角焊縫計(jì)算講解

1、角焊縫及其計(jì)算 型式及分類截面形式 :普通型（等邊凸形） 、平坦型（不等邊凹形） 、凹面形 兩焊腳邊夾角 ：直角角焊縫、斜角角焊縫、焊縫長(zhǎng)度與作用方向1. 側(cè)面角焊縫（側(cè)縫）側(cè)縫主要承受剪力，應(yīng)力狀態(tài)叫單純，在彈性階段，剪應(yīng)力沿焊縫 長(zhǎng)度方向分布不均勻，兩端大中間小，且焊縫越長(zhǎng)越不均勻，但側(cè)縫 塑性好。2 正面角焊縫（端縫） 端縫連接中傳力線有較大的彎折，應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，正面角焊縫沿 焊縫長(zhǎng)度方向分布比較均勻， 但焊腳及有效厚度面上存在嚴(yán)重的應(yīng)力 集中現(xiàn)象， 所以其破壞屬于正應(yīng)力和剪應(yīng)力的綜合破壞， 但正面角焊 縫的剛度較大，變形較小，塑性較差，性質(zhì)較脆。3斜向角焊縫 斜向角焊縫受力情況較復(fù)雜

2、， 其性能介于側(cè)縫和端縫之間， 常用于桿 件傾斜相支的情況，也用在板件較寬，內(nèi)力較大連接中。4周圍角焊縫 主要為了增加焊縫的長(zhǎng)度和使焊縫遍及板件全寬， 而把板件交搭處的 所有交搭線盡可能多的加以焊接，成為開口或封閉的周圍角焊縫。 構(gòu)造及要求。4.1. 最小焊腳尺寸4.2. 最大焊腳尺寸 貼邊處滿足4.3. 角焊縫最小長(zhǎng)度4.4. 側(cè)面角焊縫最大計(jì)算長(zhǎng)度4.5. 板件端部?jī)H有兩條角焊縫時(shí)每條側(cè)面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度4.6. 搭接連接中搭接長(zhǎng)度應(yīng)滿足 而且不宜采用一條正面角焊縫來(lái) 傳力。4.7. 在次要構(gòu)件和焊縫連接中，允許采用斷續(xù)角焊縫，各段間距滿 足以保證整體受力。角焊縫連接計(jì)算基本計(jì)算公式 軸心

3、作用下的角焊縫計(jì)算 軸心作用下角鋼的角焊縫計(jì)算 彎矩，剪力和軸心力共同作用下角焊縫計(jì)算（ T 形接頭） 彎矩，剪力和軸心力共同作用下角焊縫計(jì)算（搭接形接頭）1. 端縫、側(cè)縫在軸向力作用下的計(jì)算：（1）端縫 垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力； he 角焊縫有效厚度； lw 角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度， 每條角焊縫取實(shí)際長(zhǎng)度減 10mm （每 端減 5mm ）； ffw 角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； bf 系數(shù)，對(duì)承受 靜力荷載和間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)， bf =1.22 ，直接承受動(dòng)力荷 載 bf =1.0 。2）側(cè)縫 tf 沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力。2. 角鋼桿件與節(jié)點(diǎn)板焊接連接，承受軸向力 N ：（1 ） 角鋼用兩面?zhèn)群缚p

4、與節(jié)點(diǎn)板連接的焊縫計(jì)算K1、 K2 焊縫內(nèi)力分配系數(shù)；N1 、N2 分別為角鋼肢背和肢尖傳遞的內(nèi)力。（2 ）角鋼用三面圍焊與節(jié)點(diǎn)板連接的焊縫計(jì)算 （圖） 端部正面角焊縫能傳遞的內(nèi)力為：（3）角鋼用 “L型”焊縫與節(jié)點(diǎn)板連接的焊縫計(jì)算 （圖） 由 N2 = 0 得：3. 彎矩、剪力、軸力共同作用下的頂接連接角焊縫 :彎矩 M 作用下， x 方向應(yīng)力 剪力作用下， y 方向應(yīng)力 軸力 N 作用下 x 方向應(yīng)力M、V 和N 共同作用下，焊縫上或下端點(diǎn)最危險(xiǎn)處應(yīng)滿足： 式中：如果只承受上述 M、 N、V 的某一、兩種荷載時(shí)，只取其相應(yīng) 的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。4. 牛腿在彎矩、剪力共同作用下的角焊縫連接計(jì)算

5、:M Ve 翼緣豎向剛度較差，不能承受剪力，所以全部剪力均由豎向焊縫承受， 彎矩由翼緣與腹板角焊縫共同承受。點(diǎn) 1 ：點(diǎn) 2 ：5. 扭矩、剪力、軸力共同作用下搭接連接角焊縫 :扭矩 T作用下各點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算（以 A 點(diǎn)為例）：Ix+Iy 為焊縫計(jì)算截面對(duì)形心的極慣性矩， rx、ry 為焊縫角點(diǎn)到焊 縫形心的坐標(biāo)距離。V 作用下 A 點(diǎn)N 作用下 A 點(diǎn)A 點(diǎn)合應(yīng)力： ，要求：注意計(jì)算時(shí)需判斷應(yīng)力最大點(diǎn)！鋼結(jié)構(gòu)的連接 （一）焊縫的缺陷形式 鋼板用縱橫十字交叉或 T 形交叉焊縫拼接 角焊縫的承載力計(jì)算公式來(lái)源 外力和角焊縫長(zhǎng)度方向成夾角 時(shí)的斜焊縫計(jì)算 鋼管節(jié)點(diǎn)連接焊縫構(gòu)造與計(jì)算 角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接焊

6、縫的內(nèi)力分配系數(shù) 搭接連接的角焊縫在扭矩、剪力作用下的計(jì)算假定 未焊透對(duì)接焊縫連接的構(gòu)造要求和計(jì)算 圓鋼與平板、圓鋼與圓鋼之間的焊縫1、焊縫的缺陷形式 （圖）2 、鋼板用縱橫十字交叉或 T 形交叉焊縫拼接 鋼板的拼接，當(dāng)采用對(duì)接焊縫時(shí)，縱橫兩方向可采用十字形交叉或 T 形交叉。當(dāng)為 T 形交叉時(shí)，交叉點(diǎn)的間距 a 不小于 200mm （圖） 3、角焊縫的承載力計(jì)算公式來(lái)源 角焊縫受力后的應(yīng)力分布很復(fù)雜。 目前主要以試驗(yàn)為基礎(chǔ)， 經(jīng)偏于安 全地修正后， 建立角焊縫最小截面 （450 方向的有效截面） 上三個(gè)相 互垂直的應(yīng)力之間的強(qiáng)度條件公式。式中： 作用于焊縫有效截面上， 垂直于焊縫軸線方向的正

7、應(yīng)力 和剪應(yīng)力； 作用于焊縫有效截面上， 平行于焊縫軸線方向的剪應(yīng)力； 角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。作用在焊縫上的外力 N 可分解成 Nx、Ny 和Nz。 x 和y 軸都垂直 于焊縫長(zhǎng)度方向并平行于兩個(gè)直角邊（焊腳） ，z 軸沿焊縫長(zhǎng)度方向， 如圖。大多數(shù)情況， Ny 0（或 Nx 0）， 則破壞截面上沿 x 方向（或 y 方向）的正應(yīng)力為 ，沿 z 方向的剪應(yīng)力為 ，且 式中： he 角焊縫的有效厚度；lw 角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，取實(shí)際長(zhǎng)度減去 10mm 。 從圖中可見，有效截面與焊腳邊所在截面成 45，因而整理后可得： 從上式可見，正面角焊縫承載力是側(cè)面角焊縫的 1.22 倍，比試驗(yàn)得 到的 1.35

8、 1.55 倍要小。這是因?yàn)樯鲜鍪峭ㄟ^偏于安全地修正的。 考慮到正面角焊縫 的塑性較差，故鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：直接承受 動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中的直角角焊縫，不宜考慮正面角焊縫強(qiáng)度的提高， 即公式中的系數(shù) 1.22 ，改為 1.0 。 因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范寫成更一般的形式：式中： 按焊縫有效截面計(jì)算，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力； 按焊縫有效截面計(jì)算，沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力； 正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)：對(duì)承受靜力荷載和 間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)。4 、外力和角焊縫長(zhǎng)度方向成夾角 時(shí)的斜焊縫計(jì)算 對(duì)于外力和焊縫軸線組成 角的斜焊縫，如圖所示，可直接用斜焊縫 的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)

9、 ，這時(shí)：5、鋼管節(jié)點(diǎn)連接焊縫構(gòu)造與計(jì)算 鋼管結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接型式主要是采用對(duì)接連接， 如圖，鋼管結(jié)構(gòu)中的 支管與主管連接焊縫沿鋼管全周一般采用斜角角焊縫； 也可部分采用 角焊縫，部分采用對(duì)接焊縫圖（ b）、（c）、（d）分別為圖（ a）中 a、 b 、c 點(diǎn)處斜角角焊縫的截面型式。支管管壁與主管管壁之間的夾角 如圖（ a）， 的區(qū)域宜采用對(duì)接焊縫或帶坡口的角焊縫。支管與主管 的連接焊縫應(yīng)沿全周連續(xù)焊接， 并平滑過渡。 支管與主管的連接焊縫 不論采用角焊縫還是對(duì)接焊縫，計(jì)算時(shí)可視為全周角焊縫。 角焊縫的焊腳尺寸 hf 不宜大于支管壁厚的兩倍。鋼管節(jié)點(diǎn)連接焊縫計(jì)算公式為：式中：N 支管的軸心力；h

10、f 角焊縫的焊腳尺寸， hf 2ts ；t 、ts 主管、支管壁厚；角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；lw支管與主管相交線長(zhǎng)度當(dāng) ds/d 0.65 時(shí)：當(dāng) ds/d 0.65 時(shí)：式中： d 、 ds 主管、支管外徑；支管軸線與主管軸線的夾角。 支管與主管表面的相交線， 是一條空間曲線， 精確計(jì)算此空間曲線的 長(zhǎng)度很麻煩，不便于工程應(yīng)用。 上面式子可計(jì)算出相交線長(zhǎng)度的近似 值，而且偏于安全，完全滿足工程要求。6、角鋼與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)角鋼類型 分配系數(shù)角鋼肢背 K1 角鋼肢尖 K2等邊角鋼 0.70 0.30不等邊角鋼（短邊相連）0.750.25不等邊角鋼（長(zhǎng)邊相連）0.650.357、搭接連

11、接的角焊縫在扭矩、剪力作用下的計(jì)算假定 搭接連接的角焊縫在扭矩和剪力共同作用下的計(jì)算采用下列假定： 被連接件是絕對(duì)剛性的，而角焊縫是彈性的；被連接件繞形心 O 旋轉(zhuǎn)，角焊縫群上任意一點(diǎn)處的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與形心的連線， 且應(yīng)力的大小與連線距離 r 成正比。8、未焊透對(duì)接焊縫連接的構(gòu)造要求和計(jì)算 下列情況可能會(huì)采用未焊透的對(duì)接焊縫： 連接焊縫受力很小或不受力， 焊縫主要起連系作用， 而且要求焊接 結(jié)構(gòu)外觀齊平美觀， 這時(shí)就不必做成焊透的對(duì)接焊縫， 可用不焊透的 對(duì)接焊縫；連接焊縫受力較大，采用焊透的對(duì)接焊縫，其強(qiáng)度又不 能充分利用；而采用角焊縫時(shí)，焊腳又過大，這時(shí)宜采用坡口加強(qiáng)的 角焊縫。不焊

12、透的對(duì)接焊縫截面型式如圖所示。 由于未焊透， 在連接處存在著 縫隙，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，可能使 這里的焊縫脆斷。不焊透的對(duì)接 焊縫實(shí)際上與角焊縫的工作類似。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ17 88 ） 規(guī)定：不焊透的對(duì)接焊縫的強(qiáng)度按角焊縫強(qiáng)度公式計(jì)算， 在垂直于焊 縫長(zhǎng)度方向的壓力作用下，取 ；其他情況取 。焊縫有效厚度 he 的取值為V 形坡口 時(shí)，取 he=s ； 時(shí)，取 he=0.75sU 形、J 形坡口，取 he=s式中，s 為坡口根部至焊縫表面的最短距離 （不考慮焊縫的余高） ；為V 形坡口的角度。 焊縫有效厚度 he 應(yīng)滿足 為坡口所在焊件的較厚 板件厚度，單位為 mm 。9、圓鋼與平板、

13、圓鋼與圓鋼之間的焊縫 圓鋼與平板、圓鋼與圓鋼之間的焊縫如圖。其抗剪強(qiáng)度計(jì)算為： 式中： N 作用在連接處的軸心力；lw 焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度；he 焊縫的有效厚度，對(duì)于圓鋼與平板的連接， he =0.7hf ， 圓鋼與圓鋼的連接， 分別為大圓鋼、 小圓鋼的直徑， a 為焊縫表面 到兩個(gè)圓鋼公切線的距離。圓鋼與圓鋼、 圓鋼與鋼板間的焊縫有效厚度， 不應(yīng)小于 0.2 倍圓鋼直 徑（當(dāng)焊接兩圓鋼的直徑不同時(shí)，取平均直徑）或 3mm ，并不大于 1.2 倍平板厚度，焊縫計(jì)算長(zhǎng)度不應(yīng)小于 20mm 。10 、連接板剛度對(duì)普通受拉螺栓中拉力的影響 （圖） 在受拉的連接接頭中， 普通螺栓所受拉力的大小和被連接板件

14、的剛度 有關(guān)。假如被連接板件的剛度很大，如圖（ a ）所示的情況。連接的 豎板端受拉力 2N1 ，因被連接板件無(wú)變形， 所以一個(gè)螺栓所受拉力 Pf =N1 。實(shí)際被連板件的剛度常較小，受拉后和拉力垂直的角鋼水 平肢發(fā)生較大的變形， 因而在角鋼水平肢的端部因杠桿作用而產(chǎn)生反 力 Q ，如圖（ b ）所示。根據(jù)平衡條件 ，即可求得 可見，由于杠桿作用的存在，使抗拉螺栓的負(fù)擔(dān)加重了。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算， 規(guī)范中把普通螺栓的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度定得比較低， 以考 慮螺栓負(fù)擔(dān)加重這一不利影響。 而且，設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)加勁肋等構(gòu)造措施 來(lái)提高角鋼的剛度，如圖（ c）（d ）所示。11 、高強(qiáng)度螺栓連接受拉時(shí)，預(yù)拉力的變化（

15、圖） 高強(qiáng)度螺栓受拉的工作情況如圖所示。圖（ a ）所示為已施加預(yù)拉力 的高強(qiáng)度螺栓，在承受外拉力作用之前的受力狀態(tài)。此時(shí)，螺栓桿受 預(yù)拉力 P，摩擦面上作用著壓力 C。根據(jù)平衡條件 ，得 C = P 。即 摩擦面上的壓力 C 等于預(yù)拉力 P。圖（b ）所示為高強(qiáng)度螺栓承受外拉力 N0t 時(shí)的受力狀態(tài)。 假設(shè)螺栓 和被連接板件保持彈性性能。螺栓受外拉力 N0t 后，螺栓桿中的拉 力由原來(lái)的 P 增加到 Pf 。此時(shí)，螺栓桿又被拉長(zhǎng)， 即螺栓桿伸長(zhǎng)一個(gè)增量 ；由于螺栓桿被拉長(zhǎng)，使原先被 P 壓縮的板件相應(yīng)地有一個(gè) 壓縮恢復(fù)量 ，板件間的壓力就由原來(lái)的 C 降為 Cf 。也就是說(shuō)，當(dāng) 螺栓受外拉力

16、 N0t 作用后，螺栓桿中的拉力將增加，而接觸面間的 壓力卻隨之降低。根據(jù)平衡條件 ，得 在板厚 范圍內(nèi)螺栓桿與板的變形相同： 即螺栓桿的伸長(zhǎng)增量等于板件壓縮的恢復(fù)量。設(shè)螺栓桿的截面面積為 Ab ，摩擦面面積為 Au ，螺栓和被連接板 件的彈性模量都為 E ,則將 C = P 、Cf = Pf N0t 代入上式中，整理后得通常 Au 比 Ab 大很多倍，如取 Au / Ab=10 ，代入上式，得 將上式中的拉力項(xiàng) N0t 除以荷載分項(xiàng)系數(shù)的平均值 1.3 ，得到設(shè)計(jì) 外拉力 Nt ，即： Nt=1.0N0t 。當(dāng)設(shè)計(jì)外拉力 Nt=P 時(shí)，Pt =1.07P 。這就是說(shuō)，當(dāng)加于螺栓連接 的外拉力

17、不超過 P 時(shí)，高強(qiáng)度螺栓桿內(nèi)的拉力增加得不多，可以認(rèn) 為螺栓桿內(nèi)的原預(yù)拉力基本不變。鋼結(jié)構(gòu)的材料1. 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 f鋼材的強(qiáng)度承載力極限為屈服點(diǎn) f y ，稱為鋼材抗拉（壓、彎）強(qiáng) 度標(biāo)準(zhǔn)值，除以材料分項(xiàng)系數(shù) 之后，即得強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 。2. 屈服點(diǎn) f y 作為結(jié)構(gòu)鋼材靜力強(qiáng)度承載力極限的依據(jù)（1 ） 它是鋼材開始塑性工作的特征點(diǎn)。鋼材屈服后，塑性變形很 大，極易被人們察覺，可及時(shí)處理，避免發(fā)生破壞。2） 從屈服到鋼材破壞，整個(gè)塑性工作區(qū)域比彈性工作區(qū)域約大200 倍，且抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)之比（強(qiáng)屈比） ，是鋼結(jié)構(gòu)極大的后 備強(qiáng)度，使鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生真正的塑性破壞，比較安全可靠。在高層 鋼結(jié)構(gòu)中，

18、用于八度地震區(qū)時(shí)，為了保證結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能， 要求鋼材的強(qiáng)屈比不得低于 1.5 。3. 伸長(zhǎng)率和面縮率 伸長(zhǎng)率是鋼材沿長(zhǎng)度的均勻變形和頸縮區(qū)的集中變形的總和，所以 它不能代表鋼材的最大塑性變形能力。斷面收縮率 是衡量鋼材塑 性的一個(gè)比較真實(shí)和穩(wěn)定的指標(biāo)，但是在測(cè)量時(shí)容易產(chǎn)生較大的誤 差。因而鋼材標(biāo)準(zhǔn)中往往只 采用伸長(zhǎng)率為塑性保證要求。4. 沖擊試驗(yàn)試件的缺口形式 鋼材沖擊韌性的數(shù)值，隨試件刻槽（缺口）的形式和試驗(yàn)機(jī)的種類不 同而相差很大。以前我國(guó)規(guī)定采用梅氏 U 型缺口的試件，現(xiàn)用夏氏 V 型缺口。而其它國(guó)家分別采用圖示三種類型的缺口。 （圖）5. 平面應(yīng)力狀態(tài)和立體應(yīng)力狀態(tài)（圖） 由上

19、式可見，當(dāng)三個(gè)主應(yīng)力同號(hào)，它們的絕對(duì)值又接近時(shí)，即使、 、 的絕對(duì)值很大，大大超過屈服點(diǎn)，但由于其差值不大，折算應(yīng)力并不 大，材料就不易進(jìn)入塑性狀態(tài)，有可能直至材料破壞時(shí)還未進(jìn)入塑性 狀態(tài)。相反，當(dāng)主應(yīng)力中有異號(hào)應(yīng)力，或同號(hào)的兩個(gè)應(yīng)力差較大時(shí)， 當(dāng)最大的應(yīng)力尚未達(dá)到 f y 時(shí)，折算應(yīng)力就已達(dá)到 f y 而進(jìn)入 塑性狀態(tài)了。因此，鋼材在多軸應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)處于同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，鋼材易產(chǎn)生脆 性破壞；而當(dāng)處于異號(hào)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)鋼材將發(fā)生塑性破壞。 一般鋼結(jié)構(gòu)中，厚度不大，可忽略沿厚度方向的應(yīng)力 ，則為平面應(yīng) 力狀態(tài)。 （圖）如果鋼材受純剪時(shí)， ，由極限屈服狀態(tài)為，則有，即得：鋼材的剪 切屈服點(diǎn)鋼材的抗剪強(qiáng)度

20、設(shè)計(jì)值鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算原理1超屈服荷載作用結(jié)構(gòu)在較少次數(shù)（少于 104 次）的高強(qiáng)度（部分材料進(jìn)入屈服狀態(tài)） 反復(fù)荷載作用下因損傷累積而造成的斷裂稱為超屈服荷載累積損傷 斷裂或低周疲勞斷裂。2 應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系 （圖） 3疲勞計(jì)算的構(gòu)件和連接分類 項(xiàng)次 簡(jiǎn)圖 說(shuō)明 類別1 無(wú)連接處的主體金屬 1 ）軋制工字鋼 2）鋼板 a）兩側(cè) 為軋制邊或刨邊 b ）兩側(cè)為自動(dòng)、半自動(dòng)切割邊（切割質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng) 符合鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）1 1 22 橫向?qū)雍缚p附近的主體金屬 1 ）焊縫經(jīng)加工、磨平及無(wú) 損檢驗(yàn)（符合鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)） 2 ）焊縫經(jīng) 檢驗(yàn)，外觀尺寸符合一級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 233 不同厚度（或?qū)挾龋M向?qū)雍缚p附近的主體金屬， 焊縫 加工成平滑過渡并經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)符合一級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 縱向?qū)雍缚p附