鋼橋的焊縫設(shè)計及焊縫尺寸

1、鋼橋的焊縫設(shè)計及焊縫尺寸史永吉、方興、王輝、史志強、曾志斌(鐵道科學(xué)研究院 北京 100088)內(nèi)容摘要：焊接鋼橋現(xiàn)已成為鋼橋建設(shè)的主流，正確的焊縫設(shè)計不僅涉及鋼橋的承載力和安全性，也極大的影響焊接變形，制造工期及材料消耗等經(jīng)濟(jì)性。基于目前焊縫設(shè)計思想的某些偏向，本文介紹了焊縫的受力類型，應(yīng)力檢驗及各類焊縫尺寸的簡便確定方法。關(guān)鍵詞：焊接鋼橋，焊縫設(shè)計，焊縫尺寸1前言焊接鋼橋現(xiàn)已成為世界各國鋼橋的主流。焊接鋼橋是采用焊縫作為其連接的主要方式，正確的焊縫設(shè)計是確保鋼橋安全性的關(guān)鍵。通常，應(yīng)根據(jù)焊接接頭的受力狀態(tài)及焊縫抗力進(jìn)行應(yīng)力檢算，來確定焊縫尺寸。然而，由于焊接接頭及板厚等種類繁多，受力狀態(tài)各

2、不相同，為了減少設(shè)計工作量。急需制定簡便的偏于安全的確定焊縫尺寸方法。而不必一一通過焊縫應(yīng)力檢驗的方式來選定焊縫尺寸。另一方面，目前存在著一種偏向，認(rèn)為“焊縫尺寸寧大勿小”、“角焊縫寧可全熔透”才是安全的。固然，焊縫作為鋼結(jié)構(gòu)的連接，連接強度應(yīng)等于或大于被連接構(gòu)件的強度，否則將影響結(jié)構(gòu)的極限承載力和安全性。但是，也應(yīng)認(rèn)識到，過大的焊縫尺寸非但無益，一定程度上是有害的，例如：對接焊縫的凸起高度，過去誤稱為“加強高”，現(xiàn)在則稱為“余高” ，而且，需根據(jù)焊縫寬度對余高加以限制，以免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中；過大的角焊縫將產(chǎn)生較大的焊接變形，影響結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)，同時，需增加焊道，增多焊接材料的消耗，延長工期

3、，降低了經(jīng)濟(jì)性，而且，易產(chǎn)生焊接缺陷。所以，合理的確定各種接頭的焊縫尺寸具有重要意義。本文概要介紹了焊接接頭的焊縫受力類型、焊縫有效斷面和有效長度、焊縫應(yīng)力檢算，以及設(shè)定的焊縫尺寸的經(jīng)驗方法，供廣大設(shè)計和制造工程師參考。2焊縫的受力類型作為鋼結(jié)構(gòu)連接方式，焊縫依據(jù)接頭的受力狀態(tài)大體可分為以下三種基本類型。2.1 傳力焊縫把焊接接頭一側(cè)構(gòu)件的內(nèi)力（或應(yīng)力）通過焊縫傳遞給另一側(cè)構(gòu)件，主要有以下基本形式。a)橫向?qū)雍缚p b)搭接焊縫 c)受拉角焊縫 d)受剪焊縫圖1：傳力焊縫的基本形式2.2 受力焊縫當(dāng)焊縫平行于應(yīng)力方向時，焊縫與母材承受同樣大小的應(yīng)力，主要有以下基本形式。a)平行于受力方向的縱向

4、對接焊縫 b)平行于受力方向的角焊縫 c)承受彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力力的受彎構(gòu)件角焊縫 圖2：受力焊縫的基本形式2.3 非受力焊縫垂直于受力方向的加勁肋或橫隔板角焊縫，主要基本形式如下。a)工字型板梁豎向加勁角焊縫b)箱型構(gòu)件橫隔板角焊縫圖3： 非受力焊縫主要形式3焊縫的有效厚度及有效長度焊縫的有效斷面Aw是計算焊縫應(yīng)力的參數(shù)，Aw按下式計算：Awa×le（或Sa×le） （1）式中，a焊縫的有效厚度Sa角焊縫的有效喉高le焊縫的有效長度a=ta)等厚板對接焊縫a=t1b)不等厚板對接焊縫a=dd-坡口深度c)隅角焊縫a取等腰三角形的高度 頂點取坡口深度d)部分熔透角焊縫a=tt

5、板厚e)全熔透角焊縫3.1 焊縫的有效厚度3.1.1 坡口焊縫的有效厚度a圖4 坡口焊縫有效厚度的代表例3.2 角焊縫的有效喉高Sa3.2.1 等肢角焊縫a)凸型角焊縫 b)凹型角焊縫 3.2.2 不等肢角焊縫a)凸型不等肢角焊縫 b)凹型不等肢角焊縫 圖5 角焊縫喉高舉例3.3 焊縫的有效長度le3.3.1 焊縫的有效長度為具有有效厚度的焊縫長度。例如，起熄弧處因焊縫斷面不完整不得記入有效長度。傳力和受力焊縫原則上必須設(shè)引弧板把起熄弧引到主構(gòu)件之外。圖6 焊縫的有效長度3.3.2 斜向全熔透對接焊縫的有效長度取垂直于應(yīng)力方向的投影長度。圖7 斜向?qū)雍缚p的有效長度3.3.3 搭接接頭角焊縫的

6、有效長度傳力搭接接頭應(yīng)設(shè)周邊角焊縫，也可僅在側(cè)邊或在端邊設(shè)角焊縫，此時，應(yīng)繞角部連續(xù)焊一段圍角焊縫，圍焊長度應(yīng)大于2倍焊腳尺寸。圖8 搭接接頭角焊縫的有效長度4焊縫的容許應(yīng)力基于焊縫金屬與母材的等強度設(shè)計原則，焊縫容許應(yīng)力按母材的容許應(yīng)力考慮。工地焊接的焊縫，需經(jīng)試驗確認(rèn)，可取母材的容許應(yīng)力，否則，按0.9倍母材容許應(yīng)力考慮。表1 焊縫容許應(yīng)力（Mpa）鋼材Q235Q345Q370板厚（mm）161735365016173536501617353650容許拉壓應(yīng)力（w）135130125200190185215205195容許剪應(yīng)力（w）8075751201151101251201155焊縫應(yīng)

7、力檢算5.1 承受軸力或剪力 焊接接頭的焊縫應(yīng)力檢驗w （2）w （3）式中，、軸力或剪力引起的焊接應(yīng)力；P、Q作用在焊接接頭上的軸力或剪力；a坡口焊縫的有效厚度；Sa角焊縫的有效喉高；Le焊縫的有效長度。5.2 承受彎矩焊接接頭的焊縫應(yīng)力檢驗5.2.1 全熔透坡口焊縫w （4）5.2.2 角焊縫w （5）式中，、彎矩引起的焊縫彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力；I1全斷面慣性矩；I2焊縫喉高展開斷面的慣性矩；y中性軸至焊縫的距離。5.3 承受軸向力、彎矩和剪力焊接接頭的焊縫應(yīng)力檢驗5.3.1 全熔透坡口焊縫1.2 （6）5.3.2 角焊縫1.0 （7）式中，軸向力P或彎矩M引起的正應(yīng)力，或兩者之和；b軸力P或

8、彎矩M引起的剪應(yīng)力，或兩者之和；s剪力Q引起的剪應(yīng)力；w、w焊縫容許拉壓應(yīng)力、容許剪應(yīng)力。6. 焊縫尺寸6.1 對接焊縫對接焊縫（垂直于受力方或平行于受力方向）應(yīng)滿足：（1） 不得未填滿。（2） 焊縫余高不得超過以下規(guī)定表2 對接焊縫余高的限定焊縫寬度（mm）余高（mm）示意圖B<15315B25425B6.2 角焊縫這里所指的角焊縫是T型、I型和口字型構(gòu)件連接翼緣和腹板的角焊縫，包括非坡口角焊縫、坡口角焊縫和坡口隅角焊縫。6.2.1 角焊縫的設(shè)計尺寸主要構(gòu)件的傳力或受力角焊縫，原則上焊腳尺寸（s）應(yīng)滿足：非坡口角焊縫：，且6mm （8）坡口角焊縫：，且6mm （9）式中：t1較薄板厚；

9、t2較厚板厚；焊縫喉高；6.2.2 關(guān)于角焊縫尺寸經(jīng)驗公式的分析比較（1） 承受軸力構(gòu)件的受力角焊縫（與受力方向平行）僅承受軸力的T型、I型和口字型構(gòu)件而不傳遞剪應(yīng)力的角焊縫，這類角焊縫的主要機能是保持組成構(gòu)件的各板件的幾何形狀，不傳遞應(yīng)力，盡管它與板件一樣承受軸向應(yīng)力，但它相當(dāng)于鉚接構(gòu)件的綴合鉚釘，僅起綴合作用。作為綴合焊縫，一般需考慮焊接線能量或焊接熱變形等因素的影響，經(jīng)驗地確定焊縫尺寸。表3和圖9是美國AWS和日本、德國等焊縫尺寸的比較。表3 軸向受力構(gòu)件角焊縫焊腳尺寸S的比較（inch或mm）AWS板厚>S日本等國板厚102030405060708090100S（4.5）6.47

10、.89.010.011.011.912.713.414.2圖9 軸向受力構(gòu)件最小焊縫尺寸的比較如果采用部分熔透坡焊縫，可取。（2） 受軸力或彎矩與剪力組合力作用的角焊縫在桁架橋節(jié)點處，如整體焊接節(jié)點或過去常用的拼裝式節(jié)點部位的角焊縫，除承受軸向應(yīng)力外還承受以下原因產(chǎn)生的剪應(yīng)力： 來自腹板的剪力通過節(jié)點板或弦桿的腹板傳給翼緣（非全斷面拼接時）。 整體焊接節(jié)點中，因節(jié)點板使弦桿斷面增加，所以，作用在翼緣上軸力的一部分轉(zhuǎn)移到腹板和節(jié)點板上（非全斷面拼接時）。 因節(jié)點剛性而產(chǎn)生次彎矩。這類焊縫往往采用部分熔透坡口角焊縫，喉高Sa或a是檢算焊縫應(yīng)力的主要參數(shù)。這里以日本橋梁為例，概要介紹其焊縫尺寸的演變

11、。早期設(shè)計規(guī)范中，取焊縫金屬與母材等強，角焊縫的喉高?。海ɑ颍?(10)70年代末建成的港大橋，考慮坡口角焊縫焊根熔透性及無損檢測（超聲波）等問題，喉高富余量取3mm，則式（10）變?yōu)椋?(11)80年代以后的瀨戶內(nèi)海上的本四聯(lián)絡(luò)橋，對以下幾種經(jīng)驗公式進(jìn)行了研究：角焊縫： 部分熔透坡口角焊縫： 最后各制造廠都采用，并且，隅角焊縫的坡口為60oL型坡口（單側(cè)V型坡口）或J型坡口（單側(cè)U型坡口）。圖10 表示上述各種檢驗公式的比較。圖10： 隅角焊縫喉高與翼緣板厚的經(jīng)驗公式比較圖11：實橋的（翼緣板厚，喉高）注：1野州橋（鐵） 2鐵路橋標(biāo)準(zhǔn) 3大島大橋 4關(guān)門橋（公）5利根川橋（公）6野州川橋（鐵

12、）7因島大橋（公）8因島大橋（公）9大鳴門橋（公）10大鳴門橋（公）11第二北上川橋（鐵）12大島大橋（公）13港大橋（公） 14大島大橋（公）15巖黑島橋（公鐵）16南北備贊瀨戶大橋（公鐵）圖11列出了日本多座桁架橋整體節(jié)點部位承受軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用的角焊縫或部分熔透坡口角焊縫的喉高a（Sa）與翼板厚度tf之間的關(guān)系。由該圖可見，絕大部分橋梁的a值都落在之間，所以，喉高取a是偏于保守的合理值。如果比較與兩個經(jīng)驗公式，在常用的板厚tf50mm范圍內(nèi)，前式更合適。另外，由桿件平行段喉高向整體節(jié)點內(nèi)的喉高3過渡，開坡口時需設(shè)過渡區(qū)，起點為節(jié)點板圓弧的起始處。（3） 關(guān)于箱型斷面構(gòu)件設(shè)內(nèi)外側(cè)角焊縫

13、對于大型箱型斷面構(gòu)件，如桁梁、拱肋、鋼塔柱及其他結(jié)構(gòu)的立柱等，為了防止在運輸架設(shè)過程中出現(xiàn)非預(yù)計的垂直于板厚方向的作用力，或在進(jìn)行端面切削加工時產(chǎn)生的這種作用力，需在內(nèi)外側(cè)設(shè)置角焊縫，檢算焊縫應(yīng)力時用內(nèi)外側(cè)焊縫喉高之和計算受力斷面。圖12 內(nèi)外側(cè)角焊縫但是應(yīng)注意，箱體內(nèi)部空間應(yīng)便于人員進(jìn)入進(jìn)行施焊作業(yè)，一般內(nèi)部空間尺寸高×寬500×750（mm）時，才設(shè)內(nèi)外側(cè)角焊縫，否則僅設(shè)外側(cè)隅角焊縫。6.2.3 幾種特殊的角焊縫（1）直接承受輪載的角焊縫直接承受輪載的角焊縫，如I字型吊車梁上翼緣角焊縫，橋面板縱肋上翼緣角焊縫，易引發(fā)疲勞裂紋，應(yīng)采用坡口全熔透角焊縫。鋼橋面板縱向U型肋角焊縫只能采用單側(cè)坡口熔透角焊縫，但又不能燒漏，所以，熔透深度應(yīng)取0.75t（t肋板厚度），并對坡口焊接作了細(xì)致規(guī)定。圖13 U型肋角焊縫而對非橋面板處的U型肋角焊縫，則不受這一限制。（2）受彎梁焊接蓋板角焊縫受彎板梁，為適應(yīng)彎矩的要求，往往在彎矩較大的區(qū)段的翼緣外側(cè)設(shè)焊接蓋板，該角焊縫承受彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，焊縫尺寸作如下建議：圖14 受彎板梁翼緣蓋板角焊縫（3）吊橋、斜拉橋鋼塔柱隅角焊縫鋼塔柱承受軸向壓力和彎矩，一般采用特大型矩形斷面，并且端面需進(jìn)行機