钢构焊缝计算(受力)要点

钢结构的焊接连接

钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。它的优点是：（1）焊件间可直接相连，构造简单，制作加工方便；（2）不削弱截面，用料经济；（3）连接的密闭性好，结构刚度大；（4）可实现自动化操作，提高焊接结构的质量。缺点是：（1）在焊缝附近的热影响区内，钢材的材质变脆；（2）焊接残余应力和变形使受压构件承载力降低；（3）焊接结构对裂纹很敏感，低温时冷脆的问题较为突出。

一、焊缝的形式

1．角焊缝

图 1 直角角焊缝截面

图 2 斜角角焊缝截面

角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。两焊脚边的夹角为90°的焊缝称为直角角焊缝，直角边边长h f 称为角焊缝的焊脚尺寸，h e ＝0.7h f 为直角角焊缝的计算厚度。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角大于135°或小于60°的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）。

2．对接焊缝

对接焊缝的焊件常需加工成坡口，故又叫坡口焊缝。焊缝金属填充在坡口内，所以对接焊缝是被连接件的组成部分。

坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊≤t 6mm ，埋弧焊≤t 10mm ）时，可用直边缝。对于一般厚度（t=10～20mm ）的焊件可采用具有斜坡口的单边V 形或V 形焊缝。斜坡口和离缝c 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。对于较厚的焊件（t＞20mm），则采用U形、K形和X形坡口。对于V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。对接焊缝坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准《建筑结构焊接规程》的要求进行。

凡T形，十字形或角接接头的对接焊缝称之为对接与角接组合焊缝。

图3 对接焊缝的坡口形式

3．焊缝质量检验

《钢结构工程施工质量验收规范》规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。焊缝质量的外观检验检查外观缺陷和几何尺寸，内部无损检验检查内部缺陷。

二、直角角焊缝的构造与计算

角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。正面角焊缝的焊缝长度方向与作用力垂直，侧面角焊缝的焊缝长度方向与作用力平行，斜焊缝的焊缝长度方向与作用力倾斜，由正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝组成的混合，通常称作围焊缝。

侧面角焊缝主要承受剪力，塑性较好，强度较低。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。

正面角焊缝受力复杂，其破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形能力差。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。

1．角焊缝的构造要求

（1）最小焊脚尺寸

t（1）

h f≥1.5

2

式中t2—较厚焊件厚度，单位为mm。

计算时，焊脚尺寸取整数。

自动焊熔深较大，可减小1mm ；T 形连接的单面角焊缝，应增加1mm ；当焊件厚度小于或等于4mm 时，则取与焊件厚度相同。

（2）最大焊脚尺寸

12.1t h f （2）

式中 t 1—较薄焊件的厚度，单位为mm 。

对板件边缘的角焊缝，当板件厚度t ＞6mm 时，取h f ≤t -（1～2）mm ；当t ≤6mm 时，取h f ≤t 。

图4 最大焊角尺寸

（3）角焊缝的最小计算长度

侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8h f 和40mm 。

（4） 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，可能首先在焊缝的两端破坏，故规定侧面角焊缝的计算长度l w ≤60h f 。若内力沿侧面角焊缝全长分布，可不受上述限制。

（5）搭接连接的构造要求

当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时，应使每条侧焊缝的长度不宜小于两侧焊缝之间的距离。两侧面角焊缝之间的距离也不宜大于16t （t ＞12mm ）或190mm （t ≤12mm ），t 为较薄焊件的厚度。

搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm 。

图5 焊缝长度及两侧焊缝间距 图6 搭接连接

（6） 间断角焊缝的构造要求

间断角焊缝只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝的间断距离l 不宜过长，以免连接不紧密。一般在受压构件中应满足l ≤15t ；在受拉构件中l ≤30t ，t 为较薄焊件的厚度。

图7 连续角焊缝和间断角焊缝 （7） 减小角焊缝应力集中的措施

杆件端部搭接采用三面围焊时，所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2h f 的绕角焊。

2. 直角角焊缝强度计算的基本公式

f w f f f f ≤+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛τβσ22

（3） 式中 σf —垂直于焊缝长度方向的应力；

τf —平行于焊缝长度方向的应力；

βf —正面角焊缝的强度增大系数，βf =1.22；直接承受动力荷载结构中的角焊缝，βf =1.0；

w f f —角焊缝的强度设计值。

式（3

）为角焊缝的基本计算公式。只要将焊缝应力分解为垂直于焊缝长度方向的应力

σf 和平行于焊缝长度方向的应力τf ，上述基本公式可适用于任何受力状态。

对正面角焊缝，τf =0，得

σf =l h N w

e f w

f f β≤ （4） 对侧面角焊缝，σf =0，得

τf =l h N w

e f w f ≤ （5） 式中 h e —直角角焊缝的有效厚度，h e = 0.7h f ；

l w —焊缝的计算长度，考虑起灭弧缺陷，按各条焊缝的实际长度每端减去h f 计算。

3．角焊缝连接的计算

（1）承受轴心力作用的角焊缝连接计算

1）采用盖板连接

当轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。

图8 承受轴心力的盖板连接

当只有侧面角焊缝时 τf =l h N w

e f w f ≤ 当只有正面角焊缝时 σf =

l h N w e f w

f f β≤ 当采用三面围焊时，先计算正面角焊缝所承担的内力 ∑=11w e w f f l h f N β 式中 ∑1w l —连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。

再计算侧面角焊缝的强度 w f w

e f f l h N N ≤∑-=1τ