼接接頭一端不宜少于兩

12、個(gè)永久螺栓； 螺栓的其它構(gòu)造要求： 2、直接承受動(dòng)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(dòng)； 3、C級(jí)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： 承受靜載或間接動(dòng)載的次要連接； 承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接； 臨時(shí)固定構(gòu)件的安裝連接。 4、沿桿軸方向受拉螺栓連接的端板，應(yīng)適當(dāng)加大剛度，以減小撬力對(duì)螺 栓抗拉承載力的不利影響。 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 螺栓連接的受力形式分為：只受剪力，只受拉力。有時(shí)受剪力和 拉力的共同作用。 N （B） 拉力螺栓 F （C） 剪力和拉力共同作用 F （A） 剪力螺栓 受力垂直螺桿，承剪、 承壓。 連接件有錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì) 受力平行螺

13、桿，承拉 連接件有脫開(kāi)趨勢(shì) 二、普通螺栓連接受剪、受拉時(shí)的工作性能 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 N O 1 2 3 4 N N a b N N/2 N/2 對(duì)圖示螺栓連接做抗剪試驗(yàn),即可得到板件 上a、b兩點(diǎn)相對(duì)位移與作用力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(gè)階段 1. 抗剪螺栓連接 (1) 摩擦傳力的彈性階段(01段) 直線段連接處于彈性狀態(tài)； 該階段較短摩擦力較小。 (2) 滑移階段(12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間 隙，表現(xiàn)在曲線上為水平段。 抗剪螺栓連接受力后，首先由構(gòu) 件間的摩擦力來(lái)傳遞外力。當(dāng)外力 增大超過(guò)極限

14、摩擦力后，構(gòu)件間相 對(duì)滑移，螺桿開(kāi)始接觸構(gòu)件的孔壁 而受剪，孔壁則受壓。 單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)結(jié)果單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)結(jié)果 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 N O 1 2 3 4 a b N N/2 N/2 (3) 栓桿傳力的彈性階段(23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(34段) 達(dá)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(diǎn)（曲線的最高點(diǎn)）即為普通螺栓抗剪 連接的極限承載力Nu。 20.2 普通螺栓連接的

15、構(gòu)造和計(jì)算 栓桿傳力的彈性階段：外力主要是靠螺栓受 剪和孔壁受擠壓傳遞，內(nèi)力分布不均； 因此，當(dāng)外力作用于螺栓群中心時(shí)，在 計(jì)算中認(rèn)為所 螺栓受力是相同的。（a）塑性階段受力狀態(tài)）塑性階段受力狀態(tài) （b）彈性階段受力狀態(tài)）彈性階段受力狀態(tài) 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 彈塑性階段：內(nèi)力重分布，螺栓受力趨于均勻 a) A B 栓桿較細(xì)而板件較厚時(shí) 螺栓桿剪斷 b) B A 栓桿較粗而板件較薄時(shí) 孔壁擠壓 c) A 截面削弱過(guò)多時(shí) 鋼板被拉斷 d) 35 35 a1 A 端矩過(guò)小時(shí)；端矩2d0 鋼板剪斷 e) A 板過(guò)厚螺栓桿過(guò)長(zhǎng)；栓桿長(zhǎng)度5d 螺栓彎曲 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算

16、計(jì)算保證計(jì)算保證 構(gòu)造保證構(gòu)造保證 剪力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： 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 單個(gè)剪力螺栓的設(shè)計(jì)承載力： 受剪承載力設(shè)計(jì)值： 承壓承載力設(shè)計(jì)值： d b v 2 v b v 4 f d nN b c b c f tdN b v b c b min ,minNNN p 假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力均勻分布 ； p 假定擠壓力沿栓桿直徑平面（實(shí)際上是相應(yīng)于 栓桿直徑平面的孔壁部分）均勻分布 驗(yàn)算： b vmin NN 抗剪承載力設(shè)計(jì)值： b v 2 v b v 4 f d nN 承壓承載力設(shè)計(jì)值： b c b c f t

17、dN t1 t2 ,t= t1 t1 t2 t1 t2 t3 t2 t1+ t3 ,t= t2 d+b15d0時(shí)，應(yīng)將螺栓的承載力乘以折減系數(shù)。 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 1 0 1.10.7 150 l d 10 600.7ld當(dāng)時(shí)： 2.抗拉螺栓連接 2N 角鋼變形 N Q Pf 焊加勁肋 2N 一個(gè)拉力螺栓的承載力設(shè)計(jì)值： 2 bb e tt 4 d N de螺栓的有效直徑，取值見(jiàn)附表4-5； tb螺栓抗拉容許應(yīng)力，見(jiàn)附表4-2。 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 a)螺栓受拉時(shí)，外力會(huì)使被連接構(gòu)件的接觸面互相脫開(kāi)而使螺栓 受拉，最后螺桿被拉斷而破壞； b)假定拉應(yīng)力在螺栓截

18、面上均勻分布； 三、螺栓群的計(jì)算 1.螺栓群在軸心力作用下的抗剪計(jì)算 軸力N由每個(gè)螺栓平均分擔(dān)，連接一側(cè)所需螺栓數(shù)為： b min N n N N/2 N l1 N/2 b v b c b min ,minNNN 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 螺栓孔削弱了受拉鋼板的截面面積，因此還需對(duì)板件進(jìn) 行強(qiáng)度驗(yàn)算，強(qiáng)度計(jì)算公式為： n N A 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 螺栓排列為錯(cuò)列時(shí)： 危險(xiǎn)截面1-1（正交截面）、2-2 （折線截面） An=minA1-1，A2-2 22 2 2421220 2(1)Ateneen d 20.2 普通螺栓連接的構(gòu)造和計(jì)算 1-110 At bn d n

19、1為危險(xiǎn)截面1-1（正交截面）上的螺栓數(shù)、 n2為危險(xiǎn)截面2-2 （折線截面）上的螺栓數(shù)。 一、高強(qiáng)度螺栓連接的性能 20.3 高強(qiáng)度螺栓的連接性能和計(jì)算 強(qiáng)度等級(jí)采用鋼材 8.8級(jí)45號(hào)鋼、40B鋼 10.9級(jí)20MnTiB鋼、35VB鋼 按材料分類 按受力特征分類 受力特征承載力極限狀態(tài)安裝孔徑應(yīng)用特點(diǎn) 摩擦型外力達(dá)到板件摩擦力d0=d+1.52 剪切變形小，耐疲勞 ，動(dòng)載下不易松動(dòng) 承壓型 外力超過(guò)摩擦力 栓桿受剪 板件承壓 d0=d+1.01.5 承載力比摩擦型大，剪 切變形大，一般不用于 直接動(dòng)載情況 1.高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力 大六角頭螺栓的預(yù)拉力控制方法有： a.力矩法 初擰用力矩扳

20、手?jǐn)Q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(jì)終擰力矩?cái)Q緊。 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易實(shí)施，但得到的預(yù)拉力誤差較大。 為了保證通過(guò)摩擦力傳遞剪力，高強(qiáng)度度螺栓的預(yù)拉力P的準(zhǔn)確控 制非常重要。 b.轉(zhuǎn)角法 初擰用普通扳手?jǐn)Q至不動(dòng)，使板件貼緊密； 終擰初擰基礎(chǔ)上用長(zhǎng)扳手或電動(dòng)扳手再擰過(guò)一定的角度， 一般為120o180o完成終擰。 特點(diǎn)：預(yù)拉力的建立簡(jiǎn)單、有效，但要防止欠擰、漏擰和超擰。 大六角 頭型 20.3 高強(qiáng)度螺栓的連接性能和計(jì)算 扭斷螺栓桿尾部法（扭剪型高強(qiáng)度螺栓） 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(zhǔn)。 特點(diǎn)：施工簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低易實(shí)施、質(zhì)量易保證等。 eueu 0.90.90.9 0.6 1.2 PA fA f 高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值由下式確定： 扭剪型 20.3 高強(qiáng)度螺栓的連接性能和計(jì)算 查表20-5 2.高強(qiáng)度螺栓連接的摩擦面抗滑移系數(shù) F 摩擦型高強(qiáng)度螺栓是通過(guò)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) ； 連接處接觸面 處理方法 構(gòu) 件 的 鋼 號(hào) Q