鋼結構的連接-角焊縫

第三章連接五角焊縫的構造和計算

角焊縫的構造第三章連接情景二鋼結構的連接

角焊縫的計算六焊接殘余應力和焊接殘余變形1.角焊縫的形式和強度第三章連接4.4角焊縫的構造和計算4.4.1角焊縫的構造角焊縫按截面形式（兩焊腳邊的夾角）可分為直角角焊縫和斜角角焊縫。（a）普通型（b）平坡型（c）凹面型圖4.13直角角焊縫截面（1）直角角焊縫通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。對承受動力荷載的結構中，為減緩應力集中，正面角焊縫的截面通常采用（b）的形式，側面角焊縫的截面則做成凹面式（c）。he＝hfcos45°=0.7hf第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接（2）斜角角焊縫兩焊邊的夾角a>90°或a<90°的焊縫。通常用于鋼漏斗和鋼管結構中。圖4.14斜角角焊縫截面（d）斜銳角焊縫（e）斜鈍角焊縫（f）斜凹面角焊縫hehehehf—焊腳尺寸；—焊腳邊的夾角；

he—有效厚度（破壞面上焊縫厚度）并有，he＝hfcos(/2)對于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結構外,不宜用作受力焊縫。第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接本書我們只學習直角角焊縫第三章連接1）側面角焊縫：焊縫長度方向與受力方向平行。主要承受剪應力，強度低，彈性模量低，但塑性較好。彈性階段分布并不均勻，剪應力兩端大，中間小。(3)角焊縫的工作性能第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接圖15側焊縫的應力和破壞截面N剪切破壞面Nτf第三章連接

2）正面角焊縫：焊縫垂直于受力方向，受力后應力狀態(tài)較復雜。焊縫截面各面都有正應力和剪應力，應力集中嚴重，焊縫根部形成高峰應力，易于開裂。破壞強度要高一些，但塑性差，彈性模量大。

(3)角焊縫的工作性能第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接caτxy圖16端焊縫的應力狀態(tài)NNcb2NacaobτxyσxτyxabτyxcaσxabσyN2N（3）破壞截面的提出直角角焊縫破壞試驗結果表明：側焊縫破壞沿45°喉截面居多端焊縫破壞則多不在45°喉截面而直角角焊縫中：側焊縫破壞強度最低端焊縫破壞強度最高，是側焊縫的1.35～1.55倍斜焊縫居中故為簡化計算，偏于安全地假定破壞發(fā)生于45°喉截面上。第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接2.構造要求角焊縫構造包括三個方面：焊腳尺寸、焊縫長度和減小焊縫應力集中的措施。角焊縫的焊腳尺寸是指焊縫根腳至焊縫外邊的尺寸--hf（1）焊腳尺寸為了保證焊縫的最小承載能力以及防止焊縫由于冷卻速度快而產生淬硬組織，導致母材開裂，hf,min應滿足以下要求:

a)最小焊腳尺寸(hf,min)第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接自動焊（溫度高而均勻）：手工焊角焊縫：t—較厚焊件的厚度。焊件厚度t≤4mm時：取hfmin=tT形連接單面角焊縫（冷卻快）：第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接hftt1t1＜t

取整mm數，小數點以后只進不舍。第三章連接hfmax≤1.2t

t—較薄焊件的板厚。

b)最大焊腳尺寸(hfmax)為了避免焊縫局部過熱，燒穿較薄的焊件，減小焊接殘余應力和殘余變形，hf,max應滿足以下要求:第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接hftt1t1＜t第三章連接

b)最大焊腳尺寸(hfmax)

板端焊縫：對板件（厚度t）邊緣的角焊縫（貼邊焊）

當t≤6mm時，hfmax≤t； 當t＞6mm時，hfmax≤t-(1～2)mm。第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接焊腳尺寸的取值：hfmin≤hf≤hfmax

若另一焊件厚度t1＜t時，還應滿足hf,max≤1.2t1

tt1hf貼邊焊縫第三章連接（2）角焊縫計算長度角焊縫計算長度（lw）取值lwmin≤lw

≤lwmax

最小計算長度（lwmin）為了使焊縫能有一定的承載能力，側面角焊縫和正面角焊縫的計算長度均不得小于：lwmin≥8hf和40mm考慮到焊縫兩端的缺陷，其實際長度應較前述數值還要大2hflwmax≤60hf

（靜力荷載作用下）若實際長度超過以上數值，則超過部分不納入計算長度中。若內力沿側焊縫全長分布時，計算長度不受此限制。如工字形梁及柱的翼緣與腹板的連接焊縫

b)側焊縫最大計算長度（lwmax）第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接（3）搭接連接的構造要求tblw圖4.17側焊縫引起焊件拱曲為了避免焊縫橫向收縮引起板件的拱曲太大，b≤16t（t>12mm）或190mm（t≤12mm）；a)構件端部僅有兩邊側縫連接時：試驗結果表明，連接的承載力與b/lw有關。為了避免應力傳遞的過分彎折而使構件中應力不均，每條側縫長度b

/lw≤1；t為較薄焊件的厚度。第三章連接第三章連接第四章鋼結構的連接第三章連接

c)直接承受動力荷載的結構中，角焊縫表面應做成直線形或凹形，焊腳尺寸的比例：正面角焊縫宜為1:1.5，長邊與內力方向一致；側面角焊縫可用凹形直角焊縫為1:1。

b)在搭接連接中，當僅采用正面角焊縫時，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍或25mm。第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接t1t2

（t1＜t2）搭接圖第三章連接

d)當焊縫端部在焊件轉角處時，應將焊縫延續(xù)繞過轉角加焊2hf。避開起落弧發(fā)生在轉角處的應力集中。b)2hfa)2hf2hf圖4.18繞角焊縫第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接

焊角尺寸：hfdcbadcbahehfhf1）焊縫的破壞面4.4.2直角角焊縫的基本計算公式假定：直角角焊縫破壞發(fā)生于45°截面上，既有效厚度方向發(fā)生。圖4.20直角角焊縫截面

有效厚度：he＝0.7hf

焊縫厚度：有效厚度+熔深+凸度

有效截面：有效厚度×計算長度計算時假定有效截面上應力均勻分布。第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接（4.14）f

——正面角焊縫的強度設計值增大系數。靜載或間接承受動荷載時f

＝1.22，對直接承受動力荷載的結構，f

＝1.0。

第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接實用計算公式第三章連接正面角焊縫

f＝0，力N與焊縫長度方向垂直。側面角焊縫

f＝0，力N與焊縫長度方向平行。（4.15）（4.16）以上各式中：

he=0.7hf；lw—角焊縫計算長度，考慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其實際長度減去2hf。（引弧板）第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接4.4.3角焊縫的計算1.軸心力（拉力、壓力和剪力）作用時角焊縫的計算

當焊件受軸心力，且軸心力通過連接焊縫群的中心，焊縫的應力可認為是均勻分布的。(1）用蓋板的對接連接A、僅采用側面角焊縫連接NNlwSlw－連接一側的側面角焊縫計算長度的總和第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接B、采用三面圍焊連接NNlwlw’先計算正面角焊縫承擔的內力Slw′－連接一側的正面角焊縫計算長度的總和再計算側面角焊縫的強度Slw－連接一側的側面角焊縫計算長度的總和第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接例題4.1

試設計用拼接蓋板的對接連接。已知鋼板寬B＝270mm，厚度t1=28mm，拼接蓋板的厚度t2=16mm。該連接承受的靜態(tài)軸心力N＝1400kN（設計值），鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接[分析]假定焊腳尺寸----焊縫長度----拼接蓋板尺寸步驟1：假定焊腳尺寸（hf）角焊縫的尺寸是根據板件的厚度確定的。最大焊腳尺寸：規(guī)范規(guī)定，當t>6mm時，hf≦t-(1～2)mm，t為較薄焊件的厚度hfmax=14～15mm取hf=10mm,查表可得角焊縫強度設計值：ffw＝160N/mm2最小焊腳尺寸：規(guī)范規(guī)定，hf≧1.5(t)1/2，t為較厚焊件的厚度hfmin=7.9mm第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接步驟2：計算焊縫長度（lw）假設采用兩面?zhèn)群缚p，拼接蓋板采用上下兩塊。根據公式算得連接一側所需四條焊縫總長度拼接蓋板的長度L=2lw+10=333×2+10=676mm,取680mm式中，10為兩塊被連接鋼板的間隙一條側焊縫的實際長度:lw′=1250/4+2×10=333mm驗算lwmin=10×hf=10×10=100≦lw′=333≦lwmax=60×hf=60×10=600第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接步驟3：確定拼接蓋板的寬度（b）雖然沿拼接蓋板的寬度方向沒有施焊，但也應該根據強度條件和構造要求確定其寬度。強度條件：假設b=240mm,則一塊拼接蓋板的橫截面積A=3840mm2,根據靜態(tài)軸力計算的強度值s=N/2A=1.4×106/（2×3840）=182.3N/mm2<f=215N/mm2故選用拼接蓋板的尺寸為680mm×240mm×16mm構造要求：當板件端部只有兩條側面角焊縫連接時，要求b<lw=333。

當t>12mm時，b≤16t=16×16=256,t為較薄焊件的厚度第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接【練習】驗算下圖所示連接的強度(采用三面圍焊)。已知鋼板寬B1=400mm，厚t1=18mm,受軸心力N=1425kN（靜荷載），鋼材Q235B，手工焊，焊條E43型。取hf=8mm。兩塊矩形蓋板寬B2=340mm，厚t2=12mm。NNNN第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接分析：本題要求驗算連接的強度，除了焊縫的連接強度，還有鋼板和蓋板的強度。第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接1）正面角焊縫承擔的內力2)側面角焊縫的強度因此，角焊縫的強度滿足要求。（一）驗算焊縫連接的強度：對于三面圍焊，先計算正面角焊縫承擔的內力

，再計算

側面角焊縫的強度。第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接1）鋼板的強度驗算2)蓋板的強度驗算因此，腳焊縫的強度滿足要求。（鋼板的抗拉強度可查表1-1得到）因此，鋼板的強度滿足要求。（二）鋼板和蓋板的強度驗算綜上，本題的連接強度滿足要求。第三章連接（2）承受軸心力的角鋼端部連接

在鋼桁架中，角鋼腹桿與節(jié)點板的連接焊縫常用兩面?zhèn)群?，或三面圍焊，特殊情況也允許采用L形圍焊（如圖所示）。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與角鋼桿件的軸線重合。圖4.26桁架腹桿節(jié)點板的連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接NN1N2eb角鋼的側縫連接

a)僅用側面焊縫連接解上式得肢背和肢尖的受力為：（4.19）（4.20）（4.21）在N1、N2作用下，假定肢尖、肢背hf1、hf2，側縫的計算長度為：（4.22）由平衡條件得：肢背肢尖K1—角鋼肢背焊縫的內力分配系數K2—角鋼肢尖焊縫的內力分配系數，查表2.4P36第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接表2.4角鋼角焊縫內力分配系數K第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接

b)角鋼用三面圍焊時，可減小角鋼的搭接長度。可先假定正面角焊縫的焊腳尺寸hf3，并算出它所能承受的內力N3：（4.23）（4.24）通過平衡關系得肢背和肢尖側焊縫受力為:（4.25）角鋼角焊縫圍焊的計算NN1N2ebN3lw2lw1在N1、N2作用下，側焊縫的長度用公式（4.21、4.22）。第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接c)當采用L形圍焊時，令N2＝0，得：L形圍焊角焊縫計算公式為：（4.27）若求出得hf3大于hfmax

,則不能采用L形圍焊。（4.26）（4.28）第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接角焊縫的實際長度和計算長度關系：角焊縫：實際長度=計算長度+2hf三面圍焊或L型焊縫，因在轉角處必須連續(xù)施焊，可視為一條焊縫注：焊縫的實際長度取5mm的倍數。便于焊條下料第三章連接例4.2

設計如圖所示雙面不等邊角鋼和節(jié)點板間的連接角焊縫。受靜力荷載N=575kN。長肢相拼，鋼材Q235，手工焊，焊條E43型。N=575kN2160×100×10[分析]目標：設計焊縫（包括焊腳尺寸、焊縫長度）方法：假定焊腳尺寸----焊縫長度第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接

步驟1：確定焊縫強度設計值（ffw）查表：ffw=160N/mm2步驟2：假定焊腳尺寸（hf）角焊縫的尺寸是根據板件的厚度確定的。最大焊腳尺寸：規(guī)范規(guī)定，當t>6mm時，hf≦t-(1～2)mm，t為較薄焊件的厚度10mmhfmax=8～9mm取hf=6mm最小焊腳尺寸：規(guī)范規(guī)定，hf≧1.5(t)1/2，t為較厚焊件的厚度14mmhfmin=5.6mm第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接步驟3：計算角鋼肢背和肢尖上側縫分擔的軸力（N1,N2）查表（P72表4.4）得焊縫內力分配系數K1=0.65,K2=0.35肢背角焊縫所承受的內力N1=0.65×575=373.75kN肢尖角焊縫所承受的內N2=0.35×575=201.25kNNk1Nk2Nlw2lw1第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接第三章連接步驟4：計算角鋼肢背和肢尖上側縫長度（lw1,lw2）利用公式肢背角焊縫側縫長度lw1′=278mm考慮到起滅弧的影響，肢背和肢尖角焊縫實際長度肢尖角焊縫側縫長度lw2′=150mmlw2=lw2′+2hf=162mmlw1=lw1′+2hf=290mm第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接角焊縫小結焊腳尺寸應與焊件的厚度相適應。對手工焊，hf應不小于，t為較厚焊件的厚度（mm），對自動焊，可減小1mm；hf應不大于較薄焊件厚度的1.2倍。1

角焊縫的構造焊腳尺寸取值：圖：角焊縫焊腳尺寸第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接對于板件邊緣的焊縫，當t≤6mm時，hf≤t；當t

>6mm時，hf≤t－(1~2)mm。焊腳尺寸取值：圖：角焊縫最大hf第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接焊縫長度取值：焊縫長度lw也不應太長或太短，其計算長度不宜小于8hf或40mm，且不宜大于60hf。其他構造要求僅有平行于焊縫長度方向的軸心力時僅有垂直于焊縫長度方向的軸心力時同時有平行與垂直于焊縫長度方向的軸心力時2.角焊縫計算的基本公式第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接1.受軸心力焊件的拼接板連接僅側面角焊縫：僅正面角焊縫：3.常用連接方式的角焊縫計算第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接三面圍焊時：先計算正面角焊縫N1，

剩余的N-N1由側面角焊縫承擔。2.受軸心力角鋼的連接當采用側面角焊縫連接時肢背：肢尖：第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接當采用三面圍焊連接時正面角焊縫承擔的力：側面角焊縫承擔的力：肢背肢尖當采用L形焊連接時正面角焊縫承擔的力：側面角焊縫承擔的力：

2.6焊接殘余應力和焊接變形1.什么是焊接殘余應力和焊接殘余變形？2.如何減少焊接殘余應力和焊接殘余變形？

情景二鋼結構的連接情景二鋼結構的連接2.6焊接殘余應力和焊接變形一、焊接殘余應力的分類和產生的原因①縱向焊接應力——沿焊縫長度方向

施焊時焊縫處鋼材受熱伸長，但受兩側低溫區(qū)域的限制產生熱塑性壓縮；焊縫冷卻時收縮又受到限制而產生拉應力；拉應力大小可達鋼材屈服點fy；

遠離焊縫區(qū)域產生縱向壓應力，焊件內應力自相平衡。第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接②橫向焊接應力——垂直于焊縫長度方向焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形的趨勢，在焊縫處中部受拉，兩端受壓先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性壓縮變形；焊縫冷卻，后焊焊縫收縮受限產生拉應力，先焊焊縫產生壓應力；橫向應力是上述兩種應力合成。第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接應力分布與施焊方向有關；③厚度方向的焊接應力-+-321σxσyσz第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產生塑性壓縮變形。冷卻時外圍焊縫散熱快先冷固，內層焊縫收縮受限制產生沿厚度方向的拉應力，外部則產生壓應力。因此除了橫向和縱向焊接殘余應力x

，y外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應力z

，這三種應力形成同號三向拉應力，大大降低連接的塑性。3.焊接殘余變形的產生

在施焊時，由于不均勻的加熱和冷卻，焊區(qū)的縱向和橫向受到熱態(tài)塑性壓縮，使構件產生變形。表現主要有：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形、扭曲變形等。圖4.7.1焊接變形第三章連接第三章連接第三章連接情景二鋼結構的連接（1）對結構靜力強度的影響σ+--afy+--afyNyNy因焊接殘余應力自相平衡，故：當板件全截面達到fy，即N=Ny時：結論：