鋼構(gòu)焊縫計算(受力)

1、鋼構(gòu)焊縫計算 ( 受力 )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)點是：（ 1）焊件間可直接相連，構(gòu)造簡單，制作加工方便；（ 2）不削弱截面，用料經(jīng)濟；（ 3）連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大；（ 4）可實現(xiàn)自動化操作，提高焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。缺點是：（ 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的焊縫稱111

2、1lw60hf 。圖 4最大焊角尺寸3）角焊縫的最小計算長度側(cè)面角焊縫或正面角焊縫的計算長度不得小于 8hf 和 40mm。4） 側(cè)面角焊縫的最大計算長度側(cè)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(cè)面角焊縫的計算長度若內(nèi)力沿側(cè)面角焊縫全長分布，可不受上述限制。5）搭接連接的構(gòu)造要求當(dāng)板件端部僅有兩條側(cè)面角焊縫連接時， 應(yīng)使每條側(cè)焊縫的長度不宜小于兩側(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16tt12mm）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， 其搭1接長度不得小于焊件較小厚度的5 倍，

3、也不得小于 25mm。圖 5焊縫長度及兩側(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不宜過長，以免連接不緊密。 一般在受壓構(gòu)件中應(yīng)滿足 l 15t；在受拉構(gòu)件中 l30t，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， 所有圍焊的轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。 對于非圍焊情況， 當(dāng)角焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)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基本公式2f2wff ff3）式中f垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力；平行于焊縫長度方向的應(yīng)力；正面角焊

4、縫的強度增大系數(shù)，=1.22；直接承受動力荷載結(jié)構(gòu)中的角焊縫，=1.0；f fw 角焊縫的強度設(shè)計值。式（ 3）為角焊縫的基本計算公式。只要將焊縫應(yīng)力分解為垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力 f 和平行于焊縫長度方向的應(yīng)力 f ，上述基本公式可適用于任何受力狀態(tài)。對正面角焊縫，f=0，得f=Nff wfhe l w4）對側(cè)面角焊縫，f=0，得=Nf wffhe l w5）式中he直角角焊縫的有效厚度，he = 0.7h f；3l 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 h f 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(dāng)軸心力通過連接焊縫中心時

5、， 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f = Nf fwhe l w當(dāng)只有正面角焊縫時f = Nf f wfhe l w當(dāng)采用三面圍焊時， 先計算正面角焊縫所承擔(dān)的內(nèi)力N1f f fwhel w1式中 l w1 連接一側(cè)正面角焊縫計算長度的總和。再計算側(cè)面角焊縫的強度fNN1f fwhel w式中l(wèi) w 連接一側(cè)正面角焊縫計算長度的總4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 N xN sin; N y N cosN sinfhel wN cosfhel w代入式（ 3）驗算角焊縫的強度2f2fwfff3）承

6、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?特殊情況也可采用形圍焊。腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏5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)點板的連接對于三面圍焊，可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸 h f 3 ，求出正面角焊縫所分擔(dān)的軸心力 N 3 。當(dāng)腹桿為雙角鋼組成的 T 形截面，且肢寬為 b 時，N 3 =2 0.7 hf 3 bff fw（ 6）由平衡條件（M 0）可得：N1 = N (b e) - N3= k1 N- N3b22（7）N 2=Ne-N3= k2 N-N 3b22（8）式中 N1 、 N 2 角鋼

7、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；k1 、k2 角鋼肢背和肢尖焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)，可查表得到。對于兩面?zhèn)群?，因N 3 0，則：N1 = k1 N9）N 2 = k2 N610）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， 即可求出焊縫的計算長度。對雙角鋼截面l w111）l w2=N120.7hf 1 f fwN 220.7h f 2 f fw12）式中 h f 1 、 l w1 一個角鋼肢背上的側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸及計算長度；h f 2 、 l w2 一個角鋼肢尖上的側(cè)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 2hf 。對于三面圍焊，

8、焊縫實際長度為計算長度加 h f ；對于采用繞角焊的側(cè)面角焊縫實際長度等于計算長度 （繞角焊縫長度 2h f 不進入計算）。當(dāng)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(cè)面角焊縫， 令N2 0，得：N 3 =2 k2 N（ 13）7N1 =N- N3（ 14）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：hf 3=N 32 0.7lw 3 f f fw15）式中， lw 3 =b- h f 。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

9、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=N xe 的共同作用。焊縫計算截面上的應(yīng)力分布如圖所示，圖中 A 點應(yīng)力最大為控制設(shè)計點。此處垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力由8兩部分組成，即由軸心拉力Nx 產(chǎn)生的應(yīng)力：N xN xN= hel w= Ae由彎矩 M 產(chǎn)生的應(yīng)力：M6MM = We = hel w2這兩部分應(yīng)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(yīng)力為f =N x+6M2hel w22hel w剪力 Ny 在 A 點處產(chǎn)生平行于焊縫長度方向的應(yīng)力f = N y =N yAe2hel w則焊縫的強度計算式為：2f2wff

10、ff當(dāng)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 的共同作用。計算時通常假設(shè)腹板焊縫承受全部剪力，彎矩則由全部焊縫承受。9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)力滿足角焊縫的強度條件Mhwf 1 = I w2 f f f式中M 全部焊縫所承受的彎矩；I w 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(yīng)力的共同作用， 即彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，設(shè)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(yīng)力和剪應(yīng)力分別按下式計算：Mh2f 2 = I w2f =V

11、he 2l w2式中he2 lw2 腹板焊縫有效截面之和。則腹板焊縫在A 點的強度驗算式為：102f 22wff ff3）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(yīng)力 f ，應(yīng)按下式計算：f= T rf fwI p16）式中r圓心至焊縫有效截面中線的距離；I p 焊縫有效截面的慣性矩，I p = 2 her 3 。2）圍焊承受剪力和扭矩作用時的計算圖 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V F 和扭矩 T F11（ e1+e2）作用。計算角焊縫在扭矩 T 作用下產(chǎn)生的應(yīng)力時，

12、是基于下列假定：被連接件是絕對剛性的， 它有繞焊縫形心O 旋轉(zhuǎn)的趨勢，而角焊縫是彈性的；角焊縫上任一點的應(yīng)力方向垂直于該點與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長度 r 成正比。圖中 A 點與 A 點距形心 O 點最遠(yuǎn)，故 A 點和 A 點由扭矩 T 引起的剪應(yīng)力 T 最大，焊縫群其他各處由扭矩 T 引起的剪應(yīng)力 T 均小于 A 點和 A點的剪應(yīng)力，故A 點和 A 點為設(shè)計控制點。在扭矩 T 作用下， A 點（或 A 點）的應(yīng)力為T=T r =TrI pI xI y17）將 T 沿 x 軸和 y 軸分解為：Tx = T sin = TI p r ry（18）rTy= T cos=Trrx（19）I p

13、r12由剪力 V 在焊縫群引起的剪應(yīng)力 V 按均勻分布，則在 A 點（或 A 點）引起的應(yīng)力 Vy 為Vy =Vhel w則 A 點受到垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力為：f =Ty +Vy沿焊縫長度方向的應(yīng)力為 Tx ，則 A 點的應(yīng)力滿足的強度條件為2TyVy2fwTxff當(dāng)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 60o135o 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(gòu)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(rèn)為受壓、 受剪的對接焊縫與母材強度相

14、等，但受拉的對接焊縫對缺陷甚為敏感， 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 、二級檢驗的焊13縫的抗拉強度可認(rèn)為與母材強度相等。2對接焊縫的構(gòu)造和計算（1）對接焊縫的構(gòu)造對接焊縫的拼接處，當(dāng)焊件的寬度不同或厚度在一側(cè)相差 4mm 以上時，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(yīng)力集中。焊接時一般應(yīng)設(shè)置引弧板和引出板，焊后將它割除。對受靜力荷載的結(jié)構(gòu)設(shè)置引弧 （出）板有困難時，允許不設(shè)置引?。ǔ觯┌?，此時可令焊縫計算長度等于實際長度減 2t。圖 14鋼板拼接圖 15

15、引弧板2）對接焊縫的計算對接焊縫分焊透和部分焊透兩種1） 焊透的對接焊縫的計算對接焊縫是焊件截面的組成部分， 計算方法與構(gòu)件的強度計算一樣。軸心力作用的對接焊縫14=20）式中N 軸心拉力或壓力設(shè)計值；Nft w 或 f cwl wtlw 焊縫的計算長度。當(dāng)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；f t w 、 f cw 對接焊縫的抗拉、抗壓強度設(shè)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(yīng)力與剪應(yīng)力的最大值應(yīng)分別滿足下列強度條件：=M=6MwWw2f tl wt（ 21） =VSw=3VwI wt2lw t f v（ 22）式中 Ww 焊縫的截面模量；w焊縫的截面面積矩；SI w 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，15除應(yīng)分別驗算最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力外， 對于同時受有較大正應(yīng)力和較大剪應(yīng)力處， 例如腹板與翼緣的交接點，還應(yīng)按下式驗算折算應(yīng)力：13 1 1.1f t22w23）式中1 、 1 驗算點處焊縫的正應(yīng)力和