钢结构基本原理及设计 焊接残余应力和焊接变形
《钢结构设计原理》课程教学大纲
《钢结构设计原理》课程教学大纲本科四年制《土木工程专业》适用（48学时）一、课程的目的和任务本课程是一门专业基础课，讲授钢结构的基本设计理论和方法。
课程的目的是培养学生掌握钢结构的特点、基本设计理论和方法，具有设计钢结构基本构件及其连接的能力。
二、课程的基本要求1．要求学生根据结构的具体设计条件、工作环境和不同种类钢材的性能，正确地选用钢材，并提出相应的性能指标要求。
2．要求学生掌握焊接和螺栓连接的特点，能正确地选用合理的连接方法，并准确地设计连接。
3．要求学生掌握钢结构基本受力构件（轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件）的计算理论、设计方法和构造要求。
三、课程的安排说明本课程讲授过程中要求条理清楚、重点突出；结合多媒体教学，讲授实际工程中基本构件的设计和构造措施，增加学生的感性认识。
四、课程内容第一章绪论1. 钢结构的特点和目前钢结构的应用领域。
2. 钢结构的设计方法。
3. 钢结构发展过程中存在的问题和最新发展动态。
第二章钢结构的材料1.钢结构所用钢材的要求。
2.钢材的塑性破坏和脆性破坏两种破坏形式。
3.钢材的主要性能、影响钢材性能的主要因素。
4.复杂应力状态下钢材的屈服条件。
5.钢材的种类和钢材的规格。
第三章钢结构的连接1. 钢结构的连接方法以及各种连接方法的特点。
2. 焊缝的形式以及不同形式焊缝连接的构造要求和计算方法。
3. 焊接残余应力和残余变形产生的原因以及减少焊接残余应力和残余变形的措施。
4. 螺栓连接的构造要求、工作性能和计算方法。
第四章轴心受力构件1. 轴心受力构件的强度计算。
2. 轴心受压构件的屈曲形式、整体稳定的概念以及整体稳定的计算。
3. 轴心受压构件的局部稳定的概念以及局部稳定的计算。
4. 实腹式和格构式轴心受力构件的截面设计。
5. 轴心受力构件典型柱头和柱脚的设计。
第五章 受弯构件1. 受弯构件强度和刚度的计算。
2. 梁的整体稳定的概念、影响梁的整体稳定的因素以及整体稳定的计算。
焊接应力及焊接变形预防措施
钢结构工程焊接应力与变形差生的危害及采取的措施随着“绿色建筑”理念的推广，以钢结构件为主体框架结构结合复合砌筑体结构已成为一种必然趋势，因为以钢结构为主的框架结构的回收利用性有效避免钢筋混凝土结构建筑垃圾的产生，具有可持续性。
由于钢结构工程的特有型，焊接作业时钢结构工程最重要的工序之一，而焊接应力及焊接变形产生是影响钢结构安全性及可靠性的重要因素。
本文着重对焊接应力及焊接变形的危害及所采取的对应措施进行分析。
一、焊接应力与变形产生机理焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化，而熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形。
在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的制约，不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载，与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生了相应的收缩拉应力和变形。
这种随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为瞬态应力与变形。
而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形称为焊接残余应力与焊接残余变形。
焊接残余应力和变形，严重影响焊接构件的承载力和构件的加工精度，应从设计、焊接工艺、焊接方法、装配工艺着手降低焊接残余应力和减小焊接残余变形。
二、焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施1．焊接残余应力的危害影响构件承受静载能力；影响结构脆性断裂；影响结构的疲劳强度；影响结构的刚度和稳定性；易产生应力腐蚀开裂；影响构件精度和尺寸的稳定性。
2．降低焊接应力的措施(1)设计措施尽量减少焊缝的数量和尺寸，在减小变形量的同时降低焊接应力；防止焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加；要求较高的容器接管口，宜将插入式改为翻边式。
(2)工艺措施采用较小的焊接线能量，减小焊缝热塑变的范围，从而降低焊接应力；合理安排装配焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力；层间进行锤击，使焊缝得到延展，从而降低焊接应力；焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条；预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）；采用整体预热；降低焊缝中的含氢量及焊后进行消氢处理，减小氢致集中应力。
试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用
试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用作者张红随着社会经济及科学技术的发展，钢结构以其材料强度高、自重轻、延性及抗震性好、工业化程度高、施工速度快等多个优点在现代化建设中得到了广泛的应用。
钢结构是利用钢材设计制作成构件后通过一定的连接方式将构件连接形成的，焊接是常用的钢构件连接方法，焊接过程中产生的焊接残余应力对钢结构有着较大的影响，是实际工程中需关注的主要问题之一。
1焊接残余应力的产生原因焊接残余应力产生的主要原因是焊接过程中的局部不均匀热输入。
按应力分布形式分以下三种：1.1纵向残余应力沿焊缝长度方向的残余应力称为纵向残余应力（如下图1）,钢材焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，在焊接时，温度很高的焊缝及其附近区域和温度较低的临近区域会产生不均匀的温度场，进而产生不均匀的膨胀，低温度区的钢材膨胀小，限制高温度区钢材膨胀，产生热塑性压缩，冷却时，焊缝两侧钢材又会限制塑性压缩引起的焊缝缩短，产生纵向拉应力，由于焊接残余应力是一种内应力，无荷载作用，需要在焊件内部自相平衡，从而导致焊件上距焊缝稍远产生压应力。
图1纵向残余应力分布图2横向残余应力分布1.2横向残余应力横向残余应力是指垂直于焊缝方向的残余应力（如上图2）,受到塑性压缩焊缝的纵向收缩可使焊缝两侧的钢板形成反向弯曲变形，在两块钢板间会产生横向的拉应力，同时钢板的两端形成压应力；焊接时，焊缝焊接的先后顺序不同，先焊接的焊缝先凝固，可限制后焊接焊缝的膨胀，引起横向塑性压缩变形，冷却时，先焊接已凝固的焊缝限制后焊接焊缝的收缩形成横向拉应力，同时最后焊接的焊缝末端产生拉应力，两块钢板间的横向拉应力及两端的压应力与先焊接焊缝的横向拉应力及焊缝末端的拉应力合成最终形成焊缝的横向应力。
1.3沿厚度方向的残余应力焊件采用厚钢板时，焊接时需要多层施焊，由于焊接时不同厚度方向的温度分布不均匀，冷却时表面冷却较中间快，可在焊缝中间层形成拉应力，在外层形成压应力，从而形成除纵向和横向残余应力外的沿厚度方向的残余应力。
钢桥焊缝残余应力与变形分析
钢桥焊缝残余应力与变形分析一、概述钢桥是指上部结构主要承重部分是用钢材制成的桥梁，它自重较轻，跨越能力大，抗拉、抗压、抗剪强度高，可用于复杂桥型和景观桥。
在工程中，经常能见到的钢桥类型有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱，箱形拱、桁架拱），索桥（悬索桥和斜拉桥）。
我国迄今已建造了3600余座各式钢桥。
仅在长江上已有各种型式的桥梁30余座，其中接近半数为钢桥。
关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计。
90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。
按跨径大小排序，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，香港青马大桥（L=1377m）排名第五；斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m，排第四位）。
钢桥是由钢板、型钢等组合连接制成基本构件，如梁、柱、桁架杆件等，运到工地后再通过安装连接组成整体结构。
连接在钢桥中占有很重要的地位。
钢桥中部件的连接方法主要有铆钉连接、螺栓连接和焊接三类。
焊接是现代钢桥最主要的连接方法，它是对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便使用，一般不需要附加连接板、连接角钢等零件，也不需要在钢材上开孔，不使截面受到削弱。
因此，它的构造简单，节省钢材，制作方便，并易于采用自动化操作，生产效率高。
此外，焊接的刚度较大，密封性较好。
常见的焊接方法有电弧焊、栓钉焊，电弧焊又常分为手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。
焊缝连接中按焊体钢材的连接方式可分为对接接头、搭接接头、T型接头、角接接头等形式。
但焊接也存在着它不足的一面，焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能；焊缝可能出现气孔、夹渣、咬边、弧坑裂纹、根部收缩、接头不良等影响结构疲劳强度的缺陷。
焊接应力、焊接变形的产生和控制
力。 焊接变形 ， 即由于 焊接而引起 的焊件变形 。 焊 接变形 包括 焊接过 程 中的变 形 和焊接 残余 变形 。焊后焊件不 能消失 的变 形 ， 为焊接残 称 余 变形。我们将 主要讨 论焊接 残余应 力 、 接 焊 残余 变形 的产 生和控制 。 １焊 接残余 应力 与焊 接残余 变 形产 生 的
原 因
影响 焊接 应力与变形 的因素很多 ， 最根本 的原因是焊件受热不均匀， 其次是由于焊缝金 属 的收缩 、 金相组织 的变 化及焊件 刚性 的不 同 所致。 另外。 焊缝在焊接结构中的位置、 装配焊 接顺序、 焊接方法、 焊接电流及焊接方向等对 焊接应力与焊接变形的大小、 向、 方 分布等也 都有 一定影响 。 ２焊接残余应力和焊接残余变形的分类 ２ ． １焊接残余应力
瞄囵团困口囫嗣口丽ＵＮ Ｌ Ｕ Ｉ￣ Ｉ Ｕ ｏ
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工 业 技 术
焊接应 力 、 接变形 的产 生和控制 焊
李 季
（ 齐齐哈 尔市 自来水集 团广源给水 工程有限公 司， 黑龙江 齐齐哈 尔 １ １０ ） ６ ０ ５
摘 要： 影响焊接 应 力与 变形 的 因素很 多 ， 最根本 的原 因是 焊件 受热 不均 匀， 其次 是 由于 焊缝金 属 的 收缩 、 相组 织 的 变化 及 焊件 刚 金 性 的 不 同所致 。本文 将主要 讨论 焊接 残余 应 力、 焊接 残余 变形 的产生 和控制 。
２ ． ４按焊接应力在焊接结构 中存在的情 况划 分 单向应力 （ 线应力） ；两向应力 （ 平面应 力 ） 向应力 （ ；三 体积应力 ） 。 ２ ． 内应力 的发生 和分 布范围划 分 ５按 第一类应力 ， 又称宏观应力 ； 第二类应力， 又称微观应力； 第三类应力 ， 它的平衡范围更 小， 其平衡范围只可用品格尺寸来比量。 焊接残余变形 ， 焊接变形分为六种基本变 形形式 ： 变形 ： 向收缩变 形 ； 向收缩变 收缩 纵 横 形； 弯曲变形 ； 角变形 ； 波浪变形 ； 曲变形； 扭 错 边变形 。 ３焊接残余应力、焊接残余变形的控制 措施 针对这些不同种类的焊接残余应力和焊
浅谈钢结构工程焊接的缺陷及补救方法
浅谈钢结构工程焊接的缺陷及补救方法钢结构工程作为现代建筑施工中的重要组成部分，对建筑工程施工质量起着至关重要的作用，因此做好钢结构工程焊接工作很重要。
钢结构焊接是一项较为复杂的技术，且钢结构强度与一般地质材料相比要高。
若施工人员在焊接过程中，未能对每个焊接工序进行严密控制，将导致各种焊接缺陷的产生，不仅对后期焊接工作造成阻碍，同时对钢结构工程质量造成严重影响。
本文就钢结构焊接缺陷进行研究，并提出可行性的补救方法。
1 钢结构焊接常见缺陷及补救方法1.1 侧弯与扭曲1.1.1 产生原因：钢结构工件组装时，未设置相应平台；工件组装间隙设置不均匀；在运输时由于起吊位置错误而形成侧向弯曲缺陷。
扭曲也是导致钢结构焊接变形的重要因素之一，其产生原因：节点角钢的拼接间隙设置不均匀，严密度不足；构件刚度较差，在翻身加工时，未对其进行加固；虽然在构件翻身加工时进行了加固，但是平整度较差，导致焊接初期就出现扭曲现象。
1.1.2 补救方法：在钢结构焊接前，设置挂线监察平台，严密检查钢结构焊接的水平性，并保证构件运输和退房受力一致性，防止侧向应力的产生。
为了防止钢结构焊接扭曲问题的产生，在构件下料前，必须对每个节点进行放样，并根据节点放样尺寸进行下料作业。
再者，在构件拼接中，要使基准面维持水平。
若钢结构焊接出现侧弯现象，可通过三角加热方式对侧弯部位进行矫正或者在千斤顶辅助下进行矫正。
若钢结构焊接发生扭曲时，可在千斤顶辅助下，通过火焰加热方式进行矫正，若扭曲严重程度极大，则可通过火焰加热法将焊缝分开，然后利用翼板对其矫正，再重新焊接。
1.2 局部变形1.2.1 产生原因：钢结构构件质量问题。
例如，钢结构构件刚度较低，则容易出现收缩变形问题；在构件加工过程中，由于操作人员失误而导致的变形问题；在钢结构焊接应力释放较为集中的情况下，若构件布置不均匀或者焊接位置水平性不足，则会导致局部变形问题的产生。
1.2.2 补救方法：在钢结构焊接设计时，要尽可能确保加工构件每个部分刚度及焊缝分布均匀性。
焊接残余应力与变形
焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力（welding residual stresses）简称焊接应力，有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
1、纵向焊接应力焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。
在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。
温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。
焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。
在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。
焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力2、横向焊接应力横向焊接应力产生的原因有二：一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。
二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。
当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。
焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。
3、厚度方向的焊接应力在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。
因此，除有纵向和横向焊接应力σx、σy外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。
在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。
3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响一、焊接应力的影响1、对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。
设轴心受拉构件在受荷前（N=0）截面上就存在纵向焊接应力。
在轴心力N作用下，截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy，应力不再增加，如果钢材具有一定的塑性，拉力N就仅由受压的弹性区承担。
钢结构设计基本原理
二 极限状态设计法(limit-state design method)
极限状态设计法问世于20世纪50年代。它将变异性的设计 参数采用概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度 分为三种水准。即半概率极限状态设计法、近似概率极限状态 设计法和全概率极限状态设计法。目前，钢结构设计方法采用 的是近似概率极限状态设计法，有时也称为概率极限状态设计 法。
1ห้องสมุดไป่ตู้2钢结构的应用范围
站在现代建筑结构技术的发展前沿，可以说世 界上没有不能实现的结构，只有不合理的结构。根 据钢结构本身的特点，结合我国国民经济的发展， 钢结构在土木工程领域合理的应用范围大致如下：
1.工业厂房(industrial factory building)
工业厂房可分为轻型、中型和重型工业厂房，主要根 据是否设臵吊车以及吊车吨位的大小和运行频繁程度而定 。例如，炼钢车间、锻压车间等。近年来，轻型门式刚架 结构在工业厂房中的应用十分普遍。
7.其他构筑物
如高炉、运输通廊、栈桥、管道支架等。
1.3钢结构的设计方法
钢结构设计应遵循的一般原则是‚技术先 进、经济合理、安全适用、确保质量‛。钢结 构的设计方法可分为容许应力法和极限状态设 计法两种。分述如下：
一 容许应力法(allowable stress method)
“容许应力法‛也称为‚安全系数法‛或‚定值法‛。 即将影响结构设计的诸因素取为定值，采用一个凭经验选 定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响，以衡量结构 的安全度。其表达式为： (1-1)
n 0 G SGk Q1 SQ1k Qi ci SQik i 2
n 0 G S Gk Qi ci S Qik i 1
第3讲焊接应力与变形
第 3 讲 焊接应力与变形金属结构在焊接过程产生各式各样的焊接变形和大小不同的焊接应力。
若焊件在焊接时 能自由收缩，则焊后焊件的变形较大，而应力较小，如果由于外力的限制或自身刚性较大， 焊件不能自由收缩， 则焊后焊件的变形较小而应力较大。
在实际生产中， 焊后总会产生一定 的变形，并存在一定的焊接残余应力，变形和应力两者在焊接时同时产生。
3.1 焊接应力及变形产生的原因和影响因素3.1.1 焊接应力与焊接变形的概念物体受到外力作用时， 在其单位截面积上所受的力称为应力。
当没有外力存在时， 物体 内部所出现的应力称为内应力。
内应力在物体内部是相互平衡的，如物体内有拉伸内应力， 就必然有压缩内应力，这是内应力的重要特征。
在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，使 焊件内部产生的应力， 称为焊接内应力， 又名焊接残余应力， 过大的焊接应力能引起焊件或 焊缝产生裂纹，降低结构承载能力，并使结构在腐蚀介质中产生应力腐蚀。
当物体受到外力作用时，它的形状发生变化，这种形状变化称为变形。
当外力消失后， 物体形状恢复原样， 这种变形称为弹性变形； 如果物体所产生变形在外力消失后不能恢复原 状，这种变形称为塑性变形。
在焊接应力的作用下， 结构所产生的形状和尺寸的变化称为焊 接变形， 它造成下一道工序施工困难， 为矫正焊接变形往往要消耗很多人力和物力， 严重的 焊接变形， 会影响结构承受外力的能力和使用性能， 甚至因变形严重无法矫正而报废。
因此 焊工必须了解焊接应力、 变形的规律， 掌握减少焊接应力和控制焊接变形的措施， 以保证结 构的焊接质量。
3.1.2 焊接应力与焊接变形的形成产生焊接应力和变形的原因很多，下面分析一下其中的主要原因。
1. 焊接时焊件不均匀加热由于焊接时局部加热到熔化状态， 形成焊件上温度不均匀分布。
下面来看看由手工电弧 焊温度不均匀分布而引起的焊接应力和变形的过程。
设有一块钢板，沿边缘进行堆焊，见图 3-1。
浅谈钢结构焊接变形与应力消除
浅谈钢结构焊接变形与应力消除摘要：钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。
本文主要分析钢结构焊接变形的类型及原因，以及应力消除。
关键词：钢结构；焊接变形；应力近年来，随着我国的工业发展，钢结构工程因其结构性能好、结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷载、施工速度快、便于机械化生产和工业化程度高等很多优越条件，因此钢结构工程在建筑领域被广泛应用。
但是，也不能否认，钢结构还存在着缺陷和隐患。
1、钢结构焊接变形与残余应力的产生原因金属构件焊接时，焊缝区域局部受热膨胀，而周围的母材还处于冷态式或加热温度不高，因而对受热区域母材的膨胀起约束作用，因而焊接区受压，而母材受拉；随着电弧前移，已完成焊接的热影响冷却收缩，而其周围的母材此时起到了约束其收缩的作用，因而焊缝区域受拉，而其周围的母材金属受压。
在焊接应力作用下，如果焊件的拘束度较小，则焊件会产生相应的变形，如缩短、弯曲、翘曲等；如果焊件的拘束度很大，此时焊件不能自由变形，但在应力作用下会产生局部的应变，同时产生较大的残余应力。
焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1800℃，局部高温使材料产生不均匀的膨胀。
处于高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀，于是焊件内出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性应变，在冷却过程中，经受压缩塑性应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。
另外，由于构件受到焊接热循环的作用，使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化，引起了因金属组织转变而造成体积上的变化。
产生相变应力。
除上述两种原因外，如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住，也会在焊接件中产生焊接应力，上述因素就是焊接残余应力的形成过程。
《钢结构设计原理》3-1 钢结构的连接-焊缝连接
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3.1.3 螺栓连接 普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。 1 普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。 A与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。 A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级。 C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。 小数点前面的数字表示螺栓成品的抗拉强度不 小于400N/mm2，小数点及小数点以后数字表示 其屈强比为0.6或0.8。
焊件常需做成坡口，焊缝金属填充在坡口内。
坡口形式与焊件厚度有关：
焊件厚度很小(小于等于10mm)：直边缝。
一般厚度(t=10~20mm) :具有斜坡口的单边V形或V形焊
缝。
斜坡口和离缝b共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，
使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用。
较厚的焊件(t＞20mm)，则采用U形、K形和X形坡口。 V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。
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3.2焊缝和焊接连接形式
3.2.2 焊接连接的形式
1.焊接连接形式
被连接板件的相互位置：对接、搭接、T形连接和角部
连接四种。
连接所采用的焊缝主要有坡口焊缝和角焊缝。
对接连接：主要用于厚度相同或接近相同的两构件的
相互连接。
采用对接焊缝，两构件在同一平面内，传力均匀平缓，
没有明显的应力集中，用料经济，但是焊件边缘需要
围焊缝 正面、侧面、斜焊缝组成的混合焊缝。
2021年8月30日
第六届全国混凝土结构基本理论及 工程应用学术会议
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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。
传力线通过时产生弯折， 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，但在届临塑 性工作阶段时，产生应力 重分布，可使应力分布的 不均匀现象渐趋缓和。
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析1.1 焊接变形与焊接应力焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。
在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。
残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。
对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。
焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件的应力，称为焊接残余应力。
并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的应力场。
1.2 Ansys有限元焊接分析为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。
ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。
间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。
即：(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。
(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施摘要：焊接残余应力和焊接变形是钢结构产生变形和开裂的主要原因。
本文以焊接残余应力和焊接变形为对象，分别讨论了残余应力对钢结构刚度、静力强度、疲劳强度、应力腐蚀等的影响，促使结构发生脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀开裂、低温变脆等以及造成的焊接变形的种类。
应采取措施对焊接残余应力和焊接变形加以消除和调整。
关键词：钢结构焊接残余应力焊接变形钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件，构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。
连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。
焊接连接是目前钢结构最主要的连接方式。
但在焊接过程中，在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部的裂缝一旦发生，就容易扩展到整体。
一、焊接残余应力钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。
在施焊时，焊缝及其附近区域的温度很高，而临近区域温度则急剧的下降，导致不均匀的温度场。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。
当焊接温度场消失后，构件内部产生应力，这种应力称为焊接残余应力。
（一）焊接残余应力对钢结构的影响1.对钢结构刚度的影响焊接残余应力使构件的有效截面减小，丧失进一步承受外载的能力。
焊接残余应力的存在还会增大结构的变形，降低结构的刚度。
2.对静力强度的影响由于焊接应力的自相平衡，使受压区和受拉区的面积相等。
构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等，因此不影响静力强度。
3.对疲劳强度的影响残余应力的存在使应力循环发生偏移。
这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。
当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。
4.对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。
焊接应力与焊接变形
焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形一、焊接应力与焊接变形的基本知识二、焊接残余应力与分布三、减少与消除残余应力和措施一、焊接应力与焊接变形的基本知识我们已经知道,焊缝由于有内部结构上的缺陷和内部应力的释放、焊件将产生焊缝裂缝。
同时,在焊接过程中,焊件受到不均匀的电弧加热,受热区域的金属膨胀程度也就不同,此时产生的内应力和变形是暂时的,但当焊接完毕待焊件完全冷却后,剩余的内应力和变形称为残余内应力和变形。
焊接内应力的种类焊接后产生的内应力简称焊接应力,根据其空间位置和相互关系可分以下几种:单向应力焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时,焊件存在的应力是单方向的。
双向应力在焊接较厚板的对接焊缝时,焊件存在的应力虽不同向,但均在一个平面内,即应力是双向的。
三向应力当焊接厚大焊件的对接焊缝时,焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。
当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。
根据焊接应力相对于焊缝的方向不同,可分为平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力。
单向应力对焊件的强度影响不大,有时不必采取特殊的方法消除它们。
但当焊缝中存在双向应力和三向应力时,焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降,容易产生裂缝。
因此,在焊接厚件≥25mm时,焊后一般应对焊件进行热处理,以消除三向应力。
三个方向焊缝的,焊缝不应焊到交角的顶点,以避免三向应力的产生。
焊接应力按其产生的原因,也可以分为焊接热应力和组织应力。
在船体焊接时,一般只考虑焊接热应力。
焊接变形的种类焊接变形的种类,按其对结构影响的大小可分为下面两种:整体变形整体变形是指整个结构的形状或尺寸发生变化。
整体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。
它包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等。
如图所示。
直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变,按其方向又可分为纵向变形和横向变形。
纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。
横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。
局部变形局部变形是指结构的某种部分发生变形。
3.4焊接残余应力和焊接变形
三、焊接变形 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、 角变形和扭曲变形等 通常是几种变形的组合。 角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。
自学） 四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施（自学）
1、设计上的措施； 设计上的措施； （1）焊接位置的合理安排 （2）焊缝尺寸要适当 焊缝数量要少， （3）焊缝数量要少，且不宜过分集中 （4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉 （5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力 2、加工工艺上的措施 （1）采用合理的施焊顺序 （2）采用反变形处理 小尺寸焊件， （3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理
当板件全截面达到f 当板件全截面达到 y，即N=Ny时：
N =N +(B b ⋅t⋅ fy =B t⋅ fy −) ⋅ y t
2、对结构刚度的影响
t fy B
N
f
f
N N
fy b
+
N
b
+
-
-
A、当焊接残余应力存在时，因截面的 部分拉应 、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应 故该部分刚度为零（屈服）， ），这时 力已经达到f 力已经达到 y ，故该部分刚度为零（屈服），这时 作用下应变增量为： 在N作用下应变增量为： 作用下应变增量为
6.为什么采用钢材的屈服点fy作为设计强度标 准值?无明显屈服点的钢材，其设计强度值 如何确定?
• 选择屈服点作为结构钢材设计强度标准值是因为：(1)它是 钢材开始塑性工作的特征点，钢材屈服后，塑性变形很大， 极易为人们察觉，可及时处理，避免发生破坏；(2)从屈服 到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域约大200 倍，且抗拉强度与屈服点之比(强屈比)较大，是钢结构的 极大后备强度，使钢材不会发生真正的塑性破坏，十分安 全可靠。对无明显屈服点的钢材，以卸载后试件的残余应 变为0.2%所对应的应力作为屈服点。
建筑钢结构工程技术 2.5 焊接残余应力和残余变形
焊接残余应力和残余变形一、焊接残余应力和残余变形的成因钢结构的焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。
在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度最高，达1600℃以上，其邻近区域则温度急剧下降。
不均匀的温度场要求产生不均匀的膨胀和收缩。
而高温处钢材的膨胀和收缩要受到两侧温度较低、胀缩较小的钢材的限制，从而使焊件内部产生残存应力并引起变形，此即通称的焊接残余应力和残余变形。
二、焊接残余应力和残余变形（一）焊接残余应力焊接残余应力按其方向可分为纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力。
1. 纵向残余应力。
图2-38是焊接残余应力的示例。
图2-38（a）是两块钢板平接连接，焊接时钢板焊缝一边受热，将沿焊缝方向纵向伸长。
但伸长量会因钢板的整体性，受到钢板两侧未加热区域的限制，由于这时焊缝金属是熔化塑性状态，伸长虽受限，却不产生应力（相当于塑性受压）。
随后焊缝金属冷却恢复弹性，收缩受限将导致焊缝金属纵向受拉，两侧钢板则因焊缝收缩倾向牵制而受压，形成图2-38（b）所示的纵向焊接残余应力分布。
它是一组在外荷载作用之前就已产生的自相平衡的内应力。
2. 横向残余应力。
图2-38所示两块钢板平接除产生上述纵向残余应力外，还可能产生垂直于长度方向的残余应力。
由图中可以看到，焊缝纵向收缩将使两块钢板有相向弯曲变形的趋势（如图2-38a中虚线所示）。
但钢板已焊成一体，弯曲变形将受到一定的约束，因此在焊缝中段将产生横向拉应力，在焊缝两侧将产生横向压应力，如图2-38（c）所示。
此外，焊缝冷却时除了纵向收缩外，焊缝横向也将产生收缩。
由于施焊是按一定顺序进行，先焊好的部分冷却凝固恢复弹性较早，将阻碍后焊部分自由收缩，因此，先焊部分就会横向受压，而后焊部分横向受拉，形成如图2-38（d）所示的应力分布。
图2-38（e）是上述两项横向残余应力的叠加，它也是一组自相平衡的内应力。
3. 厚度方向残余应力对于厚度较大的焊缝，外层焊缝因散热较快先冷却，故内层焊缝的收缩将受其限制，从而可能沿厚度方向也产生残余应力，形成三相应力场。
焊接钢结构变形和应力控制方法
第2讲 焊接钢结构应力和变形控 制方法
(4)爆炸法 概念:它是利用炸药爆炸时冲击波的能量使产生残余应力的相 关区产生塑性变形，从而达到消除残余应力的目的. 缺点:消耗金属材料部分塑性，对低温和动载结构要慎重选用. (5)碾压法(滚压法) 概念:用滚轮施加一定压力在焊缝表面进行滚压，使焊缝金属 产生局部塑性变形来减小残余应力或改善其分布的一种方法. 特点: a.适于处理规则焊缝; b.对焊缝组织/力学性能影响不大; c.可与矫形处理同时进行; d.适用于薄壁焊接结构.
——坡口角度(°). (3)角焊缝产生角变形 T形接头角变形包括两个方面: a.开坡口对接焊缝角变形; b.平板堆焊时引起角变形.
第2讲 焊接钢结构应力和变形控 制方法
三 预防和消除焊接残余变形的措施 解决焊接变形问题从三方面着手: 1)焊前设计; 2)焊接过程采用工艺措施; 3)焊后采用工艺焊后矫正焊接变形. 1.设计措施 a.尽量选用对称的构件截面/焊缝位置 . b.合理地选择焊缝长度/焊缝数量 . c.尽量减小焊缝截面尺寸 . d.选用轧制型材/锻件/铸件/钣金成形件构成焊接结构 .
第2讲 焊接钢结构应力和变形控 制方法
在单层焊时其纵向收缩可用下式估算：
x 0.86 10－6 qv L / A
式中
q v ——焊接热输入(J/cm)
焊接热输入用下式计算：
qv＝IU / v
式中:
U——电弧电压(V)； I——焊接电流(A) v——焊接速度(cm／s)
——电弧热效率.
第2讲 焊接钢结构应力和变形控 制方法
(2)局部热处理 作用: a.降低结构残余应力;b.改善焊接接头组织和 力学性能. 局部热处理规范: a.JB/T 6046规定-环缝每侧环形加热带宽度应大于容 器壁厚2-3倍; b.英国BS2633规定均温带宽度为1.5 (为管壁厚)，加 热宽度为2.5;
第3章焊接应力与变形
破 坏 性 测 量
（3）钻孔法 对板钻小通孔评价释放的径向应变。
A*和B*可以通过单轴拉伸试验
来标在定应。力场中取一直径为d的圆
环，钻并孔在的圆尺环寸上与粘贴测应量变元片件，的在尺
（5）杆件的长细比较大（大于150） 内应力对稳定性无影响
（6）杆件的长细比较小（小于30），相对偏心不大（小于0.1）内
应力对稳定性无影响
4、内应力对机械加工精度和尺寸稳定性的影响
原因：加工后应力重新分布 解决方式：
蠕变和应力松弛
消应力处理
不稳定组织的存在
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
分多次加工
位置。
对接焊
产生机理:
(2)不留间隙:
焊接时,随着焊接热源的移动,平板被逐步加热膨胀,引
起板边的挤压，使之向厚度方向变形，冷却后，产生横向 横 收缩变形。
向 收 缩 变 形
对接焊
影响因素：
（1）焊接线能量
横 向
（2）焊缝坡口形式
收
（3）焊缝截面积
缩
变
（4）焊接工艺
形
对接焊
最终变形取决于：
横
（1）板侧堆焊引起板
缩
变
形 引
e e工
起 的
I工》I
挠
曲
变
形
堆焊及角焊缝
产生机理: 沿焊缝长度各点的温
横 度不一致
向 收
缩 前后温度较低的金属
变
形 板厚深处的金属
宽度方向上产生压缩塑性变形 厚度方向上增厚
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
3.4.3 减少焊接应力和变形的措施
设计和焊接工艺
一. 合理的焊缝设计
（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式 满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的hf加大
焊缝长度。 不要因考虑“安全”而任意加大超过计算所需要的
焊缝尺寸。
（2）尽可能能减少不必要的焊缝 采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，不但增加了
3. 残余应力影响压杆稳定性
有效面积、有效惯性矩
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
4. 对低温冷脆的影响 焊接残余应力对低温冷脆影响 厚板和具有严重缺陷的焊缝中， 以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形
的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名 焊接残余应力。
Q235钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈 服点。
残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面 内的应力，因而截面上的残余应力自相平衡。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
3. 分类 纵向焊接应力 横向焊接应力 沿厚度方向的焊接应力
钢结构基本原理及设计
焊接残余应力和焊接变形
3.4.1 焊接残余应力和变形的成因
一. 焊接残余应力的成因
焊接残余应力简称焊接应力 1. 现象
2. 成因
1
§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
（1）焊缝出现不均匀温度场 焊缝附近温度最高，可高达1600度以上 在焊缝区以外，温度则急剧下降
（1）纵向焊接应力 （2）横向焊接应力Biblioteka 钢结构基本原理及设计5
§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
两部分组成： 其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊
缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图(a)中虚线 所示的弯曲变形。
6
§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
（6）肋板不宜带锐角 焊缝不宜过分集中 板宽不同 避免仰焊
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
二. 合理的工艺措施
（1）采用合理的焊接顺序和方向。
装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
（3）合理地安排焊缝的位置 安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，
（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。 焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残
余变形和尽量避免三向焊缝相交。 三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续
钢结构基本原理及设计
二. 焊接残余变形的成因
焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。 1. 焊接不均匀的加热
焊接区产生热塑性压缩变形 冷却时焊接区要在纵向和横向收缩 构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转 2. 焊接残余变形 纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
2
§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平 截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平面)而受到其相 邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。
热应力互相阻碍
3
§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
（3）由于钢材在600℃以上时呈塑性状态(热塑性状 态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生 塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失 时不能恢复
钢结构基本原理及设计
受拉区应力面积At 受压区应力面积Ac 即At=Ac=btfy。 截面达到屈服点fy时所承受的外力
N yA c(B b )tfyB tfy
焊接应力不影响结构的强度
2. 对结构刚度的影响
焊接应力降低结构的刚度。
残余应力的拉杆的抗拉刚度为 （B-b）tE，
而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为 BtE
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图(c)的叠加， 如图(d)所示。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
（3）厚度方向的焊接应力
钢结构基本原理及设计
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
5. 对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材
屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。 因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。
多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.
二. 焊接变形的影响
构件安装困难 矫正 影响尺寸和外形 初偏心 初弯曲 可能降低结构的承载能力 附加内力
钢结构基本原理及设计
纵向收缩变形和横向收缩变形
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形 焊缝横向收缩所引起的角变形
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
波浪式变形
扭曲变形
减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须 共同考虑的问题，必须从设计和工艺两方面来解决。
钢结构基本原理及设计
先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，先 焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝，使焊缝有较大的横 向收缩余地。
因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力， 而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图(b)所示。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有 先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却焊 缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
后冷处形成残余拉应力 后冷处形成收缩变形
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响
一. 焊接应力的影响
1. 对结构静力强度的影响
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
焊接应力自相平衡