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1、第三章金属结构的连接2022/9/24物流工程学院 WHUT1第1页，共88页，编辑于2022年，星期二31连接方法及特点v一、方法：焊接：（广泛应用）螺栓连接：（用于常装拆的结构）分为：普通螺栓和高强度螺栓 铆钉连接：（国外仅用于特重型桥吊主梁）胶合连接：（国内未采用）销轴连接：（用于两构件间的连接）第2页，共88页，编辑于2022年，星期二v二、特点：焊 接：制造简便，省工省料，不削弱构 件截面 易于自动化操作；但易产生残余应力和 变形、焊接缺陷，质量不易检查。螺栓连接：易装拆，质量易检查，塑性、韧性 好，但费工费料，削易构件截面，动载 作用下易松动；高强度螺栓除具有普通 螺栓优点以外，还
2、具有传力均匀，第3页，共88页，编辑于2022年，星期二 应力集中小，疲劳强度高等优点，但 螺栓制造和连接表面要求较高。铆 接：承动载能力强，低温下工作较可靠，但不能拆。第4页，共88页，编辑于2022年，星期二32连接的材料v一、焊接（与焊接方法有关），焊接方法达 35种之多。1.金属结构（起重机）常用的方法：气焊：氧炔焊（氧，乙炔）用于焊薄板，切割金属；热源为气 第5页，共88页，编辑于2022年，星期二电弧焊：应用最多 热源：电弧 手工电弧焊；埋弧自动（半自动）焊；气体保护焊 电渣焊：热源：电流通过燃渣产生电阻热，常用于焊 厚板或大截面构件。第6页，共88页，编辑于2022年，星期二 2
3、.焊接材料：（电弧焊）1）手工电弧焊焊条（按等强度原则选）焊Q235，常用E43型（老T42型）E4303 （一般）注：“43”为抗拉强度 “0”为位置 “03”为药皮及电 流（T422）E4315 E4316 应用于重要结构 或重级工作制（T427）（T426）第7页，共88页，编辑于2022年，星期二焊16Mn,常用E50型（T50型）E5003 （T502）E5015 （T507）E5016 （T506）焊Q235与16Mn的混合连接：E43型（一般）.E50型（贴角焊，受力较大的焊缝）第8页，共88页，编辑于2022年，星期二 2）埋弧自动（半自动）焊：焊丝+焊剂 焊Q235：H08，
4、H08A，H08Mn+高硅型焊剂 焊16Mn:H08MnA,H10Mn2+低锰型或无锰型焊 剂 3）气体保护焊：焊丝+气体（CO2，氩气等）第9页，共88页，编辑于2022年，星期二二、螺栓分为：普通螺栓 Q235-A,Q235-B,35；高强度螺栓 螺栓：d24mm.45,40B,20MnTiB d24mm.20 MnTiB,35VB 螺母：45，15MnVB 垫圈：45 (平垫圈)第10页，共88页，编辑于2022年，星期二33.焊接接头型式与焊缝型式对接接头 对接焊缝 第11页，共88页，编辑于2022年，星期二 搭接接头 贴角焊缝 塞焊缝（角）槽形焊缝（角）第12页，共88页，编辑于2
5、022年，星期二T字接头 开剖口焊缝角接接头 开剖口焊缝 第13页，共88页，编辑于2022年，星期二34.焊缝的静强度计算v一、对接焊缝的静强度计算.1.承受轴力的对接焊缝：第14页，共88页，编辑于2022年，星期二 h=N/Af=N/lfh 式中：lf焊缝计算长度：有引弧板时 lf=b 无引弧板时 lf=b-52mm h焊缝许用应力，查表3-1（P67）第15页，共88页，编辑于2022年，星期二 2.承受剪力的对接焊缝（纯剪）=Q/Af=Q/lfdh 式中：lf、同前，h查表31第16页，共88页，编辑于2022年，星期二 3.N、Q、M共同作用下的对接焊缝例1：第17页，共88页，编
6、辑于2022年，星期二危险点：A、B.A：h=N/Af+M/Wf h B:h=QSf/Ifh Sf计算点到截面边缘部分的截面面积对中性 轴（通过截面型心的轴）的静矩第18页，共88页，编辑于2022年，星期二v例2：第19页，共88页，编辑于2022年，星期二危险点：A，B.A：B:第20页，共88页，编辑于2022年，星期二v二、贴角焊缝的静强度计算1）侧焊缝第21页，共88页，编辑于2022年，星期二（1）应力分布规律：不均匀（曲线），两头大中间 小（2）破坏形式：剪切破坏，破坏面为 最小剪切面（45度工作面）第22页，共88页，编辑于2022年，星期二2）端焊缝第23页，共88页，编辑于
7、2022年，星期二 （1）应力分布规律：复杂，应力集中在根部（a点）；（2）破坏形式：多样。3)围焊缝（三面围焊）：塑性低于侧焊，静强度和 侧焊相当，疲劳强度高于侧焊，由于贴角焊缝差别较大，受力复杂精确计算十分困难，以往多数国家采用以实验结果为主要依据的计划设计算法。第24页，共88页，编辑于2022年，星期二 2.贴角焊缝发计算假定：除忽略焊接残余应力及焊缝的增高影响外，做如下几点假定：1）不分侧缝和端缝 2）以焊接的最小截面45斜面作为计算截面 3）不论连接受拉、压、剪、弯、把计算应力均视 为剪应力。第25页，共88页，编辑于2022年，星期二 3.贴角焊缝的静强度计算 1）连接受轴向力的
8、搭接接头例1.第26页，共88页，编辑于2022年，星期二 N=N/Af=N/(lff)h f=焊缝计算厚度.f=0.7hf lf焊缝计算长度之和.第27页，共88页，编辑于2022年，星期二例2.N=N/Af=N/(lff)h 其中f为周长 lf连接一边焊缝的计算长度之和，按下面规则取值第28页，共88页，编辑于2022年，星期二第29页，共88页，编辑于2022年，星期二注：焊缝计算长度的规定：（1）各条侧缝或端缝的最小计算长度取为 8 hf且不小于40mm（由构造保证）.（2）侧焊缝的最大计算长度 受静载：每条侧缝取lf60hf 受动载：每条侧缝取lf40hf （超出部分不考虑）第30页
9、，共88页，编辑于2022年，星期二2）受弯矩M的T字接头第31页，共88页，编辑于2022年，星期二危险点：A Ifx对轴x求惯性矩，称为轴惯性矩法。第32页，共88页，编辑于2022年，星期二3）承受M的搭接接头 第33页，共88页，编辑于2022年，星期二计算假设：（1）构件为绝对刚性，焊缝为弹性；（2）在M作用下，构件焊缝计算截面型心作相对转动 由上面假设有：在一点处，i大小于其到O的距离成正比，方向垂直于连线 当点距O为单位长度r=1时，焊缝计算应力为：1 当点距O为单位长度r=i时，焊缝计算应力为：i 1/r1=i/ri r1=1 i =1r i第34页，共88页，编辑于2022年
10、，星期二 IP（极惯矩）所以：1=M/IP 任一点处：i=iri=riM/IP max=rmaxM/IP 离型心最远的焊缝所受的剪应力.强度计算式：max=rmaxM/IP h 极惯性矩法第35页，共88页，编辑于2022年，星期二max=rmaxM/(Ix+Iy)h轴惯性矩法（常用）第36页，共88页，编辑于2022年，星期二4）复杂焊缝的强度计算（1）承受N、Q、M的工字形截面接头的贴角 的焊缝第37页，共88页，编辑于2022年，星期二将外力P、N向焊缝截面简化得：Q=P，M=Pe ,N.计算焊缝截面几何特性参数：Af,Af,If,WfA,WfB危险点：A，B强度计算A:B:第38页，共
11、88页，编辑于2022年，星期二式中：Af焊缝总面积.Af腹板焊缝部分的面积.,WfA,WfB分别为A，B点的抗弯截面模量第39页，共88页，编辑于2022年，星期二（2）承受N，Q，M的搭接接头 第40页，共88页，编辑于2022年，星期二将外力向形心转化得：N，Q=P，M=Pe 假设：在N，Q作用下，应力由全部焊缝均担 任一点处：N=N/Af()Q=Q/Af()在M作用下，离O点最远的点为A，B点.危险点：A（见右上图分析）sin=ymax/rA cos=xmax/rA 第41页，共88页，编辑于2022年，星期二 强度条件：其中：MA=rAM/IP=rAM/Ix+Iy 第42页，共88页
12、，编辑于2022年，星期二35设计焊接结构的注意事项根据资料统计，疲劳失效占金属结构失效形式的（8090）%，尤其对经常满载，频繁工作，承受变载，动载的港口装卸用的起重机，疲劳破坏往往从焊接接头处开始产生.一、合理选材：塑、韧性好抗裂性好，慎用高强度钢材。板厚一般min4mm max40mm Q235max30mm 16Mn第43页，共88页，编辑于2022年，星期二二、构造设计：合理布置焊缝，注意细节处理.1.焊缝不宜太集中第44页，共88页，编辑于2022年，星期二2.避免焊缝主体交叉（使主焊缝连续，次焊缝断开）3.避免焊缝布置在易产生应力集中处第45页，共88页，编辑于2022年，星期二
13、4.不同厚（宽）的钢板对焊接时，应使力流平滑过渡.第46页，共88页，编辑于2022年，星期二 （满足表32的不等厚板对接厚度差时，可不开斜口）对接：6mm(手工焊)8mm（自动焊）应开剖口，剖口形式详见机械设计手册或国家标准5.不允许采用单面搭接端焊缝第47页，共88页，编辑于2022年，星期二 6.焊缝布置应便于施工（详见P75）7.焊缝高度（贴角焊缝hmin,hmax）,应满足构造要 求（P70）第48页，共88页，编辑于2022年，星期二 8.焊缝重心线应尽量与构件重心线重合 焊缝的分配比例见P71，表34第49页，共88页，编辑于2022年，星期二 9.承静载时，宜优先采用二面侧焊
14、承动载时，宜优先采用三面侧焊 桁架节点第50页，共88页，编辑于2022年，星期二36普通螺栓连接一、分类：普通螺栓：粗制类孔，孔-d栓=1 2mm，用于主要受拉的连接第51页，共88页，编辑于2022年，星期二 精制类孔，孔-d栓=0.20.3mm,（铰孔）用于同时承拉，剪，或受剪连接.（钻模、钻、冲孔、扩钻、铰孔）第52页，共88页，编辑于2022年，星期二二、连接形式：剪力螺栓连接 拉力螺栓连接 拉剪力螺栓连接三、螺栓布置的极限尺寸要求（P79，表35）布置方式及要求：并列 错列 见P28图349第53页，共88页，编辑于2022年，星期二37剪力螺栓连接计算第54页，共88页，编辑于2
15、022年，星期二一、受轴心力作用下的受剪螺栓连接 破坏形式：栓杆剪断，孔壁或杆身压坏，板端 剪裂，板端拉裂，板拉断 常见破坏形式：栓杆剪断，孔壁挤坏，板拉断。计算内容：螺栓、构件 计算方法：先计算所需螺栓数，后进行布置 先按经验布置，后验算按方法.第55页，共88页，编辑于2022年，星期二 1.所需螺栓数：式中：单螺栓抗剪许用承载力 和孔壁抗压 许用承载力 中的较小值 许用剪应力见表37 许用压应力表37 挤压面积 同方向承压构件的较 小总厚度第56页，共88页，编辑于2022年，星期二 2.构件强度计算：设BA （如取构件板B计 算）:第57页，共88页，编辑于2022年，星期二危险截面：
16、并列布置时为第1列栓孔处（截面）错列布置时第1列栓孔处（截面）第1，2列及其后面栓孔处的锯齿形截 面（）强度验算：=N/Aj Aj截面：Aj=A-n1d 截面：Aj=A-(n1+n2)d+第58页，共88页，编辑于2022年，星期二 二、偏心力作用下的受剪螺栓连接第59页，共88页，编辑于2022年，星期二外力向螺栓群心o转化假定：在过o的P力作用下，各栓受相同剪力，RP=P/n在M作用下，连接板绕 群心o旋转，各栓受剪力，大小与其与o距离成正比，方向垂直于连线oi；R1/r1=Ri/ri=K Ri=Kri Rmax=Krmax第60页，共88页，编辑于2022年，星期二分析：危险螺栓？Rma
17、x=?危险螺栓：4和6 在M作用下：第61页，共88页，编辑于2022年，星期二在P作用下：RP=P/n危险螺栓强度条件：式中：取 和 中的较小者 第62页，共88页，编辑于2022年，星期二38拉力螺栓连R:杠杆反力 第63页，共88页，编辑于2022年，星期二一、轴心作用下的拉力螺栓 螺栓破坏截面螺纹、根部。考虑杠杆反力及应力集中因素的影响，将螺栓许用应力降低20%式中：单栓抗拉许用承载力.螺栓抗拉许用应力.螺栓材料许用应力 d0螺纹内径 第64页，共88页，编辑于2022年，星期二二、力矩作用下的拉力螺栓第65页，共88页，编辑于2022年，星期二 假定连接法兰（板）刚性足够大，在M作用
18、下，连接板绕受压边排螺栓线：x-x轴转动，各螺栓所受拉力与其到x-x轴的距离成正比。Pi/yi=Pmax/ymax Pi=Pmaxyi/ymax 螺栓强度条件：第66页，共88页，编辑于2022年，星期二 三、偏心受拉螺栓第67页，共88页，编辑于2022年，星期二 当e时：先计算e=M/N =Ix/n|ymax|再判断：e 或 e而后计算：Pmax 螺栓强度条件：第68页，共88页，编辑于2022年，星期二39拉剪螺栓连接计算：(自学)根据试验结果：在拉剪联合作用下，符合因形相关公式：第69页，共88页，编辑于2022年，星期二 若螺栓的计算拉力、剪力分别为Pll和Pjl，则强度条件为：（结
19、论：当 强度满足）第70页，共88页，编辑于2022年，星期二310高强度螺栓连接设计计算一、种类、特点及应用1.按形状分：大六角头 用扭矩扳手 第71页，共88页，编辑于2022年，星期二 扭剪形（日本首例）先用普通扳手，后用TC型电动扳手套住螺母和卡头终拧，直至卡头拧断。第72页，共88页，编辑于2022年，星期二 2.按受剪螺栓受力性能的不同阶段分：摩擦型 承压 型 摩擦型的工作原理：对螺栓施加足够大的预紧力使 被连接件接触面间产生摩擦力 来传递力。承载能力极限状态：被连接件间的摩擦阻力刚被克 服作为其极限状态.第73页，共88页，编辑于2022年，星期二 特点：不松动，耐疲劳。应用：用
20、于直接承受动杂载的结构。承压型：承载能力极限状态：连接面间滑移后，栓 杆剪断或孔壁挤压坏，宜用于承静载或间接 承动载的结构。第74页，共88页，编辑于2022年，星期二 二、摩擦型高强螺栓连接的强度计算 1.轴心力作用下的剪力螺栓第75页，共88页，编辑于2022年，星期二 N/nP P但栓抗滑许用承载力.P=0.7ZmfPg Zm传力摩擦面数；f摩擦系数（与表面处理方法有关），查表（3-9）Pg预拉力（预紧力）.查表3-8 0.7安全系数n=1.43的倒数.第76页，共88页，编辑于2022年，星期二 2.偏心力作用下的剪力螺栓 计算公式同普通螺栓，但许用承载力应为高强螺栓的许用承载力。第7
21、7页，共88页，编辑于2022年，星期二 3.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.第78页，共88页，编辑于2022年，星期二强度条件：单栓抗滑承载力：PQP 单栓抗拉承载力：PN0.7Pg P拉、剪作用下的单栓抗滑许用承载力 P=0.7Zmf(Pg-1.4Pt)Pt每个螺栓所受的外拉力.Pt0.7Pg第79页，共88页，编辑于2022年，星期二 4.被连接件的强度计算第80页，共88页，编辑于2022年，星期二每个螺栓所产生的摩擦力：N/n n为螺栓总数 第一排为n1个螺栓产生：（N/n）n1的摩擦力=N N=N-N=N-(N/n)n140%=N（1-0.4n1/n）被连接件的强度条件：=N/Aj
22、Aj为净载面积第81页，共88页，编辑于2022年，星期二311销轴连接一、销轴计算 静强度：w销轴许用弯曲应力第82页，共88页，编辑于2022年，星期二不重要及受载不大：Q235，w=125MP 载荷不大，要求任性较高：20正火回火 w=125 MP 有一定强度及加工塑性要求：35正火回火 w=165 MP 调质w=175 MP 广泛应用：45正火回火 w=195 MP 调质w=215 MP 载荷较大，无很大冲击的重要轴.40Cr调质w=245 MP第83页，共88页，编辑于2022年，星期二第84页，共88页，编辑于2022年，星期二 二、耳板计算 危险截面：BB，AA第85页，共88页，编辑于2022年，星期二第86页，共88页，编辑于2022年，星期二 解三次超静定结构（利用对称性及变形协调条件）求Nb,Qb,Mb,Na,Qa,Ma.由弹性力学，应用弹性曲梁公式计算危险载面应力 =Ni/A+Mi/AR+(Mi/ARK)y/(R+y)A 截面积 R 截面重心线半径 k与截面有关的系数.矩形：k=(R/h)(2R+h)/(2R-h)-1 y计算截面上计算点的坐标值.第87页，共88页，编辑于2022年，星期二第88页，共88页，编辑于2022年，星期二