第六章焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

第6章焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法焊接結(jié)構(gòu)的基本要求、載荷焊接結(jié)構(gòu)的失效形式常規(guī)設(shè)計(jì)方法（許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法）概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法分析設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì) 6.1焊接結(jié)構(gòu)的基本要求一、結(jié)構(gòu)效能指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分配給各個(gè)構(gòu)件部分所應(yīng)具有的能力二、壽命周期費(fèi)用三、結(jié)構(gòu)工藝性要求四、結(jié)構(gòu)的可靠性與維修性五、焊接結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)與結(jié)構(gòu)完整性6.2載荷一、載荷分類（1）靜力載荷包括重力載荷和不隨時(shí)間變化的工作載荷（2）動(dòng)力載荷包括慣性載荷和沖擊載荷（3）自然載荷專指風(fēng)、冰、雪、地震和溫度變化等自然因素所造成的載荷二、載荷組合（1）基本載荷指始終或經(jīng)常作用在焊接結(jié)構(gòu)上的載荷包括自重載荷和工作載荷（2）附加載荷指在正常工作狀態(tài)下，焊接結(jié)構(gòu)所受到的非經(jīng)常性作用的載荷包括最大風(fēng)載荷、溫度載荷、冰雪載荷以及某些工藝載荷等（3）特殊載荷指處于非工作狀態(tài)下，焊接結(jié)構(gòu)可能受到的最大載荷，或者在工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)偶然受到的不利載荷組合Ⅰ：基本載荷；組合Ⅱ：基本載荷+附加載荷；組合Ⅲ：基本載荷+特殊載荷或三類載荷都組合。強(qiáng)度和穩(wěn)定性的安全系數(shù)必須同時(shí)滿足組合Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三類情況下的規(guī)定值疲勞強(qiáng)度只按載荷組合Ⅰ進(jìn)行計(jì)算6.3焊接結(jié)構(gòu)的失效形式失效：焊接結(jié)構(gòu)中，由于焊接接頭斷裂、表面損傷、過量變形和材質(zhì)劣化，導(dǎo)致降低結(jié)構(gòu)承受規(guī)定載荷能力的現(xiàn)象。一、斷裂失效斷裂是構(gòu)件在外力作用下，當(dāng)其應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的破壞主要形式：（1）脆性斷裂（2）塑性斷裂（3）疲勞斷裂（4）蠕變斷裂二、表面損傷表面損傷：構(gòu)件由于應(yīng)力或溫度的作用造成的表面材料損耗，或者是由于構(gòu)件與介質(zhì)產(chǎn)生不希望有的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而使金屬表面損傷主要形式（1）磨損可分為磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損等（2）腐蝕損傷包括均勻腐蝕、電化學(xué)腐蝕、摩擦腐蝕、空蝕、應(yīng)力腐蝕和高溫腐蝕等（3）接觸疲勞包括表面麻點(diǎn)、亞表面麻點(diǎn)和剝落等三、過量變形過量變形：金屬構(gòu)件在使用過程中產(chǎn)生超過設(shè)計(jì)配合引起的過量形變。主要形式：（1）過量彈性變形（2）過量塑性變形四、材質(zhì)變化失效材質(zhì)變化失效：由冶金因素、化學(xué)作用、輻射效應(yīng)和高溫長時(shí)間作用等因素引起材質(zhì)變化，使材料性能降低而發(fā)生的失效現(xiàn)象。6.4焊接結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法6.4.1常規(guī)設(shè)計(jì)方法（許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法）（1）強(qiáng)度準(zhǔn)則式中，lim—極限應(yīng)力。

一次斷裂

材料的強(qiáng)度極限

疲勞斷裂

構(gòu)件的疲勞極限

塑性變形

材料的屈服極限

表面接觸疲勞

零件的接觸疲勞極限

n—安全系數(shù)（2）剛度準(zhǔn)則

式中，y

—彈性變形量；[y]—許用變形量（3）壽命準(zhǔn)則（4）振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則是指設(shè)計(jì)時(shí)使結(jié)構(gòu)中受激振作用的各零件的固有頻率f與激振源的頻率fP錯(cuò)開

或6.4.2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法一、結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成預(yù)定功能的能力。結(jié)構(gòu)的可靠度：對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成預(yù)定功能的概率。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期長，可靠度要求就高二、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，稱此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003規(guī)范）規(guī)定承重結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列二類極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適用于繼續(xù)承載的變形（2）正常使用極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久能力的某項(xiàng)規(guī)定的限制值三、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理影響結(jié)構(gòu)完成特定功能的兩個(gè)基本因素：（1）載荷效應(yīng)S：指載荷作用在結(jié)構(gòu)上所引起的結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的應(yīng)力和變形（2）結(jié)構(gòu)抗力Z：指結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件承受載荷效應(yīng)的能力結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)表示為

Z=R–SR和S都是隨機(jī)變量，其函數(shù)Z也是一個(gè)隨機(jī)變量功能函數(shù)Z存在以下三種可能狀態(tài)：>0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)

Z=R–S=0結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)

<0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的失效概率可表示為失效概率Pf與可靠度指標(biāo)β的關(guān)系

結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用的可靠度指標(biāo)，可根據(jù)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度分析，并考慮使用經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)因素等確定我國《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068—2001）規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)，不應(yīng)小于表6-2的規(guī)定。

6.4.3分析設(shè)計(jì)一、分析設(shè)計(jì)的基本思想分析設(shè)計(jì)是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，且對(duì)不同類型應(yīng)力按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來限制，合理地區(qū)別對(duì)待。設(shè)計(jì)步驟：結(jié)構(gòu)分析→應(yīng)力分析→應(yīng)力分類→計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度→校核應(yīng)力強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)采用最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）作為判據(jù)、采用較高的許用應(yīng)力二、應(yīng)力分析的有限元法有限元法的基本思想：將一個(gè)連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題有限元法的一般步驟：結(jié)構(gòu)的離散化→選擇位移模式→建立平衡方程→求解節(jié)點(diǎn)位移→計(jì)算單元中的應(yīng)變和應(yīng)力6.5焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)6.5.1截面設(shè)計(jì)截面設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算的主要工作。一、抗彎截面設(shè)計(jì)材料確定后，構(gòu)件的抗彎剛度主要由抗彎慣性矩的大小決定二、抗扭截面設(shè)計(jì)材料確定后，構(gòu)件的抗扭剛度主要由抗扭慣性矩的大小決定6.5.2可達(dá)性設(shè)計(jì)焊接的可達(dá)性是使每條焊縫都能方便地施焊檢驗(yàn)的可達(dá)性應(yīng)使需要質(zhì)量檢驗(yàn)的焊縫能順利地進(jìn)行檢驗(yàn)焊縫位置應(yīng)便于施焊，

有利于保證焊縫質(zhì)量

盡量在水平位置焊接除焊接空間位置外，還應(yīng)考慮各種焊接方法所需要的施焊操作空間6.5.3焊接應(yīng)力和變形控制設(shè)計(jì)通過合理布置焊縫來減小焊接應(yīng)力和變形主要途徑如下：一、盡量減少焊縫數(shù)量二、選擇合理的焊縫形狀和尺寸應(yīng)采用盡量小的焊縫尺寸采用開坡口的焊縫比不開坡口而用一般角焊縫可減少焊縫金屬，對(duì)減小角變形有利選擇合理的坡口形式三、盡可能分散布置焊縫焊縫集中分布容易使接頭過熱，是材料的力學(xué)性能降低焊縫過分集中使應(yīng)力分布更不均勻，而且還會(huì)出現(xiàn)雙向或三向復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)兩條焊縫的間距一般要求對(duì)于3倍或5倍的板厚四、盡可能對(duì)稱分布焊縫焊縫對(duì)稱分布可使各條焊縫的焊接變形相互抵消箱型結(jié)構(gòu)

（a）焊縫集中于中性軸一側(cè)，彎曲變形大

（b）焊縫安排合理6.5.4抗震性設(shè)計(jì)只有重要的結(jié)構(gòu)要求地震情況下不