钢构焊缝计算.docx
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钢构焊缝计算
《钢结构》网上辅导材料二
钢结构的焊接连接
钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。
焊接连接是现代钢结构
最主要的连接方法。
它的优点是：
（1）焊件间可直接相连，构造简单，制作加工方便；
（2）
不削弱截面，用料经济；（3）连接的密闭性好，结构刚度大；（4）可实现自动化操作，提高焊接结构的质量。
缺点是：
（1）在焊缝附近的热影响区内，钢材的材质变脆；
（2）焊接
残余应力和变形使受压构件承载力降低；（3）焊接结构对裂纹很敏感，低温时冷脆的问题
较为突出。
一、焊缝的形式
1.角焊缝
R]3.10直他和烁泄戟血
角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。
两焊脚边的夹角为90°的焊缝
称为直角角焊缝，直角边边长hf称为角焊缝的焊脚尺寸，he=0.7hf为直角角焊缝的计算厚度。
斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。
对于夹角大于135°或小于60°的斜角角焊缝，
不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）。
2.对接焊缝
对接焊缝的焊件常需加工成坡口，故又叫坡口焊缝。
焊缝金属填充在坡口内，所以对接
焊缝是被连接件的组成部分。
坡口形式与焊件厚度有关。
当焊件厚度很小（手工焊t6mm，埋弧焊t10mm）时，
可用直边缝。
对于一般厚度（t=10〜20mm）的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或V形焊
缝。
斜坡口和离缝c共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；钝边p有托
住熔化金属的作用。
对于较厚的焊件（t>20mm）,则采用U形、K形和X形坡口。
对于
V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。
对接焊缝坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准《建筑结构焊接规程》的要求进行。
凡T形，十字形或角接接头的对接焊缝称之为对接与角接组合焊缝。
图3对接焊缝的坡口形式
3•焊缝质量检验
《钢结构工程施工质量验收规范》规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级
和三级。
三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝则除
外观检查外，还要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。
焊缝质量的外观检
验检查外观缺陷和几何尺寸，内部无损检验检查内部缺陷。
二、直角角焊缝的构造与计算
角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。
正面角焊缝的焊缝长度方向与作用力垂直，侧面角焊缝的焊缝长度方向与作用力平行，斜焊缝的焊缝长度方向与作用力倾斜，由正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝组成的混合，通常称作围焊缝。
侧面角焊缝主要承受剪力，塑性较好，强度较低。
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。
正面角焊缝受力复杂，其破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形能力差。
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。
1•角焊缝的构造要求
（1）最小焊脚尺寸
（1）
hf>1.5
式中t2—较厚焊件厚度，单位为mm。
计算时，焊脚尺寸取整数。
自动焊熔深较大，可减小1mm；T形连接的单面角焊缝，应增加1mm;当焊件厚度小
于或等于4mm时，则取与焊件厚度相同。
（2）最大焊脚尺寸
hf1.2=
（2）
式中ti—较薄焊件的厚度，单位为mm。
对板件边缘的角焊缝，当板件厚度t>6mm时，取hfWt-（1〜2）mm;当t<6mm时,
取hfwt。
图4最大焊角尺寸
（3）角焊缝的最小计算长度
侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。
（4）侧面角焊缝的最大计算长度
可能首先在焊缝的两
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,
端破坏，故规定侧面角焊缝的计算长度lww60hf。
若内力沿侧面角焊缝全长分布，可不受上
述限制。
（5）搭接连接的构造要求
当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时，应使每条侧焊缝的长度不宜小于两侧焊缝之间
的距离。
两侧面角焊缝之间的距离也不宜大于16t（t>12mm）或190mm（tw12mm）,t
为较薄焊件的厚度。
搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm。
图7连续角焊缝和间断角焊缝
（7）减小角焊缝应力集中的措施
杆件端部搭接采用三面围焊时，所有围焊的转角处必须连续施焊。
对于非围焊情况,
2.直角角焊缝强度计算的基本公式
式中f—垂直于焊缝长度方向的应力;
f—平行于焊缝长度方向的应力;
f=1.°;
ffw—角焊缝的强度设计值。
式（3）为角焊缝的基本计算公式。
只要将焊缝应力分解为垂直于焊缝长度方向的应力
对正面角焊缝，f=0，得
_N
f=
helw
对侧面角焊缝，f=0，得
计算。
式中he—直角角焊缝的有效厚度，he=0.7hf；
|w—焊缝的计算长度，考虑起灭弧缺陷，按各条焊缝的实际长度每端减去hf
3•角焊缝连接的计算
（1）承受轴心力作用的角焊缝连接计算
1）采用盖板连接
当轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。
图8承受轴心力的盖板连接
当只有正面角焊缝时
f=
helw
式中lwl—连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。
式中lw—连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。
2）承受斜向轴心力
图9承受斜向轴心力
将N力分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力NxNsin；NyNcos
Nsin
he1w
Ncos
he>w
代入式（3）验算角焊缝的强度
3）承受轴心力的角钢角焊缝计算
特殊情况也可采
钢桁架中角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊或三面围焊,
用L形围焊。
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。
图10角钢与节点板的连接
对于三面围焊，可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，求出正面角焊缝所分担的轴心力
N3。
当腹杆为双角钢组成的T形截面，且肢宽为b时,
由平衡条件（M=0）可得:
N=N（be）N3=kNN3
N1=-=kiN
b22
K1NeNoN3
N2=--=k2N--
（7）
（8）
b22
式中N1、N2
角钢肢背和肢尖的侧面角焊缝所承受的轴力;
（9）
（10）
e――角钢的形心距；
ki、k2――角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，可查表得到。
对于两面侧焊，因N3=0,则:
Ni=kiN
N2=k2N
缝的计算长度。
对双角钢截面
式中hfi、hi――—个角钢肢背上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度；
hf2、匚2――一个角钢肢尖上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度。
实际焊缝长度为计算长度加2hf。
对于三面围焊，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（绕角焊缝长度2hf不进入计算）。
当杆件受力很小时，可采用L形围焊。
由于只有正面角焊缝和角钢肢背上的侧面角焊
（13）
N-=2k2N
角钢端部的正面角焊缝的长度已知，可按下式计算其焊脚尺寸:
式中，lw3=b-hf。
（2）承受弯矩、轴心力或剪力共同作用的角焊连连接计算
图11承受偏心斜拉力的角焊缝
图11所示的双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N作用，计算时，可将作用力N分解为
Nx和Ny两个分力。
角焊缝同时承受轴心力Nx和剪力Ny和弯矩M=Nx•e的共同作用。
焊缝计算截面上的应力分布如图所示，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，即由轴心拉力Nx产生的应力：
由弯矩M产生的应力:
M=6M
=2Wehelw
这两部分应力由于在A点处的方向相同，可直接叠加，故A点垂直于焊缝方向的应力为
Nx6M
+2
2helw2helw
剪力Ny在A点处产生平行于焊缝长度方向的应力
NyNy入=2helw
则焊缝的强度计算式为:
当连接直接承受动力荷载作用时，取f=1.0。
工字形和H形截面梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常承受弯矩M和剪力V
的共同作用。
计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受。
图12工字形梁（或牛腿）的脚焊缝连接
翼缘焊缝的最大弯曲应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处，此应力满足角焊缝的强度条件
式中M――全部焊缝所承受的弯矩;
Iw——全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩。
腹板焊缝承受两种应力的共同作用，即弯曲应力和剪应力，设计控制点为翼缘焊缝与腹
板焊缝的交点处A，此处的弯曲应力和剪应力分别按下式计算:
Iw
h2
2
式中he2lw2――腹板焊缝有效截面之和。
则腹板焊缝在A点的强度验算式为:
（3）承受扭矩或扭矩与剪力共同作用的角焊缝连接计算
1）环形角焊缝承受扭矩T
在有效截面的任一点上所受切线方向的剪应力f，应按下式计算:
式中r――圆心至焊缝有效截面中线的距离；
Ip――焊缝有效截面的惯性矩，Ip=2her3。
2）围焊承受剪力和扭矩作用时的计算
（a）⑹
图13受剪力和扭矩作用的脚焊缝
图13所示为采用三面围焊搭接连接。
该连接角焊缝承受竖向剪力V=F和扭矩T=F
（e1+e2）作用。
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：
1被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心0旋转的趋势，而角焊缝是弹性的；
2角焊缝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。
图中A点与A点距形心0点最远，故A点和A点由扭矩T引起的剪应力T最大，焊
缝群其他各处由扭矩T引起的剪应力T均小于A点和A点的剪应力，故A点和A点为设计控制点。
在扭矩T作用下，A点（或A点）的应力为
TrT
r
1I
（17）
1p1x
1y
将t沿x轴和y轴分解为：
Tr
ry
tx=t•sin0
=
（18）
1p
r
Ty=T•COS0
Tr
•£x
（19）
Ip
r
由剪力V在焊缝群引起的剪应力V按均匀分布，
则在A点（或A点）
引起的应力
Vy为
Vy=
则A点受到垂直于焊缝长度方向的应力为:
沿焊缝长度方向的应力为Tx，则A点的应力满足的强度条件为
当连接直接承受动态荷载时，取f=1.0。
三、斜角角焊缝的计算
两焊脚边夹角为60°135°的T形接头的斜角角焊缝采用与直角角焊缝相同的
计算公式进行计算。
但不考虑焊缝的方向，一律取f（或f）=1.0。
四、对接焊缝的构造和计算
1•对接焊缝的强度
焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强
度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感，由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故
其抗拉强度为母材强度的85%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。
2•对接焊缝的构造和计算
（1）对接焊缝的构造
对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度方
向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:
2.5（直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算时
不大于1:
4）的斜角，以减小应力集中。
焊接时一般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。
对受静力荷载的结构设置引弧（出）
板有困难时，允许不设置引弧（出）板，此时可令焊缝计算长度等于实际长度减2t。
（2）对接焊缝的计算
对接焊缝分焊透和部分焊透两种
1）焊透的对接焊缝的计算
对接焊缝是焊件截面的组成部分，计算方法与构件的强度计算一样。
轴心力作用的对接焊缝
式中N轴心拉力或压力设计值;
lw――焊缝的计算长度。
当未采用引弧板时，取实际长度减去2t；
t——对接接头中为连接件的较小厚度；T形接头中为腹板厚度；
弯矩和剪力共同作用的对接焊缝
对接接头受到弯矩和剪力的共同作用，正应力与剪应力的最大值应分别满足下列强度条
件：
3V
=—•
_2lwt
式中Ww—焊缝的截面模量；
S—焊缝的截面面积矩；
Iw—焊缝的截面惯性矩。
工字形或H形截面梁的接头，采用对接焊缝，除应分别验算最大正应力和剪应力外，
对于同时受有较大正应力和较大剪应力处，例如腹板与翼缘的交接点，还应按下式验算折算
应力：
；1231<1.1ftW（23）
式中1、1—验算点处焊缝的正应力和剪应力；
1.1――考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高的系数。
图16对接焊缝受弯矩和剪力共同作用
轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝
当轴心力与弯矩、剪力共同作用时，焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之
和，剪应力、折算应力仍分别按式（22）和式（23）验算。
2）部分焊透的对接焊缝
部分焊透的对接焊缝必须在设计图上注明坡口的形式和尺寸。
其强度计算方法与前述直
角角焊缝相同，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取卩f=1.22,其他受力情况取卩f=
1.0。
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