第六章 焊接结构设计方法
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要的施焊操作空间
6.5.3 焊接应力和变形控制设计
通过合理布置焊缝来减小焊接应力和变形主要途径
如下：
一、尽量减少焊缝数量
二、选择合理的焊缝形状和尺寸
应采用尽量小的焊缝尺寸
采用开坡口的焊缝比不开坡口而用一般角焊缝可
减少焊缝金属，对减小角变形有利 选择合理的坡口形式
三、尽可能分散布置焊缝
结构构件设计时采用的可靠度指标，可根据对现
有结构构件的可靠度分析，并考虑使用经验和经
济因素等确定
我 国 《 建 筑 结 构 可 靠 度 设 计 统 一 标 准 》
（ GB50068—2001 ）规定，结构构件承载能力极
限状态的可靠指标，不应小于表6-2的规定。
6.4.3 分析设计
一、分析设计的基本思想
（3）寿命准则
（4）振动稳定性准则
振动稳定性准则是指设计时使结构中受激振作用
的各零件的固有频率f与激振源的频率fP错开
0.85 f f P
或
1.15 f f P
6.4.2 概率极限状态设计法
一、结构的可靠度
结构的可靠性：结构在规定的条件下和规定的时
间内，完成预定功能的能力。
结构的可靠度：对结构可靠性的定量描述，即结
（3）特殊载荷 指处于非工作状态下，焊接结构可能受到的最大 载荷，或者在工作状态下，结构偶然受到的不利 载荷
组合Ⅰ：基本载荷；
组合Ⅱ：基本载荷+附加载荷；
组合Ⅲ：基本载荷+特殊载荷或三类载荷都组合。
强度和稳定性的安全系数必须同时满足组合Ⅰ、
Ⅱ和Ⅲ三类情况下的规定值
疲劳强度只按载荷组合Ⅰ进行计算
载能力或出现不适用于继续承载的变形
（2）正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使
用或耐久能力的某项规定的限制值
三、概率极限状态设计原理
影响结构完成特定功能的两个基本因素：
（ 1）载荷效应 S：指载荷作用在结构上所引起的结
构及其构件的应力和变形
（ 2）结构抗力 Z：指结构及其构件承受载荷效应的
有限元法的基本思想：
将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中
的有限自由度问题 有限元法的一般步骤： 结构的离散化→选择位移模式 →建立平衡方程→求 解节点位移→计算单元中的应变和应力
6.5 焊接结构的构造设计
6.5.1 截面设计
截面设计是结构刚度计算的主要工作。
一、抗弯截面设计
材料确定后，构件的抗弯刚度主要由抗弯惯性矩
构在规定的条件下和规定的时间内，完成预定功 能的概率。 设计基准期长，可靠度要求就高
二、结构的极限状态
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不
能满足设计规定的某一功能要求，称此特定状态
为该功能的极限状态
我国《钢结构设计规范》（ GB50017-2003 规范） 规定承重结构应按下列二类极限状态进行设计： （1）承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承
分析设计是对结构进行详细的应力分析，然后进
行应力分类，且对不同类型应力按不同的设计准
则来限制，合理地区别对待。
设计步骤：结构分析 → 应力分析 → 应力分类 → 计 算应力强度→校核应力强度 分析设计采用最大剪应力理论（第三强度理论） 作为判据、采用较高的许用应力
二、应力分析的有限元法
焊缝集中分布容易使接头过热，是材料的力学性
能降低
焊缝过分集中使应力分布更不均匀，而且还会出 现双向或三向复杂的应力状态 两条焊缝的间距一般要求对于3倍或5倍的板厚
四、尽可能对称分布焊缝
焊缝对称分布可使各条焊缝的焊接变形相互抵消
箱型结构
（a）焊缝集中于中性轴一侧，弯曲变形大 （b）焊缝安排合理
表面损伤：构件由于应力或温度的作用造成的表
面材料损耗，或者是由于构件与介质产生不希望
有的化学或电化学反应而使金属表面损伤 主要形式 （1）磨损 可分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损等 （2）腐蚀损伤 包括均匀腐蚀、电化学腐蚀、摩擦腐蚀、
空蚀、应力腐蚀和高温腐蚀等
（3）接触疲劳 包括表面麻点、亚表面麻点和剥落等
而导致整个结构丧失抗震能力或对重力载荷的承
载能力
结构应具有良好的变形能力和消耗地震能量的能
力。
三、过量变形
过量变形：金属构件在使用过程中产生超过设计
配合引起的过量形变。
主要形式：（1）过量弹性变形 （2）过量塑性变形 四、材质变化失效 材质变化失效：由冶金因素、化学作用、辐射效 应和高温长时间作用等因素引起材质变化，使材 料性能降低而发生的失效现象。
6.4 焊接结构承载能力的设计计算方法
6.3 焊接结构的失效形式
失效：焊接结构中，由于焊接接头断裂、表面损伤、 过量变形和材质劣化，导致降低结构承受规定载荷 能力的现象。 一、断裂失效 断裂是构件在外力作用下，当其应力达到材料的 断裂强度时产生的破坏 主要形式：（1）脆性断裂
（2）塑性断裂
（3）疲劳断裂 （4）蠕变断裂
二、表面损伤
能力
结构的功能函数表示为
Z=R–S
R和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量
功能函数Z存在以下三种可能状态：
> 0 结构处于可靠状态
Z=R–S = 0 结构达到极限状态
< 0 结构处于失效状态
结构或构件的失效概率可表示为
Pf P Z 0
失效概率Pf与可靠度指标β的关系
的大小决定
二、抗扭截面设计
材料确定后，构件的抗扭刚度主要由抗扭惯性矩 的大小决定
6.5.2 可达性设计
焊接的可达性是使每条焊缝都能方便地施焊
检验的可达性应使需要质量检验的焊缝能顺利地
进行检验
焊缝位置应便于施焊，
有利于保证焊缝质量
尽量在水平位置焊接
除焊接空间位置外，还应考虑各种焊接方法所需
第6章 焊接结构设计方法
焊接结构的基本要求、载荷 焊接结构的失效形式
常规设计方法（许用应力设计法）
概率极限状态设计法
分析设计
焊接结构的构造设计
6.1 焊接结构的基本要求
一、结构效能 指结构系统分配给各个构件部分所应具有的能力 二、寿命周期费用 三、结构工艺性要求 四、结构的可靠性与维修性 五、焊接结构的风险与结构完整性
6.2 载荷
一、载荷分类 （1）静力载荷 包括重力载荷和不随时间变化的工作载荷 （2）动力载荷 包括惯性载荷和冲击载荷 （3）自然载荷 专指风、冰、雪、地震和温度变化等自然因素所造 成的载荷
二、载荷组合
（1）基本载荷
指始终或经常作用在焊接结构上的载荷
包括自重载荷和工作载荷
（2）附加载荷
指在正常工作状态下，焊接结构所受到的非经常 性作用的载荷 包括最大风载荷、温度载荷、冰雪载荷以及某些 工艺载荷等
6.4.1 常规设计方法（许用应力设计法）
（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）强度准则
lim
n
式中，lim—极限应力。 一次断裂 疲劳断裂 材料的强度极限 构件的疲劳极限
塑性变形
表面接触疲劳 n —安全系数
材料的屈服极限
零件的接触疲劳极限
（2）刚度准则
y y
式中，y —弹性变形量； [y]—许用变形量
6.5.4 抗震性设计
只有重要的结构要求地震 情况下不得损坏时，才考 虑地震载荷的校核 钢结构的震害主要形式 （1）节点连接的破坏 （2）构件的破坏 （3）结构的整体倒塌
提高结构抗地震破坏的能力的措施：
选用优质的钢材和焊材以保证焊接质量
在焊接结构设计中应避免因部分结构或构件破坏
6.5.3 焊接应力和变形控制设计
通过合理布置焊缝来减小焊接应力和变形主要途径
如下：
一、尽量减少焊缝数量
二、选择合理的焊缝形状和尺寸
应采用尽量小的焊缝尺寸
采用开坡口的焊缝比不开坡口而用一般角焊缝可
减少焊缝金属，对减小角变形有利 选择合理的坡口形式
三、尽可能分散布置焊缝
结构构件设计时采用的可靠度指标，可根据对现
有结构构件的可靠度分析，并考虑使用经验和经
济因素等确定
我 国 《 建 筑 结 构 可 靠 度 设 计 统 一 标 准 》
（ GB50068—2001 ）规定，结构构件承载能力极
限状态的可靠指标，不应小于表6-2的规定。
6.4.3 分析设计
一、分析设计的基本思想
（3）寿命准则
（4）振动稳定性准则
振动稳定性准则是指设计时使结构中受激振作用
的各零件的固有频率f与激振源的频率fP错开
0.85 f f P
或
1.15 f f P
6.4.2 概率极限状态设计法
一、结构的可靠度
结构的可靠性：结构在规定的条件下和规定的时
间内，完成预定功能的能力。
结构的可靠度：对结构可靠性的定量描述，即结
（3）特殊载荷 指处于非工作状态下，焊接结构可能受到的最大 载荷，或者在工作状态下，结构偶然受到的不利 载荷
组合Ⅰ：基本载荷；
组合Ⅱ：基本载荷+附加载荷；
组合Ⅲ：基本载荷+特殊载荷或三类载荷都组合。
强度和稳定性的安全系数必须同时满足组合Ⅰ、
Ⅱ和Ⅲ三类情况下的规定值
疲劳强度只按载荷组合Ⅰ进行计算
载能力或出现不适用于继续承载的变形
（2）正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使
用或耐久能力的某项规定的限制值
三、概率极限状态设计原理
影响结构完成特定功能的两个基本因素：
（ 1）载荷效应 S：指载荷作用在结构上所引起的结
构及其构件的应力和变形
（ 2）结构抗力 Z：指结构及其构件承受载荷效应的
有限元法的基本思想：
将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中
的有限自由度问题 有限元法的一般步骤： 结构的离散化→选择位移模式 →建立平衡方程→求 解节点位移→计算单元中的应变和应力
6.5 焊接结构的构造设计
6.5.1 截面设计
截面设计是结构刚度计算的主要工作。
一、抗弯截面设计
材料确定后，构件的抗弯刚度主要由抗弯惯性矩
构在规定的条件下和规定的时间内，完成预定功 能的概率。 设计基准期长，可靠度要求就高
二、结构的极限状态
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不
能满足设计规定的某一功能要求，称此特定状态
为该功能的极限状态
我国《钢结构设计规范》（ GB50017-2003 规范） 规定承重结构应按下列二类极限状态进行设计： （1）承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承
分析设计是对结构进行详细的应力分析，然后进
行应力分类，且对不同类型应力按不同的设计准
则来限制，合理地区别对待。
设计步骤：结构分析 → 应力分析 → 应力分类 → 计 算应力强度→校核应力强度 分析设计采用最大剪应力理论（第三强度理论） 作为判据、采用较高的许用应力
二、应力分析的有限元法
焊缝集中分布容易使接头过热，是材料的力学性
能降低
焊缝过分集中使应力分布更不均匀，而且还会出 现双向或三向复杂的应力状态 两条焊缝的间距一般要求对于3倍或5倍的板厚
四、尽可能对称分布焊缝
焊缝对称分布可使各条焊缝的焊接变形相互抵消
箱型结构
（a）焊缝集中于中性轴一侧，弯曲变形大 （b）焊缝安排合理
表面损伤：构件由于应力或温度的作用造成的表
面材料损耗，或者是由于构件与介质产生不希望
有的化学或电化学反应而使金属表面损伤 主要形式 （1）磨损 可分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损等 （2）腐蚀损伤 包括均匀腐蚀、电化学腐蚀、摩擦腐蚀、
空蚀、应力腐蚀和高温腐蚀等
（3）接触疲劳 包括表面麻点、亚表面麻点和剥落等
而导致整个结构丧失抗震能力或对重力载荷的承
载能力
结构应具有良好的变形能力和消耗地震能量的能
力。
三、过量变形
过量变形：金属构件在使用过程中产生超过设计
配合引起的过量形变。
主要形式：（1）过量弹性变形 （2）过量塑性变形 四、材质变化失效 材质变化失效：由冶金因素、化学作用、辐射效 应和高温长时间作用等因素引起材质变化，使材 料性能降低而发生的失效现象。
6.4 焊接结构承载能力的设计计算方法
6.3 焊接结构的失效形式
失效：焊接结构中，由于焊接接头断裂、表面损伤、 过量变形和材质劣化，导致降低结构承受规定载荷 能力的现象。 一、断裂失效 断裂是构件在外力作用下，当其应力达到材料的 断裂强度时产生的破坏 主要形式：（1）脆性断裂
（2）塑性断裂
（3）疲劳断裂 （4）蠕变断裂
二、表面损伤
能力
结构的功能函数表示为
Z=R–S
R和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量
功能函数Z存在以下三种可能状态：
> 0 结构处于可靠状态
Z=R–S = 0 结构达到极限状态
< 0 结构处于失效状态
结构或构件的失效概率可表示为
Pf P Z 0
失效概率Pf与可靠度指标β的关系
的大小决定
二、抗扭截面设计
材料确定后，构件的抗扭刚度主要由抗扭惯性矩 的大小决定
6.5.2 可达性设计
焊接的可达性是使每条焊缝都能方便地施焊
检验的可达性应使需要质量检验的焊缝能顺利地
进行检验
焊缝位置应便于施焊，
有利于保证焊缝质量
尽量在水平位置焊接
除焊接空间位置外，还应考虑各种焊接方法所需
第6章 焊接结构设计方法
焊接结构的基本要求、载荷 焊接结构的失效形式
常规设计方法（许用应力设计法）
概率极限状态设计法
分析设计
焊接结构的构造设计
6.1 焊接结构的基本要求
一、结构效能 指结构系统分配给各个构件部分所应具有的能力 二、寿命周期费用 三、结构工艺性要求 四、结构的可靠性与维修性 五、焊接结构的风险与结构完整性
6.2 载荷
一、载荷分类 （1）静力载荷 包括重力载荷和不随时间变化的工作载荷 （2）动力载荷 包括惯性载荷和冲击载荷 （3）自然载荷 专指风、冰、雪、地震和温度变化等自然因素所造 成的载荷
二、载荷组合
（1）基本载荷
指始终或经常作用在焊接结构上的载荷
包括自重载荷和工作载荷
（2）附加载荷
指在正常工作状态下，焊接结构所受到的非经常 性作用的载荷 包括最大风载荷、温度载荷、冰雪载荷以及某些 工艺载荷等
6.4.1 常规设计方法（许用应力设计法）
（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）强度准则
lim
n
式中，lim—极限应力。 一次断裂 疲劳断裂 材料的强度极限 构件的疲劳极限
塑性变形
表面接触疲劳 n —安全系数
材料的屈服极限
零件的接触疲劳极限
（2）刚度准则
y y
式中，y —弹性变形量； [y]—许用变形量
6.5.4 抗震性设计
只有重要的结构要求地震 情况下不得损坏时，才考 虑地震载荷的校核 钢结构的震害主要形式 （1）节点连接的破坏 （2）构件的破坏 （3）结构的整体倒塌
提高结构抗地震破坏的能力的措施：
选用优质的钢材和焊材以保证焊接质量
在焊接结构设计中应避免因部分结构或构件破坏