钢结构基本原理及设计
后冷处形成残余拉应力 后冷处形成收缩变形
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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
一. 焊接应力的影响
1. 对结构静力强度的影响
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
焊接应力自相平衡 受拉区应力面积At 受压区应力面积Ac 即At=Ac=btfy。 截面达到屈服点fy时所承受的外力 N y Ac ( B b)tf y Btf y 焊接应力不影响结构的强度 2. 对结构刚度的影响 焊接应力降低结构的刚度。 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 BtE 3. 残余应力影响压杆稳定性 有效面积、有效惯性矩
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
（3）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， （4）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 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
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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破坏形式有： ①栓杆直径较小，板件较厚时，栓杆被剪断； ②当栓杆直径较大，板件较薄时，板件可能先被挤坏，栓 杆和板件挤压是相对的，叫做螺栓承压破坏； ③端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏；
④板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉断。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
（6）肋板不宜带锐角 焊缝不宜过分集中 板宽不同 避免仰焊
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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二. 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。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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3. 分类 纵向焊接应力 横向焊接应力 沿厚度方向的焊接应力 （1）纵向焊接应力 （2）横向焊接应力
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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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。
二. 焊接残余变形的成因
焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。
1. 焊接不均匀的加热
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 构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转 2. 焊接残余变形 纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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纵向收缩变形和横向收缩变形
按受力情况可分为三类： 螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和 剪力作用。
一. 受剪连接的工作性能
1. 四个阶段： （1）摩擦传力的 弹性阶段 （2）滑移阶段 （3）栓杆传力弹 性阶段 （4）弹塑性阶段
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
注意受剪螺栓与受拉螺栓的区别：
螺栓受剪
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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当构件在节点处或接头一侧的螺栓沿受力方向的连接 长度l1太长时，各螺栓受力将严重不均匀，即连接两端的螺 栓受力大于中间螺栓而可能首先达到极限承载力引起破坏。
l1
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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2) 当l1＞15d0时（d0为螺栓孔径），螺栓承裁力设计值 应按下式 β 系数折减。 适用于普通螺栓、高强度螺栓和铆钉连接。
Nvb min min( Nvb , Ncb )
式中:nv——螺栓受剪面数目．取nv＝1(单剪)或 2(双剪)； Σt ——同一受力方向承压构件的较小总厚度，单剪 时取min(t1，t2)，双剪时取min(2t1，t2)。 每个螺栓所受的实际剪力应不超过其抗剪的承载力(均 按设计值)，即Nv≤ Nvbmin。
（3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴 方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸 结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺 栓受剪。
（4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板）
加肋板 减少撬力 加强刚度
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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3.5.2 普通螺栓的受剪连接
计算假定： ①栓杆受剪计算时，螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布； ②孔壁承压计算时，挤压力沿栓杆直径平面均匀分布。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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一个抗剪普通螺栓的承载力设计值Nvbmin应按抗剪承载 力设计值Nvb和承压承载力设计值Ncb的较小值采用，即： 受剪承载力设计值：
N nv ( d ) f 4
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平 截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平面)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。 热应力互相阻碍
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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（3）由于钢材在600℃以上时呈塑性状态(热塑性状 态)，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 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 焊接残余应力。 Q235钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈 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 内的应力，因而截面上的残余应力自相平衡。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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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(b)所示。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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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。
（3）锤击或辗压焊缝 （4）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，可以消除焊接应力和焊接变形。 （5）局部加热 （6）退火法
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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§3-5 普通螺栓的构造和计算
3.5.1 螺栓的排列和其他构造要求
一. 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： （1）受力要求 （2）构造要求 （3）施工要求
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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
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波浪式变形
扭曲变形
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。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
螺栓受拉
螺栓受拉且受剪
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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2. 抗剪螺栓连接根据被连接钢板的组合情况，通常有单剪 和双剪两种受力型式。
3. 破坏形式 (1)当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓 杆剪切破坏。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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(2) 当螺栓直径较粗而被连接钢材较薄时，孔壁可能 在螺栓杆局部承压或挤压下产生较大挤压应力和塑性变 形，最终导致螺栓孔拉长，称为挤压破坏。 (3) 当螺栓孔距板端距离较小时，导致板端沿最大剪 应力方向剪断。称为冲剪破坏。 (4) 当构件开孔较多使截面削弱较大时，可能发生构 件沿净截面的强度破坏。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
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§3-5 普通螺栓的构造和计算
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二. 螺栓的其他构造要求
（1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的 一端，永久性螺栓数不宜少于两个。
（2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或 其他防止螺帽松动的有效措施。弹簧垫圈
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通常情况下，采用构造措施避免端板被剪坏。构造措施 如下： 螺栓孔端距满足l1≥2d0，以免板端被剪坏。 对抗剪普通螺栓连接一般应计算 a. 螺栓杆抗剪强度 b. 孔壁承压强度 c. 验算构件的净截 面强度
§3-5 普通螺ห้องสมุดไป่ตู้的构造和计算
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二. 单个普通螺栓的受剪计算
二. 焊接变形的影响
构件安装困难 矫正 影响尺寸和外形 初偏心 可能降低结构的承载能力 初弯曲 附加内力
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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3.4.3 减少焊接应力和变形的措施
设计和焊接工艺 一. 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。 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 装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变形
3.4.1 焊接残余应力和变形的成因
一. 焊接残余应力的成因
焊接残余应力简称焊接应力 1. 现象
2. 成因
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
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（1）焊缝出现不均匀温度场
焊缝附近温度最高，可高达1600度以上 在焊缝区以外，温度则急剧下降