角焊缝的构造和计算

钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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大量试验结果表明，侧面角焊缝主要承受剪应力，塑性较好， 弹性模量低，强度也较低。传力线通过侧面角焊缝时产生弯折， 因而应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的 状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著，但随着进入塑性 工作阶段会产生应力重分布，可使应力分布的不均匀现象渐趋 缓和。我国规范根据实践经验，认为侧面角焊缝的长度限值应 与焊脚尺寸有关，因此规定最大计算长度为60hf。如果内力沿 侧面角焊缝全长分布，计算长度可不受上述限制，它包括焊接 组合梁翼缘板与腹板的纵向焊缝、支承加劲肋与腹板的连接焊 缝等。过去动力荷载作用下侧焊缝的最大长度控制较静力荷载 的严，近年来经过试验研究，证明对静载或动载可以不加区别， 统一取某个规定值。
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角焊缝的表面一般做成凸形，但对直接承受动力荷载结构中 的角焊缝，为了减少应力集中，常将焊缝表面做成凹形。但 是经验表明，由于凹形表面收缩时拉应力较大，容易在焊后 产生裂纹，而凸形焊缝收缩时反而不容易开裂。如用手工焊， 因施焊成型极为困难，采用凹形表面更不合适。所以手工焊 应采用直线形表面，或先焊微凸表面再用砂轮打磨为直线形 表面。当用自动焊时，由于电流强度大，金属熔化速度快， 熔深大，焊缝金属冷却后自然形成凹形表面，此种凹形表面 不易开裂，且动力性能较好。
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正面角焊缝的根部(图中的“A”点)和趾部(图中的“B”点) 都有很大的应力集中。应力集中系数随根部的熔深大小和 焊趾处斜边与水平边夹角而变。增大熔深和减小夹角均 可大大降低应力集中系数。
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最大焊脚尺寸：角焊缝的焊脚尺寸不能过大，否则易使母材 形成“过烧”现象，而且使构件产生较大的焊接残余变形和 残余应力。所以规定hf≤1.2tmin, tmin为较薄焊件的厚度（图3-47（a））。对板件厚度为t的边缘角焊缝（图3-4-7（b））， 若焊脚尺寸hf=t，在施焊时容易产生咬边现象，不易焊满全厚 度。因此规定，当t>6mm时，取hf≤t-(1～2)mm；当t≤6mm， 由于一般用小直径焊缝施焊，技术较易掌握，可采用与焊件 等厚的角焊缝，即hf ≤t。如果另一焊件厚度t’<t时，还应满足 以hf≤1.2t’的要求。在十字形接头中（图3-4-7（c）），为避免 厚度为t2的板“过烧”，宜将焊脚尺寸控制在hf≤t2的范围。
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图3-4-7 最大焊脚尺寸
不等焊脚尺寸的应用。当两焊件厚度相 差悬殊时(图3-4-8)，用等焊脚尺寸往往无 法满足最大和最小焊脚尺寸的规定。为解 决这一矛盾，规范推荐采用不等焊脚尺寸。
图3-4-8 不等焊脚尺寸
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2
N cos h l e w
2
2

2
ff
w
cos
N he l w
1
sin
2
1 .5
3
ff
Biblioteka Baidu
w
令

f

1 1 sin / 3
2
则斜焊缝的计算式为：
N

f
he l w
ff
w
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侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大而中 间小，当两焊件的截面积不相等时，例如下图的板l的截面积 小于板2的截面积，则剪应力的分布不对称于焊缝中点，靠 近小截面一端的应力高于截面大一端的应力。虽侧面角焊缝 有良好的塑性，但如果焊缝长度超过某一限值时，有可能首 先在焊缝的两端破坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度 lf≤60hf，当实际长度大于上述限值时，其超过部分在计算中 不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布、以及粱的支承加 劲肋与腹板连接焊缝等，计算长度可不受上述限制。
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图3-4-6 角焊缝的应力 （a）侧面角焊缝；(b) 正面角焊缝
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3.角焊缝的尺寸限制 (1) 焊脚尺寸 最小焊脚尺寸：如果板件厚度较大而焊缝过小，则施焊时 焊缝冷却速度过快而产生淬硬组织，易使焊缝附近主体金属 产生裂纹。这种现象在低合金高强度钢中尤为严重。据此并 参考国内外资料，规定
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角焊缝的基本计算公式

f f

2
2 f
ff
w
式中，σf―按焊缝有效截面（helw）计算，垂直于焊缝长度方 向的应力； τf―按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力； lw―角焊缝的计算厚度，对每条焊缝取实际长度减去；当然应 满足构造要求； βf―正面角焊缝的强度增大系数：对承受静力荷载和间接承受 动力荷载的结构， βf ＝1.22，对直接承受动力荷载的结构， βf ＝1.0。
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(2) 承受轴心力的角钢角焊缝计算
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对直接承受动态荷载结构中的正面角焊缝，根据国内外的试验 资料，认为为了满足疲劳强度的要求，最好两焊脚尺寸比例为 1:3(=18.4)。但施工单位反映，焊缝表面坡度愈小施焊愈困 难，需要多次堆焊才能形成，这样反而影响焊缝质量。因此， 我国现规范根据实际情况规定两焊脚尺寸比例为1:1.5(长边顺 内力方向)。但有些国家的规定更为严格。 直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（图 (a)）。在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面常 采用图 (b)所示的坦式，侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图 (c)）。
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搭接连接的弯曲变形
侧面角焊缝的应力分布
搭接长度：采用正面角焊缝的搭接连接，受力时会产生附 加弯矩(图3.4.10)，搭接长度愈小．附加弯矩影响愈大；另外 焊缝距离愈近，收缩应力也愈大。因此规定搭接长度不得小 于5tmin(tmin为焊件的较小厚度)，并不得小于25mm。
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侧焊缝长度与距离要求 两侧面角焊缝的搭接连接，其连接强度与b/lw有关（b为两侧焊 缝之间的距离）。b/lw愈大，则连接强度愈低。为使连接强度不 致过分降低，故现规范规定应满足lw ≥b。另外，仅有两面侧焊 缝的搭接连接，两侧焊缝之间的距离b太大时，焊缝收缩容易使 板件向外拱曲太大，因此规定b≤16t(当t>12mm时)或b≤190mm (当t≤12mm时)。如果b不能满足此规定，应加正面角焊缝或者加 槽焊(下图 (c))或者圆孔焊(下图(d))。
h f 1 .5 t
式中，t为较厚板件的厚度，单位mm，计算时小数点以后均进 为1mm；考虑到低氢型焊条施焊的焊缝焊渣层厚，保温条件 较好，t可采用较薄焊件的厚度。埋弧焊的热量较集中，因而 熔深较大，故最小焊脚尺寸可较上式的规定减小1mm；而T形 连接的单面角焊缝可靠性较差，应增加1mm；当焊件厚度 ≤4mm时，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同，即hf≥4mm。
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3.4 角焊缝的构造和计算 一、角焊缝的构造
1.角焊缝的分类
焊缝长度方向垂直于力作用方向的焊缝称为正面角焊缝（亦称 端焊缝）、平行于力作用方向的焊缝称为侧面角焊缝（亦称侧 焊缝）、既不垂直也不平行的为斜焊缝，以及由它们组合而成 的围焊缝。

2 f
ff
w
3) 轴心力与焊缝成一夹角-斜角焊缝

f

N sin he l w

f

N cos he l w
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N sin h l e w f
N he l w sin
度与焊缝计算长度的乘积)作为有效截面或称计算截面。
图3-4-13 直角角焊缝截面
图3-4-14 角焊缝有效截面上的应力
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任何受力情况的角焊缝，均可求得作用于有效截面上的三种应 力（图3-4-14）：垂直于有效截面的正应力⊥、垂直于焊缝长 度方向的剪应力⊥、以及沿焊缝长度方向的剪应力∥。即使如 此，精确计算仍比较困难，一般是根据试验结果，找出比较合 理而又简单的设计方法和相应的公式供设计时应用：无论侧焊 缝还是端焊缝，都假定破坏发生在有效截面上，按应力均布并 认为都是剪坏，根据试验取最低平均破坏应力来确定其设计强 度，这基本上也是国际标准化组织推荐的方法。 应注意的是计算有效厚度he时，不考虑熔深和凸度。现行规 范未区分焊件方法的影响，对自动焊来说偏保守。对于凸度， 其尺寸大小无法保证，另外，还有凹形的，难于统一考虑， 因此均忽略不计。
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二、直角角焊缝强度计算的基本公式
如前所述，角焊缝的受力状态是很复杂的。图3-4-13所示为 直角角焊缝的截面， 0.7hf为直角角焊缝的有效厚度he（喉部 尺寸）。试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部及其附 近，通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面(即有效厚
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三、角焊缝连接的计算
1.轴心力作用下角焊缝的计算
(1) 钢板连接
1) 轴心力与焊缝相垂直-正面角焊缝

f

N he l w

f
ff
w
2
2) 轴心力与焊缝相平行-侧面角焊缝

f

N he l w
f
w f

f f
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角焊缝的围焊和绕角焊
（a）两边侧焊；(b) 三边围焊 ；(c) L形围焊；(d) 绕角焊
在非围焊的情况下，角焊缝的端部正好在构件连接的转角 处，如此处做长度为2hf的绕角焊（上图（d）），可以避免 起落弧缺陷引起转角处过大的应力集中。
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侧面角焊缝的最小长度 侧面角焊缝的焊脚尺寸大而长度过小时，焊件局部加热严重， 焊缝起落弧缺陷相距太近，加上可能有其他缺陷(气孔、夹 渣等)，对焊缝强度的影响必然较为敏感，使焊缝可靠性降 低；另外，焊缝集中在一很短距离，焊件的应力集中也较大。 此外，侧面角焊缝多用于搭接连接，作用力对焊缝有偏心、 产生偏心弯矩，如果焊缝长度过小，偏心弯矩影响就较大， 使焊缝承载力降低。所以规范规定侧面角焊缝的计算长度不 得小于8hf和40mm。
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2.角焊缝的截面形式及受力特点 当角焊缝两焊脚边的夹角为90时，称为直角角焊缝，即一 般所指的角焊缝，是建筑结构中最常用的角焊缝。
两焊脚边的夹角α不是90时的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角 焊缝主要应用于钢管结构中。
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正面角焊缝受力更复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力， 焊根处存在着很严重的应力集中。这一方面由于力线弯折，另 一方面由于在焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝 的尖端。正面角焊缝的静力破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性 变形要差些。而斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和 侧面角焊缝之间，即塑性比正面角焊缝好、强度比侧面角焊缝 高。 构件端部与节点板的连接焊缝可用两面侧焊和三面围焊，围焊 中有正面角焊缝和侧面角焊缝，正面角焊缝的静力强度较高、 刚度较大，而侧面角焊缝的静力强度较低但塑性较好。所以三 面围焊与两面侧焊相比，破坏时较为突然，且塑性变形较小。 但是对构件来说，三面围焊使构件截面中的应力较为均匀，与 两面侧焊相比，焊缝附近的构件主体金属疲劳强度较高。