钢结构设计原理之角焊缝的构造和计算讲义

7.4角焊缝的构造和计算一、构造种类:根据受力方向和焊缝的位置分正面角焊缝和侧面角焊缝根据焊脚边的夹角分直角角焊缝和斜角角焊缝焊缝截面形式普通焊缝

、直线型

、等边凹型正面角焊缝侧面角焊缝hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式（1）直角角焊缝hehfhf凹面式（2）斜角角焊缝对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。应力分布侧面角焊缝（见图7.24）正面角焊缝（见图7.26）有效厚度截面：he=0.7hf试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。A.应力分析剪应力τfNlwNB.破坏形式A.应力分析正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%--55%以上。B.正面角焊缝的破坏形式

（1）最大焊脚尺寸hf,max为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:

hf,max≤1.2t1（钢管结构除外）式中:t1---较薄焊件厚度。tt1hf对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：

当t≤6mm时，hf,max≤t；当t>6mm时，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t4.角焊缝的尺寸限制（2）最小焊脚尺寸hf,min为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:式中:t2----较厚焊件厚度当t2≤4mm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）侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：注：

1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。（4）侧面角焊缝的最小计算长度对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：5.搭接连接的构造要求

当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：

A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范规定：B、为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲太大，规范规定：t1t2bD.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。

C.当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。b2hft1t2二、直角角焊缝的强度计算公式

1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：σ┻hfhehh1h2deτ┻τ∥helwh---焊缝厚度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根2、实际上计忙算截面的珍各应力分痛量的计算猴比较繁难黎，为了拴简化计算命，规范假座定：焊缝在有既效截面处纸破坏，且各应扮力分量满茅足以下折刷算应力公策式:┻┻∥3、由于我国铅规范给定史的角焊缝强度头设计值肤，是根拨据抗剪应条件确定连的故上睬式又可王表达为刮：式中：--焊缝金属的抗拉强度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw4、直角角河焊缝的执强度计近算公式扬：┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45OhfNNyNxNz上式即清为规范疫给定的龙角焊缝伙强度计壳算通用买公式βf—正面角彩焊缝强度博增大系数奖；静载时取跑1.22头，动载时筑取1.0怎。对于正照面角焊幕缝，τf=0，得傅：对于侧减面角焊误缝，σf=0，帽得：以上各露式中：he=0.告7hf；lw—角焊贩缝计算阳长度，商考虑起贴灭弧缺芬陷时，孝每条焊密缝取其实际长度卖减去2hf。三.实正际应用拼接板连工接受轴心傅力作用角钢与认节点板鼻的连接在弯矩、股剪力、轴仙力作用下在扭矩俱、剪力垦作用下箭角焊缝延计算1、拼接割板连接受静轴心力作鞭用（1）豪轴心力航作用下核的盖板高对接连妥接:A、仅采预用侧面角铃焊缝连接役：B、采用系三面围焊错连接：NNlwlw’被连接齿板截面昂为—1果4×3桃50，锻拼接盖标板宽度b=300双㎜，厚度t2=8㎜滑。承受澡轴心力滑设计值N=930乘kN（静识力荷载）估，钢材为础Q235球，采用E吊43系列西焊条，手航工焊，采块用三面围琴焊。试设航计此连接蠢。(2)T形角焊裁缝连接NxNyNθN验算焊惭缝强度咽，即:2、角零钢与节歼点板的凤连接角羡焊缝连堂接A、仅采反用侧面角脏焊缝连接由力及力帝矩平衡得搜:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2仅采用丙侧面角品焊缝连签接对于校怒核问题臭:对于设计说问题:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采神用三面架围焊由力及力廊矩平衡得施:余下的煤问题同掩情况‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2计算三上面围焊巾的角钢郑连接，男角钢为产2L1面40×虾90×拆10，伞连接板哪厚度t=12m伶m，承受掀静荷载设朗计值N=10耳00k困N。钢罩材为Q贷235饺B，焊痰条E4粉3型，机手工焊发。焊脚曲尺寸为hf=8mm僚，焊缝强压度设计值ffw=16纷0N/粘mm2。求角摊钢所需像焊缝长搭度。C、采用吩L形围焊代入下饱式3-去20，幻玉3-2夹1得:对于设杠计问题福:Ne1e2bN1xxN3lw13、N、M、态V共同作斜用下(1)禾偏心轴贸力作用娃下角焊壶缝强度纺计算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用命下焊缝强驱度计算h1σfAσfBτf对于A点：式中：Iw—全部焊是缝有效截秒面对中和装轴的惯性缺矩；h1—两翼缘照焊缝最外阀侧间的距供离。xxhh2BB’Ah1MeFVM对于B点：强度验画算公式嘱：式中：挺h2、lw,2—腹板焊仪缝的计算牲长度；he,2—腹板焊株缝截面有迅效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM假定:A、被很连接件抓绝对刚词性，焊租缝为弹援性，即税：T作咐用下被秧连接件队有绕焊咽缝形心食旋转的泳趋势；B、T作即用下焊缝勒群上任意葱点的应力求方向垂直娱于该点与煌焊缝形心利的连线，碌且大小与哭r成正比时；C、在撞V作用嫁下，焊蛮缝群上琴的应力款均匀分秃布。4、T、V共同作用胸下将F向焊含缝群形心简化得赏:V=FT=F假(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：该喂连接的互设计控丧制点为A点氧和A’货点T作用下A点应力宫:将其沿x例轴和y轴分喜解:xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhee2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下毒,A点进应力:A点垂直呜于焊缝长露度方向的应力研为:A点平行挑于焊缝长您度方向的应宜力为:强度验算建公式：思考:以齐上计算方洁法为近似摸计算，为肚什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe7.5市焊落接残余工应力和仁焊接残膜余变形一、焊接家残余应力耍的分类及性其产生的兴原因1、焊接根残余应力循的分类A、纵向焊接花残余应力—沿焊屠缝长度年方向;B、横向焊接时残余应力—垂直龙于焊缝窜长度方将向;C、沿厚度队方向的菊焊接残发余应力2、焊接接残余应力亮产生的原集因（1）布纵向焊颤接残余瞧应力焊接过程砍是一个不焦均匀的加热和拥冷却过程，笔焊件上棉产生不矛均匀的区温度场所，焊缝手处可达悠160辞0oC，而邻湖近区域温脆度骤降。浙高温钢材掉膨胀大，厕但受到两仓侧温度低幼、膨胀小星的钢材限票制，产生热态塑泳性压缩，焊缝冷任却时被塑性压碗缩的焊缝区六趋向收缩亭，但受到控两侧钢材按的限制而窃产生拉应力。对于锤低碳钢葡和低合贸金钢，纺该拉应抖力可以久使钢材疾达到屈服强度。焊接逃残余应缎力是无桂荷载的内应力，故在蠢焊件内屋自相平村衡，这殊必然在厚焊缝稍磨远区产缓生压应穿力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++（2）横央向焊接残遮余应力产生的原必因:1、焊缝填的纵向收穴缩，使焊贤件有反向弯曲变形的趋势，诊导致两焊贝件在焊缝症处中部受拉库，两端受突压；2、焊耀接时已枕凝固的赔先焊焊损缝，阻乖止后焊眠焊缝的底横向膨声胀，产驰生横向塑愿性压缩净变形。焊缝戏冷却时材，后焊痛焊缝的逝收缩受和先焊焊晨缝的限名制而产伞生拉应蒙力，而籍先焊焊小缝产生赛压应力州，因应力自相菌平衡，更远处咬焊缝则产朝生拉应力诵；应力分布灵与施焊方鞋向有关。以上两种搭应力的组泼合即为，鹿横向焊接覆残余应力竹。(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）沿叶厚度方向剪的焊接残看余应力在厚钢土板的焊谋接连接味中，焊但缝需要窑多层施杰焊，焊马接时沿萝厚度方拔向已凝玻固的先其焊焊缝俱，阻止输后焊焊秒缝的膨驳胀，产哀生塑性压哪缩变形。焊缝样冷却时欢，后焊棵焊缝的避收缩受尘先焊焊疤缝的限支制而产谨生拉应肌力，而欺先焊焊孟缝产生俭压应力栏，因应力自相储平衡，更远蔽处焊缝秆则产生镇拉应力烦。因此荷，除了涌横向和舅纵向焊余接残余萝应力σx,σy外，还存娱在沿厚度电方向的焊织接残余应裹力σz，这三暑种应力饼形成同恨号(受桂拉)三粮向应力浸，大大降低连接撞的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接类残余应力席对结构性衫能的影响1、对必结构静扯力强度默的影响f+--bfy+--bfyNyNy因焊接残颂余应力自挂相平衡，赤故：当板件全联截面达到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、对结恐构刚度的揪影响A、当怖焊接残啦余应力巩存在时柴，因截跃面的b旱t部分凉拉应力让已经达咏到fy，故该部钉分刚度为豪零（屈服）检，这时在N晋作用下应洁变增量为采：f+--bfyNN+--fyfNNbBt因为B-疫b<B，膀所以△ε1>△ε2。结论：焊接残余屋应力的存旅在增大了姥结构的变辞形，即降轰低了结构饱的刚度。B、当沸截面上户没有焊德接残余正应力时良，在N打作用下夺应变增蜂量为：另外，钉对于轴惹心受压后构件，钟焊接残客余应力划使其挠曲刚度减历小，降低杏压杆