角焊缝的构造和计算.doc

3.3 角焊缝的构造和计算
   3.3.1 角焊缝的形式和强度
     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、斜焊缝；
     正面角焊缝：焊缝长度方向与作用力垂直；
     侧面角焊缝：焊缝长度方向与作用力平行。
     按其截面形式分：直角角焊缝(图3.10)、斜角角焊缝(图3.11)。

    直角角焊缝通常焊成表面微凸的等腰直角三角形截面[图3.10(a)]。在直接承受动力荷载的结构中，为了减少应力集中，提高构件的抗疲劳强度，侧面角焊缝以凹形为最好。但手工焊成凹形极为费事，因此采用手工焊时，焊缝做成直线性较为合适[图3.10(a)]。当用自动焊时，由于电流较大，金属熔化速度快、熔深大，焊缝金属冷却后的收缩自然形成凹形表面[图3.10(c)]。为此规定在直接承受动力荷载的结构（如吊车梁）中，侧面角焊缝做成凹形或直线形均可。对正面角焊缝，因其刚度较大，受动力荷载时应焊成平坡式[图3.10(b)]，直角边的比例通常为1:1.5（长边顺内力方向）。
     两焊脚边的夹角α>90°或α<90°的焊缝称为斜角角焊缝，斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角α>135°或α<60°的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。
大量试验结果表明：
     侧面角焊缝(图3.12)主要承受剪应力，塑性较好，弹性模量低（E=0.7×105～1×105N/mm2），强度也较低。由于传力线通过侧面角焊缝时产生弯折，因而应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大中间小的状态，焊缝越长，应力分布不均匀性越显著。但在在接近塑性工作阶段时，产生应力重分布，可使应力分布的不均匀现象渐趋缓和。即分布不均匀，且不均匀程度随 的增大而增加，破坏常在两端开始，再出现裂纹后很快沿焊缝有效截面迅速断裂

    正面角焊缝(图3.13)受力复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力。由于传力时力线弯折，并且焊根处正好是两焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端，故焊根处存在着很严重的应力集中。与侧面角焊缝相比，正面角焊缝的刚度较大（弹性模量E≈1.5×105 N/mm2），强度较高，但塑性变形要差些。即沿焊缝长度方向分布比较均匀，但应力状态比侧面角焊缝复杂，两焊脚边均有拉、压应力和 ，在焊缝根部存在应力集中，裂纹首先在此处产生，断裂面可近似地假定在有效截面。
     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。
     假定：直角角焊缝的破坏截面在45°截面处，计算是采用有效截面he。

  3.3.2 角焊缝的构造要求
     1、最大焊脚尺寸
     为了避免焊缝区的基本金属“过热”，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，除钢管结构外，角焊缝的焊脚尺寸 不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍，见图3.14(a)。

    2、最小焊脚尺寸
     角焊缝的焊脚尺寸 也不能过小，否则焊缝因输入能量过小，而焊件厚度较大，以致施焊时冷却速度过快，产生淬硬组织，导致母材开裂。

    3、不等焊脚尺寸的构造要求
     角焊缝的两焊脚尺寸一般为相等。当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合以上最大焊脚尺寸及最小焊脚尺寸要求时，可采用不等脚焊脚尺寸，见图3.14(c)。
    4、侧面角焊缝的最大计算长度
     承受静荷载或间接动力荷载时：
     承受动力荷载：
     当计算长度大于上述限值时，其超过部分在计算中不予考虑，若内力沿焊缝全长分布时，其计算长度不受此限制，如工字形截面梁或柱的翼缘与腹板连接焊缝。
     5、角焊缝的最小计算长度
     如过小，焊件局部受热严重，且弧坑太近，还有其他可能产生的缺陷。

    6、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(图3.15)：
    ， 为较薄焊件的厚度。
     当仅有两条正面焊缝时：搭接长度(图3.16)。

    杆件端部搭接采用围焊(包括三面围焊、L形围焊)时，转角处截面突变会产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬边等缺陷，从而加大应力集中的影响，故所有围焊的转角处必须连接施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2 的绕角焊(图3.15)。

  3.3.3 直角角焊缝强度计算的基本公式
     图3.17所示为直角角焊缝的截面。试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在有效截面处（焊喉），故对角焊缝的研究均着重于这一部位。

    直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算式为：

    式中 ——按焊缝有效截面（helw）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；
         ——按焊缝有效截面（helw）计算，沿焊缝长度方向的剪应力；
         ——正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构， =1.22；直接承受动力荷载的结构=1.0 。（由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应将其强度降低使用。）
        ——角焊缝的抗拉、抗剪和抗压强度设计值。
     （１）力与焊缝长度方向平行
     侧缝：=0；
     假定： 均匀分布

    （２）力与焊缝长度方向垂直
    正缝： =0；
     假定： 均匀分布

    （３）斜向力（即不平行也不垂直于焊缝长度方向）
     只要将焊缝应力分解为垂直于焊缝长度方向的应力 和平行于焊缝长度方向的应力 ，即可按式(3.1)计算。
   3.3.4 各种受力状态下直角角焊缝的计算
     1、承受轴心力作用时角焊缝连接计算
     （1）用盖板的对接连接承受轴心力（拉力或压力）时，当焊件受轴心力，且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3.18的连接中：
     ①当只有侧面角焊缝时，按式(3.2)计算；
     ②当只有正面角焊缝时，按式(3.3)计算；
     ③当采用三面围焊时，对矩形拼接板，先按式(3.3)计算正面角焊缝所承担的内力：

    式中 ——连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。再由力 计算侧面角焊缝的强度：

    式中 ——连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和。
     [例3.1]试设计用拼接盖板的对接连接（图3.19）。已知钢板宽B=270mm，厚度t1=28mm，拼接盖板厚度t2=16mm。该连接承受静态轴心力N=1400kN(设计值)，钢材为Q235B，手工焊，焊条为E43型。

    (2)承受斜向轴心力的角焊缝连接计算
     如图3.20所示受斜向轴心力的角焊缝连接，将N分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力，并计算应力：

     代入式(3.1)验算角焊缝的强度。
     （3）承受轴心力的角钢角焊缝计算
     在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊（图3.21）。
     为了避免节点的偏心受力，各条焊缝所传递的合力作用线应与角钢杆件的轴线重合。

    ①采用两面侧焊[图3.21(a)]
     为避免角钢偏心受力，应使两侧焊缝分担的 、 合力恰好通过角钢的形心线.

    式中 N1、N2 ——角钢肢背和肢尖上的侧面角焊缝所分担的轴力
         e——角钢的形心距。

    ②采用三面围焊[图3.21(b)]
     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。

    [例 3.2] 试确定图3.22所示承受静态轴心力作用的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢为2∟125×10，与厚度为8mm的节点板连接，其肢背搭接长度为300mm，焊脚尺寸均为hf=8mm，钢材为Q235B，手工焊，焊条为E43型。

    2、承受弯矩、轴心力或剪力联合作用的角焊缝连接计算
     图3.23所示的双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N，将N分解为Nx和Ny两个分力。则角焊缝可看做同时承受轴心力Nx、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3.23(b)所示，其中A点应力最大为控制设计点。

    3、承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝连接计算
     图3.24所示为采用三面围焊的搭接连接，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，采用如下假定：
     （1）构件是完全刚性的，角焊缝处于弹性状态；
     （2）角焊缝群上任意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3.24中，A点与A′点由扭矩T引起的剪应力τT最大，焊缝群其他各处由扭矩T引起的剪应力τT均小于A点和A′点的剪应力，因此A点和A′点为设计控制点。

    由剪力V在焊缝群引起的剪应力τV假设按均匀分布，则在引起的应力τVy为：

    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τTx，则A点合应力应满足的强度条件为：

    当连接直接承受动态荷载时，取 =1.0。
    典型问题：工字型牛腿焊缝的计算
     对于工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接（图3.25），通常承受弯矩M和剪力V的联合作用。

    第一种方法:
     假设: ①剪力由腹板焊缝承担；②弯矩由全部焊缝承担。
     a）翼缘焊缝最外纤维处的应力满足：

    式中  M ——全部焊缝所承受的弯矩；
         ——全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；
         h——上、下翼缘焊缝有效截面最外纤维之间的距离。
     翼缘焊缝仅承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力；
    b）腹板焊缝：

    式中   ——腹板焊缝有效截面积之和；
           ——腹板焊缝的实际长度。 则腹板焊缝在A点的强度验算式为：

    腹板焊缝即承受垂直于焊缝长度方向的应力又承受平行腹板焊缝长度方向的剪应力。
     第二种方法:
     假设：腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩M可以化为一对水平力H=M/h。则翼缘焊缝的强度计算公式为：

    [例3.3]试验算图3.26所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢材为Q235B，焊条为E43型，手工焊。静态荷载设计值N=365kN，偏心距e=350mm，焊脚尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。图3.26(b)为焊缝有效截面的示意图。
     [解]
     竖向力N在角焊缝形心处引起剪力V=N=365kN和弯矩M= Ne=365×0.35=127.8kN?m。
     （1）考虑腹板焊缝参加传递弯矩的计算方法全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩为：

  3.3.5 斜角角焊缝的计算
     斜角角焊缝一般用于腹板倾斜的T形接头，计算时采用与直角角焊缝相同的公式。但不论其有效截面上的应力情况如何，均不考虑焊缝的方向，一律取 。