角焊縫的構造和計算

1、第三章 連接§3-3角焊縫的構造和計算3.3.1角焊縫的構造一、角焊縫的形式和強度角焊縫（fillet welds）是最常用的焊縫。角焊縫按其與作用力的關系可分為：焊縫長度方向與作用力垂直的正面角焊縫；焊縫長度方向與作用力平行的側面角焊縫以及斜焊縫。按其截面形式可分為直角角焊縫（圖3.3.1）和斜角角焊縫（圖3.3.2）。直角角焊縫通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（圖3.3.1a）。在直接承受動力荷載的結構中，正面角焊縫的截面常采用圖3.3.1（b）所示的坦式，側面角焊縫的截面則作成凹面式（圖3.3.1c）。圖中的hf為焊角尺寸。兩焊腳邊的夾角90°

2、或90°的焊縫稱為斜角角焊縫（圖3.3.2）。斜角角焊縫常用于鋼漏斗和鋼管結構中。對于夾角135°或60°的斜角角焊縫，除鋼管結構外，不宜用作受力焊縫。傳力線通過側面角焊縫時產生彎折，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，應力分布越不均勻，但在進入塑性工作階段時產生應力重分布，可使應力分布的不均勻現(xiàn)象漸趨緩和。正面角焊縫（圖3.3.3b）受力較復雜，截面的各面均存在正應力和剪應力，焊根處有很大的應力集中。這一方面由于力線的彎折，另一方面焊根處正好是兩焊件接觸間隙的端部，相當于裂縫的尖端。經(jīng)試驗，正面角焊縫的靜力強度高于側面角焊縫。國內外

3、試驗結果表明，相當于Q235鋼和E43型焊條焊成的正面角焊縫的平均破壞強度比側面角焊縫要高出35%以上（圖3.3.4）。低合金鋼的試驗結果也有類似情況。由圖3.3.4看出，斜焊縫的受力性能和強度介于正面角焊縫和側面角焊縫之間。二、角焊縫的構造要求1、最大焊腳尺寸為了避免燒穿較薄的焊件，減少焊接應力和焊接變形，角焊縫的焊腳尺寸不宜太大。規(guī)范規(guī)定：除了直接焊接鋼管結構的焊腳尺寸hf不宜大于支管壁厚的2倍之外，hf不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍。在板件邊緣的角焊縫，當板件厚度t6mm時，hft；當t6mm時，hft-（1-2）mm；。圓孔或槽孔內的角焊縫尺寸尚不宜大于圓孔直徑或槽孔短徑的1/3。2、

4、最小焊腳尺寸3、側面角焊縫的最大計算長度側面角焊縫的計算長度不宜大于60hf，當大于上述數(shù)值時，其超過部分在計算中不予考慮。這是因為側焊縫應力沿長度分布不均勻，兩端較中間大，且焊縫越長差別越大。當焊縫太長時，雖然仍有因塑性變形產生的內力重分布，但兩端應力可首先達到強度極限而破壞。若內力沿測面角焊縫全長分布時，比如焊接梁翼緣板與腹板的連接焊縫，計算長度可不受上述限制。4、角焊縫的最小計算長度角焊縫的焊腳尺寸大而長度較小時，焊件的局部加熱嚴重，焊縫起滅弧所引起的缺陷相距太近，以及焊縫中可能產生的其他缺陷，使焊縫不夠可靠。對搭接連接的側面角焊縫而言，如果焊縫長度過小，由于力線彎折大，也會造成嚴重應力

5、集中。因此，為了使焊縫能夠有一定的承載能力，根據(jù)使用經(jīng)驗，側面角焊縫或正面角焊縫的計算長度均不得小于8hf和40mm，也就是說，其實際焊接長度應較前述數(shù)值還要大2hf（單位：mm）。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（圖3.3.5），試驗結果表明，連接的承載力與b/lw有關。b為兩側焊縫的距離，lw為側焊縫長度。當b/lw1時，連接的承載力隨著b/lw比值的增大而明顯下降。這主要是因應力傳遞的過分彎折使構件中應力分布不均勻造成的。為使連接強度不致過分降低，應使每條側焊縫的長度不宜小于兩側面角焊縫之間的距離，即b/lw1。兩側面角焊縫之間的距離b也不宜大于16t(t12mm

6、)或200mm（t12mm）,t為較薄焊件的厚度，以免因焊縫橫向收縮，引起板件發(fā)生較大拱曲。在搭接連接中，當僅采用正面角焊縫時（圖3.3.6），其搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，也不得小于25mm，以免焊縫受偏心彎矩影響太大而破壞。桿件端部搭接采用三面圍焊時，在轉角處截面突變，會產生應力集中，如在此處起滅弧，可能出現(xiàn)弧坑或咬肉等缺陷，從而加大應力集中的影響。故所有圍焊的轉角處必須連續(xù)施焊。對于非圍焊情況，當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（圖3.3.5）。桿件與節(jié)點板的連接焊縫宜采用兩面?zhèn)群福部捎萌鎳?，對角鋼桿件可采用L形圍焊（圖3.3.7），所有圍焊的轉角

7、處也必須連續(xù)施焊。3.3.2直角角焊縫的基本計算公式當角焊縫的兩焊腳邊夾角為90°時，稱為直角角焊縫，即一般所指的角焊縫。角焊縫的有效截面為焊縫有效厚度（喉部尺寸）與計算長度的乘積，而有效厚度he=0.7hf為焊縫橫截面的內接等腰三角形的最短距離，即不考慮熔深和凸度（圖3.3.8）。試驗表明，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，故長期以來對角焊縫的研究均著重于這一部位。通常認為直角角焊縫是以45°方向的最小截面（即有效厚度也稱計算厚度與焊縫計算長度的乘積）作為有效計算截面。作用于焊縫有效截面上的應力國家標準化組織（ISO）推薦用式（3.3.1）來確定角焊縫的極限強度：我國規(guī)范采用

8、了折算應力公式（3.3.2）。引入抗力分項系數(shù)后，得角焊縫的計算式：3.3.3角焊縫的計算一、承受軸心力作用時角焊縫連接的計算1、用蓋板的對接連接當焊件受軸心力，且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3.3.11用蓋板的對接連接中，當只有側面角焊縫時，按式（3.3.8）計算；當只有正面角焊縫時，按式（3.3.7）計算正面角焊縫承擔的內力：2、承受斜向軸心力的角焊縫圖3.3.12所示受斜向軸心力的角焊縫連接，有兩種計算方法。3、承受軸力的角鋼端部連接在鋼桁架中，角鋼腹桿與節(jié)點板的連接焊縫一般采用兩面?zhèn)群?，也可采用三面圍焊，特殊情況也允許采用L形圍焊（圖3.3.13）。腹桿受軸

9、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與角鋼桿件的軸線重合。對于三面圍焊（圖3.3.13b）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，對于兩面?zhèn)群福▓D3.3.13a），因N3=0，得：求得各條焊縫所受的內力后，按構造要求（角焊縫的尺寸限制）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。例如對雙角鋼截面：考慮到每條焊縫兩端的起滅弧缺陷，實際焊縫長度應為計算長度加2hf；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2hf不進入計算）。當桿件受力很小時，可采用L形圍焊（圖3.3.13c

10、）。由于只有正面角焊縫和角鋼肢背上的側面角焊縫，令式（3.3.14）中的N2=0，得：角鋼肢背上的角焊縫計算長度可按式（3.3.17）計算，角鋼端部的正面角焊縫的長度已知，可按下式計算其焊腳尺寸：例題3-2試設計用拼接蓋板的對接連接（圖3.3.14）。已知鋼板寬B=270mm，厚度t1=28mm，拼接蓋板厚度t2=16mm。該連接承受的靜態(tài)軸心力N=1400kN（設計值），鋼材為Q235-B，手工焊，焊條為E43型。解設計拼接蓋板的對接連接有兩種方法。一種方法是假定焊腳尺寸求得焊縫長度，再由焊縫長度確定拼接蓋板的尺寸；另一方法是先假定焊腳尺寸和拼接蓋板的尺寸，然后驗算焊縫的承載力。如果假定的焊

11、縫尺寸不能滿足承載力要求時，則應調整焊腳尺寸，再行驗算，直到滿足承載力要求為止。角焊縫的焊腳尺寸hf應根據(jù)板件厚度確定：由于此處的焊縫在板件邊緣施焊，且拼接蓋板厚度t2=16mm6mm，t2t1，則：例題3-3  試確定圖3.3.15所示承受靜態(tài)軸心力的三面圍焊連接的承載力及肢尖焊縫的長度。已知角鋼2125×10，與厚度為8mm的節(jié)點板連接，其搭接長度為300mm，焊腳尺寸hf=8mm，鋼材為Q235-B，手工焊，焊條為E43型。二、復雜受力時角焊縫連接計算    當焊縫非軸心受力時，可以將外力的作用分解為軸力、彎矩、扭矩、

12、剪力等簡單受力情況，分別求出具各自的焊縫應力，然后利用疊加原理，找出焊縫中受力最大的幾個點，利用公式（3.3.6）進行驗算。1、承受軸力、彎矩、剪力的聯(lián)合作用時角焊縫的計算圖3.3.16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、剪力Ny和彎矩M=NXe的共同作用。焊縫計算截面上的應力分布如圖3.3.16（b）所示，圖中A點應力最大為控制設計點。此處垂直于焊縫長度方向的應力由兩部分組成，即由軸心拉力NX產生的應力：這兩部分應力由于在A點處的方向相同，可直接疊加，故A點垂直于焊縫長度方向的應力為：對于工字梁（或牛腿）與鋼柱翼緣

13、的角焊縫連接（圖3.3.17），通常只承受彎矩M和剪力V的聯(lián)合作用。由于翼緣的豎向剛度較差，在剪力作用下，如果沒有腹板焊縫存在，翼緣將發(fā)生明顯撓曲。這就說明，翼緣板的抗剪能力極差。因此，計算時通常假設腹板焊縫承受全部剪力，而彎矩則由全部焊縫承受。為了焊縫分布較合理，宜在每個翼緣的上下兩側均勻布置焊縫，彎曲應力沿梁高度呈三角形分布，最大應力發(fā)生在翼緣焊縫的最外纖維1處，由于翼緣焊縫只承受垂直于焊縫長度方向的彎曲應力，為了保證此焊縫的正常工作，應使翼緣焊縫最外纖維處的應力滿足角焊縫的強度條件，即：腹板焊縫承受兩種應力的聯(lián)合作用，即垂直于焊縫長度方向、且沿梁高度呈三角形分布的彎曲應力和平行于焊縫長度

14、方向、且沿焊縫截面均勻分布的剪應力的作用，設計控制點為翼緣焊縫與腹板焊縫2的交點處，此處的彎曲應力和剪應力分別按下式計算：則腹板焊縫2的端點應按下式驗算強度工字梁（或牛腿）與鋼柱翼緣角焊縫的連接的另一種計算方法是使焊縫傳遞應力與母材所承受應力相協(xié)調，即假設腹板焊縫只承受剪力；翼緣焊縫承擔全部彎矩，并將彎矩M化為一對水平力H=M/h1。則翼緣焊縫的強度計算式為：腹板焊縫的強度計算式為：2、三面圍焊承受扭矩剪力聯(lián)合作用時角焊縫的計算圖3.3.19為三面圍焊承受偏心力F。此偏心力產生軸心力F和扭矩T=Fe。最危險點為A或A點。計算時按彈性理論假定：被連接件是絕對剛性的，它有繞焊縫形心O旋轉的趨勢，而

15、角焊縫本身是彈性的；角焊縫群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3.3.19中，A點與A點距形心O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。3.3.4  斜角角焊縫的部分焊透的對接焊縫的計算一、斜角角焊縫的計算兩焊腳邊的夾角不是90°的角焊縫為斜角角焊縫（obligue fillet welds），如圖3.3.20所示。這種焊縫往往用于料倉壁板、管形構件等的端部T形接頭連接中。斜角角焊縫的計算方法與直角焊縫相同，應

16、按公式（3.3.6）至公式（3.3.8）計算，只是應注意以下兩點：（1）不考慮應力方向，任何情況都取f（或f）=1.0。這是因為以前對角焊縫的試驗研究一般都是針對直角角焊縫進行的，對斜角角焊縫研究很少。而且，我國采用的計算公式也是根據(jù)直角角焊縫簡化而成，不能用于斜角角焊縫。二、部分焊透的對接焊縫的計算/B部分焊透的對接焊縫（partial penetration butt welds）常用于外部需要平整的箱形柱和T形連接，以及其他不需要焊透之處（圖3.3.22）。箱形柱的縱向焊縫通常只承受剪力，采用對接焊縫時往往不需要焊透全厚度。但在與橫梁剛性連接處有可能要求焊透

17、。板厚和受力大的T形連接，當采用焊縫的焊腳步尺寸很大時，可將豎直板開坡口做成帶坡口的角焊縫（圖3.3.22e），與普通角焊縫相比，在相同的he情況下，可以大大節(jié)約焊條。此種焊縫國外常歸入角焊縫的范疇，而我國卻定名為不焊透的對接焊縫。坡口形式有V形（全V形和半V形）、U形和J形三種。在轉角處采用半V形和J形坡口時，宜在板的厚度上開坡口（圖3.3.22c、e），這樣可避免焊縫收縮的板厚度方向產生裂紋。部分焊透的對接焊縫，在焊件之間存在縫隙，焊根處有較大的應力集中，受力性能接近于角焊縫。故部分焊透的對接焊縫（圖3.3.22a、b、d、e）和T形對接與角接組合焊縫（圖3.3.22c）的強度，應按角焊縫

18、的計算公式（3.3.6）至公式（3.3.8）計算，在垂直于焊縫長度方向的壓力作用下，取f=1.22，其他受力情況取f=1.0。有效厚度he采用坡口根部至焊縫表面（不考慮凸度）的最短距離s。但對坡口角<60° 的V形坡口焊縫，考慮到焊縫根部不易焊滿，取he=0.75s。規(guī)范規(guī)定he的具值取值如下：s為坡口深度，即根部至焊縫表面（不考慮余高）的最短距離（mm）； 為V形、單邊V形或K形坡口角度。當熔合線處焊縫截面邊長等于或接近于最短距離s時（圖3.3.22b、c、e），抗剪強度設計值應按角焊縫的強度設計值乘以0.9。B3.3.5  喇叭形焊縫的計算在冷彎薄壁型鋼結構中，經(jīng)常遇到如圖3.3.23至圖3.3.25所示的喇叭形焊縫（flare groove welds）。從外形看，與斜角角焊縫有點相似。試驗研究證明，當被連板件的厚度t4.5mm時，沿焊縫的橫向和縱向傳遞剪力的連接的破壞模式均為沿焊縫輪廓線處的薄板撕裂。喇叭形焊縫縱向受剪時（圖3.3.24）有兩種可能的破壞形式：當焊腳高度hf（見圖3.3.25）和被連板厚