角焊縫的構(gòu)造和計算-西南交通大學(xué)

3.4角焊縫的的構(gòu)造和和計算一、角焊焊縫的構(gòu)構(gòu)造1.角焊縫的的分類焊縫長度度方向垂垂直于力力作用方方向的焊焊縫稱為為正面角角焊縫（（亦稱端端焊縫））、平行行于力作作用方向向的焊縫縫稱為側(cè)側(cè)面角焊焊縫（亦亦稱側(cè)焊焊縫）、、既不垂垂直也不不平行的的為斜焊焊縫，以以及由它它們組合合而成的的圍焊縫縫。12.角焊縫的的截面形形式及受受力特點點當(dāng)角焊縫縫兩焊腳腳邊的夾夾角為90時，稱為為直角角角焊縫，，即一般般所指的的角焊縫縫，是建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)中最常常用的角角焊縫。。兩焊腳邊邊的夾角角α不是90時的焊縫稱稱為斜角角角焊縫。斜斜角角焊縫縫主要應(yīng)用用于鋼管結(jié)結(jié)構(gòu)中。2角焊縫的表表面一般做做成凸形，，但對直接接承受動力力荷載結(jié)構(gòu)構(gòu)中的角焊焊縫，為了了減少應(yīng)力力集中，常常將焊縫表表面做成凹凹形。但是是經(jīng)驗表明明，由于凹凹形表面收收縮時拉應(yīng)應(yīng)力較大，，容易在焊焊后產(chǎn)生裂裂紋，而凸凸形焊縫收收縮時反而而不容易開開裂。如用用手工焊，，因施焊成成型極為困困難，采用用凹形表面面更不合適適。所以手手工焊應(yīng)采采用直線形形表面，或或先焊微凸凸表面再用用砂輪打磨磨為直線形形表面。當(dāng)當(dāng)用自動焊焊時，由于于電流強度度大，金屬屬熔化速度度快，熔深深大，焊縫縫金屬冷卻卻后自然形形成凹形表表面，此種種凹形表面面不易開裂裂，且動力力性能較好好。3正面角焊縫的的根部(圖中的“A”點)和趾部(圖中的“B”點)都有很大的應(yīng)應(yīng)力集中。應(yīng)應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)隨根部的熔熔深大小和焊焊趾處斜邊與與水平邊夾角角而變。增大熔熔深和減小夾夾角均可大大降低低應(yīng)力集中系系數(shù)。4對直接承受動動態(tài)荷載結(jié)構(gòu)構(gòu)中的正面角角焊縫，根據(jù)據(jù)國內(nèi)外的試試驗資料，認(rèn)認(rèn)為為了滿足足疲勞強度的的要求，最好好兩焊腳尺寸寸比例為1:3(=18.4)。但施施工單單位反反映，，焊縫縫表面面坡度度愈小小施焊焊愈困困難，，需要要多次次堆焊焊才能能形成成，這這樣反反而影影響焊焊縫質(zhì)質(zhì)量。。因此此，我我國現(xiàn)現(xiàn)規(guī)范范根據(jù)據(jù)實際際情況況規(guī)定定兩焊焊腳尺尺寸比比例為為1:1.5(長邊順順內(nèi)力力方向向)。但有有些國國家的的規(guī)定定更為為嚴(yán)格格。直角角角焊縫縫通常常做成成表面面微凸凸的等等腰直直角三三角形形截面面（圖圖(a)）。在在直接接承受受動力力荷載載的結(jié)結(jié)構(gòu)中中，正正面角角焊縫縫的截截面常常采用用圖(b)所示的的坦式式，側(cè)側(cè)面角角焊縫縫的截截面則則作成成凹面面式（（圖(c)）。5大量試驗驗結(jié)果表表明，側(cè)側(cè)面角焊焊縫主要要承受剪剪應(yīng)力，，塑性較較好，彈彈性模量量低，強強度也較較低。傳傳力線通通過側(cè)面面角焊縫縫時產(chǎn)生生彎折，，因而應(yīng)應(yīng)力沿焊焊縫長度度方向的的分布不不均勻，，呈兩端端大而中中間小的的狀態(tài)。。焊縫越越長，應(yīng)應(yīng)力分布布不均勻勻性越顯顯著，但但隨著進(jìn)進(jìn)入塑性性工作階階段會產(chǎn)產(chǎn)生應(yīng)力力重分布布，可使使應(yīng)力分分布的不不均勻現(xiàn)現(xiàn)象漸趨趨緩和。。我國規(guī)規(guī)范根據(jù)據(jù)實踐經(jīng)經(jīng)驗，認(rèn)認(rèn)為側(cè)面面角焊縫縫的長度度限值應(yīng)應(yīng)與焊腳腳尺寸有有關(guān)，因因此規(guī)定定最大計計算長度度為60hf。如果內(nèi)力力沿側(cè)面角角焊縫全長長分布，計計算長度可可不受上述述限制，它它包括焊接接組合梁翼翼緣板與腹腹板的縱向向焊縫、支支承加勁肋肋與腹板的的連接焊縫縫等。過去去動力荷載載作用下側(cè)側(cè)焊縫的最最大長度控控制較靜力力荷載的嚴(yán)嚴(yán)，近年來來經(jīng)過試驗驗研究，證證明對靜載載或動載可可以不加區(qū)區(qū)別，統(tǒng)一一取某個規(guī)規(guī)定值。6正面角焊縫縫受力更復(fù)復(fù)雜，截面面中的各面面均存在正正應(yīng)力和剪剪應(yīng)力，焊焊根處存在在著很嚴(yán)重重的應(yīng)力集集中。這一一方面由于于力線彎折折，另一方方面由于在在焊根處正正好是兩焊焊件接觸面面的端部，，相當(dāng)于裂裂縫的尖端端。正面角角焊縫的靜靜力破壞強強度高于側(cè)側(cè)面角焊縫縫，但塑性性變形要差差些。而斜斜焊縫的受受力性能和和強度值介介于正面角角焊縫和側(cè)側(cè)面角焊縫縫之間，即即塑性比正正面角焊縫縫好、強度度比側(cè)面角角焊縫高。。構(gòu)件端部與與節(jié)點板的的連接焊縫縫可用兩面面?zhèn)群负腿鎳?，，圍焊中有有正面角焊焊縫和側(cè)面面角焊縫，，正面角焊焊縫的靜力力強度較高高、剛度較較大，而側(cè)側(cè)面角焊縫縫的靜力強強度較低但但塑性較好好。所以三三面圍焊與與兩面?zhèn)群负赶啾?，破破壞時較為為突然，且且塑性變形形較小。但但是對構(gòu)件件來說，三三面圍焊使使構(gòu)件截面面中的應(yīng)力力較為均勻勻，與兩面面?zhèn)群赶啾缺龋缚p附附近的構(gòu)件件主體金屬屬疲勞強度度較高。7圖3-4-6角焊縫的應(yīng)力力（a）側(cè)面角焊縫縫；(b)正面角焊縫83.角焊縫的尺寸寸限制(1)焊腳尺寸最小焊腳尺寸寸：如果板件件厚度較大而而焊縫過小，，則施焊時焊焊縫冷卻速度度過快而產(chǎn)生生淬硬組織，，易使焊縫附附近主體金屬屬產(chǎn)生裂紋。。這種現(xiàn)象在在低合金高強強度鋼中尤為為嚴(yán)重。據(jù)此此并參考國內(nèi)內(nèi)外資料，規(guī)規(guī)定式中，t為較厚板件的的厚度，單位位mm，計算時小數(shù)數(shù)點以后均進(jìn)進(jìn)為1mm；考慮到低氫氫型焊條施焊焊的焊縫焊渣渣層厚，保溫溫條件較好，，t可采用較薄焊焊件的厚度。。埋弧焊的熱熱量較集中，，因而熔深較較大，故最小小焊腳尺寸可可較上式的規(guī)規(guī)定減小1mm；而T形連接的單面面角焊縫可靠靠性較差，應(yīng)應(yīng)增加1mm；當(dāng)焊焊件厚厚度≤≤4mm時，則則最小小焊腳腳尺寸寸應(yīng)與與焊件件厚度度相同同，即即hf≥≥4mm。9最大焊焊腳尺尺寸：：角焊焊縫的的焊腳腳尺寸寸不能能過大大，否否則易易使母母材形形成““過燒燒”現(xiàn)現(xiàn)象，，而且且使構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)產(chǎn)生較較大的的焊接接殘余余變形形和殘殘余應(yīng)應(yīng)力。。所以以規(guī)定定hf≤1.2tmin,tmin為較薄薄焊件件的厚厚度（（圖3-4-7（a））。。對板板件厚厚度為為t的邊緣緣角焊焊縫（（圖3-4-7（b）），，若焊焊腳尺尺寸hf=t，在施施焊時時容易易產(chǎn)生生咬邊邊現(xiàn)象象，不不易焊焊滿全全厚度度。因因此規(guī)規(guī)定，，當(dāng)t>6mm時，取取hf≤t-(1～2)mm；當(dāng)t≤6mm，由于于一般般用小小直徑徑焊縫縫施焊焊，技技術(shù)較較易掌掌握，，可采采用與與焊件件等厚厚的角角焊縫縫，即即hf≤t。如果果另一一焊件件厚度度t’<t時，還還應(yīng)滿滿足以以hf≤1.2t’的要求求。在在十字字形接接頭中中（圖圖3-4-7（c）），，為避避免厚厚度為為t2的板““過燒燒”，，宜將將焊腳腳尺寸寸控制制在hf≤t2的范圍圍。10圖3-4-7最大焊焊腳尺尺寸不等焊焊腳尺尺寸的的應(yīng)用用。當(dāng)當(dāng)兩焊焊件厚厚度相相差懸懸殊時時(圖3-4-8)，用等等焊腳腳尺寸寸往往往無法法滿足足最大大和最最小焊焊腳尺尺寸的的規(guī)定定。為為解決決這一一矛盾盾，規(guī)規(guī)范推推薦采采用不不等焊焊腳尺尺寸。。圖3-4-8不等焊腳腳尺寸11側(cè)面角焊焊縫的最最小長度度側(cè)面角焊焊縫的焊焊腳尺寸寸大而長長度過小小時，焊焊件局部部加熱嚴(yán)嚴(yán)重，焊焊縫起落落弧缺陷陷相距太太近，加加上可能能有其他他缺陷(氣孔、夾夾渣等)，對焊縫縫強度的的影響必必然較為為敏感，，使焊縫縫可靠性性降低；；另外，，焊縫集集中在一一很短距距離，焊焊件的應(yīng)應(yīng)力集中中也較大大。此外外，側(cè)面面角焊縫縫多用于于搭接連連接，作作用力對對焊縫有有偏心、、產(chǎn)生偏偏心彎矩矩，如果果焊縫長長度過小小，偏心心彎矩影影響就較較大，使使焊縫承承載力降降低。所所以規(guī)范范規(guī)定側(cè)側(cè)面角焊焊縫的計計算長度度不得小小于8hf和40mm。12側(cè)面角焊焊縫的最最大計算算長度側(cè)面角焊焊縫在彈彈性階段段沿長度度方向受受力不均均勻，兩兩端大而而中間小小，當(dāng)兩兩焊件的的截面積積不相等等時，例例如下圖圖的板l的截面積積小于板板2的截面積積，則剪剪應(yīng)力的的分布不不對稱于于焊縫中中點，靠靠近小截截面一端端的應(yīng)力力高于截截面大一一端的應(yīng)應(yīng)力。雖雖側(cè)面角角焊縫有有良好的的塑性，，但如果果焊縫長長度超過過某一限限值時，，有可能能首先在在焊縫的的兩端破破壞，故故一般規(guī)規(guī)定側(cè)面面角焊縫縫的計算算長度lf≤60hf，當(dāng)實際際長度大大于上述述限值時時，其超超過部分分在計算算中不予予考慮。。若內(nèi)力力沿側(cè)面面角焊縫縫全長分分布、以以及粱的的支承加加勁肋與與腹板連連接焊縫縫等，計計算長度度可不受受上述限限制。13側(cè)面角焊焊縫的應(yīng)應(yīng)力分布布搭接長度度：采用用正面角角焊縫的的搭接連連接，受受力時會會產(chǎn)生附附加彎矩矩(圖3.4.10)，搭接長長度愈小小．附加加彎矩影影響愈大大；另外外焊縫距距離愈近近，收縮縮應(yīng)力也也愈大。。因此規(guī)規(guī)定搭接接長度不不得小于于5tmin(tmin為焊件的的較小厚厚度)，并不得得小于25mm。搭接連接接的彎曲曲變形14側(cè)焊縫長長度與距距離要求求兩側(cè)面角角焊縫的的搭接連連接，其其連接強強度與b/lw有關(guān)（b為兩側(cè)焊焊縫之間間的距離離）。b/lw愈大，則則連接強強度愈低低。為使使連接強強度不致致過分降降低，故故現(xiàn)規(guī)范范規(guī)定應(yīng)應(yīng)滿足lw≥b。另外，，僅有兩兩面?zhèn)群负缚p的搭搭接連接接，兩側(cè)側(cè)焊縫之之間的距距離b太大時，，焊縫收收縮容易易使板件件向外拱拱曲太大大，因此此規(guī)定b≤16t(當(dāng)t>12mm時)或b≤190mm(當(dāng)t≤12mm時)。如果b不能滿足足此規(guī)定定，應(yīng)加加正面角角焊縫或或者加槽槽焊(下圖(c))或者圓孔孔焊(下圖(d))。15角焊縫的的圍焊和和繞角焊焊（a）兩邊側(cè)側(cè)焊；(b)三邊圍焊焊；(c)L形圍焊；；(d)繞角焊在非圍焊焊的情況況下，角角焊縫的的端部正正好在構(gòu)構(gòu)件連接接的轉(zhuǎn)角角處，如如此處做做長度為為2hf的繞角焊焊（上圖圖（d）），可可以避免免起落弧弧缺陷引引起轉(zhuǎn)角角處過大大的應(yīng)力力集中。。16二、直角角角焊縫縫強度計計算的基基本公式式如前所述，角角焊縫的受力力狀態(tài)是很復(fù)復(fù)雜的。圖3-4-13所示為直角角角焊縫的截面面，0.7hf為直角角焊縫縫的有效厚度度he（喉部尺寸））。試驗表明明，直角角焊焊縫的破壞常常發(fā)生在喉部部及其附近，，通常認(rèn)為直直角角焊縫是是以45方向的最小截截面(即有效厚度與與焊縫計算長長度的乘積)作為有效截面面或稱計算截截面。圖3-4-13直角角焊縫截截面圖3-4-14角焊縫有效截截面上的應(yīng)力力17任何受力情況況的角焊縫，，均可求得作作用于有效截截面上的三種種應(yīng)力（圖3-4-14）：垂直于有有效截面的正正應(yīng)力⊥、垂直于焊縫縫長度方向的的剪應(yīng)力⊥、以及沿焊縫縫長度方向的的剪應(yīng)力∥。即使如此，，精確計算仍仍比較困難，，一般是根據(jù)據(jù)試驗結(jié)果，，找出比較合合理而又簡單單的設(shè)計方法法和相應(yīng)的公公式供設(shè)計時時應(yīng)用：無論論側(cè)焊縫還是是端焊縫，都都假定破壞發(fā)發(fā)生在有效截截面上，按應(yīng)應(yīng)力均布并認(rèn)認(rèn)為都是剪壞壞，根據(jù)試驗驗取最低平均均破壞應(yīng)力來來確定其設(shè)計計強度，這基基本上也是國國際標(biāo)準(zhǔn)化組組織推薦的方方法。應(yīng)注意的是計計算有效厚度度he時，不考慮熔熔深和凸度。?，F(xiàn)行規(guī)范未未區(qū)分焊件方方法的影響，，對自動焊來來說偏保守。。對于凸度，，其尺寸大小小無法保證，，另外，還有有凹形的，難難于統(tǒng)一考慮慮，因此均忽忽略不計。18角焊縫的基本本計算公式式中，σf―按焊縫有效截截面（helw）計算，垂直直于焊縫長度度方向的應(yīng)力力；τf―按焊縫有效截截面計算，沿沿焊縫長度方方向的剪應(yīng)力力；lw―角焊縫的計算算厚度，對每每條焊縫取實實際長度減去去；當(dāng)然應(yīng)滿滿足構(gòu)造要求求；βf―正面角焊縫的的強度增大系系數(shù)：對承受受靜力荷載和和間接承受動動力荷載的結(jié)結(jié)構(gòu)，βf＝1.22，對直接承受受動力荷載的的結(jié)構(gòu)，βf＝1.0。19三、角焊縫連連接的計算1.軸心力作用下下角焊縫的計計算(1)鋼板連接1)軸心力與焊縫縫相垂直-正面角焊縫2)軸心力與焊縫縫相平行-側(cè)面角焊縫3)軸心力與焊縫縫成一夾角-斜角焊縫20令則斜焊縫的計計算式為：21(2)承受軸心力的的角鋼角焊縫縫計算當(dāng)角鋼用角焊焊縫連接時，，雖然軸心力力通過截面形形心，由于截截面形心到角角鋼肢背和肢肢尖的距離不不等，肢背焊焊縫和肢尖焊焊縫的受力是是不相等的：：肢背處受受力大而肢尖尖處受力小，，可用內(nèi)力分分配系數(shù)量化化。22圖3-4-17角鋼角焊縫受受力分配（a）兩邊側(cè)焊；；(b)三邊圍焊；；(c)L形圍焊在鋼桁架中中，弦桿、、腹桿承受受中心拉力力或壓力，，這些桿件件常常采用用角鋼組成成。在節(jié)點點處角鋼腹腹桿與節(jié)點點板的連接接焊縫一般般采用兩面面?zhèn)群?，也也可采用三三面圍焊，，特殊情況況也允許采采用L形圍焊(圖3-4-17)。腹桿受軸心心力作用，為為了避免焊縫縫偏心受力，，焊縫所傳遞遞的合力的作作用線應(yīng)與角角鋼桿件的軸軸線重合。231)兩邊僅用兩條條側(cè)面角焊縫縫連接時設(shè)N1、N2分別為為角鋼鋼肢背背焊縫縫和肢肢尖焊焊縫承承擔(dān)的的內(nèi)力力，由由平衡衡條件件得：：式中，，k1、k2為焊縫縫內(nèi)力力分配配系數(shù)數(shù)2)三面圍圍焊焊時先確定定正面面角焊焊縫所所分擔(dān)擔(dān)的軸軸心力力：24再通過平平衡關(guān)系系可解得得：3)L形圍焊令N2=0，由上式式得：25根據(jù)上述述方法求求得角鋼鋼各條連連接焊縫縫所承受受的內(nèi)力力N1、N2和N3后，便可可按角焊焊縫的計計算公式式設(shè)計各各焊縫的的長度lw、焊腳尺尺寸hf，也可驗驗算已有有焊縫的的強度。?？紤]到每每條焊縫縫兩端的的起滅弧弧缺陷，，實際焊焊縫長度度為計算算長度加加2hf；但對于于三面圍圍焊，由由于在桿桿件端部部轉(zhuǎn)角處處必須連連續(xù)施焊焊，每條條側(cè)面角角焊縫只只有一端端可能起起滅弧，，放焊縫縫實際長長度為計計算長度度加hf；對于采采用繞角角焊的側(cè)側(cè)面角焊焊縫實際際長度等等于計算算長度加加hf(繞角焊縫縫長度2hf不進(jìn)入計計算)。262.彎矩、剪剪力和軸軸心力共共同作用用下的角角焊縫計計算(1)承受偏心心斜向力力的角焊焊縫連接接計算圖中A點應(yīng)力最最大，為為控制設(shè)設(shè)計點此處垂直直于焊縫縫長度方方向的應(yīng)應(yīng)力由兩兩部分組組成：27(2)工字形截截面梁（（或牛腿腿）角焊焊縫連接接計算下圖所示示為工字字形截面面梁（或或牛腿））與柱采采用角焊焊縫的連連接，通通常承受受彎矩M和剪力V的聯(lián)合作作用。由由于翼緣緣的豎向向剛度較較差，在在剪力作作用下，，如果沒沒有腹板板焊縫存存在，翼翼緣將發(fā)發(fā)生明顯顯撓曲。。這就說說明，翼翼緣板的的抗剪能能力極差差。由于于翼緣板板的豎向向剛度不不足，一一般假定定剪力僅僅由豎直直腹板焊焊縫承受受，而彎彎矩則由由全部焊焊縫承受受。為了焊縫縫分布較較合理，，宜在每每個翼緣緣的上下下兩側(cè)均均勻布置置角焊縫縫，由于于翼緣焊焊縫只承承受垂直直于焊縫縫長度方方向的彎彎曲應(yīng)力力，此彎彎曲應(yīng)力力沿梁高高度呈三三角形分分布，最最大應(yīng)力力發(fā)生在在翼緣焊焊縫的最最外纖維維處，為為了保證證此焊縫縫的正常常工作，，應(yīng)使翼翼緣焊縫縫最外纖纖維處的的應(yīng)力滿滿足角焊焊縫的強強度條件件。2829(3)T形截面牛牛腿角焊焊縫連接接計算計算時通通常假設(shè)設(shè)腹板焊焊縫承受受全部剪剪力，而而彎矩則則由全部部焊縫承承受。顯顯然控制制設(shè)計點點為豎直直焊縫的的下端點點A。303.扭矩、剪剪力和軸軸心力共共同作用用下的角角焊縫計計算31計算角焊焊縫在扭扭矩T作用下產(chǎn)產(chǎn)生的應(yīng)應(yīng)力時，，是基于于下列假假定：①被連接接件是絕絕對剛性性的，它它有繞焊焊縫形心心0旋轉(zhuǎn)的趨趨勢，而而角焊縫縫本身是是彈性；；②角焊焊縫群上上任一點點的應(yīng)力力方向垂垂直于該該點與形形心的連連線，且且應(yīng)力大大小與連連線長度度r成正比。。式中r——圓心至焊焊縫有效效截面中中線的距距離；Ip——焊縫有效效截面的的極慣性性矩。32受剪力和和扭矩作作用的角角焊縫33計算時按按彈性理理論，確確定焊縫縫有效截截面的形形心位置置和計算算扭矩T及軸心力力F產(chǎn)生的應(yīng)應(yīng)力時，，都可不不考慮焊焊縫方向向（即不不區(qū)分是是正面角角焊縫還還是側(cè)面面角焊縫縫），只只在最后后驗算式式中引進(jìn)進(jìn)系數(shù)βf。在扭矩T作用下，A點(或A’點)的應(yīng)力為：：將分解為垂垂直于焊縫縫長度方向向的應(yīng)力和和沿焊縫長長度方向的的剪應(yīng)力：：34另外，軸心心力F產(chǎn)生的應(yīng)力力按均勻分分布于全截截面計算，，在驗算點點處該應(yīng)力力垂直于焊焊縫長度方方向αF：35應(yīng)該指指出的的是上上述計計算方方法中中，假假定軸軸心力力產(chǎn)生生的應(yīng)應(yīng)力為為平均均分布布。實實際上上，在在上圖圖軸心心力作作用下下，水水平焊焊縫為為正面面焊縫縫，而而豎直直焊縫縫為側(cè)側(cè)面焊焊縫，，兩者者單位位長度度分擔(dān)擔(dān)的應(yīng)應(yīng)力是是不同同的，，前者者較大大，后后者較較小。。顯然然，軸軸心力力產(chǎn)生生的應(yīng)應(yīng)力假假設(shè)為為平均均分布布，與與前面面基本本公式式推導(dǎo)導(dǎo)中，，考慮慮焊縫縫方向向的思思路不不符。。同樣樣，在在確定定形心心位置置以及及計算算扭矩矩下所所產(chǎn)生生的應(yīng)應(yīng)力時時，也也設(shè)有有考慮慮焊縫縫方向向，而而只在在最后后驗算算式中中引進(jìn)進(jìn)了系系數(shù)βf，上面面計算算方法法有一一定的的近似似性。。36【例3-4-1】承受軸軸心拉拉力的的板件件，采采用上上、下下兩塊塊拼接接板并并采取取角焊焊縫三三邊圍圍焊連連接。。已知知板件件寬度度b1=400mm，厚度度t1=18mm(圖3-3-26)；承受受軸心心拉力力N=1425kN；兩塊塊拼