鋼結(jié)構(gòu)連接(角焊縫連接計算及焊接應(yīng)力與變形)

第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接上節(jié)課內(nèi)容回顧1、鋼結(jié)構(gòu)連接的種類及特點(diǎn)2、對接焊縫的構(gòu)造和計算。本次課內(nèi)容1、角焊縫的構(gòu)造2、角焊縫的計算3、焊接殘余應(yīng)力和焊接變形1、角焊縫的形式(1)按焊縫長度和作用力方向分為：側(cè)面角焊縫、正面角焊縫和斜向角焊縫。一、角焊縫的形式和受力分析§3.3角焊縫的構(gòu)造與計算正面角焊縫側(cè)面角焊縫hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式直角角焊縫hehfhf凹面式(2)按兩焊腳邊夾角大小分為：直角角焊縫和斜角角焊縫。（2）斜角角焊縫對于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外,不宜用作受力焊縫。

試驗(yàn)表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力，強(qiáng)度相對較低，塑性性能較好。因外力通過焊縫時發(fā)生彎折，故剪應(yīng)力沿焊縫長度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻。剪應(yīng)力τfA.應(yīng)力分析NlwN（1）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）2.直角角焊縫的受力分析B.破壞形式A.

應(yīng)力分析

正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑性較差，但強(qiáng)度較高，與側(cè)面角焊縫相比可高出35%--55%以上。（2）正面角焊縫B.正面角焊縫的破壞形式（3）斜焊縫

斜焊縫的受力性能介于側(cè)面角焊縫和正側(cè)面角焊縫之間。斜向角焊縫動態(tài)演示二、角焊縫的構(gòu)造

1、最大焊腳尺寸hf,max

為了避免焊縫處局部過熱，減小焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，hf,max應(yīng)滿足以下要求:

hf,max≤1.2t1（鋼管結(jié)構(gòu)除外）式中:t1---較薄焊件厚度。tt1hf

對于板件邊緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：

當(dāng)t≤6mm時，hf,max≤t；當(dāng)t>6mm時，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t2、最小焊腳尺寸hf,min

為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

式中:t2----較厚焊件厚度

另:對于埋弧自動焊hf,min可減去1mm;

對于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當(dāng)t2≤4mm時,hf,min=t23.側(cè)面角焊縫的最大計算長度

側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長度越長，應(yīng)力集中系數(shù)越大。如果焊縫長度不是太大，焊縫兩端達(dá)到屈服強(qiáng)度后，繼續(xù)加載，應(yīng)力會漸趨均勻；當(dāng)焊縫長度達(dá)到一定的長度后，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：注：

1、當(dāng)實(shí)際長度大于以上值時，計算時不予考慮；

2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長分布時，不受上式限制。4.角焊縫的最小計算長度

對于焊腳尺寸大而長度小的焊縫，焊件局部加熱嚴(yán)重且起落弧坑相距太近，以及可能產(chǎn)生缺陷，使焊縫不可靠。故為了使焊縫具有一定的承載力，規(guī)范規(guī)定：5.搭接連接的構(gòu)造要求

當(dāng)板件端部僅采用兩條側(cè)面角焊縫連接時：

A、為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，規(guī)范規(guī)定：B、為了避免焊縫橫向收縮時引起板件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)定：t1t2bD.在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度

的5倍，且不得小于25mm。

C.當(dāng)角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hft1t2三、直角角焊縫的強(qiáng)度計算公式

1、試驗(yàn)表明，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，故通常將45o截面作為計算截面，作用在該截面上的應(yīng)力如下圖所示：hfhehh1h2deσ┻τ┻τ∥helwh---焊縫厚度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根2、實(shí)際上計算截面的各應(yīng)力分量的計算比較繁難，為了簡化計算，規(guī)范假定：焊縫在有效截面處破壞，且各應(yīng)力分量滿足以下折算應(yīng)力公式:

┻┻∥3、由于我國規(guī)范給定的角焊縫強(qiáng)度設(shè)計值，是根據(jù)抗剪條件確定的故上式又可表達(dá)為：式中：--焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw4、直角角焊縫的強(qiáng)度計算公式：NNyNx┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf將3—4、3—5式，代入3—3式得：式3—6即為，規(guī)范給定的角焊縫強(qiáng)度計算通用公式βf—正面角焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)；靜載時取1.22，動載時取1.0。┻┻∥┻┻∥對于正面角焊縫，τf=0，由3—6式得：對于側(cè)面角焊縫，σf=0，由3—6式得：

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(shí)際長度減去2hf。四、各種受力狀態(tài)下的直角角焊縫連接計算1、軸心力作用下(1)軸心力作用下的蓋板對接連接:A、僅采用側(cè)面角焊縫連接：B、采用三面圍焊連接：NNlwlw’(2)斜向力角焊縫連接NxNyNθN代入式3-6驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度，即:(3)角鋼角焊縫連接A、僅采用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2對于校核問題:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形圍焊代入下式3-20，3-21得:對于設(shè)計問題:Ne1e2bN1xxN3lw12、N、M、V共同作用下(1)偏心軸力作用下角焊縫強(qiáng)度計算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用下焊縫強(qiáng)度計算h1σfAσfBτf對于A點(diǎn)：式中：Iw—全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩；

h1—兩翼緣焊縫最外側(cè)間的距離。xxhh2BB’Ah1MeFVM對于B點(diǎn)：強(qiáng)度驗(yàn)算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊縫的計算長度；

he,2—腹板焊縫截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM假定:A、被連接件絕對剛性，焊縫為彈性，即：T作用下被連接件有繞焊縫形心旋轉(zhuǎn)的趨勢；B、T作用下焊縫群上任意點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與焊縫形心的連線，且大小與r成正比；C、在V作用下，焊縫群上的應(yīng)力均勻分布。3、T、V共同作用下將F向焊縫群形心簡化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：該連接的設(shè)計控制點(diǎn)為A點(diǎn)和A’點(diǎn)xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A點(diǎn)應(yīng)力:將其沿x軸和y軸分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下,A點(diǎn)應(yīng)力:A點(diǎn)垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力為:A點(diǎn)平行于焊縫長度方向的應(yīng)力為:強(qiáng)度驗(yàn)算公式：τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT、V聯(lián)合作用下的例題（教材例題3.5）五、斜角角焊縫的計算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B1、由于斜角角焊縫的研究不夠充分，為簡化計算，規(guī)范規(guī)定：對于兩焊腳邊夾角60o≤α≤135o的斜T形連接，其斜角角焊縫采用與直角角焊縫相同的計算公式，且統(tǒng)一取βf=1.0。2、斜角角焊縫的計算厚度hei由幾何關(guān)系得其通式為：式中：b、b1和b2≤5mm說明：A.b1和b2≤1.5mm時,

可取b1、b2=0B.b1和b2>5mm時,

應(yīng)如圖“B”方式處理，且使b≤5mm。α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B§3－5焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘余應(yīng)力的分類及其產(chǎn)生的原因

1、焊接殘余應(yīng)力的分類

A、縱向焊接殘余應(yīng)力—沿焊縫長度方向;B、橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長度方向;C、沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力。

2、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）縱向焊接殘余應(yīng)力

焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫處可達(dá)1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++

（2）橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:1、焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為，橫向焊接殘余應(yīng)力。(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力σx,σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力σz，這三種應(yīng)力形成同號(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響1、對結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即N=Ny時：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度沒有影響。+--fyfbBt2、對結(jié)構(gòu)剛度的影響A、當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作用下應(yīng)變增量為：f+--bfyNN+--fyfNNbBt因?yàn)锽-b<B，所以△ε1>△ε2。結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力的存在增大了結(jié)構(gòu)的變形，即降低了結(jié)構(gòu)的剛度。B、當(dāng)截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時，在N作用下應(yīng)變增量為：

另外，對于軸