钢构焊缝计算(受力)

钢构焊缝计算(受力)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 wf 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；wf 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 we f w ff β≤（4）对侧面角焊缝，σf=0，得τf=l h Nwe 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 Nwe f w f≤ 当只有正面角焊缝时 σf=l h Nwe f w ff 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wf we f f l h N N ≤∑-=1τ式中 ∑wl —连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。

2）承受斜向轴心力图9 承受斜向轴心力将N 力分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力θsin N Nx=;θcos N N y =⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫==∑∑w e f w e f l h N l h N θτθσcos sin代入式（3）验算角焊缝的强度f wf f ff≤+⎪⎪⎭⎫⎝⎛τβσ223）承受轴心力的角钢角焊缝计算 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或三面围焊，特殊情况也可采用L形围焊。

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。

图10 角钢与节点板的连接对于三面围焊，可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸3f h ，求出正面角焊缝所分担的轴心力3N 。

当腹杆为双角钢组成的T 形截面，且肢宽为b 时，3N =2×0.73f h bf βwf f（6）由平衡条件（∑M ＝0）可得：1N =b e b N )(--23N =1k N-23N （7）2N =b Ne -23N =2k N-23N（8）式中1N 、2N ——角钢肢背和肢尖的侧面角焊缝所承受的轴力；e ——角钢的形心距；1k 、2k ——角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，可查表得到。

对于两面侧焊，因3N ＝0，则：1N =1k N（9）2N =2k N（10）求得各条焊缝所受的内力后，按构造要求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。

对双角钢截面1w l =wf f f h N 117.02⨯（11）2w l =wf f f h N 227.02⨯（12） 式中1f h 、1w l ——一个角钢肢背上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度；2f h 、2w l ——一个角钢肢尖上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度。

实际焊缝长度为计算长度加2fh 。

对于三面围焊，焊缝实际长度为计算长度加fh ；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2fh 不进入计算）。

当杆件受力很小时，可采用L 形围焊。

由于只有正面角焊缝和角钢肢背上的侧面角焊缝，令2N ＝0，得：3N =22k N（13）1N =N-3N（14）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：3f h =wf f w f l N β337.02⨯（15） 式中，3w l =b -fh 。

（2）承受弯矩、轴心力或剪力共同作用的角焊连连接计算图11 承受偏心斜拉力的角焊缝图11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N x 和N y 两个分力。

角焊缝同时承受轴心力N x 和剪力N y 和弯矩M=N x ·e 的共同作用。

焊缝计算截面上的应力分布如图所示，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N x 产生的应力：Nσ=exAN =we xl h N由弯矩M 产生的应力：M σ=e W M =26we l h M这两部分应力由于在A 点处的方向相同，可直接叠加，故A 点垂直于焊缝方向的应力为fσ=we x l h N 2+226we lh M剪力N y 在A 点处产生平行于焊缝长度方向的应力fτ=eyA N =we ylh N2 则焊缝的强度计算式为：f wf f ff ≤+⎪⎪⎭⎫⎝⎛τβσ22当连接直接承受动力荷载作用时，取fβ＝1.0。

工字形和H 形截面梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常承受弯矩M 和剪力V 的共同作用。

计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受。

图12 工字形梁（或牛腿）的脚焊缝连接翼缘焊缝的最大弯曲应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处，此应力满足角焊缝的强度条件1f σ=wI M ·2h≤fβwf f式中 M ——全部焊缝所承受的弯矩；I w ——全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩。

腹板焊缝承受两种应力的共同作用，即弯曲应力和剪应力，设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处A ，此处的弯曲应力和剪应力分别按下式计算：2f σ=wI M·22hfτ=()∑22w e l h V式中 ()∑22w e l h ——腹板焊缝有效截面之和。

则腹板焊缝在A 点的强度验算式为：f wf f f f ≤+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛τβσ222（3）承受扭矩或扭矩与剪力共同作用的角焊缝连接计算1）环形角焊缝承受扭矩T在有效截面的任一点上所受切线方向的剪应力fτ，应按下式计算：fτ=pI r T ⨯﹤wf f（16）式中 r ——圆心至焊缝有效截面中线的距离；pI ——焊缝有效截面的惯性矩，pI =32r h eπ。

2）围焊承受剪力和扭矩作用时的计算图13 受剪力和扭矩作用的脚焊缝图13所示为采用三面围焊搭接连接。

该连接角焊缝承受竖向剪力V ＝F 和扭矩T ＝F（e 1+e 2）作用。

计算角焊缝在扭矩T 作用下产生的应力时，是基于下列假定：① 被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O 旋转的趋势，而角焊缝是弹性的； ② 角焊缝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Tτ最大，焊缝群其他各处由扭矩T 引起的剪应力Tτ均小于A 点和A '点的剪应力，故A 点和A '点为设计控制点。

在扭矩T 作用下，A 点（或A '点）的应力为Tτ=pI rT ⨯=yx I I r T +⨯（17）将Tτ沿x 轴和y 轴分解为：Txτ=Tτ·sin θ=pI r T ⨯·r r y（18）Tyτ=Tτ·cos θ=pI r T ⨯·r r x（19）由剪力V 在焊缝群引起的剪应力Vτ按均匀分布，则在A 点（或A '点）引起的应力Vyτ为Vyτ=∑we l h V则A 点受到垂直于焊缝长度方向的应力为：fσ=Tyτ+Vyτ沿焊缝长度方向的应力为Txτ，则A 点的应力满足的强度条件为f w f Tx f VyTy ≤+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+τβττ22当连接直接承受动态荷载时，取βf=1.0。

三、斜角角焊缝的计算两焊脚边夹角α为oo13560≤≤α的T 形接头的斜角角焊缝采用与直角角焊缝相同的计算公式进行计算。

但不考虑焊缝的方向，一律取fβ （或θβf ）＝1.0。

四、对接焊缝的构造和计算1．对接焊缝的强度焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感，由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85％，而—、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。

2．对接焊缝的构造和计算（1）对接焊缝的构造对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5（直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算时不大于1:4）的斜角，以减小应力集中。

焊接时一般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。

对受静力荷载的结构设置引弧（出）板有困难时，允许不设置引弧（出）板，此时可令焊缝计算长度等于实际长度减2t。