弯矩或扭矩作用下环形角焊缝的强度计算.pdf

文章编号：#$%&(（%#)）#)$#*)$#弯矩或扭矩作用下环形角焊缝的强度计算!董事尔，吴伟东，邓夕胜（西南石油学院建筑工程学院，四川 成都&#)#）摘要：在钢结构的焊接连接中，有两个焊接连接的近似计算公式，一是弯矩作用下环形角焊缝强度计算，二是扭矩作用下环形角焊缝强度计算，所有文献均没有给出这两个近似公式的来历，也未给出其使用范围。用理论分析了这两个近似公式进行，对其来历进行了推导，通过精确计算与近似计算的误差分析，给出了环形角焊缝在弯矩或扭矩作用下强度计算近似计算公式的适用范围与使用条件。关键词：弯矩；扭矩；环形角焊缝；强度验算；近似公式；误差分析；适用范围中图分类号：+,-!文献标识码：.引!言由武汉工业大学出版社出版，中国土木工程学会教育工作委员会推荐的土木工程系列教材，是-*年/月教育部颁布新的普通高等学校本科专业目录后的第一套新版、新规范教材，由魏明忠教授主编的 钢结构 是其中的一本。该教材是全国推荐的优秀教材，在该教材第*页中的例题 0)和第-页中承受扭矩的焊接联接问题中，有两个关于角焊缝的近似计算公式，由于没有给出其来历，在规范中也没有这两个近似计算公式&，为了更好地教学，也是为了工程设计计算的需要，笔者对这两个近似计算公式进行了仔细研究，并给出了适用条件。!弯矩作用环形角焊缝的强度计算0!问题的来源在文献 中第*页的例题!)中，给出了这样一个例题：试验算如图 所示钢管柱与钢底板连接的角焊缝。图中内力均为设计值，其中，轴力#%*#12，剪力$#%12，弯矩%#&123，焊脚尺寸#*33，钢材为 4%)，手工焊，焊条为 5(型。在问题的求解前，首先绘制焊缝的有效截面图，偏安全地取环形焊缝的外径为管道的外径（如图%所示），焊缝同时承受轴心力、弯矩%及剪力$作用，焊缝有效截面上的应力分布如图 所示，可知，&点为最危险点。图!钢管柱与钢底板焊接连接图%!焊缝有效截面图在焊缝的有效截面上，和%各产生垂直于焊缝一个直角边方向的应力!#()*+!（）!%#%,-!（%）而$产生垂直于另一直角边方向的应力!$#$()*+（）其中：偏安全地取焊缝计算长度*+#!.，为管道外第%/卷!第)期!西 南 石 油 学 院 学 报!6780%/!270)!%#)年!#月!97:;?7:ABCD EC;78C:3 FDG:C!HI!%#)!收稿日期：%#($#-$%作者简介：董事尔（-&$），男（汉族），四川渠县人，硕士，主要从事力学与结构工程研究。径。图!应力分布图此种受力状态较为少见，为了便于使用角焊缝强度计算的基本公式（!）#!#!,!#!，可略偏安全地取正面角焊缝强度增大系数!$%，而按各方向应力的合应力进行计算$。因此!$!&!$&()*#+#（&）!$!,!$,()*#（）在!的计算过程中，文献$采用了一种简化计算公式，即近似地认为惯性矩+-为+-$().!（)）按照材料力学中有关惯性矩的计算，则+-应为+-$!.&)&（$/#&）（*）其中，#$./#().。那么，式（)）又是如何推导来的？式（)）与式（*）相差多少呢？在什么情况下可以用（)）代替式（*）？文献$/中均没有来源，为了教学需要，也为了在工程中需要时提供可靠的理论依据，本文对这个问题进行了仔细研究。$%#惯性矩简化公式的推导+-$!.&)&（$/#&）$!.&)&$/（./#()）&.&$!().!(/!(#)（.#/&.()&(#)）$)（(）在式（(）的第二项中，由于.#&(#)0!&.()0&.()，因此舍去第二项后，惯性矩的值比精确计算值偏大，如果偏差过大，则有可能导致焊缝强度值不够，因此，近似计算一定要有条件，当舍去第二项后，就得到惯性矩的近似计算公式。$%!误差分析设(!.$1，则.$1()%*（规范规定，在直角角焊缝中，($%*(!)），设近似计算的惯性矩用+2-表示，精确计算的惯性矩用+-表示，则+2-$(!().!$!(&)(1%()*!（+）+-$!().!(/!(#)（.#/&.()&(#)）$)$!(&)$)#1%()*!/1%()*#&1%()*/&（$%）令#$+2-+-$#（1%*）!3#1%()*!/1%()*#&1%()*/&（$）对于弯矩 产生的弯曲正应力，按近似公式（+）计算的结果用!2 表示，按精确公式（$%）计算的结果用!表示，分别表示为!2$+2-$#+-（$#）!$+-$+-（$!）通常，.(!，在本例中，.3(!$#*%&，#$%)*，即!$%)*!2，即近似计算值比精确计算小)%*4，在计算过程中，由于已经略偏安全地取角焊缝强度增大系数!$%（规范规定为$%#)），偏安全地取焊缝计算长度*#$!.，因此，笔者认为，按近似公式（)）计算时，产生的误差是可以接受的。#扭矩作用环形角焊缝的强度计算在文献$的第!+页，对于承受扭矩作用的环形角焊缝连接（如图&所示），角焊缝有效截面上，任意一点的剪应力按下式计算$!$56+7,!#!（$&）式中，+7 焊缝有效截面的极惯性矩，对于薄壁圆环可取+7$#!()6#但没有给出其来历，也未给出其适用条件。从上面的分析可知道，可以轻易得到极惯性矩的近似计算公式)(西南石油学院学报#%年!#!$%#!&(#!&（!)）#（$%）式中，)管道半径。对于笔者认为式（$%）的适用范围，应与式（&）相同。图(环形角焊缝受扭#(结论与建议通过上面的分析，对于承受弯矩、扭矩或同时承受弯矩与扭矩作用的环形角焊缝，其焊缝强度验算时，当满足下面的条件时，惯性矩!%与极惯性矩!可以按公式（&）与公式（$%）计算。（$）假定联接构件为刚性，焊缝为弹性；（!）焊缝计算长度偏安全地取*+#!(；（#）取正面角焊缝强度增大系数!,#$-)；（）管道外径与焊脚尺寸之比(.&,&!%。在满足上述条件时，对于承受弯矩、扭矩或同时承受弯矩与扭矩作用的环形角焊缝，其焊缝强度验算时，按近似公式（&）计算惯性矩!%，按近似公式（$%）极惯性矩!，则焊缝强度计算验算产生的误差是可以接受的。参考文献：$(魏明钟*钢结构+*武汉：武汉工业大学出版社，!)*!(王国周，瞿履谦*钢结构原理与设计+*北京：清华大学出版社，$,*#(欧阳可庆*钢结构+*北京：建筑工业出版社，$,*(陈少蕃*钢结构+*北京：建筑工业出版社，$,*%(钟善桐*钢结构+*武汉：武汉大学出版社，$,-*&(现行建筑结构规范大全（修订缩印本）钢结构设计规范./0$-1 2*北京：中国建筑工业出版社，!)!*（编辑(罗先碧）（上接第 页）液动节流阀位移传感器对被控液动节流阀的开、合情况进行监测。试验表明：被控液动节流阀开、合反应灵敏，速度稳定，行程准确。程控试验与手控试验情况吻合，试验获得成功。（）最后进行了液动平板阀程控试验。利用工控装置的控制软件，分别对液动平板阀进行了开、合控制，同时直接观察被控液动节流阀的开、合情况。试验表明：被控液动平板阀开、合反应灵敏，速度稳定，定位准确。程控试验与手控试验情况吻合，试验获得成功。试验结果表明，3405-)6 型多级节流智能控制箱各项操作和指标都达到了设计要求，通过了塔里木石油指挥部组织的专家验收。参考文献：$(路甬祥*液压气动技术手册+*北京：机械工业出版社，!)!*!(周泽魁*控制仪表与计算机控制装置+*北京：化学工业出版社，!)!*#(安文华*迪那!井三次井控技术 0*石油钻采工艺，!)!，!（$）*(陈惠玲*节流管汇存在的问题及改进措施 0*天然气工业，$,，（-）*（编辑(罗先碧）-第%期(董事尔等：(弯矩或扭矩作用下环形角焊缝的强度计算(弯矩或扭矩作用下环形角焊缝的强度计算弯矩或扭矩作用下环形角焊缝的强度计算作者：董事尔，吴伟东，邓夕胜作者单位：西南石油学院建筑工程学院,四川,成都,610500刊名：西南石油学院学报英文刊名：JOURNAL OF SOUTHWEST PETROLEUM INSTITUTE年，卷(期)：2005，27(5)被引用次数：0次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.魏明钟 钢结构 20002.王国周.瞿履谦 钢结构-原理与设计 19983.欧阳可庆 钢结构 19994.陈少蕃 钢结构 19945.钟善桐 钢结构 19976.GBJ17-1988.现行建筑结构规范大全(修订缩印本)-钢结构设计规范 2002 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 宋金祥.秦士洪.李唐宁.SONG Jin-xiang.QIN Shi-hong.LI Tang-ning 边梁扭矩对柱端弯矩增大系数的影响-河北工程大学学报（自然科学版）2010,27(2)通过两榀带边梁的大跨度预应力平板-异形柱整体结构试件以及两榀大跨度预应力次梁整体结构试件在低周反复水平荷载作用下的试验,对有较大边梁扭矩情况下的柱端弯矩增大系数进行了研究,初步探明了边梁扭矩对柱端弯矩增大系数的影响.2.学位论文 陈孙艺 异径管应力分析及极限载荷的研究 2006 异径管在受压管道系统中是常见的重要部件，但对异径管问题的研究基本还是空白。本文通过理论分析对内压以及面内弯矩、扭矩作用下同(偏)心异径管、异径弯管的应力及极限载荷进行了研究，通过有限元数值分析和实验进行了验证。主要工作有：1.推导了内压作用下异径弯管的环向应力公式和经向应力公式。在相应的结构参数条件下，异径弯管的环向应力公式可以转化为同(偏)心异径管或等径弯管的环向应力公式。在此基础上推导了异径管的极限压力式。异径管的极限内压由其大端截面控制。2.推导了异径管的极限弯矩公式，异径管的极限弯矩由其小端截面控制。同(偏)心异径管的极限弯矩均相当于与小端口截面尺寸相同的直管的极限弯矩。异径弯管极限弯矩由与小端面尺寸相同的同(偏)心异径管的极限弯矩作为基础项，再乘以弯矩系数。根据异径弯管弯曲系数的大小分为四个区间，弯矩系数分别按相应区间的回归式计算。3.推导了异径管的极限扭限公式，异径管的极限扭矩均由其小端截面控制，相当于与小端口截面尺寸相同的直管的极限扭矩公式作为基础项，再乘以系数。同心异径管极限扭矩相对要比偏心异径管的极限扭矩略大一点，异径弯管大端面截面承受扭矩时的极限扭矩相对要比小端面截面承受扭矩时的极限扭矩小。在异径弯管承受端面扭矩作用上，还提出了一端的扭矩无法完全传递到另一端的概念，扭矩在传递中会逐渐转化为弯矩。90弯管一个端面的弯矩既可由另一个端面的扭矩转化而来。4.提出了同(偏)心异径管和异径弯管的有限元模型建模法。总结出应力分布或变形的特征：(1)内压作用下同心异径管大小端的面积压力差产生的弯矩引起大端相对张开、小端相对收缩的现象；(2)内压作用下偏心异径管偏心侧大端内表面及偏心侧中部外表面的环向应力最大。5.上述理论成果经过了有限元数值分析和实验验证。实验还表明，内压作用下环壳的弯曲半径和管截面半径均增大，而管壁厚变化很小。假设壁厚不变时弯曲系数随内压增大而减小。3.学位论文 贾强 框架梁扭矩折减与梁端弯矩调幅系数合理性研究 2008 钢筋混凝土整体框架结构的边主梁因协调变形而发生的协调扭转经常可以见到，由于钢筋混凝土框架整体浇筑，协调扭转的扭矩大小将因楼板约束、材料的弹塑性性质决定，而与不考虑楼板影响的弹性计算有所不同，在目前的结构设计软件中引入抗扭折减系数，调整扭矩来满足设计要求，该系数合理性的研究及相关影响因素的分析对结构设计的经济、安全是必要的，同时钢筋混凝土框架设计中选择一个合理的弯矩调幅系数来考虑混凝土的非线性影响，对结构合理性设计也是十分必要的。本文首先对边框梁扭矩变化的影响因素进行了分析，使用有限元分析软件SAP2000对一单层钢筋混凝土框架结构进行了弹性分析，同时取了楼板厚度、次主梁刚度比二个因素，得出影响明显的因素，又与SATWE计算值对比，利用数理统计进行回归分析得出抗扭折减系数在弹性工作阶段的合理取值。框架梁端的弯矩调幅系数的合理取值给实际工程中的施工带来了方便，使结构经济、合理。本文使用了有限元软件ANSYS对单榀两跨的简单框架梁做了非线性分析，从调幅系数与裂缝宽度的曲线图，通过分析对比得出调幅系数的合理取值。4.会议论文 方一匡.颜聪.彭成安.邱浩然 轻质骨材混凝土梁在弯矩与扭矩组合载重下之承力行为 2004 本文旨在探讨以水库淤泥烧制轻质骨质材制作之钢筋混凝土预铸梁之量产技术,进而研究轻质骨材混凝土与常重混凝土梁在受到纯弯矩、纯扭矩以及扭矩与弯矩组合载重下之力学特性,并与设计规范之预测值比较,以供未来设计者参考.本研究共规划8根在预铸场制作之轻质骨材混凝土与6根以预拌混凝土制作之常重混凝土梁试体,试体断面尺寸为350350mm,混凝土抗压强度约为3746MPa,梁试体全长约为4500mm.5.期刊论文 赵巍.张永珍.ZHAO Wei.ZHANG Yong-zhen 电阻应变计法测量组合变形轴的扭矩和弯矩-唐山学院学报2009,22(3)分析用电阻应变计法测定组合变形轴的扭矩和弯矩时,如何布置应交片和组成测量电桥.所述思路,步骤和方法,可适用于其它组合变形构件.6.学位论文 丁智潮 大跨度预应力次梁楼盖结构体系的弯扭受力试验研究 2003 本文通过两榀大跨度预应力次梁楼盖结构体系组合构件的反复水平加载试验，分析研究了大跨度预应力次梁楼盖结构体系的受力特性。着重讨论了预应力次扭矩对结构受力的影响、水平荷载作用下结构的弯扭分配规律以及如何进行边主梁的合理设计等问题。试验结果表明，预应力次扭矩对结构受力的影响，存在于整个受力阶段，其对结构受力的反对称效应是比较明确的，尤其对边主梁的受扭影响。本文通过理论和试验数据分析，得到预应力次扭矩的变化规律与竖向荷载作用下的边主梁扭矩的变化类同，指出预应力次扭矩同样是一个典型的协调扭矩；同时对于预应力次扭矩在设计中如何考虑，本文提供了一种实用的并且符合预应力次扭矩变化规律的处理方法。在讨论水平荷载作用下结构的弯扭分配规律时引入了边主梁梁上次梁板组合刚度的概念，并就得到的结论与竖向荷载作用下的弯扭重分配规律作了比较。试验结果表明，在构件开裂前，可以按弹性计算。由于过柱子次梁、边主梁的开裂以及梁上次梁(包括楼板)的开裂，使得过柱子次梁的抗弯刚度和边主梁梁上次梁板组合刚度发生了明显的变化，导致产生弯扭重分配，一般情况下，组合刚度与过柱子次梁抗弯刚度的比值增大，边主梁所受扭矩增加，反之，边主梁所受扭矩减小。从边主梁的受力看，以过柱子次梁的弯曲开裂、边主梁的扭剪开裂以及梁上次梁(包括楼板)的弯曲开裂和过柱子次梁的弯曲屈服为受力特征点划分为四个受力阶段，其中边主梁在过柱子次梁的弯曲屈服后的受扭则更多地具有平衡扭转的性质，而在这以前是协调扭转。从试验结果看，破坏时边主梁的扭矩值多大于按弹性计算的扭矩值。本文最后对边主梁的扭矩折减系数以及考虑边主梁的作用对柱端弯矩增大系数的取值影响进行了讨论，并就设计中如何进行考虑给出了建议。7.期刊论文 ShuJi Hosokawa.朱正德 螺纹拧紧过程中的扭矩、轴向力和弯矩研究-国外金属加工2001,(4)论文研究了弹性区域内螺纹的拧紧力距与轴向力之间的关系,通过在一台新设计装置上进行的拧紧试验,对规格为M121.5M202.5螺纹配合部分的扭矩与夹紧力进行了测量.实验结果表明,这些测得值是相互关联的,即拧紧力矩与轴向力之间的关系可以由通用方程予以表述.进而,通过实验又证实了这些通用方程式的有效性,但是,当螺纹拧紧时还受到一个弯矩作用时,上述方程将不适用.8.学位论文 胡正宇 钢梁在弯矩和扭矩联合作用下承载力研究 2003 该文主要采用有限元分析方法,分别研究了双轴对称工字形截面钢梁、单轴对称工字形截面钢梁和T形截面钢梁在弯矩和扭矩联合作用下的弹塑性特性和承载力.对ANSYS进行了二次开发,提出了基于ANSYS分析平台的钢梁在弯矩及扭矩联合作用下的弹塑性承载力分析的流程和方法.得出了梁在弯矩和扭矩联合作用下的承载力控制方程.该文的分析研究考虑了几何非线性大变形和材料非线性以及残余应力和几何缺陷的影响,对梁在弯矩和扭矩联合作用下所产主的平面内弯曲、弯扭屈曲与扭转之间的相互作用关系进行了探讨.研究表明,由扭转变形引起的绕梁弱轴的次要弯曲作用对梁弯矩作用平面内的弯曲、弯扭屈曲、非稳定扭转具有重要影响.该文得出了钢梁在弯曲和扭转联合作用下弯扭屈曲和扭转联合作下用的承载力计算公式.并指出由Hodge等人提出的圆曲线交互方程对该文所研究的这三类钢梁而言,有其局限性.该文探讨了梁在弯矩和扭矩的联合作用下,因梁受拉翼缘宽度变化对梁的承载力性能的影响.可供工程设计参考.9.期刊论文 程数.丁智潮 楼面边主梁次扭矩的计算-浙江建筑2004,21(z1)大跨度预应力混凝土次梁楼盖结构体系中,就设计者所关心的边主梁预应力次扭矩问题进行了讨论,并给出了计算方法和计算实例.10.期刊论文 李忠献.景萌.Li Zhongxian.Jing Meng 在弯矩、剪力和反复扭矩复合作用下的碳纤维布加固RC箱梁抗扭性能试验研究-土木工程学报2006,39(11)为研究碳纤维布加固弯矩、剪力和反复扭矩复合作用下的钢筋混凝土箱梁的抗扭性能,共设计制作了4根钢筋混凝土箱梁试件,其中3根采取碳纤维布加固、1根不加固作为对比试件.试验在自行研制的扭转试验装置上进行,对箱梁试件同步施加弯矩、剪力和反复扭矩作用.以加固方式和加固数量为主要研究参数,分析了箱梁试件的破坏机理、承载能力、变形能力和滞回性能等.通过各箱梁试件的碳纤维布和钢筋的应变变化规律,探讨了碳纤维布加固箱梁的抗扭工作机理;通过测得的各试件的扭矩-扭转角滞回曲线和骨架曲线,提出了碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁的抗扭恢复力模型.从而为碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁抗扭性能的理论研究和工程应用提供了重要的依据.本文链接：http:/