第三章--钢结构的连接1课件

第三章第三章 钢结构的构的连接接11 1、钢结构连接的原则：、钢结构连接的原则：安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便、安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便、节约钢材。节约钢材。2 2、钢结构连接的类型、钢结构连接的类型 焊接连接（焊接连接（Welds Connections)Welds Connections)对接焊对接焊缝、角焊缝缝、角焊缝 铆钉连接（铆钉连接（Rivets Connections Rivets Connections）螺栓连接（螺栓连接（Bolts Bolts ConnectionsConnections ）普通螺普通螺栓、高强螺栓栓、高强螺栓第一节第一节 连接的类型连接的类型一、连接方法一、连接方法 有那有那些些?焊接焊接铆接铆接螺栓连接螺栓连接胶水粘贴胶水粘贴 二各种连接的特点二各种连接的特点 1 1 焊接：不削弱断面、构造简单、节约钢材、焊接：不削弱断面、构造简单、节约钢材、密闭性好、可自动化；密闭性好、可自动化；加热金相改变、加热金相改变、残余应力应变残余应力应变 焊接方法：焊接方法：1 1 手工电弧焊手工电弧焊 2 2自动电弧焊自动电弧焊 3 3气体保护焊气体保护焊 2 2 铆接：塑性好、韧性好、传力可靠；铆接：塑性好、韧性好、传力可靠；削弱断面制孔打锚费工、削弱断面制孔打锚费工、3 3 螺栓：操作简单、便于拆卸螺栓：操作简单、便于拆卸 削弱断面制孔打锚费工、削弱断面制孔打锚费工、普通螺栓普通螺栓:A:A级级,B,B级级,C,C级（粗）级（粗）高强螺栓：摩擦型高强螺栓：摩擦型 适用于动载适用于动载 承压型承压型 不能用于动载不能用于动载焊缝图示焊缝图示自动焊自动焊焊接原理焊接原理焊接实例焊接实例水下焊接水下焊接铆接示意铆接示意加热到加热到900-1000，迅速插入钉孔迅速插入钉孔用风压铆钉枪或液用风压铆钉枪或液压铆钉机把钉端压压铆钉机把钉端压成钉头成钉头铆接实例铆接实例螺栓连接示意螺栓连接示意焊接与铆接和螺栓连接比较焊接与铆接和螺栓连接比较铆接与螺栓连接铆接与螺栓连接螺栓连接受、拉压力螺栓连接受、拉压力普通螺栓连接普通螺栓连接高强螺栓连接高强螺栓连接普通螺栓与高强螺栓传力示意普通螺栓与高强螺栓传力示意普通螺栓连接普通螺栓连接高强螺栓连接高强螺栓连接普通螺栓与高强螺栓传力示意普通螺栓与高强螺栓传力示意正对接焊缝与斜对接焊缝斜对接焊缝正对接焊缝连接方式连接方式项目项目焊接连接焊接连接铆钉连接铆钉连接螺栓连接螺栓连接优点优点 构造简单、制作构造简单、制作加工方便、自动化加工方便、自动化程度高、密闭性好程度高、密闭性好、结构刚度大、结构刚度大、用用料经济，不削弱截料经济，不削弱截面，接头紧凑面，接头紧凑塑性韧性好、塑性韧性好、传力可靠、传力可靠、质量易于检质量易于检查和保证查和保证操作简单、便于拆操作简单、便于拆卸卸高强螺栓连接紧密、高强螺栓连接紧密、耐疲劳性能好、可耐疲劳性能好、可承受动载承受动载缺点缺点热影响区钢材变脆热影响区钢材变脆、存在焊接残余应、存在焊接残余应力和残余变形、对力和残余变形、对钢材内部缺陷很敏钢材内部缺陷很敏感低温冷脆问题较感低温冷脆问题较为突出为突出铆接工艺和铆接工艺和构造复杂、构造复杂、费钢费工费钢费工（现已少用）（现已少用）费钢费工、费钢费工、削弱截削弱截面面各种连接的有缺点各种连接的有缺点2.1 2.1 焊缝连接方法焊缝连接方法 1 1、电弧焊、电弧焊 电弧焊按操作方法又可分为电弧焊按操作方法又可分为手工电弧焊手工电弧焊(见图见图3-2)3-2)和和(半半)自动埋弧焊自动埋弧焊(见图见图3-3)3-3)，前者施焊灵活，前者施焊灵活，后者生产效率高，焊缝质量好。后者生产效率高，焊缝质量好。1 1）原理原理：电焊机的一个电极连接于钢焊件，另：电焊机的一个电极连接于钢焊件，另一个电极连接于焊把，焊把夹住焊条。将焊条与一个电极连接于焊把，焊把夹住焊条。将焊条与焊件接触形成焊件接触形成“短路短路”，焊条与焊件间遂发生电，焊条与焊件间遂发生电子放射而产生电弧。电弧温度甚高，把焊件钢材子放射而产生电弧。电弧温度甚高，把焊件钢材局部熔化形成熔池，同时焊条上的金属熔化吹入局部熔化形成熔池，同时焊条上的金属熔化吹入熔池，冷却后形成焊缝金属。熔池，冷却后形成焊缝金属。第二节第二节 焊缝连接焊缝连接2 2）焊条：）焊条：药皮的作用：稳定电弧；隔绝氧氮气体侵药皮的作用：稳定电弧；隔绝氧氮气体侵入；缓慢冷却；改善焊缝性能。入；缓慢冷却；改善焊缝性能。焊条型号：用焊条型号：用ExxxxExxxx表示，前两个数字表示表示，前两个数字表示焊条熔敷金属或对接焊缝的焊条熔敷金属或对接焊缝的抗拉强度抗拉强度，第，第3 3位数位数字表示焊条适用于字表示焊条适用于焊接位置焊接位置，0 0与与1 1表示焊条适表示焊条适用于全方位焊接（平焊、横焊、立焊、仰焊），用于全方位焊接（平焊、横焊、立焊、仰焊），2 2表示焊条适用于平焊与平角焊，表示焊条适用于平焊与平角焊，4 4表示焊条适表示焊条适用于向下立焊。第用于向下立焊。第3 3、4 4位数字表示位数字表示药皮类型和药皮类型和使用交流或直流电源使用交流或直流电源，当为，当为1010、1515时，仅适用时，仅适用于直流电源，于直流电源，1515、1616、1818为低氢型，适用于直为低氢型，适用于直接承受动载的结构。接承受动载的结构。焊条的采用：焊条的采用：Q235 Q235钢：钢：E43E43型（型（420MPa420MPa）E4300E4300E4328E4328；Q345(16Mn)Q345(16Mn)钢：钢：E50E50型（型（490MPa490MPa）E5000E5000E5048E5048；Q390 Q390、Q420Q420（15MnV15MnV）钢：）钢：E55 E55型型（540MPa540MPa）E5500E5500551855183 3）自动埋弧焊）自动埋弧焊 通电后，电弧发生在裸焊丝与焊件母材之间，电通电后，电弧发生在裸焊丝与焊件母材之间，电弧不外露，是埋在焊剂层内发生的，故名埋弧焊。弧不外露，是埋在焊剂层内发生的，故名埋弧焊。电焊机自动向前移动电焊机自动向前移动自动埋弧焊自动埋弧焊。电焊机靠人工移动电焊机靠人工移动半自动埋弧焊半自动埋弧焊。Q235Q235钢：钢：H08H08、H08AH08A焊丝焊丝+高锰型焊高锰型焊 剂（剂（HJ4xx)HJ4xx)H08MnA H08MnA焊丝焊丝+低锰型或无锰型焊剂低锰型或无锰型焊剂(HJ2xx)(HJ2xx)低合金钢：低合金钢：H10Mn2H10Mn2、H10MnSiH10MnSi焊丝焊丝+焊剂焊剂 例：例：HJ403H80MnAHJ403H80MnA2 2、电阻焊电阻焊 电阻焊是利用电流通过焊电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面时的电阻所产生件接触点表面时的电阻所产生的热量，来熔化焊件金属，再的热量，来熔化焊件金属，再利用压力使其焊合。它适用于利用压力使其焊合。它适用于焊接厚度为焊接厚度为6-12mm6-12mm的钢板，焊的钢板，焊点应主要承受剪力，其抗拉点应主要承受剪力，其抗拉(撕裂撕裂)能力较差。能力较差。3 3、电渣焊电渣焊 电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的热阻，电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的热阻，来熔化金属，使之焊合。特别适用于焊接来熔化金属，使之焊合。特别适用于焊接40mm40mm厚厚度以上的焊件，而且焊件可以不开坡口。度以上的焊件，而且焊件可以不开坡口。4 4、气体保护焊气体保护焊(CO2)气体保护焊是用焊枪中喷出的惰性气体气体保护焊是用焊枪中喷出的惰性气体保护施焊过程中的电弧、熔池和高温焊缝金保护施焊过程中的电弧、熔池和高温焊缝金属，用保护气体代替焊剂，属，用保护气体代替焊剂，自动送入焊丝代自动送入焊丝代替焊条的一种焊接方法。主要用于手工操作，替焊条的一种焊接方法。主要用于手工操作，与手工电弧焊相比较，速度快、焊接变形小。与手工电弧焊相比较，速度快、焊接变形小。CO CO2 2气体保护焊采用高锰高硅型焊丝，具有气体保护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈能力，焊缝不易产生气孔，适用较强的抗锈能力，焊缝不易产生气孔，适用于碳素钢、低合金高强度钢以及其他合金钢于碳素钢、低合金高强度钢以及其他合金钢的焊接。的焊接。2.2 2.2 焊缝缺陷及焊缝质量控制焊缝缺陷及焊缝质量控制1 1、焊缝缺陷焊缝缺陷 尺寸偏差、咬边、弧坑、未熔合、母材被烧穿、尺寸偏差、咬边、弧坑、未熔合、母材被烧穿、气孔、夹渣、裂纹、焊瘤、未焊透气孔、夹渣、裂纹、焊瘤、未焊透(图图3-4)3-4)等等2 2、缺陷的危害缺陷的危害 削弱焊缝有效面积；削弱焊缝有效面积；应力集中；裂纹处易断裂应力集中；裂纹处易断裂3 3、焊缝质量检验焊缝质量检验钢结构工程施工质量验收规范：钢结构工程施工质量验收规范：级：外观检验、超声波检验、局部级：外观检验、超声波检验、局部X X射线检射线检验，抗动力、抗疲劳结构；验，抗动力、抗疲劳结构；级：外观检验、超声波检验，受较大拉力或级：外观检验、超声波检验，受较大拉力或动载的对接焊缝；动载的对接焊缝；级：外观检验，一般钢结构，抗拉强度折减级：外观检验，一般钢结构，抗拉强度折减15%15%。图图3-4 3-4 焊缝缺陷焊缝缺陷(a)裂纹；裂纹；(b)焊瘤；焊瘤；(c)烧穿；烧穿；(d)弧坑；弧坑；(e)气孔；气孔；(f)夹渣；夹渣；(g)咬边；咬边；(h)未熔合未熔合；(i)未焊透。未焊透。焊接结构的特点焊接结构的特点与螺栓连接相比较，具有如下与螺栓连接相比较，具有如下优点优点：（1 1）焊缝连接不需钻孔，截面尺寸无削弱，不）焊缝连接不需钻孔，截面尺寸无削弱，不需要额外的连接钢板，省工省料，经济；需要额外的连接钢板，省工省料，经济；（2 2）焊接结构密封性好，刚度大和整体性好；）焊接结构密封性好，刚度大和整体性好；（3 3）可用于钢管间的）可用于钢管间的Y Y形和形和T T形复杂连接。形复杂连接。缺陷缺陷：在附近的主体金属中形成在附近的主体金属中形成“热影响区热影响区”（大致（大致56mm)56mm)，易导致材质变脆；，易导致材质变脆；焊缝易存在各种焊缝易存在各种缺陷缺陷：焊接残余应力、焊：焊接残余应力、焊接残余应变、局部裂纹、咬边、气孔、夹渣、接残余应变、局部裂纹、咬边、气孔、夹渣、母材被烧穿等。母材被烧穿等。2.3 2.3 焊缝连接形式及焊缝形式焊缝连接形式及焊缝形式1、焊缝连接的形式：、焊缝连接的形式：对接、搭接、对接、搭接、T T形连接和角部连接形连接和角部连接对接接头对接接头:被连接件在同一平面内。具有传力平顺、被连接件在同一平面内。具有传力平顺、用料经济，但焊件边缘需加工，用料经济，但焊件边缘需加工，间隙和坡口尺寸间隙和坡口尺寸要求严格；要求严格；搭接接头：搭接接头：被连接件相互交搭。具有构造简单、被连接件相互交搭。具有构造简单、施工方便、应用广，但传力不均匀、费料的特点；施工方便、应用广，但传力不均匀、费料的特点；T T形接头形接头：被连接件互相垂直。具有省工省料、：被连接件互相垂直。具有省工省料、适于组合截面，但应力集中严重，抗疲劳性能差适于组合截面，但应力集中严重，抗疲劳性能差的特点。的特点。角部连接角部连接：主要用于制作箱形截面。：主要用于制作箱形截面。2 2、焊缝形式：焊缝形式：按焊缝构造分：按焊缝构造分：对接焊缝（对接焊缝（坡口焊缝）坡口焊缝）-正对接焊缝和斜对正对接焊缝和斜对接焊缝接焊缝 角焊缝角焊缝 侧面角焊缝、正面角焊缝和斜焊侧面角焊缝、正面角焊缝和斜焊缝；缝；按工作性质分：按工作性质分：强度焊缝强度焊缝仅承受内力仅承受内力 密强焊缝密强焊缝承受内力、密闭；承受内力、密闭；按焊接位置分：按焊接位置分：平焊、横焊、立焊、仰焊平焊、横焊、立焊、仰焊。焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和间焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和间断角焊缝二种断角焊缝二种(图图3-7)3-7)。图图3-6 3-6 焊缝形式焊缝形式(a)(a)正对接焊缝正对接焊缝 (b)(b)斜对接焊缝斜对接焊缝 (c)(c)角焊缝角焊缝 图图3-7 3-7 连续角焊缝和间断角焊缝连续角焊缝和间断角焊缝图图3-8 3-8 焊缝施焊位置焊缝施焊位置(a)(a)平焊平焊 (b)(b)横焊横焊 (c)(c)立焊立焊 (d)(d)仰焊仰焊 焊缝代号焊缝代号 表表3-13-12.4 2.4 焊缝图纸表示焊缝图纸表示 焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号3 3部分组成部分组成 当当焊焊缝缝分分布布比比较较复复杂杂或或用用上上述述标标注注方方法法不不能能表表达达清清楚楚时时，在在标标注注焊焊缝缝代代号号的的同同时时，可可在在图图形形上上加加栅栅线线表表示示，见见图图3-93-9，甚甚至至可可加加注注必必要要的的说说明，直至表达无歧义。明，直至表达无歧义。图3-9 用栅线表示焊缝第三节第三节 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算3.1 3.1 对接焊缝的构造对接焊缝的构造1 1、特点特点：传力平顺、用料经济，但焊件边缘需加工，间传力平顺、用料经济，但焊件边缘需加工，间隙和坡口尺寸要求严格。隙和坡口尺寸要求严格。2 2、坡口形式：、坡口形式：对接焊缝又称坡口焊，坡口形式的选用，应根对接焊缝又称坡口焊，坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准手工电弧焊焊接据板厚和施工条件按现行标准手工电弧焊焊接接头的基本型式与尺寸和埋弧焊焊接接头的接头的基本型式与尺寸和埋弧焊焊接接头的基本型式与尺寸的要求进行。基本型式与尺寸的要求进行。（1 1）直边缝（直边缝（t10mmt10mm，c=0.5c=0.52mm)2mm)（2 2）单边）单边V V形或形或V V形缝（形缝（t=10t=1020mm,c=220mm,c=23mm)3mm)（3 3）U U形、形、K K形或形或X X形缝（形缝（t t20mm,c=320mm,c=34mm)4mm)（4 4）对于）对于V V形和形和U U形缝需补焊根部形缝需补焊根部 （5 5）对于厚度相差）对于厚度相差4mm4mm以上以及宽度不同时，做以上以及宽度不同时，做小大于小大于1 1：2.52.5的坡角，减小应力集中的坡角，减小应力集中 （6 6）在焊缝起灭弧处，易出现弧坑，影响焊缝）在焊缝起灭弧处，易出现弧坑，影响焊缝承载力，应设置引弧板；板长埋弧焊大于承载力，应设置引弧板；板长埋弧焊大于50mm50mm，手，手工电弧焊和气体保护焊大于工电弧焊和气体保护焊大于20mm20mm；焊接完毕，用气；焊接完毕，用气割将引弧板切除，并将焊件边缘修磨平整，严禁用割将引弧板切除，并将焊件边缘修磨平整，严禁用锤将其击落。锤将其击落。（7 7）对于无法使用引弧板施焊时，每条焊缝的）对于无法使用引弧板施焊时，每条焊缝的有效长度有效长度lwlw应较实际长度减少应较实际长度减少2t2t（t t为较薄焊件的为较薄焊件的厚度）厚度）图图3-10 3-10 对接焊缝的坡口形式对接焊缝的坡口形式(a)(a)直边缝直边缝 (b)(b)单边单边V V形坡口形坡口 (c)V (c)V形坡口形坡口 (d)U(d)U形坡口形坡口 (e)K (e)K形坡口形坡口 (f)X (f)X形坡口形坡口图图311图图3123.2 3.2 对接焊缝的计算对接焊缝的计算 焊透焊透和和不不焊透两种焊透两种3.2.1 3.2.1 焊透的对接焊缝的计算焊透的对接焊缝的计算 对接焊缝的对接焊缝的强度强度与所用钢材的牌号、焊条型与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。号及焊缝质量的检验标准等因素有关。1 1、轴心受力的对接焊缝、轴心受力的对接焊缝 焊缝缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，焊缝缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故认为受压、受剪的对接焊缝强度于母材等强，故认为受压、受剪的对接焊缝强度于母材等强，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感，三级检验的三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多焊缝允许存在的缺陷较多(缺陷与焊件面积之比超缺陷与焊件面积之比超过过5)，其抗拉强度为母材强度的，其抗拉强度为母材强度的8585，而一、，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等，故等，故受压、受剪和一、二级检验的受拉对接焊受压、受剪和一、二级检验的受拉对接焊缝可不进行计算。缝可不进行计算。三三级级检检验验的的轴轴心心受受力力的的对对接接焊焊缝缝(图图3-13)3-13)，可可按按下下式计算：式计算：N N轴心拉力或压力；轴心拉力或压力；f ft tw w和和f fc cw w对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值；对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值；t t 在对接连接中，是连接板件中的薄板厚度，在对接连接中，是连接板件中的薄板厚度，不考虑焊缝的加高部分，不考虑焊缝的加高部分，在在T T形接头中为腹板厚度形接头中为腹板厚度；l lw w对接焊缝的计算长度对接焊缝的计算长度。加引弧板时，为实际加引弧板时，为实际长度，不加引弧板时，为实际长度减去长度，不加引弧板时，为实际长度减去2t（t为较薄焊件为较薄焊件的厚度）的厚度）可采用斜焊缝加长焊缝长度，当夹角满足可采用斜焊缝加长焊缝长度，当夹角满足tg1.5tg1.5时，可不进行静力强度验算，即认为时，可不进行静力强度验算，即认为sinsin2 20.85 0.85（67.267.2）时斜焊缝与母材等强。）时斜焊缝与母材等强。(3-1)(3-1)图图3-13 3-13 对接焊缝受轴心力对接焊缝受轴心力例例3-1 3-1 试验算图试验算图3-133-13所示钢板的对接焊缝的强度。图中所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mma=540mm，t t22mm22mm，轴心力的设计值为，轴心力的设计值为N=2150kNN=2150kN。钢材为。钢材为Q235-BQ235-B，手工焊，焊条为，手工焊，焊条为E43E43型，三级检验标准的焊缝，施型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。焊时加引弧板。解：直缝连接时，计算长度解：直缝连接时，计算长度=540mm=540mm。焊缝正应力为：焊缝正应力为：不满足要求，改用斜对接焊缝，取截割斜度为不满足要求，改用斜对接焊缝，取截割斜度为1.51.5：1 1，即，即焊缝长度为：焊缝长度为：故此时焊缝的正应力为：故此时焊缝的正应力为：剪应力为：剪应力为：这就说明当这就说明当 时，焊缝强度能时，焊缝强度能够保证，可不必计算。够保证，可不必计算。采用斜焊缝时（采用斜焊缝时（级焊缝，级焊缝，tg1.5 tg1.5时）时）2.2.承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝(3-3)(3-3)并应验算折算应力为：并应验算折算应力为：(3-4)(3-4)1.1 1.1考虑到最大折算应力只在局部考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高的系数出现，而将强度设计值适当提高的系数(3-(3-2)2)正应力为：正应力为：剪应力为：剪应力为：3.3.承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝正应力为：正应力为：剪应力为：剪应力为：折算应力为：折算应力为：例例3-2 3-2 验算验算 热轧普通工字钢热轧普通工字钢 的对接的对接焊缝强度。对接截面承受弯矩焊缝强度。对接截面承受弯矩 ，剪力剪力 采用手工焊焊条采用手工焊焊条E43E43型型(按按级焊级焊缝质量检验缝质量检验)。图图3-15 3-15 工字钢对接焊缝示意图工字钢对接焊缝示意图解：由型钢表中查出解：由型钢表中查出由附表由附表1.21.2查得查得此外，还要验算腹板边缘此外，还要验算腹板边缘A A点对接焊缝的折算应力：点对接焊缝的折算应力：A A点以下翼缘焊缝截面对中和轴的面积矩点以下翼缘焊缝截面对中和轴的面积矩所以所以对接焊缝满足强度要求。对接焊缝满足强度要求。3.2.2 3.2.2 部分焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝 当受力很小，焊缝主要起联系作用；或焊缝当受力很小，焊缝主要起联系作用；或焊缝受力虽然较大，但采用焊透的对接焊缝将使强度受力虽然较大，但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥时，可采用不焊透的对接焊缝。不能充分发挥时，可采用不焊透的对接焊缝。当当 时：时：当当 时：时：第四节第四节 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算3.4.1 3.4.1 受力情况和构造要求受力情况和构造要求3-18 3-18 角焊缝的连接形式角焊缝的连接形式(a)(a)侧焊缝侧焊缝 (b)(b)围焊缝围焊缝 (c)(c)端焊缝端焊缝 (d)(d)侧焊缝侧焊缝(a)(a)普通式普通式 (b)(b)平坡式平坡式 (c)(c)深熔式深熔式角焊缝的截面形式角焊缝的截面形式3-19 直角角焊截面形式直角角焊截面形式(a)普通式普通式 (b)平坡式平坡式 (c)深熔式深熔式3-20 斜角角焊截面形式斜角角焊截面形式角焊缝的截面角焊缝的截面侧面角焊缝、正面角焊缝侧面角焊缝、正面角焊缝1、侧面角焊缝、侧面角焊缝 特点特点：焊缝长度方向与力作用线平行，主要承受剪应：焊缝长度方向与力作用线平行，主要承受剪应力，应力分布不均匀，两头大，中间小；破坏前逐渐趋力，应力分布不均匀，两头大，中间小；破坏前逐渐趋向均匀，塑性好，剪切弹模低（向均匀，塑性好，剪切弹模低（G=E/2.6），强度低。），强度低。剪切破坏发生在焊缝截面三角形最小厚度的平面上剪切破坏发生在焊缝截面三角形最小厚度的平面上（有效截面）（有效截面）he=hfcos45 0.7hf，Ae=0.7hflw2、正面角焊缝、正面角焊缝 特点特点：焊缝长度方向与力作用线垂直，承受正应力和剪：焊缝长度方向与力作用线垂直，承受正应力和剪应力的作用，焊根处应力集中较严重，其破坏形式可能是拉应力的作用，焊根处应力集中较严重，其破坏形式可能是拉断或剪坏，在静力作用下，其强度高于侧焊缝。断或剪坏，在静力作用下，其强度高于侧焊缝。强度较高（较侧焊缝高强度较高（较侧焊缝高35%左右），塑性与韧性较差左右），塑性与韧性较差4.1.2 4.1.2 角焊缝的构造要求角焊缝的构造要求（1 1）考虑起弧和灭弧的弧坑影响，每条焊缝的计算长度为）考虑起弧和灭弧的弧坑影响，每条焊缝的计算长度为实际长度减去实际长度减去 。（2 2）最小焊脚尺寸）最小焊脚尺寸h hf minf min-避免焊缝冷却过快，焊缝金属避免焊缝冷却过快，焊缝金属易淬硬，塑性降低易淬硬，塑性降低T T形连接单面焊缝：形连接单面焊缝：当焊件厚度当焊件厚度手工焊：手工焊：自动焊：自动焊：式中式中 t t 为较为较厚厚焊件的厚度（焊件的厚度（mm)mm)（3 3）最大焊脚尺寸）最大焊脚尺寸h hf maxf max-避免过烧，减小焊接应力和焊避免过烧，减小焊接应力和焊接变形接变形 t t为较为较薄薄焊件的厚度。焊件的厚度。板件厚度为板件厚度为t t1 1的板边焊缝尚应满足：的板边焊缝尚应满足：（1)1)（2 2）3-21 3-21 角焊缝厚度规定角焊缝厚度规定（4 4）焊缝的最小计算长度焊缝的最小计算长度-避起落弧点（该处端部易避起落弧点（该处端部易塌落）相距太近塌落）相距太近 （5)5)侧面角焊缝最大计算长度侧面角焊缝最大计算长度-剪应力分布不均匀，焊剪应力分布不均匀，焊缝越长，应力差越大缝越长，应力差越大 l lw w若超出上述规定值，超长部分不予考虑。若超出上述规定值，超长部分不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时（均布荷载），其计算长度不受此限若内力沿侧面角焊缝全长分布时（均布荷载），其计算长度不受此限制。制。当焊件的两侧仅有侧面角焊缝，当焊件的两侧仅有侧面角焊缝，l lw wbb，且，且b b16tmin(tmin12mm)或或l lw w 190mm(tmin12mm)-避免焊缝横向收避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲过大减小应力不均匀程度。缩引起板件的拱曲过大减小应力不均匀程度。b b为两侧焊为两侧焊缝的距离。缝的距离。（6）在搭接连接中，搭接长度在搭接连接中，搭接长度l 5t 5tminmin及及l l25mm 25mm-减小减小接头处焊接应力及因传力不均产生的次应力。接头处焊接应力及因传力不均产生的次应力。静力荷载静力荷载 动力荷载动力荷载静力荷载静力荷载 动力荷载动力荷载图图3-22 3-22 侧面角焊缝受力情况和破坏情况侧面角焊缝受力情况和破坏情况图图3-23 3-23 焊缝的受力情况焊缝的受力情况（7 7）绕角焊和围焊）绕角焊和围焊当角焊缝的端部在构件转角处时，为避免起落弧位当角焊缝的端部在构件转角处时，为避免起落弧位于应力集中较大的转角处，应连续作长度为于应力集中较大的转角处，应连续作长度为2h2hf f的绕的绕角焊，并计入焊缝有效长度。角焊，并计入焊缝有效长度。(8(8）在次要构件或次要焊缝中，由于焊缝受力不大，可）在次要构件或次要焊缝中，由于焊缝受力不大，可采用间断焊缝。采用间断焊缝。e15te15t（受压构件）受压构件）e30te30t（受拉构件）受拉构件）t t为较为较薄薄焊件厚度焊件厚度每段角焊缝应符合最小计算长度要求，每段角焊缝应符合最小计算长度要求，e e为两角焊为两角焊缝之间的净距。缝之间的净距。(9(9）直接承受动载结构中，正面角焊缝宜采用）直接承受动载结构中，正面角焊缝宜采用1 1：1.51.5（长边顺内力方向）的不等脚角焊缝，侧面角焊缝仍采（长边顺内力方向）的不等脚角焊缝，侧面角焊缝仍采用等脚角焊缝，角焊缝表面宜为直线或凹形。用等脚角焊缝，角焊缝表面宜为直线或凹形。3.4.2 3.4.2 角焊缝的强度计算角焊缝的强度计算一、一、角焊缝计算的基本公式角焊缝计算的基本公式 角焊缝的应力分量：角焊缝的应力分量：垂直于角焊缝有效截面的正应力垂直于角焊缝有效截面的正应力垂直于角焊缝长度方向的剪应力垂直于角焊缝长度方向的剪应力平行于角焊缝长度方向的剪应力平行于角焊缝长度方向的剪应力将作用力将作用力N Ny分解：分解：由由 和和 引起角焊缝的正应力和剪应力：引起角焊缝的正应力和剪应力：由由N Nx x引起焊缝方向的剪应力：引起焊缝方向的剪应力：根据第四强度理论，计算复杂应力下的折算应力为根据第四强度理论，计算复杂应力下的折算应力为即：f f 为正面角焊缝强度增大系数，静载或间接为正面角焊缝强度增大系数，静载或间接动载取动载取1.221.22，动载取，动载取1.01.03.6P44公式的应用公式的应用：1、荷载的类型；、荷载的类型；2、侧面角焊缝或正面角焊缝；、侧面角焊缝或正面角焊缝；设计设计规范规定规范规定：当力垂直于焊缝长度方向时当力垂直于焊缝长度方向时:当力平行于焊缝长度方向时当力平行于焊缝长度方向时:当当角角焊焊缝缝承承受受斜斜向向轴轴心心力力N N时时，如如图图3-253-25所所示示，N N与与焊焊缝缝成成角角，应应先先把把N N分分解解为为(垂垂直直于于焊焊缝缝长长度度)和和，(平平行于焊缝长度行于焊缝长度)，并求出相应的应力，并求出相应的应力 和和 。代入基本公式代入基本公式即可，也可经整理后由下式计算：即可，也可经整理后由下式计算：式式中中 为为斜斜向向角角焊焊缝缝强强度度增增大大系系数数，当当承承受受静静力力或或间间接接动动力力荷荷载载时时，其其值值在在1(1(侧侧面面缝缝受受力力)与与1.22(1.22(正正面面缝缝受受力力)之之间间。当承受直接动力荷载时当承受直接动力荷载时 。对于斜角焊缝对于斜角焊缝(图图3-20)3-20)的强度仍按上述公的强度仍按上述公式计算，但取式计算，但取 ，其有效厚度为：，其有效厚度为：二、常用连接方式的角焊缝计算二、常用连接方式的角焊缝计算 1.1.受轴心力焊件的拼接板连接受轴心力焊件的拼接板连接 需要计算拼接板和连接一侧需要计算拼接板和连接一侧(左侧或右侧左侧或右侧)角角焊缝的强度。焊缝的强度。端焊缝：端焊缝：侧焊缝：侧焊缝：动载结构围焊：动载结构围焊：由围焊缝有效截由围焊缝有效截面平均承担：面平均承担：静载结构的围焊：静载结构的围焊：正面角焊缝承正面角焊缝承担内力：担内力：侧面角焊缝承侧面角焊缝承担内力：担内力：连接一侧角焊缝的计算长度之和。连接一侧角焊缝的计算长度之和。图图3-26 3-26 轴心力作用下角焊缝连接轴心力作用下角焊缝连接 2.2.受轴心力角钢的连接受轴心力角钢的连接图图3-27 3-27 角钢角焊缝上受力分配角钢角焊缝上受力分配(a)(a)两面侧焊两面侧焊 (b)(b)三面围焊三面围焊 (c)L (c)L形焊形焊 内力分配：内力分配：肢背：肢背：肢尖：肢尖：分配系数分配系数k1k1、k2k2见表，见表，也可近似采用也可近似采用1 1）当用两侧面角焊缝连接角钢时）当用两侧面角焊缝连接角钢时 2 2）当采用三面围焊）当采用三面围焊(图图3-27b)3-27b)时：时：对于对于L L形的角焊缝形的角焊缝(图图3-27c)3-27c)，同理求得，同理求得N N3 3后，可得：后，可得：根据上述方法求得根据上述方法求得N N1 1、N N2 2以后，再按以后，再按(3-10)(3-10)式计算侧面角焊缝。式计算侧面角焊缝。3.3.弯矩、剪力、轴力作用下角焊缝计算弯矩、剪力、轴力作用下角焊缝计算图图3-31 3-31 受弯、受剪、受轴心力的角焊缝应力受弯、受剪、受轴心力的角焊缝应力弯矩作用产生正应力：弯矩作用产生正应力：轴力作用产生均匀正应力：轴力作用产生均匀正应力：剪力作用产生平行于焊缝的剪力作用产生平行于焊缝的剪应力：剪应力：弯、剪、轴力联合作用：弯、剪、轴力联合作用：对于直接承受动力荷载作用时：对于直接承受动力荷载作用时：1 1）焊缝群受扭）焊缝群受扭假定：假定：（1 1）被连接件是绝对刚）被连接件是绝对刚性的性的,构件有绕角焊缝形构件有绕角焊缝形心转动的趋势，而角焊缝心转动的趋势，而角焊缝本身是弹性的；本身是弹性的；（2 2）角焊缝上任一点的）角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形应力方向垂直于该点与形心的连线，应力的大小与心的连线，应力的大小与该点与形心的连线长度成该点与形心的连线长度成正比。正比。图图3-29 3-29 扭矩作用时角焊缝的应力扭矩作用时角焊缝的应力4.4.扭矩作用下角焊缝计算扭矩作用下角焊缝计算 焊缝有效截面上距形心最远点应力最大，焊缝有效截面上距形心最远点应力最大，为：为：（3-183-18）为焊缝有效截面为焊缝有效截面(图图3-29b)3-29b)绕形心绕形心O O的极的极惯性矩惯性矩 分分解解到到x x轴轴方方向向(沿沿焊焊缝缝长长度度方方向向)和和y y轴轴方方向向(垂直焊缝长度方向垂直焊缝长度方向)的分应力为：的分应力为：设计公式设计公式为：为：（3-193-19）2 2）环焊缝受扭）环焊缝受扭(图图3-30)3-30)扭矩作用下环形角焊缝有效截面只有剪应力扭矩作用下环形角焊缝有效截面只有剪应力沿切线方向沿切线方向(环向环向)作用，计算公式为：作用，计算公式为：图图3-30 3-30 环形焊缝受扭环形焊缝受扭 J J焊缝环形有焊缝环形有效截面极惯性矩，效截面极惯性矩，焊缝有效厚度焊缝有效厚度 时时（3-203-20）5.5.扭矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝计算扭矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝计算图图3-32 3-32 受扭、受剪、受轴心力的角焊缝应力受扭、受剪、受轴心力的角焊缝应力计算步骤如下：计算步骤如下：1 1）求出焊缝有效截面的形心）求出焊缝有效截面的形心O(O(图图3-32)3-32)2 2）将连接所受外力平移到形心）将连接所受外力平移到形心O O，得一扭矩，得一扭矩，剪力剪力V V，轴力，轴力N N；3 3）计算）计算T T、V V、N N单独作用下危险点单独作用下危险点A A的应力的应力4 4）验算危险点焊缝强度）验算危险点焊缝强度6 6、塞焊计算、塞焊计算(图图3-33)3-33)塞焊设计公式为塞焊设计公式为（3-233-23）例例34 34 试验算图试验算图335335（a a）所示牛腿与钢柱连接的角焊）所示牛腿与钢柱连接的角焊缝的强度。钢材为缝的强度。钢材为Q235Q235，焊条为，焊条为E43E43型，手工焊。荷载设计型，手工焊。荷载设计值值N N365KN365KN，偏心距，偏心距e=350mme=350mm，焊脚尺寸，焊脚尺寸 图图335335（b b）为焊缝有效截面。）为焊缝有效截面。图图335解：力解：力N在角焊缝形心处引起剪力：在角焊缝形心处引起剪力：弯矩：弯矩：1、考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法：、考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法：全部焊缝有效截面对中和轴的惯性距为：全部焊缝有效截面对中和轴的惯性距为：翼缘焊缝翼缘焊缝 的最大应力为：的最大应力为：翼缘焊缝翼缘焊缝 设计控制点设计控制点A：由于弯矩由于弯矩M引起的应力：引起的应力：由于剪力由于剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力：在腹板焊缝中产生的平均剪应力：控制点控制点A的焊缝强度为：的焊缝强度为：2、不考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法：、不考虑腹板焊缝传递弯矩的计算方法：翼缘焊缝所传递的水平力：翼缘焊缝所传递的水平力：翼缘焊缝的强度：翼缘焊缝的强度：由于剪力由于剪力V V在腹板焊缝中产生的平均剪应力：在腹板焊缝中产生的平均剪应力：无论采用何种计算方法，剪力均由腹板承担，翼无论采用何种计算方法，剪力均由腹板承担，翼缘焊缝不承担剪力的作用，仅仅承受弯矩的作用。缘焊缝不承担剪力的作用，仅仅承受弯矩的作用。例例35 35 试验算图试验算图336336所示牛腿与钢柱连接的角焊缝的强所示牛腿与钢柱连接的角焊缝的强度。钢材为度。钢材为Q235Q235，与柱三面围焊，焊条为，与柱三面围焊，焊条为E4311E4311型，手工焊。型，手工焊。作用力设计值：作用力设计值：试设计角焊缝。试设计角焊缝。图图336336解：取解：取焊缝的焊脚尺寸和长度均满足构造要求。焊缝的焊脚尺寸和长度均满足构造要求。1、几何特性计算：、几何特性计算：焊缝重心位置的确定：焊缝重心位置的确定：2、内力计算：、内力计算：3、焊缝验算：、焊缝验算：可靠。可靠。3.5 3.5 焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余应力和焊接残余变形3.5.1 3.5.1 焊接残余应力的分类和产生的原因焊接残余应力的分类和产生的原因1 1、纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力（1 1）原因：不均匀温度场，内部高，外部低，）原因：不均匀温度场，内部高，外部低，（2 2）施焊时，电弧对钢板不均匀加热，致使焊件内）施焊时，电弧对钢板不均匀加热，致使焊件内部变形大，外部变形小，达到热塑性压缩状态；部变形大，外部变形小，达到热塑性压缩状态；（3 3）冷却时，由于焊件的整体性，近热影响区的焊）冷却时，由于焊件的整体性，近热影响区的焊缝区趋向于缩短，产生拉应力，远离热影响区的焊缝缝区趋向于缩短，产生拉应力，远离热影响区的焊缝产生压应力；产生压应力；2 2、横向焊接残余应力横向焊接残余应力原因原因：一、当焊缝收缩时，有使两块钢板向外弯成弓形的一、当焊缝收缩时，有使两块钢板向外弯成弓形的趋势，但受到焊缝金属的约束，使焊缝的中部受拉，趋势，但受到焊缝金属的约束，使焊缝的中部受拉，两端受压；两端受压；二、后焊部分在焊接时受到先焊部分的约束而产生二、后焊部分在焊接时受到先焊部分的约束而产生塑性压缩变形；在冷却收缩时又受到先焊部分的约塑性压缩变形；在冷却收缩时又受到先焊部分的约束而受拉，先焊部分则受压，更远处可能受拉。束而受拉，先焊部分则受压，更远处可能受拉。图图 3-39 3-39 图 3-40 不同施焊方向时的横向残余应力3 3、沿焊缝厚度方向的残余应力沿焊缝厚度方向的残余应力3.5.2 3.5.2 焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响1 1、对结构静力强度的影响对结构静力强度的影响图图3-42 3-42 残余应力对静力强度的影响残余应力对静力强度的影响 1 1）假定焊缝拉压屈服强度均为）假定焊缝拉压屈服强度均为f fy y；2 2）在拉应力达到屈）在拉应力达到屈服强度服强度f fy y时，应力不再增加，拉力由受压的弹性区承担，时，应力不再增加，拉力由受压的弹性区承担，由压变为拉；由压变为拉；3 3）破坏时全截面均达到屈服强度）破坏时全截面均达到屈服强度f fy y 。结论：常温工作下的焊接结构，在静载作用下，结论：常温工作下的焊接结构，在静载作用下，焊接焊接应力不影响结构静力强度；应力不影响结构静力强度；2 2、对结构刚度的影响对结构刚度的影响 残余应力将降低结构的刚度残余应力将降低结构的刚度。由于残余拉应力。由于残余拉应力（或压应力）区域在外力的作用下，提前进入塑（或压应力）区域在外力的作用下，提前进入塑性状态，使弹性区逐渐减小，导致构件变形增大，性状态，使弹性区逐渐减小，导致构件变形增大，刚度降低。刚度降低。3 3、对压杆稳定的影响对压杆稳定的影响 降低压杆的整体稳定性。降低压杆的整体稳定性。4、对低温冷脆的影响对低温冷脆的影响 因焊接结构中存在双向或三向同号应力场，钢材因焊接结构中存在双向或三向同号应力场，钢材变硬变脆。如果在低温下工作，将会更脆。残余应变硬变脆。如果在低温下工作，将会更脆。残余应力的存在是结构低温冷脆的主要原因。力的存在是结构低温冷脆的主要原因。5、对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响 残余拉应力加快了疲劳裂纹开展的速度，从而残余拉应力加快了疲劳裂纹开展的速度，从而降低了焊缝及其附近主体金属的疲劳强度。因此残降低了焊缝及其附近主体金属的疲劳强度。因此残余应力对直接承受动力荷载的焊接结构是不利的。余应力对直接承受动力荷载的焊接结构是不利的。3.5.3 3.5.3 焊接残余变形的产生和防止焊接残余变形的产生和防止一、设计上的措施一、设计上的措施 1 1、焊缝的焊脚尺寸和焊脚长度应符合构造要求，、焊缝的焊脚尺寸和焊脚长度应符合构造要求，宜采用细长的焊缝，不用粗短的焊缝，在保证安全的宜采用细长的焊缝，不用粗短的焊缝，在保证安全的前提下，不随意加大焊缝的焊脚尺寸；前提下，不随意加大焊缝的焊脚尺寸；2 2、焊缝布置尽可能在结构的对称位置上，以减少、焊缝布置尽可能在结构的对称位置上，以减少残余变形；残余变形；3 3、不应采用带锐角的板料做成肋版，板料的锐角、不应采用带锐角的板料做成肋版，板料的锐角应切掉，以免焊接时锐角处板材被烧损，影响材质；应切掉，以免焊接时锐角处板材被烧损，影响材质；4 4、焊缝不宜过分集中，避免产生过大的残余应力、焊缝不宜过分集中，避免产生过大的残余应力甚至产生裂纹；甚至产生裂纹；减少焊接变形和焊接应力的方法：减少焊接变形和焊接应力的方法：5 5、应尽量避免三向焊缝相交，一般将次要焊缝、应尽量避免三向焊缝相交，一般将次要焊缝中断，主要焊缝通过中断，主要焊缝通过 6 6、考虑施焊时的位置。、考虑施焊时的位置。二、工艺上的措施二、工艺上的措施 1 1、采取合理的施焊顺序和方向，如对接焊采用、采取合理的施焊顺序和方向，如对接焊采用分段退焊，厚钢板采用分层焊，工字钢采用对角分段退焊，厚钢板采用分层焊，工字钢采用对角跳焊等；跳焊等；2 2、采用反变形，施焊前设置预变形，使焊接、采用反变形，施焊前设置预变形，使焊接完成后达到正常状态完成后达到正常状态 3 3、对于小构件（易冷脆），焊前预热，焊后、对于小构件（易冷脆），焊前预热，焊后回火等办法回火等办法 4 4、锤击或辗压焊缝，使焊缝得到延伸。、锤击或辗压焊缝，使焊缝得到延伸。谢谢！