鋼構(gòu)焊縫計(jì)算(受力)

1、鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)上輔導(dǎo)材料二鋼結(jié)構(gòu)的焊接連接鋼結(jié)構(gòu)的連接方法可分為焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接三種。焊接連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）焊件間可直接相連，構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作加工方便；（2）不削弱截面，用料經(jīng)濟(jì)；（3）連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大；（4）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，提高焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。缺點(diǎn)是：（1）在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材的材質(zhì)變脆；（2）焊接殘余應(yīng)力和變形使受壓構(gòu)件承載力降低；（3）焊接結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋很敏感，低溫時(shí)冷脆的問(wèn)題較為突出。一、焊縫的形式1角焊縫圖 1 直角角焊縫截面圖 2 斜角角焊縫截面角焊縫按其截面形式可分為直角角焊縫和斜角角焊縫。兩焊腳邊的夾角為90°的焊

2、縫稱為直角角焊縫，直角邊邊長(zhǎng)hf稱為角焊縫的焊腳尺寸，he0.7hf為直角角焊縫的計(jì)算厚度。斜角角焊縫常用于鋼漏斗和鋼管結(jié)構(gòu)中。對(duì)于夾角大于135°或小于60°的斜角角焊縫，不宜用作受力焊縫（鋼管結(jié)構(gòu)除外）。2對(duì)接焊縫對(duì)接焊縫的焊件常需加工成坡口，故又叫坡口焊縫。焊縫金屬填充在坡口內(nèi)，所以對(duì)接焊縫是被連接件的組成部分。坡口形式與焊件厚度有關(guān)。當(dāng)焊件厚度很?。ㄊ止ず?mm，埋弧焊10mm）時(shí)，可用直邊縫。對(duì)于一般厚度（t=1020mm）的焊件可采用具有斜坡口的單邊V形或V形焊縫。斜坡口和離縫c共同組成一個(gè)焊條能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的施焊空間，使焊縫易于焊透；鈍邊p有托住熔化金屬的作用。對(duì)于

3、較厚的焊件（t20mm），則采用U形、K形和X形坡口。對(duì)于V形縫和U形縫需對(duì)焊縫根部進(jìn)行補(bǔ)焊。對(duì)接焊縫坡口形式的選用，應(yīng)根據(jù)板厚和施工條件按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程的要求進(jìn)行。凡T形，十字形或角接接頭的對(duì)接焊縫稱之為對(duì)接與角接組合焊縫。圖3 對(duì)接焊縫的坡口形式3焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定焊縫按其檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。三級(jí)焊縫只要求對(duì)全部焊縫作外觀檢查且符合三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；一級(jí)、二級(jí)焊縫則除外觀檢查外，還要求一定數(shù)量的超聲波檢驗(yàn)并符合相應(yīng)級(jí)別的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。焊縫質(zhì)量的外觀檢驗(yàn)檢查外觀缺陷和幾何尺寸，內(nèi)部無(wú)損檢驗(yàn)檢查內(nèi)部缺陷。二、直角角焊縫的構(gòu)造與計(jì)算角焊縫按其與作用力

4、的關(guān)系可分為正面角焊縫、側(cè)面角焊縫和斜焊縫。正面角焊縫的焊縫長(zhǎng)度方向與作用力垂直，側(cè)面角焊縫的焊縫長(zhǎng)度方向與作用力平行，斜焊縫的焊縫長(zhǎng)度方向與作用力傾斜，由正面角焊縫、側(cè)面角焊縫和斜焊縫組成的混合，通常稱作圍焊縫。側(cè)面角焊縫主要承受剪力，塑性較好，強(qiáng)度較低。應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向的分布不均勻，呈兩端大而中間小的狀態(tài)。焊縫越長(zhǎng)，應(yīng)力分布不均勻性越顯著。正面角焊縫受力復(fù)雜，其破壞強(qiáng)度高于側(cè)面角焊縫，但塑性變形能力差。斜焊縫的受力性能和強(qiáng)度值介于正面角焊縫和側(cè)面角焊縫之間。1角焊縫的構(gòu)造要求（1） 最小焊腳尺寸 hf1.5 （1）式中 t2較厚焊件厚度，單位為mm。計(jì)算時(shí)，焊腳尺寸取整數(shù)。自動(dòng)焊熔深較大

5、，可減小1mm；T形連接的單面角焊縫，應(yīng)增加1mm；當(dāng)焊件厚度小于或等于4mm時(shí)，則取與焊件厚度相同。（2）最大焊腳尺寸 （2）式中 t1較薄焊件的厚度，單位為mm。對(duì)板件邊緣的角焊縫，當(dāng)板件厚度t6mm時(shí)，取hft-（12）mm；當(dāng)t6mm時(shí)，取hft。 圖4 最大焊角尺寸（3）角焊縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度側(cè)面角焊縫或正面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度不得小于8hf和40mm。（4） 側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度側(cè)面角焊縫在彈性階段沿長(zhǎng)度方向受力不均勻，兩端大而中間小，可能首先在焊縫的兩端破壞，故規(guī)定側(cè)面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度lw60hf。若內(nèi)力沿側(cè)面角焊縫全長(zhǎng)分布，可不受上述限制。（5）搭接連接的構(gòu)造要求當(dāng)板件端部?jī)H有兩

6、條側(cè)面角焊縫連接時(shí)，應(yīng)使每條側(cè)焊縫的長(zhǎng)度不宜小于兩側(cè)焊縫之間的距離。兩側(cè)面角焊縫之間的距離也不宜大于16t（t12mm）或190mm（t12mm），t為較薄焊件的厚度。 搭接連接中，當(dāng)僅采用正面角焊縫時(shí)，其搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚度的5倍，也不得小于25mm。 圖5 焊縫長(zhǎng)度及兩側(cè)焊縫間距 圖6 搭接連接（6） 間斷角焊縫的構(gòu)造要求間斷角焊縫只能用于一些次要構(gòu)件的連接或受力很小的連接中。間斷角焊縫的間斷距離l不宜過(guò)長(zhǎng)，以免連接不緊密。一般在受壓構(gòu)件中應(yīng)滿足l15t；在受拉構(gòu)件中l(wèi)30t，t為較薄焊件的厚度。圖7 連續(xù)角焊縫和間斷角焊縫（7） 減小角焊縫應(yīng)力集中的措施桿件端部搭接采用三面圍焊時(shí)

7、，所有圍焊的轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。對(duì)于非圍焊情況，當(dāng)角焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，可連續(xù)地作長(zhǎng)度為2hf的繞角焊。2. 直角角焊縫強(qiáng)度計(jì)算的基本公式 （3）式中 垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力； 平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力；正面角焊縫的強(qiáng)度增大系數(shù)，=1.22；直接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)中的角焊縫，=1.0；角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。式（3）為角焊縫的基本計(jì)算公式。只要將焊縫應(yīng)力分解為垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力和平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力，上述基本公式可適用于任何受力狀態(tài)。對(duì)正面角焊縫，=0，得 = （4）對(duì)側(cè)面角焊縫，=0，得 = （5）式中 直角角焊縫的有效厚度，= 0.7 ； 焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，考慮起滅弧缺陷，按各條

8、焊縫的實(shí)際長(zhǎng)度每端減去計(jì)算。 3角焊縫連接的計(jì)算 （1）承受軸心力作用的角焊縫連接計(jì)算 1）采用蓋板連接當(dāng)軸心力通過(guò)連接焊縫中心時(shí)，可認(rèn)為焊縫應(yīng)力是均勻分布的。圖8 承受軸心力的蓋板連接當(dāng)只有側(cè)面角焊縫時(shí) = 當(dāng)只有正面角焊縫時(shí) = 當(dāng)采用三面圍焊時(shí)，先計(jì)算正面角焊縫所承擔(dān)的內(nèi)力 式中 連接一側(cè)正面角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的總和。再計(jì)算側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度 式中 連接一側(cè)正面角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的總和。 2）承受斜向軸心力 圖9 承受斜向軸心力將N力分解為垂直于焊縫和平行于焊縫的分力; 代入式（3）驗(yàn)算角焊縫的強(qiáng)度3）承受軸心力的角鋼角焊縫計(jì)算 鋼桁架中角鋼腹桿與節(jié)點(diǎn)板的連接焊縫一般采用兩面?zhèn)群富蛉鎳福厥馇?/p>

9、況也可采用L形圍焊。腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，焊縫所傳遞的合力的作用線應(yīng)與角鋼桿件的軸線重合。 圖10 角鋼與節(jié)點(diǎn)板的連接 對(duì)于三面圍焊，可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸，求出正面角焊縫所分擔(dān)的軸心力。當(dāng)腹桿為雙角鋼組成的T形截面，且肢寬為b時(shí)， =2×0.7b （6） 由平衡條件（0）可得： =-=N- （7） =-=N- （8）式中 、角鋼肢背和肢尖的側(cè)面角焊縫所承受的軸力； e角鋼的形心距； 、角鋼肢背和肢尖焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)，可查表得到。對(duì)于兩面?zhèn)群?，?，則： =N （9） =N （10）求得各條焊縫所受的內(nèi)力后，按構(gòu)造要求假定肢背和肢尖焊縫的焊腳尺寸，即可求出焊

10、縫的計(jì)算長(zhǎng)度。對(duì)雙角鋼截面= （11）= （12）式中 、一個(gè)角鋼肢背上的側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸及計(jì)算長(zhǎng)度； 、一個(gè)角鋼肢尖上的側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸及計(jì)算長(zhǎng)度。 實(shí)際焊縫長(zhǎng)度為計(jì)算長(zhǎng)度加2。對(duì)于三面圍焊，焊縫實(shí)際長(zhǎng)度為計(jì)算長(zhǎng)度加；對(duì)于采用繞角焊的側(cè)面角焊縫實(shí)際長(zhǎng)度等于計(jì)算長(zhǎng)度（繞角焊縫長(zhǎng)度2不進(jìn)入計(jì)算）。 當(dāng)桿件受力很小時(shí)，可采用L形圍焊。由于只有正面角焊縫和角鋼肢背上的側(cè)面角焊縫，令0，得： =2N （13） =N- （14）角鋼端部的正面角焊縫的長(zhǎng)度已知，可按下式計(jì)算其焊腳尺寸： = （15）式中，=b-。 （2）承受彎矩、軸心力或剪力共同作用的角焊連連接計(jì)算圖11 承受偏心斜拉力的角焊縫圖

11、11所示的雙面角焊縫連接承受偏心斜拉力N作用，計(jì)算時(shí)，可將作用力N分解為Nx和Ny兩個(gè)分力。角焊縫同時(shí)承受軸心力Nx和剪力Ny和彎矩M=Nx·e的共同作用。焊縫計(jì)算截面上的應(yīng)力分布如圖所示，圖中A點(diǎn)應(yīng)力最大為控制設(shè)計(jì)點(diǎn)。此處垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力由兩部分組成，即由軸心拉力Nx產(chǎn)生的應(yīng)力： =由彎矩M產(chǎn)生的應(yīng)力：=這兩部分應(yīng)力由于在A點(diǎn)處的方向相同，可直接疊加，故A點(diǎn)垂直于焊縫方向的應(yīng)力為=+剪力Ny在A點(diǎn)處產(chǎn)生平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力=則焊縫的強(qiáng)度計(jì)算式為： 當(dāng)連接直接承受動(dòng)力荷載作用時(shí)，取1.0。 工字形和H形截面梁（或牛腿）與鋼柱翼緣的角焊縫連接，通常承受彎矩M和剪力V的共同作

12、用。計(jì)算時(shí)通常假設(shè)腹板焊縫承受全部剪力，彎矩則由全部焊縫承受。圖12 工字形梁（或牛腿）的腳焊縫連接翼緣焊縫的最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在翼緣焊縫的最外纖維處，此應(yīng)力滿足角焊縫的強(qiáng)度條件=· 式中 M全部焊縫所承受的彎矩； Iw全部焊縫有效截面對(duì)中和軸的慣性矩。 腹板焊縫承受兩種應(yīng)力的共同作用，即彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，設(shè)計(jì)控制點(diǎn)為翼緣焊縫與腹板焊縫的交點(diǎn)處A，此處的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力分別按下式計(jì)算： =· =式中 腹板焊縫有效截面之和。則腹板焊縫在A點(diǎn)的強(qiáng)度驗(yàn)算式為： （3）承受扭矩或扭矩與剪力共同作用的角焊縫連接計(jì)算1）環(huán)形角焊縫承受扭矩T 在有效截面的任一點(diǎn)上所受切線方向的剪應(yīng)力，應(yīng)按

13、下式計(jì)算：= （16）式中 r圓心至焊縫有效截面中線的距離；焊縫有效截面的慣性矩，=。2）圍焊承受剪力和扭矩作用時(shí)的計(jì)算圖13 受剪力和扭矩作用的腳焊縫圖13所示為采用三面圍焊搭接連接。該連接角焊縫承受豎向剪力VF和扭矩TF（e1+e2）作用。計(jì)算角焊縫在扭矩T作用下產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，是基于下列假定： 被連接件是絕對(duì)剛性的，它有繞焊縫形心O旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而角焊縫是彈性的； 角焊縫上任一點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長(zhǎng)度r成正比。圖中A點(diǎn)與點(diǎn)距形心O點(diǎn)最遠(yuǎn)，故A點(diǎn)和點(diǎn)由扭矩T引起的剪應(yīng)力最大，焊縫群其他各處由扭矩T引起的剪應(yīng)力均小于A點(diǎn)和點(diǎn)的剪應(yīng)力，故A點(diǎn)和點(diǎn)為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)。在扭矩

14、T作用下，A點(diǎn)（或點(diǎn)）的應(yīng)力為= （17）將沿x軸和y軸分解為： =·sin=· （18）=·cos=· （19）由剪力V在焊縫群引起的剪應(yīng)力按均勻分布，則在A點(diǎn)（或點(diǎn)）引起的應(yīng)力為=則A點(diǎn)受到垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為： =+沿焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為，則A點(diǎn)的應(yīng)力滿足的強(qiáng)度條件為 當(dāng)連接直接承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，取=1.0。 三、斜角角焊縫的計(jì)算兩焊腳邊夾角為的T形接頭的斜角角焊縫采用與直角角焊縫相同的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。但不考慮焊縫的方向，一律取 （或）1.0。四、對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算1對(duì)接焊縫的強(qiáng)度焊接缺陷對(duì)受壓、受剪的對(duì)接焊縫影響不大，故可認(rèn)為受壓、受剪的

15、對(duì)接焊縫與母材強(qiáng)度相等，但受拉的對(duì)接焊縫對(duì)缺陷甚為敏感，由于三級(jí)檢驗(yàn)的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉強(qiáng)度為母材強(qiáng)度的85，而、二級(jí)檢驗(yàn)的焊縫的抗拉強(qiáng)度可認(rèn)為與母材強(qiáng)度相等。 2對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算（1）對(duì)接焊縫的構(gòu)造對(duì)接焊縫的拼接處，當(dāng)焊件的寬度不同或厚度在一側(cè)相差4mm以上時(shí)，應(yīng)分別在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1:2.5（直接承受動(dòng)力荷載且需要進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)不大于1:4）的斜角，以減小應(yīng)力集中。 焊接時(shí)一般應(yīng)設(shè)置引弧板和引出板，焊后將它割除。對(duì)受靜力荷載的結(jié)構(gòu)設(shè)置引?。ǔ觯┌逵欣щy時(shí)，允許不設(shè)置引?。ǔ觯┌澹藭r(shí)可令焊縫計(jì)算長(zhǎng)度等于實(shí)際長(zhǎng)度減2t。圖14 鋼板拼接 圖15

16、 引弧板（2）對(duì)接焊縫的計(jì)算對(duì)接焊縫分焊透和部分焊透兩種1） 焊透的對(duì)接焊縫的計(jì)算 對(duì)接焊縫是焊件截面的組成部分，計(jì)算方法與構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算一樣。軸心力作用的對(duì)接焊縫 =或 （20）式中 N軸心拉力或壓力設(shè)計(jì)值；lw焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度。當(dāng)未采用引弧板時(shí)，取實(shí)際長(zhǎng)度減去2t；t對(duì)接接頭中為連接件的較小厚度；T形接頭中為腹板厚度；、對(duì)接焊縫的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。彎矩和剪力共同作用的對(duì)接焊縫 對(duì)接接頭受到彎矩和剪力的共同作用，正應(yīng)力與剪應(yīng)力的最大值應(yīng)分別滿足下列強(qiáng)度條件： = （21） =· （22）式中 Ww焊縫的截面模量；Sw焊縫的截面面積矩；Iw焊縫的截面慣性矩。工字形或H形截面梁的接頭，采用對(duì)接焊縫，除應(yīng)分別驗(yàn)算最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力外，對(duì)于同時(shí)受有較大正應(yīng)力和較大剪應(yīng)力處，例如腹板與翼緣的交接點(diǎn)，還應(yīng)按下式驗(yàn)算折算應(yīng)力： 1.