PPT钢结构设计原理之角焊缝的构造和计算讲义

7.4角焊缝的构造造和计算一、构造种类:根据受受力方方向和和焊缝缝的位位置分分正面角角焊缝缝和侧面角角焊缝缝根据焊焊脚边边的夹夹角分分直角角角焊缝缝和斜角角角焊缝缝焊缝截截面形形式普通焊焊缝、直线线型、等边边凹型型正面角角焊缝缝侧面角角焊缝缝hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式（1）直角角角焊缝缝hehfhf凹面式（2）斜角角角焊缝缝对于α>135o或α<60o斜角角角焊缝缝,除钢管管结构构外,不宜用用作受受力焊焊缝。。应力分分布侧面角角焊缝缝（见图7.24）正面角角焊缝缝（见图7.26）有效厚厚度截截面：：he=0.7hf试验表表明侧侧面角角焊缝缝主要要承受受剪力力，强强度相相对较较低，，塑性性性能能较好好。因因外力力通过过焊缝缝时发发生弯弯折，，故剪应力力沿焊焊缝长长度分分布不不均匀匀，两端大大中间间小，lw/hf越大剪剪应力力分布布越不不均匀匀。A.应力分分析剪应力τfNlwNB.破坏形形式A.应力分分析正面角角焊缝缝受力力复杂杂，应应力集集中严严重，，塑性性较差差，但但强度度较高高，与与侧面面角焊焊缝相相比可可高出出35%--55%以上。。B.正面角角焊缝缝的破破坏形形式（1）最大大焊脚脚尺寸寸hf,max为了避避免焊焊缝处处局部部过热热，减减小焊焊件的的焊接接残余余应力力和残残余变变形，，hf,max应满足足以下下要求求:hf,max≤1.2t1（钢管结结构除除外））式中:t1---较薄焊焊件厚厚度。。tt1hf对于板板件边边缘的的角焊焊缝,尚应满满足以下要要求：：当t≤6mm时，hf,max≤t；当t>6mm时，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t4.角焊缝缝的尺尺寸限限制（2）最小小焊脚脚尺寸寸hf,min为了避避免在在焊缝缝金属属中由由于冷冷却速速度快快而产产生淬淬硬组组织，，导致致母材材开裂裂，hf,min应满足足以下下要求求:式中:t2----较厚焊焊件厚厚度当t2≤4mm时,hf,min=t2另:对于自自动埋埋弧焊焊hf,min可减去去1mm;对于T型连接接单面面角焊焊缝hf,min应加上上1mm;（3）侧面面角焊焊缝的的最大大计算算长度度侧面角角焊缝缝在弹弹性工工作阶阶段沿沿长度度方向向受力力不均均，两两端大大而中中间小小。焊焊缝长长度越越长，，应力力集中中系数数越大大。如如果焊焊缝长长度不不是太太大，，焊缝缝两端端达到到屈服服强度度后，，继续续加载载，应应力会会渐趋趋均匀匀；当当焊缝缝长度度达到到一定定的长长度后后，可可能破破坏首首先发发生在在焊缝缝两端端，故故：注：1、当实实际长长度大大于以以上值值时，，计算算时不不与考考虑；；2、当内力力沿侧焊焊缝全长长分布时时，不受受上式限限制。（4）侧面角角焊缝的的最小计计算长度度对于焊脚脚尺寸大大而长度度小的焊焊缝，焊焊件局部部加热严严重且起起落弧坑坑相距太太近，以以及可能能产生缺缺陷，使使焊缝不不可靠。。故为了了使焊缝缝具有一一定的承承载力，，规范规规定：5.搭接连接接的构造造要求当板件端端部仅采采用两条条侧面角角焊缝连连接时：：A、为了避免免应力传传递的过过分弯折折而使构构件中应应力不均均，规范范规定：：B、为了避免免焊缝横横向收缩时引起起板件的的拱曲太大，规规范规定定：t1t2bD.在搭接连连接中，，搭接长长度不得得小于焊焊件较小小厚度的的5倍，且不不得小于于25mm。C.当角焊缝缝的端部部位于构构件转角角处时，，应作2hf的绕角焊，且转角角处必须须连续施施焊。b2hft1t2二、直角角角焊缝缝的强度度计算公公式1、试验表明明，直角角角焊缝缝的破坏坏常发生生在喉部，故通常常将45o截面作为为计算截截面，作作用在该该截面上上的应力力如下图图所示：：σ┻hfhehh1h2deτ┻τ∥helwh---焊缝厚度度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根2、实际上计计算截面面的各应应力分量量的计算算比较繁繁难，为为了简简化计算算，规范范假定：：焊缝在有有效截面面处破坏坏，且各应应力分量量满足以以下折算算应力公公式:┻┻∥3、由于我国国规范给给定的角角焊缝强度设设计值，，是根据据抗剪条条件确定的的故上式式又可表表达为：：式中：--焊缝金属的抗拉强度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw4、直角角焊焊缝的强强度计算算公式：：┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45OhfNNyNxNz上式即为为规范给给定的角角焊缝强强度计算算通用公公式βf—正面角焊焊缝强度度增大系系数；静载时取取1.22，动载时时取1.0。对于正面面角焊缝缝，τf=0，得：对于侧面面角焊缝缝，σf=0，得：以上各式式中：he=0.7hf；lw—角焊缝计计算长度度，考虑虑起灭弧弧缺陷时时，每条条焊缝取取其实际长度度减去2hf。三.实际应用用拼接板连连接受轴轴心力作作用角钢与节节点板的的连接在弯矩、、剪力、、轴力作作用下在扭矩、、剪力作作用下角角焊缝计计算1、拼接板板连接受受轴心力力作用（1）轴心力力作用下下的盖板板对接连连接:A、仅采用侧侧面角焊焊缝连接接：B、采用三面面围焊连连接：NNlwlw’被连接板板截面为为—14××350，拼接盖盖板宽度度b=300㎜，厚度t2=8㎜。承受轴心心力设计计值N=930kN（静力荷载载），钢钢材为Q235，采用E43系列焊条条，手工工焊，采采用三面面围焊。。试设计计此连接接。(2)T形角焊缝缝连接NxNyNθN验算焊缝缝强度，，即:2、角钢与与节点板板的连接接角焊缝缝连接A、仅采用侧侧面角焊焊缝连接接由力及力力矩平衡衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2仅采用侧侧面角焊焊缝连接接对于校核核问题:对于设计计问题:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面面围焊由力及力力矩平衡衡得:余下的问问题同情情况‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2计算三面面围焊的的角钢连连接，角角钢为2L140×90×10，连接板厚厚度t=12mm，承受静荷荷载设计计值N=1000kN。钢材为Q235B，焊条E43型，手工焊。。焊脚尺寸为为hf=8mm，焊缝强度设计计值ffw=160N/mm2。求角钢所需焊焊缝长度。C、采用L形围焊代入下式3-20，3-21得:对于设计问题题:Ne1e2bN1xxN3lw13、N、M、V共同作用下(1)偏心轴力作用用下角焊缝强强度计算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用下焊焊缝强度计算算h1σfAσfBτf对于A点：式中：Iw—全部焊缝有效效截面对中和和轴的惯性矩矩；h1—两翼缘焊缝最最外侧间的距距离。xxhh2BB’Ah1MeFVM对于B点：强度验算公式式：式中：h2、lw,2—腹板焊缝的计计算长度；he,2—腹板焊缝截面面有效高度。。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM假定:A、被连接件绝对对刚性，焊缝缝为弹性，即即：T作用下被连接接件有绕焊缝缝形心旋转的的趋势；B、T作用下焊缝群群上任意点的的应力方向垂垂直于该点与与焊缝形心的的连线，且大大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝缝群上的应力力均匀分布。。4、T、V共同作用下将F向焊缝群形心心简化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：该连接的的设计控制点点为A点和A’点T作用下A点应力:将其沿x轴和y轴分解:xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhee2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下,A点应力:A点垂直于焊缝缝长度方向的应力为:A点平行于焊缝缝长度方向的应力为:强度验算公式式：思考:以上计算方法法为近似计算算，为什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe7.5焊接残余应力力和焊接残余余变形一、焊接残余余应力的分类类及其产生的的原因1、焊接残余应应力的分类A、纵向焊接残余余应力—沿焊缝长度方方向;B、横向焊接残余余应力—垂直于焊缝长长度方向;C、沿厚度方向的的焊接残余应应力2、焊接残余应应力产生的原原因（1）纵向焊接残残余应力焊接过程是一一个不均匀的的加热和冷却过程，焊件上上产生不均匀匀的温度场，，焊缝处可达达1600oC，而邻近区域温温度骤降。高高温钢材膨胀胀大，但受到到两侧温度低低、膨胀小的的钢材限制，，产生热态塑性压缩缩，焊缝冷却时时被塑性压缩的焊缝区趋向向收缩，但受受到两侧钢材材的限制而产产生拉应力。对于低碳钢钢和低合金钢钢，该拉应力力可以使钢材材达到屈服强度。焊接残余应应力是无荷载载的内应力，故在焊件内内自相平衡，，这必然在焊焊缝稍远区产产生压应力。。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++（2）横向焊接残残余应力产生的原因:1、焊缝的纵向向收缩，使焊焊件有反向弯曲变形的趋势，导致致两焊件在焊焊缝处中部受拉，两两端受压；2、焊接时已凝凝固的先焊焊焊缝，阻止后后焊焊缝的横横向膨胀，产产生横向塑性压缩缩变形。焊缝冷却时，，后焊焊缝的的收缩受先焊焊焊缝的限制制而产生拉应应力，而先焊焊焊缝产生压压应力，因应力自相平衡衡，更远处焊缝缝则产生拉应应力；应力分布与施施焊方向有关关。以上两种应力力的组合即为为，横向焊接接残余应力。(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向向的焊接残余余应力在厚钢板的焊焊接连接中，，焊缝需要多多层施焊，焊焊接时沿厚度度方向已凝固固的先焊焊缝缝，阻止后焊焊焊缝的膨胀胀，产生塑性压缩变形形。焊缝冷却时时，后焊焊缝缝的收缩受先先焊焊缝的限限制而产生拉拉应力，而先先焊焊缝产生生压应力，因因应力自相平平衡，更远处焊焊缝则产生生拉应力。。因此，除除了横向和和纵向焊接接残余应力力σx,σy外，还存在在沿厚度方方向的焊接接残余应力力σz，这三种应力力形成同号号(受拉)三向应力，，大大降低连接的的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接残残余应力对对结构性能能的影响1、对结构静静力强度的的影响f+--bfy+--bfyNyNy因焊接残余余应力自相相平衡，故故：当板件全截截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+--fyfbBt2、对结构刚刚度的影响响A、当焊接残余余应力存在在时，因截截面的bt部分拉应力力已经达到到fy，故该部分刚刚度为零（屈服），，这时在N作用下应变变增量为：：f+--bfyNN+--fyfNNbBt因为B-b<B，所以△ε1>△ε2。结论：焊接残余应应力的存在在增大了结结构的变形形，即降低低了结构的的刚度。B