钢桥的焊缝设计焊缝尺寸

钢桥的焊缝设计及焊缝尺寸
史永吉、方兴、王辉、史志强、曾志斌
(铁道科学研究院北京 100088)
内容摘要：焊接钢桥现已成为钢桥建设的主流，正确的焊缝设计不仅涉及钢桥的承载力和安全性，也极大的影响焊接变形，制造工期及材料消耗等经济性。

基于目前焊缝设计思想的某些偏向，本文介绍了焊缝的受力类型，应力检验及各类焊缝尺寸的简便确定方法。

关键词：焊接钢桥，焊缝设计，焊缝尺寸
1．前言
焊接钢桥现已成为世界各国钢桥的主流。

焊接钢桥是采用焊缝作为其连接的主要方式，正确的焊缝设计是确保钢桥安全性的关键。

通常，应根据焊接接头的受力状态及焊缝抗力进行应力检算，来确定焊缝尺寸。

然而，由于焊接接头及板厚等种类繁多，受力状态各不相同，为了减少设计工作量。

急需制定简便的偏于安全的确定焊缝尺寸方法。

而不必一一通过焊缝应力检验的方式来选定焊缝尺寸。

另一方面，目前存在着一种偏向，认为“焊缝尺寸宁大勿小”、“角焊缝宁可全熔透”才是安全的。

固然，焊缝作为钢结构的连接，连接强度应等于或大于被连接构件的强度，否则将影响结构的极限承载力和安全性。

但是，也应认识到，过大的焊缝尺寸非但无益，一定程度上是有害的，例如：对接焊缝的凸起高度，过去误称为“加强高”，现在则称为“余高”，而且，需根据焊缝宽度对余高加以限制，以免产生过大的应力集中；过大的角焊缝将产生较大的焊接变形，影响结构的几何形态，同时，需增加焊道，增多焊接材料的消耗，延长工期，降低了经济性，而且，易产生焊接缺陷。

所以，合理的确定各种接头的焊缝尺寸具有重要意义。

本文概要介绍了焊接接头的焊缝受力类型、焊缝有效断面和有效长度、焊缝应力检算，以及设定的焊缝尺寸的经验方法，供广大设计和制造工程师参考。

2．焊缝的受力类型
作为钢结构连接方式，焊缝依据接头的受力状态大体可分为以下三种基本类型。

2.1 传力焊缝
把焊接接头一侧构件的内力（或应力）通过焊缝传递给另一侧构件，主要有以下基本形式。

a)横向对接焊缝 b)搭接焊缝 c)受拉角焊缝 d)受剪焊缝
图1：传力焊缝的基本形式
2.2 受力焊缝
当焊缝平行于应力方向时，焊缝与母材承受同样大小的应力，主要有以下基本形式。

图
2：受力焊缝的基本形式
2.3 非受力焊缝
垂直于受力方向的加劲肋或横隔板角焊缝，主要基本形式如下。

图3： 非受力焊缝主要形式
3．焊缝的有效厚度及有效长度
焊缝的有效断面A w 是计算焊缝应力的参数，A w 按下式计算：
A w ＝a ×l e （或S a ×l e ） （1）
a)平行于受力方向的纵向
对接焊缝
b)平行于受力方向的角焊缝 c)承受弯曲应力和剪应力
力的受弯构件角
a)工字型板梁竖向加劲角焊缝
b)箱型构件横隔板角焊缝
a=t
a)等厚板对接
焊缝
a=t1
b)不等厚板对接焊缝
a=d
d--坡口深度c)隅角焊缝a—取等腰三角形的高度顶点取坡口深度
d)部分熔透角焊缝
a=t
t—板厚
e)全熔透角焊缝式中，a——焊缝的有效厚度
S a——角焊缝的有效喉高
l e——焊缝的有效长度
3.1 焊缝的有效厚度
3.1.1 坡口焊缝的有效厚度a
图4 坡口焊缝有效厚度的代表例
3.2 角焊缝的有效喉高Sa
3.2.1 等肢角焊缝
a)凸型角焊缝b)凹型角焊缝
3.2.2 不等肢角焊缝
a)凸型不等肢角焊缝b)凹型不等肢角焊缝
图5 角焊缝喉高举例
3.3 焊缝的有效长度le
3.3.1 焊缝的有效长度为具有有效厚度的焊缝长度。

例如，起熄弧处因焊缝断面不完整不得记入有效长度。

传力和受力焊缝原则上必须设引弧板把起熄弧引到主构件之外。

图6 焊缝的有效长度
3.3.2 斜向全熔透对接焊缝的有效长度取垂直于应力方向的投影长度。

图7 斜向对接焊缝的有效长度
3.3.3 搭接接头角焊缝的有效长度
传力搭接接头应设周边角焊缝，也可仅在侧边或在端边设角焊缝，此时，应绕角部连续焊一段围角焊缝，围焊长度应大于2倍焊脚尺寸。

图8 搭接接头角焊缝的有效长度
4．焊缝的容许应力
基于焊缝金属与母材的等强度设计原则，焊缝容许应力按母材的容许应力考虑。

工地焊接的焊缝，需经试验确认，可取母材的容许应力，否则，按0.9倍母材容许应力考虑。

表1 焊缝容许应力（Mpa ）
5．焊缝应力检算
5.1 承受轴力或剪力 焊接接头的焊缝应力检验 σ＝
∑e
al P
≤[σw ] （2） τ＝
∑e
a l S Q
≤[τw ] （3） 式中，σ、τ——轴力或剪力引起的焊接应力；
P 、Q ——作用在焊接接头上的轴力或剪力； a ——坡口焊缝的有效厚度； S a ——角焊缝的有效喉高； L e ——焊缝的有效长度。

5.2 承受弯矩焊接接头的焊缝应力检验
5.2.1 全熔透坡口焊缝 σ＝
1
y
M I ⋅≤[σw ] （4） 5.2.2 角焊缝
τ＝
2
y
M I ⋅≤[τw ] （5） 式中，σ、τ——弯矩引起的焊缝弯曲应力和剪应力；
I 1——全断面惯性矩；
I 2——焊缝喉高展开断面的惯性矩； y ——中性轴至焊缝的距离。

5.3 承受轴向力、弯矩和剪力焊接接头的焊缝应力检验
5.3.1 全熔透坡口焊缝
[][]⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛w s w ττσσ≤1.2 （6） 5.3.2 角焊缝
[][]⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛w s w b ττττ≤1.0 （7） 式中，σ——轴向力P 或弯矩M 引起的正应力，或两者之和；
τb ——轴力P 或弯矩M 引起的剪应力，或两者之和； τs ——剪力Q 引起的剪应力；
[σw ]、[τw ]——焊缝容许拉压应力、容许剪应力。

6. 焊缝尺寸 6.1 对接焊缝
对接焊缝（垂直于受力方或平行于受力方向）应满足：
（1） 不得未填满。

（2） 焊缝余高不得超过以下规定
表2 对接焊缝余高的限定
焊缝宽度（mm ）
余高（mm ）
示意图
B<15 ≤3
15≤B ≤25 ≤4 25≤B
≤
25
B
4 6.2 角焊缝
这里所指的角焊缝是T 型、I 型和口字型构件连接翼缘和腹板的角焊缝，包括非坡口角焊缝、坡口角焊缝和坡口隅角焊缝。

6.2.1 角焊缝的设计尺寸
主要构件的传力或受力角焊缝，原则上焊脚尺寸（s ）应满足：
非坡口角焊缝：21t 2S t ≥≥，且≥6mm （8） 坡口角焊缝：，2a 1t 2S t ≥≥且≥6mm （9） 式中：t 1——较薄板厚；
t 2——较厚板厚；
2
S
S a ＝
——焊缝喉高； 6.2.2 关于角焊缝尺寸经验公式的分析比较
（1） 承受轴力构件的受力角焊缝（与受力方向平行）
仅承受轴力的T 型、I 型和口字型构件而不传递剪应力的角焊缝，这类角焊缝的主要机能是保持组成构件的各板件的几何形状，不传递应力，尽管它与板件一样承受轴向应力，但它相当于铆接构件的缀合铆钉，仅起缀合作用。

作为缀合焊缝，一般需考虑焊接线能量或焊接热变形等因素的影响，经验地确定焊缝尺寸。

表3和图9是美国AWS 和日本、德国等焊缝尺寸的比较。

表3 轴向受力构件角焊缝焊脚尺寸S 的比较（inch 或mm ）
AWS
板
厚 "163~"41 "41~"21 "21~"43 "43~"23 "23~"49 "49~"6 >"
6
S "8
1 "16
3 "4
1 "16
5 "8
3 "2
1 "8
5 日本
等国
板
厚
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
S
（4.5）
6.4
7.8
9.0
10.0
11.0
11.9
12.7
13.4
14.2
图9 轴向受力构件最小焊缝尺寸的比较
如果采用部分熔透坡焊缝，可取2
S S a ＝。

（2） 受轴力或弯矩与剪力组合力作用的角焊缝
在桁架桥节点处，如整体焊接节点或过去常用的拼装式节点部位的角焊缝，除承受轴向应力外还承受以下原因产生的剪应力：
① 来自腹板的剪力通过节点板或弦杆的腹板传给翼缘（非全断面拼接时）。

② 整体焊接节点中，因节点板使弦杆断面增加，所以，作用在翼缘上轴力的一部分转移到腹板和节点板上（非全断面拼接时）。

③ 因节点刚性而产生次弯矩。

这类焊缝往往采用部分熔透坡口角焊缝，喉高S a 或a 是检算焊缝应力的主要参数。

这里以日本桥梁为例，概要介绍其焊缝尺寸的演变。

早期设计规范中，取焊缝金属与母材等强，角焊缝的喉高取：
f t 2.0S a ≥（或()
f t ⋅⋅≥2.02S a ） (10)
70年代末建成的港大桥，考虑坡口角焊缝焊根熔透性及无损检测（超声波）等问题，喉高富余量取3mm ，则式（10）变为：
32S a ＋t ≥ (11)
80年代以后的濑户内海上的本四联络桥，对以下几种经验公式进行了研究： 角焊缝：t 2S ≥
f t 2.02S ⨯≥ ()
226.02S -⨯≥f t 部分熔透坡口角焊缝：t 2S a ≥ 32.0S a ＋f t ≥ f t 26.0S a ≥
最后各制造厂都采用32.0S a ＋f t ≥，并且，隅角焊缝的坡口为60o L 型坡口（单侧V 型坡口）或J 型坡口（单侧U 型坡口）。

图10 表示上述各种检验公式的比较。

图10： 隅角焊缝喉高与翼缘板厚的经验公式比较
图11：实桥的
f
t a
（f t —翼缘板厚，a —喉高） 注：1－野州桥（铁） 2－铁路桥标准 3－大岛大桥 4－关门桥（公）
5－利根川桥（公）6－野州川桥（铁）7－因岛大桥（公）8－因岛大桥（公） 9－大鸣门桥（公）10－大鸣门桥（公）11－第二北上川桥（铁）12－大岛大桥（公）13－港大桥（公） 14－大岛大桥（公）15－岩黑岛桥（公铁） 16－南北备赞濑户大桥（公铁）
图11列出了日本多座桁架桥整体节点部位承受轴向应力和剪应力作用的角焊缝或部分熔透坡口角焊缝的喉高a （S a ）与翼板厚度t f 之间的关系。

由该图可见，绝大部分桥梁的a 值都落在
32t a 2t f f ＋≤≤之间，所以，喉高取a ＝32t f ＋是偏于保守的合理值。

如
果比较
32t f ＋与32.0＋f t 两个经验公式，在常用的板厚t f ≤50mm 范围内，前式更合适。

另外，由杆件平行段喉高f 2a t ＝向整体节点内的喉高f 2a t ＝＋3过渡，开坡口时需设过渡区，起点为节点板圆弧的起始处。

（3） 关于箱型断面构件设内外侧角焊缝
对于大型箱型断面构件，如桁梁、拱肋、钢塔柱及其他结构的立柱等，为了防止在运输架设过程中出现非预计的垂直于板厚方向的作用力，或在进行端面切削加工时产生的这种作用力，需在内外侧设置角焊缝，检算焊缝应力时用内外侧焊缝喉高之和计算受力断面。

图12 内外侧角焊缝
但是应注意，箱体内部空间应便于人员进入进行施焊作业，一般内部空间尺寸高×宽
≥500×750（mm ）时，才设内外侧角焊缝，否则仅设外侧隅角焊缝。

6.2.3 几种特殊的角焊缝
（1）直接承受轮载的角焊缝
直接承受轮载的角焊缝，如I 字型吊车梁上翼缘角焊缝，桥面板纵肋上翼缘角焊缝，易引发疲劳裂纹，应采用坡口全熔透角焊缝。

钢桥面板纵向U 型肋角焊缝只能采用单侧坡口熔透角焊缝，但又不能烧漏，所以，熔透深度应取0.75t （t －肋板厚度），并对坡口焊接作了细致规定。

图13 U 型肋角焊缝
而对非桥面板处的U 型肋角焊缝，则不受这一限制。

（2）受弯梁焊接盖板角焊缝
受弯板梁，为适应弯矩的要求，往往在弯矩较大的区段的翼缘外侧设焊接盖板，该角
焊缝承受弯曲应力和剪应力作用，焊缝尺寸作如下建议：
图14 受弯板梁翼缘盖板角焊缝
（3）吊桥、斜拉桥钢塔柱隅角焊缝
钢塔柱承受轴向压力和弯矩，一般采用特大型矩形断面，并且端面需进行机械切削加工。

隅角焊缝既要考虑尽可能较小的焊缝断面避免引起过大的焊接变形，又要参考已有钢塔的实例，选定合适的隅角焊缝尺寸。

表4列出日本各桥隅角焊缝的演变。

表4： 钢塔柱隅角焊缝尺寸实例
桥名 关门桥 大鸣门桥 南备赞濑户大桥 北备赞濑户大桥 下津井濑户大桥 图示
建设年代
1973 1977 1988 1988 1988
1t ,2
t （mm ）
32
42
40
32
32
()d a
（mm ） 15 14 16 16 / S （mm ）
10
7
8
8
8×8
故此焊缝尺寸建议值如下：3t 2a ＋≥d （mm ）
3t 2S ＋≥（mm ）
坡口角度o
50≥θ。