計(jì)算正面角焊縫承擔(dān)的內(nèi)力

1、*時(shí)，按式（）計(jì)算正面角焊縫承擔(dān)的內(nèi)力。圖受軸心力的蓋板連接式中為連接一側(cè)正面角焊縫計(jì)算長度的總和；再由力（N-N）計(jì)算側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度： （3.9）式中連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計(jì)算長度的總和。2、承受斜向軸心力的角焊縫圖所示受斜向軸心力的角焊縫連接，有兩種計(jì)算方法。圖斜向軸心力作用（1）分力法將N分解為垂直于焊縫長度的分力NX=N·sin，和沿焊縫長度的分力Ny=N·cos，則： （）代入公式（）中進(jìn)行計(jì)算：（2）合力法不將N力分解，按下列方法導(dǎo)出的計(jì)算式直接進(jìn)行計(jì)算：將公式（）的和代入公式（）中：令，則斜焊縫的計(jì)算式為： （）式中作用力（或焊縫應(yīng)力）與焊縫長度方向的夾角；斜

2、焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)（或有效截面增大系數(shù)），其值介于1.01.22之間。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(diǎn)板的連接焊縫一般采用兩面?zhèn)群福部刹捎萌鎳?，特殊情況也允許采用L形圍焊（圖）。腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，焊縫所傳遞的合力的作用線應(yīng)與角鋼桿件的軸線重合。對(duì)于三面圍焊（圖b）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(dān)的軸心力N3。當(dāng)腹桿為雙角鋼組成的T形截面，且肢寬為b時(shí)， （）由平衡條件（）可得： （） （）式中 N1、N2支鋼肢背和肢尖上的側(cè)面角焊縫所分擔(dān)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)，可按表查用；也可近

3、似取。圖3.3.13 桁架腹桿節(jié)點(diǎn)板的連接對(duì)于兩面?zhèn)群福▓Da），因N3=0，得： （） （）求得各條焊縫所受的內(nèi)力后，按構(gòu)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(jì)算長度。例如對(duì)雙角鋼截面： （） （）式中hf1、lw1一個(gè)角鋼肢背上的側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸及計(jì)算長度； hf2、lw2一個(gè)角鋼肢尖上的側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸及計(jì)算長度?？紤]到每條焊縫兩端的起滅弧缺陷，實(shí)際焊縫長度應(yīng)為計(jì)算長度加2hf；對(duì)于采用繞角焊的側(cè)面角焊縫實(shí)際長度等于計(jì)算長度（繞角焊縫長度2hf不進(jìn)入計(jì)算）。表3.1.1 角鋼縫內(nèi)力分配系數(shù)K當(dāng)桿件受力很小時(shí)，可采用L形圍焊（圖c）。由于只有正面角焊

4、縫和角鋼肢背上的側(cè)面角焊縫，令式（）中的N2=0，得： （） （）角鋼肢背上的角焊縫計(jì)算長度可按工（）計(jì)算，角鋼端部的正面角焊縫的長度已知，可按下式計(jì)算其焊腳尺寸： （）式中，例題3-2試設(shè)計(jì)用拼接蓋板的對(duì)接連接（圖）。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(shè)計(jì)值），鋼材為Q235-B，手工焊，焊條為E43型。解設(shè)計(jì)拼接蓋板的對(duì)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(yàn)算焊縫的承載力。如果假定的焊縫尺寸不能滿足承載力要求時(shí)，則應(yīng)

5、調(diào)整焊腳尺寸，再行驗(yàn)算，直到滿足承載力要求為止。角焊縫的焊腳尺寸hf應(yīng)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：hfmax=t-(12)mm=16-(12)=15或14mm取hf=10mm，查附表1.3得角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值圖3.3.14 例題3-2圖1、采用兩而側(cè)焊縫時(shí)（圖a）連接一側(cè)所需焊縫的總長度，可按式（）算得：該連接采用了上下兩塊拼接蓋板，共有4條側(cè)焊縫，一條側(cè)焊縫的實(shí)際長度為：所需拼裝蓋板長度：，取680mm。式中，10mm為兩塊被連接鋼板間的間隙。拼接蓋板的寬度b就是兩條側(cè)面角焊縫之間的距離，應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度條件和構(gòu)造要求確定。選定拼

6、接蓋板寬度b=240mm，則拼接蓋板的截面面積A為：且由附表1 .1知蓋板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215N/mm2（t2=16mm），而被連接鋼板板厚t1=28mm16mm，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205N/mm2，故滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)構(gòu)造要求，應(yīng)滿足：且滿足要求，故選定拼接蓋板尺寸為680mm×240mm×16mm。2、采用菱形拼接蓋板時(shí)（圖b）當(dāng)拼接板寬度較大時(shí)，采用菱形拼接蓋板可減小角部的應(yīng)力集中，從而使連接的工作性能得以改善。菱形拼接蓋板的連接焊縫由正面角焊縫、側(cè)面角焊縫和斜焊縫等組成。設(shè)計(jì)時(shí)，一般先假定拼接蓋板的尺寸再進(jìn)行驗(yàn)算。拼接蓋板尺寸如圖（c）所示，則各部分焊縫的承載力分別

7、為：正面角焊縫：側(cè)面角焊縫：斜焊縫：此焊縫與作用力夾角，由式（）有：連接一側(cè)焊縫所能承受的內(nèi)力為：，滿足要求。例題3-3 試確定圖所示承受靜態(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(diǎn)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。圖3.3.15 例題3-3圖解角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由表知焊縫內(nèi)力分配系數(shù)為K1=0.70，K2=0.30。正面角焊縫的長度等于相連角鋼肢的寬度，即lw3=b=125mm，則正面角焊縫所能隨的力內(nèi)N3為：肢背角焊縫所能承受的內(nèi)力N1為：由式（）知?jiǎng)t由式（）計(jì)算肢尖

8、焊縫承受的內(nèi)力N2為：由此可算出肢尖焊縫所要求的實(shí)際長度為：，取90mm。由計(jì)算知該連接的承載力N943kN，肢尖焊縫長度應(yīng)為90mm。二、復(fù)雜受力時(shí)角焊縫連接計(jì)算當(dāng)焊縫非軸心受力時(shí)，可以將外力的作用分解為軸力、彎矩、扭矩、剪力等簡(jiǎn)單受力情況，分別求出具各自的焊縫應(yīng)力，然后利用疊加原理，找出焊縫中受力最大的幾個(gè)點(diǎn)，利用公式（）進(jìn)行驗(yàn)算。1、承受軸力、彎矩、剪力的聯(lián)合作用時(shí)角焊縫的計(jì)算圖所示的雙面角焊縫連接承受偏心斜拉力N作用，計(jì)算時(shí)，可將作用力N分解為NX和Ny兩個(gè)分力。角焊縫同時(shí)承受軸心力NX、剪力Ny和彎矩M=Nx·e的共同作用。焊縫計(jì)算截面上的應(yīng)力分布如圖（b）所示，圖中A點(diǎn)應(yīng)

9、力最大為控制設(shè)計(jì)點(diǎn)。此處垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力由兩部分組成，即由軸心拉力NX產(chǎn)生的應(yīng)力：由彎矩M產(chǎn)生的應(yīng)力：圖3.3.16 承受偏心斜拉力的角焊縫這兩部分應(yīng)力由于在A點(diǎn)處的方向相同，可直接疊加，故A點(diǎn)垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力為：剪力Ny在A點(diǎn)處產(chǎn)生平行于焊縫長度方向的應(yīng)力：式中l(wèi)w焊縫的計(jì)算長度，為實(shí)際長度減2hf。則焊縫的強(qiáng)度計(jì)算式為：當(dāng)連接直接承受動(dòng)力荷載作用時(shí)，取。對(duì)于工字梁（或牛腿）與鋼柱翼緣的角焊縫連接（圖），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(jì)算時(shí)通常假設(shè)腹板焊

10、縫承受全部剪力，而彎矩則由全部焊縫承受。圖3.3.17 工字形梁（或牛腿）的角焊縫連接為了焊縫分布較合理，宜在每個(gè)翼緣的上下兩側(cè)均勻布置焊縫，彎曲應(yīng)力沿梁高度呈三角形分布，最大應(yīng)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(yīng)力，為了保證此焊縫的正常工作，應(yīng)使翼緣焊縫最外纖維處的應(yīng)力滿足角焊縫的強(qiáng)度條件，即： （）式中 M全部焊縫所承受的彎矩； Iw全部焊縫有效截面對(duì)中知軸的慣性矩； h1上下翼緣焊縫有效截面最外纖維之間的距離。腹板焊縫承受兩種應(yīng)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(yīng)力和平行于焊縫長度方向、且沿焊縫截面均勻分布的剪應(yīng)力的作

11、用，設(shè)計(jì)控制點(diǎn)為翼緣焊縫與腹板焊縫2的交點(diǎn)處，此處的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力分別按下式計(jì)算：式中 腹板焊縫有效截面積之和； h2腹板焊縫的實(shí)際長度。則腹板焊縫2的端點(diǎn)應(yīng)按下式驗(yàn)算強(qiáng)度工字梁（或牛腿）與鋼柱翼緣角焊縫的連接的另一種計(jì)算方法是使焊縫傳遞應(yīng)力與母材所承受應(yīng)力相協(xié)調(diào)，即假設(shè)腹板焊縫只承受剪力；翼緣焊縫承擔(dān)全部彎矩，并將彎矩M化為一對(duì)水平力H=M/h1。則翼緣焊縫的強(qiáng)度計(jì)算式為：腹板焊縫的強(qiáng)度計(jì)算式為：式中一個(gè)翼緣上角焊縫的有效截面積之和； 兩條腹板焊縫的有效截面積。例題3-4 試驗(yàn)算圖所示牛腿與鋼柱連接角焊縫的強(qiáng)度。鋼材為Q235，焊條為E43型，手工焊。荷載設(shè)計(jì)值N=365kN，偏心矩e=3

12、50mm，焊腳尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。圖（b）為焊縫有效截面。圖3.3.18 例題3-4圖解N力在角焊縫形心處引起剪力V=N=364kN和彎矩M=Ne=365×。（1）考慮腹板焊縫參加傳遞彎矩的計(jì)算方法為了計(jì)算方便，將圖中尺寸盡可能取為整數(shù)。全部焊縫有效截面對(duì)中和軸的慣性矩為：翼緣焊縫的最大應(yīng)力：腹板焊縫中由于彎矩M引起的最大應(yīng)力：由于剪力V在腹板焊縫中產(chǎn)生的平均剪應(yīng)力：則腹板焊縫的強(qiáng)度（A點(diǎn)為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)）為：故均滿足強(qiáng)度要求。（2）按不考慮腹板焊縫傳遞彎矩的計(jì)算方法翼緣焊縫所承受的水平力：（h值近似取為翼緣中線間距離）翼緣焊縫的強(qiáng)度：腹板焊縫的強(qiáng)度：故均滿足強(qiáng)度要求。2

13、、三面圍焊承受扭矩剪力聯(lián)合作用時(shí)角焊縫的計(jì)算圖為三面圍焊承受偏心力F。此偏心力產(chǎn)生軸心力F和扭矩T=F·e。最危險(xiǎn)點(diǎn)為A或A點(diǎn)。圖3.3.19 承受偏心力的三面圍焊計(jì)算時(shí)按彈性理論假定：被連接件是絕對(duì)剛性的，它有繞焊縫形心O旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而角焊縫本身是彈性的；角焊縫群上任一點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)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(diǎn)與A點(diǎn)距形心O點(diǎn)最遠(yuǎn)，故A點(diǎn)和A點(diǎn)由扭矩T引起的剪應(yīng)力最大，焊縫群其他各處由扭矩T引起的剪應(yīng)力均小于A點(diǎn)和A點(diǎn)的剪應(yīng)力，故A點(diǎn)和A點(diǎn)為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)。扭矩T=F·e在A點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力為，其水平分應(yīng)力和垂直分應(yīng)力分別是：式中Ip=IX+Iy

14、為有效焊縫截面對(duì)其形心的極慣性矩。軸心力F產(chǎn)生的應(yīng)力按均勻分布于全截面計(jì)算：在A點(diǎn)，由于為沿焊縫長度方向，而和為垂直于長度方向，故驗(yàn)算式為：此種焊縫也可采用近似方法計(jì)算，即將偏心力移至豎直焊縫處，則產(chǎn)生扭矩為：兩水平焊縫能承擔(dān)的扭矩為：式中 一根水平焊縫的有效截面； h水平焊縫的距離。當(dāng)時(shí)，表示水平焊縫已足以承擔(dān)全部扭矩，豎直焊縫只承受豎向力F，按下式計(jì)算：式中 豎直焊縫的有效截面。當(dāng)時(shí)，表示水平焊縫不足以承擔(dān)全部扭矩。此不足部分應(yīng)由豎直焊縫承擔(dān)，其計(jì)算式為：例題3-5 圖中鋼板高度h=400mm，搭接長度l=a+ =400mm，鋼板厚t=12mm，荷載設(shè)計(jì)值F=200kN，荷載至柱邊距離e1

15、=540mm，鋼材為Q235B級(jí)鋼，手工焊，焊條E43型，試確定焊腳尺寸，并驗(yàn)算該焊縫強(qiáng)度。解圖幾段焊縫組成的圍焊共同承受剪力V和扭矩T=F（e1+）的作用，設(shè)焊縫的焊腳尺寸均為hf=10mm。焊縫計(jì)算截面的重心位置為：在計(jì)算中，由于焊縫的實(shí)際長度稍大于h和l，故焊縫的計(jì)算長度直接采用h和l，不再扣除水平焊縫的端部缺陷。焊縫截面的極慣性矩：扭矩故焊腳尺寸hf=10mm的三面圍焊角焊縫連接滿足強(qiáng)度要求。3.3.4 斜角角焊縫的部分焊透的對(duì)接焊縫的計(jì)算一、斜角角焊縫的計(jì)算兩焊腳邊的夾角不是90°的角焊縫為斜角角焊縫（obligue fillet welds），如圖所示。這種焊縫往往用于料

16、倉壁板、管形構(gòu)件等的端部T形接頭連接中。圖3.3.20 斜角角焊縫截面圖3.3.21 T形接頭的根部間隙和焊縫截面斜角角焊縫的計(jì)算方法與直角焊縫相同，應(yīng)按公式（）至公式（）計(jì)算，只是應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）不考慮應(yīng)力方向，任何情況都取f（或f）=1.0。這是因?yàn)橐郧皩?duì)角焊縫的試驗(yàn)研究一般都是針對(duì)直角角焊縫進(jìn)行的，對(duì)斜角角焊縫研究很少。而且，我國采用的計(jì)算公式也是根據(jù)直角角焊縫簡(jiǎn)化而成，不能用于斜角角焊縫。（2）在確定斜角角焊縫的有效厚度時(shí)（圖）假定焊縫在其所成夾角的最小斜面上發(fā)生破壞。因此規(guī)范規(guī)定：當(dāng)兩焊角邊夾角或，且根部間隙（b、b1或b2）不大于1.5mm時(shí)，取焊縫有效厚度為： （）當(dāng)根部間

17、隙大于1.5mm時(shí)，焊縫有效厚度取為： （）任何根部間隙不得大于5mm。當(dāng)圖（a）中的b15mm時(shí)，可將板端切割成圖（b）的形式。二、部分焊透的對(duì)接焊縫的計(jì)算部分焊透的對(duì)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）。箱形柱的縱向焊縫通常只承受剪力，采用對(duì)接焊縫時(shí)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。板厚和受力大的T形連接，當(dāng)采用焊縫的焊腳步尺寸很大時(shí)，可將豎直板開坡口做成帶坡口的角焊縫（圖e），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

18、我國卻定名為不焊透的對(duì)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(zhuǎn)角處采用半V形和J形坡口時(shí)，宜在板的厚度上開坡口（圖c、e），這樣可避免焊縫收縮的板厚度方向產(chǎn)生裂紋。圖3.3.22 部分焊透的對(duì)接焊縫和其與角焊縫的組合焊縫截面部分焊透的對(duì)接焊縫，在焊件之間存在縫隙，焊根處有較大的應(yīng)力集中，受力性能接近于角焊縫。故部分焊透的對(duì)接焊縫（圖a、b、d、e）和T形對(duì)接與角接組合焊縫（圖c）的強(qiáng)度，應(yīng)按角焊縫的計(jì)算公式（）至公式（）計(jì)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(duì)坡口角

19、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：V形坡口（圖a）：當(dāng)時(shí)，he=s；當(dāng)，he=0.75s。單形V形和K形坡口（圖b、c）：當(dāng)mm。U形、J形坡口（圖d、e）：he=s。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(dāng)熔合線處焊縫截面邊長等于或接近于最短距離s時(shí)（圖b、c、e），抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0.9。3.3.5 喇叭形焊縫的計(jì)算在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常遇到如圖至圖所示的喇叭形焊縫（flare groove welds）。從外形看，與斜角角焊縫有點(diǎn)相似。試驗(yàn)研究證明，

20、當(dāng)被連板件的厚度t4.5mm時(shí)，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。圖3.3.23 端縫受剪的單邊喇叭形焊縫圖3.3.24 縱向受剪的喇叭形焊縫圖3.3.25 單邊喇叭形焊縫喇叭形焊縫縱向受剪時(shí)（圖）有兩種可能的破壞形式：當(dāng)焊腳高度hf（見圖）和被連板厚t滿足t0.7hf2t，或當(dāng)卷邊高度小于焊縫長度時(shí)，卷邊部分傳力甚少，薄板為單剪破壞；當(dāng)焊肢0.7hf2t，或卷邊高度大于焊縫長度時(shí)，卷邊部分也可傳遞較大的剪力，能在焊縫的兩側(cè)發(fā)生薄板的雙剪破壞，承載力成倍增長?？紤]到喇叭形焊縫在我國的研究和應(yīng)用尚不充分，在我國冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018）中規(guī)定

21、，暫不考慮雙剪破壞的承載力提高，一律按單剪計(jì)算。喇叭形焊縫的強(qiáng)度按下列公式計(jì)算：（1）當(dāng)連接板件的最小厚度小于或等于4mm時(shí)，軸力N垂直于焊縫軸線方向作用的焊縫（圖）的抗剪強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算： （）軸力N平行于焊縫軸線方向作用的焊縫（圖）的抗剪強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算： （）式中 t連接鋼板的最小厚度； lw焊縫計(jì)算長度之和，每條焊縫的計(jì)算長度均取實(shí)際長度l減去2hf，hf應(yīng)按圖確定。 f連接鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按GB50018規(guī)范表取值。（2）當(dāng)連接板件的最小厚度大于4mm時(shí)，縱向受剪的喇叭形焊縫的強(qiáng)度除按公式計(jì)算外，尚應(yīng)按公式做補(bǔ)充驗(yàn)算，但hf應(yīng)按圖3.3.24(b)或圖確定。當(dāng)采用喇叭形焊縫時(shí)，

22、為了保證焊接質(zhì)量，單邊喇叭形焊縫和焊腳尺寸hf（圖）不得小于被連接板件最小厚度的1.4倍。隨便提一下，薄板的焊接還可通過電阻點(diǎn)焊，具體計(jì)算和構(gòu)造，可參見GB50018規(guī)范。§3-4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.4.1 焊接殘余應(yīng)力和變形的成因一、焊接殘余應(yīng)力的成因焊接殘余應(yīng)力（welding residual stresses）簡(jiǎn)稱焊接應(yīng)力，有沿焊縫長度方向的縱向焊接應(yīng)力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。1、縱向焊接應(yīng)力焊接過程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過程。在施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫及其附近溫度最高，可達(dá)1600以上，而鄰近區(qū)域溫度則急劇下降（圖）

23、。不均勻的溫度場(chǎng)產(chǎn)生不均勻的膨脹。溫度高的鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度較低、膨脹量較小的鋼材所限制，產(chǎn)生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí)，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮短，但受到兩側(cè)鋼材限制而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應(yīng)力經(jīng)常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度。焊接應(yīng)力是一種無荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力（圖c）。圖3.4.1 施焊時(shí)焊縫及附近的溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力（a）、（b）施焊時(shí)焊縫及附近的溫度場(chǎng)；（c）鋼板上的縱向焊接應(yīng)力2、橫向焊接應(yīng)力橫向焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因有二：一是由于焊縫縱向收縮，使兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，但實(shí)際上焊縫將兩塊鋼

24、板連成整體，不能分開，于是兩塊板的中間產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力 ，而兩端則產(chǎn)生壓應(yīng)力（圖b）。二是由于先焊的焊縫已經(jīng)凝固，會(huì)阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使其發(fā)生橫向塑性壓縮變形。當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而先焊部分則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，在最后施焊的末端的焊縫中必然產(chǎn)生拉應(yīng)力（圖c）。焊縫的橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成的結(jié)果（圖d）。圖3.4.2 焊縫的橫向焊接應(yīng)力3、厚度方向的焊接應(yīng)力在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。因此，除有縱向和橫向焊接應(yīng)力、外，還存在著沿鋼板厚度方向的焊接應(yīng)力（圖）。在最后冷卻的焊縫中部，這三種應(yīng)力形成 同號(hào)三向拉應(yīng)力，將大大降低連接的塑性

25、。圖3.4.3 厚板中的焊接殘余應(yīng)力二、焊接殘余變形的成因在焊接過程中，由于不均勻的加熱，在焊接區(qū)局部產(chǎn)生了熱塑性壓縮變形，當(dāng)冷卻時(shí)焊接區(qū)要在縱向和橫向收縮，勢(shì)必導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生局部鼓曲、彎曲、歪曲和扭轉(zhuǎn)等。焊接殘余變形（welding residual deformations）包括縱、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等（圖），且通常是幾種變形的組合。任一焊接變形超過驗(yàn)收規(guī)范的規(guī)定時(shí)，必須進(jìn)行校正，以免影響構(gòu)件在正常使用條件下的承載能力。圖3.4.4 焊接殘余變形類別示意圖a）、b )縱橫向收縮；c）面內(nèi)彎曲變形；d）角變形；e）變曲變形；f）扭曲變形；g）薄板失穩(wěn)翹曲變形3.4.

26、2 焊接應(yīng)力和變形對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響一、焊接應(yīng)力的影響1、對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響對(duì)在常溫下工作并具有一定塑性的鋼材，在靜荷載作用下，焊接應(yīng)力是不會(huì)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的。設(shè)軸心受拉構(gòu)件在受荷前（N=0）截面上就存在縱向焊接應(yīng)力，并假設(shè)其分布如圖（a）所示。在軸心力N作用下，截面bt部分的焊接拉應(yīng)力已達(dá)屈服點(diǎn)fy，應(yīng)力不再增加，如果鋼材具有一定的塑性，拉力N就僅由受壓的彈性區(qū)承擔(dān)。兩側(cè)受壓區(qū)應(yīng)力由原來受壓逐漸變?yōu)槭芾?，最后?yīng)力也達(dá)到屈服點(diǎn)fy，這時(shí)全截面應(yīng)力都達(dá)到fy（圖b）。圖3.4.5 具有焊接殘余應(yīng)力的軸心受拉桿受荷過程由于焊接應(yīng)力自相平衡，故受拉區(qū)應(yīng)力面積At（實(shí)際為總殘余拉力）必然和受壓區(qū)應(yīng)力

27、面積Ac（總殘余壓力）相等，即At=Ac=btfy。則構(gòu)件全截面達(dá)到屈服點(diǎn)fy時(shí)所承受的外力。而即是無焊接應(yīng)力且無應(yīng)力集中現(xiàn)象的軸心受拉構(gòu)件，當(dāng)全截面上的應(yīng)力達(dá)到fy時(shí)所承受的外力。由此可知，有焊接應(yīng)力構(gòu)件的承載能力和無焊接應(yīng)力者完全相同，即焊接應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。2、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響構(gòu)件上的焊接應(yīng)力會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度。仍以圖為例，由于截面的bt部分的拉應(yīng)力已達(dá)fy，這部分的剛度為零，則具有圖（a）所示殘余應(yīng)力的拉桿的抗拉剛度為（B-b）tE，而無殘余應(yīng)力的相同截面的拉桿的抗拉剛度為BtE，顯然Bte>(B-b)tE，即焊接殘余應(yīng)力的桿件的抗拉剛度降低了，在外力作用下其變形將會(huì)較無殘余應(yīng)

28、力的大，對(duì)結(jié)構(gòu)工作不利。殘余應(yīng)力的存在將較大的影響壓桿的穩(wěn)定性，有關(guān)內(nèi)容將在第6章介紹。3、對(duì)你溫冷脆的影響焊接殘余應(yīng)力對(duì)低溫冷脆的影響經(jīng)常是決定性的，必須引起足夠的重視。在厚板和具有嚴(yán)重缺陷的焊縫中，以及在交叉焊縫（圖）的情況下，產(chǎn)生了阻礙塑性變形的三軸拉應(yīng)力，使裂紋容易發(fā)生和發(fā)展。圖3.4.6 三向交叉焊縫的殘余應(yīng)力4、對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響在焊縫及其附近的主體金屬殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材屈服點(diǎn)，此部位正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域。因此，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯不利影響。二、焊接變形的影響焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題。焊接構(gòu)件出現(xiàn)了變形，就需要花許多工時(shí)去矯正。比較復(fù)雜的變形，矯正的工作量可能比焊接的工作量還要大。有時(shí)變形太大，甚至無法矯正，變成廢品。焊接變形不但影響結(jié)構(gòu)的尺寸和外形美觀，而且有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力，引起事故。3.4.3減少焊接應(yīng)力和變形的措施可通過合理的焊縫設(shè)計(jì)和焊接工藝措施來控制焊接結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力和變形。一、合理的焊縫設(shè)計(jì)（1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量采用較小的焊縫尺寸。因?yàn)楹缚p尺寸大，不但焊接量大，而且焊縫的焊接變形和焊接應(yīng)力也大。（2）盡可能能減少不必要的焊縫。在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，常常采用加勁肋來提高板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度