第三章-金屬結(jié)構(gòu)的連接課件

§3—1連接方法及特點一、方法：

焊接：（廣泛應用）螺栓連接：（用于常裝拆的結(jié)構(gòu)）分為：普通螺栓和高強度螺栓鉚釘連接：（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）12/6/20231物流工程學院WHUT二、特點：

焊接：制造簡便，省工省料，不削弱構(gòu)件截面易于自動化操作；但易產(chǎn)生殘余應力和變形、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，但費工費料，削易構(gòu)件截面，動載作用下易松動；高強度螺栓除具有普通螺栓優(yōu)點以外，還具有傳力均勻，12/6/20232物流工程學院WHUT應力集中小，疲勞強度高等優(yōu)點，但螺栓制造和連接表面要求較高。鉚接：承動載能力強，低溫下工作較可靠，但不能拆。12/6/20233物流工程學院WHUT§3—2連接的材料一、焊接（與焊接方法有關(guān)），焊接方法達

35種之多。1.金屬結(jié)構(gòu)（起重機）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12/6/20234物流工程學院WHUT電弧焊：應用最多熱源：電?、偈止る娀『?；②埋弧自動（半自動）焊；③氣體保護焊電渣焊：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。12/6/20235物流工程學院WHUT

2.焊接材料：（電弧焊）

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

E4303（一般）

注：“43”為抗拉強度“0”為位置“03”為藥皮及電流（T422）

E4315E4316應用于重要結(jié)構(gòu)或重級工作制（T427）（T426）12/6/20236物流工程學院WHUT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）12/6/20237物流工程學院WHUT

2）埋弧自動（半自動）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）氣體保護焊：焊絲+氣體（CO2，氬氣等）12/6/20238物流工程學院WHUT二、螺栓分為：①普通螺栓—Q235-A,Q235-B,35；②高強度螺栓—螺栓：

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

螺母：45，15MnVB

墊圈：45(平墊圈)12/6/20239物流工程學院WHUT§3—3.焊接接頭型式與焊縫型式對接接頭對接焊縫

12/6/202310物流工程學院WHUT

搭接接頭貼角焊縫

塞焊縫（角）槽形焊縫（角）12/6/202311物流工程學院WHUTT字接頭開剖口焊縫角接接頭開剖口焊縫

12/6/202312物流工程學院WHUT§3—4.焊縫的靜強度計算一、對接焊縫的靜強度計算.1.承受軸力的對接焊縫：

12/6/202313物流工程學院WHUT

σh=N/Af=N/lf·δ≤〔σh〕

式中：lf—焊縫計算長度：有引弧板時lf=b

無引弧板時lf=b-5×2mm〔σh〕—焊縫許用應力，查表3-1（P67）12/6/202314物流工程學院WHUT

2.承受剪力的對接焊縫（純剪）

τ=Q/Af=Q/lf·d≤〔τh〕

式中：lf、δ同前，〔τh〕查表3—112/6/202315物流工程學院WHUT

3.N、Q、M共同作用下的對接焊縫例1：12/6/202316物流工程學院WHUT危險點：A、B.A：σh=N/Af+M/Wf≤〔σh〕B:τh=QSf/If·δ≤〔τh〕Sf—計算點到截面邊緣部分的截面面積對中性軸（通過截面型心的軸）的靜矩12/6/202317物流工程學院WHUT例2：12/6/202318物流工程學院WHUT危險點：A，B.A：

B:12/6/202319物流工程學院WHUT二、貼角焊縫的靜強度計算1）側(cè)焊縫12/6/202320物流工程學院WHUT（1）應力分布規(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）12/6/202321物流工程學院WHUT2）端焊縫12/6/202322物流工程學院WHUT

（1）應力分布規(guī)律：復雜，應力集中在根部（a點）；（2）破壞形式：多樣。3)圍焊縫（三面圍焊）：塑性低于側(cè)焊，靜強度和側(cè)焊相當，疲勞強度高于側(cè)焊，由于貼角焊縫差別較大，受力復雜精確計算十分困難，以往多數(shù)國家采用以實驗結(jié)果為主要依據(jù)的計劃設計算法。12/6/202323物流工程學院WHUT

2.貼角焊縫發(fā)計算假定：

除忽略焊接殘余應力及焊縫的增高影響外，做如下幾點假定：

1）不分側(cè)縫和端縫

2）以焊接的最小截面—45斜面作為計算截面

3）不論連接受拉、壓、剪、彎、把計算應力均視為剪應力。12/6/202324物流工程學院WHUT

3.貼角焊縫的靜強度計算

1）連接受軸向力的搭接接頭例1.12/6/202325物流工程學院WHUT

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

12/6/202326物流工程學院WHUT例2.

τN=N/Af=N/(∑lf·δf)≤〔τh〕其中δf為周長

∑lf—連接一邊焊縫的計算長度之和，按下面規(guī)則取值12/6/202327物流工程學院WHUT12/6/202328物流工程學院WHUT注：焊縫計算長度的規(guī)定：（1）各條側(cè)縫或端縫的最小計算長度取為

8hf且不小于40mm（由構(gòu)造保證）.

（2）側(cè)焊縫的最大計算長度受靜載：每條側(cè)縫取lf≤60hf

受動載：每條側(cè)縫取lf≤40hf

（超出部分不考慮）12/6/202329物流工程學院WHUT2）受彎矩M的T字接頭12/6/202330物流工程學院WHUT危險點：AIfx——對軸x求慣性矩，稱為軸慣性矩法。

12/6/202331物流工程學院WHUT3）承受M的搭接接頭12/6/202332物流工程學院WHUT計算假設：（1）構(gòu)件為絕對剛性，焊縫為彈性；（2）在M作用下，構(gòu)件焊縫計算截面型心作相對轉(zhuǎn)動

由上面假設有：在一點處，τi大小于其到O的距離成正比，方向垂直于連線當點距O為單位長度r=1時，焊縫計算應力為：τ1

當點距O為單位長度r=i時，焊縫計算應力為：τi

τ1/r1=τi/ri

r1=1

τi=τ1·r

i12/6/202333物流工程學院WHUT

IP（極慣矩）

所以：τ1=M/IP

任一點處：τi=τi·ri=ri·M/IP

τmax=rmax·M/IP

離型心最遠的焊縫所受的剪應力.

強度計算式：τmax=rmax·M/IP≤〔τh〕極慣性矩法12/6/202334物流工程學院WHUTτmax=rmax·M/(Ix+Iy)≤〔τh〕軸慣性矩法（常用）12/6/202335物流工程學院WHUT4）復雜焊縫的強度計算（1）承受N、Q、M的工字形截面接頭的貼角的焊縫12/6/202336物流工程學院WHUT①將外力P、N向焊縫截面簡化得：Q=P，M=P·e,N.②計算焊縫截面幾何特性參數(shù)：Af,A′f,If,WfA,WfB③危險點：A，B強度計算A:B:12/6/202337物流工程學院WHUT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點的抗彎截面模量12/6/202338物流工程學院WHUT（2）承受N，Q，M的搭接接頭12/6/202339物流工程學院WHUT①將外力向形心轉(zhuǎn)化得：N，Q=P，M=P·e

假設：在N，Q作用下，應力由全部焊縫均擔任一點處：τN=N/Af(→)τQ=Q/Af(↓)

在M作用下，離O點最遠的點為A，B點.危險點：A（見右上圖分析）

sinα=ymax/rA

cosα=xmax/rA

12/6/202340物流工程學院WHUT強度條件：其中：τMA=rA·M/IP=rA·M/Ix+Iy

12/6/202341物流工程學院WHUT§3—5設計焊接結(jié)構(gòu)的注意事項根據(jù)資料統(tǒng)計，疲勞失效占金屬結(jié)構(gòu)失效形式的（80—90）%，尤其對經(jīng)常滿載，頻繁工作，承受變載，動載的港口裝卸用的起重機，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，慎用高強度鋼材。板厚一般δmin≥4mmδmax≤40mmQ235δmax≤30mm16Mn12/6/202342物流工程學院WHUT二、構(gòu)造設計：合理布置焊縫，注意細節(jié)處理.1.焊縫不宜太集中12/6/202343物流工程學院WHUT2.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)生應力集中處12/6/202344物流工程學院WHUT4.不同厚（寬）的鋼板對焊接時，應使力流平滑過渡.12/6/202345物流工程學院WHUT（滿足表3—2的不等厚板對接厚度差時，可不開斜口）對接：δ＞6mm(手工焊)δ＞8mm（自動焊）應開剖口，剖口形式詳見機械設計手冊或國家標準5.不允許采用單面搭接端焊縫12/6/202346物流工程學院WHUT

6.焊縫布置應便于施工（詳見P75）

7.焊縫高度（貼角焊縫hmin,hmax）,應滿足構(gòu)造要求（P70）12/6/202347物流工程學院WHUT

8.焊縫重心線應盡量與構(gòu)件重心線重合焊縫的分配比例見P71，表3—412/6/202348物流工程學院WHUT

9.承靜載時，宜優(yōu)先采用二面?zhèn)群赋袆虞d時，宜優(yōu)先采用三面?zhèn)群歌旒芄?jié)點12/6/202349物流工程學院WHUT§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12/6/202350物流工程學院WHUT②精制—Ⅰ類孔，Φ孔-d栓=0.2～0.3mm,（鉸孔）用于同時承拉，剪，或受剪連接.

（鉆模、鉆、沖孔、擴鉆、鉸孔）12/6/202351物流工程學院WHUT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錯列見P28圖3—4912/6/202352物流工程學院WHUT§3—7剪力螺栓連接計算12/6/202353物流工程學院WHUT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。計算內(nèi)容：螺栓、構(gòu)件計算方法：Ⅰ先計算所需螺栓數(shù)，后進行布置Ⅱ先按經(jīng)驗布置，后驗算按方法Ⅰ.12/6/202354物流工程學院WHUT

1.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

許用剪應力見表3—7

—許用壓應力表3—7—擠壓面積

—同方向承壓構(gòu)件的較小總厚度12/6/202355物流工程學院WHUT

2.構(gòu)件強度計算：設δB＜∑δA（如取構(gòu)件板B計算）:12/6/202356物流工程學院WHUT危險截面：并列布置時—為第1列栓孔處（Ⅰ—Ⅰ截面）錯列布置時—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）強度驗算：σ=N/Aj≤〔σ〕Aj—Ⅰ—Ⅰ截面：Aj=A-n1dδⅡ—Ⅱ截面：Aj=A-(n1+n2)dδ+

12/6/202357物流工程學院WHUT二、偏心力作用下的受剪螺栓連接12/6/202358物流工程學院WHUT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·rmax12/6/202359物流工程學院WHUT分析：危險螺栓？Rmax=?

危險螺栓：4和6

在M作用下：12/6/202360物流工程學院WHUT在P作用下：RP=P/n危險螺栓強度條件：

式中：—取和中的較小者12/6/202361物流工程學院WHUT§3—8拉力螺栓連R:杠桿反力12/6/202362物流工程學院WHUT一、軸心作用下的拉力螺栓螺栓破壞截面—螺紋、根部?？紤]杠桿反力及應力集中因素的影響，將螺栓許用應力降低20%式中：—單栓抗拉許用承載力.

—螺栓抗拉許用應力.—螺栓材料許用應力

d0—螺紋內(nèi)徑12/6/202363物流工程學院WHUT二、力矩作用下的拉力螺栓12/6/202364物流工程學院WHUT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，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

螺栓強度條件：

12/6/202365物流工程學院WHUT三、偏心受拉螺栓12/6/202366物流工程學院WHUT當e>ρ時：先計算e=M/Nρ=Ix/n|ymax|再判斷：e≤ρ或e＞ρ而后計算：Pmax

螺栓強度條件：

12/6/202367物流工程學院WHUT§3—9拉剪螺栓連接計算：(自學)根據(jù)試驗結(jié)果：在拉剪聯(lián)合作用下，符合因形相關(guān)公式：12/6/202368物流工程學院WHUT若螺栓的計算拉力、剪力分別為Pll和Pjl，則強度條件為：

（結(jié)論：當強度滿足）12/6/202369物流工程學院WHUT§3—10高強度螺栓連接設計計算一、種類、特點及應用1.按形狀分：①大六角頭

用扭矩扳手

12/6/202370物流工程學院WHUT②扭剪形（日本首例）

先用普通扳手，后用TC型電動扳手套住螺母和卡頭終擰，直至卡頭擰斷。12/6/202371物流工程學院WHUT

2.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：對螺栓施加足夠大的預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).

12/6/202372物流工程學院WHUT特點：不松動，耐疲勞。應用：用于直接承受動雜載的結(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載的結(jié)構(gòu)。12/6/202373物流工程學院WHUT二、摩擦型高強螺栓連接的強度計算

1.軸心力作用下的剪力螺栓12/6/202374物流工程學院WHUT

N/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—預拉力（預緊力）.查表3-80.7—安全系數(shù)n=1.43的倒數(shù).12/6/202375物流工程學院WHUT

2.偏心力作用下的剪力螺栓

計算公式同普通螺栓，但許用承載力應為高強螺栓的許用承載力。12/6/202376物流工程學院WHUT

3.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.12/6/202377物流工程學院WHUT強度條件：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—每個螺栓所受的外拉力.Pt≤0.7Pg12/6/202378物流工程學院