【正文】 I??????? τT沿 x軸和 y軸的分應力 ： sin yyTx TPpr T rTrI r I? ? ???? ? ? ? ?（ ） c o s xxT y TPpr T rTrI r I? ? ???? ? ? ? ?（ ） 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ? 剪力 V引起的剪應力 τV均勻分布 ? 剪力 V作用下， A點（或 A‘點）的應力 τVy： VyewVhl? ??? A點垂直于焊縫長度方向的應力 σf： f T y V y? ? ???? A點沿焊縫長度方向的應力 τ Tx ? A點合應力滿足的強度條件為： 22Ty V y wTx fff?????????????（ ） 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?例 如圖所示鋼板長度 l1＝ 400mm，搭接長度 l＝α +γ x=400mm，鋼板厚 t＝ 12mm，荷載設(shè)計值 F＝200kN，荷載至柱邊距離 e1＝ 540mm，鋼材為 Q235，手工焊，焊條為 E43型，試確定焊腳尺寸并驗算該焊縫的強度。 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?解： 焊縫組成的圍焊共同承受剪力 V=F和扭距 T=F（ e1+γ x）的作用，設(shè)焊縫尺寸均為 hf＝ 10mm 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 167。 5 焊接應力和焊接變形 一、焊接殘余應力的分類及其產(chǎn)生的原因 焊接殘余應力的分類 A、 縱向焊接殘余應力 — 沿焊縫長度方向 。 B、 橫向焊接殘余應力 — 垂直于焊縫長度方向 。 C、 沿厚度方向的焊接殘余應力。 焊接殘余應力產(chǎn)生的原因 （ 1）縱向焊接殘余應力 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫處可達 1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生 熱態(tài)塑性壓縮 ，焊縫冷卻時被 塑性壓縮 的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生 拉應力 。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應力可以使鋼材達到 屈服強度 。焊接殘余應力是無荷載的 內(nèi)應力 ，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠區(qū)產(chǎn)生壓應力。 + 500oC 800oC 300oC 300oC 500oC 800oC 施焊方向 8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm + + 167。 5 焊接應力和焊接變形 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 （ 2）橫向焊接殘余應力 產(chǎn)生的原因 : 焊縫的縱向收縮，使焊件有反向 彎曲變形 的趨勢，導致兩焊件在焊縫處 中部受拉，兩端受壓 ； 焊接時已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生 橫向塑性壓縮變形 。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應力，而先焊焊縫產(chǎn)生 壓應力 ，因 應力自相平衡 ，更遠處焊縫則產(chǎn)生 拉應力 ； 應力分布與施焊方向有關(guān) 。 以上兩種應力的組合即為 橫向焊接殘余應力。 (a) 焊縫縱向收縮 時的變形趨勢 + (b) 焊縫縱向收縮 時的橫向應力 x y + + 施焊方向 (c) 焊縫橫向收縮 時的橫向應力 x y + + (d) 焊縫橫向 殘余應力 y x 不同施焊方向下 ,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘余應力 : + + 施焊方向 (e) + 施焊方向 ( f ) x y y x （ 3）沿厚度方向的焊接殘余應力 在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生 塑性壓縮變形 。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應力，因應力自相平衡 ，更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應力 σ x,σ y 外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應力 σ z，這三種應力形成同號 (受拉 )三向應力，大大 降低連接的塑性 。 + 321 σ x σ y σ z 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?約束狀態(tài)下的焊接 應力 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 焊接殘余應力的影響 ?對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?對結(jié)構(gòu)剛度的影響 ?對壓桿穩(wěn)定的影響 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?對低溫冷脆的影響 ?對疲勞強度的影響 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 焊接殘余變形 ?殘余變形形式 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?殘余變形形式 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 減小焊接殘余應力和焊接殘余變形的方法 ?采取合理的施焊次序 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?施焊前加相反的預變形（圖 a、 b） ?焊前預熱，焊后回火（圖 c） 減小焊接殘余應力和焊接殘余變形的方法 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 合理的焊縫設(shè)計 ?焊接位置要合理，布置應盡量對稱于截面重心 ?焊縫尺寸要適當，采用較小的焊腳尺寸 ?焊縫不宜過分集中（圖 a） ?應盡量避免三向焊縫交叉（圖 b） ?考慮鋼板分層問題（圖 c） ?焊條易達到（圖 d） ?避免仰焊 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 螺栓由螺桿和螺母組成。 螺栓連接 ?螺栓 普通螺栓 高強螺栓 錨固螺栓 ?粗制螺栓 精制螺栓 ?摩擦型 承壓型 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 C級 粗制螺栓，性能等級為 ； 4表示 fu≥400N/mm 2, fy/fu= ； Ⅱ類孔，孔徑 (do)栓桿直徑 (d) ＝ 1～ 3mm。 A、 B級 精制螺栓，性能等級為 。 5或 8表示 fu≥500 或 800N/mm2, fy/fu= 或 ； Ⅰ 類孔，孔徑 (do)栓桿直徑 (d)＝ ～ 。 按其加工的精細程度和強度分為 :A、 B、 C三個級別。 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 由 45號、 40B和 20MnTiB鋼加工而成，并經(jīng)過熱處理 45號－ ； 40B和 20MnTiB－ （ a）大六角頭螺栓 （ b）扭剪型螺栓 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ? 孔、螺栓圖例 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 螺栓連接的排列和構(gòu)造要求 ? 排列方式： 并列或錯列 普通螺栓的構(gòu)造和計算 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ? 排列要求 ? 受力要求： 鋼板端部剪斷，端距不應小于 2d0。 受拉時，栓距和線距不應過??； 受壓時，沿作用力方向的栓距不宜過大 ? 構(gòu)造要求 栓距和線距不宜過大 ? 施工要求 有一定的施工空間 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 鋼板上螺栓 和 鉚釘 的容許間距 名稱 位置和方向 最大容許 距離 （ 取兩者的較小值 ） 最小容許 距離 外排 ( 垂直內(nèi)力或順內(nèi)力方向 ) 8 d0 或 1 2 t 垂直內(nèi)力方向 16 d0 或 2 4 t 構(gòu)件受壓力 12 d0 或 1 8 t 中間排 順內(nèi)力方向 構(gòu)件受拉力 16 d0 或 2 4 t 中心間距 沿對角線方向 —— 3 d0 順內(nèi)力方向 2 d0 剪切或手工氣割邊 1 . 5 d0 高強度螺栓 1 . 5 d0 中心至構(gòu)件邊緣距離 垂直內(nèi)力方向 軋制邊、自動氣割或鋸割邊 其它螺栓 4 d0 或 8 t 1 . 2 d0 注 : 1 . d0 為螺栓孔 或 鉚釘 孔 徑， t 為外層薄板件厚度。 2 . 鋼板邊緣與 剛性構(gòu)件 ( 如角鋼、槽鋼 ) 相連的螺栓最大間距，可按中間排數(shù)值采用。 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 普通螺栓連接受剪、受拉時的性能 ? 傳力方式： 抗剪螺栓和抗拉螺栓 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 抗剪螺栓連接 ?破壞形式： 螺栓桿剪斷；孔壁壓壞；板被拉斷；板端被剪斷；螺栓桿彎曲 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ?受力狀態(tài)： 彈性時兩端大而中間小，進入塑性階段后，因內(nèi)力重分布使各螺栓受力趨于均勻。 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 為防止“解紐扣”破壞，當連接長度 l1 較大時，應將螺栓的承載力乘以折減系數(shù) ? ： 當 l1≤15d0 時， ? = 當 15d0＜ l1≤60d0 時， ? =－ l1/150d0 當 l1＞ 60d0 時， ? = 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 ? 一個抗剪螺栓的設(shè)計承載力計算 ? 抗剪 承載力設(shè)計值： bvvbv fdnN42?? ?? 承壓 承載力設(shè)計值： bcbc ftdN ????(a) 單剪 (b) 雙剪 (c) 四剪面 一個抗剪螺栓的承載力設(shè)計值應取上面兩式的 較小值 ： ? ?b b bm i n v cN m i n N , N?華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 抗拉螺栓連接 ?破壞形式： 螺栓桿拉斷 btebtebt fAfdN ???42?為考慮 撬力 的影響，規(guī)范規(guī)定普通螺栓抗拉強度設(shè)計值 ftb取同樣鋼號鋼材抗拉強度設(shè)計值 f的 (即ftb= ) 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 螺栓群的計算 螺栓在軸心力作用下的抗剪計算 ? 螺栓數(shù)目 bm i n/n N N?? 板件凈截面強度 n/N A f? ??? 凈截面面積和受力 并列 （圖 a） N1=N； N2 =N－ (n1/n) ?N ； N3 = N－ (n1+n2)/n ? N 對被連接板： An=t (b－ n1d0) 對拼接板： An =2t1 (b－ n3d0) 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 錯 列 （圖 b） 除考慮 11截面破壞外，還要考慮 22截面的破壞，凈截面面積為 22n 4 2 1 2 2 0[ 2 ( 1 ) ]A t e n e e n d? ? ? ? ?華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 螺栓群在扭矩作用下的抗剪計算 ? 基本假定 ① 被連接構(gòu)件是絕對剛性的，而螺栓則是彈性的； ② 各螺栓繞螺栓群形心 o旋轉(zhuǎn)，其受力大小與其至螺栓群形心 o的距離 r成正比，力的方向與其至螺栓群形心的連線相垂直。 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 T T T1 1 2 2 n nT N r N r N r? ? ? ? ? ? ?平衡條件： 根據(jù)螺栓受力大小與其至形心 o的距離 r成正比條件 T T T1 2 n1 2 nN N Nr r r? ? ??? ?則 TT n2 2 2 2111 2 n1() iiNNT r r r rrr ?? ? ? ? ? ? ? ? ?或 T 111 2 2 2i i iT r T rNr x y?????? ? ?T 11x 22iiTyNxy?????T 11y 22iiTxNxy?????bvT NN ][1 ?驗算 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 螺栓群在扭矩、剪力和軸心力作用下的抗剪計算 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 在剪力 V和軸力 N作用下，螺栓均勻受力： V1y /N V n?N1x /N N n?則螺栓 1受的最大剪力 N1應滿足： N T 2 V T 2 b1 1 x 1 x 1 y 1 y m i n( ) ( )N N N N N N? ? ? ? ?在扭矩 T作用下，螺栓 1 受力為 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 螺栓群在軸心力作用下的抗拉計算 bt/n N N?螺栓群在彎矩作用下的抗拉計算 ?假定： 中和軸在最下排螺栓處 Mb11t 2iMyNNmy????M M M1 1 2 2() nnM m N y N y N y? ? ? ?則 華北電力大學 《 鋼結(jié)構(gòu) 》 螺栓群同時受剪力和拉力的計算 ?支托僅起安裝作用：