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2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 1 钢结构的连接方法 2 钢结构焊接方法简介 3 焊接结构的特性和焊缝 4 焊缝代号 5 对接焊缝的计算和构造 6 直角角焊缝的受力性能 钢结构的焊接连接 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 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 焊接残余应力和残余变形 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 1 钢结构的连接方法 钢结构连接钢结构是一种由预制材料（钢材）制 作，通过工厂加工成构件，再经工地现场拼装而形成的 结构，因此，构件与构件之间的连接节点是形成钢结构 并保证结构安全正常工作的重要组成部分。 连接的要求：足够的强度、刚度和延性。 连接方法：销钉、螺栓、铆钉、焊缝。 销钉连接因使用不便已摒弃，铆钉也基本为焊缝连接 和螺栓连接取代。焊缝连接和螺栓连接是目前的主要连 接方式。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 铆钉连接 螺栓连接 焊缝连接 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 2 焊接方法简介 电弧焊 气体保护焊 电渣焊 气焊 电阻焊 （1）手工电弧焊 （2）自动埋弧焊 （3）半自动埋弧焊 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 电弧焊 气焊 电阻焊 电渣焊 利用通电后焊接材料（焊条或焊丝）和焊件之间产生电弧，熔化焊接材 料形成焊缝，需要使用焊条： 手工电弧焊： Q235E43系列， Q345E50系列Q390E55系列 不同钢种连接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条 质量不易保证，用于现场焊 自动（半自动）埋弧焊： Q235H08、H08A、H08MnA焊丝， Q345、Q390 H08A、H08E、H10Mn2 质量均匀，塑性、冲击韧性好，用于规则构件的工厂焊 利用乙炔在氧气中燃烧形成的火焰融化焊条形成焊缝用于薄钢板和 小型结构焊接 利用电流通过待连接焊件的表面产生的热量融化金属、通过压力使之熔 合用于厚度不超过12mm钢板和薄壁型钢焊接 利用电流通过熔渣所产生的电阻热熔化填充金属和母材，凝固后形成连 接 气体保护焊 采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝，电弧使焊丝熔化形成焊缝 CO2气体保护被焊金属与空气接触 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 采用涂有焊药的焊条 通电后，焊条与焊件之间产生电弧 高热量使焊条熔化而形成焊缝 设备简单，适应性强 ，应用最广泛 质量波动大，生产率 低，劳动强度大 导线 2.1 手工电弧焊 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 采用无涂层焊药的焊丝，埋在焊剂下 通电后电弧使焊丝、焊剂熔化形成焊缝 熔化后的焊剂成为焊渣，浮在金属面上 半 自 动 埋 弧 焊 焊缝质量好，生产效率高 需专用焊接设备，成本高 全 自 动 埋 弧 焊 2.2 自动、半自动埋弧焊 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 焊接速度快，熔化深度大 可手工焊，也可自动化操作 目前工厂很常用的焊接方法 室外施焊要有避风措施，防止气孔、焊坑缺陷 采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝 电弧使焊丝熔化形成焊缝 CO2气体保护被焊金属与空气接触 焊丝 2.3 气体保护焊 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 非消耗 熔嘴式 采用管状焊条(熔嘴),焊丝从管内进入 电流通过熔渣产生的电阻热，熔化焊件和焊丝形成焊缝 常用于高层建筑等箱形柱内部的横隔板焊接 有消耗和非消耗熔嘴式电渣焊之分 消耗熔嘴式 2.4 电渣焊 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 采用乙炔在氧气中燃烧的火焰来熔化焊条 适用于钢板厚度薄的连接，一般小厂家备用此焊接设备 2.5 气焊 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 不采用焊接材料 电流通过焊件表面 的电阻，产生热量 熔化金属，再加压 力而焊合 适宜板厚不大于12 mm的焊接 冷弯薄壁型钢连接 常采用此焊接方法 2.6 电阻焊 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 3 焊接结构的特性和焊缝连接 材质易变脆 产生残余应力、残余变形、焊接缺陷 对钢结构疲劳、稳定有不利影响 较多地依赖焊工的技能水平 质量检验要求较高时检验工作量较大 缺点 优点 构造简单 任何形状的构件可直接连接，无需辅助零配件 省工省料 加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面 施工快速 可自动化操作 连接的密闭性好，刚度大，整体性好 3.1 焊接结构的特性 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 热裂纹 冷裂纹 气孔 烧 穿 夹 渣 根部未焊透 边缘未熔合 焊缝层间未熔合 咬 边 焊瘤 焊缝缺陷 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 检 验 标 准 三 级肉眼外观检查 二级 肉眼外观检查 超声波 用于有较大拉应力的较重要连接 不得存在裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷 一级 肉眼外观检查 超声波 X射线 用于抗动力、疲劳荷载的重要连接 不得存在未满焊、咬边、根部收缩、裂纹、表面气孔、夹渣 、电弧擦伤等缺陷 用于一般连接所有焊缝均应作外观检验，不允许有可 见裂纹等缺陷。其它缺陷如咬边、表面气孔、夹渣等按规范要求； 超声波 检测设备 焊缝质量检验 无损检测：一级焊缝全数检验， 二级焊缝抽检20以上 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 3.2 焊接接头形式和焊缝类别 对接焊缝角焊缝对接焊缝 角焊缝 （1）焊缝接头形式 对接接头搭接接头 T形接头 角形接头 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （2）焊缝类型 用料经济，传力平稳，动力性能好 较厚的板需开剖口，费工 施工简便 传力不均，应力集中严重，搭接时费料 对接焊缝 直焊缝斜焊缝 角焊缝 侧焊缝（与力平行）端焊缝（与力垂直） 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 直边缝单边V形缝双边V形缝 板厚 t 20 mm 对接焊缝坡口形式 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 不同宽度 不同厚度连接 可不设斜坡 引弧板 对接焊缝其它构造 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 直角焊缝 斜角焊缝 普通型深熔型 平坡型 角焊缝构造 适宜动力荷载，但施焊不便 施焊方便，最常用 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 间断焊缝 连续焊缝 不重要或受力小的构件，可采用间断焊缝连接 连续焊缝与间断焊缝 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （3）焊缝的施焊方式 俯焊 横焊 立焊 仰焊 质量好质量一般质量差 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 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 单面焊缝的标注方法 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 双面焊缝的标注方法 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 当焊缝分布比较复杂或用上述注标方法不能表达清楚时， 可在标注焊缝代号的同时，在图上加栅线表示焊缝。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 5 对接焊缝的计算和构造 （1）焊缝截面 焊缝截面厚度焊缝所连接板件的较薄厚度； 焊缝截面计算长度 采用引弧板时，焊缝全长有效； 未采用引弧板时，计算焊缝长度=焊缝长度减去2t （2）传力特性 （1）焊缝传递焊件拼接处所承受的构件内力 （2）力线没有转折（或基本没有转折） 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （3）焊缝强度 一、二级焊缝 强度与焊件母 材相同；三级 焊缝强度较母 材低。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 1. 确定计算截面上的内力（荷载效应） 2. 确定焊缝质量检验等级 根据结构重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环 境以及应力状态等 3. 确定焊缝强度设计值 抗拉强度；抗压强度；抗剪强度 计算焊缝截面特性 截面面积A、惯性矩I、截面模量W、面积矩S等 5. 应力计算 6. 强度校核 （4）计算步骤 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 直 焊 缝 引弧板 N 轴心拉力或压力 tw 焊缝厚度（不同板连接时为较小板厚） lw 焊缝计算长度，有引弧板lwL， 无引弧板lwL2t（较小板厚） 对接焊缝抗拉或抗压设计强度强度 焊缝应力验算 式中： （5）焊缝轴心受力直缝 直缝 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 斜 焊 缝 焊缝应力 简化验算 lw 斜焊缝计算长度， 对接焊缝抗剪设计强度 规范规定 当 ，可不验算。 斜缝 （6）焊缝轴心受力斜缝 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 弯矩 M 剪力 V 平板梁 工字形梁 应力分布 应力 分布 弯矩M 剪力 V 轴力 N 应力 分布 （7）梁的拼接弯矩、剪力、轴力作用 焊缝应力验算 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 与一般梁连接计算不同：可假定剪力仅由梁或牛腿腹板承受 弯矩 M 剪力 V 梁柱连接处 柱牛腿处 a tw 焊缝截面 应力分布 （8）牛腿焊接弯矩、剪力作用 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 焊缝有效抗剪面积， 整个焊缝截面的面积； （9）牛腿焊接弯矩、剪力、轴力作用 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 例1：设计50014钢板的对接焊缝连接。钢板承受 轴向拉力，其中恒荷载和活荷载标准值引起的轴心 拉力值分别为700kN和400kN，相应的荷载分项系数 为1.2和1.4。已知钢材为Q235-B.F（A3F），采用 E43型焊条手工电弧焊，三级质量标准，施焊时未 用引弧板。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 解 ： 1焊缝承受的轴心拉力设计值为： 2三级对接焊缝抗拉强度设计值 3先考虑用直焊缝验算其强度 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 直焊缝强度不够，故应采用斜焊缝。按照 （tg 1.5，即560）的要求布置斜焊缝。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 例2: 8m跨度简支梁的截面和荷载(设计值,包括 梁自重),拟在离支座 2.5m 处做翼缘和腹板的 工厂拼接,试设计其拼接对接焊缝。已知钢材为 Q235-B.F（A3F），采用E43型焊条手工电弧焊 ，三级质量标准，用引弧板施焊。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 解 ： 1 离支座2.5m处的内力（设计值）为 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 2计算 梁截面参数： 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 3验算强度： 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 端焊缝 侧焊缝 计算截面 均取焊缝45喉部为有效截面 （假定破坏截面） 有效焊缝高度 h e 0.7 h f (焊缝高度) h f h f h e 有效截面 （1）角焊缝的计算截面 hf he hf h1 h2 d e h-焊缝厚度、h1熔深 h2凸度、d焊趾、e焊根 6 直角角焊缝的受力性能 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 不应太小 否则不能焊透，导致实际承载力不足； 焊缝冷却太快容易开裂。 角焊缝焊脚尺寸 hf 不应太大 否则焊缝冷却后产生较大变形； 较薄焊件容易烧穿。 hf t1 t2 t t1 hf 焊脚尺寸是指角焊缝根角至焊缝截面外边缘（焊趾）的尺寸 计算焊缝长度lw 每条连续焊缝的长度2h f（每端扣h f ） 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （2）角焊缝的应力状态-侧缝 主要受剪应力，分布不均，两头大中间小， 焊缝越长应力不均匀程度越高 强度相对较低，塑性较好 破坏常发生在近似45斜平面上 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 角焊缝应力状态远比侧焊缝复杂 正、剪应力都有，且分布很不均匀 根部应力集中最厉害，常常是开裂的起源点 焊缝破坏强度高，但塑性差 端焊缝应力 分布 A B C D （2）角焊缝的应力状态-端缝 破坏模式 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 90侧焊缝 0端焊缝 荷载变形曲线 （2）角焊缝的应力状态-端缝与侧缝的比较 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 7 直角角焊缝的强度计算 （1） 角焊缝的计算应力 基本公式： 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时 仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时 同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 破坏面 试验公式 N y Nx = f he lw 45O45O hf 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 简化公式 f 端焊缝强度增大系数 f 直角焊缝 斜角焊缝 1.0 1.22 静载、 间接动载 1.0 直接动载 f 当 0 时 0 时 式中： 平行焊缝长度方向的计算应力 垂直焊缝长度方向的计算应力 角焊缝强度设计值 危险点 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （1）最小焊脚尺寸hf,min 式中: t2-较厚焊件厚度。 当t24mm时, hf,min = t2 对于自动埋弧焊hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 8 角焊缝的尺寸限制和构造要求 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （2）最大焊脚尺寸hf,max hf,max1.2t1 式中: t1-较薄焊件厚度。 对于板件边缘的角焊缝： 当 t6mm时，hf,maxt； 当 t 6mm时， hf,max t -(12)mm； 钢管构件除外 对圆孔或槽孔内的角焊缝，焊脚尺寸尚不宜大于圆孔 直径或槽孔短径的1/3。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （4）侧缝的最大计算长度 当实际长度大于以上值时，计算时不考虑超过部分的强度； 但当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。 （3）角焊缝的最小计算长度 当焊件的焊接长度不受限制时，在满足最大焊缝长度的 要求下，小而长的焊缝比大而短的焊缝好！ 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （5）断续角焊缝 e为断续角焊缝的净距；t为较薄焊件的厚度；l为每段角 焊缝的长度。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （6）搭接连接的构造要求 板件与节点板的连接仅用两侧缝焊接时： A、为避免应力传递过分弯折导致应力不均： B、为避免焊缝横向收缩引起的板件拱曲太大： 不满足此条件时，应加塞焊或采用三面围焊！ b t1 t2 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 C、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。 D、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。 t1 t2 b 2hf l 9 直角角焊缝连接的计算 9.1 计算步骤 轴力、剪力及联合作用 弯矩及与轴力、剪力的共同作用 扭矩及与轴力、剪力的共同作用 焊缝群截面特性计算 计算长度：非连续焊缝计算长度Lw=L-nhf 连续焊缝只考虑起弧和落弧处的扣除hf 焊缝群形心轴确定、有效截面积、截面模量计算等 应力计算 强度校核 确定 焊缝（焊缝群）内力分析 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 两边侧焊 两边端焊 验算 端焊缝强度提高系数 验算 认为焊缝有效截面上应力均匀分布 一条单独的焊缝，每端扣除hf （1）拼接板连接 承受轴力N作用 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 验算 四周围焊 当焊缝受直接动力荷载时： 由端焊缝 1 N1 1 2 2 再验算侧焊缝 N1 lw1 N2，lw2 减小拼接板 角部应力集中 四周菱形围焊 简化验算 无论静载、动载 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 肢背焊缝 肢尖焊缝 b lw2 lw1 两边侧焊 由平衡条件 N1、N2 不均匀分配 （2）角钢与拼接板连接 承受轴力N作用 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 角钢类型连接形式 内力分配系数 肢背K1肢尖K2 等肢角钢0.700.30 不等肢角钢 短肢连接 0.750.25 不等肢角钢 长肢连接 0.650.35 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 b lw2 lw1 三面围焊 由端焊缝强度验算确定 由平衡 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 梁柱连接受弯矩M、剪力V、轴力N 作用 危险点 a： 验算 危险点 b： 仅腹板 焊缝截面 梁柱连接 整个焊缝截面 焊缝应力分布 弯矩 轴力 剪力 加劲肋 整个截面Aw, Iw （3）梁柱连接 弯矩、剪力、轴力作用 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 焊缝截面 V(a+e) 轴力N产生A点的应力 剪力V产生的A点应力 扭矩T产生的应力：焊缝为弹性体，板为刚性体，绕形心 o 旋转 （4）牛腿焊接 扭矩、剪力、轴力作用 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 X方向合应力： Y方向合应力： 验算： A点： 极惯性矩 Izw=Ixw+Iyw 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 10 斜角角焊缝连接的计算 计算规定与直角角焊缝公式相同，但不考虑正面角 焊缝的强度设计值增大系数，即=1.0；焊缝计算高度 有具体规定。 T形接头斜角角焊缝夹角应满足60135, 如不满足则不宜作受力焊缝（钢管节点除外）。 11 部分焊透的对接焊缝连接的计算 按角焊缝的计算公式。 在承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的对接 焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。 例3：如图所示拼接板的平接连接，主板截面为 14400mm,承受轴心力设计值N=920KN（静力荷载） ，钢材为Q235，采用E43型系列焊条，手工焊。试设 计拼接板尺寸，两方案：（a）用侧面角焊缝； （b）用三面围焊。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 解 ：（1）拼接板截面选择 根据拼接板和主板承载能力相等原则，拼接板 钢材亦采用Q235，两块拼接板截面面积之和应不小 于主板截面面积。 拼接板厚度 ： t1=401.4/(236)=0.78cm,取8mm, 故每块拼接板截面为8360mm 考虑拼接板要侧面施焊，取 拼接板宽度为360mm (主板和拼接板宽度差略大于2hf)。 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 （2）焊缝设计 ： 直角角焊缝的强度设计值为ftw=160N/mm2。 设hf=6mm hf=8-(12) = 67 mm ( t=86 mm ) 2009.11 长沙 中南大学桥梁工程系 钢结构的焊接连接 因b200mm（b纵向焊接应力沿焊缝方向 两板焊接 焊缝区受拉、两侧受压 焊接工字钢腹板中央受压，两端受拉 翼缘中央受拉，两端受压 横