焊缝的构造和计算教学课件

1、3 钢结构的连接设计3.5 对 接 焊 缝的构造和计算3.5.1对 接 焊 缝的 构 造：坡口形式直边缝单边V形缝双边V形缝板厚 t 20 mm3 钢结构的连接设计不同宽度不同厚度可不设斜坡引弧板3.5.2其它构造3 钢结构的连接设计3.5.3 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。t为对接接头中为连接件的较小厚度；在T形接头中为腹板厚度;3.4.4 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） 3 钢结构的连接设计3.5.4 焊缝强度设计值3 钢结构

2、的连接设计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对接焊缝一般均有全熔透要求，等级为二级或一级 3. 确定焊缝强度设计值 抗拉强度 抗压强度 抗剪强度 4. 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3.5.6 计算步骤3 钢结构的连接设计直焊缝引弧板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：3.5.7 典型节点（1）焊缝轴心受力直缝直缝

3、3 钢结构的连接设计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强度规范规定当 ，可不验算。斜缝3.5.7典型节点（1）焊缝轴心受力斜缝3 钢结构的连接设计弯矩 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3.5.7 典型节点（2）梁的拼接弯矩、剪力、轴力作用3 钢结构的连接设计弯矩 M 剪力 V梁柱连接处柱牛腿处atw焊缝截面应力分布与一般梁中连接计算不同：剪力仅由梁或牛腿腹板承受 3.5.7典型节点（3）牛腿焊接弯矩、剪力作用3 钢结构的连接设计焊缝有效抗剪面积，整个焊缝截面的面积； 3.5.7典型节点（4）牛腿焊接弯矩、剪力、轴力作用3

4、 钢结构的连接设计3.6 角焊缝的构造和计算直角焊缝斜角焊缝3.6.1 角焊缝的构造 ： 角焊缝的截面（1）按两焊角边夹角划分 除钢管结构外, 对于135o或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1/33 钢结构的连接设计（3）最小焊脚尺寸hf,min6.2 角焊缝截面尺寸（3）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1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 3 钢结构的连接设计（4）侧缝的最大计算长度3.6.2 角焊缝截面尺

5、寸（4）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。（5）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！3 钢结构的连接设计（6）搭接连接的构造要求3.6.2 角焊缝截面尺寸（5）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。b2hft1t23 钢结构的连接设计构造要求汇总3.6.2 角焊缝截面尺寸（6）3 钢结构的连接设计角焊缝的其它构造要求： (1) 承受动力荷载的结构中，垂直于

6、受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。 (2) 在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为1:1.5,长边顺内力方向；对侧面角焊缝可为1:1。 (3) 在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。 3.6.2 角焊缝截面尺寸（7）3 钢结构的连接设计（1）端缝：焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。端缝破坏强度要高一些，但塑性差。 （2）侧缝：焊缝长度方向与受力方向平行，其特点为应力分布简单些

7、，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。侧缝强度低，但塑性较好。 3.7 角焊缝的受力特点3 钢结构的连接设计3.7.1侧缝的应力状态主要受剪应力，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3 钢结构的连接设计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ABCD3.7.2端缝应力状态破坏模式3 钢结构的连接设计90侧焊缝0端焊缝荷载变形曲线3.7.3 端缝与侧缝的比较3 钢结构的连接设计端焊缝侧焊缝 计算截面 均取焊缝45喉部为有效截面（假定破坏

8、截面）有效焊缝高度 h e 0.7 h f (焊缝高度)h fh fh e有效截面计算焊缝长度lw 每条连续焊缝的长度2h f（每端扣h f ）3.7.4 角焊缝的计算截面（1）hfhehh1h2deh-焊缝厚度、h1熔深h2凸度、d焊趾、e焊根3 钢结构的连接设计 角焊缝的有效截面为平分角焊缝夹角的截面，破坏往往从这个截面发生。有效截面的高度（不考虑焊缝余高）称为角焊缝的有效厚度he ， 当 =90o 时： he 0.7 hf ； 其他： he hf cos( /2)。3.7.4角焊缝的计算截面（2）3 钢结构的连接设计破坏面试验公式 3.7.5 角焊缝的计算应力（1）NyNx= fhelw

9、45O45Ohf3 钢结构的连接设计简化公式 f 端焊缝强度增大系数 f直角焊缝斜角焊缝 1.01.22 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3.7.5 角焊缝的计算应力（2）3 钢结构的连接设计3.7.6 角焊缝强度设计值3 钢结构的连接设计 角焊缝计算的基本公式 式中 f 正面角焊缝的强度设计值增大系数， ；但对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应取f 1.0； f按角焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的正应力； f 按角焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方

10、向的剪应力。 3.8角焊缝计算3 钢结构的连接设计3.8.1 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3 钢结构的连接设计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hf3.8.2 典型节点（1）拼接板连接 承受轴力N作用3 钢结构的连接设计验算四周围焊当焊缝受直接动力荷载时：由端焊缝1N1122再验算侧焊缝N1

11、lw1N2，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3.8.2 典型节点（1）拼接板连接 承受轴力N作用 3.8.2典型节点（1） 受轴心力作用时 一般情况：轴心力N通过焊缝重心，且与焊缝长度方向的夹角为：3 钢结构的连接设计特殊情况： =90，焊缝长度与受力方向垂直（正面角焊缝）： (3-6) =0，焊缝长度与受力方向平行（侧面角焊缝） ： (3-7) 式中 lw为连接一侧所有焊缝的计算长度之和，每条焊缝按实际长度减去2hf。 3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计肢背焊缝肢尖焊缝blw2lw1两边侧焊N1、N2 不均匀分配3.8.3 典型节点（2）角钢与拼接板连接

12、 承受轴力N作用N1 +N2 =NN1 e1 = N2 e2e1 + e2 =b由平衡3 钢结构的连接设计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0.650.353.8.3 典型节点（2）角钢与拼接板连接 承受轴力N作用 3.8.3 典型节点（3）角钢与拼接板连接 承受轴力N作用角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算 3 钢结构的连接设计blw2lw1三面围焊N1 +N2 +N3 =NN1 e1 = N2 e2 +N3(e2 b/2) e1 + e2 =b端部正面角焊缝能传递的内力为： 3 钢结构的连接设计由平衡3.

13、8.3 典型节点（4）角钢与拼接板连接 承受轴力N作用角钢用“L”型焊缝与节点板连接的焊缝计算 由 N2 = 0得： 3 钢结构的连接设计blw2lw13.8.3 典型节点（5）弯矩单独作用时的焊缝计算 3 钢结构的连接设计 任一点处：式中 Ww角焊缝有效截面的截面模量。3.8.3 典型节点（6）扭矩单独作用时的焊缝计算 3 钢结构的连接设计3.8.3 典型节点（6）扭矩单独作用时的焊缝计算 3 钢结构的连接设计扭矩单独作用时 式中 J 角焊缝有效截面的极惯性矩，J=IxIy ； rAA点至形心o点的距离。 将 A分解到x和y方向，有 3.8.3 角焊缝在弯矩、剪力、轴向力、扭矩共同作用时的焊

14、缝计算 3 钢结构的连接设计3.8.3 角焊缝在弯矩、剪力、轴向力、扭矩共同作用时的焊缝计算步骤： 3 钢结构的连接设计1、首先求出单独外力作用下的角焊缝的应力，并判断该应力状态相对该焊缝产生端缝受力还是侧缝受力，分别用 和 表示。2、采用叠加原理，将各种外力作用下的焊缝应力用进行叠加。叠加时注意应取焊缝截面上同一点处的应力值进行叠加，而不是最大应力值进行叠加。为此，事先应预判断焊缝应力“最危险点”， “最危险点”一般位于焊缝边缘处，偏离形心较远处。3 钢结构的连接设计梁柱连接受弯矩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

15、力 剪力 加劲肋整个截面Aw, Iw3.8.3 典型节点（7）梁柱连接 弯矩、剪力、轴力作用3 钢结构的连接设计焊缝截面 =V(a+e)剪力V产生的A点应力3.8.3典型节点（8）牛腿焊接 扭矩、剪力、轴力作用轴力N产生A点的应力扭矩T产生A点的应力极惯性矩 Izw=Ixw+Iyw3 钢结构的连接设计焊缝截面 =V(a+e)X方向合应力：Y方向合应力：验算：A点：3.8.3典型节点（8）牛腿焊接 扭矩、剪力、轴力作用3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计3.8.4 焊接应力与焊接变形1.焊接变形： 钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变

16、形称为焊接变形。 2.焊接应力： 焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。3.焊接应力产生的原因及其危害 （1）原因 焊接应力产生的原因本质上焊接过程中的热胀冷缩引起的。两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。 3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计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，两端受压横向焊接应力垂直焊缝方向 A. 焊缝纵向收缩导致两块板

17、反向弯曲中间横向受拉，两端受压 B. 施焊先后不同，则冷却时间不同，导致后焊部分收缩受拉，先冷 部分受杠杆作用也受拉，中间部分受压 A和B两种作用叠加厚度方向焊接应力表面受压，中央受拉 3.8.4 焊接应力与焊接变形焊接应力：3 钢结构的连接设计X (横向焊接应力) Y (纵向焊接应力 )Z (厚度方向焊接应力)焊缝纵向焊接应力平 板 工字形截面3.8.4焊接应力与焊接变形3 钢结构的连接设计第一部分 施焊方向收缩横向焊接应力应力分布 第二部分 厚度方向焊接应力=合成 应力3.8.4焊接应力与焊接变形（2）焊接应力的危害 A. 由于承载时可扩展塑性区，常温下受静载不影响强度，但会影响刚度 B.

18、 焊缝中的三向应力阻碍塑性变形的发展，导致开裂，降低疲劳强度 C. 降低构件稳定性，和使构件提前进入塑性工作阶段 4.焊接变形的产生和防止 （1）焊接变形产生的原因及形式 焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。 表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。如图： 3 钢结构的连接设计3.8.4焊接应力与焊接变形3 钢结构的连接设计与焊接应力同时产生，由焊区收缩变形导致波浪变形纵向收缩横向收缩弯曲角变形波浪变形扭曲变形3.8.4焊接应力与焊接变形3 钢结构的连接设计（2）降低焊接应力和焊接变形的措施1）选择合理的施焊顺序(分段、分层、分块等)；2）采用合理的焊缝设计： 尽量避免三向焊缝汇交； 控制焊缝厚度不要过大； 尽量对称布置