角焊缝的结构和计算

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1、3.4 角焊缝的构造和计算一、角焊缝的构造1.角焊缝的分类焊缝长度方向垂直于力作用方向的焊缝称为正面角焊缝（亦称端焊缝）、平行于力作用方向的焊缝称为侧面角焊缝（亦称侧焊缝）、既不垂直也不平行的为斜焊缝，以及由它们组合而成的围焊缝。 当角焊缝两焊脚边的夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝，是建筑结构中最常用的角焊缝。 两焊脚边的夹角不是90时的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角焊缝主要应用于钢管结构中。 角焊缝的表面一般做成凸形，但对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，为了减少应力集中，常将焊缝表面做成凹形。但是经验表明，由于凹形表面收缩时拉应力较大，容易在焊后产生裂纹，而凸形焊缝收缩时反而不容

2、易开裂。如用手工焊，因施焊成型极为困难，采用凹形表面更不合适。所以手工焊应采用直线形表面，或先焊微凸表面再用砂轮打磨为直线形表面。当用自动焊时，由于电流强度大，金属熔化速度快，熔深大，焊缝金属冷却后自然形成凹形表面，此种凹形表面不易开裂，且动力性能较好。 正面角焊缝的根部(图中的“A”点)和趾部(图中的“B”点)都有很大的应力集中。应力集中系数随根部的熔深大小和焊趾处斜边与水平边夹角而变。增大熔深和减小夹角均可大大降低应力集中系数。 对直接承受动态荷载结构中的正面角焊缝，根据国内外的试验资料，认为为了满足疲劳强度的要求，最好两焊脚尺寸比例为1:3( =18.4 )。但施工单位反映，焊缝表面坡度

3、愈小施焊愈困难，需要多次堆焊才能形成，这样反而影响焊缝质量。因此，我国现规范根据实际情况规定两焊脚尺寸比例为1:1.5(长边顺内力方向)。但有些国家的规定更为严格。直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（图 (a)）。在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面常采用图 (b)所示的坦式，侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图 (c)）。 大量试验结果表明，侧面角焊缝主要承受剪应力，塑性较好，弹性模量低，强度也较低。传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，因而应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著，但随着进入塑性工作阶段会产生应力重分布，可使应力分布

4、的不均匀现象渐趋缓和。我国规范根据实践经验，认为侧面角焊缝的长度限值应与焊脚尺寸有关，因此规定最大计算长度为60hf。如果内力沿侧面角焊缝全长分布，计算长度可不受上述限制，它包括焊接组合梁翼缘板与腹板的纵向焊缝、支承加劲肋与腹板的连接焊缝等。过去动力荷载作用下侧焊缝的最大长度控制较静力荷载的严，近年来经过试验研究，证明对静载或动载可以不加区别，统一取某个规定值。 正面角焊缝受力更复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。这一方面由于力线弯折，另一方面由于在焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端。正面角焊缝的静力破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形要差些。而斜

5、焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间，即塑性比正面角焊缝好、强度比侧面角焊缝高。构件端部与节点板的连接焊缝可用两面侧焊和三面围焊，围焊中有正面角焊缝和侧面角焊缝，正面角焊缝的静力强度较高、刚度较大，而侧面角焊缝的静力强度较低但塑性较好。所以三面围焊与两面侧焊相比，破坏时较为突然，且塑性变形较小。但是对构件来说，三面围焊使构件截面中的应力较为均匀，与两面侧焊相比，焊缝附近的构 件主体金属疲劳强度较高。 图3-4-6 角焊缝的应力（a）侧面角焊缝；(b) 正面角焊缝 3.角焊缝的尺寸限制(1) 焊脚尺寸最小焊脚尺寸：如果板件厚度较大而焊缝过小，则施焊时焊缝冷却速度过快而产生淬硬组织

6、，易使焊缝附近主体金属产生裂纹。这种现象在低合金高强度钢中尤为严重。据此并参考国内外资料，规定thf 5.1式中，t为较厚板件的厚度，单位mm，计算时小数点以后均进为1mm；考虑到低氢型焊条施焊的焊缝焊渣层厚，保温条件较好，t可采用较薄焊件的厚度。埋弧焊的热量较集中，因而熔深较大，故最小焊脚尺寸可较上式的规定减小1mm；而T形连接的单面角焊缝可靠性较差，应增加1mm；当焊件厚度4mm时，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同，即hf4mm。 最大焊脚尺寸：角焊缝的焊脚尺寸不能过大，否则易使母材形成“过烧”现象，而且使构件产生较大的焊接残余变形和残余应力。所以规定hf1.2tmin, tmin为较薄焊件

7、的厚度（图3-4-7（a）。对板件厚度为t的边缘角焊缝（图3-4-7（b），若焊脚尺寸hf=t，在施焊时容易产生咬边现象，不易焊满全厚度。因此规定，当t6mm时，取hft-(12)mm；当t6mm，由于一般用小直径焊缝施焊，技术较易掌握，可采用与焊件等厚的角焊缝，即hf t。如果另一焊件厚度t12mm时)或b190mm (当t12mm时)。如果b不能满足此规定，应加正面角焊缝或者加槽焊(下图 (c)或者圆孔焊(下图(d)。 角焊缝的围焊和绕角焊 （a）两边侧焊；(b) 三边围焊 ；(c) L形围焊；(d) 绕角焊在非围焊的情况下，角焊缝的端部正好在构件连接的转角处，如此处做长度为2hf的绕角焊

8、（上图（d），可以避免起落弧缺陷引起转角处过大的应力集中。 二、直角角焊缝强度计算的基本公式 如前所述，角焊缝的受力状态是很复杂的。图3-4-13所示为直角角焊缝的截面， 0.7hf为直角角焊缝的有效厚度he（喉部尺寸）。试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部及其附近，通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面(即有效厚度与焊缝计算长度的乘积)作为有效截面或称计算截面。 图3-4-13 直角角焊缝截面 图3-4-14 角焊缝有效截面上的应力 任何受力情况的角焊缝，均可求得作用于有效截面上的三种应力（图3-4-14）：垂直于有效截面的正应力、垂直于焊缝长度方向的剪应力、以及沿焊缝长度方向的剪应力。

9、即使如此，精确计算仍比较困难，一般是根据试验结果，找出比较合理而又简单的设计方法和相应的公式供设计时应用：无论侧焊缝还是端焊缝，都假定破坏发生在有效截面上，按应力均布并认为都是剪坏，根据试验取最低平均破坏应力来确定其设计强度，这基本上也是国际标准化组织推荐的方法。 应注意的是计算有效厚度he时，不考虑熔深和凸度。现行规范未区分焊件方法的影响，对自动焊来说偏保守。对于凸度，其尺寸大小无法保证，另外，还有凹形 的，难于统一考虑，因此均忽略不计。 角焊缝的基本计算公式wffff f 22 式中，f按焊缝有效截面（helw）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；f按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；

10、lw角焊缝的计算厚度，对每条焊缝取实际长度减去；当然应满足构造要求；f正面角焊缝的强度增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构， f 1.22，对直接承受动力荷载的结构， f 1.0。 三、角焊缝连接的计算1.轴心力作用下角焊缝的计算(1) 钢板连接1) 轴心力与焊缝相垂直-正面角焊缝wffwef flhN wfwef flhN 2) 轴心力与焊缝相平行-侧面角焊缝3) 轴心力与焊缝成一夹角-斜角焊缝wef lhN sin wef lhN cos wffff f 22 wfwewef flhNlhN 22 cossin wfwewe flhNlhN 3sin1cos5.1sin 222

11、 令3/sin1 1 2 f则斜焊缝的计算式为：wfwef flhN (2) 承受轴心力的角钢角焊缝计算 当角钢用角焊缝连接时，虽然轴心力通过截面形心，由于截面形心到角钢肢背和肢尖的距离不等，肢背焊缝和肢尖焊缝的受力是不相等的： 肢背处受力大而肢尖处受力小，可用内力分配系数量化。 图3-4-17 角钢角焊缝受力分配（a）两边侧焊；(b) 三边围焊 ；(c) L形围焊 在钢桁架中，弦杆、腹杆承受中心拉力或压力，这些杆件常常采用角钢组成。在节点处角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊(图3-4-17)。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所

12、传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。 1) 两边仅用两条侧面角焊缝连接时设N1、N2分别为角钢肢背焊缝和肢尖焊缝承担的内力，由平衡条件得： NkNee eN 121 21 NkNee eN 2 21 12 式中，k1、k2为焊缝内力分配系数 2) 三面 围焊时 先确定正面角焊缝所分担的轴心力： 33 7.0 wfwff lfhN 22 31321 21 NNkNNee eN 22 32321 12 NNkNNee eN 再通过平衡关系可解得： 3) L形围焊 令N2=0，由上式得： NkN 23 2 NkkN )( 211 根据上述方法求得角钢各条连接焊缝所承受的内力N1、N2和N3后，

13、便可按角焊缝的计算公式设计各焊缝的长度lw、焊脚尺寸hf，也可验算已有焊缝的强度。 考虑到每条焊缝两端的起灭弧缺陷，实际焊缝长度为计算长度加2hf；但对于三面围焊，由于在杆件端部转角处必须连续施焊，每条侧面角焊缝只有一端可能起灭弧，放焊缝实际长度为计算长度加hf；对于采用绕角焊的侧面角焊缝实际长度等于计算长度加 hf(绕角焊缝长度2hf不进入计算)。 2.弯矩、剪力和轴心力共同作用下的角焊缝计算 wffff f 22 (1)承受偏心斜向力的角焊缝连接计算图中A点应力最大，为控制设计点 此处垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成： 26 wewexf lhMlhN weyf lhN (2) 工字形

14、截面梁（或牛腿）角焊缝连接计算下图所示为工字形截面梁（或牛腿）与柱采用角焊缝的连接，通常承受弯矩M和剪力V的联合作用。由于翼缘的竖向刚度较差，在剪力作用下，如果没有腹板焊缝存在，翼缘将发生明显挠曲。这就说明，翼缘板的抗剪能力极差。由于翼缘板的竖向刚度不足，一般假定剪力仅由竖直腹板焊缝承受，而弯矩则由全部焊缝承受。为了焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置角焊缝，由于翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，此弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处，为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件。 wffwf fhIM 21 222

15、 hIMwf 22 wef lhF wffff f 22 计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩则由全部焊缝承受。显然控制设计点为竖直焊缝的下端点A。 2yIFewf 22 wef lhF wffff f 22 3.扭矩、剪力和轴心力共同作用下的角焊缝计算 计算角焊缝在扭矩T作用下产生的应力时，是基于下列假定： 被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心0旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性；角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。 wf pf fITr 式中 r圆心至焊缝有效截面中线的距离； Ip焊缝有效截面的极惯性矩。 受剪力和扭矩作用的角焊缝 计算时按弹性

16、理论，确定焊缝有效截面的形心位置和计算扭矩T及轴心力F产生的应力时，都可不考虑焊缝方向（即不区分是正面角焊缝还是侧面角焊缝），只在最后验算式中引进系数f。 在扭矩T作用下，A点(或A点)的应力为： pT ITr将分解为垂直于焊缝长度方向的应力和沿焊缝长度方向的剪应力： pxxTf ITrrr pyyTT ITrrr 另外，轴心力F产生的应力按均匀分布于全截面计算，在验算点处该应力垂直于焊缝长度方向F： weF lhF w fTf Ff f 22 wffff f 22 yxp III 应该指出的是上述计算方法中，假定轴心力产生的应力为平均分布。实际上，在上图轴心力作用下，水平焊缝为正面焊缝，而竖

17、直焊缝为侧面焊缝，两者单位长度分担的应力是不同的，前者较大，后者较小。显然，轴心力产生的应力假设为平均分布，与前面基本公式推导中，考虑焊缝方向的思路不符。同样，在确定形心位置以及计算扭矩下所产生的应力时，也设有考虑焊缝方向，而只在最后验算式中引进了系数f，上面计算方法有一定的近似性。 【例3-4-1】承受轴心拉力的板件，采用上、下两块拼接板并采取角焊缝三边围焊连接。已知板件宽度b1=400mm，厚度t1=18mm(图3-3-26)；承受轴心拉力N=1425kN；两块拼接板的宽度b2=340mm，厚度t2=12mm；钢材为Q235。采用手工焊接，焊条为E43。试确定盖板尺寸。 【解】设计拼接盖板

18、连接的方法比较灵活，可先假定焊脚尺寸求焊缝长度，再由焊缝长度确定拼接盖板的尺寸，不满意时可调整焊脚尺寸再算；若有丰富的经验，则可先假定焊脚尺寸和拼接盖板的尺寸，然后验算焊缝的承载力。 角焊缝的焊脚尺寸hf应根据板件厚度确定：由于此处的焊缝在板件边缘施焊，且拼接盖板厚度t2=12mm6mm，t2 t1，则 mmmmth f 10112112212max或 mmthf 7185.15.1 1min 取角焊缝的焊脚尺寸hf8mm，则 2/160 mmNf wf fewfewff hlhfbhfN 42 2代入数据，注意围焊缝只有一个起弧点和一个落弧点，有 887.0160434087.016022.

19、12101425 3 l解、取整得 l200mm上、下各一块拼接板的长度为 最后选定的上、下拼接板的尺寸为234012410。 【例3-4-2】试验算图3-3-27(a)所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢材为Q235，焊条为E43型，手工焊。荷载设计值N=365kN，偏心距e=350mm，焊脚尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。图3-3-27(b)为焊缝有效截面。 【解】力N在角焊缝形心处引起剪力V=N=365kN和弯矩M=Ne=365X 0.35=127.8kNm。全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为：48223 1088.18.1726.59548.2026.52102123402.42 m

20、mIw 翼缘焊缝的最大应力： 22831 /19516022.1/8.1396.2051088.1 108.1272 mmNfmmNhIM wffwf 腹板焊缝中设计控制点A由于弯矩M引起的应力：mmNf /8.1156.2051701402 2322 /8.12734067.02 10365)( mmNlhV wef 则腹板焊缝的强度(A点为设计控制点)为： 2222222 /160/2.1598.12722.1 8.115 mmNfmmN wffff 由于剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力： 【例3-4-3】验算支托板与柱的连接，板厚t=12mm，Q235钢材，采用三面围焊，在焊缝群重心上

21、作用有轴力N50kN，剪力V200kN，扭矩T160kNm，手工焊，焊条用E43型，焊脚尺寸hf=10mm。(忽略起弧、落弧缺陷的影响) 解：焊缝有效计算截面如上图所示。(1)计算有效截面几何特性有效截面面积：Ae0.710(2400+400)=8400mm2 形心位置： mmx 1338400 200400107.02 惯性矩： 4623 1061.22004002400121107.0 mmIx 46223 1049.113340024001332004001212107.0 mmIy 488 1010.41049.161.2 mmIII yxp (2)验算危险点A的应力23 /0.684001050 mmNANeNfx 23 /8.23840010200 mmNAV eVfy 286 /2.104101.4 )133400(10160 mmNITxpATfy 286 /0.78101.4 20010160 mmNITypATfx 2222 0.780.622.1 2.1048.23 TfxNfxf TfyVfy 22 /160/4.134 mmNfmmN wf 所以，此连接的焊缝强度满足要求。