起重机械金属结构(第三章).ppt
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第三章金属结构的连接,结构金属结构是由型材、锻件、铸件采用一定的连接方式组成的能够承受载荷的工程结构。
当前,起重机中常见的连接是焊接、栓接和铰接。
本章学习的重点1)学会选择合理的连接方式2)掌握承载能力的计算方法,3.1连接的方式及其特点,一,方法焊接:
(广泛应用)螺栓连接:
(用于常装拆的结构)分为:
普通螺栓和高强度螺栓铆钉连接:
(国外仅用于特重型桥吊主梁)胶合连接:
(国内未采用)销轴连接:
(用于两构件间的连接)二,特点焊接:
制造简便,省工省料,不削弱构件截面易于自动化操作;但易产生残余应力和变形、焊接缺陷,质量不易检查。
螺栓连接:
易装拆,质量易检查,塑性、韧性好,但费工费料,削易构件截面,动载作用下易松动;高强度螺栓除具有普通螺栓优点以外,还具有传力均匀,应力集中小,疲劳强度高等优点,但螺栓制造和连接表面要求较高。
铆接:
承动载能力强,低温下工作较可靠,但不能拆。
3.2连接的材料,一、焊接焊接的材料与焊接的方法有关,焊接的方法达35种之多,常用的1.焊接方法1)气焊、氧炔焊焊接薄板、切割金属。
2)电弧焊手工电弧焊设备简单、操作灵活,生产效率低,质量受人为因素波动较大。
埋弧自动焊生产率高、易于实现自动化。
气体保护焊焊接质量高。
3)电渣焊焊接后钢板。
2.焊接材料1)手工焊焊条按照等强度选取。
焊Q235,常用E43XX焊条,如E4303、E4315、E4316焊Q345,常用E50XX焊条,如E5003、E5015、E5016焊Q235与Q345的混合连接,E43XX(一般)、E50XX(贴脚焊、受力较大的部位),3.2连接的材料,2)埋弧自动焊焊丝+焊剂Q235H08、H08A、H08Mn+高硅型焊剂;Q345H08MnA、H10Mnq+低锰型或无锰型焊剂;3)气体保护焊焊丝+气体(CO2、氩气)二,螺栓连接普通螺栓Q235-A,Q235-B,35;高强度螺栓螺栓:
d24mm.45,40B,20MnTiBd24mm.20MnTiB,35VB螺母:
45,15MnVB垫圈:
45(平垫圈),3.2连接的材料,螺栓连接的力学性能等级3.5S12.9S10个等级,“.”前的数值是抗拉强度的1/100,“.”后的数值是屈强比的10倍。
所有的力学性能等级都含有相应的材质和热处理工艺,根据性能等级可以直接查出螺栓连接计算所需要的单栓承载能力。
所以螺栓的标注以后以性能等级作为材料的标注。
依据螺母的厚度,螺母的强度等级与螺栓的性能等级有固定的搭配关系(4H12H)0.8D的厚度时,8H8.8S;9H8.8(16mm)9.8S(16mm),3.3焊接接头的形式与焊缝型式,对接接头:
搭接接头:
T字接头:
角接头:
3.4焊接接头的静强度计算,一,对接焊缝的静强度计算1.承受轴力的对接焊缝:
h=N/Af=N/lfh式中:
lf焊缝计算长度:
有引弧板时lf=b无引弧板时lf=b-52mmh焊缝许用应力,查表23(P36),3.4焊接接头的静强度计算,2.承受剪力的对接焊缝(纯剪)=Q/Af=Q/lfh式中:
lf、同前,h查表23,3.4焊接接头的静强度计算,3.N、Q、M共同作用下的对接焊缝情形1:
危险点:
A、B.A:
h=N/Af+M/WfhB:
h=QSf/Ifh,3.4焊接接头的静强度计算,情形2:
危险点:
A,B.A:
hA=N/Af+M/WfAhB:
3.4焊接接头的静强度计算,二、贴角焊缝的静强度计算1.贴角焊缝的应力分布规律及破坏形式1)侧焊缝
(1)应力分布规律:
不均匀,两头大中间小
(2)破坏形式:
剪切破坏,破坏面为最小剪切面(45o工作面),3.4焊接接头的静强度计算,2)端焊缝
(1)应力分布规律:
复杂,应力集中在根部(A点);
(2)破坏形式:
多样。
3.4焊接接头的静强度计算,3)围焊缝(三面围焊):
塑性低于侧焊,静强度和侧焊相当,疲劳强度高于侧焊。
由于贴角焊缝差别较大,受力复杂精确计算十分困难,多数国家采用以实验结果为主要依据的计算方法。
2,贴角焊缝发计算假定:
除忽略焊接残余应力及焊缝的增高影响外,做如下几点假定:
1)不分侧缝和端缝2)以焊接的最小截面45o斜面作为计算截面3)不论连接受拉、压、剪、弯、把计算应力均视为剪应力。
3.4焊接接头的静强度计算,3,贴角焊缝的静强度计算1)连接受轴向力的搭接接头例1.,3.4焊接接头的静强度计算,N=N/Af=N/(lff)hf焊缝计算厚度;f=0.7hflf焊缝计算长度之和;lf连接一边焊缝的计算长度之和,按下面规则取值。
焊缝计算长度的规定:
(1)各条侧缝或端缝的最小计算长度取为8hf且不小于40mm(由构造保证).
(2)侧焊缝的最大计算长度受静载:
每条侧缝取lf60hf受动载:
每条侧缝取lf40hf(超出部分不考虑),3.4焊接接头的静强度计算,2)受弯矩M的T字接头危险点:
AIfx对轴x求惯性矩,称为轴惯性矩法。
3.4焊接接头的静强度计算,3)承受M的搭接接头计算假设:
(1)构件为绝对刚性,焊缝为弹性;
(2)在M作用下,构件焊缝计算截面型心作相对转动。
由上面假设有:
在任意一点处,i大小于其到O的距离成正比,方向垂直于连线当点距O为单位长度r=1时,焊缝计算应力为:
1当点距O为单位长度r=i时,焊缝计算应力为:
i1/r1=i/rir1=1i=1ri,3.4焊接接头的静强度计算,所以:
1=M/IP任一点处:
i=1ri=riM/IPmax=rmaxM/IP离形心最远的焊缝所受的剪应力。
强度计算式:
max=rmaxM/IPh极惯性矩法max=rmaxM/(Ix+Iy)h轴惯性矩法(常用),3.4焊接接头的静强度计算,4)复杂焊缝的强度计算
(1)承受N、Q、M的工字形截面接头的贴角的焊缝将外力P、N向焊缝截面简化得:
Q=P,M=Pe,N.计算焊缝截面几何特性参数:
Af,Af,If,WfA,WfB,3.4焊接接头的静强度计算,危险点:
A,B强度计算A:
hA=N+MA=N/Af+M/WfAhB:
式中:
Af焊缝总面积.Af腹板焊缝部分的面积.WfA,WfB分别为A,B点的抗弯截面模量,3.4焊接接头的静强度计算,
(2)承受N,Q,M的搭接接头将外力向形心转化得:
N,Q=P,M=Pe假设:
在N,Q作用下,应力由全部焊缝均担任一点处:
N=N/Af()Q=Q/Af()在M作用下,离O点最远的点为A,B点.,3.4焊接接头的静强度计算,危险点:
A(见右上图分析)maX=MAsin()sin=ymax/rAmaY=MAcos()cos=xmax/rA强度条件:
其中:
MA=rAM/IP=rAM/(Ix+Iy)MAx=Mymax/IPMAy=Mxmax/IP,3.5设计焊接结构的注意事项,根据资料统计,疲劳失效占金属结构失效形式的(8090)%,尤其对经常满载,频繁工作,承受变载,动载的港口装卸用的起重机,疲劳破坏往往从焊接接头处开始产生。
一、合理选材:
塑、韧性好抗裂性好,慎用高强度钢材。
板厚一般min4mmmax40mmQ235max30mmQ345,3.5设计焊接结构的注意事项,二、构造设计:
合理布置焊缝,注意细节处理.,1.焊缝不宜太集中,3.5设计焊接结构的注意事项,2.避免焊缝主体交叉(使主焊缝连续,次焊缝断开)3.避免焊缝布置在易产生应力集中处,3.5设计焊接结构的注意事项,4.不同厚(宽)的钢板对焊接时,应使力流平滑过渡(满足表32的不等厚板对接厚度差时,可不开斜口)对接:
6mm(手工焊)8mm(自动焊)应开剖口,剖口形式详见机械设计手册或国家标准,3.5设计焊接结构的注意事项,5.不允许采用单面搭接端焊缝6.焊缝布置应便于施工,3.5设计焊接结构的注意事项,7.焊缝重心线应尽量与构件重心线重合焊缝的分配比例8.承静载时,宜优先采用二面侧焊承动载时,宜优先采用三面侧焊桁架节点,3.6普通螺栓连接,一、分类:
普通螺栓:
粗制类孔,孔-d栓=12mm,用于主要受拉的连接精制类孔,孔-d栓=0.20.3mm,(铰孔)用于同时承拉,剪,或受剪连接.(钻模、钻、冲孔、扩钻、铰孔),3.6普通螺栓连接,二、连接形式:
剪力螺栓连接拉力螺栓连接拉剪力螺栓连接三、螺栓布置的极限尺寸要求布置方式及要求:
并列错列,3.7剪力螺栓连接计算,一、受轴心力作用下的受剪螺栓连接破坏形式:
栓杆剪断,孔壁或杆身压坏,板端剪裂,板端拉裂,板拉断常见破坏形式:
栓杆剪断,孔壁挤坏,板拉断。
计算内容:
螺栓、构件计算方法:
先计算所需螺栓数,后进行布置先按经验布置,后验算,3.7剪力螺栓连接,按方法.1.所需螺栓数:
nN/Plmin式中:
Plmin单螺栓抗剪许用承载力pjl和孔壁抗压许用承载力Plc中的较小值pjl=njd2l/4l许用剪应力见表37Plc=dlclc许用压应力表37d挤压面积同方向承压构件的较小总厚度,3.7剪力螺栓连接,2.构件强度计算:
设BA(如取构件板B计算):
危险截面:
并列布置时为第1列栓孔处(截面)错列布置时第1列栓孔处(截面)第1,2列及其后面栓孔处的锯齿形截面()强度验算:
=N/AjAj截面:
Aj=A-n1d截面:
3.7剪力螺栓连接,二、偏心力作用下的受剪螺栓连接外力向螺栓群心o转化假定:
在过o的P力作用下,各栓受相同剪力,RP=P/n在M作用下,连接板绕群心o旋转,各栓受剪力,大小与其与o距离成正比,方向垂直于连线oi;R1/r1=Ri/ri=KRi=KriRmax=Krmax,3.7剪力螺栓连接,分析:
危险螺栓?
Rmax=?
危险螺栓:
4和6在M作用下:
3.7剪力螺栓连接,在P作用下:
RP=P/n危险螺栓强度条件:
式中:
Plmin取Plj和Plc中的较小者.,3.8拉力螺栓连接,一、轴心作用下的拉力螺栓螺栓破坏截面螺纹、根部。
考虑杠杆反力及应力集中因素的影响,将螺栓许用应力降低20%N/nPll,3.8拉力螺栓连,式中:
Pll单栓抗拉许用承载力.Pll=lld02/4ll螺栓抗拉许用应力.ll=0.8螺栓材料许用应力d0螺纹内径,3.8拉力螺栓连接,假定连接法兰(板)刚性足够大,在M作用下,连接板绕受压边排螺栓线:
x-x轴转动,各螺栓所受拉力与其到x-x轴的距离成正比。
3.8拉力螺栓连接,Pi/yi=Pmax/ymaxPi=Pmaxyi/ymaxM=niPiyi=niyi(Pminyi)/ymax=niyi2Pmax/ymaxPmax=ymaxM/(niyi2)螺栓强度条件:
Pmax=ymaxM/(niyi2)Pll,38拉力螺栓连接,三、偏心受拉螺栓,3.8拉力螺栓连接,当e时:
先计算e=M/N=Ix/n|ymax|再判断:
e或e而后计算:
Pmax螺栓强度条件:
PmaxPll,3.9拉剪螺栓连接计算,根据试验结果:
在拉剪联合作用下,符合园形相关公式若螺栓的计算拉力、剪力分别为Pll和Pjl,则强度条件为,3.10高强度螺栓连接设计计算,一,概述1,分类摩擦型:
是工程中主要的应用种类。
承压型:
摩擦力、螺栓剪力和承压力三者共同作用在连接中。
螺栓受拉型我国当前列入设计规范的仅摩擦型(GB122884钢结构用高强度大六角螺栓连接副)。
2,工作原理依靠强大预紧力产生的摩擦力抵抗剪切滑动,以出现剪切滑动时状态作为连接失效的极限状态。
3.10高强度螺栓连接设计计算,二、摩擦型高强度螺栓的强度计算1,轴心力作用下的剪力螺栓连接N/nPP但栓抗滑许用承载力.P=ZmfPg/nZm传力摩擦面数;f摩擦系数(与表面处理方法有关),查规范P41Pg预拉力(预紧力).查规范P41n安全系数(按载荷工况确定).,3.10高强度螺栓连接设计计算,2,偏心力作用下的剪力螺栓连接计算公式同普通螺栓,许用承载能力为上面的计算结果。
3.10高强度螺栓连接设计计算,3,剪力和拉力作用下的剪力螺栓强度条件抗滑承载能力PQP抗拉承载能力Pt0.7PgP=Zmf(Pg-1.25Pt)/n4,受拉连接轴向许用载荷sl螺栓钢材的屈服点Al螺栓的有效面积,规范P41载荷分配系数,3.10高强度螺栓连接设计计算,5,被连接件的强度计算每个螺栓所产生的摩擦力N:
N/nn为螺栓总数第一排为n1个螺栓产生NN/nn1的摩擦力N=N-N=N-(N/n)n150%=N(1-0.5n1/n)被连接件的强度条件:
=N/AjAj为净载面积,3.11销轴连接设计计算,一,销轴计算静强度w=M/wwmax=QS/(IB)=16Q/(3d2)w=d3/32=0.1d3w销轴许用弯曲应力不重要及受载不大:
Q235,w=125N/mm2载荷不大,要求韧性较高:
20正火回火w=125N/mm2有一定强度及加工塑性要求:
35正火回火w=165N/mm2调质w=175N/mm2广泛应用:
45正火回火w=195N/mm2调质w=215N/mm2载荷较大,无很大冲击的重要轴.40Cr调质w=245N/mm2,3.11销轴连接设计计算,二,销孔耳板的计算危险截面:
BB,AA,3.11销轴连接设计计算,耳板孔壁承压应力计算N耳板的轴向力;D销轴直径;总厚度;c许用挤压应力;由弹性力学,应用弹性曲梁公式计算危险载面应力,第三章作业,3-1验算图示工字梁腹板对接焊缝的强度。
已知拼接处的内力为M=9.8102kNm,Q=4102kN,钢材为Q235,许用应力=176MPa,采用E4303焊条手工焊,用普通方法检查焊缝质量。
3-2图示支托与柱采用贴角焊缝连接,贴角焊缝高度hf=6mm。
柱与支托材料为Q235,许用应力=176MPa,用E4303焊条手工焊,采用普通方法检查焊缝质量。
试确定P的最大值。
第三章作业,3-3某搭接托架结构如图示,受偏心载荷P=92kN作用。
连接板材料为Q345,用E5015焊条手工三面围焊(用引弧板),焊缝高度hf=10mm,许用应力h=140MPa,试验算焊缝强度。
3-4图示接头采用6个M20的精制螺栓连接。
构件板厚16mm,连接件板厚10mm材料均为Q235,许用应力=176MPa,连接受外载P=40kN作用。
问:
1)连接强度是否满足要求?
2)若改用6个M20,力学性能等级为10.9s的高强度螺栓,连接面喷砂后涂无机富锌漆,连接强度是否满足要求?