第4章钢结构焊缝连接2

1、 第第 3 3 章章 钢结构的连接钢结构的连接主要内容主要内容 3.1 3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法 3.2 3.2 焊接连接的特性焊接连接的特性 3.3 3.3 对接焊缝的构造和计算对接焊缝的构造和计算 3.4 3.4 角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算 3.5 3.5 焊接残余应力和残余变形焊接残余应力和残余变形 3.6 3.6 普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓连接的构造和计算 3.7 3.7 高强度螺栓连接高强度螺栓连接 焊接连接焊接连接 螺栓连接螺栓连接连接的方式连接的方式焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接连接的原则连接的原则安全可靠、传力明确、构造

2、简单、制造方便和节约钢材安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材 图图3-1 3-1 连接的方式连接的方式a)NNNNc)NNb)螺栓连接螺栓连接铆钉连接铆钉连接焊接连接焊接连接3.1 3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法1.1.电弧焊电弧焊1 1）手工电弧焊）手工电弧焊2 2）自动半自动埋弧焊）自动半自动埋弧焊1 1）手工电弧焊）手工电弧焊原理：原理：利用电弧产生热量熔化涂有利用电弧产生热量熔化涂有焊药焊条和母材形成焊缝。焊药焊条和母材形成焊缝。 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧优点：优点：方便，适应性强，特别适用方便，适应性强，特别适用于

3、在高空和野外作业，小型焊接，于在高空和野外作业，小型焊接，应用最广泛。应用最广泛。缺点：缺点：质量波动大，要求焊工等级质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。高，劳动强度大，生产效率低。 A A、焊条的选择：、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。Q390Q390、Q420Q420钢选择钢选择E55E55型焊条型焊条(E5500-E5518)(E5500-E5518)Q345Q345钢选择钢选择E50E50型焊条型焊条 (E5001-E5048)(E5001-E5048)Q235Q235钢选择钢选择E43E43型焊条（型焊条（E430

4、0-E4328)E4300-E4328)B B、焊条的表示方法：、焊条的表示方法：EE焊条焊条(Electrode)(Electrode)第第1 1、2 2位数字为焊条钢丝的最小抗拉强度（位数字为焊条钢丝的最小抗拉强度（kgf/mmkgf/mm2 2) )第第3 3、4 4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。2 2）埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊（自动或半自动）l 光焊丝埋在焊剂下，通电后电弧使焊丝、焊光焊丝埋在焊剂下，通电后电弧使焊丝、焊件、焊剂熔化形成焊

5、缝。件、焊剂熔化形成焊缝。l 焊剂溶化后形成焊渣浮在溶化金属表面，焊剂溶化后形成焊渣浮在溶化金属表面，隔绝空气接触，供给必要的合金元素。隔绝空气接触，供给必要的合金元素。、焊丝转盘焊丝转盘送丝器送丝器焊剂漏斗焊剂漏斗焊剂焊剂熔渣熔渣焊件焊件优点：优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊缝质量好。自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊缝质量好。缺点：缺点：设备投资大，施工位置受限。设备投资大，施工位置受限。3 3）气体保护焊）气体保护焊 利用焊枪喷出的利用焊枪喷出的COCO2 2或其他惰性气体或其他惰性气体代替焊剂代替焊剂的电弧溶焊方的电弧溶焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，

6、以防止有害气体法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵入。的侵入。 优点：优点：没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。缺点：缺点：施工条件受限制，不适用于在风较大的地方施工条件受限制，不适用于在风较大的地方施焊。施焊。2.2.电阻焊电阻焊 利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属，再通过压力使其焊合。适用于板叠厚度不大于化金属，再通过压力使其焊合。适用于板叠厚度不大于1212的焊接。的焊接。 缺点缺点* * 构造简单构造简单 任何形式的构件都可直接相连；任何形式的构件都可直接相连；*

7、 * 用料经济用料经济 不削弱截面；不削弱截面；* * 制作加工方便制作加工方便 可实现自动化操作；可实现自动化操作；* * 连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好连接的密闭性好，结构刚度大，整体性好。 * * 材质易变脆材质易变脆焊缝附近钢材由于施焊时高温作用形成热影响区使钢材焊缝附近钢材由于施焊时高温作用形成热影响区使钢材力学性能发生变化；力学性能发生变化；* * 产生残余应力、残余应变、焊接缺陷，发生脆性破坏产生残余应力、残余应变、焊接缺陷，发生脆性破坏焊接过程冷热焊接过程冷热不均。不均。* * -焊接刚度大且材料连续，使局部裂纹一经发生便焊接刚度大且材料连续，使局部裂纹一经发生便容易扩展

8、到整体。容易扩展到整体。优点优点现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛。现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛。 焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷有材表面或内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及等；以及焊缝尺寸焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良不符合要求、焊缝成形不良等等。 裂纹裂纹焊瘤焊瘤烧穿烧穿弧坑弧坑气孔气孔夹渣夹渣咬边咬边未熔合未熔合未焊透未焊透钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质

9、量验收规范GB50205-2001GB50205-2001规定焊规定焊缝按其检验方法和质量要求分为缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级一级、二级和三级。外观检查（肉眼）外观检查（肉眼）尺寸偏差、表面缺陷；尺寸偏差、表面缺陷；无损检验（仪器）无损检验（仪器）检验内部缺陷（超声波探伤、检验内部缺陷（超声波探伤、X X射线探伤、磁射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤）。粉探伤、渗透探伤）。 二级焊缝：二级焊缝：外观检查外观检查+ +无损检验（超声波探伤）合格，用无损检验（超声波探伤）合格，用于受较大拉应力的于受较大拉应力的重要连接重要连接。 20%20%一级焊缝：一级焊缝：外观检查外观检查+ +无损

10、检验（超声波探伤、无损检验（超声波探伤、X X射线探伤）射线探伤）合格，用于抗动力、需要验算疲劳的合格，用于抗动力、需要验算疲劳的重要连接重要连接。100%100%三级焊缝：三级焊缝：外观检查且符合三级质量标准，适用于外观检查且符合三级质量标准，适用于一般连一般连接。接。（1 1）焊接连接形式：按被连接件的相对位置分为）焊接连接形式：按被连接件的相对位置分为对接、搭接、对接、搭接、T T形连接形连接和和角部连接角部连接对接焊缝对接焊缝: :按所受力方向分按所受力方向分 1 1）直对接焊缝）直对接焊缝: : 2 2）斜对接焊缝）斜对接焊缝角焊缝角焊缝: : 按所受力方向分按所受力方向分 1 1）

11、正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 2 2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。 分为分为对接焊缝对接焊缝和和角焊缝角焊缝。 1 1）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。）连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。 2 2）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中。）间断角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中。 不重要或受力小的构件，可采用间断角焊缝连接不重要或受力小的构件，可采用间断角焊缝连接50或或10hf平焊、立焊、横焊和仰焊。平焊、立焊、横焊和仰焊。图图3.1.6 3.1.

12、6 施焊方式施焊方式平焊平焊立焊立焊a)焊条焊条d)仰焊仰焊b)c)横焊横焊质量好质量好质量一般质量一般质量差质量差焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成焊缝符号表示法焊缝符号表示法（GB/T324-1988GB/T324-1988）建筑结构制图标准建筑结构制图标准（GB/T50105-2001GB/T50105-2001）t20mm0.52mm34mmt20mm34mmt20mm34mm)直边缝单边V形缝双边V形缝U形缝X形缝K形缝b=0.52mm（直边缝）（直边缝）b=23mm（单边（单边V）b=23mm（V型）型）p p（U型

13、）型）b=34mmp pb=34mmp p（K型）型）b=34mmp p（X型）型）1 1）在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差）在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm4mm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度不大于1:2.51:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。a) 改变厚度改变厚度b) 改变宽度改变宽度1:2.51:2.5垫板垫板垫板垫板垫板垫板2 2）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。

14、3 3）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。引弧板引弧板 一般受静力荷载的结构，也可不设引弧板，但焊缝的计算长一般受静力荷载的结构，也可不设引弧板，但焊缝的计算长度比实际长度减小度比实际长度减小2t2t或或2hf2hf。对接焊缝的强度对接焊缝的强度 1 1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2 2）三级质量的焊缝允许存在的缺陷较多，）三级质量的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉故其抗拉强度为母材强度的强度为母材强度的85%

15、85%。 3 3）一、二级质量的焊缝的抗拉强度可认为与母材强）一、二级质量的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。度相等。3.3.2 3.3.2 对接焊缝的计算对接焊缝的计算1. 1. 轴心受力轴心受力wcwtwfftlN或（3-1）NN轴心拉力或压力设计值轴心拉力或压力设计值l lw w焊缝计算长度，焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t2t；有引弧板时，取实际长度。有引弧板时，取实际长度。t t连接件的较小厚度，对连接件的较小厚度，对T T形接头为腹板的厚度形接头为腹板的厚度 ; ; f ft tw w、f fc cw w对接焊缝的抗拉

16、、抗压强度设计值（见附表对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（见附表4 4）。）。NNlt 与构件母材强度计算方法相同，采与构件母材强度计算方法相同，采用材料力学的计算公式用材料力学的计算公式 一、二级对接焊缝不需计算。一、二级对接焊缝不需计算。 三级焊缝受拉时，才验算。三级焊缝受拉时，才验算。 当正焊缝连接不能满足强度要求时，可采用斜焊缝，计当正焊缝连接不能满足强度要求时，可采用斜焊缝，计算公式：算公式：bllw w斜焊缝计算长度。加引弧板时，斜焊缝计算长度。加引弧板时， llw wb/sinqb/sinq； 不加引弧板时，不加引弧板时，llw wb/sinqb/sinq2t2t。 f fv vw

17、 w对接焊缝抗剪设计强度。对接焊缝抗剪设计强度。wcwtsinfftlNw或wvwftlNcos规范规定，当斜焊缝倾角规范规定，当斜焊缝倾角 56.356.3，即，即tantan 1.51.5时，可时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。 焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度公式强度公式： wVwwwmax23ftlVtIVS（3-3）wmaxt2w6wMMfWl t（3-2）M

18、焊缝承受的弯矩；焊缝承受的弯矩；Ww焊缝截面模量。焊缝截面模量。V焊缝承受的剪力；焊缝承受的剪力；Iw焊缝计算截面惯性矩；焊缝计算截面惯性矩；Sw焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩。焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩。 对于工字形或对于工字形或T T形截面除应分别验算形截面除应分别验算最大正应力最大正应力与与最大最大剪应力剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力折算应力: :wt21211 . 13f（3-4）2.2/2/2/2/.000max1hIMhhWMhhWw腹AVtIVSwww11式中式中 : : 1 1、 1 1为腹板与翼为腹板

19、与翼缘交接处、的正应力和剪缘交接处、的正应力和剪应力。应力。 1.11.1为考虑到最大折算为考虑到最大折算应力只在焊缝局部出现，应力只在焊缝局部出现，而将焊缝强度设计值适当而将焊缝强度设计值适当提高的系数。提高的系数。 工字形截面梁在弯曲时，弯曲正工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利面上各处的材料能达到充分的利用。用。max 2501016MVmax 11 1 轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生

20、剪应力，其计算公式为：力，其计算公式为：wtwwMNmaxfWMAN（3.2*）wvwwftIVSmax（3.3*）wt21211 . 13fMN（3.4*）1 1对接焊缝计算步骤对接焊缝计算步骤l确定荷载作用下内力（弯矩，轴力，剪力）确定荷载作用下内力（弯矩，轴力，剪力）l进行截面应力状态分析进行截面应力状态分析l计算截面几何特征值计算截面几何特征值l强度验算。强度验算。wVwwwftIVS maxwteqf1 . 1322 wcwtorffmax 试验算如图试验算如图3-21所示钢板的对接焊缝的强度。钢板宽度为所示钢板的对接焊缝的强度。钢板宽度为200MM,板厚为板厚为14MM，轴心拉力设

21、计值为，轴心拉力设计值为N=490KN，钢材，钢材为为Q235,手工焊，焊条为手工焊，焊条为E43型，焊缝质量标准为三级，施型，焊缝质量标准为三级，施焊时不加引弧板。焊时不加引弧板。【例题3.1】mmlw172142200 解解】焊缝计焊缝计算长度算长度强度计算公式：强度计算公式：223/185/5 .2031417210490mmNfmmNwt不满足要求，不满足要求，改为斜对接焊改为斜对接焊缝。角度为缝。角度为5656度。度。mmlw2 .21314256sin200,223,/185/ 1 .136142 .21356sin10490sinmmNfmmNtlNwtw焊缝计算长度焊缝计算长度

22、强度计算公式：强度计算公式： 计算如图计算如图3-22所示所示T形截面牛腿与柱翼缘连接的对接焊缝形截面牛腿与柱翼缘连接的对接焊缝 。牛腿翼缘宽牛腿翼缘宽130mm。厚。厚12mm，腹板高，腹板高200mm，厚，厚10mm。力作用点到焊缝截面距离力作用点到焊缝截面距离E=200mm。钢材为。钢材为Q235，焊条，焊条E50型，焊缝质量标准为三级，施焊时不加引弧板。对接焊型，焊缝质量标准为三级，施焊时不加引弧板。对接焊缝连接。缝连接。V=100kN，钢材，钢材Q390，E55焊条，手工焊，质量等焊条，手工焊，质量等级为三级，不采用引弧板。级为三级，不采用引弧板。【例题3.2】1061012190m

23、ax bM aM F2001201220010a2. 荷载计算荷载计算kN100VmkN0 .15150. 0100M1. 截面几何特征值计算截面几何特征值计算【解】xx01061219010y1y2cmycmy55.1365. 62 . 11965. 60 . 1192 . 16 .105 . 97 .100 . 1196 . 02 . 16 .1021423231349)22 . 155. 6(16 .102 . 16 .10121)21955.13(119191121cmIx3. 焊缝强度验算焊缝强度验算1061012190max bM aM 22222232246max2246222/

24、5 .2912651 . 11 . 1/6 .22063.5239 .2003/18063.521019010100/310/89.2001013491055.131020/265/59.981013491065. 61020/310,/265,/180mmNfmmNmmNfAVmmNfmmNIMymmNfmmNIMymmNfmmNfmmNfwtwVWwcwbbwtwawVwtwV2aamax 验算如图所示的钢板对接焊缝的连接。验算如图所示的钢板对接焊缝的连接。M=1008kN.m，V=240KN，钢材，钢材Q235，E43焊条，手工焊，质量等级为三级，采用焊条，手工焊，质量等级为三级，采用引

25、弧板。引弧板。1. 截面几何特征值计算截面几何特征值计算4633mm1028981210002401032250wI【例题4.1】【解】2501016161000MV366maxmm106163. 5516102898yIWwwmax 1 1 1361mm10032. 250816250wS361mm10282. 325010500wwSS2. 焊缝强度计算焊缝强度计算22125,185N/mmN/mmwVwtff查表，wwwtISV 11tIVSwwmaxmax 1 max 1 wWMmax66106163. 5101008满足。,N/mm185N/mm5 .17922wtf10102898

26、10032. 210240663，满足。2wv2N/mm125N/mm2 .27fhh0max1 2N/mm9 .173103210005 .1791010289810032. 210240663 2N/mm8 .1621213 eq2223 .1768 .1639 .173N/mm，满足。2N/mm5 .2031851 . 11 . 1wtf 角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝直角角焊缝和和斜角角焊缝。斜角角焊缝。通常做成表面微凸的通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面等腰直角三角形截面（a a）。对承受动力荷）。对承受动力荷载的结构中，

27、正面角载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用焊缝的截面通常采用（b b）的形式，侧面角）的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹焊缝的截面则做成凹面式（面式（c c）。）。 （a） （b） （c）图图 直角角焊缝截面直角角焊缝截面普通型普通型平坡型平坡型凹面型凹面型h hf f焊脚尺寸；焊脚尺寸；h he e有效厚度（破坏面上焊缝厚度，有效厚度（破坏面上焊缝厚度，h he e h hf fcoscos /2/2）（1 1）直角角焊缝）直角角焊缝 两焊边的夹角两焊边的夹角 9090或或 90135135o o或或6012mm12mm）或或 190mm190mm（t t12mm12mm）；）；a) a) 构

28、件端部仅有两边侧缝连接时：构件端部仅有两边侧缝连接时：试验结果表明，连接的承载力与试验结果表明，连接的承载力与b / lb / lw w有关有关。为了避免应力传递的为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，应使：过分弯折而使构件中应力不均，应使： b b / l/ lw w 1 1；其中：其中：b b两侧缝之间的距离；两侧缝之间的距离； l lw w侧焊缝计算长度；侧焊缝计算长度； t t较薄焊件的厚度。较薄焊件的厚度。5.5.其他构造要求其他构造要求 b) b) 仅用正面角焊缝的搭接连接中，搭接长度不得小于焊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件较小厚度的5 5倍或

29、倍或25mm25mm。 C) C) 当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊角加焊2 2h hf f。避开起落弧发生在转角处的应力集中。避开起落弧发生在转角处的应力集中。b)2hfa)2hf2hf图图3.3.7 绕角焊缝绕角焊缝5 5t2525图图3-30 搭接连搭接连接接破坏面常发生在破坏面常发生在45斜面上。斜面上。侧焊缝侧焊缝端焊缝端焊缝计算截面计算截面均取焊缝均取焊缝45处有效截面（处有效截面（有效厚度有效厚度计算长度计算长度）焊缝有效高度焊缝有效高度he 0.7hf焊缝计算长度焊缝计算长度lw=每条焊缝长度每条焊缝长度-2hfhf

30、hehh1h2deh-h-焊缝厚度、焊缝厚度、h h1 1熔深熔深h h2 2凸度、凸度、d d焊趾、焊趾、e e焊根焊根图图3.3.9 角焊缝有效截面上的应力角焊缝有效截面上的应力国际标准化组织（国际标准化组织（ISOISO）推荐用式确定）推荐用式确定角焊缝的极限强度角焊缝的极限强度wuf)(8 . 1222d a dacche e 在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：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垂直于焊缝有效截面的正应力正应力 垂直于焊缝长度的垂直于焊缝长度的剪应力剪应力 平行于焊缝长度方向平行于焊缝长度方向剪应力剪应力 上式相当于国产上式

31、相当于国产Q235Q235钢提出，其它钢种公式左边系数（钢提出，其它钢种公式左边系数（3.0）式中：式中： fuw -焊缝金属的抗拉强度焊缝金属的抗拉强度wf2112233fffw角焊缝强度设计值角焊缝强度设计值 我国我国规范规范采用了折算应力公式，引入抗力分项系采用了折算应力公式，引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为：数后得角焊缝计算公式为：wuf)(3222 出于偏于安全考虑，且与母材的能量强度理论的折算出于偏于安全考虑，且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会（应力公式一致，欧洲钢结构协会（ECCSECCS），将（上式）的），将（上式）的1.81.8改为

32、改为3 3即：即：ffw由角焊缝抗剪条件确定，所以公式右边相当于角焊由角焊缝抗剪条件确定，所以公式右边相当于角焊缝抗拉强度设计值。缝抗拉强度设计值。 如图所示承受互相垂直的如图所示承受互相垂直的Ny、Nx两个轴心力作用的直角两个轴心力作用的直角角焊缝，角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力垂直于焊缝长度方向产生平均应力 f，其在有效，其在有效截面上引起的应力值为：截面上引起的应力值为：weyflhN f 对于有效截面既不是正应力也对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为不是剪应力，但可分解为 和和 。2f对直角角焊缝对直角角焊缝 ：图图3.3.10 直角角焊缝的计算直角角焊缝的计算

33、沿焊缝长度方向的力沿焊缝长度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊，在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力缝长度方向的剪应力 f。wexflhN则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：wff33222（3-5）wffff22fwff33242322f2f2f2f2f22. 123f f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时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，对直接承受动力荷载的结构， f 1.0 。 2f（3-13）对于在各种不与焊缝长度平行或垂直的力作用下，有效截面上产生对于在各种不与焊缝长

34、度平行或垂直的力作用下，有效截面上产生的应力，都可以分解为平行和垂直于焊缝长度方向的两种应力，然的应力，都可以分解为平行和垂直于焊缝长度方向的两种应力，然后按照（后按照（3-12）进行。）进行。 正面角焊缝正面角焊缝 f0，力力N与焊缝长度方向垂直。与焊缝长度方向垂直。侧面角焊缝侧面角焊缝 f0，力力N与焊缝长度方向平行。与焊缝长度方向平行。wffwefflhN（3-12）wfwefflhN（3-10）22wffff(3.3.6)f以上各式中：以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减

35、去2hf。计算公式计算公式（3-13）3.4.4 3.4.4 轴心力，弯矩，扭矩单独作用时的角焊缝的计算轴心力，弯矩，扭矩单独作用时的角焊缝的计算1.1.轴心力作用轴心力作用 当焊件受轴心力，且轴心力过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可当焊件受轴心力，且轴心力过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。认为是均匀分布的。(1(1）拼接板连接）拼接板连接NN(2)(2)角钢连接角钢连接(1(1）拼接板连接）拼接板连接a)a)仅采用侧面角焊缝连接仅采用侧面角焊缝连接NNl lw wl lw w连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和b)b)仅采用正面角焊缝连接仅采用正

36、面角焊缝连接wffwefflhNwfwefflhNNNwffweNfl hc c、采用三面围焊连接、采用三面围焊连接wffweNNfl hNNl lw wl lw w先先计算正面角焊缝承担的内力计算正面角焊缝承担的内力再再计算侧面角焊缝的强度计算侧面角焊缝的强度S Sl lw w连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和(2(2）承受斜向轴心力的角焊缝）承受斜向轴心力的角焊缝NNxNy f f平行于焊缝长度方向的分力平行于焊缝长度方向的分力Ncos 垂直于焊缝长度方向的分力垂直于焊缝长度方向的分力Nsin wefsinlhN（3.3.9a）welhNcosf（3.3.

37、9b）外力外力N和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力N被分解为：被分解为：代入（代入（.6），得焊缝计算公式：），得焊缝计算公式：wf2we2wefcossinflhNlhNwf2f2fff（2 2）角钢连接）角钢连接 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焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L L形围焊（如图所形围焊（如图所示）。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，示）。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴

38、线重合。传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。图图 桁架腹杆节点板的连接桁架腹杆节点板的连接NN1N2eb角钢的侧缝连接角钢的侧缝连接 a) a) 采用两侧面焊缝连接采用两侧面焊缝连接NNN2112-N eNb e解上式得肢背和肢尖的受力为：解上式得肢背和肢尖的受力为：（3.15）11b eNNK Nb22eNNK Nb（3.16）由平衡条件得：由平衡条件得：肢背肢背肢尖肢尖K1 ,K2角钢肢背角钢肢背,肢尖肢尖焊缝的内力分焊缝的内力分配系数配系数表表3.2 角钢角焊缝内力分配系数角钢角焊缝内力分配系数K设计问题设计问题11w1f22w2fweweNlhfNlhf 在在N1、N2作用下，肢

39、背和肢尖作用下，肢背和肢尖强度强度计算公式为：计算公式为： 在在N1、N2作用下，侧缝的作用下，侧缝的计算长度计算长度为：为：校核问题校核问题wfwfwflhNklhNef11111117 .02wfwfflhNklhNwef22222227 . 02 b) b) 角钢用三面围焊时角钢用三面围焊时wfff3wfff3flhflhNww3337 . 027 . 011312NK NN（3.17a）通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为: :22312NK NN（3.17b） 角钢角焊缝围焊的计算角钢角焊缝围焊的计算NN1N2ebN3lw2wfwfflhN1117

40、 .02wf2w2f27 . 02flhN可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸h hf3f3 ，并算出它所能承受的内力并算出它所能承受的内力N N3 3 ：c) c) 当采用当采用L L形围焊时形围焊时( (N20)N N1 1作用下角焊缝强度计算公式为：作用下角焊缝强度计算公式为：13NNNwfff3flhNw337 . 02wfwfflhN1117 .02例题例题3.33.3 试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽b2400mm，厚度，厚度t1=12mm，拼接盖板的厚度，拼接盖板的厚度t2

41、=8mm。该。该连接承受的静态轴心力连接承受的静态轴心力N600kN（设计值），钢材为（设计值），钢材为Q235B，手工焊，焊条为，手工焊，焊条为E43型型 设计拼接盖板的对接连接方法。设计拼接盖板的对接连接方法。 步骤步骤: 先假定焊脚尺寸和拼接盖板的尺寸，然后验算焊缝的承先假定焊脚尺寸和拼接盖板的尺寸，然后验算焊缝的承载力。载力。 如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时，则应调整如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时，则应调整焊脚尺寸，再行验算，直到满足承载力要求为止。焊脚尺寸，再行验算，直到满足承载力要求为止。 例题3.4 试确定图3-42所示承受静态轴心力N=640KN,试设计此连接。

42、已知角钢211010，与厚度为12mm的节点板连接，其搭接长度为300mm，焊脚尺寸hf=8mm，钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型。 解：角焊缝设计强度值角焊缝设计强度值2wfN/mm160fK1=0.7，K2=0.3，2.2.弯矩作用弯矩作用 弯矩弯矩M M作用下，角焊缝有效截面上的应力呈三角形分布，作用下，角焊缝有效截面上的应力呈三角形分布，属正面角焊缝性质。属正面角焊缝性质。由弯矩由弯矩M产生的最大应力：产生的最大应力：wffwfeWfflhMhlMWMw7 . 02662WW-角焊缝有效截面的截面模量角焊缝有效截面的截面模量M Mh he eh he et toMl(3-19

43、)(3-19)3.3.扭矩作用扭矩作用 扭矩扭矩T T作用下，角焊缝计算采用下述假定：作用下，角焊缝计算采用下述假定：1 1）被连接件是绝对刚性的，而角焊缝是弹性的。）被连接件是绝对刚性的，而角焊缝是弹性的。2 2）被连接件绕角焊缝有效截面形心）被连接件绕角焊缝有效截面形心0 0旋转，角焊缝上任一点的应力方旋转，角焊缝上任一点的应力方向垂直该点与形心连线，且应力的大小与连线长度向垂直该点与形心连线，且应力的大小与连线长度R R成正被。因此，设成正被。因此，设计控制点是焊缝有效截面上距形心的最远点，此处应力最大，计算公计控制点是焊缝有效截面上距形心的最远点，此处应力最大，计算公式：式：xxyyr

44、rxryA0h he e AT A ATAT作用下作用下A点应力点应力:J为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，J=Jx+JyJx，Jy焊缝计算截面对焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩；轴的惯性矩；JrT A将将 A A沿沿X X轴和轴和Y Y轴分解得：轴分解得：JTrrrJrTJTrrrJrTTATAxxAyyAsincos将将 AT和和 AT 带入带入3-133-13式，得到设计公式为：式，得到设计公式为：xxyyrrxryA0 AT A ATwfAffTTA22)( 当焊缝非轴心受力时，可以将外力作用分解为轴力、当焊缝非轴心受力时，可以将外力作用分解为轴力、弯矩、剪

45、力、扭矩等简单受力情况，分别求出具各自的焊弯矩、剪力、扭矩等简单受力情况，分别求出具各自的焊缝应力，然后利用叠加原理，找出焊缝中受力最大的几个缝应力，然后利用叠加原理，找出焊缝中受力最大的几个点进行验算。点进行验算。复杂受力时角焊缝连接计算复杂受力时角焊缝连接计算NxNxM MNyNy3.4.5 受弯矩受弯矩M 、剪力、剪力V 、轴力、轴力N共同作用时角焊缝的计算共同作用时角焊缝的计算(T)xf2e we w6NMh lh lA A点控制应力最大为控制设计点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：轴心拉力点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力N和弯矩和弯矩M产生产生的正应力。直接

46、叠加得：的正应力。直接叠加得：MNfNN2wl2wlMVeVxlwx0.7hf0.7hf有效截面有效截面A点产生的剪应力：点产生的剪应力：yfweNl hM=Ve代入角焊缝实用计算公式（代入角焊缝实用计算公式（3-13）：）：wf2f2fMNf将将F向焊缝群形心简化得向焊缝群形心简化得扭矩扭矩 T=F(e+a)该连接的设计控制点为该连接的设计控制点为A A点和点和A A点点3.4.5受扭矩、剪力受扭矩、剪力、轴心力共同作用时角焊缝的计算轴心力共同作用时角焊缝的计算(搭接连接）搭接连接）Vea0 xyyAAN0 xyVAANTxyrrxryA0h he e AT T ATT,V,N作用下作用下A

47、点应力点应力:xyA0 AV0y0 ANA AT AT AN AVweVlhNAweNlhNApxxPTcosITrrrIrTTApyyPTsinITrrrIrTTA代入角焊缝实用公式（代入角焊缝实用公式（3-13）强度验算公式：）强度验算公式：wf22)()(fNATAfVATA（3.-23）角焊缝计算步骤角焊缝计算步骤l确定荷载；确定荷载；l进行截面应力状态分析；进行截面应力状态分析；l确定焊脚尺寸，计算截面几何特征值；确定焊脚尺寸，计算截面几何特征值；l强度验算。强度验算。确定最不利位置；确定最不利位置；例例3.6 试设计如图试设计如图a所示牛腿和柱连接的角焊缝。已知所示牛腿和柱连接的角

48、焊缝。已知F=420kN(静静力荷载力荷载），钢材为），钢材为Q235B，焊条为，焊条为E43，手工焊。，手工焊。【解解】 采用如图采用如图b所示沿牛腿周边围焊的角焊缝，且再转角处连续施焊。为所示沿牛腿周边围焊的角焊缝，且再转角处连续施焊。为避免焊缝相交的不利影响，将牛腿的上下角切去避免焊缝相交的不利影响，将牛腿的上下角切去r15 mm的弧形缺口，的弧形缺口，因此可取焊缝的有效截面如图因此可取焊缝的有效截面如图c所示。所示。 力力F在角焊缝形心处引起的剪力：在角焊缝形心处引起的剪力：V=420kN弯矩：弯矩：M=Fe=4200.3=126kN.m，由于牛腿翼缘竖向刚度低，故一般由于牛腿翼缘竖向

49、刚度低，故一般考虑剪力由腹板上两条竖向焊缝承受，弯矩则由全部焊缝承受。考虑剪力由腹板上两条竖向焊缝承受，弯矩则由全部焊缝承受。 fB fA fB(a)(b)(c)F1. 焊缝有效截面的几何性质焊缝有效截面的几何性质取取mm7 . 6205 . 15 . 1mm6 . 982 . 12 . 1mm8maxfminminmaxffththh两条竖向焊缝的有效截面面积：两条竖向焊缝的有效截面面积：2ecm4 .378 . 025 . 123887 . 02A全部焊缝有效截面对全部焊缝有效截面对x轴的惯性矩：轴的惯性矩：4222wcm1627072.18158 . 07 . 0228.20158 .

50、07 . 024 .338 . 07 . 01212I3e791cm56.2016270W全部焊缝有效截面模量：全部焊缝有效截面模量：2. 焊缝强度验算焊缝强度验算B点，承受由弯矩和剪力共同作用点，承受由弯矩和剪力共同作用22fBN/mm2 .14756.2019N/mm3 .591满足满足223efBN/mm3 .112104 .3710420AV2wf222fB2ffN/mm1608 .1643 .11222. 12 .147fBA点承受由弯矩产生的垂直于焊缝长度方向的应力点承受由弯矩产生的垂直于焊缝长度方向的应力2wff236efAN/mm19516022. 1N/mm3 .591107

51、9110126fWM满足满足例例3-6 试设计如图所示厚度为试设计如图所示厚度为12mm支托板与柱翼缘搭接连接支托板与柱翼缘搭接连接的角焊缝。已知的角焊缝。已知V=200kN(静力荷载静力荷载），钢材为），钢材为Q235，焊条为，焊条为E43，手工焊。，手工焊。【解解】 采用图示三面围焊采用图示三面围焊mm7 . 6205 . 15 . 1mm1110211221mm8maxfminmaxffththh）（）（选VA29286.7xy400A0h he e AT T AT AF16400300423xcm1606820)8 . 030(8 . 07 . 02408 . 07 . 0121I42

52、32ycm515867. 82/ )8 . 030()8 . 030()8 . 030(8 . 07 . 0121267. 8408 . 07 . 0I4yxpcm21226515816068III1. 焊缝有效截面的几何性质焊缝有效截面的几何性质 焊缝有效截面的形心位置焊缝有效截面的形心位置cm67. 840)8 . 030(28 . 07 . 02/8 . 03098 . 07 . 022x86.7xy400A0h he e23weN/mm30.362)8300(40087 . 010200)(lhVAVWVA T f f FA2wf22222fN/mm160N/mm3 .14773.96

53、22. 13 .3629.99)(fTAVTAA2. 焊缝强度验算焊缝强度验算(A点点)244px244pyN/mm29.991021226)7 .868300(1010266N/mm73.9610212262001010266AITrITrTAT满足满足MKNT.10266)67. 83030(2003.5 3.5 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形3.5.1 焊接残余应力和变形的原因焊接残余应力和变形的原因1.1.焊接残余应力的分类焊接残余应力的分类 纵向纵向焊接应力：长度方向的应力焊接应力：长度方向的应力 横向横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表焊接应力：垂直于焊缝长

54、度方向且平行于构件表面的应力面的应力 ； 厚度方向厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。件表面的应力。 +-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm施焊时焊缝附近达施焊时焊缝附近达16001600以上，而邻近区域温度骤降。以上，而邻近区域温度骤降。焊缝周围焊缝周围产生不均产生不均匀温度场匀温度场l 焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩；焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域

55、的限制产生热塑性压缩；l 焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力；焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力；l 拉应力大小可达钢材屈服点拉应力大小可达钢材屈服点 fy;l 远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。（1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力2.2.焊接残余应力的成因焊接残余应力的成因-+（2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力l焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处中中部受拉，两端受压部受拉，两端受压；l先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性先焊焊缝凝固阻

56、止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先焊焊缝产生压应力；焊焊缝产生压应力；l应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关；l横向应力是上述两种应力合成。横向应力是上述两种应力合成。(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向焊缝横向残余应力残余应力yx-+施施焊焊方方向向(e)xy-+-施施焊焊方方向向( f )yx不同施焊方向不同施焊方向下下, ,焊缝横向焊缝横向收缩时产生的收缩时产生的横向残余应

57、力横向残余应力+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy（3 3）沿厚度方向的焊接残余应力）沿厚度方向的焊接残余应力l在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。-+-321x xy yz zl冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。 因此除了横向和纵向焊接残余应力因此除了横向和纵向焊接残余应力 x x ， y y外，还存在沿厚度方外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力向的焊接残余应力 z z ，这三种应力形成同号三向拉应力，这三种应力形