1、第三章金屬結(jié)構(gòu)的連接,結(jié)構(gòu) 金屬結(jié)構(gòu)是由型材、鍛件、鑄件采用一定的連接方式組成的能夠承受載荷的工程結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，起重機(jī)中常見的連接是焊接、栓接和鉸接。 本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn) 1）學(xué)會(huì)選擇合理的連接方式 2）掌握承載能力的計(jì)算方法,3.1連接的方式及其特點(diǎn),一，方法 焊接：（廣泛應(yīng)用） 螺栓連接：（用于常裝拆的結(jié)構(gòu)）分為：普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓 鉚釘連接：（國(guó)外僅用于特重型橋吊主梁） 膠合連接：（國(guó)內(nèi)未采用） 銷軸連接：（用于兩構(gòu)件間的連接） 二，特點(diǎn) 焊 接：制造簡(jiǎn)便，省工省料，不削弱構(gòu)件截面易于自動(dòng)化操作；但易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形、焊接缺陷，質(zhì)量不易檢查。 螺栓連接：易裝拆，質(zhì)量易檢查，塑性、韌性好，但

2、費(fèi)工費(fèi)料，削易構(gòu)件截面，動(dòng)載作用下易松動(dòng)；高強(qiáng)度螺栓除具有普通螺栓優(yōu)點(diǎn)以外，還具有傳力均勻，應(yīng)力集中小，疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但螺栓制造和連接表面要求較高。 鉚 接：承動(dòng)載能力強(qiáng)，低溫下工作較可靠，但不能拆。,3.2連接的材料,一、焊接 焊接的材料與焊接的方法有關(guān)，焊接的方法達(dá)35種之多，常用的 1. 焊接方法 1）氣焊、氧炔焊焊接薄板、切割金屬。 2）電弧焊 手工電弧焊設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量受人為因素波動(dòng)較大。 埋弧自動(dòng)焊生產(chǎn)率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 氣體保護(hù)焊焊接質(zhì)量高。 3）電渣焊焊接后鋼板。 2. 焊接材料 1）手工焊焊條按照等強(qiáng)度選取。 焊Q235，常用E43XX焊條，如E4

3、303、E4315、E4316 焊Q345，常用E50XX焊條，如E5003、E5015、E5016 焊Q235與Q345的混合連接，E43XX（一般）、E50XX（貼腳焊、受力較大的部位）,3.2連接的材料,2）埋弧自動(dòng)焊焊絲+焊劑 Q235H08、H08A、H08Mn+高硅型焊劑； Q345H08MnA、H10Mnq+低錳型或無錳型焊劑; 3）氣體保護(hù)焊焊絲+氣體（CO2、氬氣） 二，螺栓連接 普通螺栓 Q235-A,Q235-B,35； 高強(qiáng)度螺栓 螺栓：d24mm.45,40B,20MnTiB d24mm.20 MnTiB,35VB 螺母：45，15MnVB 墊圈：45 (平墊圈),3

4、.2連接的材料,螺栓連接的力學(xué)性能等級(jí) 3.5S12.9S10個(gè)等級(jí)，“.”前的數(shù)值是抗拉強(qiáng)度的1/100，“.”后的數(shù)值是屈強(qiáng)比的10倍。 所有的力學(xué)性能等級(jí)都含有相應(yīng)的材質(zhì)和熱處理工藝，根據(jù)性能等級(jí)可以直接查出螺栓連接計(jì)算所需要的單栓承載能力。所以螺栓的標(biāo)注以后以性能等級(jí)作為材料的標(biāo)注。 依據(jù)螺母的厚度，螺母的強(qiáng)度等級(jí)與螺栓的性能等級(jí)有固定的搭配關(guān)系（4H12H） 0.8D的厚度時(shí)，8H8.8S；9H8.8（16mm) 9.8S（16mm),3.3焊接接頭的形式與焊縫型式,對(duì)接接頭： 搭接接頭： T字接頭： 角接頭：,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,一，對(duì)接焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算 1.承受軸力的對(duì)接

5、焊縫： h=N/Af=N/lfh 式中：lf焊縫計(jì)算長(zhǎng)度： 有引弧板時(shí) lf=b 無引弧板時(shí) lf=b-52mm h焊縫許用應(yīng)力，查表23（P36）,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,2.承受剪力的對(duì)接焊縫（純剪） =Q/Af=Q/lfh 式中：lf、同前，h查表23,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,3.N、Q、M共同作用下的對(duì)接焊縫 情形1： 危險(xiǎn)點(diǎn)：A、B. A：h=N/Af+M/Wf h B: h=QSf/Ifh,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,情形2： 危險(xiǎn)點(diǎn)：A，B. A：hA=N/Af+M/WfAh B：,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,二、貼角焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算 1.貼角焊縫的應(yīng)力分布規(guī)律及破壞形式

6、 1）側(cè)焊縫 （1）應(yīng)力分布規(guī)律： 不均勻，兩頭大中間小 （2）破壞形式： 剪切破壞，破壞面為 最小剪切面 （45o工作面）,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,2）端焊縫 （1）應(yīng)力分布規(guī)律：復(fù)雜，應(yīng)力集中在根部（A點(diǎn)）； （2）破壞形式：多樣。,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,3） 圍焊縫（三面圍焊）：塑性低于側(cè)焊，靜強(qiáng)度和側(cè)焊相當(dāng)，疲勞強(qiáng)度高于側(cè)焊。 由于貼角焊縫差別較大，受力復(fù)雜精確計(jì)算十分困難，多數(shù)國(guó)家采用以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主要依據(jù)的計(jì)算方法。 2，貼角焊縫發(fā)計(jì)算假定： 除忽略焊接殘余應(yīng)力及焊縫的增高影響外，做如下幾點(diǎn)假定： 1）不分側(cè)縫和端縫 2）以焊接的最小截面45o斜面作為計(jì)算截面 3）不論連接

7、受拉、壓、剪、彎、把計(jì)算應(yīng)力均視為剪應(yīng)力。,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,3，貼角焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算 1）連接受軸向力的搭接接頭 例1.,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,N=N/Af=N/(lff)h f焊縫計(jì)算厚度； f=0.7hf lf焊縫計(jì)算長(zhǎng)度之和； lf連接一邊焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度之和，按下面規(guī)則取值。 焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的規(guī)定： （1）各條側(cè)縫或端縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度取為8 hf且不小于40mm（由構(gòu)造保證）. （2）側(cè)焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度 受靜載：每條側(cè)縫取lf60hf 受動(dòng)載：每條側(cè)縫取lf40hf （超出部分不考慮）,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,2）受彎矩M的T字接頭 危險(xiǎn)點(diǎn)：A Ifx對(duì)軸x求慣性矩

8、， 稱為軸慣性矩法。,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,3）承受M的搭接接頭 計(jì)算假設(shè)： （1）構(gòu)件為絕對(duì)剛性， 焊縫為彈性； （2）在M作用下，構(gòu)件 焊縫計(jì)算截面型心作相對(duì) 轉(zhuǎn)動(dòng)。 由上面假設(shè)有：在任意一點(diǎn)處，i大小于其到O的距離成正比，方向垂直于連線 當(dāng)點(diǎn)距O為單位長(zhǎng)度r=1時(shí)，焊縫計(jì)算應(yīng)力為：1 當(dāng)點(diǎn)距O為單位長(zhǎng)度r=i時(shí)，焊縫計(jì)算應(yīng)力為：i 1/r1=i/ri r1=1 i=1r i,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,所以： 1=M/IP 任一點(diǎn)處：i=1ri=riM/IP max=rmaxM/IP 離形心最遠(yuǎn)的焊縫所受的剪應(yīng)力。 強(qiáng)度計(jì)算式：max=rmaxM/IPh 極慣性矩法 max=rma

9、xM/(Ix+Iy)h軸慣性矩法（常用）,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,4）復(fù)雜焊縫的強(qiáng)度計(jì)算 （1）承受N、Q、M的工字形截面接頭的貼角的焊縫 將外力P、N向焊縫截面簡(jiǎn)化得：Q=P，M=Pe ,N. 計(jì)算焊縫截面幾何特性參數(shù)：Af,Af,If,WfA,WfB,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,危險(xiǎn)點(diǎn)：A，B強(qiáng)度計(jì)算 A:hA=N+MA=N/Af+M/WfAh B： 式中： Af焊縫總面積. Af腹板焊縫部分的面積. WfA,WfB分別為A，B點(diǎn)的抗彎截面模量,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,（2）承受N，Q，M的搭接接頭 將外力向形心轉(zhuǎn)化得：N，Q=P，M=Pe 假設(shè)：在N，Q作用下，應(yīng)力由全部焊縫均擔(dān)

10、 任一點(diǎn)處：N=N/Af() Q=Q/Af() 在M作用下，離O點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)為A，B點(diǎn).,3.4焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算,危險(xiǎn)點(diǎn)：A（見右上圖分析） maX=MAsin() sin=ymax/rA maY=MAcos() cos=xmax/rA 強(qiáng)度條件： 其中：MA=rAM/IP=rAM/(Ix+Iy) MAx=Mymax/IP MAy=Mxmax/IP,3.5設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng),根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，疲勞失效占金屬結(jié)構(gòu)失效形式的（8090）%，尤其對(duì)經(jīng)常滿載，頻繁工作，承受變載，動(dòng)載的港口裝卸用的起重機(jī)，疲勞破壞往往從焊接接頭處開始產(chǎn)生。 一、合理選材：塑、韌性好抗裂性好，慎用高強(qiáng)度鋼材。 板厚一般

11、min4mm max40mm Q235 max30mm Q345,3.5設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng),二、構(gòu)造設(shè)計(jì)：合理布置焊縫，注意細(xì)節(jié)處理.,1.焊縫不宜太集中,3.5設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng),2.避免焊縫主體交叉（使主焊縫連續(xù)，次焊縫斷開） 3.避免焊縫布置在易產(chǎn)生應(yīng)力集中處,3.5設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng),4.不同厚（寬）的鋼板對(duì)焊接時(shí)，應(yīng)使力流平滑過渡 （滿足表32的不等厚板對(duì)接厚度差時(shí)，可不開斜口） 對(duì)接：6mm (手工焊) 8mm（自動(dòng)焊） 應(yīng)開剖口，剖口形式詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),3.5設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng),5.不允許采用單面搭接端焊縫 6.焊縫布置應(yīng)便于施工,3.5設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的

12、注意事項(xiàng),7.焊縫重心線應(yīng)盡量與構(gòu)件重心線重合 焊縫的分配比例 8.承靜載時(shí)，宜優(yōu)先采用二面?zhèn)群?承動(dòng)載時(shí)，宜優(yōu)先采用三面?zhèn)群?桁架節(jié)點(diǎn),3.6普通螺栓連接,一、分類： 普通螺栓： 粗制類孔，孔-d栓=12mm， 用于主要受拉的連接 精制類孔，孔-d栓=0.20.3mm, （鉸孔）用于同時(shí)承拉，剪，或受剪連接. （鉆模、鉆、沖孔、擴(kuò)鉆、鉸孔）,3.6普通螺栓連接,二、連接形式： 剪力螺栓連接 拉力螺栓連接 拉剪力螺栓連接 三、螺栓布置的極限尺寸要求 布置方式及要求： 并列 錯(cuò)列,3.7剪力螺栓連接計(jì)算,一、受軸心力作用下的受剪螺栓連接 破壞形式： 栓桿剪斷，孔壁或桿身壓壞，板端剪裂，板端拉裂，

13、板拉斷 常見破壞形式： 栓桿剪斷，孔壁擠壞，板拉斷。 計(jì)算內(nèi)容：螺栓、構(gòu)件 計(jì)算方法： 先計(jì)算所需螺栓數(shù)，后進(jìn)行布置 先按經(jīng)驗(yàn)布置，后驗(yàn)算,3.7剪力螺栓連接,按方法. 1.所需螺栓數(shù)：nN/Plmin 式中： Plmin單螺栓抗剪許用承載力pjl和孔壁抗壓許用承載力Plc中的較小值 pjl=njd2l/4 l 許用剪應(yīng)力見表37 Plc=dlc lc許用壓應(yīng)力表37 d 擠壓面積 同方向承壓構(gòu)件的較小總厚度,3.7剪力螺栓連接,2.構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算：設(shè)BA （如取構(gòu)件板B計(jì)算）: 危險(xiǎn)截面： 并列布置時(shí)為第1列栓孔處（截面） 錯(cuò)列布置時(shí)第1列栓孔處（截面） 第1，2列及其后面栓孔處的鋸齒形截面（

14、） 強(qiáng)度驗(yàn)算：=N/Aj Aj截面： Aj=A-n1d 截面：,3.7剪力螺栓連接,二、偏心力作用下的受剪螺栓連接 外力向螺栓群心o轉(zhuǎn)化 假定：在過o的P力作用下，各栓受相同剪力，RP=P/n 在M作用下，連接板繞群心o旋轉(zhuǎn)，各栓受剪力，大小與其與o距離成正比，方向垂直于連線oi； R1/r1=Ri/ri=K Ri=Kri Rmax=Krmax,3.7剪力螺栓連接,分析：危險(xiǎn)螺栓？Rmax=? 危險(xiǎn)螺栓：4和6 在M作用下：,3.7剪力螺栓連接,在P作用下：RP=P/n 危險(xiǎn)螺栓強(qiáng)度條件： 式中：Plmin取Plj和Plc中的較小者.,3.8拉力螺栓連接,一、軸心作用下的拉力螺栓 螺栓破壞截面

15、螺紋、根部。 考慮杠桿反力及應(yīng)力集中因素的影響，將螺栓許用應(yīng)力降低20% N/nPll,3.8拉力螺栓連,式中：Pll單栓抗拉許用承載力. Pll=lld02/4 ll螺栓抗拉許用應(yīng)力. ll=0.8 螺栓材料許用應(yīng)力 d0螺紋內(nèi)徑,3.8拉力螺栓連接,假定連接法蘭（板）剛性足夠大，在M作用下，連接板繞受壓邊排螺栓線：x- x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，各螺栓所受拉力與其到x- x軸的距離成正比。,3.8拉力螺栓連接,Pi/yi=Pmax/ymax Pi=Pmaxyi/ymax M=niPiyi=niyi(Pminyi)/ymax=niyi2Pmax/ymax Pmax=ymaxM/(niyi2) 螺栓強(qiáng)度條件：

16、Pmax= ymaxM/(niyi2)Pll,38拉力螺栓連接,三、偏心受拉螺栓,3.8拉力螺栓連接,當(dāng)e時(shí)： 先計(jì)算e=M/N =Ix/n|ymax| 再判斷：e 或 e而后計(jì)算：Pmax 螺栓強(qiáng)度條件：PmaxPll,3.9拉剪螺栓連接計(jì)算,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：在拉剪聯(lián)合作用下，符合園形相關(guān)公式 若螺栓的計(jì)算拉力、剪力分別為Pll和Pjl，則強(qiáng)度條件為,3.10高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)計(jì)算,一，概述 1，分類 摩擦型：是工程中主要的應(yīng)用種類。 承壓型：摩擦力、螺栓剪力和承壓力三者共同作用在連接中。 螺栓受拉型 我國(guó)當(dāng)前列入設(shè)計(jì)規(guī)范的僅摩擦型（GB122884鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺栓連接副）。 2，工作

17、原理 依靠強(qiáng)大預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力抵抗剪切滑動(dòng)，以出現(xiàn)剪切滑動(dòng)時(shí)狀態(tài)作為連接失效的極限狀態(tài)。,3.10高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)計(jì)算,二、摩擦型高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度計(jì)算 1，軸心力作用下的剪力螺栓連接 N/nP P但栓抗滑許用承載力. P=ZmfPg/n Zm傳力摩擦面數(shù)； f摩擦系數(shù)（與表面處理方法有關(guān)），查規(guī)范P41 Pg預(yù)拉力（預(yù)緊力）.查規(guī)范P41 n安全系數(shù)(按載荷工況確定）.,3.10高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)計(jì)算,2，偏心力作用下的剪力螺栓連接 計(jì)算公式同普通螺栓，許用承載能力為上面的計(jì)算結(jié)果。,3.10高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)計(jì)算,3，剪力和拉力作用下的剪力螺栓 強(qiáng)度條件 抗滑承載能力PQP 抗拉承載能力

18、Pt0.7Pg P=Zmf（Pg-1.25Pt）/n 4，受拉連接 軸向許用載荷 sl螺栓鋼材的屈服點(diǎn) Al螺栓的有效面積，規(guī)范P41 載荷分配系數(shù),3.10高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)計(jì)算,5，被連接件的強(qiáng)度計(jì)算 每個(gè)螺栓所產(chǎn)生的摩擦力N：N/n n為螺栓總數(shù) 第一排為n1個(gè)螺栓產(chǎn)生N N/nn1的摩擦力 N=N-N=N-(N/n)n150% =N（1-0.5n1/n） 被連接件的強(qiáng)度條件： = N/Aj Aj為凈載面積,3.11銷軸連接設(shè)計(jì)計(jì)算,一，銷軸計(jì)算 靜強(qiáng)度w=M/ww max=QS/(IB)=16Q/(3d2) w=d3/32=0.1d3 w銷軸許用彎曲應(yīng)力 不重要及受載不大：Q235，w=125N/mm2 載荷不大，要求韌性較高： 20正火回火w=125 N/mm2 有一定強(qiáng)度及加工塑性要求： 35正火回火w=165 N/mm2 調(diào)質(zhì)w=175 N/mm2 廣泛應(yīng)用： 45正火回火w=195 N/