焊接残余变形和残余应力

3.5 焊接残余变形和残余应力
一、现象和及其产生的原因
1、现象 焊件局部弯曲或翘曲。
a)
b)
c)
d)
e)
2、应力分布 焊接残余应力是一组自平衡应力。
3、产生原因 不均匀降温。
二、对结构的影响
1、降低结构刚度 压应力存在降低结构刚度、降低屈曲应力。
2、导致脆性破坏 发生三向应力。
3、发生焊接残余变形 引起附加内力，降低屈曲强度。
③ 式（3-37）、（3-38）说明
NVb

nv
d 2
4
f
b v
（3-37）
N
b c

d
t
f
b c
（3-38）
a) 螺栓承载力是Nvb和Ncb中之最小值，Nbmin 。 b) ∑t 取 a+b+c和d+e 之间的最小值。
N/3
a
N/3
b
N/3
c
d
N/2
e
N/2
c ) Nvb和Ncb计算式中的受剪面数nv ，上图中nv =4。
3.6 普通螺栓连接
一、普通螺栓连接的构造
1、螺栓的规格
(1)普通螺栓的形式为六角 头型。其代号用M和公称直 径数表示。如M16、M20等。
(2)常用螺栓直径为 d=16，20，24mm
(3)分为A级、B级和C级三种
(3)A级和B级为精制螺栓， 螺杆、螺孔加工精度高，制 作安装复杂，螺栓等级为8.8 级。很少用，已被高强度螺 栓代替。
N1xT N1Nx
2

N1yT N1yV
2

N
b m
in
例题3.10 试验算一受斜向拉力设计值F＝120kN作用 的C级普通螺栓练的的强度。螺栓M20，钢材Q235。
解：(1)单个螺栓的承载力：
N
b V

nv
3.14d 2 4
f
b v
1
3.14 202 4
140
43.96KN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
为什么要限制中心距？(3d0)
太小：连接中易沿螺孔间折线或直线破坏；
不便施工
太大：不紧密易锈蚀，受压时局部失稳。
为什么限制边距、端距？(2d0、1.5d0、1.2d0)
太小：栓钉至边（端）钢板易被子剪断。
太大：不紧密，易锈蚀和变形。
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二、普通螺栓连接的受力性能和计算
NVb——一个螺栓的抗剪设计承载力 nv—— 受剪面数目。单剪nv=1，双剪nv=2 d—— 螺杆直径（公称直径，附录三表3-5。
常用16、20、22、24等，最常用16、20）
fvb—— 螺栓抗剪设计强度，由附表1.3给出。
② 螺杆承压
N
b c

d
t
f
b c
（3-38）
∑t——连接件最小承压总厚度 fcb——螺栓承压设计强度
An11 (b n1d0 )t
1
+2
+ e4 +
+
N
+
+
+
+
+
+
N
+
6e1 +
+
+
+
+
+
+
+2
1 e2
+ e4 +
+
例题3.8 两截面为－14x400的钢板，采用双盖板 和C级普通螺栓连接。螺栓M20，钢材Q235，承受 轴心拉力设计值N＝940KN.试设计此连接。
分析
设计此连接应按等强度考虑，即设计的连接除能承受 N力外，还应使被连接钢板、拼接盖板、螺栓的承载力均 接近，真样才能做到经济省料。因此，连接盖板的截面 面积可取与被连接的钢板的截面面积相同。这样，当螺 栓采用并列布置时，只要计算被连接钢板的强度满足即 可，不必再验算连接盖板。具体设计步骤可根据已知的 轴心力设计值先确定需要的螺栓数目，并按构造要求进 行排列，然后验算构件的净截面强度。
d) 上述承载力未计入摩擦。
4、受剪螺栓连接的计算
N
++ ++
++ ++
N
++ ++
++ ++
L1
N
N
（1）受剪螺栓连接受轴心力作用的计算
目标：确定螺栓数目n和排列。
a、连接所需螺栓数目（假设每个螺栓的受力相同）
n
N N bm in
① l1≤15d0情况
n

N
N
b m
in
n ——所需螺栓数
N ——轴心力 Nbmin ——Nvb和Ncb中之较小值
r 2
1
1
r 3
1
1
r n
1
1
（b）
可以判定螺栓1是危险螺栓 则：最大剪力N1。
n
1
r1 2 N1 r2 N2 o r3 3
4
将（b）式代入（a）， 得用N1表达的T式：
6
5
（a） T N1r1 N2r2 N3r3 Nnrn
T

N1 r1
n i 1
ri2
N2

r2 r1
(4) C级为粗制螺栓，螺杆表面粗糙，螺孔直径比螺杆大 1.5~2mm，制作安装方便。 C级螺栓变形大，多用于围护 结构或次要结构连接。
2、螺栓的排列(简单、统一、整齐、紧凑）
(1)基本形式：并列和错列
(2)排布参数：端距，边距，中距
(3)排布尺寸要求
e3 e1
e4 最大、最小距离限值见P54表3.5。e2
（3）计算由扭矩产生 的剪力
T 89.6103 150 1.344107 N MM
X2i Yi2 61002 41502 150000mm2
N1TX
T Y1 Xi2
yi2
1.344107 150 150000
13.44kN
N
b c

d
tf
b c

20 10 305
61kN
Nb m in

43.96kN
（2）换算作用外力（轴力和剪力的作用）
N1Fx 120
2 84.9kN 2
V1Fy 84.9kN
N1NX
84.9kN 6来自 14.15KNN1VY

84.9KN 6
14.15KN
在轴心力作用下可认为 每个螺栓平均受力
4、不影响静力强度 自平衡应力。
三、减少焊接残余变形和应力的方法
（一）设计方面
焊缝尺寸应适当、不要随意加大焊脚尺寸： 焊缝应尽可能对称布置．且不宜过分集中(图a) 和三向相交。遇到以上情况时应采取措施加以 改善(图b、c)
(二)制造加工方面 1、合理焊接顺序；
2、对称焊缝、对称施焊； 3、采用预先反变形；
N1TY
T X1 Xi2
yi2
1.344107 100 8.96kN 150000
（4）受力最大的螺栓1所受的合力
NTNV 1

(N1Tx N1Nx )2 (N1Ty N1Vy )2
(14.15 13.44)2 (14.15 8.96)2 36KN
Nb min
49.96KN
所以该连接满足要求
a)
B
A
b) B
d)
35º 35º
A
c) A e)
A A
螺栓剪断
2、单个螺栓受剪时的工作性能
螺栓工作分以下三阶段
① 弹性工作阶段(0-1)
传递的剪力小于板间的摩擦阻力，连接板间相
对位置保持不变。
N/mm2
4
② 相对滑移阶段(1-2)
3 a
传递的剪力大于摩擦
高强度螺栓 12
力，连接板间相对滑移。 ③ 弹塑性工作阶段(2后)
b s 粗制螺栓
螺杆与孔壁接触、挤压。 1 2 0
δ(mm)
3、单个螺栓的承载力计算 分螺栓抗剪和螺栓承压两种情况：
N/5 V=N
图 受轴力作用螺栓群 剪力分布
l1
实际的

b c
实际承压面
假定的

b c
计算承压面
l1
l2
图3-54 螺栓的承压面
① 螺杆抗剪
NVb
d 2
nv 4
f
b v
（3-37）
② l1＞15d0情况
此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力N最近的一排 螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保 证其安全，将承载力乘降低系数。
② l1＞15d0情况
此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力N最近的一排 螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保 证其安全，将承载力乘降低系数。
解：（1）确定连接盖板截面
采用双盖板拼接，截面尺寸选7×400，与 被连接钢板截面面积相等，钢材亦为Q235
（2）确定所需螺栓数目和螺栓排列
NVb
d 2
nv 4
f
b v
Ncb d
t
f
b c
N
b m
in

Min[
N
b v
,
N