鋼構焊縫計算(受力)

1、鋼結構的焊接連接鋼結構的連接方法可分為焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接三種。焊接連接是現代鋼結構最主要的連接方法。 它的優(yōu)點是：1焊件間可直接相連， 構造簡單，制作加工方便； 2 不削弱截面，用料經濟；3連接的密閉性好，結構剛度大；4可實現自動化操作，提高焊接結構的質量。缺點是：1在焊縫附近的熱影響區(qū)內，鋼材的材質變脆；2焊接剩余應力和變形使受壓構件承載力降低；3焊接結構對裂紋很敏感，低溫時冷脆的問題較為突出。一、焊縫的形式1.角焊縫U1 3. 10直角ft!焊讎黴面L'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°的焊縫稱為直角角焊縫，直角邊邊長hf稱為

2、角焊縫的焊腳尺寸，hehf為直角角焊縫的 計算厚度。斜 角角焊縫常用于鋼漏斗和鋼管結構中。 對于夾角大于135°或小于60°的斜角角焊縫，不宜 用作受力焊縫鋼管結構除外。2.對接焊縫對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，所以對接焊縫是被連接件的組成局部。坡口形式與焊件厚度有關。當焊件厚度很小手工焊t 6mm，埋弧焊t 10mm丨時，可用直邊縫。對于一般厚度t=1020mm丨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共同組成一個焊條能夠運轉的施焊空間， 使焊縫易于焊透；鈍邊p有托住熔化金屬的作用。對于較厚的焊件t>20m

3、m，那么采用U形、K形和X形坡口。對于V形縫和U形縫需對焊縫根部進行補焊。對接焊縫坡口形式的選用，應根據板厚和施工條件按現行標準?建筑結構焊接規(guī)程?的要求進行。凡T形，十字形或角接接頭的對接焊縫稱之為對接與角接組合焊縫。圖3對接焊縫的坡口形式3 焊縫質量檢驗?鋼結構工程施工質量驗收標準?規(guī)定焊縫按其檢驗方法和質量要求分為一級、二級和三級。三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質量標準；一級、二級焊縫那么除外觀檢查外，還要求一定數量的超聲波檢驗并符合相應級別的質量標準。焊縫質量的外觀檢驗檢查外觀缺陷和幾何尺寸，內部無損檢驗檢查內部缺陷。、直角角焊縫的構造與計算角焊縫按其與作用力的關系可分為

4、正面角焊縫、側面角焊縫和斜焊縫。正面角焊縫的焊縫長度方向與作用力垂直， 側面角焊縫 的焊縫長度方向與作用力平行， 斜焊縫的焊縫長度方 向與作用力傾斜，由正面角焊縫、側面角焊縫和斜焊縫組成的混合，通常稱作圍焊縫。側面角焊縫主要承受剪力，塑性較好，強度較低。應力沿焊縫長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，應力分布不均勻性越顯著。正面角焊縫受力復雜，其破壞強度高于側面角焊縫，但塑性變形能力差。斜焊縫的受力性能和強度值介于正面角焊縫和側面角焊縫之間。1 角焊縫的構造要求1最小焊腳尺寸hf?t2 1式中t2較厚焊件厚度，單位為 mm。計算時，焊腳尺寸取整數。自動焊熔深較大，可減小 1m

5、m; T形連接的單面角焊縫，應增加1mm ;當焊件厚度小于或等于4mm時，那么取與焊件厚度相同。2最大焊腳尺寸hf 1.2ti 2式中ti較薄焊件的厚度，單位為 mm。對板件邊緣的角焊縫，當板件厚度t > 6mm時，取hfWt- 12mm ;當t< 6mm時,取 hf< toUEi er,)圖4最大焊角尺寸3角焊縫的最小計算長度側面角焊縫或正面角焊縫的計算長度不得小于8hf和40mm。4側面角焊縫的最大計算長度側面角焊縫在彈性階段沿長度方向受力不均勻，兩端大而中間小，可能首先在焊縫的兩端破壞，故規(guī)定側面角焊縫的計算長度lw< 60hf。假設內力沿側面角焊縫全長分布，可不

6、受上述限制。5搭接連接的構造要求當板件端部僅有兩條側面角焊縫連接時，應使每條側焊縫的長度不宜小于兩側焊縫之間的距離。兩側面角焊縫之間的距離也不宜大于16t t > 12mm丨或190mm t< 12mm，t為較薄焊件的厚度。搭接連接中，當僅采用正面角焊縫時，其搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，也不得小于25mm。圖5焊縫長度及兩側焊縫間距圖6搭接連接6間斷角焊縫的構造要求間斷角焊縫只能用于一些次要構件的連接或受力很小的連接中。間斷角焊縫的間斷距離I不宜過長，以免連接不緊密。一般在受壓構件中應滿足 較薄焊件的厚度。I < 15t;在受拉構件中I < 30t, t為圖7連

7、續(xù)角焊縫和間斷角焊縫7減小角焊縫應力集中的措施桿件端部搭接采用三面圍焊時，所有圍焊的轉角處必須連續(xù)施焊。對于非圍焊情況,角焊縫的端部在構件轉角處時，可連續(xù)地作長度為2hf的繞角焊。2.直角角焊縫強度計算的根本公式3式中 f 垂直于焊縫長度方向的應力;f 平行于焊縫長度方向的應力;f 正面角焊縫的強度增大系數,f ;直接承受動力荷載結構中的角焊縫,f =1.° ；ffw 角焊縫的強度設計值。式3為角焊縫的根本計算公式。只要將焊縫應力分解為垂直于焊縫長度方向的應力對正面角焊縫，f =0，得4_ Nf =he l w對側面角焊縫，f =0，得_ Nf =he| wfW5式中 he 直角角焊

8、縫的有效厚度，he= hf ；|w 焊縫的計算長度，考慮起滅弧缺陷，按各條焊縫的實際長度每端減去hf計算。3 角焊縫連接的計算1承受軸心力作用的角焊縫連接計算1采用蓋板連接當軸心力通過連接焊縫中心時，可認為焊縫應力是均勻分布的。圖8承受軸心力的蓋板連接當只有側面角焊縫時當只有正面角焊縫時_ N f = he l wfw_ Nf =he | w當采用三面圍焊時，先計算正面角焊縫所承當的內力M f ffwhelwl式中 Iw1 連接一側正面角焊縫計算長度的總和。再計算側面角焊縫的強度N N, he1 w式中l(wèi)w 連接一側正面角焊縫計算長度的總和。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

9、焊縫和平行于焊縫的分力NxNsin ； Ny N cosN sinhe1 wNcoshe1 w代入式3驗算角焊縫的強度2f2 f W,ff ff3承受軸心力的角鋼角焊縫計算鋼桁架中角鋼腹桿與節(jié)點板的連接焊縫一般采用兩面?zhèn)群富蛉鎳福厥馇闆r也可采用L形圍焊。腹桿受軸心力作用，為了防止焊縫偏心受力，焊縫所傳遞的合力的作用線應與角鋼桿件的軸線重合。圖10角鋼與節(jié)點板的連接對于三面圍焊，可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸hf3，求出正面角焊縫所分擔的軸心力N3。當腹桿為雙角鋼組成的 T形截面，且肢寬為 b時,由平衡條件M = 0可得:N _N(b e) N3=k N N3 Ni =-= ki N- _b

10、 22M Ne N，N3N2 =-= k2 N-b22式中 Ni、N2 角鋼肢背和肢尖的側面角焊縫所承受的軸力;e角鋼的形心距；ki 、k2 角鋼肢背和肢尖焊縫的內力分配系數，可查表得到。w2N22 O.7hf2ffw12式中 hfi、Iwi一個角鋼肢背上的側面角焊縫的焊腳尺寸及計算長度;對于兩面?zhèn)群?，?N3 = 0,那么：Ni =kiN9n2=k2 N10求得各條焊縫所受的內力后，按構造要求假定肢背和肢尖焊縫的焊腳尺寸，即可求出焊縫的計算長度。對雙角鋼截面1 -Ni11Iwi =_2 0.7hfiffwhf2、Iw2 個角鋼肢尖上的側面角焊縫的焊腳尺寸及計算長度。實際焊縫長度為計算長度加

11、2hf。對于三面圍焊，焊縫實際長度為計算長度加hf ；對于采用繞角焊的側面角焊縫實際長度等于計算長度繞角焊縫長度2 hf不進入計算。當桿件受力很小時，可采用L形圍焊。由于只有正面角焊縫和角鋼肢背上的側面角焊1314N,=2 kzNNi =N- N3角鋼端部的正面角焊縫的長度，可按下式計算其焊腳尺寸:hf 3 =N32 0.7Iw315式中，lw3 = b- hf。2承受彎矩、軸心力或剪力共同作用的角焊連連接計算圖11承受偏心斜拉力的角焊縫圖11所示的雙面角焊縫連接承受偏心斜拉力N作用，計算時，可將作用力N分解為Nx和Ny兩個分力。角焊縫同時承受軸心力 Nx和剪力Ny和彎矩M=Nx e的共同作用

12、。焊縫計算截面上的應力分布如下列圖，圖中向的應力由兩局部組成，即由軸心拉力A點應力最大為控制設計點。此處垂直于焊縫長度方Nx產生的應力：AeNxhel w由彎矩M產生的應力:M 6MM=we=hM這兩局部應力由于在 A點處的方向相同，可直接疊加，故A點垂直于焊縫方向的應力為Nx 6M2hw 'hel：剪力Ny在A點處產生平行于焊縫長度方向的應力NyNyf = A =2helw那么焊縫的強度計算式為:2f2 w一f f ff當連接直接承受動力荷載作用時，取f = 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翼緣焊縫的最大彎曲應力發(fā)生在翼緣焊縫的最外纖維處

13、，此應力滿足角焊縫的強度條件ffw式中 M 全部焊縫所承受的彎矩;Iw全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩。腹板焊縫承受兩種應力的共同作用，即彎曲應力和剪應力， 設計控制點為翼緣焊縫與腹 板焊縫的交點處 A，此處的彎曲應力和剪應力分別按下式計算:h22式中hew2 腹板焊縫有效截面之和。那么腹板焊縫在 A點的強度驗算式為:3承受扭矩或扭矩與剪力共同作用的角焊縫連接計算1環(huán)形角焊縫承受扭矩 T在有效截面的任一點上所受切線方向的剪應力f，應按下式計算:T rIp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，I p = 2 her3。2圍焊承受剪力和扭矩作用時的計算(a)圖13受剪力和扭矩作

14、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V = F和扭矩T = Fe1+e2作用。計算角焊縫在扭矩 T作用下產生的應力時，是基于以下假定： 被連接件是絕對剛性的，它有繞焊縫形心0旋轉的趨勢，而角焊縫是彈性的； 角焊縫上任一點的應力方向垂直于該點與形心的連線，且應力大小與連線長度r成正比。圖中A點與A點距形心0點最遠，故A點和A點由扭矩T引起的剪應力 T最大，焊縫群其他各處由扭矩 T引起的剪應力 T均小于A點和A點的剪應力，故 A點和A點為設 計控制點。在扭矩T作用下，A點或A點的應力為Ix Iy將t沿x軸和y軸分解為:Tx =T r-sin 0 =Ipry18Ty

15、=T r-cos 0 =Ip19由剪力v在焊縫群引起的剪應力v按均勻分布,那么在A點或A點引起的應力Vy為_ VVy=hJw那么A點受到垂直于焊縫長度方向的應力為:Ty + Vy沿焊縫長度方向的應力為Tx，那么A點的應力滿足的強度條件為當連接直接承受動態(tài)荷載時，取f =1.0。三、斜角角焊縫的計算兩焊腳邊夾角為60o135°的T形接頭的斜角角焊縫采用與直角角焊縫相同的計算公式進行計算。但不考慮焊縫的方向，一律取f 或f= 1.0。四、對接焊縫的構造和計算1 對接焊縫的強度焊接缺陷對受壓、受剪的對接焊縫影響不大，故可認為受壓、受剪的對接焊縫與母材強度相等，但受拉的對接焊縫對缺陷甚為敏感

16、，由于三級檢驗的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉強度為母材強度的 85%，而一、二級檢驗的焊縫的抗拉強度可認為與母材強度相等。2 對接焊縫的構造和計算1對接焊縫的構造對接焊縫的拼接處，當焊件的寬度不同或厚度在一側相差4mm以上時，應分別在寬度方向或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大于1:2.5直接承受動力荷載且需要進行疲勞計算時不大于1：4的斜角，以減小應力集中。焊接時一般應設置引弧板和引出板，焊后將它割除。對受靜力荷載的結構設置引弧出板有困難時，允許不設置引弧出板，此時可令焊縫計算長度等于實際長度減2t。圖15引弧板圖14鋼板拼接2對接焊縫的計算對接焊縫分焊透和局部焊透兩種1焊透的對接焊縫的計

17、算對接焊縫是焊件截面的組成局部，計算方法與構件的強度計算一樣。軸心力作用的對接焊縫Nlwtftw 或 fcw20式中 N軸心拉力或壓力設計值;lw 焊縫的計算長度。當未采用引弧板時，取實際長度減去2t ；t 對接接頭中為連接件的較小厚度；T形接頭中為腹板厚度；wfc對接焊縫的抗拉、抗壓強度設計值。彎矩和剪力共同作用的對接焊縫對接接頭受到彎矩和剪力的共同作用，正應力與剪應力的最大值應分別滿足以下強度條件：M 6MWw = lWt21VSw 3T =一lwt 2lwtwfv式中 Ww焊縫的截面模量；S 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，采用對接焊縫，除應分別驗算最大正應力和剪應力外，對于同時受有較大正應力和較大剪應力處，例如腹板與翼緣的交