钢结构设计原理第3章张建平_精品文档PPT资料.ppt

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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。

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、焊缝形式正对接对接焊接斜对接K形对接焊缝正面角焊缝：

力的方向与焊缝长度方向垂直角焊缝侧面角焊缝：

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v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）未焊透二、焊缝质量检验v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。

v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。

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、螺栓及其孔眼图例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。

表3.2焊缝符号注：

”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角焊缝的构造与计算一、截面形式普通型直角角焊缝坡式凹面式斜角角焊缝3.3.1角焊缝的形式和强度角焊缝的形式和强度图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v主要承受剪力，塑性较好，弹性模量低，强度较低v应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大，中间小v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v应力复杂，强度较高，塑性变形差图3.13正面角焊缝应力状态3.3.2角焊缝的构造要求角焊缝的构造要求关于hfmax关于hfmin侧面角焊缝的最大计算长度角焊缝最小计算长度图3.14最大焊脚尺寸搭接连接的构造要求搭接连接的构造要求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作用于焊缝有效截面的上应力有：

v垂直于焊缝有效截面的正力v垂直于焊缝长度方向的剪应力v沿焊缝长度方向的剪应力图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。

根据试验结果，并与材料的折算应力计算公式一致，得下式式中fuw焊缝金属的抗拉强度；

ffw角焊缝抗剪强度。

将、代入，得：

或式中f按焊缝有效截面（）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；

f按焊缝的有效截面（）计算，沿焊缝长度方向的剪应力；

f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，当为斜焊缝时，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：

对承受直接动力荷载的焊缝连接，f=13.3.4直角角焊缝连接的计算直角角焊缝连接的计算图3.21受轴心力的盖板连接当采用三面围焊时，正面角焊缝承担的力：

侧面角焊缝强度：

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。

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=16mm6mm，t2t1，则hfmax=t-（12）=16-（12）=15mm或14mmhfmin=1.5=1.5=7.9mm取hf=10mm，查附表1.2得角焊缝强度设计值ffw=160N/mm2

（1）采用两面侧焊时一条侧焊缝的实际长度为：

所需拼接盖板长度：

选定拼接盖板宽度b=240mm，则：

满足强度要求。

根据构造要求可知满足要求，故选定拼接盖板尺寸为680mm240mm16mm。

，取680mm且式中，10mm为两块被连接钢板间的间隙。

（2）采用三面围焊时正面角焊缝所能承受的内力为：

所需焊缝的总长度为：

一条侧面焊缝的长度为：

，取为180mm。

拼接盖板的长度为：

（3）采用菱形拼接盖板时正面角焊缝：

侧面角焊缝：

斜焊缝：

连接一侧焊缝所能承受的内力为：

满足要求。

图3.22斜向轴心力作用则

（2）承受斜向轴心力的角焊缝连接计算（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：

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：

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；

1、2角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，设计时可近似取例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212510，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。

正面角焊缝所能承受的内力N3为肢背角焊缝所能承受的内力N1为则计算肢尖焊缝承受的内力N2为肢尖焊缝的长度为：

二、承受弯矩、轴心力或剪力联合作用的角焊缝连接计算图3.27承受偏心斜拉力的角焊缝由轴心拉力Nx产生的应力：

由弯矩M产生的应力：

垂直于焊缝长度方向的应力为：

剪力Ny产生的平行于焊缝长度方向的应力：

则焊缝的强度计算式为：

对工字型焊缝图3.28工字型梁（或牛腿）的角焊缝连接假设剪力全部由腹板焊缝承担则式中M全部焊缝所承受的弯矩；

Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；

h上、下翼缘焊缝有效最外纤维之间的距离。

式中（he2lw2）腹板焊缝有效截面积之和；

h2腹板焊缝的实际长度。

则腹板焊缝的强度验算式为：

例3.5试验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。

钢材为Q235B，焊条为E43型，手工焊。

静态荷载设计值N=365kN，偏心距e=350mm，焊脚尺寸hf1=8mm,hf2=6mm。

图为焊缝有效截面的示意图。

解

（1）考虑腹板焊缝参加传递弯矩的计算方法全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为：

翼缘焊缝的最大应力：

腹板焊缝中由于弯矩M引起的最大应力：

由于剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力：

则腹板焊缝的强度为：

（2）不考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法翼缘焊缝所承受的水平力：

翼缘焊缝的强度：

腹板焊缝的强度：

三、承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝连接计算图3.31受剪力和扭矩作用的角焊缝基于下列假定：

计算角焊缝在扭矩T作用下产生的应力时，是v被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身是弹性的；

v角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。

在扭矩T作用下，A点（或A点）的应力为：

式中Ip焊缝有效截面的极惯性矩，Ip=Ix+Iy。

将r沿x轴和y轴分解为：

在剪力V作用下：

A点合应力应满足的强度条件为：

例3.7图3.31钢板长度l1=400mm，搭接长度l2=300mm，荷载设计值F=217kN，偏心距e1=300mm（至柱边缘的距离），钢材为Q235B，手工焊，焊条E43型，试确定焊缝的焊脚尺寸并验算该焊缝群的强度。

设焊缝的焊脚尺寸均为hf=8mm。

焊缝计算截面的重心位置为：

焊缝截面的极惯性矩：

由于故扭矩轴心力V在A点产生的应力为：

Tx平行于焊缝长度方向，f=Tx，则说明取hf=8mm是合适的。

3.4对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算3.4.1对接焊缝的构造对接焊缝的构造v焊件边缘根据厚度做成坡口；

v不同宽度及厚度焊件对接焊时应平缓过渡；

v尽量采用引弧板。

图3.33对接焊缝的坡口形式图3.34钢板拼接（a）改变宽度；

（b）改变厚度图3.35用引弧板和引出板焊接3.4.2对接焊缝的计算对接焊缝的计算一、焊透的对接焊缝

（1）轴心受力的对接焊缝图3.36对接焊缝受轴心力垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝，其强度可按下式计算：

式中N轴心拉力或压力；

lw焊缝的计算长度，当未采用引弧板和引出板施焊时，取实际长度减去2t；

t在对接接头中连接件的较小厚度，在T形接头中为腹板厚度；

ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。

如直缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。

当tan1.5时，斜焊缝的强度不低于母材强度，可不再进行计算。

（2）承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝图3.37对接焊缝受弯矩和剪力联合作用式中Ww焊缝截面模量；

Sw焊缝截面面积矩；

Iw焊缝截面惯性矩。

如图（a）所示钢板对接接头，焊缝正应力与剪应力最大值应分别满足下列强度条件：

如图（b）所示工字形截面的对接接头，满足的强度条件：

3.5焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形3.5.1焊接应力的分类和产生的原因焊接应力的分类和产生的原因一、纵向焊接应力焊接应力沿焊缝长度方向，由焊缝的纵向收缩引起。

二、横向焊接应力

（1）由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形；

（2）先焊的焊缝凝固，阻止后焊焊缝在横向自由膨胀三、沿厚度方向的焊接应力图3.42焊缝的横向焊接应力图3.43厚板中的焊接残余应力3.5