钢结构焊接连接结构特性及焊缝连接计算

钢结构的焊接连接1钢结构的连接方法2钢结构中所使用的焊接方法简介3焊接结构的特性和焊接连接4焊缝代号(或焊缝符号)5对接焊缝的计算和构造6直角角焊缝的受力性能7直角角焊缝的强度计算8角焊缝的尺寸限制和构造要求9直角角焊缝连接的计算10斜角角焊缝连接的计算11部分焊透的对接焊缝连接的计算12焊缝的质量等级13焊缝残余应力和残余变形14国外设计规范中的某些规定

钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接（connections）构成的，各构件再通过安装连接架构成整个结构。因此，连接在钢结构中处于重要的枢纽地位。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。

钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等，如下图。1钢结构的连接方法

1、手工电弧焊

这是最常用的一种焊接方法。通电后产生电弧使焊条中的焊丝熔化，滴落在焊件上被电弧所吹成的小凹槽熔池中。由焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖着熔池，防止空气与熔化的液体金属接触，避免形成脆性易裂的化合物。焊缝金属冷却后把被连接件连成一体。2钢结构中所使用的焊接方法简介

手工电弧焊设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系。

手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材（或称主体金属）相适应，例如：对Q235钢采用E43型焊条（E4300～E4328）；对Q345钢采用E50型焊条（E5000～E5048）；对390钢和Q420钢采用E55型焊条（E5500～E5518）。焊条型号中字母E表示焊条（elecfrodes)，前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度，后两位数字表示适用连接位置、电流及药皮类型等。

不同钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案，即宜采用与低强度钢相适应的焊条。2钢结构中所使用的焊接方法简介1、手工电弧焊

埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。焊丝不涂药皮，但施焊端靠由焊剂漏头自动流下的颗粒状焊剂所覆盖，电弧完全被埋在焊剂之内，电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接，具有很高的生产率。由于采用了自动或半自动化操作，焊接时的工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，故焊成的焊缝的质量好，焊件变形小。

埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属的力学性能相适应，并应符合现行国家标准的规定。2钢结构中所使用的焊接方法简介2、自动（或半自动）埋弧焊1、焊丝转盘；2、送丝电机；3、焊剂漏斗

4、电源；5、融化的焊剂；6、焊缝金属

7、焊件；8、焊剂；9、移动方向

气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清楚地看到焊缝成型的过程；由于保护气体是喷射的，有助于熔滴的过渡；又由于热量集中，焊接速度快，焊件熔深大，故所形成

的焊缝强度比手工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置的焊接。但不适用于在风较大的地方施焊。

4、其他：如电阻焊等2钢结构中所使用的焊接方法简介3、气体保护焊

气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法。它直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层，以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程的稳定性。3焊接结构的特性和焊接连接简介一、焊缝连接的特性

焊接连接(welded

connection)是现代钢结构最主要的连接方法。其优点是：构造简单，节点复杂也可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。

其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。3焊接结构的特性和焊接连接简介一、焊缝连接的特性裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透

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，在钢材冷却后这些部位残存的应力。它是构件未受荷载时的应力，是自相平衡的内应力体系。

正确选材、正确设计节点、施焊工艺严格、考核焊工。3焊接结构的特性和焊接连接简介一、焊缝连接的特性

焊接残余变形——在焊接和冷却过程中焊件产生的变形。使用前矫直，工厂预拼装。3焊接结构的特性和焊接连接简介一、焊缝连接的特性

焊接接头的形式3焊接结构的特性和焊接连接简介二、焊接接头的形式和焊缝的类别对接连接用拼接盖板的对接连接搭接连接T形连接T形连接角形连接角形连接（角焊缝）（对接焊缝）（角焊缝）（角焊缝）

焊缝的类别1.对接焊缝位于板件同一平面内且截面相同，因而传力均匀平缓，没有明显的应力集中且用料经济，但是焊件边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。3焊接结构的特性和焊接连接简介二、焊接接头的形式和焊缝的类别3焊接结构的特性和焊接连接简介二、焊接接头的形式和焊缝的类别I形单边VU形双边U形V形X形

K形坡口深度钝边尺寸坡口角度根部间隙

焊缝的类别2.角焊缝角焊缝（fillet

welds）是最常用的焊缝。角焊缝按其与作用力的关系可分为：焊缝长度方向与作用力垂直的正面角焊缝；焊缝长度方向与作用力平行的侧面角焊缝以及斜焊缝。按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。

3焊接结构的特性和焊接连接简介二、焊接接头的形式和焊缝的类别3焊接结构的特性和焊接连接简介二、焊接接头的形式和焊缝的类别

焊缝的类别3.其它3焊接结构的特性和焊接连接简介二、焊接接头的形式和焊缝的类别

图14（a）塞焊缝（b）槽焊缝（c）点焊缝3焊接结构的特性和焊接连接简介三、焊接（施焊）位置平焊横焊仰焊立焊4焊缝代号

作用——表明焊缝型式、尺寸和辅助要求。表示方法——由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。指引线画法4焊缝代号

焊缝基本符号与基准线的相对位置焊缝在箭头侧双面对称布置的角焊缝焊缝在非箭头侧双面对称U形对接焊缝4焊缝代号

焊缝符号中的辅助符号与补充符号4焊缝代号

焊缝符号中的辅助符号与补充符号5对接焊缝的计算和构造一、对接焊缝的计算焊缝等级：《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）三级焊缝：外观检查二级焊缝：在外观检查的基础上再做无损检验，用超声波检验每条焊缝的20％长度，且不小于200mm一级焊缝：在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷引弧：（否则焊缝有效长度扣2t）5对接焊缝的计算和构造二、对接焊缝的构造6角焊缝的受力性能侧面角焊缝的应力分布正面角焊缝的应力分布6角焊缝的受力性能角焊缝的应力—位移曲线侧面角焊缝:

塑性性能好剪应力沿长度分布不均焊缝强度较低正面角焊缝:

刚度较大沿长度应力分布较均匀但截面受力状态复杂焊缝强度较低6角焊缝的受力性能

[例题4-1]

试验算图3.2.6所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm，t=22mm，轴心力的设计值为N=2500kN。钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。解：直缝连接其计算长度lw=540mm，焊接正应力为

改用斜对接焊缝，取斜焊缝与作用力间的夹角θ

=56°，则此时焊缝的计算长度为焊缝中的正应力、减应力和折算应力分别为（不满足要求）说明当tanθ

≤1:1.5时，焊缝强度能够保证，可不必验算。7直角角焊缝的强度计算一、基本假定1.沿45度方向的焊缝截面为计算时的破坏面2.角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度取相同值，为ffw3.在形心力作用下，假定沿焊缝长度的应力分布是均匀的二、强度计算法1.在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下：（1）当力垂直于焊缝长度方向时（2）当力垂直于焊缝长度方向时2.在其它力或各种力综合作用下，同一点上

sf

和

tf

共同作用时bf——正截面角焊缝强度设计值增大系数。静力荷载和间接动力载时取

bf=1.22；对于直接承受动力荷载结构中的焊缝，由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应将其强度降低使用，取bf=1.0。he——角焊缝的有效高度，直角角焊缝he=0.7hf。lw——角焊缝计算长度，为实际长度扣2hf，用于考虑起弧和熄弧。7直角角焊缝的强度计算8角焊缝的尺寸限制和构造要求1.焊脚尺寸hf1）最小焊脚尺寸：对手工焊，hf应不小于1.5t0.5，t为较厚焊件的厚度(mm)，对自动焊可减小1mm；T型接头单面叫焊缝时增加1mm。t小于等于4mm时则取hf

=h。2）最大焊脚尺寸：除了直接焊接钢管结构的焊脚尺寸hf不宜大于支管壁厚的2倍之外，hf不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。板件边缘的角焊缝，当板件厚度t≤6mm时，hf≤t；当t＞6mm时，hf≤t-（1-2）mm。圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。

8角焊缝的尺寸限制和构造要求2、焊缝的计算长度1)lw＞８hf和lw＞40mm2)侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf，直接承受动力荷载时不宜大于40hf

（若内力沿测面角焊缝全长分布时，比如焊接梁翼缘板与腹板的连接焊缝，计算长度可不受上述限制）。3、断续角焊缝8角焊缝的尺寸限制和构造要求4、侧焊缝间距5、当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2hf的绕角焊，以消除起弧或熄弧的影响。8角焊缝的尺寸限制和构造要求lw≥b,b≤16t2(t＞12mm),b≤16t2(t＞12mm)5、搭接连接间距6、直接承受动力荷载时宜采用1:1.5的不等焊脚的角焊缝8角焊缝的尺寸限制和构造要求9直角角焊缝连接的计算一、外力N通过焊缝形心时的计算

在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。9直角角焊缝连接的计算一、外力N通过焊缝形心时的计算

在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。

对于三面围焊可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸，求出正面角焊缝所分担的轴心力N3。当腹杆为双角钢组成的T形截面，且肢宽为b时，9直角角焊缝连接的计算一、外力N通过焊缝心时的计算单面连接单角钢，焊缝强度设计值折减为0.85ftw9直角角焊缝连接的计算一、外力N通过焊缝心时的计算[例题]

试确定右图所示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢2∟125×10，与厚度为8mm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。9直角角焊缝连接的计算一、外力N通过焊缝心时的计算12焊缝的质量等级

GB50017规范规定，焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质量等级：

（1）在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质量等级为：

①作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T型对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；

②作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。

（2）不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。

（3）重级工作制和起重量Q≥50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透。焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝，其质量等级不应低于二级。

（4）不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为：

①对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁，焊缝的外观质量标准应符合二级；

②对其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。

13焊接残余应力与残余变形一、焊接残余应力

焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场导致不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。

在无外部约束的情况下，焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力。

当有外部约束时，焊接应力不