角焊缝的构造和计算.ppt

1,3.4 角焊缝的构造和计算,一、角焊缝的构造,1.角焊缝的分类,焊缝长度方向垂直于力作用方向的焊缝称为正面角焊缝（亦称端焊缝）、平行于力作用方向的焊缝称为侧面角焊缝（亦称侧焊缝）、既不垂直也不平行的为斜焊缝，以及由它们组合而成的围焊缝。,2,2.角焊缝的截面形式及受力特点,当角焊缝两焊脚边的夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝，是建筑结构中最常用的角焊缝。,两焊脚边的夹角不是90时的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角焊缝主要应用于钢管结构中。,3,角焊缝的表面一般做成凸形，但对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，为了减少应力集中，常将焊缝表面做成凹形。但是经验表明，由于凹形表面收缩时拉应力较大，容易在焊后产生裂纹，而凸形焊缝收缩时反而不容易开裂。如用手工焊，因施焊成型极为困难，采用凹形表面更不合适。所以手工焊应采用直线形表面，或先焊微凸表面再用砂轮打磨为直线形表面。当用自动焊时，由于电流强度大，金属熔化速度快，熔深大，焊缝金属冷却后自然形成凹形表面，此种凹形表面不易开裂，且动力性能较好。,4,正面角焊缝的根部(图中的“A”点)和趾部(图中的“B”点)都有很大的应力集中。应力集中系数随根部的熔深大小和焊趾处斜边与水平边夹角而变。增大熔深和减小夹角均可大大降低应力集中系数。,5,对直接承受动态荷载结构中的正面角焊缝，根据国内外的试验资料，认为为了满足疲劳强度的要求，最好两焊脚尺寸比例为1:3(=18.4)。但施工单位反映，焊缝表面坡度愈小施焊愈困难，需要多次堆焊才能形成，这样反而影响焊缝质量。因此，我国现规范根据实际情况规定两焊脚尺寸比例为1:1.5(长边顺内力方向)。但有些国家的规定更为严格。 直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（图 (a)）。在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面常采用图 (b)所示的坦式，侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图 (c)）。,6,大量试验结果表明，侧面角焊缝主要承受剪应力，塑性较好，弹性模量低，强度也较低。传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，因而应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著，但随着进入塑性工作阶段会产生应力重分布，可使应力分布的不均匀现象渐趋缓和。我国规范根据实践经验，认为侧面角焊缝的长度限值应与焊脚尺寸有关，因此规定最大计算长度为60hf。如果内力沿侧面角焊缝全长分布，计算长度可不受上述限制，它包括焊接组合梁翼缘板与腹板的纵向焊缝、支承加劲肋与腹板的连接焊缝等。过去动力荷载作用下侧焊缝的最大长度控制较静力荷载的严，近年来经过试验研究，证明对静载或动载可以不加区别，统一取某个规定值。,7,正面角焊缝受力更复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。这一方面由于力线弯折，另一方面由于在焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端。正面角焊缝的静力破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形要差些。而斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间，即塑性比正面角焊缝好、强度比侧面角焊缝高。,构件端部与节点板的连接焊缝可用两面侧焊和三面围焊，围焊中有正面角焊缝和侧面角焊缝，正面角焊缝的静力强度较高、刚度较大，而侧面角焊缝的静力强度较低但塑性较好。所以三面围焊与两面侧焊相比，破坏时较为突然，且塑性变形较小。但是对构件来说，三面围焊使构件截面中的应力较为均匀，与两面侧焊相比，焊缝附近的构件主体金属疲劳强度较高。,8,图3-4-6 角焊缝的应力 （a）侧面角焊缝；(b) 正面角焊缝,9,3.角焊缝的尺寸限制,(1) 焊脚尺寸,最小焊脚尺寸：如果板件厚度较大而焊缝过小，则施焊时焊缝冷却速度过快而产生淬硬组织，易使焊缝附近主体金属产生裂纹。这种现象在低合金高强度钢中尤为严重。据此并参考国内外资料，规定,式中，t为较厚板件的厚度，单位mm，计算时小数点以后均进为1mm；考虑到低氢型焊条施焊的焊缝焊渣层厚，保温条件较好，t可采用较薄焊件的厚度。埋弧焊的热量较集中，因而熔深较大，故最小焊脚尺寸可较上式的规定减小1mm；而T形连接的单面角焊缝可靠性较差，应增加1mm；当焊件厚度4mm时，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同，即hf4mm。,10,最大焊脚尺寸：角焊缝的焊脚尺寸不能过大，否则易使母材形成“过烧”现象，而且使构件产生较大的焊接残余变形和残余应力。所以规定hf1.2tmin, tmin为较薄焊件的厚度（图3-4-7（a）。对板件厚度为t的边缘角焊缝（图3-4-7（b），若焊脚尺寸hf=t，在施焊时容易产生咬边现象，不易焊满全厚度。因此规定，当t6mm时，取hft-(12)mm；当t6mm，由于一般用小直径焊缝施焊，技术较易掌握，可采用与焊件等厚的角焊缝，即hf t。如果另一焊件厚度tt时，还应满足以hf1.2t的要求。在十字形接头中（图3-4-7（c），为避免厚度为t2的板“过烧”，宜将焊脚尺寸控制在hft2的范围。,11,图3-4-7 最大焊脚尺寸,不等焊脚尺寸的应用。当两焊件厚度相差悬殊时(图3-4-8)，用等焊脚尺寸往往无法满足最大和最小焊脚尺寸的规定。为解决这一矛盾，规范推荐采用不等焊脚尺寸。,图3-4-8 不等焊脚尺寸,12,侧面角焊缝的最小长度,侧面角焊缝的焊脚尺寸大而长度过小时，焊件局部加热严重，焊缝起落弧缺陷相距太近，加上可能有其他缺陷(气孔、夹渣等)，对焊缝强度的影响必然较为敏感，使焊缝可靠性降低；另外，焊缝集中在一很短距离，焊件的应力集中也较大。此外，侧面角焊缝多用于搭接连接，作用力对焊缝有偏心、产生偏心弯矩，如果焊缝长度过小，偏心弯矩影响就较大，使焊缝承载力降低。所以规范规定侧面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。,13,侧面角焊缝的最大计算长度,侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大而中间小，当两焊件的截面积不相等时，例如下图的板l的截面积小于板2的截面积，则剪应力的分布不对称于焊缝中点，靠近小截面一端的应力高于截面大一端的应力。虽侧面角焊缝有良好的塑性，但如果焊缝长度超过某一限值时，有可能首先在焊缝的两端破坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度lf60hf，当实际长度大于上述限值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布、以及粱的支承加劲肋与腹板连接焊缝等，计算长度可不受上述限制。,14,侧面角焊缝的应力分布,搭接长度：采用正面角焊缝的搭接连接，受力时会产生附加弯矩(图3.4.10)，搭接长度愈小附加弯矩影响愈大；另外焊缝距离愈近，收缩应力也愈大。因此规定搭接长度不得小于5tmin(tmin为焊件的较小厚度)，并不得小于25mm。,搭接连接的弯曲变形,15,侧焊缝长度与距离要求,两侧面角焊缝的搭接连接，其连接强度与b/lw有关（b为两侧焊缝之间的距离）。b/lw愈大，则连接强度愈低。为使连接强度不致过分降低，故现规范规定应满足lw b。另外，仅有两面侧焊缝的搭接连接，两侧焊缝之间的距离b太大时，焊缝收缩容易使板件向外拱曲太大，因此规定b16t(当t12mm时)或b190mm (当t12mm时)。如果b不能满足此规定，应加正面角焊缝或者加槽焊(下图 (c)或者圆孔焊(下图(d)。,16,角焊缝的围焊和绕角焊,（a）两边侧焊；(b) 三边围焊 ；(c) L形围焊；(d) 绕角焊,在非围焊的情况下，角焊缝的端部正好在构件连接的转角处，如此处做长度为2hf的绕角焊（上图（d），可以避免起落弧缺陷引起转角处过大的应力集中。,17,二、直角角焊缝强度计算的基本公式,如前所述，角焊缝的受力状态是很复杂的。图3-4-13所示为直角角焊缝的截面， 0.7hf为直角角焊缝的有效厚度he（喉部尺寸）。试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部及其附近，通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面(即有效厚度与焊缝计算长度的乘积)作为有效截面或称计算截面。,图3-4-13 直角角焊缝截面,图3-4-14 角焊缝有效截面上的应力,18,任何受力情况的角焊缝，均可求得作用于有效截面上的三种应力（图3-4-14）：垂直于有效截面的正应力、垂直于焊缝长度方向的剪应力、以及沿焊缝长度方向的剪应力。即使如此，精确计算仍比较困难，一般是根据试验结果，找出比较合理而又简单的设计方法和相应的公式供设计时应用：无论侧焊缝还是端焊缝，都假定破坏发生在有效截面上，按应力均布并认为都是剪坏，根据试验取最低平均破坏应力来确定其设计强度，这基本上也是国际标准化组织推荐的方法。,应注意的是计算有效厚度he时，不考虑熔深和凸度。现行规范未区分焊件方法的影响，对自动焊来说偏保守。对于凸度，其尺寸大小无法保证，另外，还有凹形的，难于统一考虑，因此均忽略不计。,19,角焊缝的基本计算公式,式中，f按焊缝有效截面（helw）计算，垂直于焊缝长度方向的应力； f按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力； lw角焊缝的计算厚度，对每条焊缝取实际长度减去；当然应满足构造要求； f正面角焊缝的强度增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构， f 1.22，对直接承受动力荷载的结构， f 1.0。,20,三、角焊缝连接的计算,1.轴心力作用下角焊缝的计算,(1) 钢板连接,1) 轴心力与焊缝相垂直-正面角焊缝,2) 轴心力与焊缝相平行-侧面角焊缝,3) 轴心力与焊缝成一夹角-斜角焊缝,21,令,则斜焊缝的计算式为：,22,(2) 承受轴心力的角钢角焊缝计算,当角钢用角焊缝连接时，虽然轴心力通过截面形心，由于截面形心到角钢肢背和肢尖的距离不等，肢背焊缝和肢尖焊缝的受力是不相等的： 肢背处受力大而肢尖处受力小，可用内力分配系数量化。,23,图3-4-17 角钢角焊缝受力分配 （a）两边侧焊；(b) 三边围焊 ；(c) L形围焊,在钢桁架中，弦杆、腹杆承受中心拉力或压力，这些杆件常常采用角钢组成。在节点处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(图3-4-17)。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。,24,1) 两边仅用两条侧面角焊缝连接时,设N1、N2分别为角钢肢背焊缝和肢尖焊缝承担的内力，由平衡条件得：,式中，k1、k2为焊缝内力分配系数,2) 三面 围焊时,先确定正面角焊缝所分担的轴心力：,25,再通过平衡关系可解得：,3) L形围焊,令N2=0，由上式得：,26,根据上述方法求得角钢各条连接焊缝所承受的内力N1、N2和N3后，便可按角焊缝的计算公式设计各焊缝的长度lw、焊脚尺寸hf，也可验算已有焊缝的强度。 考虑到每条焊缝两端的起灭弧缺陷，实际焊缝长度为计算长度加2hf；但对于三面围焊，由于在杆件端部转角处必须连续施焊，每条侧面角焊缝只有一端可能起灭弧，放焊缝实际长度为计算长度加hf；对于采用绕角焊的侧面角焊缝实际长度等于计算长度加 hf(绕角焊缝长度2hf不进入计算)。,27,2.弯矩、剪力和轴心力共同作用下的角焊缝计算,(1)承受偏心斜向力的角焊缝连接计算,图中A点应力最大，为控制设计点,此处垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成：,28,(2) 工字形截面梁（或牛腿）角焊缝连接计算,下图所示为工字形截面梁（或牛腿）与柱采用角焊缝的连接，通常承受弯矩M和剪力V的联合作用。由于翼缘的竖向刚度较差，在剪力作用下，如果没有腹板焊缝存在，翼缘将发生明显挠曲。这就说明，翼缘板的抗剪能力极差。由于翼缘板的竖向刚度不足，一般假定剪力仅由竖直腹板焊缝承受，而弯矩则由全部焊缝承受。 为了焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置角焊缝，由于翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，此弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处，为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件。,29,30,(3) T形截面牛腿角焊缝连接计算,计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩则由全部焊缝承受。显然控制设计点为竖直焊缝的下端点A。,31,3.扭矩、剪力和轴心力共同作用下的角焊缝计算,32,计算角焊缝在扭矩T作用下产生的应力时，是基于下列假定： 被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心0旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性；角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。,式中 r圆心至焊缝有效截面中线的距离； Ip焊缝有效截面的极惯性矩。,33,受剪力和扭矩作用的角焊缝,34,计算时按弹性理论，确定焊缝有效截面的形心位置和计算扭矩T及轴心力F产生的应力时，都可不考虑焊缝方向（即不区分是正面角焊缝还是侧面角焊缝），只在最后验算式中引进系数f。,在扭矩T作用下，A点(或A点)的应力为：,将分解为垂直于焊缝长度方向的应力和沿焊缝长度方向的剪应力：,35,另外，轴心力F产生的应力按均匀分布于全截面计算，在验算点处该应力垂直于焊缝长度方向F：,36,应该指出的是上述计算方法中，假定轴心力产生的应力为平均分布。实际上，在上图轴心力作用下，水平焊缝为正面焊缝，而竖直焊缝为侧面焊缝，两者单位长度分担的应力是不同的，前者较大，后者较小。显然，轴心力产生的应力假设为平均分布，与前面基本公式推导中，考虑焊缝方向的思路不符。同样，在确定形心位置以及计算扭矩下所产生的应力时，也设有考虑焊缝方向，而只在最后验算式中引进了系数f，上面计算方法有一定的近似性。,37,【例3-4-1】承受轴心拉力的板件，采用上、下两块拼接板并采取角焊缝三边围焊连接。已知板件宽度b1=400mm，厚度t1=18mm(图3-3-26)；承受轴心拉力N=1425kN；两块拼接板的宽度b2=340mm，厚度t2=12mm；钢材为Q235。采用手工焊接，焊条为E43。试确定盖板尺寸。,38,【解】设计拼接盖板连接的方法比较灵活，可先假定焊脚尺寸求焊缝长度，再由焊缝长度确定拼接盖板的尺寸，不满意时可调整焊脚尺寸再算；若有丰富的经验，则可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。 角焊缝的焊脚尺寸hf应根据板件厚度确定： 由于此处的焊