T鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理之角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算講義

7.4角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算一、構(gòu)造種類:根據(jù)受力方向和焊縫的位置分正面角焊縫和側(cè)面角焊縫根據(jù)焊腳邊的夾角分直角角焊縫和斜角角焊縫焊縫截面形式普通焊縫

、直線型

、等邊凹型正面角焊縫側(cè)面角焊縫hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式（1）直角角焊縫hehfhf凹面式（2）斜角角焊縫對于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外,不宜用作受力焊縫。應(yīng)力分布側(cè)面角焊縫（見圖7.24）正面角焊縫（見圖7.26）有效厚度截面：he=0.7hf試驗(yàn)表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力，強(qiáng)度相對較低，塑性性能較好。因外力通過焊縫時(shí)發(fā)生彎折，故剪應(yīng)力沿焊縫長度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻。A.應(yīng)力分析剪應(yīng)力τfNlwNB.破壞形式A.應(yīng)力分析正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑性較差，但強(qiáng)度較高，與側(cè)面角焊縫相比可高出35%--55%以上。B.正面角焊縫的的破壞形式（1）最大焊腳尺尺寸hf,max為了避免焊縫縫處局部過熱熱，減小焊件件的焊接殘余余應(yīng)力和殘余余變形，hf,max應(yīng)滿足以下要要求:hf,max≤1.2t1（鋼管結(jié)構(gòu)除外外）式中:t1---較薄焊件厚度度。tt1hf對于板件邊緣緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：當(dāng)t≤6mm時(shí)，hf,max≤t；當(dāng)t>6mm時(shí)，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t4.角焊縫的尺寸寸限制（2）最小焊腳尺尺寸hf,min為了避免在焊焊縫金屬中由由于冷卻速度度快而產(chǎn)生淬淬硬組織，導(dǎo)導(dǎo)致母材開裂裂，hf,min應(yīng)滿足以下要要求:式中:t2----較厚焊件厚度度當(dāng)t2≤4mm時(shí),hf,min=t2另:對于自動埋弧弧焊hf,min可減去1mm;對于T型連接單面角角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;（3）側(cè)面角焊縫縫的最大計(jì)算算長度側(cè)面角焊縫在在彈性工作階階段沿長度方方向受力不均均，兩端大而而中間小。焊焊縫長度越長長，應(yīng)力集中中系數(shù)越大。。如果焊縫長長度不是太大大，焊縫兩端端達(dá)到屈服強(qiáng)強(qiáng)度后，繼續(xù)續(xù)加載，應(yīng)力力會漸趨均勻勻；當(dāng)焊縫長長度達(dá)到一定定的長度后，，可能破壞首首先發(fā)生在焊焊縫兩端，故故：注：1、當(dāng)實(shí)際長度度大于以上值值時(shí)，計(jì)算時(shí)時(shí)不與考慮；；2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)側(cè)焊縫全長分分布時(shí)，不受受上式限制。。（4）側(cè)面角焊縫縫的最小計(jì)算算長度對于焊腳尺寸寸大而長度小小的焊縫，焊焊件局部加熱熱嚴(yán)重且起落落弧坑相距太太近，以及可可能產(chǎn)生缺陷陷，使焊縫不不可靠。故為為了使焊縫具具有一定的承承載力，規(guī)范范規(guī)定：5.搭接連接的構(gòu)構(gòu)造要求當(dāng)板件端部僅僅采用兩條側(cè)側(cè)面角焊縫連連接時(shí)：A、為了避免應(yīng)力力傳遞的過分分彎折而使構(gòu)構(gòu)件中應(yīng)力不不均，規(guī)范規(guī)規(guī)定：B、為了避免焊縫縫橫向收縮時(shí)引起板件件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)規(guī)定：t1t2bD.在搭接連接中中，搭接長度度不得小于焊焊件較小厚度度的的5倍，且不得小小于25mm。C.當(dāng)角焊縫的端端部位于構(gòu)件件轉(zhuǎn)角處時(shí)，，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必必須連續(xù)施焊焊。b2hft1t2二、直角角焊焊縫的強(qiáng)度計(jì)計(jì)算公式1、試驗(yàn)表明，直直角角焊縫的的破壞常發(fā)生生在喉部，故通常將45o截面作為計(jì)算算截面，作用用在該截面上上的應(yīng)力如下下圖所示：σ┻h(yuǎn)fhehh1h2deτ┻τ∥helwh---焊縫厚度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根2、實(shí)際上計(jì)算截截面的各應(yīng)力力分量的計(jì)算算比較繁難，，為了簡化化計(jì)算，規(guī)范范假定：焊縫在有效截截面處破壞，且各應(yīng)力分分量滿足以下下折算應(yīng)力公公式:┻┻∥3、由于我國規(guī)范范給定的角焊焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值值，是根據(jù)抗抗剪條件確定的故上上式又可表達(dá)達(dá)為：式中：--焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw4、直角角焊縫的的強(qiáng)度計(jì)算公公式：┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45OhfNNyNxNz上式即為規(guī)范范給定的角焊焊縫強(qiáng)度計(jì)算算通用公式βf—正面角焊縫強(qiáng)強(qiáng)度增大系數(shù)數(shù)；靜載時(shí)取1.22，動載時(shí)取1.0。對于正面角焊焊縫，τf=0，得：對于側(cè)面角焊焊縫，σf=0，得：以上各式中：：he=0.7hf；lw—角焊縫計(jì)算長長度，考慮起起滅弧缺陷時(shí)時(shí)，每條焊縫縫取其實(shí)際長度減去去2hf。三.實(shí)際應(yīng)用拼接板連接受受軸心力作用用角鋼與節(jié)點(diǎn)板板的連接在彎矩、剪力力、軸力作用用下在扭矩、剪力力作用下角焊焊縫計(jì)算1、拼接板連接接受軸心力作作用（1）軸心力作用用下的蓋板對對接連接:A、僅采用側(cè)面角角焊縫連接：：B、采用三面圍焊焊連接：NNlwlw’被連接板截面面為—14×350，拼接蓋板寬寬度b=300㎜，厚度t2=8㎜。承受軸心力設(shè)設(shè)計(jì)值N=930kN（靜力荷載），，鋼材為Q235，采用E43系列焊條，手手工焊，采用用三面圍焊。。試設(shè)計(jì)此連連接。(2)T形角焊縫連接接NxNyNθN驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度度，即:2、角鋼與節(jié)點(diǎn)點(diǎn)板的連接角角焊縫連接A、僅采用側(cè)面角角焊縫連接由力及力矩平平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2僅采用側(cè)面角角焊縫連接對于校核問題題:對于設(shè)計(jì)問題題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面圍焊焊由力及力矩平平衡得:余下的問題同同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2計(jì)算三面圍焊焊的角鋼連接接，角鋼為2L140××90×10，連接板厚度t=12mm，承受靜荷載設(shè)設(shè)計(jì)值N=1000kN。鋼材為Q235B，焊條E43型，手工焊。。焊腳尺寸為為hf=8mm，焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)值ffw=160N/mm2。求角鋼所需焊焊縫長度。C、采用L形圍焊代入下式3-20，3-21得:對于設(shè)計(jì)問題題:Ne1e2bN1xxN3lw13、N、M、V共同作用下(1)偏心軸力作用用下角焊縫強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用下焊焊縫強(qiáng)度計(jì)算算h1σfAσfBτf對于A點(diǎn)：式中：Iw—全部焊縫有效效截面對中和和軸的慣性矩矩；h1—兩翼緣焊縫最最外側(cè)間的距距離。xxhh2BB’Ah1MeFVM對于B點(diǎn)：強(qiáng)度驗(yàn)算公式式：式中：h2、lw,2—腹板焊縫的計(jì)計(jì)算長度；he,2—腹板焊縫截面面有效高度。。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM假定:A、被連接件絕對對剛性，焊縫縫為彈性，即即：T作用下被連接接件有繞焊縫縫形心旋轉(zhuǎn)的的趨勢；B、T作用下焊縫群群上任意點(diǎn)的的應(yīng)力方向垂垂直于該點(diǎn)與與焊縫形心的的連線，且大大小與r成正比；C、在V作用下，焊縫縫群上的應(yīng)力力均勻分布。。4、T、V共同作用下將F向焊縫群形心心簡化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：該連接的的設(shè)計(jì)控制點(diǎn)點(diǎn)為A點(diǎn)和A’點(diǎn)T作用下A點(diǎn)應(yīng)力:將其沿x軸和y軸分解:xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhee2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下,A點(diǎn)應(yīng)力:A點(diǎn)垂直于焊縫縫長度方向的應(yīng)力為:A點(diǎn)平行于焊縫縫長度方向的應(yīng)力為:強(qiáng)度驗(yàn)算公式式：思考:以上計(jì)算方法法為近似計(jì)算算，為什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe7.5焊接殘余應(yīng)力力和焊接殘余余變形一、焊接殘余余應(yīng)力的分類類及其產(chǎn)生的的原因1、焊接殘余應(yīng)應(yīng)力的分類A、縱向焊接殘余余應(yīng)力—沿焊縫長度方方向;B、橫向焊接殘余余應(yīng)力—垂直于焊縫長長度方向;C、沿厚度方向的的焊接殘余應(yīng)應(yīng)力2、焊接殘余應(yīng)應(yīng)力產(chǎn)生的原原因（1）縱向焊接殘殘余應(yīng)力焊接過程是一一個(gè)不均勻的的加熱和冷卻過程，焊件上上產(chǎn)生不均勻勻的溫度場，，焊縫處可達(dá)達(dá)1600oC，而鄰近區(qū)域溫溫度驟降。高高溫鋼材膨脹脹大，但受到到兩側(cè)溫度低低、膨脹小的的鋼材限制，，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮縮，焊縫冷卻時(shí)時(shí)被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向向收縮，但受受到兩側(cè)鋼材材的限制而產(chǎn)產(chǎn)生拉應(yīng)力。對于低碳鋼鋼和低合金鋼鋼，該拉應(yīng)力力可以使鋼材材達(dá)到屈服強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)應(yīng)力是無荷載載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)內(nèi)自相平衡，，這必然在焊焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)力。。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++（2）橫向焊接殘殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:1、焊縫的縱向向收縮，使焊焊件有反向彎曲變形的趨勢，導(dǎo)致致兩焊件在焊焊縫處中部受拉，兩兩端受壓；2、焊接時(shí)已凝凝固的先焊焊焊縫，阻止后后焊焊縫的橫橫向膨脹，產(chǎn)產(chǎn)生橫向塑性壓縮縮變形。焊縫冷卻時(shí)，，后焊焊縫的的收縮受先焊焊焊縫的限制制而產(chǎn)生拉應(yīng)應(yīng)力，而先焊焊焊縫產(chǎn)生壓壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡衡，更遠(yuǎn)處焊縫縫則產(chǎn)生拉應(yīng)應(yīng)力；應(yīng)力分布與施施焊方向有關(guān)關(guān)。以上兩種應(yīng)力力的組合即為為，橫向焊接接殘余應(yīng)力。(a)焊縫縱向收縮時(shí)的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時(shí)產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向向的焊接殘余余應(yīng)力在厚鋼板的焊焊接連接中，，焊縫需要多多層施焊，焊焊接時(shí)沿厚度度方向已凝固固的先焊焊縫縫，阻止后焊焊焊縫的膨脹脹，產(chǎn)生塑性性壓壓縮縮變變形形。焊焊縫縫冷冷卻卻時(shí)時(shí)，，后后焊焊焊焊縫縫的的收收縮縮受受先先焊焊焊焊縫縫的的限限制制而而產(chǎn)產(chǎn)生生拉拉應(yīng)應(yīng)力力，，而而先先焊焊焊焊縫縫產(chǎn)產(chǎn)生生壓壓應(yīng)應(yīng)力力，，因因應(yīng)力力自自相相平平衡衡，更更遠(yuǎn)遠(yuǎn)處處焊焊縫縫則則產(chǎn)產(chǎn)生生拉拉應(yīng)應(yīng)力力。。因因此此，，除除了了橫橫向向和和縱縱向向焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力σx,σy外，，還還存存在在沿沿厚厚度度方方向向的的焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力σz，這三三種種應(yīng)應(yīng)力力形形成成同同號號(受拉拉)三向向應(yīng)應(yīng)力力，，大大大大降低低連連接接的的塑塑性性。-+-321σxσyσz二、、焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力對對結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)性性能能的的影影響響1、對對結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)靜靜力力強(qiáng)強(qiáng)度度的的影影響響f+--bfy+--bfyNyNy因焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力自自相相平平衡衡，，故故：：當(dāng)板板件件全全截截面面達(dá)達(dá)到到fy，即即N=Ny時(shí)：：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度沒有影響。+--fyfbBt2、對對結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)剛剛度度的的影影響響A、當(dāng)焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力存存在在時(shí)時(shí)，，因因截截面面的的bt部分分拉拉應(yīng)應(yīng)力力已已經(jīng)經(jīng)達(dá)達(dá)到到fy，故該該部部分分剛剛度度為為零零（屈屈服服）），，這時(shí)時(shí)在在N作用用下下應(yīng)應(yīng)變變增增量量為為：：f+--bfyNN+--fyfNNbBt因?yàn)闉锽-b<B，所以以△ε1>△εε2。結(jié)論論：：焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力的的存存在在增增大大了了結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的變變形形，，即即降降低低了了結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的剛剛度度。。B、當(dāng)截截面面上上沒沒有有焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力時(shí)時(shí)，，在在N作用用下下應(yīng)應(yīng)變變增增量量為為：：另外外，，對對于于軸軸心心受受壓壓構(gòu)構(gòu)件件，，焊焊接接殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力使使其其撓撓曲剛剛度度減減小小，，降降低低壓壓桿桿的的穩(wěn)穩(wěn)定定承承載載力力（（詳詳見見第第五五章章））。。對于于厚厚板板或或交交叉叉焊焊縫縫，，將將產(chǎn)產(chǎn)