[PPT]钢结构设计原理之角焊缝的构造和计算讲义

1、7.4 角焊缝的构造和计算一、构造种类:根据受力方向和焊缝的位置分正面角焊缝和侧面角焊缝 根据焊脚边的夹角分直角角焊缝和斜角角焊缝焊缝截面形式普通焊缝 、直线型 、等边凹型正面角焊缝侧面角焊缝hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式（1）直角角焊缝hehfhf凹面式（2）斜角角焊缝对于135o或6mm时，hf,maxt-(12)mm；hft1t4. 角焊缝的尺寸限制（2）最小焊脚尺寸hf,min 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求: 式中: t2-较厚焊件厚度 当t24mm时, hf,min=t2另:对于自动埋弧焊hf,min可减去1m

2、m; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; （3）侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：注： 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑； 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。（4）侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：5. 搭接连接的构造要

3、求 当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时： A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范规定：B、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲 太大，规范规定：t1t2bD. 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的5倍，且不得小于25mm。 C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕 角焊，且转角处必须连续施焊。b2hft1t2二、直角角焊缝的强度计算公式 1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：hfhehh1h2dehelwh-焊缝厚度、h1熔深h2凸度、d焊趾、e焊根2、实际上计算截面的各应力分量的计

4、算比较繁难， 为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截面处破坏，且各应力分量满足以下折算应力公式: 3、由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的故上式又可表达为：式中：-焊缝金属的抗拉强度helw4、直角角焊缝的强度计算公式：f= fhelw45O45OhfNNyNxNz上式即为规范给定的角焊缝强度计算通用公式f正面角焊缝强度增大系数； 静载时取1.22，动载时取1.0。对于正面角焊缝，f=0，得：对于侧面角焊缝，f=0，得： 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。三. 实际应用拼接板连接受轴心力作用角钢与节点板的

5、连接在弯矩、剪力、轴力作用下在扭矩、剪力作用下角焊缝计算1、拼接板连接受轴心力作用（1）轴心力作用下的盖板对接连接:A、仅采用侧面角焊缝连接：B、采用三面围焊连接：NNlwlw 被连接板截面为14350，拼接盖板宽度b=300，厚度t2=8。承受轴心力设计值N=930kN（静力荷载），钢材为Q235，采用E43系列焊条，手工焊，采用三面围焊。试设计此连接。(2)T形角焊缝连接NxNyNN验算焊缝强度，即:2、角钢与节点板的连接角焊缝连接A、仅采用侧面角焊缝连接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2仅采用侧面角焊缝连接对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxlw1

6、lw2B、采用三面围焊由力及力矩平衡得:余下的问题同情况A，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2计算三面围焊的角钢连接，角钢为2L1409010，连接板厚度t=12mm，承受静荷载设计值N=1000kN。钢材为Q235B，焊条E43型，手工焊。焊脚尺寸为hf=8mm，焊缝强度设计值ffw =160N/mm2。求角钢所需焊缝长度。C、采用L形围焊代入下式3-20，3-21得:对于设计问题:Ne1e2bN1xxN3lw13、N、M、V共同作用下(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算NeNxNyMANxMNyhehet(2) V、M共同作用下焊缝强度计算h1fAfBf对于A点：式中：Iw全部焊缝

7、有效截面对中和轴的惯性矩； h1两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxhh2BBAh1MeFVM对于B点：强度验算公式：式中：h2、lw,2腹板焊缝的计算长度； he,2腹板焊缝截面有效高度。h1f1f2fxxhh2BBAh1MVM假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。4、T、V共同作用下将F向焊缝群形心简化得: V=F T=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA0TVr故：该连接的设计控制点 为A点和A点T作用下A点应力:

8、将其沿x轴和y轴分解:xxyyrrxryATAxTAyTA0Vyhee2x0l1l2xxyyAA0TVr剪力V作用下,A点应力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为:A点平行于焊缝长度方向的应力为:强度验算公式：思考:以上计算方法为近似计算，为什么?VxxyyrrxryATAxTAyTA0Vyhe7.5 焊接残余应力和焊接残余变形一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1、焊接残余应力的分类 A、纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向; B、横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向; C、沿厚度方向的焊接残余应力 2、焊接残余应力产生的原因 （1）纵向焊接残余应力 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不

9、均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+-500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-+ （2）横向焊接残余应力 产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝

10、的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。 以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。(a)焊缝纵向收缩 时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩 时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩 时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-+施焊方向(e)-+-施焊方向( f )xyyx（3）沿厚度方向的焊接残余应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨

11、胀，产生塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力x,y 外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力z，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。-+-321xyz二、焊接残余应力对结构性能的影响1、对结构静力强度的影响f+-bfy+-bfyNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+-fyfbBt2、对结构刚度的影响A、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该部分刚度为

12、零（屈服），这时在N作用下应变增量为：f+-bfyNN+-fyfNNbBt因为B-b 2。结论： 焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。B、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为： 另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。 所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。3、对低温冷脆的影响4、对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。三、焊接变形 焊接变形包括：纵向收缩