工學(xué)金屬結(jié)構(gòu)的連接

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金屬結(jié)構(gòu)是由型材、鑄鍛件間用一定的連接方式組成的能承載的工程結(jié)構(gòu)，常見的連接方式有以下幾種。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT2§3—1連接方法及特點(diǎn)一、方法：

焊接：（廣泛應(yīng)用）螺栓連接：（用于常裝拆的結(jié)構(gòu)）分為：普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓鉚釘連接：（國外僅用于特重型橋吊主梁）膠合連接：（國內(nèi)未采用）銷軸連接：（用于兩構(gòu)件間的連接）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT3二、特點(diǎn)：

焊接：制造簡便，省工省料，不削弱構(gòu)件截面易于自動(dòng)化操作；但易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形、焊接缺陷，質(zhì)量不易檢查。螺栓連接：易裝拆，質(zhì)量易檢查，塑性、韌性

好，但費(fèi)工費(fèi)料，削易構(gòu)件截面，動(dòng)載作用下易松動(dòng)；高強(qiáng)度螺栓除具有普通螺栓優(yōu)點(diǎn)以外，還具有傳力均勻，2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT4

應(yīng)力集中小，疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但螺栓制造和連接表面要求較高。鉚接：承動(dòng)載能力強(qiáng)，低溫下工作較可靠，但不能拆。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT5§3—2連接的材料一、焊接（與焊接方法有關(guān)），焊接方法達(dá)

35種之多。1.金屬結(jié)構(gòu)（起重機(jī)）常用的方法：

氣焊：氧炔焊（氧，乙炔）用于焊薄板，切割金屬；熱源為氣2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT6電弧焊：應(yīng)用最多熱源：電?、偈止る娀『?；②埋弧自動(dòng)（半自動(dòng)）焊；③氣體保護(hù)焊電渣焊：熱源：電流通過燃渣產(chǎn)生電阻熱，常用于焊厚板或大截面構(gòu)件。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT72.焊接材料：（電弧焊）

1）手工電弧焊——焊條（按等強(qiáng)度原則選）焊Q235，常用E43型（老T42型）

E4303（一般）

注：“43”為抗拉強(qiáng)度“0”為位置“03”為藥皮及電流（T422）

E4315E4316應(yīng)用于重要結(jié)構(gòu)或重級(jí)工作制（T427）（T426）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT8焊16Mn,常用E50型（T50型）

E5003（T502）

E5015（T507）

E5016（T506）焊Q235與16Mn的混合連接：

E43型（一般）.E50型（貼角焊，受力較大的焊縫）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT92）埋弧自動(dòng)（半自動(dòng)）焊：焊絲+焊劑焊Q235：H08，H08A，H08Mn+高硅型焊劑焊16Mn:H08MnA,H10Mn2+低錳型或無錳型焊劑

3）氣體保護(hù)焊：焊絲+氣體（CO2，氬氣等）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT10二、螺栓分為：①普通螺栓—Q235-A,Q235-B,35；②高強(qiáng)度螺栓—螺栓：

d≤24mm.45,40B,20MnTiBd＞24mm.20MnTiB,35VB

螺母：45，15MnVB

墊圈：45(平墊圈)2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT11§3—3.焊接接頭型式與焊縫型式對(duì)接接頭對(duì)接焊縫

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搭接接頭貼角焊縫

塞焊縫（角）槽形焊縫（角）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT13T字接頭開剖口焊縫角接接頭開剖口焊縫

2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT14§3—4.焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算一、對(duì)接焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算.1.承受軸力的對(duì)接焊縫：

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σh=N/Af=N/lf·δ≤〔σh〕

式中：lf—焊縫計(jì)算長度：有引弧板時(shí)lf=b

無引弧板時(shí)lf=b-5×2mm〔σh〕—焊縫許用應(yīng)力，查表3-1（P67）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT16

2.承受剪力的對(duì)接焊縫（純剪）

τ=Q/Af=Q/lf·d≤〔τh〕

式中：lf、δ同前，〔τh〕查表3—12023/9/2物流工程學(xué)院WHUT173.N、Q、M共同作用下的對(duì)接焊縫例1：2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT18危險(xiǎn)點(diǎn)：A、B.A：σh=N/Af+M/Wf≤〔σh〕B:τh=QSf/If·δ≤〔τh〕Sf—計(jì)算點(diǎn)到截面邊緣部分的截面面積對(duì)中性軸（通過截面型心的軸）的靜矩2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT19例2：2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT20危險(xiǎn)點(diǎn)：A，B.A：

B:2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT21二、貼角焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算1）側(cè)焊縫2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT22（1）應(yīng)力分布規(guī)律：不均勻（曲線），兩頭大中間小（2）破壞形式：剪切破壞，破壞面為最小剪切面（45度工作面）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT232）端焊縫2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT24

（1）應(yīng)力分布規(guī)律：復(fù)雜，應(yīng)力集中在根部（a點(diǎn)）；（2）破壞形式：多樣。3)圍焊縫（三面圍焊）：塑性低于側(cè)焊，靜強(qiáng)度和側(cè)焊相當(dāng)，疲勞強(qiáng)度高于側(cè)焊，由于貼角焊縫差別較大，受力復(fù)雜精確計(jì)算十分困難，以往多數(shù)國家采用以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主要依據(jù)的計(jì)劃設(shè)計(jì)算法。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT252.貼角焊縫發(fā)計(jì)算假定：

除忽略焊接殘余應(yīng)力及焊縫的增高影響外，做如下幾點(diǎn)假定：

1）不分側(cè)縫和端縫

2）以焊接的最小截面—45斜面作為計(jì)算截面

3）不論連接受拉、壓、剪、彎、把計(jì)算應(yīng)力均視為剪應(yīng)力。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT263.貼角焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算

1）連接受軸向力的搭接接頭例1.2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT27

τN=N/Af=N/(∑lf·δf)≤〔τh〕δf=焊縫計(jì)算厚度.δf=0.7hf∑lf—焊縫計(jì)算長度之和.

2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT28例2.

τN=N/Af=N/(∑lf·δf)≤〔τh〕其中δf為周長

∑lf—連接一邊焊縫的計(jì)算長度之和，按下面規(guī)則取值2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT292023/9/2物流工程學(xué)院WHUT30注：焊縫計(jì)算長度的規(guī)定：（1）各條側(cè)縫或端縫的最小計(jì)算長度取為

8hf且不小于40mm（由構(gòu)造保證）.

（2）側(cè)焊縫的最大計(jì)算長度受靜載：每條側(cè)縫取lf≤60hf

受動(dòng)載：每條側(cè)縫取lf≤40hf

（超出部分不考慮）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT312）受彎矩M的T字接頭2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT32危險(xiǎn)點(diǎn)：AIfx——對(duì)軸x求慣性矩，稱為軸慣性矩法。

2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT333）承受M的搭接接頭2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT34計(jì)算假設(shè)：（1）構(gòu)件為絕對(duì)剛性，焊縫為彈性；（2）在M作用下，構(gòu)件焊縫計(jì)算截面型心作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)

由上面假設(shè)有：在一點(diǎn)處，τi大小于其到O的距離成正比，方向垂直于連線當(dāng)點(diǎn)距O為單位長度r=1時(shí)，焊縫計(jì)算應(yīng)力為：τ1

當(dāng)點(diǎn)距O為單位長度r=i時(shí)，焊縫計(jì)算應(yīng)力為：τi

τ1/r1=τi/ri

r1=1

τi=τ1·r

i2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT35

IP（極慣矩）

所以：τ1=M/IP

任一點(diǎn)處：τi=τi·ri=ri·M/IP

τmax=rmax·M/IP

離型心最遠(yuǎn)的焊縫所受的剪應(yīng)力.

強(qiáng)度計(jì)算式：τmax=rmax·M/IP≤〔τh〕極慣性矩法2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT36τmax=rmax·M/(Ix+Iy)≤〔τh〕軸慣性矩法（常用）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT374）復(fù)雜焊縫的強(qiáng)度計(jì)算（1）承受N、Q、M的工字形截面接頭的貼角的焊縫2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT38①將外力P、N向焊縫截面簡化得：Q=P，M=P·e,N.②計(jì)算焊縫截面幾何特性參數(shù)：Af,A′f,If,WfA,WfB③危險(xiǎn)點(diǎn)：A，B強(qiáng)度計(jì)算A:B:2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT39式中：Af—焊縫總面積.

Af—腹板焊縫部分的面積.

,WfA,WfB—分別為A，

B點(diǎn)的抗彎截面模量2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT40（2）承受N，Q，M的搭接接頭2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT41①將外力向形心轉(zhuǎn)化得：N，Q=P，M=P·e

假設(shè)：在N，Q作用下，應(yīng)力由全部焊縫均擔(dān)任一點(diǎn)處：τN=N/Af(→)τQ=Q/Af(↓)

在M作用下，離O點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)為A，B點(diǎn).危險(xiǎn)點(diǎn)：A（見右上圖分析）

sinα=ymax/rA

cosα=xmax/rA

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強(qiáng)度條件：其中：τMA=rA·M/IP=rA·M/Ix+Iy

2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT43§3—5設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng)根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，疲勞失效占金屬結(jié)構(gòu)失效形式的（80—90）%，尤其對(duì)經(jīng)常滿載，頻繁工作，承受變載，動(dòng)載的港口裝卸用的起重機(jī)，疲勞破壞往往從焊接接頭處開始產(chǎn)生.一、合理選材：塑、韌性好——抗裂性好，慎用高強(qiáng)度鋼材。板厚一般δmin≥4mmδmax≤40mmQ235δmax≤30mm16Mn2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT44二、構(gòu)造設(shè)計(jì)：合理布置焊縫，注意細(xì)節(jié)處理.1.焊縫不宜太集中2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT452.避免焊縫主體交叉（使主焊縫連續(xù)，次焊縫斷開）3.避免焊縫布置在易產(chǎn)生應(yīng)力集中處2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT464.不同厚（寬）的鋼板對(duì)焊接時(shí)，應(yīng)使力流平滑過渡.2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT47

（滿足表3—2的不等厚板對(duì)接厚度差時(shí)，可不開斜口）對(duì)接：δ＞6mm(手工焊)δ＞8mm（自動(dòng)焊）應(yīng)開剖口，剖口形式詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)或國家標(biāo)準(zhǔn)5.不允許采用單面搭接端焊縫2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT486.焊縫布置應(yīng)便于施工（詳見P75）

7.焊縫高度（貼角焊縫hmin,hmax）,應(yīng)滿足構(gòu)造要求（P70）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT498.焊縫重心線應(yīng)盡量與構(gòu)件重心線重合焊縫的分配比例見P71，表3—42023/9/2物流工程學(xué)院WHUT509.承靜載時(shí)，宜優(yōu)先采用二面?zhèn)群赋袆?dòng)載時(shí)，宜優(yōu)先采用三面?zhèn)群歌旒芄?jié)點(diǎn)2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT51§3—6普通螺栓連接一、分類：

普通螺栓：①粗制—Ⅱ類孔，Φ孔-d栓=1～2mm，用于主要受拉的連接2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT52②精制—Ⅰ類孔，Φ孔-d栓=0.2～0.3mm,（鉸孔）用于同時(shí)承拉，剪，或受剪連接.

（鉆模、鉆、沖孔、擴(kuò)鉆、鉸孔）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT53二、連接形式：①剪力螺栓連接②拉力螺栓連接③拉剪力螺栓連接三、螺栓布置的極限尺寸要求（P79，表3—5）布置方式及要求：①并列②錯(cuò)列見P28圖3—492023/9/2物流工程學(xué)院WHUT54§3—7剪力螺栓連接計(jì)算2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT55一、受軸心力作用下的受剪螺栓連接

破壞形式：栓桿剪斷，孔壁或桿身壓壞，板端剪裂，板端拉裂，板拉斷常見破壞形式：栓桿剪斷，孔壁擠壞，板拉斷。計(jì)算內(nèi)容：螺栓、構(gòu)件計(jì)算方法：Ⅰ先計(jì)算所需螺栓數(shù)，后進(jìn)行布置

Ⅱ先按經(jīng)驗(yàn)布置，后驗(yàn)算按方法Ⅰ.2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT561.所需螺栓數(shù)：式中：—單螺栓抗剪許用承載力和孔壁抗壓許用承載力中的較小值

許用剪應(yīng)力見表3—7

—許用壓應(yīng)力表3—7—擠壓面積

—同方向承壓構(gòu)件的較小總厚度2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT572.構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算：設(shè)δB＜∑δA（如取構(gòu)件板B計(jì)算）:2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT58危險(xiǎn)截面：并列布置時(shí)—為第1列栓孔處（Ⅰ—Ⅰ截面）錯(cuò)列布置時(shí)—①第1列栓孔處（Ⅰ—Ⅰ截面）②第1，2列及其后面栓孔處的鋸齒形截面（Ⅱ—Ⅱ）強(qiáng)度驗(yàn)算：σ=N/Aj≤〔σ〕Aj—Ⅰ—Ⅰ截面：Aj=A-n1dδⅡ—Ⅱ截面：Aj=A-(n1+n2)dδ+

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二、偏心力作用下的受剪螺栓連接2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT60外力向螺栓群心o轉(zhuǎn)化假定：①在過o的P力作用下，各栓受相同剪力，RP=P/n②在M作用下，連接板繞群心o旋轉(zhuǎn)，各栓受剪力，大小與其與o距離成正比，方向垂直于連線oi；R1/r1=Ri/ri=KRi=KriRmax=K·rmax2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT61分析：危險(xiǎn)螺栓？Rmax=?

危險(xiǎn)螺栓：4和6

在M作用下：2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT62在P作用下：RP=P/n危險(xiǎn)螺栓強(qiáng)度條件：

式中：—取和中的較小者2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT63§3—8拉力螺栓連R:杠桿反力2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT64一、軸心作用下的拉力螺栓螺栓破壞截面—螺紋、根部?？紤]杠桿反力及應(yīng)力集中因素的影響，將螺栓許用應(yīng)力降低20%式中：—單栓抗拉許用承載力.

—螺栓抗拉許用應(yīng)力.—螺栓材料許用應(yīng)力

d0—螺紋內(nèi)徑2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT65二、力矩作用下的拉力螺栓2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT66

假定連接法蘭（板）剛性足夠大，在M作用下，連接板繞受壓邊排螺栓線：x′-x′軸轉(zhuǎn)動(dòng)，各螺栓所受拉力與其到x′-x′軸的距離成正比。

Pi/yi=Pmax/ymax

Pi=Pmax·yi/ymax

螺栓強(qiáng)度條件：

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三、偏心受拉螺栓2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT68

當(dāng)e>ρ時(shí)：先計(jì)算e=M/Nρ=Ix/n|ymax|再判斷：e≤ρ或e＞ρ而后計(jì)算：Pmax

螺栓強(qiáng)度條件：

2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT69§3—9拉剪螺栓連接計(jì)算：(自學(xué))

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：在拉剪聯(lián)合作用下，符合因形相關(guān)公式：2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT70

若螺栓的計(jì)算拉力、剪力分別為Pll和Pjl，則強(qiáng)度條件為：

（結(jié)論：當(dāng)強(qiáng)度滿足）2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT71§3—10高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)計(jì)算一、種類、特點(diǎn)及應(yīng)用1.按形狀分：①大六角頭

用扭矩扳手

2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT72②扭剪形（日本首例）

先用普通扳手，后用TC型電動(dòng)扳手套住螺母和卡頭終擰，直至卡頭擰斷。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT732.按受剪螺栓受力性能的不同階段分：摩擦型承壓型摩擦型的工作原理：對(duì)螺栓施加足夠大的預(yù)緊力使被連接件接觸面間產(chǎn)生摩擦力來傳遞力。承載能力極限狀態(tài)：被連接件間的摩擦阻力剛被克服作為其極限狀態(tài).

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特點(diǎn)：不松動(dòng)，耐疲勞。應(yīng)用：用于直接承受動(dòng)雜載的結(jié)構(gòu)。承壓型：承載能力極限狀態(tài)：連接面間滑移后，栓桿剪斷或孔壁擠壓壞，宜用于承靜載或間接承動(dòng)載的結(jié)構(gòu)。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT75

二、摩擦型高強(qiáng)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算

1.軸心力作用下的剪力螺栓2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT76N/n≤〔P〕

〔P〕—但栓抗滑許用承載力.

〔P〕=0.7·Zm·f·PgZm—傳力摩擦面數(shù)；

f—摩擦系數(shù)（與表面處理方法有關(guān)），查表（3-9）

Pg—預(yù)拉力（預(yù)緊力）.查表3-80.7—安全系數(shù)n=1.43的倒數(shù).2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT772.偏心力作用下的剪力螺栓

計(jì)算公式同普通螺栓，但許用承載力應(yīng)為高強(qiáng)螺栓的許用承載力。2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT783.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.2023/9/2物流工程學(xué)院WHUT79強(qiáng)度條件：單栓抗滑承載力：PQ≤〔P〕′

單栓抗拉承載力：PN≤0.7Pg〔P〕′—拉、剪作用下的單栓抗滑許用承載力

〔P〕′=0.7Zmf(Pg-1.4Pt)Pt—每個(gè)螺栓