焊接結構輔導

主要內容結構設計基礎焊接結構設計鋁合金焊接結構結構設計基礎部分安全校核（強度校核、穩定性校核、剛度校核）Sd作用力（結構設計基礎、強度理論基礎） Rd抵抗力（強度理論基礎）-極限應力支座種類

在建筑物中，支座具有通過它的反作用力來承受外力，并且使建筑物保持平衡的功能。支座類型可分為以下三種：

活動支座

固定支座

緊固支座活動支座

只能對垂直方向上的力V產生作用力。對水平方向上的力和力矩不起作用。有兩個運動自由度，一個未知的支座反作用力。固定支座能對垂直方向上的力V和水平方向上的力H產生反作用力。對力矩不起作用。有一個運動自由度，二個未知支座反作用力。緊固支座能對垂直方向上的力V，水平方向上的力H和力矩M產生反作用力或力矩。無運動自由度，有三個未知的支座反作用力。靜定系統如果只有三個未知的支座反作用力，那么這個靜力學系統是可以確定的，因為根據三個平衡條件可以確定出支座反作用力。人們稱此系統為靜定系統。如果一個靜定系統有三個以上未知的支座反作用，那么，人們稱此系統為靜不定系統。多支撐直通梁、雙鉸鏈框架，緊固框架和樓層框架等都是這種靜不定系統的例子。幾種典型的梁承載結構靜定系統靜定系統判定公式：n=a+z-3sa：支座反作用力的數量z：構件之間反作用力的數量s：桿件的數量結果的意義：n＞0n倍靜不定系統n=0靜定系統n＜0可移動系統幾種典型的梁承載結構靜定系統單一載荷均布載荷靜不定系統

內力是指物體內部各質點之間的相互作用，物體不受外力時，其內部各質點之間也存在內力，它使質點間相對位置保持不變。當物體受外力作用而發生變形時，物體所受內力發生變化，產生了“附加內力”，稱為內力。在單一傾斜載荷作用下的梁內力計算與分布：內力主要：軸向內力

橫向（剪切）內力

彎矩軸向內力：橫向內力彎矩X∈（0~4）X∈（4~7）應力應力=力/受力面積正應力σ（作用力垂直作用到橫截面積上，可由拉伸載荷、壓縮載荷和彎曲載荷所產生）剪應力

（作用力平行作用到橫截面積上）計算梁的截面參量慣性距Iy和翼板截面參量靜距SyIy慣性矩cm4（彎曲和剪切引起的應力，彎曲所產生的變形）Sy靜矩cm3

（剪切時的應力）彎矩產生的正應力例題：

S235(St37)鋼的應力一應變圖

試件的應變值為橫坐標，以應力的變化量為縱坐標，做出其曲線分布圖，以測定材料機械性質的各項指標

上屈服極限：第一次下降前的最大應力抗拉強度斷裂前能夠測得最大應力許用應力為了使建筑物不致在應力達到屈服極限時出現變形現象，許用應力是根據材料S235屈服極限而不是根據斷裂極限來進行保障。許用應力與母材種類、受載荷類型、質量檢驗有關。延伸率材料特征值用來表示材料的性能，也用來說明在載荷作用下所能達到的結構關系。在拉伸試驗中，如果把應力和由應力引起的應變表示在一個坐標系中，就會產生一個應力—應變圖，該圖描繪了變形的特征。屈強比屈強比較大表示可節約材料，屈強比較大表示可提高安全性

抗扭曲扭曲是構件橫截面在扭矩（當作用力偏離剪力中心時），則將產生扭矩的作用下相對軸線而產生的轉動變形，如果載荷通過剪切中心構件上不產生扭曲。Am是箱形梁的剪力作用的面積，即圖中陰影線部分不同載荷下的焊接結構不同載荷條件下的破壞形式——在靜載及主要承受靜載的狀態下，將導致：形變斷裂、脆性斷裂、層狀撕裂和失穩破壞。——在熱負荷狀態下，將導致：低溫的影響—脆性斷裂，高溫的影響—屈服極限的高溫失效及蠕變失效。——在動載荷狀態下，將導致：疲勞斷裂。

焊接結構設計載荷種類

載荷的分類主要根據載荷特征值通常我們把這種載荷特征值?（Kappa）稱為極限應力比，來確定載荷的種類：分為：主靜載荷

?=+1

靜載荷

?=+0.5

主要靜載荷，聯系到構件壽命，載荷作用次數限制到10000次動載荷

?=±0

脈動載荷

?=-1

交變載荷主靜載：能夠出現應力均勻化，因此應力集中在一定情況下將為次要地位動載：失效形式是疲勞斷裂缺口效應

工程上通常用作用在截面上力線的疏密程度表現應力的分布狀況。形狀均勻的橫截面上,力線分布是均勻的缺口使力線發生偏離，使受載構件缺口處附近力線密集缺口處局部應力升高應力集中焊接接頭中的缺口效應

對接焊縫時的應力分布

對接接頭基本上滿足焊縫中的力線分布不受干擾和應力分布均勻要求

如果在一個對接接頭中，由于施工制造缺陷而產生內部的或外部的缺口時，那么這種焊接接頭是不完善的。

不同厚度的構件焊成的對接接頭，形成結構設計方面造成的缺口，此時所產生的峰值應力高度與所選擇的過渡形狀有關。角焊縫形式：面角焊縫，最經濟的，因為它不存在多余的焊縫體積。盡管存在小的外部缺口效應，但在主要承受靜載荷的構件上仍可使用這種焊縫形狀。凸面角焊縫一般應被避免。它是不經濟的并且具有最大的缺口效應。僅在角接焊縫時使用這種焊縫形狀，甚至認為是有利的。凹面角焊縫的焊縫體積大于平角焊縫的焊縫體積。凹形角焊縫具有最小的外部缺口效應，因此優先用于承受動載的構件中。它們多半只能在船形位置焊接時得到。不等腰焊縫常用于端面焊縫的焊接，目的是減少缺口效應（應力集中）。主靜載焊接結構鋼結構特點——鋼材強度高，塑性、韌性較好；重量輕；材質均勻和力學計算的假定比較符合；制作簡便，施工工期短；密閉性好；耐蝕性差；耐熱不耐火；低溫和其它條件下，可能發生脆斷。構件結構設計要求（受壓條件下的失穩、桁架梁和實壁梁）——受壓構件的彎曲失穩——軸心受力構件（軸心受力構件的常用截面形式可分為實腹式和格構式兩大類）——受彎構件（實腹式受彎構件梁、格構式受彎構件桁架梁、梁的局部穩定和腹板加勁肋設計）焊接的實壁梁——使用軋制型材可以很方便地改變實壁梁的高度，只需改變腹板的高度，可增大該處的慣性矩，并減小支座，但應注意在支承處驗證其抗剪能力。——在彎矩和剪力的作用下，需對受彎梁進行局部加強。在L0長度區域內進行加強后，增大在該區域內的慣性矩，提高承載能力。實壁梁加強板的配置及翼板加強時端部的焊接接頭——由腹板及加強板組成的區域稱作翹曲區，為提高梁的穩定性及承受彎曲和剪應力的能力，需對梁進行剛度加強，即：橫向加強和縱向加強。桁架梁——桁架梁的優點是，每個桿件的材料性能均可得到充分利用。從焊接觀點來說，每個桿件的截面形狀選擇以及節點的結構形式設計非常重要。——桿件的截面形狀可根據不同的條件進行選擇，并有不同的方案（合理的焊接方案、合理的制作方案、防腐技術方案）——焊接節點框架轉角結構——角平分線上受載時的應力分布（應力分布不是直線而是雙曲線；在直角截面上，平面交界處的拉應力，在轉角凸出處上的分布一直為零；尖銳的轉角凹進處，壓應力在理論上上升到無窮大）。框架轉角結構設計準則——選R/h≥1——內翼板的強度要高于外翼板——框架轉角區域的腹板加強——對于徑向力，采取通過徑向的調整加強，同時增加板厚等措施，提高穩定性——腹板和翼板之間的頸部焊縫測定為雙軸應力狀態疲勞斷裂的產生原因及特點——脆性破壞與疲勞破壞的相同點（都屬于低應力破壞；破壞之前，結構都沒有明顯的征兆或外觀變形，突發性強，令人促不及防；都對應力集中很敏感起裂位置多半都存在原始缺陷，或起裂于應力集中點）——脆性破壞與疲勞破壞的相同點與不同點（載荷性質不同、對溫度敏感性、受載次數多少、斷裂經歷時間、斷裂經歷過程、斷裂機理機制、宏觀斷口形貌、微觀斷口形貌）影響焊接接頭疲勞強度的因素——疲勞載荷的性質和大小；腐蝕介質會加速疲勞裂紋的萌生和擴展速率，降低疲勞壽命——結構構造剛柔相濟的程度；結構上，特別是接頭上的各種應力集中現象；材質的純度與材料的塑性和韌度；結構殘余拉應力提高焊接結構疲勞強度的工藝 ——結構中的應力集中是降低焊接結構疲勞強度的最主要因素。預防、減小應力集中的工作，應該貫穿于產品設計、制造和使用的整個過程當中。——設計措施——工藝措施——使用中的維護措施材料特點——非熱處理強化的鋁合金在焊接狀態下的斷裂強度和0.2%屈服強度與供貨狀態幾乎沒有區別，而對一可熱處理化鋁合金則有明顯的差別。非熱處理強化鋁合金的比值大約0.5至0.6之間，在焊接狀態要稍低一些，對于熱處理強化鋁合金鋼在0.7至0.8之間。——鋁合金的斷裂延伸率還沒有達到EN10025中普通結構鋼的一半（S235）。——焊后接頭強度下降。——鋁合金基本沒有低溫脆性問題鋁合金焊接結構設計原則——鋁結構的設計，雖然在計算方法上與鋼結構基本相同，但由于其焊接接頭性能的特殊性，在接頭設計、許用應力等方面又不同于鋼結構。——鋁與鋼相比重要的區別（比較低的強度；低彈性模量；焊接熱影響區；擠壓型材的成型不可預測性；有減少輕型結構質量可能性）結構設計及焊接——鋼和鋁的坡口有區別：——應該考慮到，焊接時在熱影響區的橫截面內要產生強度的降低。焊接結構的熱影響區是從焊縫中點及根部算起向各個方向延伸30mm的區域。