钢桥的焊缝设计及焊缝尺寸

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。