第三章 金属结构的连接.ppt

2021/3/15,物流工程学院WHUT,1,金属结构是由型材、铸锻件间用一定的连接方式组成的能承载的工程结构，常见的连接方式有以下几种。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,2,31连接方法及特点,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）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,3,二、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，还具有传力均匀，,2021/3/15,物流工程学院WHUT,4,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。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,5,32连接的材料,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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,6,电弧焊应用最多热源电弧①手工电弧焊；②埋弧自动（半自动）焊；③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。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,7,2.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）E4315E4316应用于重要结构或重级工作制（T427）（T426）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,8,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）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,9,2）埋弧自动（半自动）焊焊丝焊剂焊Q235H08，H08A，H08Mn高硅型焊剂焊16MnH08MnA,H10Mn2低锰型或无锰型焊剂3）气体保护焊焊丝气体（CO2，氩气等）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,10,二、螺栓分为①普通螺栓Q235-A,Q235-B,35；②高强度螺栓螺栓d≤24mm.45,40B,20MnTiBd＞24mm.20MnTiB,35VB螺母45，15MnVB垫圈45平垫圈,2021/3/15,物流工程学院WHUT,11,33.焊接接头型式与焊缝型式,对接接头对接焊缝,2021/3/15,物流工程学院WHUT,12,搭接接头贴角焊缝塞焊缝（角）槽形焊缝（角）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,13,T字接头开剖口焊缝角接接头开剖口焊缝,2021/3/15,物流工程学院WHUT,14,34.焊缝的静强度计算,一、对接焊缝的静强度计算.1.承受轴力的对接焊缝,2021/3/15,物流工程学院WHUT,15,σhN/AfN/lfδ≤〔σh〕式中lf焊缝计算长度有引弧板时lfb无引弧板时lfb-52mm〔σh〕焊缝许用应力，查表3-1（P67）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,16,2.承受剪力的对接焊缝（纯剪）τQ/AfQ/lfd≤〔τh〕式中lf、δ同前，〔τh〕查表31,2021/3/15,物流工程学院WHUT,17,3.N、Q、M共同作用下的对接焊缝例1,2021/3/15,物流工程学院WHUT,18,危险点A、B.AσhN/AfM/Wf≤〔σh〕BτhQSf/Ifδ≤〔τh〕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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,19,例2,2021/3/15,物流工程学院WHUT,20,危险点A，B.AB,,,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,21,二、贴角焊缝的静强度计算1）侧焊缝,2021/3/15,物流工程学院WHUT,22,（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）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,23,2）端焊缝,2021/3/15,物流工程学院WHUT,24,（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。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,25,2.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。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,26,3.贴角焊缝的静强度计算1）连接受轴向力的搭接接头例1.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,27,τNN/AfN/∑lfδf≤〔τh〕δf焊缝计算厚度.δf0.7hf∑lf焊缝计算长度之和.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,28,例2.τNN/AfN/∑lfδf≤〔τh〕其中δf为周长∑lf连接一边焊缝的计算长度之和，按下面规则取值,2021/3/15,物流工程学院WHUT,29,2021/3/15,物流工程学院WHUT,30,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8hf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lf≤60hf受动载每条侧缝取lf≤40hf（超出部分不考虑）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,31,2）受弯矩M的T字接头,2021/3/15,物流工程学院WHUT,32,危险点AIfx对轴x求惯性矩，称为轴惯性矩法。,,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,33,3）承受M的搭接接头,2021/3/15,物流工程学院WHUT,34,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，τi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r1时，焊缝计算应力为τ1当点距O为单位长度ri时，焊缝计算应力为τiτ1/r1τi/rir11τiτ1ri,2021/3/15,物流工程学院WHUT,35,IP（极惯矩）所以τ1M/IP任一点处τiτiririM/IPτmaxrmaxM/IP离型心最远的焊缝所受的剪应力.强度计算式τmaxrmaxM/IP≤〔τh〕极惯性矩法,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,36,τmaxrmaxM/IxIy≤〔τh〕轴惯性矩法（常用）,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,37,4）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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,38,①将外力P、N向焊缝截面简化得QP，MPe,N.②计算焊缝截面几何特性参数Af,A′f,If,WfA,WfB③危险点A，B强度计算AB,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,39,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,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,40,（2）承受N，Q，M的搭接接头,2021/3/15,物流工程学院WHUT,41,①将外力向形心转化得N，QP，MPe假设在N，Q作用下，应力由全部焊缝均担任一点处τNN/Af→τQQ/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）sinαymax/rA,cosαxmax/rA,2021/3/15,物流工程学院WHUT,42,强度条件其中τMArAM/IPrAM/IxIy,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,43,35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δmin≥4mmδmax≤40mmQ235δmax≤30mm16Mn,2021/3/15,物流工程学院WHUT,44,二、构造设计合理布置焊缝，注意细节处理.1.焊缝不宜太集中,2021/3/15,物流工程学院WHUT,45,2.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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,46,4.不同厚（宽）的钢板对焊接时，应使力流平滑过渡.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,47,（满足表32的不等厚板对接厚度差时，可不开斜口）对接δ＞6mm手工焊δ＞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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,48,6.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）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,49,8.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34,2021/3/15,物流工程学院WHUT,50,9.承静载时，宜优先采用二面侧焊承动载时，宜优先采用三面侧焊桁架节点,2021/3/15,物流工程学院WHUT,51,36普通螺栓连接,一、分类普通螺栓①粗制Ⅱ类孔，Φ孔-d栓1～2mm，用于主要受拉的连接,2021/3/15,物流工程学院WHUT,52,②精制Ⅰ类孔，Φ孔-d栓0.2～0.3mm,（铰孔）用于同时承拉，剪，或受剪连接.（钻模、钻、冲孔、扩钻、铰孔）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,53,二、连接形式①剪力螺栓连接②拉力螺栓连接③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①并列②错列见P28图349,2021/3/15,物流工程学院WHUT,54,37剪力螺栓连接计算,2021/3/15,物流工程学院WHUT,55,一、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Ⅰ先计算所需螺栓数，后进行布置Ⅱ先按经验布置，后验算按方法Ⅰ.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,56,1.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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,57,2.构件强度计算设δB＜∑δA（如取构件板B计算）,2021/3/15,物流工程学院WHUT,58,危险截面并列布置时为第1列栓孔处（ⅠⅠ截面）错列布置时①第1列栓孔处（ⅠⅠ截面）②第1，2列及其后面栓孔处的锯齿形截面（ⅡⅡ）强度验算σN/Aj≤〔σ〕AjⅠⅠ截面AjA-n1dδⅡⅡ截面AjA-n1n2dδ,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,59,二、偏心力作用下的受剪螺栓连接,2021/3/15,物流工程学院WHUT,60,外力向螺栓群心o转化假定①在过o的P力作用下，各栓受相同剪力，RPP/n②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/r1Ri/riKRiKriRmaxKrmax,2021/3/15,物流工程学院WHUT,61,分析危险螺栓Rmax危险螺栓4和6在M作用下,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,62,在P作用下RPP/n危险螺栓强度条件式中取和中的较小者,,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,63,38拉力螺栓连,R杠杆反力,2021/3/15,物流工程学院WHUT,64,一、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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,65,二、力矩作用下的拉力螺栓,2021/3/15,物流工程学院WHUT,66,假定连接法兰（板）刚性足够大，在M作用下，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/yiPmax/ymaxPiPmaxyi/ymax螺栓强度条件,2021/3/15,物流工程学院WHUT,67,三、偏心受拉螺栓,2021/3/15,物流工程学院WHUT,68,当eρ时先计算eM/NρIx/n|ymax|再判断e≤ρ或e＞ρ而后计算Pmax螺栓强度条件,2021/3/15,物流工程学院WHUT,69,39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,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,70,若螺栓的计算拉力、剪力分别为Pll和Pjl，则强度条件为（结论当强度满足）,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,71,310高强度螺栓连接设计计算,一、种类、特点及应用1.按形状分①大六角头用扭矩扳手,2021/3/15,物流工程学院WHUT,72,②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。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,73,2.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.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,74,特点不松动，耐疲劳。应用用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。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,75,二、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,2021/3/15,物流工程学院WHUT,76,N/n≤〔P〕〔P〕但栓抗滑许用承载力.〔P〕0.7ZmfPgZm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3-80.7安全系数n1.43的倒数.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,77,2.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。,2021/3/15,物流工程学院WHUT,78,3.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,79,强度条件单栓抗滑承载力PQ≤〔P〕′单栓抗拉承载力PN≤0.7Pg〔P〕′拉、剪作用下的单栓抗滑许用承载力〔P〕′0.7ZmfPg-1.4PtPt每个螺栓所受的外拉力.Pt≤0.7Pg,2021/3/15,物流工程学院WHUT,80,4.被连接件的强度计算,2021/3/15,物流工程学院WHUT,81,每个螺栓所产生的摩擦力N/nn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/nn140N（1-0.4n1/n）被连接件的强度条件σN′/Aj≤〔σ〕Aj为净载面积,2021/3/15,物流工程学院WHUT,82,311销轴连接,一、销轴计算静强度〔σw〕销轴许用弯曲应力,2021/3/15,物流工程学院WHUT,83,不重要及受载不大Q235，〔σw〕125MP载荷不大，要求任性较高20正火回火〔σw〕125MP有一定强度及加工塑性要求35正火回火〔σw〕165MP调质〔σw〕175MP广泛应用45正火回火〔σw〕195MP调质〔σw〕215MP载荷较大，无很大冲击的重要轴.40Cr调质〔σw〕245MP,2021/3/15,物流工程学院WHUT,84,,2021/3/15,物流工程学院WHUT,85,二、耳板计算危险截面BB，AA,2021/3/15,物流工程学院WHUT,86,2021/3/15,物流工程学院WHUT,87,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σNi/AMi/ARMi/ARK〔y/Ry〕A截面积R截面重心线半径k与截面有关的系数.矩形kR/h㏑〔2Rh/2R-h〕-1y计算截面上计算点的坐标值.,2021/3/15,物流工程学院WHUT,88,