哈工大钢结构课件5.ppt
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哈工大钢结构课件5.ppt
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钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.4.1焊接残余应力和变形的成因焊接残余应力和变形的成因一一一一.焊接残余应力的成因焊接残余应力的成因焊接残余应力的成因焊接残余应力的成因焊接残余应力简称焊接应力焊接残余应力简称焊接应力1.现象现象2.成因成因钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计
(1)焊缝出现不均匀温度场)焊缝出现不均匀温度场焊缝附近温度最高,可高达焊缝附近温度最高,可高达1600度以上度以上在焊缝区以外,温度则急剧下降在焊缝区以外,温度则急剧下降钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计
(2)焊缝区受热而纵向膨胀,但这种膨胀因变形的平)焊缝区受热而纵向膨胀,但这种膨胀因变形的平截面规律截面规律(变形前的平截面,变形后仍保持平面变形前的平截面,变形后仍保持平面)而受到其相而受到其相邻较低温度区的约束,使焊缝区产生纵向压应力。
邻较低温度区的约束,使焊缝区产生纵向压应力。
热应力互相阻碍热应力互相阻碍钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(3)由于钢材在)由于钢材在600以上时呈塑性状态以上时呈塑性状态(热塑性状热塑性状态态),因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生,因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形,塑性变形当温度下降、压应力消失塑性压缩变形,塑性变形当温度下降、压应力消失时不能恢复时不能恢复应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内,故名应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内,故名焊接残余应力焊接残余应力。
Q235钢钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈服点。
服点。
残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面内的应力,因而截面上的内的应力,因而截面上的残余应力自相平衡残余应力自相平衡。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计
(1)纵向焊接应力)纵向焊接应力3.分类分类纵向焊接应力纵向焊接应力横向焊接应力横向焊接应力沿厚度方向的焊接应力沿厚度方向的焊接应力
(2)横向焊接应力)横向焊接应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计两部分组成:
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,两块钢板产生如图缝切开,由于焊缝的纵向收缩,两块钢板产生如图(a)中虚线中虚线所示的弯曲变形。
所示的弯曲变形。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力,因而可见在焊缝长度的中间部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,应力分布如图而在焊缝的两瑞则产生横向压应力,应力分布如图(b)所示。
所示。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计其二是由焊缝的横向收缩所引起。
施焊时,焊缝的形成有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缝区的横向收缩,使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。
所示。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计最后的横向焊接残余应力当为两者即图最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图和图(c)的叠加,的叠加,如图如图(d)所示。
所示。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(3)厚度方向的焊接应力厚度方向的焊接应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二.焊接残余变形的成因焊接残余变形的成因焊接残余变形的成因焊接残余变形的成因1.焊接不均匀的加热焊接不均匀的加热焊接区产生热塑性压缩变形焊接区产生热塑性压缩变形冷却时焊接区要在纵向和横向收缩冷却时焊接区要在纵向和横向收缩构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转2.焊接残余变形焊接残余变形纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等焊接后残余在结构的变形叫做焊接焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。
残余变形。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计纵向收缩变形和横向收缩变形纵向收缩变形和横向收缩变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形焊缝横向收缩所引起的角变形焊缝横向收缩所引起的角变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须共同考虑的问题,必须从设计和工艺两方面来解决。
共同考虑的问题,必须从设计和工艺两方面来解决。
波浪式变形波浪式变形扭曲变形扭曲变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计后冷处形成残余拉应力后冷处形成残余拉应力后冷处形成收缩变形后冷处形成收缩变形钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.4.2焊接应力和变形对结构工作性能的影响焊接应力和变形对结构工作性能的影响一一一一.焊接应力的影响焊接应力的影响焊接应力的影响焊接应力的影响1.对结构静力强度的影响对结构静力强度的影响钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计焊接应力自相平衡焊接应力自相平衡受拉区应力面积受拉区应力面积At受压区应力面积受压区应力面积Ac即即At=Ac=btfy。
截面达到屈服点截面达到屈服点fy时所承受的外力时所承受的外力焊接应力不影响结构的强度焊接应力不影响结构的强度2.对结构刚度的影响对结构刚度的影响焊接应力降低结构的刚度。
焊接应力降低结构的刚度。
残余应力的拉杆的抗拉刚度为残余应力的拉杆的抗拉刚度为(B-b)tE,而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为BtE3.残余应力影响压杆稳定性残余应力影响压杆稳定性有效面积、有效惯性矩有效面积、有效惯性矩钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计4.对低温冷脆的影响对低温冷脆的影响焊接残余应力对低温冷脆影响焊接残余应力对低温冷脆影响厚板和具有严重缺陷的焊缝中,厚板和具有严重缺陷的焊缝中,以以及及在在交交叉叉焊焊缝缝的的情情况况下下,产产生生了了阻阻碍碍塑塑性性变变形形的三轴拉应力,使裂纹容易发生和发展。
的三轴拉应力,使裂纹容易发生和发展。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计5.对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响在在焊焊缝缝及及其其附附近近的的主主体体金金属属残残余余拉拉应应力力通通常常达达到到钢钢材材屈屈服服点点,此此部部位位正正是是形形成成和和发发展展疲疲劳劳裂裂纹纹最最为为敏敏感感的的区区域域。
因此,焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。
因此,焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。
多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.二二二二.焊接变形的影响焊接变形的影响焊接变形的影响焊接变形的影响构件安装困难构件安装困难矫正矫正影响尺寸和外形影响尺寸和外形初偏心初偏心初弯曲初弯曲可能降低结构的承载能力可能降低结构的承载能力附加内力附加内力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.4.3减少焊接应力和变形的措施减少焊接应力和变形的措施设计和焊接工艺设计和焊接工艺设计和焊接工艺设计和焊接工艺一一一一.合理的焊缝设计合理的焊缝设计合理的焊缝设计合理的焊缝设计
(1)合理的选择焊缝的尺寸和形式)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,一般用较小的满足最小焊脚尺寸的条件下,一般用较小的hf加大加大焊缝长度。
焊缝长度。
不要因考虑不要因考虑“安全安全”而任意加大超过计算所需要的而任意加大超过计算所需要的焊缝尺寸。
焊缝尺寸。
(2)尽可能能减少不必要的焊缝)尽可能能减少不必要的焊缝采用薄板,不适当地大量采用加劲肋,不但增加了采用薄板,不适当地大量采用加劲肋,不但增加了装配和焊接的工作量,易引起大的焊接变形。
装配和焊接的工作量,易引起大的焊接变形。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(3)合理地安排焊缝的位置)合理地安排焊缝的位置安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴,安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴,(44)尽量避免焊缝的过分集中和交叉。
)尽量避免焊缝的过分集中和交叉。
焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残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。
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焊缝保持连续三向焊缝相交时,中断次要焊缝使主要焊缝保持连续钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(5)尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
)尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
(6)肋板不宜带锐角)肋板不宜带锐角焊缝不宜过分集中焊缝不宜过分集中板宽不同板宽不同避免仰焊避免仰焊钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二.合理的工艺措施合理的工艺措施合理的工艺措施合理的工艺措施(11)采用)采用合理的焊接顺序合理的焊接顺序和方向。
和方向。
先焊收缩量较大的焊缝,后焊收缩量较小的焊缝,先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。
向收缩余地。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计采用适当的焊接顺序和方向。
采用适当的焊接顺序和方向。
例如采用对称焊,分段退焊例如采用对称焊,分段退焊(即分段焊接,每段施焊方向与即分段焊接,每段施焊方向与焊接推进的总方向相反焊接推进的总方向相反)、跳焊、多层多道焊等,使各次焊、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。
接的残余应力和变形的方向相反和互相抵消。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计(3)锤击锤击或辗压焊缝或辗压焊缝(4)对对于于小小尺尺寸寸焊焊件件,焊焊前前预预热热,或或焊焊后后回回火火加加热热至至600左右,然后缓慢冷却,可以消除焊接应力和焊接变形。
左右,然后缓慢冷却,可以消除焊接应力和焊接变形。
(2)采用)采用反变形法反变形法减小焊接变形或焊接应力。
减小焊接变形或焊接应力。
(5)局部加热局部加热(6)退火法退火法钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计3.5.1螺栓的排列和其他构造要求螺栓的排列和其他构造要求一一一一.螺栓的排列螺栓的排列螺栓的排列螺栓的排列螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求:
螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求:
(1)受力要求)受力要求
(2)构造要求)构造要求(3)施工要求)施工要求钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计l1
(1)受力要求:
端距与栓距过大过小都不好,受压时栓距过)受力要求:
端距与栓距过大过小都不好,受压时栓距过大板件易发生凸曲,且螺栓易受力不均匀,受拉时端距或栓大板件易发生凸曲,且螺栓易受力不均匀,受拉时端距或栓距过小板件易剪切破坏。
距过小板件易剪切破坏。
(2)构造要求:
栓距过大则构件接触面不够紧密,潮气易于)构造要求:
栓距过大则构件接触面不够紧密,潮气易于侵入缝隙而发生锈蚀。
侵入缝隙而发生锈蚀。
(3)施工要求:
保证一定空间转动扳手。
)施工要求:
保证一定空间转动扳手。
螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。
螺栓和铆钉的最大、最小容许距离查表确定。
钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二.螺栓的其他构造要求螺栓的其他构造要求螺栓的其他构造要求螺栓的其他构造要求
(1)为为了了使使连连接接可可靠靠,每每一一杆杆件件在在节节点点上上以以及及拼拼接接接接头头的的一端,永久性螺栓数一端,永久性螺栓数不宜少于两个不宜少于两个。
(2)对对直直接接承承受受动动力力荷荷载载的的普普通通螺螺栓栓连连接接应应采采用用双双螺螺帽帽或或其他防止螺帽松动其他防止螺帽松动的有效措施。
的有效措施。
弹簧垫圈弹簧垫圈(3)由由于于C级级螺螺栓栓与与孔孔壁壁有有较较大大间间隙隙,只只宜宜用用于于沿沿其其杆杆轴轴方方向向受受拉拉的的连连接接。
承承受受静静力力荷荷
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