钢结构角焊缝连接

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C、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：
lw1
N1
2
0.7h f
1
f
w f
lw2
N2
2 0.7h f
2
f
w f
h f 1 , lw1 －一个角钢肢背上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长
度；
h f 2 , lw2 －一个角钢肢尖上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长
B、端焊缝（正面角焊缝）受轴心力作用
焊缝验算
f
0.7 f
N
hf
lw
f
w f
焊缝设计
hf
lw
N
0.7 f
f
w f
βf － 正面角焊缝的强度设计值增大系数。 对承受静力荷载和 间接承受动力荷载 的结构，βf=1.22； 对直接承受动力荷 载的结构，βf=1.0
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度。
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D、L形围焊
N2 0
N3 2 2 N
N1 N N3
角钢端部的正面角焊缝的长度已知，可计算其焊脚尺寸：
hf 3
N3
2 0.7lw3 f
f
w f
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侧焊缝 N力平行于焊缝轴线 α=0°
端焊缝 (正面角焊缝) N力垂直于焊缝轴线 α=90°
斜焊缝 N力与焊缝轴线斜交α≠90°
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（3）、按截面形式:
普通焊缝 平坡焊缝 熔深焊缝（凹焊缝）
2、侧面角焊缝主要承受剪应力。传力 线通过侧面角焊缝时产生弯折，因而 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， 应力分布不均匀性越显著，但在届临 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。
（2）、搭接长度
l 5tmin和25mm
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三、直角角焊缝强度计算的基本公式
1、角焊缝计算截面的选取 实践证明：直角角焊缝常在45° 左右方向截面破坏，所以以45° 方向的最小焊缝截面作为危险 截面，即焊缝计算截面或有效 截面。
计算截面为 he lw
he 0.7hf
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焊接厚钢板时，焊缝与钢板接触面和与空气接触
面散热较快而先冷却结硬，中间后冷却而收缩受
到阻碍，形成中间焊缝受拉，四周受压的应力状
态。
3.焊接残余变形
4.焊接残余应力和残余变形对结构性能的影响
1、对结构构件静力强度的影响。 对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静力荷载作用下，焊
接残余应力不会影响结构强度。
Tx
T
sin
T r ry Ip r
T ry Ix Iy
Ty
T
cos
T r Ip
rx r
T rx Ix Iy
② 剪力V在焊缝群引起的剪应力
Vy
③ A点合应力
V helw
Ty Vy f
2
Tx 2
f
w f
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假定： （1）、被连接构件是 绝对刚性的，角焊缝 是弹性的； （2）、被连接构件绕 角焊缝有效截面形心0 旋转，角焊缝任意一 点的应力方向垂直该 点与形心的连线，且 应力的大小与其距离 的大小成正比，方向 朝向扭矩方向。
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① 扭矩T作用
T
T r Ip
T r Ix Iy
两个分量
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3、正面角焊缝受力复杂，正面角焊缝的破坏强度高于侧面角焊缝， 但塑性变形要差些。而斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊 缝和侧面角焊缝之间。
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二、角焊缝及连接的构造要求
1、焊脚尺寸hf （1）、最小焊脚尺寸 hfmin－保证焊缝的最小承载能力，并防止焊
2、对结构构件刚度的影响。 构件上存在焊接残余应力会降低结构的刚度。
3、对结构稳定的影响：降低了构件的稳定性 4、对疲劳强度的影响：加快疲劳裂纹开展的速度，降低焊缝
及附近主体金属的疲劳强度。 5、对低温冷脆的影响：在厚板或具有交叉焊缝的情况下，将
产生三向焊接拉应力，阻碍了塑性变形的发展，增加了钢材 在低温下的脆断倾向。
缝因冷却过快而产生裂缝。
hf min 1.5 tmax
① 自动焊的角焊缝 hf min 1.5 tmax 1 ② T形连接的单面角焊缝 hf min 1.5 tmax 1
③ 当焊件厚度 4mm 时，hfmin 与焊件同厚。
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（2）、最大焊脚尺寸 hfmax －避免烧穿较薄的焊件。
焊接残余变形对结构性能的影响 导致构件的初弯曲、初扭曲、初偏心，受力时产 生附加的弯矩、扭矩和变形，使装配困难，从而 降低构件的强度和稳定的承载力。
5.减少焊接残余应力和残余变形的方法 (1)设计措施： 在满足构造要求的前提下，要尽量减少焊缝的数量和尺 寸，焊脚尺寸和长度，搭接角焊缝宜采用细长焊缝，不用 粗短焊缝，以避免焊接热量过于集中；焊缝尽可能对称布 置，连接尽量平滑；避免焊缝过分集中或多方向焊缝相交 于点，以免相交处形成三向受拉应力状态，使材料变脆， 为防止多方向焊缝相交，常采用使次要焊缝断开而主要焊 缝连续通过的构造；搭接连接中不应只采用正面角焊缝传 力；焊缝应布置在焊工便于施焊的位置，尽量避免仰焊。
焊接应力有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方 向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
（1）纵向焊接应力：
纵向焊接残余应力的分布规律是焊缝及其附近区域在高温时发生 塑性压缩变形，因而冷却后产生残余拉应力；离焊缝较远区域中 则出现与之相平衡的残余压应力。
（2）横向焊接应力：
（3）厚度方向的焊接应力： 焊接厚钢板时，焊缝与钢板接触面和与空气接触面散热较快而先 冷却结硬，中间后冷却而收缩受到阻碍，形成中间焊缝受拉，四 周受压的应力状态。
以上三种应力形成同号三向应力， 将大大降低连接的塑性。
焊接残余应力的分类
1、纵向焊接残余应力----指沿焊缝长度方向
的应力。
焊缝纵向收缩引起的纵向焊接残余应力
2、横向焊接残余应力----垂直于焊缝长度方向且
平行于构件表面的应力
3、厚度方向的焊接残余应力----垂直于焊缝长度
方向且垂直于构件表面的应力。
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总结：焊接连接的计算步骤 通过前面的讲述，总结焊接连接的计算步骤如下： （1）首先画出焊缝的计算截面； （2）计算焊缝或焊缝群的形心； （3）将焊缝所受外力等效简化到形心处，求得作用在焊缝 截面形心处的各内力分量； （4）求各内力分量在焊缝计算截面可能的危险点上引起的 应力分量，若该应力分量平行于焊缝长度方向，则为剪应 力性质；若该应力分量垂直于焊缝长度方向,则为正应力性 质。 （5）将各危险点同一方向上的各应力分量分别代数叠加后， 得到合成的应力代入公式验算其强度。
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五、斜角角焊缝的计算
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4.7 焊接残余应力和焊接残余变形 1.原因
焊接应力（热应力）----钢材焊接时在焊件上产生局部高 温的不均匀温度场，高温部分钢材要求较大的膨胀伸长但 受到邻近钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力 ，并在焊接过程中随时间和温度而不断变化。
4.4 角焊缝的构造与计算
一、角焊缝的形式和强度
1、角焊缝的分类
定义：焊缝位于两个被连接板
件的边缘位置。
（1）、按焊脚间的夹角α不同：
直角角焊缝 α=900
斜角角焊缝 α≠900
锐角角焊缝 α<900 钝角角焊缝 α > 900
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（2）、按外力作用方向与焊缝轴线之间的夹角α不同：
1N
N3 2
N2
b
N3
b 2
Ne
N2
Ne b
N3 2
2N
N3 2
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N1, N2 －角钢肢背和肢尖上的侧面角焊缝所分担的轴力；
e －角钢的形心距，
1, 2 －角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，设计时可
近似取
1
2 3
,
2
1 3
B、两面侧焊缝（a）， N3 0
N1 1N N2 2N
f
1
1
sin 2
3
结论：侧焊缝和端焊缝是斜焊缝的两个特例，公式可以统一。
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（3）承受轴心力的角钢角焊缝计算 A、三面围焊连接（b） 正面角焊缝分担的轴心力N3
N3
2 0.7hf3b f
f
w f
由平衡条件：
N1 b
N3
b 2
N b e
N1
N b e
b
N3 2
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2、承受弯矩、轴心力或剪力联合作用的角焊缝连接计算
① 轴力Nx产生的垂直 于焊缝长度方向的应力
N
Nx Ae
Nx 2helw
② 弯矩M产生的垂直于
焊缝长度方向的应力
M
M We
6M 2helw2
③ 剪力V产生的平行于焊缝长度方向的应力
f
Ny Ae
Ny 2helw
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轴心力－合力通过焊缝或焊缝群的形心。
（1）用盖板的对接连接承受轴心力（拉力、压力或剪力）时
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A、侧焊缝受轴心力作用
焊缝验算
f
0.7
N hf
lw
f
w f
焊缝设计
hf
lw
N
0.7
f
w f
f －沿焊缝长度方向的剪应力
f
w f
－角焊缝的强度设计值
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h f max 1.2tmin
对板件边缘（厚度为t1）的角焊缝应符合下列要求：
① 当t1 6mm时, h f max t1 (1 ~ 2)mm
② 当t1 6mm时, h f max t1
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（3）、焊脚尺寸的选择
h f min h f h f max
2、焊缝计算长度 lw
（1）、焊缝计算长度 lw l 2 hf mm(无引弧板）
（2）、最小焊缝计算长度 lw 8hf , lw 40mm
（3）、最大焊缝计算长度
lw 60hf
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3、搭接连接的构造要求
（1）、搭接宽度 b / lw 1 b 16t(t 12mm)或190mm(t 12mm)
2、角焊缝有效截面上的应力 3、直角角焊缝的计算
f f
2
2 f
f
w f
f
3 2
1.22
－正面角焊缝的强度增大系数。
（1）、正面角焊缝
f
N helw
f
f
w f
（2）、侧面角焊缝
f
N helw
f
w f
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四、各种受力状态下直角角焊缝连接的计算
1、承受轴心力作用时角焊缝连接的计算
θ－作用力与焊缝长 度方向的夹角；
斜焊缝的强度增大系数，介于1.0～1.22之间，对直接承受动力荷
载结构中的焊缝，取βfθ=1.0。
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总结
通式：
f
N
0.7 f
h f lw
f
w f
1、当θ=0°时，只有NY，侧焊缝，βfθ=1 2、当θ=90°时，只有NX，端焊缝，βfθ= βf=1.22 3、当θ=0°～90°时，同时有NX和NY ，斜焊缝，
焊接工艺措施：
1、应采用合理的焊接顺序和方向，例如，采用对称焊、分段 焊、厚度方向分层焊等；应先焊收缩量较大的焊缝，后焊收 缩量较小的焊缝，先焊错开的短缝，后焊通直的长缝，使其 有较大的横向收缩余地；先焊使用时受力较大的主要焊缝后 焊受力较小的次要焊缝，这样可使受力较大的焊缝在焊接和 冷却过程中有一定范围的伸缩余地，以减小焊接残余应力；
焊接残余应力----焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强 度而发生塑性变形，钢材冷却后残存于焊件内的应力。
焊接变形（热变形）----在焊接和冷却过程中由于焊件受 热和冷却都不均匀，除产生内应力外，还会产生变形， 焊接和冷却过程中焊件产生的变形即焊接变形。
焊接残余变形-----冷却后残存于焊件的变形。
2.分类
（2）承受斜向轴心力的角焊缝连接计算
fx
Nx 0.7 h f lw
N sin
0.7 h f lw
fy
Ny 0.7 h f lw
N c os
0.7 h f lw
代入公式
fx f
2
2 fy
f
w f
f
N
0.7 f
hf lw
f
w f
f
1
1
sin 2
3
NX N sin NY N cos
④ 焊缝的强度计算式：
f f
2 பைடு நூலகம்
f 2
f
w f
当连接直接承受动力荷载作用时，取 f 1.0
对于工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接，计算时通常假 定腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩则由全部焊缝承受。
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3、承受剪力与扭矩联合作用的角焊缝连接计算