第六章焊接结构设计方法

第6章焊接结构设计方法焊接结构的基本要求、载荷焊接结构的失效形式常规设计方法（许用应力设计法）概率极限状态设计法分析设计焊接结构的构造设计 6.1焊接结构的基本要求一、结构效能指结构系统分配给各个构件部分所应具有的能力二、寿命周期费用三、结构工艺性要求四、结构的可靠性与维修性五、焊接结构的风险与结构完整性6.2载荷一、载荷分类（1）静力载荷包括重力载荷和不随时间变化的工作载荷（2）动力载荷包括惯性载荷和冲击载荷（3）自然载荷专指风、冰、雪、地震和温度变化等自然因素所造成的载荷二、载荷组合（1）基本载荷指始终或经常作用在焊接结构上的载荷包括自重载荷和工作载荷（2）附加载荷指在正常工作状态下，焊接结构所受到的非经常性作用的载荷包括最大风载荷、温度载荷、冰雪载荷以及某些工艺载荷等（3）特殊载荷指处于非工作状态下，焊接结构可能受到的最大载荷，或者在工作状态下，结构偶然受到的不利载荷组合Ⅰ：基本载荷；组合Ⅱ：基本载荷+附加载荷；组合Ⅲ：基本载荷+特殊载荷或三类载荷都组合。强度和稳定性的安全系数必须同时满足组合Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三类情况下的规定值疲劳强度只按载荷组合Ⅰ进行计算6.3焊接结构的失效形式失效：焊接结构中，由于焊接接头断裂、表面损伤、过量变形和材质劣化，导致降低结构承受规定载荷能力的现象。一、断裂失效断裂是构件在外力作用下，当其应力达到材料的断裂强度时产生的破坏主要形式：（1）脆性断裂（2）塑性断裂（3）疲劳断裂（4）蠕变断裂二、表面损伤表面损伤：构件由于应力或温度的作用造成的表面材料损耗，或者是由于构件与介质产生不希望有的化学或电化学反应而使金属表面损伤主要形式（1）磨损可分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损等（2）腐蚀损伤包括均匀腐蚀、电化学腐蚀、摩擦腐蚀、空蚀、应力腐蚀和高温腐蚀等（3）接触疲劳包括表面麻点、亚表面麻点和剥落等三、过量变形过量变形：金属构件在使用过程中产生超过设计配合引起的过量形变。主要形式：（1）过量弹性变形（2）过量塑性变形四、材质变化失效材质变化失效：由冶金因素、化学作用、辐射效应和高温长时间作用等因素引起材质变化，使材料性能降低而发生的失效现象。6.4焊接结构承载能力的设计计算方法6.4.1常规设计方法（许用应力设计法）（1）强度准则式中，lim—极限应力。

一次断裂

材料的强度极限

疲劳断裂

构件的疲劳极限

塑性变形

材料的屈服极限

表面接触疲劳

零件的接触疲劳极限

n—安全系数（2）刚度准则

式中，y

—弹性变形量；[y]—许用变形量（3）寿命准则（4）振动稳定性准则振动稳定性准则是指设计时使结构中受激振作用的各零件的固有频率f与激振源的频率fP错开

或6.4.2概率极限状态设计法一、结构的可靠度结构的可靠性：结构在规定的条件下和规定的时间内，完成预定功能的能力。结构的可靠度：对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的条件下和规定的时间内，完成预定功能的概率。设计基准期长，可靠度要求就高二、结构的极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，称此特定状态为该功能的极限状态我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003规范）规定承重结构应按下列二类极限状态进行设计：（1）承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适用于继续承载的变形（2）正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久能力的某项规定的限制值三、概率极限状态设计原理影响结构完成特定功能的两个基本因素：（1）载荷效应S：指载荷作用在结构上所引起的结构及其构件的应力和变形（2）结构抗力Z：指结构及其构件承受载荷效应的能力结构的功能函数表示为

Z=R–SR和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量功能函数Z存在以下三种可能状态：>0结构处于可靠状态

Z=R–S=0结构达到极限状态

<0结构处于失效状态结构或构件的失效概率可表示为失效概率Pf与可靠度指标β的关系

结构构件设计时采用的可靠度指标，可根据对现有结构构件的可靠度分析，并考虑使用经验和经济因素等确定我国《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068—2001）规定，结构构件承载能力极限状态的可靠指标，不应小于表6-2的规定。

6.4.3分析设计一、分析设计的基本思想分析设计是对结构进行详细的应力分析，然后进行应力分类，且对不同类型应力按不同的设计准则来限制，合理地区别对待。设计步骤：结构分析→应力分析→应力分类→计算应力强度→校核应力强度分析设计采用最大剪应力理论（第三强度理论）作为判据、采用较高的许用应力二、应力分析的有限元法有限元法的基本思想：将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题有限元法的一般步骤：结构的离散化→选择位移模式→建立平衡方程→求解节点位移→计算单元中的应变和应力6.5焊接结构的构造设计6.5.1截面设计截面设计是结构刚度计算的主要工作。一、抗弯截面设计材料确定后，构件的抗弯刚度主要由抗弯惯性矩的大小决定二、抗扭截面设计材料确定后，构件的抗扭刚度主要由抗扭惯性矩的大小决定6.5.2可达性设计焊接的可达性是使每条焊缝都能方便地施焊检验的可达性应使需要质量检验的焊缝能顺利地进行检验焊缝位置应便于施焊，

有利于保证焊缝质量

尽量在水平位置焊接除焊接空间位置外，还应考虑各种焊接方法所需要的施焊操作空间6.5.3焊接应力和变形控制设计通过合理布置焊缝来减小焊接应力和变形主要途径如下：一、尽量减少焊缝数量二、选择合理的焊缝形状和尺寸应采用尽量小的焊缝尺寸采用开坡口的焊缝比不开坡口而用一般角焊缝可减少焊缝金属，对减小角变形有利选择合理的坡口形式三、尽可能分散布置焊缝焊缝集中分布容易使接头过热，是材料的力学性能降低焊缝过分集中使应力分布更不均匀，而且还会出现双向或三向复杂的应力状态两条焊缝的间距一般要求对于3倍或5倍的板厚四、尽可能对称分布焊缝焊缝对称分布可使各条焊缝的焊接变形相互抵消箱型结构

（a）焊缝集中于中性轴一侧，弯曲变形大

（b）焊缝安排合理6.5.4抗震性设计只有重要的结构要求地震情况下不