4.64.13钢结构的焊缝连接.ppt

4.6直角角焊缝的受力性能直角角焊缝的受力性能NNNN正面角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝侧面角焊缝一一. .角焊缝角焊缝如下图所示搭接接头中，焊缝轴线与板件受力方向一如下图所示搭接接头中，焊缝轴线与板件受力方向一致时称为致时称为侧面角焊缝侧面角焊缝；焊缝轴线与板件受力方向垂直；焊缝轴线与板件受力方向垂直时称为时称为正面角焊缝正面角焊缝角焊缝角焊缝可用于可用于搭搭接接头、接接头、T T形接形接头、角形接头、头、角形接头、十字形接头十字形接头1.1.直角角焊缝直角角焊缝角焊缝的截面形状如图所示角焊缝的截面形状如图所示两焊脚间的夹角为直角时称为两焊脚间的夹角为直角时称为直角角焊缝直角角焊缝等焊脚直角角焊缝等焊脚直角角焊缝不等焊脚直角角焊缝不等焊脚直角角焊缝凹面直角角焊缝凹面直角角焊缝2.斜角角焊缝斜角角焊缝对于对于αα>135>135o o或或αα<60<60o o斜角角焊缝斜角角焊缝, ,除钢管结构外除钢管结构外, ,不不宜用作受力焊缝宜用作受力焊缝当当6060o o≤αα≤135≤135o o时，时，按受力焊缝计算按受力焊缝计算两焊脚的夹角将不两焊脚的夹角将不是直角3.辅助连接焊缝辅助连接焊缝塞焊缝、槽焊缝和点焊缝。

塞焊缝、槽焊缝和点焊缝二二. .直角角焊缝的受力分析直角角焊缝的受力分析1.侧面角焊缝侧面角焊缝 试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较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，剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw w/h/hf f越大剪应力分布越不均匀越大剪应力分布越不均匀A.A.应力分析应力分析Nlw wN剪应力剪应力ττf f板件板件2板件板件1B.B.破坏形式破坏形式2.正面角焊缝正面角焊缝A.A.应力分析应力分析正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但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强度较高，与侧面角焊缝相比可高出1/31/3左右B.破坏形式破坏形式4.7 直角角焊缝的强度计算直角角焊缝的强度计算一一.基本假定基本假定焊脚焊脚根部根部焊趾焊趾熔深熔深有效截面有效截面余高余高有效厚有效厚度度hehfhf等边直角角焊缝的各部等边直角角焊缝的各部分名称分名称1.1.采用沿采用沿4545°°方向的焊缝截方向的焊缝截面为计算时的破坏面。

面为计算时的破坏面2.2.角焊缝的抗拉、抗压和抗角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值，我国设计规剪强度设计值，我国设计规范中取相同数值并记作范中取相同数值并记作3.3.在通过焊缝形心的拉力、在通过焊缝形心的拉力、压力和剪力作用下，假定沿压力和剪力作用下，假定沿焊缝长度的应力是均匀分布焊缝长度的应力是均匀分布的二二.直角角焊缝的强度计算公式直角角焊缝的强度计算公式1. 1. 通常认为直角角焊缝是以通常认为直角角焊缝是以4545°°方向的最小截面方向的最小截面( (即有效即有效厚度与焊缝计算长度的乘积厚度与焊缝计算长度的乘积) )作为有效截面或称计算截面作为有效截面或称计算截面作用于焊缝有效截面上的应作用于焊缝有效截面上的应力如图所示力如图所示2. 2. 根据假定可知，焊缝在有效截面处破坏，各应力根据假定可知，焊缝在有效截面处破坏，各应力分量满足折算应力分量满足折算应力3.3.直角角焊缝强度计算公式直角角焊缝强度计算公式角焊缝受斜向轴心力角焊缝受斜向轴心力N（互相垂直（互相垂直的分量为的分量为Nx、、Ny）的作用Ny在在焊缝有效截面上引起垂直于一个焊缝有效截面上引起垂直于一个直角边的应力直角边的应力σf 。

NNyNxNNyNxσfσ┻┻ττ┻┻τ∥ ∥= τfh he elw w45O45Oh hf fNNyNxNNyNx为什么？为什么？4.8 角焊缝的构造要求角焊缝的构造要求¡角焊缝的尺寸包括焊脚尺寸和焊缝计算长度角焊缝的尺寸包括焊脚尺寸和焊缝计算长度¡角焊缝的设计计算应满足强度要求和构造要求角焊缝的设计计算应满足强度要求和构造要求1.焊脚尺寸焊脚尺寸hf(1)最小焊脚尺寸最小焊脚尺寸焊脚尺寸过小，焊缝冷却过快产生淬硬组织，焊缝变脆焊脚尺寸过小，焊缝冷却过快产生淬硬组织，焊缝变脆(2)最大焊脚尺寸最大焊脚尺寸 焊脚尺寸过大，可能造成焊件焊脚尺寸过大，可能造成焊件“过烧过烧”或被烧穿焊缝或被烧穿焊缝过大，冷却时收缩变形也就加大过大，冷却时收缩变形也就加大2.焊缝的计算长度焊缝的计算长度(1)最小计算长度最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起、对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起、落弧点相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠故为落弧点相距太近，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：了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：(2)(2)侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性工作阶段有效截面上的剪应力沿长度方向侧面角焊缝在弹性工作阶段有效截面上的剪应力沿长度方向分布不均匀。

焊缝长度越大，不均匀程度越高分布不均匀焊缝长度越大，不均匀程度越高注：注：1 1、当大于以上值时，超过部分在计算时不予考虑；、当大于以上值时，超过部分在计算时不予考虑；2 2、当内力沿侧面角焊缝全长分布时，不受上式限制当内力沿侧面角焊缝全长分布时，不受上式限制3.3.断续角焊缝的相关规定断续角焊缝的相关规定在次要构件或者次要角焊缝连接中可采用断续角焊缝在次要构件或者次要角焊缝连接中可采用断续角焊缝4.4.板件端部仅用板件端部仅用2 2条侧面角焊缝连接时，条侧面角焊缝连接时，每条侧面角每条侧面角焊缝的长度焊缝的长度不宜小于不宜小于两侧面角焊缝之间的距离两侧面角焊缝之间的距离两侧面角焊缝之间的距离两侧面角焊缝之间的距离不宜大于不宜大于16t16t（（t t＞＞12mm12mm时）时）或或200mm200mm （（t≤12mmt≤12mm时），时），t t为较薄焊件的厚度为较薄焊件的厚度不满足这些要求时，除了设置不满足这些要求时，除了设置侧面角焊缝外，还可以另加正侧面角焊缝外，还可以另加正面角焊缝或槽焊缝或点焊缝面角焊缝或槽焊缝或点焊缝5.5.搭接连接中，搭接长度的确定搭接连接中，搭接长度的确定。

l6.6.直接承受动力荷载的结构，直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝正面角焊缝宜采用宜采用1:1.51:1.5的的不等焊脚角焊缝不等焊脚角焊缝侧面角焊缝侧面角焊缝仍可采用仍可采用1 1：：1 1等焊脚等焊脚角焊缝角焊缝为了减小接头处的应力集中程度为了减小接头处的应力集中程度，角焊缝的，角焊缝的表面宜为表面宜为直线形或凹形直线形或凹形hf1.5hf4.9 4.9 直角角焊缝连接的计算直角角焊缝连接的计算1.1.轴心力（拉力、压力和剪轴心力（拉力、压力和剪力）作用下角焊缝的计算力）作用下角焊缝的计算 如图所示，通过焊缝重心作用一轴向如图所示，通过焊缝重心作用一轴向力力N N，轴向力与焊缝长度方向夹角为，轴向力与焊缝长度方向夹角为θθ2.2.轴心力作用下，角钢与其他构件连接的角焊缝计算轴心力作用下，角钢与其他构件连接的角焊缝计算Ne1e2bN1N2xxlw1w1lw2w2(1)(1)用侧面角焊缝连接用侧面角焊缝连接轴心力轴心力N N通过角钢截面形心，通过角钢截面形心，肢背焊缝和肢尖焊缝到形心的肢背焊缝和肢尖焊缝到形心的距离距离e e1 1≠e≠e2 2；设肢背焊缝受力；设肢背焊缝受力为为N N1 1，肢尖焊缝受力为，肢尖焊缝受力为N N2 2。

根根据平衡条件：据平衡条件：Ne1e2bN1N2xxN3lw1w1lw2w2(2)(2)采用三面围焊连接采用三面围焊连接计算时先选定正面角焊缝的焊脚尺计算时先选定正面角焊缝的焊脚尺寸寸hf3，并算出它所能承受的内力：，并算出它所能承受的内力：Ne1e2bN1xxN3lw1w1(3)采用L形角焊缝连接N N2 2=0=0按照（按照（4-21a4-21a）求的）求的N N3 3后，后，可得：可得：N N1 1=N-N=N-N3 3再按（再按（4-204-20）式计算侧面）式计算侧面角焊缝3.3.弯矩作用下角焊缝的计算弯矩作用下角焊缝的计算当力矩作用平面与焊缝群所当力矩作用平面与焊缝群所在平面垂直时，焊缝受弯在平面垂直时，焊缝受弯弯矩在焊缝有效截面上产生弯矩在焊缝有效截面上产生和焊缝长度方向垂直的应力和焊缝长度方向垂直的应力σf，，该弯曲应力呈三角形分该弯曲应力呈三角形分布，边缘应力最大，如图所布，边缘应力最大，如图所示其计算公式为：示其计算公式为：σflwheheMl4.4.弯矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝的计算弯矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝的计算lNlwheheeVAA如图所示：将连接所受的如图所示：将连接所受的水平力水平力N N，垂直力，垂直力V V平移到平移到焊缝群形心，得到一弯矩焊缝群形心，得到一弯矩M=M=VeVe，剪力，剪力V V和轴力和轴力N N。

弯矩弯矩M M作用下，焊缝有效截作用下，焊缝有效截面上的应力为三角形分布，面上的应力为三角形分布，方向与焊缝长度方向垂直方向与焊缝长度方向垂直剪力剪力V V在焊缝有效截面上产在焊缝有效截面上产生沿焊缝长度方向均匀分生沿焊缝长度方向均匀分布的应力布的应力N N产生垂直于焊缝长度方向产生垂直于焊缝长度方向均匀分布的应力均匀分布的应力5.5.扭矩作用下角焊缝计算扭矩作用下角焊缝计算xxyyA0TrxxyyrA0h he e(1)(1)焊缝群受扭焊缝群受扭力矩作用平面与焊缝所在平面平行力矩作用平面与焊缝所在平面平行时，焊缝群受扭时，焊缝群受扭计算假定：计算假定：A.A.被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：即：T T作用下被连接件有绕焊缝形心作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；旋转的趋势；B.TB.T作用下焊缝群上任意点的应力方作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与且大小与r r成正比；成正比；xxyyrA0h he e(2)(2)环焊缝受扭环焊缝受扭TDhe环形角焊缝在扭矩作用下环形角焊缝在扭矩作用下有效截面上只有剪应力有效截面上只有剪应力（沿环向（沿环向也就是切线方向也就是切线方向）），计算公式为：，计算公式为：6.6.扭矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝的计算扭矩、剪力、轴力共同作用下角焊缝的计算VeaxxyyA0NxxyyrA0h he eTxxyyA0h he eVxxyyA0h he eNAA4.10 4.10 斜角角焊缝连接的计算斜角角焊缝连接的计算 （自学）（自学）4.11 4.11 部分焊透的对接焊缝连接的计算部分焊透的对接焊缝连接的计算 （自学）（自学）4.12 4.12 焊缝的质量等级焊缝的质量等级¡《《钢结构设计规范钢结构设计规范》》（（GB50017--2003GB50017--2003）中，）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：对焊缝质量等级的选用有如下规定：(1)(1)凡需进行凡需进行疲劳计算疲劳计算的结构的的结构的对接焊缝对接焊缝，均应，均应要求要求焊透焊透，其质量等级为，其质量等级为: :a.a.作用力作用力垂直于垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝焊缝长度方向的横向对接焊缝和和T T形接头中的对接和角接组合焊缝，受拉时形接头中的对接和角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级应为一级，受压时应为二级; ;b.b.作用力作用力平行于平行于长度方向的纵向对接焊缝应为长度方向的纵向对接焊缝应为二级。

二级(2)(2)不需计算疲劳不需计算疲劳的结构中，凡要求与母材等强的结构中，凡要求与母材等强的的对接焊缝对接焊缝，应予以焊透，其质量等级：当，应予以焊透，其质量等级：当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级受拉时应不低于二级，受压时宜为二级3)(3)重级工作制重级工作制( (按我国按我国《《起重机设计规范起重机设计规范》》GB3811GB3811中规定的吊车工作级别为中规定的吊车工作级别为A6—A8A6—A8级级) )和和起重量起重量Q≥50tQ≥50t的中级工作制的中级工作制(A4(A4、、A5A5级级) )吊车吊车梁的腹板与上翼缘板之间梁的腹板与上翼缘板之间以及以及吊车桁架上弦吊车桁架上弦杆与节点板之间杆与节点板之间的的T T形接头焊缝均要求焊透形接头焊缝均要求焊透( (一般采用对接与角接组合焊缝一般采用对接与角接组合焊缝) )，其质量等，其质量等级不应低于二级级不应低于二级(4)(4)不要求焊透不要求焊透的的T T形接头形接头采用采用角焊缝角焊缝或或部分焊部分焊透的对接与角接组合焊缝透的对接与角接组合焊缝，以及，以及搭接连接搭接连接中中采用的采用的角焊缝角焊缝，其质量等级为：，其质量等级为：a.a.对对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和和吊车起重量等于或大于吊车起重量等于或大于50t50t的中级工作制吊的中级工作制吊车梁车梁，其焊缝的外观质量标准应符合二级；，其焊缝的外观质量标准应符合二级；b.b.对其他结构对其他结构，焊缝的外观质量等级可为三级。

焊缝的外观质量等级可为三级4.13 4.13 焊接残余应力和残余变形焊接残余应力和残余变形一一. .焊接残余应力焊接残余应力1.1.焊接残余应力的分类焊接残余应力的分类 A.A.纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力——沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向; ; B. B.横向焊接残余应力横向焊接残余应力——垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向; ; C. C.沿厚度方向的焊接残余应力沿厚度方向的焊接残余应力2.2.焊接残余应力产生的原因焊接残余应力产生的原因 （（1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力施焊时，焊缝附近温度最高，可达施焊时，焊缝附近温度最高，可达1600℃℃以上，而邻近区域温以上，而邻近区域温度骤降焊缝区受热发生纵向膨胀，但受到较低温度区的约束，度骤降焊缝区受热发生纵向膨胀，但受到较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力，并使焊缝区钢材产生使焊缝区产生纵向压应力，并使焊缝区钢材产生塑性压缩变形塑性压缩变形，，焊缝冷却时被焊缝冷却时被塑性压缩塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生限制而产生拉应力拉应力这个拉应力当焊件完全冷却后仍残留在焊这个拉应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名焊接残余应力。

缝区钢材内，故名焊接残余应力对于低碳钢和低合金钢，该对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到拉应力可以使钢材达到屈服强度屈服强度焊接残余应力是无荷载的焊接残余应力是无荷载的内内应力应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm-----++ （（2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力产生的原因产生的原因: :a.a.焊缝的纵向收缩，使焊件有反向焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，的趋势，导致焊缝长度的导致焊缝长度的中间部分受拉，两端受压中间部分受拉，两端受压；；b.b.焊缝横向收缩引起的焊接时已凝固的先焊焊缝，焊缝横向收缩引起的焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力平衡，更远处焊缝则产生拉应力；；应力分布与施焊应力分布与施焊方向有关方向有关。

以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力不同施焊方向下不同施焊方向下,焊缝横焊缝横向收缩时产生的横向残余向收缩时产生的横向残余应力应力:(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的横向应力xy+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy(d)焊缝横向焊缝横向残余应力残余应力-+-（（3 3）沿厚度方向的焊接残余应力）沿厚度方向的焊接残余应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形焊缝冷却时，后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力因此，除了横向和纵向焊接残余应力力。

因此，除了横向和纵向焊接残余应力σσx,x,σσy y 外，外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力还存在沿厚度方向的焊接残余应力σσz z，这三种应力，这三种应力形成同号形成同号( (受拉受拉) )三向应力，大大降低连接的塑性三向应力，大大降低连接的塑性321σσx xσσy yσσz za+b+--c+d(4)约束状态下施焊时的焊接残余应力 图图a a表示平行于焊缝轴线方向的纵向边缘变形受表示平行于焊缝轴线方向的纵向边缘变形受到约束时的两块钢板，施焊时焊缝区高温产生的到约束时的两块钢板，施焊时焊缝区高温产生的横向膨胀受到约束而使焊缝受到横向压应力，因横向膨胀受到约束而使焊缝受到横向压应力，因而产生不可恢复的塑性压缩变形，在焊缝冷却时而产生不可恢复的塑性压缩变形，在焊缝冷却时遂在焊缝内产生横向拉应力如图遂在焊缝内产生横向拉应力如图b b所示这个拉这个拉应力与钢板边缘的反作用力相平衡，因而可叫做应力与钢板边缘的反作用力相平衡，因而可叫做反作用焊接应力反作用焊接应力图图c c表示当边缘能自由变形时表示当边缘能自由变形时的焊缝横向焊接应力的焊缝横向焊接应力b b图与图与c c图相叠加即为图图相叠加即为图d d所示边缘变形受到约束下施焊时焊缝中的横向焊所示边缘变形受到约束下施焊时焊缝中的横向焊接残余应力。

接残余应力当垂直于焊缝方向的边缘变形受到约束时，同样当垂直于焊缝方向的边缘变形受到约束时，同样也会因反作用焊接应力的存在而加大纵向焊接残也会因反作用焊接应力的存在而加大纵向焊接残余应力3.焊接残余应力对结构构件的影响焊接残余应力对结构构件的影响 残余应力对结构构件的残余应力对结构构件的静力强度静力强度没有影响；没有影响； 使构件提前进入弹塑性工作阶段而降低构使构件提前进入弹塑性工作阶段而降低构件的件的刚度刚度；； 构件受压时，降低构件的构件受压时，降低构件的稳定性稳定性二二.焊接残余变形焊接残余变形焊接后残余在结构中的变形焊接后残余在结构中的变形三三. .合理的焊接连接设计合理的焊接连接设计¡保证连接传力保证连接传力¡便于制造与安装便于制造与安装¡尽量减小焊接残余应力和残余变形尽量减小焊接残余应力和残余变形¡要做到合理的焊接连接设计还应注意以下几点要做到合理的焊接连接设计还应注意以下几点:（（1）选用合适的焊缝尺寸）选用合适的焊缝尺寸 在角焊缝的连接设计中，在满足最小焊脚在角焊缝的连接设计中，在满足最小焊脚尺寸的条件下，一般宁愿用较小的焊脚尺寸而尺寸的条件下，一般宁愿用较小的焊脚尺寸而加大一点焊缝的长度，不要用较大的焊脚尺寸加大一点焊缝的长度，不要用较大的焊脚尺寸而减小一点焊缝长度。

而减小一点焊缝长度（（2 2）合理选用焊缝形式）合理选用焊缝形式如图所示，在保证相同强度的条件下，采用开坡口如图所示，在保证相同强度的条件下，采用开坡口的的对接与角接组合焊缝对接与角接组合焊缝比采用角焊缝一般可减少焊比采用角焊缝一般可减少焊缝的尺寸，从而减小焊接残余应力和节省焊条缝的尺寸，从而减小焊接残余应力和节省焊条(3)(3)合理布置焊缝位置合理布置焊缝位置 焊缝应尽量焊缝应尽量对称布置对称布置以消除焊接残余变形和尽以消除焊接残余变形和尽量量避免避免三向焊缝三向焊缝相交当三向焊缝相交时，可中断相交当三向焊缝相交时，可中断次要焊缝而使主要焊缝保持连续次要焊缝而使主要焊缝保持连续4 4）考虑施焊时焊条是否易于达到考虑施焊时焊条是否易于达到本章结束本章结束。