第3章 钢结构的连接-焊接连接

h1—两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离
2点处：
f2
M Iw
h2 2
f
V S(he2lw2 )
2
f2 f
2 f
ff w
第3章 钢结构的连接
角焊缝:计算过程与要点
焊缝（焊缝群） 形心与构件受力形心一致
焊缝（焊缝群）内力分析
轴力、剪力及联合作用 弯矩及与轴力、剪力的共同作用 扭矩及与轴力、剪力的共同作用
lw
N
f
f
w f
lw he
N
lw’
N
Slw′－连接一侧的正面角焊缝 计算长度的总和
再计算侧面角焊缝的强度
f
N N lwhe
f
w f
Slw－连接一侧的侧面角焊缝 计算长度的总和
第3章 钢结构的连接
(2）承受斜向轴心力的角焊缝
外力N和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力N被分解为：
平行于焊缝长度方向的分力Ncos
第3章 钢结构的连接
b) 角钢用三面围焊时，可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊 脚尺寸hf3 ，并算出它所能承受的内力N3 ：
N3
2 0.7 f
h
f
3bf
w f
通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为:
1
N1 K1N 2 N3
N1 N3
N2
K2N
1 2
N3
N2
N1 2 0.7hf 1lw1
手工焊角焊缝：hf min 1.5 t t—较厚焊件的厚度。
自动焊（温度高而均匀）：hf min 1.5 t 1 T形连接单面角焊缝（冷却快）： hf min 1.5 t 1
焊件厚度 t≤ 4mm时：取 hfmin= t
第3章 钢结构的连接
b) 最大焊脚尺寸(hfmax)
为了避免焊缝局部过热，烧穿较薄的焊件，减小焊接 残余应力和残余变形。hf,max应满足以下要求:
焊缝群截面特性计算
计算长度：非连续焊缝计算长度=焊缝长度-n×hf 连续焊缝只考虑起弧和落弧处的扣除
有效截面积、截面模量等
各单一作用力下的焊缝应力计算
注意区分 f、 f
确定危险点，进行强度校核
危险点处的同种应力分量相叠加
( f f
)2
2 f
ffw
第3章 钢结构的连接
角焊缝计算步骤
确定荷载；
lw
t—较薄焊件的厚度。
第3章 钢结构的连接
b) 仅用正面角焊缝的搭接连接中，搭接长度不得小于焊 件较小厚度的5倍或25mm。
5t 25
c)直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形 或凹形，焊脚尺寸的比例：正面角焊缝宜为1:1.5，长边与内 力方向一致；侧面角焊缝可用直角焊缝为1:1。
d) 当焊缝端部在焊件转
(有效截面/最小截面)
• 假定有效截面上应力均匀分布，且
抗拉、抗压、抗剪都采用同一设计值
试验结果
假定破坏面
第3章 钢结构的连接
破坏模式与受力特点：端缝
端缝受力特点
• 承受正、剪应力，且分布很不均匀 • 根部应力最为集中，开裂的起源点 • 焊缝破坏强度高，但塑性差
破坏面假定
• 试验结果：破坏面倾角在100 ~ 800之间 • 假定破坏面：45°破坏面
N N1
N
N2
N3
若求出的hf3大于hfmax ,则不能采用L形围焊。
第3章 钢结构的连接
（1）受弯矩M 、剪力V 、轴力N联合作用时角焊缝的计算 ——T形连接
e
θ N
Nx
lw 2
M A
Ny
lw 2
he t he σNx σM τNy
由轴心拉力Nx产生的应力： 由弯矩M产生的最大应力：
N
Nx Ae
a)
2h 2h
ff
角处时，应将焊缝延续绕过
转角加焊2hf。避开起落弧发 生在转角处的应力集中。
b)
2hf
（4）角焊缝标注
- 单面焊接 - 双面焊接 - 围焊(L，三边，四边等) - 工地焊接
第3章 钢结构的连接
8-120
8
8
8
（5）破坏模式与受力特点
实际应力分布状况 端缝：三向应力 (脆性断裂) 侧缝：主要为剪应力 (塑性破坏)
hf hf
hf hf
深熔焊缝
2.构造要求
第3章 钢结构的连接
焊脚尺寸的限制 焊缝计算长度的控制 减小焊缝应力集中的措施
（1）焊脚尺寸 角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸--hf
第3章 钢结构的连接
a) 最小焊脚尺寸(hf,min)
为了保证焊缝的最小承载能力 以及防止焊缝由于冷却速度快而产 生淬硬组织，导致母材开裂。
Nx 2helw
M
M
We
6M 2helw2
第3章 钢结构的连接
A点控制应力最大为控制设计点
A点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力Nx和弯矩M产生 的正应力。直接叠加得：
f N M
f
Nx 6M
helw
helw2
lw
A点产生的剪应力： f
Ny helw
代入角焊缝实用计算公式：
x
x
钢结构 第 3 章 钢结构的连接
第3章 钢结构的连接
§3.3 角焊缝的构造和计算
3.3.1 角焊缝的构造
钢板角焊缝
角焊缝焊接过程
钢管角焊缝
1.角焊缝的形式和强度
直角角焊缝
hf hf
普通直角焊缝
斜角角焊缝
除钢管结构外，夹角 <600 或 >1350的不宜 用作受力焊缝
第3章 钢结构的连接
hf
平坡焊缝
w f
K1—角钢肢背焊缝的内力分配系数 K2—角钢肢尖焊缝的内力分配系数
lw2
N2 2 0.7hf
2
f
w f
对于校核问题:
f
N1 lw1he1
f
w f
f
N2 lw 2 he 2
f
w f
对于设计问题:
lw1
N1
he1
f
w f
lw2
N2
he 2
f
w f
第3章 钢结构的连接
角钢角焊缝内力分配系数K
2
f f
2 f
f
w f
正面角焊缝 f＝0，力N与焊缝长度方向垂直。
f
N helw
f
f
w f
侧面角焊缝 f＝0，力N与焊缝长度方向平行。
f
N helw
f
w f
以上各式中： he=0.7hf； lw—角焊缝计算长度，考虑起灭弧 缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。
第3章 钢结构的连接
3.3.3 角焊缝的计算
垂直于焊缝长度方向的分力Nsin
f
N sin
helw
f
N cos
helw
Nx
θ Ny
f
Nf
代入相关计算公式，得焊缝计算公式：
f f
2
2 f
ff w
→
2
2
N sin f Shelw
N cos
Shelw
ff w
第3章 钢结构的连接 （3）承受轴心力的角钢端部连接
在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三 面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊（如图所示）。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。
f
w f
N2 2 0.7hf 2lw2
f
w f
lw1 N
b e
lw2
角钢角焊缝围焊的计算
N N1
N
N2
N3
第3章 钢结构的连接
c) 当采用L形围焊时，令N2＝0，得：
N3 2K2N
N1 N N3
L形围焊角焊缝计算公式为：
lw1
N1 2 0.7hf 1
f
w f
hf 1
N1
2
0.7
f
lw
f w3
进行截面应力状态分析； 确定最不利位置；
确定焊脚尺寸，计算截面几何特征值；
强度验算。
2
f f
2 f
ff w
端缝
f
N helw
f
f
w f
侧缝
f
N helw
f
w f
第3章 钢结构的连接
N
f
M
2 f
f
w f
0.7hf 0.7hf
有效截面
第3章 钢结构的连接
（2 ）V、M共V 同作e用下F焊缝强度计算 1
2
MM
h1 h h2 x
x
2’
σf1 σf2
τf
h1
假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩
对于1点：
f1
M Iw
h1 2
f
ffw
式中：Iw—全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；
hfmax ≤ 1.2t
t—较薄焊件的板厚。
对板件（厚度t ）边缘的角焊缝（贴边焊）
当t≤6mm时，hfmax≤t ； 当t＞6mm时，hfmax≤t - (1～2)mm 。
第3章 钢结构的连接
（2）角焊缝计算长度
a) 最小计算长度（lwmin） 为了使焊缝能有一定的承载能力，根据使用经验，侧面角焊 缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：lwmin≥8hf 和40mm 考虑到焊缝两端的缺陷，其实际长度应较前述数值还要大2hf
截面上引起的应力值为：
f
Ny helw
f 对于有效截面既不是正应力也 不是剪应力，但可分解为 和 。
对直角角焊缝 ：
f
2
第3章 钢结构的连接
沿焊缝长度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊
缝长度方向的剪应力 f。
f
Nx helw
//
第3章 钢结构的连接
2
3(
2
+
2 //
)
3
f
w f
f
2
2
3
2
0.5 2 1.5 2
2
3 f w 1.22 f w
侧缝：破坏时平均计算应力约为端缝的0.8倍 应力沿长度分布不均匀，变形能力大
3
2 //
3 2
3f w f w
//
第3章 钢结构的连接
3.实用计算方法
如图所示承受互相垂直的Ny、Nx两个轴心力作用的直角
角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力f，其在有效
2
1.8(
2
+
2 //
)
fuw
IIW国际角焊缝强度试验： （ISO推荐公式）
2
3(
2
+
2 //
)
3
f
w f
欧洲钢协(ECCS)偏于安全的修改为： （和钢结构的第四强度理论公式相似）
第3章 钢结构的连接
角焊缝强度
破坏面应力分析和强度试验公式
2
3(
2
+
2 //
)
3
f
w f
//
端缝：强度大、刚性高，破坏时变形小
b) 侧焊缝最大计算长度（lwmax） lwmax≤60hf 若实际长度超过以上数值，则超过部分不纳入计算长度中。
若内力沿侧焊缝全长分布时，计算长度不受此限制。
焊脚尺寸的取值
hfmin≤ hf ≤ hfmax
角焊缝计算长度（lw）取值
lwmin≤lw ≤ lwmax
第3章 钢结构的连接
（3）减小角焊缝应力集中的措施
角钢与连接板的角焊缝连接
第3章 钢结构的连接
a) 仅用侧面焊缝连接
由平衡条件得： N1
N1 N2 N
N2
N1e N2 b-e
解上式得肢背和肢尖的受力为：
b e
肢背
N
肢尖
角钢的侧缝连接
N1
b
b
e
N
K1N
在N1、N2作用下，侧缝 的计算长度为：
N2
e b
N
K2N
lw1
N1 2 0.7hf 1
f
荷载－变形曲线
第3章 钢结构的连接
3.3.2 直角焊缝的基本计算公式
1.焊缝的破坏面
hf
d
侧焊缝
端焊缝
e
破坏面常发生在45°斜面上。
h---焊缝厚度、h1—熔深 h2—凸度、d—焊趾、e—焊根
计算截面 均取焊缝45°处有效截面（有效厚度×计算长度）
焊缝有效高度 焊缝计算长度
he ＝0.7hf lw=每条焊缝长度-2hf
a) 构件端部仅有两边侧缝连接时：
试验结果表明，连接的承载力与b / lw有关。为了避免应力传递的过
分弯折而使构件中应力不均，应使：b / lw ≤1；
为了避免焊缝横向收缩引起板件
的拱曲太大，两侧面角焊缝距离
不宜过大。
b
b≤16t（t >12mm）
t
或190mm（t≤12mm）；
b—两侧缝之间的距离； lw—侧焊缝计算长度；
则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：
f
2
2
3
f
2
2
+
2 f
2
4
f
2
3
2 f
3
f
w f
f f
2
2 f
f
w f
f
3 1.22 2
f ——正面角焊缝的强度设计值增大 系数。静载时f ＝1.22，对直接承受 动力荷载的结构，f ＝1.0 。
第3章 钢结构的连接
计算公式
1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算
(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群的中心，焊缝的应力
可认为是均匀分布的。
lw
A、仅采用侧面角焊缝连接
N
N
f
N helw
f
w f
Slw－连接一侧的侧面角焊缝计算长 度的总和
第3章 钢结构的连接
B、采用三面围焊连接
先计算正面角焊缝承担的内力
第3章 钢结构的连接
破坏面假定
有效截面=角焊缝破坏面 （最小截面）
有效截面高度：普通直角焊缝 he=0.7hf
ຫໍສະໝຸດ Baidu
第3章 钢结构的连接
破坏模式与受力特点：侧缝
侧缝受力特点
• 主要承受剪应力 • 弹性阶段：分布不均，两头大中间小 • 塑性阶段：塑性较好，可应力重分布
最后趋于均匀应力分布
破坏面假定
• 试验结果：破坏起点在焊缝两端 • 假定破坏面：45°破坏面
(有效截面/最小截面)
• 假定有效截面上应力均匀分布，且
抗拉、抗压、抗剪都采用同一设计值
C DB A
he
hf
第3章 钢结构的连接
端缝和侧缝受力性能比较
端缝受力特点
- 三向应力 - 脆性断裂 - 强度高 - 刚度大，破坏时变形小
侧缝受力特点
- 主要为剪应力 - 强度低 - 塑性好 - 破坏时变形大
第3章 钢结构的连接
2.有效截面上的应力状态
在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：
—垂直于焊缝有效截面的正应力 —垂直于焊缝长度的剪应力 ∥—平行于焊缝长度方向剪应力
角焊缝有效截面上的应力
旋转椭球面相关公式：
2
( fuw )2
2
(0.75 fuw
)2
2 //
(0.75 fuw
)2
1