角焊缝的构造和计算

传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，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，应力分布越不均匀，但在进入塑性工作阶段 时产生应力重分布，可使应力分布的不均匀现象渐趋缓和。
正面角焊缝（图 3.3.3b）受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力， 焊根处有很大的应力集中。这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是 两焊件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面角焊缝的静力强度 高于侧面角焊缝。国内外试验结果表明，相当于 Q235 钢和 E43 型焊条焊成 的正面角焊缝的平均破坏强度比侧面角焊缝要高出 35%以上（图 3.3.4）。低 合金钢的试验结果也有类似情况。由图 3.3.4 看出，斜焊缝的受力性能和强度 介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。
试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故长期以来对角焊缝的研究 均着重于这一部位。通常认为直角角焊缝是以 45°方向的最小截面（即有效厚 度也称计算厚度与焊缝计算长度的乘积）作为有效计算截面。作用于焊缝有效 截面上的应力
国家标准化组织（ISO）推荐用式（3.3.1）来确定角焊缝的极限强度：
我国规范采用了折算应力公式（3.3.2）。引入抗力分项系数后，得角焊 缝的计算式：
在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时（图 3.3.6），其搭接长度不得小 于焊件较小厚度的 5 倍，也不得小于 25mm，以免焊缝受偏心弯矩影响太大 而破坏。
杆件端部搭接采用三面围焊时，在转角处截面突变，会产生应力集中，如 在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所 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 2hf 的绕角焊（图 3.3.5）。
则腹板焊缝 2 的端点应按下式验算强度
工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接的另一种计算方法是使焊缝传 递应力与母材所承受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担 全部弯矩，并将弯矩 M 化为一对水平力 H=M/h1。则
翼缘焊缝的强度计算式为：
腹板焊缝的强度计算式为：
2、三面围焊承受扭矩剪力联合作用时角焊缝的计算 图 3.3.19 为三面围焊承受偏心力 F。此偏心力产生轴心力 F 和扭矩 T=F•e。最危险点为 A 或 A’点。
角钢肢背上的角焊缝计算长度可按式（3.3.17）计算，角钢端部的正面角 焊缝的长度已知，可按下式计算其焊脚尺寸：
[例题 3-2]试设计用拼接盖板的对接连接（图 3.3.14）。已知钢板宽 B=270mm，厚度 t1=28mm，拼接盖板厚度 t2=16mm。该连接承受的静 态轴心力 N=1400kN（设计值），钢材为 Q235-B，手工焊，焊条为 E43 型。
对于三面围焊（图 3.3.13b）可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸 hf3，求出 正面角焊缝所分担的轴心力 N3。当腹杆为双角钢组成的 T 形截面，且肢宽为 b 时，
对于两面侧焊（图 3.3.13a），因 N3=0，得： 求得各条焊缝所受的内力后，按构造要求（角焊缝的尺寸限制）假定肢背
和肢尖焊缝的焊脚尺寸，即可求出焊缝的计算长度。例如对双角钢截面：
承载力与 b/lw 有关。b 为两侧焊缝的距离，lw 为侧焊缝长度。当 b/lw＞1 时， 连接的承载力随着 b/lw 比值的增大而明显下降。这主要是因应力传递的过分 弯折使构件中应力分布不均匀造成的。为使连接强度不致过分降低，应使每条 侧焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离，即 b/lw≤1。两侧面角焊缝 之间的距离 b 也不宜大于 16t(t＞12mm)或 200mm（t≤12mm）,t 为较薄 焊件的厚度，以免因焊缝横向收缩，引起板件发生较大拱曲。
2、最小焊脚尺寸
3、侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝的计算长度不宜大于 60hf，当大于上述数值时，其超过部分在 计算中不予考虑。这是因为侧焊缝应力沿长度分布不均匀，两端较中间大，且 焊缝越长差别越大。当焊缝太长时，虽然仍有因塑性变形产生的内力重分布， 但两端应力可首先达到强度极限而破坏。若内力沿测面角焊缝全长分布时，比 如焊接梁翼缘板与腹板的连接焊缝，计算长度可不受上述限制。 4、角焊缝的最小计算长度 角焊缝的焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝起灭弧所 引起的缺陷相距太近，以及焊缝中可能产生的其他缺陷，使焊缝不够可靠。对 搭接连接的侧面角焊缝而言，如果焊缝长度过小，由于力线弯折大，也会造成 严重应力集中。因此，为了使焊缝能够有一定的承载能力，根据使用经验，侧 面角焊缝或正面角焊缝的计算长度均不得小于 8hf 和 40mm，也就是说，其 实际焊接长度应较前述数值还要大 2hf（单位：mm）。 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（图 3.3.5），试验结果表明，连接的
杆件与节点板的连接焊缝宜采用两面侧焊，也可用三面围焊，对角钢杆件
可采用 L 形围焊（图 3.3.7），所有围焊的转角处也必须连续施焊。
3.3.2 直角角焊缝的基本 计算公式
当角焊缝的两焊脚边夹角为 90°时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊 缝。
角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度（喉部尺寸）与计算长度的乘积，而有 效厚度 he=0.7hf 为焊缝横截面的内接等腰三角形的最短距离，即不考虑熔深 和凸度（图 3.3.8）。
直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（图 3.3.1a）。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 3.3.1（b）所示的坦式， 侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图 3.3.1c）。图中的 hf 为焊角尺寸。 两焊脚边的夹角α＞90°或α＜90°的焊缝称为斜角角焊缝（图 3.3.2）。斜角 角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角α＞135°或α＜60°的斜角角焊 缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。
[解] 设计拼接盖板的对接连接有两种方法。一种方法是假定焊脚尺寸求得焊缝长度， 再由焊缝长度确定拼接盖板的尺寸；另一方法是先假定焊脚尺寸和拼接盖板的 尺寸，然后验算焊缝的承载力。如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时， 则应调整焊脚尺寸，再行验算，直到满足承载力要求为止。 角焊缝的焊脚尺寸 hf 应根据板件厚度确定： 由于此处的焊缝在板件边缘施焊，且拼接盖板厚度 t2=16mm＞6mm，t2＜ t1，则：
3.3.3 角焊缝的计算 一、承受轴心力作用时角焊缝连接的计算
1、用盖板的对接连接 当焊件受轴心力，且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 3.3.11 用盖板的对接连接中，当只有侧面角焊缝时，按式（3.3.8） 计算；当只有正面角焊缝时，按式（3.3.7）计算正面角焊缝承担的内力：
这两部分应力由于在 A 点处的方向相同，可直接叠加，故 A 点垂直于焊缝
长度方向的应力为： 对于工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接（图 3.3.17），通常只
承受弯矩 M 和剪力 V 的联合作用。由于翼缘的竖向刚度较差，在剪力作用下，
如果没有腹板焊缝存在，翼缘将发生明显挠曲。这就说明，翼缘板的抗剪能力 极差。因此，计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩则由全部焊缝承 受。
为了焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊缝，弯曲应力 沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维 1 处，由于翼缘 焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，为了保证此焊缝的正常工作，应 使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件，即：
腹板焊缝承受两种应力的联合作用，即垂直于焊缝长度方向、且沿梁高度 呈三角形分布的弯曲应力和平行于焊缝长度方向、且沿焊缝截面均匀分布的剪 应力的作用，设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝 2 的交点处，此处的弯曲应力 和剪应力分别按下式计算：
（1）不考虑应力方向，任何情况都取βf（或βfθ）=1.0。 这是因为以前对角焊缝的试验研究一般都是针对直角角焊缝进行的，对斜角角 焊缝研究很少。而且，我国采用的计算公式也是根据直角角焊缝简化而成，不
能用于斜角角焊缝。
二、部分焊透的对接焊缝的计算[/B] 部分焊透的对接焊缝（partial penetration butt welds）常用于外
第三章 连接
§3-3 角焊缝的构造和计算
3.3.1 角焊缝的构造 一、角焊缝的形式和强度
角焊缝（fillet welds）是最常用的焊缝。角焊缝按其与作用力的关系可分 为：焊缝长度方向与作用力垂直的正面角焊缝；焊缝长度方向与作用力平行的 侧面角焊缝以及斜焊缝。按其截面形式可分为直角角焊缝（图 3.3.1）和斜角 角焊缝（图 3.3.2）。
二、角焊缝的构造要求 1、最大焊脚尺寸 为了避免烧穿较薄的焊件，减少焊接应力和焊接变形，角焊缝的焊脚尺寸
不宜太大。规范规定：除了直接焊接钢管结构的焊脚尺寸 hf 不宜大于支管壁厚 的 2 倍之外，hf 不宜大于较薄焊件厚度的 1.2 倍。
在板件边缘的角焊缝，当板件厚度 t＞6mm 时，hf≤t；当 t＞6mm 时， hf≤t-（1-2）mm；。圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔 短径的 1/3。
2、承受斜向轴心力的角焊缝 图 3.3.12 所示受斜向轴心力的角焊缝连接，有两种计算方法。
3、承受轴力的角钢端部连接 在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用 三面围焊，特殊情况也允许采用 L 形围焊（图 3.3.13）。腹杆受轴心力作用， 为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。
简单受力情况，分别求出具各自的焊缝应力，然后利用叠加原理，找出焊缝中 受力最大的几个点，利用公式（3.3.6）进行验算。
1、承受轴力、弯矩、剪力的联合作用时角焊缝的计算
图 3.3.16 所示的双面角焊缝连接承受偏心斜拉力 N 作用，计算时，可将 作用力 N 分解为 NX 和 Ny 两个分力。角焊缝同时承受轴心力 NX、剪力 Ny 和弯矩 M=NX•e 的共同作用。焊缝计算截面上的应力分布如图 3.3.16（b） 所示，图中 A 点应力最大为控制设计点。此处垂直于焊缝长度方向的应力由两 部分组成，即由轴心拉力 NX 产生的应力：
考虑到每条焊缝两端的起灭弧缺陷，实际焊缝长度应为计算长度加 2hf； 对于采用绕角焊的侧面角焊缝实际长度等于计算长度（绕角焊缝长度 2hf 不进 入计算）。
当杆件受力很小时，可采用 L 形围焊（图 3.3.13c）。由于只有正面角焊
缝和角钢肢背上的侧面角焊缝，令式（3.3.14）中的 N2=0，得：
[例题 3-3] 试确定图 3.3.15 所示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力 及肢尖焊缝的长度。已知角钢 2∟125×10，与厚度为 8mm 的节点板连接， 其搭接长度为 300mm，焊脚尺寸 hf=8mm，钢材为 Q235-B，手工焊，焊 条为 E43 型。
二、复杂受力时角焊缝连接计算 当焊缝非轴心受力时，可以将外力的作用分解为轴力、弯矩、扭矩、剪力等
部需要平整的箱形柱和 T 形连接，以及其他不需要焊透之处（图 3.3.22）。
箱形柱的纵向焊缝通常只承受剪力，采用对接焊缝时往往不需要焊透全厚 度。但在与横梁刚性连接处有可能要求焊透。
点为设计控制点。
3.3.4 斜角角焊缝的部分焊透的对接焊缝的计算 一、斜角角焊缝的计算
两焊脚边的夹角不是 90°的角焊缝为斜角角焊缝（obligue fillet welds）， 如图 3.3.20 所示。这种焊缝往往用于料仓壁板、管形构件等的端部 T 形接头
连Байду номын сангаас中。
斜角角焊缝的计算方法与直角焊缝相同，应按公式（3.3.6）至公式（3.3.8） 计算，只是应注意以下两点：
计算时按弹性理论假定：①被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心 O 旋 转的趋势，而角焊缝本身是弹性的；②角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该 点与形心的连线，且应力大小与连线长度 r 成正比。图 3.3.19 中，A 点与 A’ 点距形心 O 点最远，故 A 点和 A’点由扭矩 T 引起的剪应力τT 最大，焊缝群其 他各处由扭矩 T 引起的剪应力τT 均小于 A 点和 A’点的剪应力，故 A 点和 A’