《结构设计原理》课件--第20-1-4章-残余应力+螺栓连接.ppt
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1、青海大学青海大学结构设计原理结构设计原理l章节内容章节内容1、焊缝连接2、普通螺栓连接3、高强螺栓连接20 钢结构的连接20.1.7 焊接残余应力及残余变形高度不均匀的温度场造成构件内部收缩与膨胀的不均匀性,致使构件产生变形,这种变形叫焊接变形。(a) 纵向收缩和横向收缩;(b) 弯曲变形;(c) 角变形;(d) 波浪变形;(e) 扭曲变形 而焊缝和焊缝附近钢材不能自由地变形,因受到周围钢材的约束而产生焊接残余应力。 一、焊接残余应力的分类和原因焊接应力是一种无荷载作用的内应力,因此会自相平衡,包括以下三个部分: 1、纵向焊接应力 2、横向焊接应力 3、沿厚度方向的焊接应力20.1.7 焊接残
2、余应力及残余变形+-500oC800oC300oC300oC500oC800oC施施焊焊方方向向8cm64202468cm施焊时焊缝附近达1600以上,而邻近区域温度骤降。焊缝周围产生不均匀温度场-+1、纵向焊接应力沿焊缝长度方向成因:施焊时焊缝处钢材受热伸长,但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩;焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力;拉应力大小可达钢材屈服点 fy;a.远离焊缝区域产生纵向压应力,焊件内应力自相平衡。 2、横向焊接应力两部分组成: 其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊缝切开,由于焊缝的纵向收缩,两块钢板产生如图(a)中虚线所示的弯曲变形。因而可见在焊缝长度的中间部
3、分必然产生横向拉应力,而在焊缝的两瑞则产生横向压应力,应力分布如图(b)所示。其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时,焊缝的形成有先有后,先焊的部分先冷却,先冷却的焊缝区限制了后冷却焊缝区的横向收缩,使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图(c)的叠加,如图(d)所示。l在厚钢板的焊接连接中,焊缝需要多层施焊。沿厚度方向先焊焊缝凝固,阻止后焊焊缝的膨胀,产生塑性压缩变形。-+-321xyzl冷却时外围焊缝散热快先冷固,内层焊缝收缩受限制产生沿厚度方向的拉应力,外部则产生压应力。 因此除了横向和纵向焊接残余应力x ,y外,还存在沿厚度方向的焊接残余应力z
4、,这三种应力形成同号三向拉应力,大大降低连接的塑性。3、厚度方向的焊接应力20.1.7 焊接残余应力及残余变形二、 减少焊接应力和变形的措施1、合理的焊缝设计(1)合理的选择焊缝的尺寸和形式满足最小焊脚尺寸的条件下,一般用较小的hf加大焊缝长度,即设计成焊脚尺寸较小而焊缝长度长些;注意:不要因考虑“安全”而任意加大超过计算所需要的焊缝尺寸。 (2)尽可能减少不必要的焊缝 不但增加了装配和焊接的工作量,易引起大的焊接变形。20.1.7 焊接残余应力及残余变形(3)合理地安排焊缝的位置 焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残余变形和尽量避免三向焊缝相交。 三向焊缝相交时,中断次要焊缝使主要
5、焊缝保持连续(4)尽量避免截面突变引起的应力集中现象,连接过渡平缓。 (5)避免焊接缺陷,尽量避免仰焊二、 减少焊接应力和变形的措施1、合理的焊缝设计20.1.7 焊接残余应力及残余变形2、 合理的工艺措施(1)采用合理的焊接顺序和方向。 先焊收缩量较大的焊缝,后焊收缩量较小的焊缝,先焊错开的短焊缝,后焊直通的长焊缝,使焊缝有较大的横向收缩余地。二、 减少焊接应力和变形的措施20.1.7 焊接残余应力及残余变形 采用适当的焊接顺序和方向。例如采用对称焊,分段退焊(即分段焊接,每段施焊方向与焊接推进的总方向相反)、跳焊、多层多道焊等,使各次焊接的残余应力和变形的方向相反和互相抵消。3、锤击或辗压
6、焊缝,使焊缝舒张,降低焊接残余应力;4、预热和回火 对于小尺寸焊件,焊前预热,或焊后回火加热至600左右,然后缓慢冷却。2、采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。 5、局部加热;6、退火法 二、 减少焊接应力和变形的措施20.1.7 焊接残余应力及残余变形焊前预热和焊后缓冷是减少焊缝区与焊件其他部分的温差,降低焊缝区的冷却速度,使焊件能较均匀地冷却下来,减少残余应力与变形螺栓连接螺栓连接是用螺栓将构件、部件连成整体的连接方式。螺栓是由螺杆、螺母、垫圈组成的坚固件。缺点优点施工简单,拆装方便,摩擦型高强度螺栓连接动力性能好耐疲劳,易阻止裂纹扩展费料、开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高20.2 钢结构
7、螺栓连接普通螺栓连接根据加工精度分A、B、C三级。 A、B级精制螺栓,采用低合金钢或再经热处理后制成,类孔,孔径比杆径大0.3-0.5mm,抗剪性能好, 制造安装费工,少用。性能等级5.6级或8.8级。 C级粗制螺栓,一般Q235钢,类孔,孔径比杆径大1.5-2.0mm,抗剪性能差,但传递拉力性能好,性能等级为4.6级或4.8级。高强螺栓连接 高强钢材制成:优质碳素钢和合金钢 性能等级:8.8级、10.9级。等级符号说明:等级符号说明:小数点前8、10螺栓材料经热加工后的最低抗拉强度为800、1000N/mm2; 小数点后0.8、0.9屈强比摩擦型高强螺栓:只靠摩擦阻力传力,以剪力达到接触面的
8、摩擦力作为承载力极限状态设计准则。 变形小,弹性性能好,耐疲劳,施工较简单,适用于承受动力荷载的结构。承压型高强螺栓:以作用剪力达到栓杆抗剪或孔壁承压破坏作为承载力极限状态设计准则。 承载力高于摩擦型连接,连接紧凑,剪切变形大,不能用于承受动力荷载的结构。20.2 钢结构螺栓连接20.2 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓规格精制螺栓粗制螺栓分类A级和B级C级强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级孔加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度螺杆与栓孔直径之差为0.250.5mm螺杆与栓孔直径之差为1.52mm受力特点抗剪抗拉均好抗剪差、抗拉好经济性能价格高价格经济用途直接承受较大
9、动力荷载的重要结构,现被摩擦型高强螺栓替代沿螺栓杆轴受拉的连接;次要的抗剪连接;安装的临时固定注:A、B两级的区别只是尺寸不同。 A级用于d24mm,l150mm的螺栓,B级用于d24mm, l150mm 螺栓。 20.2 普通螺栓连接的构造和计算一、普通螺栓连接的构造计算1.螺栓的排列和构造要求 规格:形式为大六角头型,其代号用字母M与公称直径表示。常用 M16、M20、M24。 螺栓的排列:并列、错列。并列错列20.2 普通螺栓连接的构造和计算螺栓的排列要满足以下三个方面的要求:(1)受力要求:端距过小,端部撕裂;受压,顺内力方向,中距过 大,鼓曲。(2)构造要求:螺栓间距不能太大,避免压
10、不紧潮气进入导致腐蚀。(3)施工要求:螺栓间距不能太近,满足净空要求,便于安装。 中心距太大2d端距过小20.2 普通螺栓连接的构造和计算 根据规范规定的螺栓最大、最小容许间距,排列螺栓时宜按最小容许间距取用,且宜取5mm的倍数,并按等距离布置,以缩小连接的尺寸。最大容许间距一般只在起连系作用的构造连接中采用。端距端距边距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距端距端距端距端距中距中距边距边距线距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0边距边距20.2 普通螺栓连接的构造和计算型钢的螺栓(铆钉)排列20.2 普通螺栓连接的构造和计算1、为了保证连接的
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