钢结构第一二章.ppt

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1、钢结构,乔惠云,第一章 概述,第一节 钢结构的特点、应用 第二节 钢结构极限状态设计方法 第四节 钢结构的发展,第一节 钢结构的特点及应用,钢结构的特点 钢结构的应用范围,一、钢结构的特点 ： 材质均匀，和力学计算的假定比较符合 钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，在一定应力幅度内几乎是完全弹性的。 材料的强度高，塑性和韧性好 C30，fc=14.3N/mm2；钢Q235 f=215N/mm2； 塑性承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。 塑性好，破坏前能吸收和消耗较大 的能量，钢结构不会因为局部超载而发生脆性破坏。 韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 韧性好，对 动力荷载的适应性强

2、，抗震性能好。,钢结构制造简便，施工周期短 一般在专业化的金属结构厂做成构件，精度高。 采用普通螺栓和高强度螺栓拼接，或焊接成较大单元进行吊装。 钢结构的质量轻 以相同的跨度承受同样的荷载，钢结构比钢筋混凝土结构质量轻。 比如： 30m钢屋架重4t5t：30m R.C屋架重 14t17t 钢材耐腐蚀性差 需定期维护，维护费用比较高。 钢材耐热但不耐火 当结构表面长期受辐射热达 150 以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。,二、钢结构的应用范围 1、大跨结构 随着结构跨度增大，结构自重在全部荷载中所占的比重也就越大，减轻自重可获得明显的经济效益。对于大跨度结构，钢结构重量轻

3、的优点显得特别突出。 钢屋架 ；网架、网壳结构；悬索结构；拱架结构；桥梁结构,国家体育场,国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m，短轴292m。屋盖中间有一个146m76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面 ，总用钢量达16万t 。,网架结构,拱结构,国家大剧院,该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下 。设计为

4、法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m2。,网壳结构,桥 梁 结 构,桥梁结构,悬 索 结 构,2、重型厂房结构 车间里吊车起重重量大，常在100t以上 西安变压器厂（400t吊车）,厂 房 结 构,3、高层建筑和高耸结构 高层建筑已成为现代化城市的一个标志。钢材强度高和钢结构重量轻的特点对高层建筑具有重要意义。强度高则构件截面尺寸小，可提高有效使用面积。重量轻可大大减轻构件、基础和地基所承受的荷载，降低基础工程等的造价。当今世界上最高的50幢建筑中，钢结构和钢混凝土混合结构占80以上。 目前我国已建和在建的高度超过100m

5、的钢结构建筑已超过100栋。,上海环球金融中心,位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达492米 。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。,上海金茂大厦,金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。 总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。,央视新台址,央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米

6、，总建筑面积55万平方米, 高230m。央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币，2003年10月开工建设，2008年正式运行 。,台北101,长宽各150m，总面积30277m2，塔高508m，世界第一高，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。巨柱自地下5层至地上90层，最大尺寸为2.4mx3m。,直径5.5m，重670t的阻尼器,高耸结构 包括：塔架、桅杆结构；构件轻，风荷载小。,活动车库,5.可拆卸和搬迁的结构。如：活动房屋、塔吊等。,活动桥,6、容器、挡水结构、容器及大直径管道,陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐,大连西太平洋石化有限公司 1500立方米

7、CF-62钢球罐,7、轻型钢结构 使用荷载较小或跨度不大的结构为轻型结构。自重是这类结构的主要荷载，常采用冷弯薄壁型钢或小型钢制成的轻型钢结构。主要有门式钢结构。,多层房屋,第二节 极限状态设计方法,一、概述 任何结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的。工程结构必须具备下列功能： (1)安全性 结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，在偶然事件发生时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。 (2)适用性 结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。 (3)耐久性 结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。,钢结构设计(计算)的目的是在满足各种预定功

8、能的前提下，做到技术先进、安全适用、经济合理和确保质量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。 我国钢结构设计方法的变迁 1957年以前：采用总安全系数的容许应力法 19571974：采用三个系数的极限状态计算法 19741989：采用以结构极状态为依据，进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法 1989现在：采用以概率理论为基础的极限状态设计法,二、概率极限状态设计法 结构极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特 定状态，或不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。 1.承载力极限状态 定义：结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的 最大塑性变形的情况。 状态： (1) 整

9、个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆） (2) 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载,(3) 结构转变为机动体系 (4) 结构或结构构件丧失稳定（如压屈） (5) 地基丧失承载力而破坏（如失稳） 2.正常使用极限状态 定义：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值的情况。 状态： (1) 影响正常使用或外观的变形 (2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝） (3) 影响正常使用的振动 (4) 影响正常使用的其他特定状态,3. 概率极限状态设计方法 设计基本原则：技术先进、安全适用、经济合理、确保 质量 0，结构处于可靠

10、状态 Z=R-S =0，结构处于极限状态 0, 结构处于失效状态 除疲劳计算外，钢结构设计规范采用以概率理论为基础 的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。,永久荷载和可变荷载分项系数。,三、极限状态设计表达式 1.承载能力极限状态表达式 基本组合： a.由可变荷载控制的效应组合 b.由永久荷载控制的效应组合,2.正常使用极限状态,标准组合,c.一般的排架、框架结构 由可变荷载控制的效应组合,第二章 钢结构的材料,第一节 钢结构对材料的要求 第二节 钢材的主要性能 第三节 影响钢材性能的因素 第五节 钢材类别及选用, 较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 足够的变形能力。

11、即塑性和韧性性能好。 良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。 容易生产，价格便宜。 钢结构设计规范(GB500172002)推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。 选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确保钢结构的质量。,第一节 钢结构对材料的要求,第二节 钢材的主要性能 一、单向均匀受拉时的工作性能,A.有屈服点钢材-曲线,B.对无明显屈服点的钢材,C 单向拉伸时钢材的机械性能指标,（1）屈服点fy-应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，

12、它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度fu-应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率,当l0/d=5时，用5表示，当l0/d=10时，用10表示。,图2-3 钢材的冷弯试验,二、 冷弯性能,冷弯试验方法是在材料试验机上，通过冷弯冲头加压，将厚度为a、宽度为b的板材按规定的弯心直径d弯曲180，以弯曲处无裂纹、不起层为合格。 同时又可检查钢材的内部缺陷（颗粒组织、结晶情况、杂质分布等），鉴定钢材的可焊性，因此冷弯性能是衡量钢材质量的综合性指标。,三、 冲击韧性Cv,实际工作中，用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂总是发

13、生在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。,缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温度的重要结构，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保证要求。按20、 0、-20、 -40区分。,四、 可焊性,与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。,钢材的机械性能指标,1、屈服点fy； 2、伸长率； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲

14、击韧性）。,小 节,2.3 影响钢材性能的因素,2.3.1 化学成分的影响,化学成分含量 碳素钢 低合金钢 铁 99% 大于 97% 其他元素 1% 小于 3% 其他元素：碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧、铜、钒、 钛、铌等,碳（C） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。 锰（Mn） 锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧

15、性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。,硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。 钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。 硫（S）

16、 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。,磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 氧(O)、氮(N) 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。,2.3.2 成材过程的影响,1冶炼,2浇铸 把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法，一种是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢

17、坯。铸锭过程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。 钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。,3轧制 作用：使金属的晶粒变细，使气泡、裂纹等焊合 （因辊轧次数多，薄板的强度比厚板略高） 问题：浇铸时的非金属夹杂物，在轧制后能造成钢材的分层。 设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。,4热处理 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。 正火：把钢材加热至850900 并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火。 控轧：如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围，

18、可得到正火的效果。 回火：是将钢材重新加热至650 并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。 淬火：是把钢材加热至900 以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。 淬火加回火也称调质处理，强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。,由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。 冷作硬化（应变硬化）：冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象,时效硬化：钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象 应变时效（人工时效）：将冷加工后的钢材，在常温下存放1520d或在1

19、00200条件下存放一段时间（23h）。,2.3.3 影响钢材性能的其它因素,1、钢材的硬化,钢材的强度提高，塑性和韧性下降,2、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。 正温影响,200 以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。 250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。 260320产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。,负温影响 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。

20、,3、应力集中,a.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,应力集中造成双向或三向应力场的复杂应力状态，从而使钢材塑性降低，容易产生脆性破坏！,减小应力集中现象的措施,避免截面急剧改变！,2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用,2.5.1 建筑钢材的类别,碳素钢（非合金钢）,低合金钢,合金钢,建筑钢结构用碳素结构钢及低合金钢中的几种牌号，Q235、 Q345 、Q390 、Q420；以及性能较优的其他几种专用结构钢：桥梁用钢、耐候钢、高层建筑结构用钢。,（一）碳素钢 Q235质量等级（A、B、C、D）脱氧方法（F、b、Z、TZ）

21、 各质量等级主要是以硫、磷含量由多至少、对冲击韧性的要求区分的，对冷弯试验的要求也有所区别。 为了满足以上性能要求，不同等级的Q235钢的化学成分含量略有区别。,A级应保证fu、fy、，P、S含量；冷弯 试验在需方有要求时进行 B级应保证fu，fy ，,冷弯，常温时Cv， P，S，C含量； C级应保证fu，fy ，,冷弯，0oC时Cv， P，S，C含量; D级应保证fu，fy ，,冷弯，-20oC时 Cv，P，S，C含量;,（二）低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。 Q345 、 Q39O 和 Q420 是钢结

22、构设计规范规定采用的钢种. 质量等级分A、B、C、D、E A、B级全为镇静钢 C、D、E级全为特殊镇静钢 各质量等级是以对冲击韧性的要求区分的。,2.5.2 钢材的选择,选择钢材的原则,1结构或构件的重要性；,2荷载性质（静力荷载，动力荷载）； 静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。 3连接方法（焊接连接、铆接或螺栓连接）； 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。 4结构所处的工作条件（温度，腐蚀介质等）； 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢 钢材的厚度。 厚度大的焊接结构应采用材质较

23、好的钢材。,2.5.3 钢材的规格,热轧钢板、型钢，冷弯薄壁型钢,（一）热轧钢板,表示方法：厚度宽度长度 ）,厚板（厚度4.5-60mm) 薄板（厚度0.35-4mm),扁钢： 厚度4-60mm， 宽度20-200mm。,(二）热轧型钢,1.工字钢,2.槽钢,工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),3.角钢,4.H型钢,宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HN,HW高度宽度腹板厚度翼缘厚度,6.钢管,外径壁厚,分为无缝管和焊接管,5.部分T型钢,表示方法同H型钢,（三）冷弯薄壁型钢,壁厚1.55mm,压型钢板壁厚0.41.5mm,第三章 钢结构的连接

24、,第一节 钢结构的连接方法 第二节 焊接连接的特性 第三节 对接焊缝的构造计算 第四节 角焊缝的构造计算 第五节 焊接残余应力和焊接残余变形 第六节 螺栓连接的排列和构造要求 第七节 普通螺栓连接的性能和计算 第八节 高强度螺栓连接的性能和计算,优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；,一、焊缝连接,第一节 钢结构的连接方法,缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。,除了少数直接承受动荷载结构的某些部位，如吊车梁的工地拼接、吊车梁与柱的连接外，其他部位均可普遍应用。,三、螺栓连接,二、铆钉连接 把加热的铆钉放入连 接件的孔中,用铆钉枪挤 压另一头.传力好,施工麻烦.,普通螺栓连接,A、B级

25、Q235钢精制螺栓，性能等级为8.8级，小数点前数 字表示螺栓成品的fu800N/mm2 ,小数点及小数点 以后的数字表示屈强比为0.8。,C 级,Q235钢粗制螺栓，性能等级为4.6级或4.8级; 主 要用于受拉连接，或临时固定。,高强度螺栓连接,摩擦型连接：只依靠摩阻力传力，并以剪力不超过接触面摩擦力为设计 准则;用于直接承受动荷载的结构。,承压型连接：允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限承载力作为设计 准则；用于承受静荷载或间接承受动荷载的结构,材料：45号钢，40B钢和20MnTiB钢。 等级：8.8级，10.9级。 孔径：摩擦型的孔径比螺栓直径大1.52.0mm，承压型的孔径比螺栓直

26、 径大11.5mm。 特点：摩擦型剪切变形小，弹性性能好，施工较简单，可拆卸，耐疲 劳，适用于受动力荷载的结构。承压型承载力高于摩擦型，连 接紧凑，但剪切变形大，不适用于承受动力荷载的结构中。,一、钢结构常用焊接方法 1、电弧焊 原理：利用电 弧产生热量熔化 焊条和母材形成 焊缝。,第二节 焊接连接的特性,手工电弧焊,Q390、Q420钢 E55型焊条(E5500E5518),Q345钢 E50型焊条(E5000E5048),焊条与焊件钢材要相适应,Q235钢E43型焊条(E4300E4328),E表示焊条；第1、2位数字表示焊缝熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2）；第3位数字表示焊接位置

27、，0和1表示适用于全位置施焊(平、横、立、仰)，2表示适用于平焊及水平角焊，4表示适用于向下立焊；第3位和第4位数字组合表示药皮类型和适用的电流种类(交、直流电源)。,不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。,优点：设备简单，使用方便；,适用：工地安装焊缝、短焊缝、曲折焊缝。,药皮的作用：稳定电弧，施焊时产生气体保护熔融金属与大气隔离，以防止空气中氧氮侵入而使焊缝变脆；造成熔渣(清理焊缝时铲除)覆盖于熔成焊缝表面，使与大气隔离，并使焊缝冷却缓慢以便混入熔融金属中的气体和有害杂质溢出表面；另外，药皮中的合金成分还可以改善焊缝性能

28、。,埋弧焊（自动或半自动）,、,、,、,、,、,、,送丝器,机器,优点：是与大气隔离保护效果好，且无金属飞溅， 弧光不外露，采用较大电流使熔深加大，相应可减小 对接焊件间隙和坡口角度；节省焊丝和电能，自动化 程度高，焊接速度快，劳动强度低；焊缝质量稳定可 靠，塑性和韧性也较好。 缺点：焊前装配要求严格，施焊位置受限制，较 适用于长知的水平俯焊缝或倾角不大的斜面焊缝，不 如手工焊灵活。 适用：梁、柱、板等大批量拼装制造焊缝。,2、CO2气体保护焊 利用CO2气体或其他惰性气体作为保护气体，使被熔化的金属不与空气接触，电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。,缺点：施工条件受限制

29、等 适用：厚钢板的焊接。,优点：焊接速度快，焊接质量好。,二、焊缝连接形式,1、按构件的相对位置划分 对接连接：厚度相同或接近相同的两构件相互连接。由于两构件在同一平面内，因而传力均匀平缓，没有明显的应力集中，但边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格要求。 搭接连接：适用与不同厚度构件的连接。 T形连接：角焊缝连接（应力集中比较严重）和K形坡口焊缝连接。 角部连接,角接,对接,T型连接,搭接,对接焊缝,角焊缝,2、按构造划分,3、按焊缝位置,（a）平焊,（b）横焊,（c）立焊,（d）仰焊,三、焊缝缺陷及焊缝等级,(一) 焊缝缺陷,常见缺陷：焊缝尺寸偏差；咬边，如焊缝与母材交界处形成凹坑

30、；弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；未熔合，指焊条熔融金属与母材之间局部未熔合；母材被烧穿；气孔；非金属夹渣；裂纹。 一般都会引起应力集中削弱焊缝有效截面，降低承载能力，尤其裂纹对焊缝受力的危害最大。它会产生严重的应力集中，并易于扩展引起断裂。,(二)焊缝质量检验 外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷。 内部检验主要采用超声波，有时还用X或射线 拍片。 三级焊缝：全部外观检测； 二级焊缝：全部外观检测，50%做超声波检测； 一级焊缝：全部外观检测，超声波检测，2%做X 射线检测；,（三）焊缝质量等级及选用 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横 向对接焊缝受

31、拉时应为一级，受压时应为二级。 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。 重级工作制和起重量 的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。 角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,四、焊缝代号及标注方法,焊缝表示：由引出线（箭头线）、焊缝 符号和基准线三部分组成。,1、焊缝符号的组成,基本符号：表示焊缝横截面形状；,指引线：由细横线、斜线和箭头组成。,辅助符号：表示焊缝表面形状特征；,补充符号：对焊接

32、要求作补充说明；,焊缝尺寸符号：表示坡口和焊缝特征尺寸；,2、标注原则,1）焊缝横截面尺寸标在基本符号左侧，,2）长度方向尺寸标在右侧，,3）坡口角度、根部间隙标在上（下）侧。,3、一些常用的焊缝表示方法,(图c)围焊,单面焊缝,(图b)箭头指向焊缝所在另一面(相对应的那面),(图a)箭头指向焊缝所在面；,(图b-d)两面的焊缝尺寸相同,双面焊缝,(图a)两面的焊缝尺寸不同,不得作为双面焊缝标注！,旗尖指向非箭头侧！,3个和3个以上的焊件相互焊接,现场焊缝,相同焊缝,(图a) 一种相同焊缝,(图b) 数种相同焊缝,第三节 对接焊缝的构造计算,1、对接焊缝的坡口,一、对接焊缝的构造,坡口形式与板

33、厚和施工条件有关。,t=7-20mm时，宜采用单边V形或Y形坡口;,t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行清根补焊；,t6mm(手工焊),t10mm(埋弧焊)时可用直边缝,4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做 坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓 过度，减小应力集中。,3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度；,对接焊缝可视作焊件截面的延续，故其计算方法 与构件强度计算相同。,二、对接焊缝的计算,对接焊缝的

34、抗压、抗剪强度，以及一、二级对接焊 缝的抗拉强度与母材相同，因此若采用引弧板施 焊，则可不与计算。只有三级焊缝受拉力作用才需 进行计算！,不采用引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度；,（一）轴心力作用下的对接焊缝计算,ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。,当不满足上式时，可选择在受 力较小的部位施焊； 或者改用斜对接焊缝连接如图 B，当tan1.5时,不用验算!,N轴心拉力或压力设计值；,t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；,（二）M、V共同作用下的对接焊缝计算,Iw-焊缝截面惯性矩。,1、矩形截面,Ww焊缝截面模量；,Sw-焊缝截面面积矩；,2、

35、工字形截面,A、对于焊缝的max和max应满足如前要求；,B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应 力尚应满足下式要求：,1.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。,（一）角焊缝的形式:,一、角焊缝的构造,第四节 角焊缝的构造与计算,按焊缝长度与作用力方向分：,连续角焊缝,断续角焊缝,按焊缝截面形式分：,在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝宜采用平坦型，且长边沿内力方向；侧面角焊缝宜采用凹面型。,按两焊角边夹角分,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,直角角焊缝,斜角角焊缝,（二）角焊缝的构造,1、最大焊脚尺寸hf,max,hf,max1.2t1 式

36、中: t1-较薄焊件厚度。,当 t6mm时，hf,max t； 当 t 6mm时， hf,max t -(12)mm；,对于板件边缘的角焊缝：,2、最小焊脚尺寸hf,min,当t24mm时, hf,min = t2,式中: t2-较厚焊件厚度。,另: 对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm;,对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;,3.侧面角焊缝的最大计算长度,当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。,当实际长度大于以上值时，计算时不考虑超过部分的强度；,4. 角焊缝的最小计算长度,当焊件的焊接长度富余，在满足最大焊缝长度的要求下，小而长的焊缝比大而短的焊缝好！,5. 搭接连接的构造

37、要求,A、为避免应力传递过分弯折导致应力不均：,B、为避免焊缝横向收缩引起的板件拱曲 太大：,板件与节点板的连接，一般采用两面侧焊！,不满足此条件时，应加塞焊或采用三面围焊！,D. 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。,C. 角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊。,lw,1、侧面角焊缝（侧焊缝）,（一）角焊缝的应力状态,二、角焊缝的计算,侧面角焊缝、斜焊缝： 主要承受剪力，塑性较好，弹性模量低，传递应力两端大而中间小，但由于侧面角焊缝的塑性较好，两端出现塑性变形后，将产生应力重新分布，在规定长度范围内，应力分布趋于均匀。,侧面

38、角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。,A. 应力分析,剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。,B. 破坏形式,2、正面角焊缝,1、侧面角焊缝 2、正面角焊缝,A. 应力分析,正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较侧面角焊缝高。,B、破坏形式,沿45喉部截面破坏,沿两熔合边破坏,3、斜角焊缝,斜焊缝的受力性能介于侧面和正面角焊缝之间。,（二）直角角焊缝强度计算的基本公式,将45o喉部截面作为计算截面,h-焊缝厚度、h1熔深 h2凸度、d焊趾、e焊根,截面有效高度he0.7hf,假定：焊缝在有效截面处破坏,f,f 正面角焊缝强度增大系

39、数；静载时取1.22，动载时取1.0。,lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf 。,A、仅用正面角焊缝连接，,（三）轴心力作用的角焊缝计算,轴心力是指外力通过角焊缝群的形心！,1、用盖板的对接连接,C、采用三面围焊连接,B、仅用侧面角焊缝连接，,2、采用角焊缝的T形连接,N,3、角钢用角焊缝连接,A、仅采用两面侧焊，,对于校核问题:,对于设计问题:,B、采用三面围焊,余下的问题同情况A，即:,对于校核问题:,对于设计问题:,C、采用L形围焊,（四）N、M、V共同作用下T形接头的角焊缝,1、偏心轴力作用下角焊缝强度计算,最危险点A,2、只有V、M共同作用下焊缝强度计

40、算,对于A点：,式中：Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；h1两翼缘焊缝最外侧间的距离。,对于B点：,B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于 该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比。,（五）T、V共同作用下,假定: A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势,讨论： 1)危险点 2)T和M的区别,T作用下A点应力:,V作用下A点应力:,若增加轴心力N:,第五节 焊接残余应力和残余变形,不均匀的加热和冷却,一、焊接残余应力的分类及其产生的原因,（一）焊接残余应力的分类,纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向;,横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向;,沿厚度方向的焊接

41、残余应力,(二)焊接残余应力产生的原因,焊接残余应力是内应力，在焊件内自相平衡。,1、纵向焊接残余应力,焊缝附近为拉应力，焊缝稍远区产生压应力。,2、横向焊接残余应力,2）后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应 力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡， 更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向 有关。,1）焊缝纵向收缩使焊件有反向弯曲变形的趋势，导 致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；,以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。,不同施焊方向下,焊缝横向收缩产生的横向应力:,施焊方向,(e),-,-,施焊方向,( f ),x,y,y,x,3、沿厚度方向的焊接残余应力,横向、纵向和厚度方向

42、的焊接残余应力，当形成同号(受拉)三向应力时，大大降低连接的塑性。,在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊 内部焊缝产生拉应力，外层焊缝产生压应力。,二、焊接残余应力对结构性能的影响,1、对结构静力强度的影响,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到fy，即N=Ny时：,焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。,2、对结构刚度的影响,焊接残余应力的存在降低结构的刚度,3、焊接残余应力会降低压杆的稳定承载力,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应 力，增加了钢材低温脆断倾向。,4、对低温冷脆的影响,5、对疲劳强度的影响,三向焊接残余拉应力降低材料的塑性，从而疲劳 强度降低！,三、焊接残余

43、变形,包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,1、设计上的措施； （1）焊接位置的合理安排 （2）焊缝尺寸要适当 （3）焊缝数量要少，且不宜过分集中 （4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉 （5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力 2、加工工艺上的措施 （1）采用合理的施焊顺序 （2）采用反变形处理 （3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,四、减小焊接残余应力和残余变形的措施,工字钢跳角对焊,分块拼焊,分段退焊,螺栓的排列应满足：,受力要求,构造要求,施工要求,第六节 螺栓连接的排列和构造要求,1）受力要求,任意方向的中距、边距和端距不能过小，以防止

44、钢板截面过度削弱而承载力不足；,对于受压构件，中距不能太大，以防止连接板件发生鼓曲。,2）构造要求,螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。,3）施工要求,为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。,螺栓的最大、最小容许距离,注：d0为螺栓孔径，t为外层薄板件厚度 钢板边缘与刚性构件（角钢、槽钢）相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用,第七节 普通螺栓连接的性能和计算,一、螺栓连接的受力形式,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,二、普通螺栓抗剪连接,1)摩擦传力的弹性阶段(01段),1.工作性能,2)滑移阶段(12段),3)栓杆传力的弹性阶段(23段

45、),4)破坏阶段(34段),2.破坏形式,以上三种破坏形式通过强度计算避免。,1）螺栓杆被剪坏,2）孔壁的挤压破坏,3）板件被拉断,4）板件端部被剪坏(拉豁),5）栓杆弯曲破坏,端矩不应小于2dO,栓杆长度不应大于5d,3、抗剪螺栓的单栓承载力设计值,t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。 fcb螺栓孔壁承压强度设计值；,单栓抗剪承载力：,抗剪承载力：,承压承载力：,nv剪切面数目；d螺栓杆直径； fvb螺栓抗剪强度设计值；,剪切面数目nv,4、普通螺栓群抗剪连接计算,1）普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算,当l115d0(d0为孔径)时，假定N由各螺栓均匀承担。,板件的净截面验算：,A、螺栓采用

46、并列排列时,B、螺栓采用错列排列时:,拼接板强度验算:,2）普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算,F作用下,T作用下：2个假定,T作用下1号螺栓所受剪力最大,螺栓1的强度验算公式为:,当螺栓布置比较狭长(如y13x1)时, 可令:xi=0，则N1Ty=0,1、破坏形式,三、普通螺栓抗拉连接,栓杆被拉断,2、单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,式中：Ae-螺栓的有效截面面积； de-螺栓的有效直径； ftb-螺栓的抗拉强度设计值。,公式的两点说明：,（1）螺栓的有效截面面积,因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：,(2）螺栓的抗拉强度ftb,当连接板件发生变

47、形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。 连接件刚度越小撬力越大 影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）。,在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。,3、普通螺栓群的轴拉设计,4、普通螺栓群在弯矩作用下,M作用下螺栓连接按弹性设计，其假定为：,1）连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；,2）螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺 栓所受拉力与其至中和轴的距离呈正比。,1号螺栓在M作用下所受拉力最大,5、普通螺栓群在偏心拉力

48、作用下,可采用偏于安全的设计方法，即叠加法。,四、普通螺栓拉、剪联合作用,2、拉剪相关曲线,1、两种破坏形式,螺杆受剪兼受拉破坏,孔壁承压破坏；,“四分之一圆”,为防止螺杆受剪兼受拉破坏，应满足：,为防止孔壁的承压破坏，应满足：,3、当有承托承担全部剪力时，螺栓群按受拉连接计算。,由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经热处理,45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级,（a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓,第八节 高强度螺栓连接计算,初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；,一、高强度螺栓的预拉力,1、高强度螺栓预拉力的建立方法,A、转角法,终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120o-240o完成终拧。,预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧和超拧；,简单、易实施，但得到的预拉力误差较大,B、扭矩法,初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使 板件贴紧密； 终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。,C、扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）,初拧拧至终拧力矩的60%-80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。,施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等,2、高强度螺栓预拉力P的确定,P根据螺杆的有效抗拉强度确定，并考虑以下修正,考虑材料的不均匀性的折减系数