钢构焊缝计算(受力)

《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

图 1 直角角焊缝截面

图 2 斜角角焊缝截面

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h f 称为角焊缝的焊脚尺寸，h e ＝0.7h f 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t ≤6mm ，埋弧焊t ≤10mm ）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

h f ≥1.5t 2 （1）

式中 t 2—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

h f 1. 2t 1 （2）

式中 t 1—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h f ≤t -（1～2）mm ；当t

≤6mm 时，取h f ≤t 。

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8h f 和40mm 。

（4） 侧面角焊缝的最大计算长度

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，可能首先在焊缝的两端破坏，故规定侧面角焊缝的计算长度l w ≤60h f 。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 （t ≤12mm ），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5 焊缝长度及两侧焊缝间距 图6 搭接连接

（6） 间断角焊缝的构造要求

间断角焊缝只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝的间断距离l 不宜过长，以免连接不紧密。一般在受压构件中应满足l ≤15t ；在受拉构件中l ≤30t ，t 为较薄焊件的厚度。

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，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2h f 的绕角焊。

2. 直角角焊缝强度计算的基本公式 ⎛σf β⎝f ⎫⎪+τ2f ≤f w （3） f ⎪⎭2

式中 σf —垂直于焊缝长度方向的应力；

τf —平行于焊缝长度方向的应力；

βf —正面角焊缝的强度增大系数，βf =1.22；直接承受动力荷载结构中

的角焊缝，βf =1.0；

f f w —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σf 和平行于焊缝长度方向的应力τf ，上述基本公式可适用于任何受

力状态。

对正面角焊缝，τf =0，得

σf =N （4） ≤βf f w

f h e l w

对侧面角焊缝，σf =0，得

τf =N （5） ≤f w f h e l w

式中 h e —直角角焊缝的有效厚度，h e = 0.7h f ；

l 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h f 计算。

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

当只有侧面角焊缝时 τf =N ≤f w f h e l w

N ≤βf f w

f h e l w 当只有正面角焊缝时 σf =

当采用三面围焊时，先计算正面角焊缝所承担的内力N 1=βf f f w ∑h e l w 1 式中 ∑l w 1—连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。

再计算侧面角焊缝的强度： τf =N -N 1≤f f w ∑h e l w

式中 ∑l w —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N x =N sin θ; N y =N cos θ N sin θ⎫

h e l w ⎪⎪ N cos θ⎬⎪τf =h l e w ⎪⎭σf =

代入式（3）验算角焊缝的强度

⎛σf β⎝f ⎫⎪+τ2f ≤f w f ⎪⎭2

3）承受轴心力的角钢角焊缝计算

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，特殊情况也可采用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h

f 3，求出正面角焊缝所分

担的轴心力N 3。当腹杆为双角钢组成的T 形截面，且肢宽为b 时，

N 3=2×0.7h f 3b βf f f w （6） 由平衡条件（∑M ＝0）可得：

N 1=N N (b -e ) N 3-=k 1N-3 （7） b 22

N Ne N 3 N 2=-=k 2N-3 （8） b 22

式中 N 1、N 2——角钢肢背和肢尖的侧面角焊缝所承受的轴力；

e——角钢的形心距；

k 1 、k 2——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N 3＝0，则：

N 1=k 1N （9）

N 2=k 2N （10）

求得各条焊缝所受的内力后，按构造要求假定肢背和肢尖焊缝的焊脚尺寸，即可求出焊缝的计算长度。对双角钢截面

l w 1=N 1 （11） w 2⨯0. 7h f 1f f

N 2 （12） 2⨯0. 7h f 2f f w l w 2=

式中 h f 1、l w 1——一个角钢肢背上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度；

——一个角钢肢尖上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度。 h f 2、l w 2

实际焊缝长度为计算长度加2h f 。对于三面围焊，焊缝实际长度为计算长度加h f ；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2h f 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缝，令N 2＝0，得：

N 3=2k 2N （13）

N 1=N-N 3 （14）

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：

h f 3=

式中，l w 3=b -h f 。

（2）承受弯矩、轴心力或剪力共同作用的角焊连连接计算 N 3 （15） w 2⨯0. 7l w 3βf f f

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N x 和N y 两个分力。角焊缝同时承受轴心力N x 和剪力N y 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N x 产生的应力：

σN =

由弯矩M 产生的应力： N x N x = A e h e l w

σM =M 6M =2 W e h e l w

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

σf =N x 6M

+ 22h e l w 2h e l w

剪力N y 在A 点处产生平行于焊缝长度方向的应力

τf =

则焊缝的强度计算式为：

σf β⎝f N y A e =N y 2h e l w ⎫⎪+τ2f ≤f w f ⎪⎭2

当连接直接承受动力荷载作用时，取βf ＝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

σf 1=M h 〃≤βf f f w I w 2

式中 M——全部焊缝所承受的弯矩；

I w ——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：

σf 2=M I w 〃h 22

τf =V h l e 2w 2

式中 ∑(h e 2l w 2)——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：

⎛σf 2⎫ ⎪+τ2

f ≤f w f β⎪⎝f ⎭2

（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τf ，应按下式计算：

τf =T ⨯r ﹤f f w （16） I p

式中 r ——圆心至焊缝有效截面中线的距离；

3I p ——焊缝有效截面的惯性矩，I p =2πh e r 。

2）围焊承受剪力和扭矩作用时的计算

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 （e 1+e 2）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O 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O 点最远，故A 点和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，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

τT

（17）

将τT 沿x 轴和y 轴分解为：

=

T ⨯r

I p

=

T ⨯r

I x +I y

τTx

（18）

=τT

〃sin θ=

T ⨯r I p

〃

r y r

τTy

（19）

=τT

〃cos θ=

T ⨯r I p

〃

r x

r

由剪力V 在焊缝群引起的剪应力τV 按均匀分布，则在A 点（或A '点）引起的应力τVy 为

τVy =

V

h e l w

则A 点受到垂直于焊缝长度方向的应力为：

σf =τTy +τVy

沿焊缝长度方向的应力为τTx ，则A 点的应力满足的强度条件为

11

⎛τTy +τVy

βf ⎝

⎫⎪w 2

+τTx ≤f f ⎪⎪⎭

2

当连接直接承受动态荷载时，取βf =1.0。 三、斜角角焊缝的计算

两焊脚边夹角α为60o ≤α≤135o 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βf （或βf θ）＝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—、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 。

图14 钢板拼接 图15

引弧板

（2）对接焊缝的计算

12

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

σ

（20）

式中 N——轴心拉力或压力设计值；

=

N l w t

≤

f t w

或

f c w

l w ——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； f t w 、f c w ——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。 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：

σ（21）

τ（22）

式中 W w —焊缝的截面模量；

=

VS w

I w t

=

M W w

=

6M 2l w t

≤

f t w

=

3

2

〃

V l w t

≤

f v w

S w —焊缝的截面面积矩； I w —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：

12+3τ12

（23）

式中 σ1、τ1—验算点处焊缝的正应力和剪应力；

13

≤1.1

f t w

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βf ＝1.22，其他受力情况取βf ＝1.0。

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