钢结构设计原理之钢结构的连接.pptx
钢结构设计原理,第三章 钢结构的连接,3.1 钢结构的连接方法和特点,连接的作用将板材或型钢组合成构件，再将构件组合成整体结构。连接方式及其质量直接影响钢结构的工作性能。必须安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材。连接方法：焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种。,3.1.1焊接连接最主要的连接方法。优点任何形式的构件都可直接相连，构造简单，制作加工方便；不削弱截面，用料经济；连接的密闭性好，结构刚度大；可实现自动化操作，提高焊接结构质量。缺点 在热影响区内，金相组织发生改变，局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。,通常采用电弧焊（包括手工电弧焊）、埋弧焊(自动或半自动焊)以及气体保护焊等。,钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊 最常用的一种焊接方法。通电后在涂有药皮的焊条与焊件之间产生电弧。,手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材(或称主体金属)相适应：Q235钢 E43型焊条(E4300E4328)；Q345钢 E50型焊条(E5000E5048)；Q390钢Q420钢 E55型焊条(E5500E5518)。E表示焊条、前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度(以kgfmm2表示)，第三、四位数字表示适用焊接位置、电流以及药皮类型等。不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,2 埋弧焊(自动或半自动)电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。自动电弧焊 焊丝送进和电弧按焊接方向的移动有专门机构控制完成。半自动电弧焊 焊丝送进有专门机构，而电弧按焊接方向的移动靠人手工操作完成。电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接，生产率高。工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好、焊件变形小。同时，高焊速也减小了热影响区的范围。但埋弧焊对焊件边缘的装配精度(如间隙)要求比手工焊高。埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属强度相适应，即要求焊缝与主体金属等强度。,3.气体保护焊 气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层，以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程中的稳定性。气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清楚地看到焊缝成型的过程；由于保护气体是喷射的，有助于熔滴的过渡；又由于热量集中，焊接速度快，焊件熔深大，故所形成的焊缝强度比手工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置的焊接。但不适用于在风较大的地方施焊。,3.1.2 铆钉连接制孔和打铆。塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，对主体金属的材质质量要求低。削弱截面，费钢费工，要求技工技术水平高，劳动条件差。很少采用，被焊接和螺栓连接所取代。,3.1.3 螺栓连接 普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。1 普通螺栓连接普通螺栓分为A、B、C三级。A与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级。C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。小数点前面的数字表示螺栓成品的抗拉强度不小于400N/mm2，小数点及小数点以后数字表示其屈强比为0.6或0.8。,A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加工精制而成。表面光滑，尺寸准确，对成孔质量要求高。有较高的精度，因而受剪性能好。制作和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。螺栓表面粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成设计孔径的孔(II类孔)。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大1.52mm。螺栓杆与螺栓孔之间有较大的间隙，受剪力作用时，将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。安装方便，且能有效地传递拉力，可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。,2.高强度螺栓连接,两种类型摩擦型连接：依靠摩擦阻力传力，并以剪力不超过接触面摩擦力作为设计准则；承压型连接：允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限承载力作为设计准则。采用45号钢、40B钢和20MnTiB钢加工而成，经热处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于800Nmm2和1000Nmm2，即前者的性能等级为8.8级，后者的性能等级为10.9级。摩擦型连接螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5-2.0mm；承压型连接高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0-1.5mm。,摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工较简单，可拆卸，耐疲劳，特别适用于承受动力荷载的结构。承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结构中。,3.2.1 焊缝的形式,3.2 焊缝和焊接连接的形式,角焊缝和坡口焊缝。1.角焊缝连接板件不必坡口，焊缝金属填充在连接板件形成的直角或斜角区域内。按截面形式可分为：直角角焊缝 两焊脚边的夹角为90，微凸的等腰直角三角形，直角边边长hf称为角焊缝的焊脚尺寸。he0.7hf为直角角焊缝的有效厚度。斜角角焊缝 两焊脚边的夹角不等于90斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。夹角大于l35或小于60的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。,2.坡口焊缝焊件常需做成坡口，焊缝金属填充在坡口内。坡口形式与焊件厚度有关：焊件厚度很小(小于等于10mm)：直边缝。一般厚度(t=1020mm):具有斜坡口的单边V形或V形焊缝。斜坡口和离缝b共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用。较厚的焊件(t20mm)，则采用U形、K形和X形坡口。V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准建筑钢结构焊接规程要求进行。,对接焊缝：两构件在同一平面内；对接与角接组合焊缝：T形、十字形或角接接头的坡口焊缝。,3.2.2 焊接连接的形式,3.2焊缝和焊接连接形式,1.焊接连接形式被连接板件的相互位置：对接、搭接、T形连接和角部连接四种。连接所采用的焊缝主要有坡口焊缝和角焊缝。对接连接：主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相互连接。采用对接焊缝，两构件在同一平面内，传力均匀平缓，没有明显的应力集中，用料经济，但是焊件边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。采用双盖板和角焊缝，传力不均匀、费料，但施工简便，所连接两板的间隙大小无需严格控制。搭接连接：适用于不同厚度构件的连接。传力不均匀，材料较费，构造简单，施工方便，广泛应用。,T形连接 省工省料，常用于制作组合截面。采用角焊缝连接 焊件间存在缝隙，截面突变，应力集中现象严重，疲劳强度较低，可用于不直接承受动力荷载结构的连接中。采用坡口焊缝 对于直接承受动力荷载的结构，如重级工作制吊车梁，其上翼缘与腹板的连接。角部连接 主要用于制作箱形截面。,2.焊缝的施焊位置平焊、横焊、立焊及仰焊。平焊(又称俯焊)施焊方便。立焊和横焊要求焊工的操作水平比平焊高一些。仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此应尽量避免采用仰焊。,3.3 焊缝缺陷和质量检验,3.3.1焊缝缺陷焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。,3.3.2 焊缝质量检验,缺陷削弱焊缝受力面积，焊缝处应力集中，对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。焊缝质量检验极为重要。外观检查 检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验 检查内部缺陷。采用超声波检验，用磁粉、荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外还可采用X射线或射线透照或拍片，X射线应用较广。钢结构工程施工质量验收规范规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一、二、三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝除外观检查外，还要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,3.3.3 焊缝代号图例,焊缝符号表示法规定：焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头的斜线组成。箭头指到图形上的相应焊缝处，横线的上面和下面用来标注图形符号和焊缝尺寸。当引出线的箭头指向焊缝所在的一面时，应将图形符号和焊缝尺寸等标注在水平横线的上面；当箭头指向对应焊缝所在的另一面时，则应将图形符号和焊缝尺寸标注在水平横线的下面。必要时，可在水平横线的末端加一尾部作为其他说明之用。图形符号表示焊缝的基本型式，如用 表示角焊缝，用V表示V型坡口的对接焊缝。辅助符号表示焊缝的辅助要求，如用 表示现场安装焊缝等。,3.4 角焊缝的构造要求和计算,角焊缝按其与作用力的关系可分为：正面角焊缝 焊缝长度方向与作用力垂直；侧面角焊缝 焊缝长度方向与作用力平行；斜焊缝 焊缝长度方向与作用力方向成一角度；围焊缝 正面、侧面、斜焊缝组成的混合焊缝。,侧面角焊缝 主要承受剪应力，塑性较好，弹性模量低，强度也较低。传力线通过时产生弯折，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著，但在届临塑性工作阶段时，产生应力重分布，可使应力分布的不均匀现象渐趋缓和。,正面角焊缝 受力复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。正面角焊缝的破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形能力差。斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。,3.4.1 角焊缝的构造要求,1.最小焊脚尺寸 焊脚尺寸过小，施焊时冷却速度过快，产生淬硬组织，导致母材开裂。焊脚尺寸 t2为较厚焊件厚度(mm)，焊脚尺寸取整数。自动焊熔深较大，最小焊脚尺寸可减小1mm；T形连接的单面角焊缝，增加1mm；当焊件厚度小于或等于4mm时，取与焊件厚度相同。,3.4.1 角焊缝的构造要求,2 最大焊脚尺寸 避免焊缝收缩时产生较大的残余应力和残余变形，热影响区扩大，产生热脆，较薄焊件烧穿，除钢管结构外焊脚尺寸t1为较薄焊件厚度（mm）。板件边缘的焊缝：板件厚度t6mm时，hft-(12)mmt6mm时，取hft。不等角焊角尺寸。,3.4.1 角焊缝的构造要求,3 角焊缝的最小计算长度 焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近，以及焊缝中可能产生的其他缺陷(气孔、非金属夹杂等)，使焊缝不够可靠。搭接连接的侧面角焊缝，如果焊缝长度过小，由于力线弯折大，会造成严重应力集中。为了使焊缝能够具有一定的承载能力，侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。,3.4.1 角焊缝的构造要求,4 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大中间小。焊缝越长，应力集中越明显。若焊缝长度适宜，两端点处的应力达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀。若焊缝长度超过某一限值时，有可能首先在焊缝的两端破坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度 lw60hf当实际长度大于上述限值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布，比如焊接梁翼缘板与腹板的连接焊缝，计算长度可不受上述限制。,3.4.1 角焊缝的构造要求,5 搭接连接的构造要求当板件端部仅有2条侧面角焊缝时，连接的承载力与b/lw有关，B为两侧焊缝的距离，lw为侧焊缝长度。当b/lw1时，连接的承载力随着b/lw比值的增大而明显下降。为使连接强度不致过分降低，要求b/lw1。避免焊缝横向收缩，引起板件向外发生较大拱曲，b不宜大于16t(t12mm)或190mm(t12mm)，t为较薄焊件的厚度。搭接连接中，仅采用正面角焊缝时，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm。,7 减小角焊缝应力集中的措施端部搭接采用三面围焊时，在转角处截面突变，会产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2hf的绕角焊。,6 断续角焊缝的构造要求角焊缝沿长度方向：连续角焊缝、断续角焊缝。连续角焊缝 受力性能较好，主要的形式。断续角焊缝 起、灭弧处容易引起应力集中，只用于次要构件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝的间断距离l不宜过长，以免连接不紧密，潮气侵入引起构件锈蚀。受压构件中应满足l15t；受拉构件中l30t，t为较薄焊件的厚度。,3.4.1 角焊缝的构造要求,3.4.2 直角角焊缝的计算,1 直角角焊缝强度计算的基本公式试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在45的最小截面，此截面(有效厚度与焊缝计算长度的乘积)称为焊缝的有效截面或计算截面。,1.直角角焊缝强度计算的基本公式,作用于焊缝有效截面上的应力：垂直于焊缝有效截面的正应力 垂直于焊缝长度方向的剪应力 沿焊缝长度方向的剪应力,1.直角角焊缝强度计算的基本公式,根据多国试验结果，国际标准化组织(ISO)确定角焊缝的极限强度：为焊缝金属的抗拉强度。上式是根据ST37(相当于Q235钢)提出的，对于其他钢种，公式左边的系数不是1.8，而是在1.73.0之间变化。为使公式能够适用于较多的钢材，同时也为了与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会(ECCS)将式中的1.8改为3，即：,应用上式进行设计时，较为繁难。不少国家均在此基础上进行简化。我国规范在简化计算时，假定焊缝在有效截面处破坏，各应力分量满足折算应力公式。由于规范规定的角焊缝强度设计值 是根据抗剪条件确定的，而 相当于角焊缝的抗拉强度设计值，则,1.直角角焊缝强度计算的基本公式,1.直角角焊缝强度计算的基本公式,角焊缝基本公式的推导。Ny在有效截面上引起垂直于焊缝一个直角边的应力，该应力对有效截面既不是正应力，也不是剪应力，而是 和 的合力。,1.直角角焊缝强度计算的基本公式,Ny垂直于焊缝长度方向的轴向力；he直角角焊缝的有效厚度，he=0.7hf；lw 焊缝的计算长度，考虑起灭弧缺陷，按各条焊缝的实际长度每端减去hf计算。,Nx在焊缝有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力,1.直角角焊缝强度计算的基本公式,则得直角角焊缝在各种应力共同下的计算式,正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时取1.0。,对正面角焊缝,对侧面角焊缝,角焊缝的基本计算公式。只要将焊缝应力分解为垂直于焊缝长度方向的应力和平行于焊缝长度方向的应力，基本公式就可适用于任何受力状态。,2轴心力作用的角焊缝连接计算（1)盖板连接的角焊缝计算轴心力通过焊缝中心时，认为焊缝应力是均匀分布的。只有侧面角焊缝时只有正面角焊缝时采用三面围焊时,（2）承受斜向轴心力的角焊缝连接计算分力法：,直接法：,（3）承受轴心力的角钢角焊缝连接计算,一般采用两面侧焊或三面围焊，特殊情况采用L形围焊。受轴心力作用，避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。三面围焊 两面侧焊,（3）承受轴心力的角钢角焊缝连接计算,两面侧焊,L形围焊,3 弯矩、轴心力和剪力共同作用的角焊连连接计算（1）弯矩作用的角焊连连接计算,3 弯矩、轴心力和剪力共同作用的角焊连连接计算（2）弯矩、轴心力和剪力共同作用的角焊连连接计算,工字梁(或牛腿)与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常承受弯矩和剪力的共同作用。计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受。,4 扭矩和剪力共同作用的角焊缝连接计算（1）扭矩作用的环形角焊缝计算焊缝的有效厚度比圆环直径小得多，可视为薄壁圆环的受扭问题。有效截面任一点上所受的切线方向的剪应力,r圆心至焊缝有效截面中线的距离；Ip焊缝有效截面的惯性矩，Ip=2her3,计算角焊缝在扭矩T作用下产生的应力时，假定：被连接件是绝对刚性的，有绕焊缝形心o旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性；角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。,4 扭矩和剪力共同作用的角焊缝连接计算（2）扭矩作用的角焊缝计算,（3）扭矩、剪力和轴心力共同作用的角焊缝连接计算,3.4.3 斜角角焊缝的计算,采用与直角角焊缝相同的计算公式计算。研究很少，计算公式也是根据直角角焊缝简化得出。因此，一律取,焊缝有效厚度：假定在所成夹角的最小斜面上发生破坏当根部间隙b、b1或b21.5mm时 当b、b1或b21.5mm时 任何情况下b、b1或b2不得大于5mm。,3.5.1坡口焊缝的强度,3.5 坡口焊缝的构造要求和计算,焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝对全部焊缝作外观检查；一级、二级焊缝除外观检查外还要求一定数量的超声波检验。如焊缝中不存在缺陷，焊缝金属的强度高于母材。但焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的坡口焊缝对缺陷甚为敏感，由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85，而一二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等分为焊透的坡口焊缝和部分焊透的坡口焊缝。,3.5.2坡口焊缝的构造和计算,1、坡口焊缝的构造要求 对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5(直接承受动力荷载时不大于1:4)的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。焊缝起灭弧处弧坑等缺陷对承载力影响极大，焊接时一般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。受静力荷载设置引弧(出)板困难时，允许不设置，此时焊缝计算长度等于实际长度减2t。t为连接件的较小厚度，在T形接头中t为腹板的厚度。,钢板拼接可采用纵横两方向的对接焊缝，十字或T形交叉，T形交叉时距离不得小于200mm，且拼接料的长度均不得小于300mm。T形拼接的构造。,2.焊透的坡口焊缝的计算坡口焊缝是焊件截面的组成部分，焊缝中应力分布基本与焊件相同，故计算方法与构件的强度计算一样。(1)轴心力作用的对接焊缝 N轴心拉力或压力设计值；lw焊缝的计算长度。当未采用引弧板时，取实际长度减去2t；t对接接头中为连接件的较小厚度；T形接头中为腹板厚度；对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,只有三级检验的焊缝才需进行抗拉强度验算。如果采用直缝不能满足强度要求时，可采用如图所示的斜对接焊缝。焊缝与作用力间的夹角满足tan1.5时，斜焊缝的强度不低于母材强度，可不再进行验算。,（2）弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算 对接接头受到弯矩和剪力的共同作用，正应力与剪应力的最大值应分别满足 Ww、Sw、Iw焊缝的截面模量、面积矩、惯性矩。工字形或H型钢梁的对接焊缝接头，除分别验算最大正应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和剪应力处，如腹板与翼缘的交接点还验算折算应力：验算点处焊缝的正应力和剪应力。,（3）轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之和剪应力折算应力,3.部分焊透的坡口焊缝的计算受力很小，焊缝主要起联系作用或焊缝受力虽然较大，但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥时，可采用部分焊透的对接焊缝。四块较厚的板焊成箱形截面的轴心受压构件，用焊透对接焊缝是不必要的；如采用角焊缝外形又不平整；采用部分焊透的对接与角接组合焊缝可以省工省料，较为美观大方。部分焊透的对接焊缝必须在设计图上注明坡口的形式和尺寸。,坡口形式：V形、单边V形、U形、J形和K形。,部分焊透的坡口焊缝可视为在坡口内焊接的角焊缝。强度计算方法与直角角焊缝相同，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下f1.22，其他情况取f1.0。对U形、J形和坡口角60 的V形坡口 he=s 60的V形坡口焊缝 he=0.75 s 对单边V形和K形坡口焊缝，=455时 he=s-3mm,熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离S时,应验算焊缝在熔合线上的抗剪强度，其强度设计值取0.9倍角焊缝的强度设计值。焊缝的最小有效厚度为1.5，t2为坡口所在焊件的较大厚度(单位取mm)。,3.5.3焊缝质量等级的选用,规范对焊缝质量等级的选用有如下规定：(1)需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。(2)在不需要进行疲劳计算的构件中，要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。(3)重级工作制和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。(4)由于角焊缝的内部质量不易探测，故规定其质量等级一般为三级，只对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量Q50t的中级工作制吊车梁才规定角焊缝的外观质量应符合二级。,3.6.1焊接应力的分类和产生的原因,3.6 焊接应力和焊接变形,热变形 焊件在焊接时产生的变形焊接残余变形 焊件冷却后产生的变形，焊件中的应力称为焊接残余应力1 纵向焊接应力 沿焊缝长度方向施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度可达1600以上，而邻近区域温度急剧下降。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用下的应力，在焊件内部自平衡，必然在距焊缝稍远区段内产生压应力。,2 横向焊接应力 垂直于焊缝长度方向产生的原因有二：焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。由于先焊的焊缝已经凝固，阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向的塑性压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处的焊缝则受拉应力。,3 厚度方向的焊接应力在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接应力x、y外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力z。这三种应力形成同号三向应力，将大大降低连接的塑性。,3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响,1对结构静力强度的影响,常温工作并具有一定塑性的钢材，静荷作用下，焊接应力不影响结构的静力强度,轴心受拉构件受荷前截面上存在纵向焊接应力，假设分布如图所示，截面bt部分的焊接拉应力已达fy，轴心力N作用下，应力不再增加，钢材具有一定的塑性，N仅由受压的弹性区承担。受压区由原来受压逐渐变为受拉，最后应力也达到屈服点fy，此时全截面应力都达到fy。由于焊接应力自相平衡，全截面屈服,无焊接应力，全截面上的应力屈服时的外力为Btfy。,3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响,2 对结构刚度的影响构件上存在焊接残余应力会降低结构的刚度。截面bt部分的拉应力已达到fy，这部分刚度为零，因而构件在拉力N作用下的应变增量为如构件上无焊接残余应力存在时，则构件在拉力作用下的应变增量为B-bB，所以，即焊接残余应力的存在增大了结构的变形，故降低了结构的刚度。,3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响,3 对受压构件承载力的影响焊接残余应力使构件的有效面积和有效惯性矩减小，从而必定降低其稳定承载力。4 对低温冷脆的影响厚板或具有交叉焊缝将产生三向焊接拉应力，阻碍了塑性变形的发展，增加了钢材在低温下的脆断倾向。5 对疲劳强度的影响焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材的屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。,3.5.3 焊接变形,焊接过程中，不均匀的加热和冷却，焊接区在纵向和横向收缩时，导致构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等。焊接变形包括纵、横收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,任一焊接变形超过验收规范的规定时，必须进行校正，以免影响构件在正常使用条件下的承载能力。,3.5.4 减少焊接应力和焊接变形的措施,设计措施(1)尽可能使焊缝对称于构件截面的中性轴，以减小焊接变形。(2)采用适宜的焊脚尺寸和焊缝长度。(3)焊缝不宜过分集中。(4)应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉。(5)尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。,2工艺措施(1)合理的施焊次序 采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，工字形截面按对角跳焊。(2)采用反变形 施焊前给构件一个与焊接变形反方向的预变形，使之与焊接所引起的变形相抵消，从而达到减小焊接变形的目的(3)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，可以消除焊接应力和焊接变形。也可采用刚性固定法将构件加以固定来限制焊接变形，但却增加了焊接残余应力。,
