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1、工学3-1对接焊缝、角焊缝的构造和计算 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3钢结构的连接设计不同宽度不同宽度不同厚度不同厚度可不设斜坡可不设斜坡引弧板引弧板3.5.2其它构造其它构造3钢结构的连接设计3.5.3焊缝截面焊缝截面焊缝截面厚度焊缝所连接板件的较薄厚度；焊缝截面厚度焊缝所连接板件的较薄厚度；焊缝截面计算长度焊缝截面计算长度 采用引弧板时，焊缝全长有效；采用引弧板时，焊缝全长有效；未采用引弧板时，计算焊缝长度未采用引弧板时，计算焊缝长度=焊缝长
2、度减去焊缝长度减去2 2t t。t为对接接头中为连接件的较小厚度；在T形接头中为腹板厚度;3.4.4传力特性传力特性（1 1）焊缝传递焊件拼接处所承受的构件内力）焊缝传递焊件拼接处所承受的构件内力（2 2）力线没有转折（或基本没有转折）力线没有转折（或基本没有转折）3钢结构的连接设计3.5.4焊缝强度设计值焊缝强度设计值3钢结构的连接设计1.1.确定计算截面上的内力（荷载效应）确定计算截面上的内力（荷载效应）2.2.确定焊缝质量检验等级确定焊缝质量检验等级 根据结构重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环根据结构重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等对接焊缝一般均有全熔透要求，境以及应力
3、状态等对接焊缝一般均有全熔透要求，等级为二级或一级等级为二级或一级 3.3.确定焊缝强度设计值确定焊缝强度设计值 抗拉强度抗拉强度 抗压强度抗压强度 抗剪强度抗剪强度 4.4.计算焊缝截面特性计算焊缝截面特性 截面面积截面面积A A、惯性矩、惯性矩I I、截面模量、截面模量W W、面积矩、面积矩S S等等5.5.应力计算应力计算6.6.强度校核强度校核3.5.6计算步骤计算步骤3钢结构的连接设计直直焊焊缝缝引弧板引弧板N轴心拉力或压力轴心拉力或压力tw焊缝厚度（不同板连接时为较小板厚）焊缝厚度（不同板连接时为较小板厚）lw焊缝计算长度，焊缝计算长度，有引弧板有引弧板lwL，无引弧板无引弧板lw
4、L2t（较小板厚）（较小板厚）对接焊缝抗拉或抗压设计强度强度对接焊缝抗拉或抗压设计强度强度焊缝应力验算焊缝应力验算式中：式中：3.5.7典型节点（典型节点（1）焊缝轴心受力直缝）焊缝轴心受力直缝直缝直缝3钢结构的连接设计斜斜焊焊缝缝焊缝应力焊缝应力简化验算简化验算lw斜焊缝计算长度，斜焊缝计算长度，对接焊缝抗剪设计强度强度对接焊缝抗剪设计强度强度规范规定规范规定当当，可不验算。，可不验算。斜缝斜缝3.5.7典型节点（典型节点（1）焊缝轴心受力斜缝）焊缝轴心受力斜缝3钢结构的连接设计弯矩弯矩M剪力剪力V平板梁平板梁工字形梁工字形梁应力分布应力分布应力分布应力分布弯矩弯矩M剪力剪力V轴力轴力N应力
5、分应力分布布3.5.7典型节点（典型节点（2）梁的拼接弯矩、剪力、轴力作用）梁的拼接弯矩、剪力、轴力作用3钢结构的连接设计弯矩弯矩M剪力剪力V梁柱连接处梁柱连接处柱牛腿处柱牛腿处atw焊缝截焊缝截面面应力分应力分布布与一般梁中连接计算不同：与一般梁中连接计算不同：剪力仅由梁或牛腿腹板承受剪力仅由梁或牛腿腹板承受3.5.7典型节点（典型节点（3）牛腿焊接弯矩、剪力作用）牛腿焊接弯矩、剪力作用3钢结构的连接设计焊缝有效抗剪面积，整个焊缝截面的面积；3.5.7典型节点（典型节点（4）牛腿焊接弯矩、剪力、轴力作用）牛腿焊接弯矩、剪力、轴力作用3钢结构的连接设计3.6角焊缝的构造和计算直角焊缝直角焊缝斜
6、角焊缝斜角焊缝3.6.1角焊缝的构造角焊缝的构造：角焊缝的截面角焊缝的截面（1）按）按两焊角边夹角划分两焊角边夹角划分除钢管结构外除钢管结构外,对于对于135o或或6mm 6mm时，时，h hf,maxf,max t t-(12)mm-(12)mm；钢管构件除外钢管构件除外 对圆孔或槽孔内的角焊缝，焊脚尺寸尚不宜大于对圆孔或槽孔内的角焊缝，焊脚尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔短径的圆孔直径或槽孔短径的1/31/33钢结构的连接设计（3）最小焊脚尺寸最小焊脚尺寸h hf,minf,min6.2角焊缝截面尺寸（角焊缝截面尺寸（3）式中式中:t t2 2-较厚焊件厚度。较厚焊件厚度。当当t2 24mm时
7、时,hf,minf,min=t2 2另另:对于对于自动埋弧焊自动埋弧焊h hf,minf,min可减去可减去1mm;1mm;对于对于T T型连接单面角焊缝型连接单面角焊缝hf,minf,min应加上应加上1mm;1mm;3钢结构的连接设计（4）侧缝的最大计算长度侧缝的最大计算长度3.6.2角焊缝截面尺寸（角焊缝截面尺寸（4）当实际长度大于以上值时，计算时不考虑超过部分的强度；当实际长度大于以上值时，计算时不考虑超过部分的强度；但当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。但当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。（5）角焊缝的最小计算长度角焊缝的最小计算长度当焊件的焊接长度不受限制时，在满足最大焊
8、缝长度的当焊件的焊接长度不受限制时，在满足最大焊缝长度的要求下，小而长的焊缝比大而短的焊缝好！要求下，小而长的焊缝比大而短的焊缝好！3钢结构的连接设计（6）搭接连接的构造要求搭接连接的构造要求3.6.2角焊缝截面尺寸（角焊缝截面尺寸（5）C C、角焊缝的端部位于构件转角处时，应作、角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2 2h hf f的绕角焊，且的绕角焊，且转角处必须连续施焊。转角处必须连续施焊。D D、在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的、在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5 5倍，倍，且不得小于且不得小于25mm25mm。b2hft1t23钢结构的连接设计构造要求汇总构造要
9、求汇总3.6.2角焊缝截面尺寸（角焊缝截面尺寸（6）3钢结构的连接设计角焊缝的其它构造要求：角焊缝的其它构造要求：(1)承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。(2)在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为1:1.5,长边顺内力方向；对侧面角焊缝可为1:1。(3)在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。3.6.2角焊缝截面尺寸（角焊缝截面尺寸（7）3钢结构的连接设计（1）端缝：焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态
10、较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。端缝破坏强度要高一些，但塑性差。（2）侧缝：焊缝长度方向与受力方向平行，其特点为应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。侧缝强度低，但塑性较好。3.7角焊缝的受力特点角焊缝的受力特点3钢结构的连接设计3.7.1侧缝的应力状态侧缝的应力状态主要受剪应力，分布不均，两头大中间小，主要受剪应力，分布不均，两头大中间小，焊缝越长应力不均匀程度越高焊缝越长应力不均匀程度越高强度相对较低，塑性较好强度相对较低，塑性较好破坏常发生在近似破坏常发生在近似4545斜平面上斜平面上3钢结构的连接设计角焊缝应力状态远比侧焊缝复杂角焊缝应力状态远比侧
11、焊缝复杂正、剪应力都有，且分布很不均匀正、剪应力都有，且分布很不均匀根部应力集中最厉害，常常是开裂的起源点根部应力集中最厉害，常常是开裂的起源点焊缝破坏强度高，但塑性差焊缝破坏强度高，但塑性差端焊缝应力端焊缝应力分布分布ABCD3.7.2端缝应力状态端缝应力状态破坏模式3钢结构的连接设计90侧焊缝侧焊缝0端焊缝端焊缝荷载变形曲线荷载变形曲线3.7.3端缝与侧缝的比较端缝与侧缝的比较3钢结构的连接设计端焊缝端焊缝侧焊缝侧焊缝 计算截面计算截面均取均取焊缝焊缝45喉部为有效截面喉部为有效截面（假定破坏截面）（假定破坏截面）有效焊缝高度有效焊缝高度he0.7hf(焊缝高度焊缝高度)hfhfhe有效截
12、面有效截面计算焊缝长度计算焊缝长度lw每条连续焊缝的长度每条连续焊缝的长度2hf（每端扣（每端扣hf）3.7.4角焊缝的计算截面角焊缝的计算截面（1）hfhehh1h2deh-h-焊缝厚度、焊缝厚度、h h1 1熔深熔深h h2 2凸度、凸度、d d焊趾、焊趾、e e焊根焊根3钢结构的连接设计 角焊缝的有效截面为平分角焊缝夹角的截面，破坏往往从这个截面发生。有效截面的高度（不考虑焊缝余高）称为角焊缝的有效厚度he，当=90o时：he 0.7hf；其他：he hf cos(/2)。3.7.4角焊缝的角焊缝的计算计算截面（截面（2）3钢结构的连接设计破坏面破坏面试验公式试验公式3.7.5角焊缝的计
13、算应力（角焊缝的计算应力（1）NyNx=fh he ellw w45O45Oh hf f3钢结构的连接设计简化公式简化公式f 端焊缝强度增大系数端焊缝强度增大系数 f直角焊缝直角焊缝斜角焊缝斜角焊缝1.01.22静载、静载、间接动载间接动载1.0直接动载直接动载f当当0时0时式中：式中：平行平行焊缝长度方向的计算应力焊缝长度方向的计算应力 垂直垂直焊缝长度方向的计算应力焊缝长度方向的计算应力 角焊缝强度设计值角焊缝强度设计值 危险点危险点3.7.5角焊缝的计算应力（角焊缝的计算应力（2）3钢结构的连接设计3.7.6角焊缝强度设计值角焊缝强度设计值3钢结构的连接设计角焊缝计算的基本公式角焊缝计算
14、的基本公式式中f 正面角焊缝的强度设计值增大系数，；但对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应取f 1.0；f按角焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的正应力；f 按角焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力。3.8角焊缝计算角焊缝计算3钢结构的连接设计3.8.1计算步骤计算步骤轴力、剪力及联合作用轴力、剪力及联合作用弯矩及与轴力、剪力的共同作用弯矩及与轴力、剪力的共同作用扭矩及与轴力、剪力的共同作用扭矩及与轴力、剪力的共同作用焊缝群截面特性计算焊缝群截面特性计算计算长度：非连续焊缝计算长度计算长度：非连续焊缝计算长度Lw=L-nhf连续焊缝只考虑起弧和落弧处的扣除
15、连续焊缝只考虑起弧和落弧处的扣除hf焊缝群形心轴确定、有效截面积、截面模量计算等焊缝群形心轴确定、有效截面积、截面模量计算等应力计算应力计算强度校核强度校核确定确定焊缝（焊缝群）内力分析焊缝（焊缝群）内力分析3钢结构的连接设计两边侧焊两边侧焊两边端焊两边端焊验算验算端焊缝强度提高系数端焊缝强度提高系数验算验算认为焊缝有效截面上应力均匀分布认为焊缝有效截面上应力均匀分布一条单独的焊缝，每端扣除一条单独的焊缝，每端扣除hf3.8.2典型节点（典型节点（1）拼接板连接）拼接板连接承受轴力承受轴力N作用作用3钢结构的连接设计验算验算四周围焊四周围焊当焊缝受直接动力荷载时当焊缝受直接动力荷载时：由端焊缝
16、由端焊缝1N1122再验算侧焊缝再验算侧焊缝N1lw1N2，lw2减小拼接板减小拼接板角部应力集中角部应力集中四周菱形围焊四周菱形围焊简化验算简化验算无论静载、动载无论静载、动载3.8.2典型节点（典型节点（1）拼接板连接）拼接板连接承受轴力承受轴力N作用作用3.8.2典型节点（1）受轴心力作用时一般情况：轴心力N通过焊缝重心，且与焊缝长度方向的夹角为：3钢结构的连接设计特殊情况：=90，焊缝长度与受力方向垂直（正面角焊缝）：(3-6)=0，焊缝长度与受力方向平行（侧面角焊缝）：(3-7)式中lw为连接一侧所有焊缝的计算长度之和，每条焊缝按实际长度减去2hf。3钢结构的连接设计3钢结构的连接设
17、计肢背焊缝肢背焊缝肢尖焊缝肢尖焊缝blw2lw1两边侧焊两边侧焊N1、N2不均匀分配不均匀分配3.8.3典型节点（典型节点（2）角钢与拼接板连接）角钢与拼接板连接承受轴力承受轴力N作作用用N1+N2=NN1 e1=N2 e2e1+e2=b由平衡由平衡3钢结构的连接设计角钢类型角钢类型连接形式连接形式内力分配系数内力分配系数肢背肢背K1肢尖肢尖K2等肢角钢等肢角钢0.700.30不等肢角钢不等肢角钢短肢连接短肢连接0.750.25不等肢角钢不等肢角钢长肢连接长肢连接0.650.353.8.3典型节点（典型节点（2）角钢与拼接板连接）角钢与拼接板连接承受轴力承受轴力N作作用用3.8.3典型节点（典
18、型节点（3）角钢与拼接板连接）角钢与拼接板连接承受轴力承受轴力N作用角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算作用角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算3钢结构的连接设计blw2lw1三面围焊三面围焊N1+N2+N3=NN1 e1=N2 e2+N3(e2 b/2)e1+e2=b端部正面角焊缝能传递的内力为：3钢结构的连接设计由平衡由平衡3.8.3典型节点（典型节点（4）角钢与拼接板连接）角钢与拼接板连接承承受轴力受轴力N作用角钢用作用角钢用“L”型焊缝与节点板连接型焊缝与节点板连接的焊缝计算的焊缝计算由N2=0得：3钢结构的连接设计blw2lw13.8.3典型节点（典型节点（5）弯矩单独作用时弯矩单独
19、作用时的焊缝计算的焊缝计算3钢结构的连接设计任一点处：式中Ww角焊缝有效截面的截面模量。3.8.3典型节点（典型节点（6）扭矩单独作用时扭矩单独作用时的焊缝计算的焊缝计算3钢结构的连接设计3.8.3典型节点（典型节点（6）扭矩单独作用时扭矩单独作用时的焊缝计算的焊缝计算3钢结构的连接设计扭矩单独作用时式中J角焊缝有效截面的极惯性矩，J=IxIy；rAA点至形心o点的距离。将A分解到x和y方向，有3.8.3角焊缝在弯矩、剪力、轴向力、角焊缝在弯矩、剪力、轴向力、扭矩共同作用时扭矩共同作用时的焊的焊缝计算缝计算3钢结构的连接设计3.8.3角焊缝在弯矩、剪力、轴向力、角焊缝在弯矩、剪力、轴向力、扭矩
20、共同作用时扭矩共同作用时的焊的焊缝计算步骤：缝计算步骤：3钢结构的连接设计1、首先求出单独外力作用下的角焊缝的应力，并判断该、首先求出单独外力作用下的角焊缝的应力，并判断该应力状态相对该焊缝产生端缝受力还是侧缝受力，分别用应力状态相对该焊缝产生端缝受力还是侧缝受力，分别用和和表示。表示。2、采用叠加原理，将各种外力作用下的焊缝应力用、采用叠加原理，将各种外力作用下的焊缝应力用进行叠加。叠加时注意应取焊缝截面上同一点处的应力值进行叠加。叠加时注意应取焊缝截面上同一点处的应力值进行叠加，而不是最大应力值进行叠加。为此，事先应预进行叠加，而不是最大应力值进行叠加。为此，事先应预判断焊缝应力判断焊缝应
21、力“最危险点最危险点”，“最危险点最危险点”一般位于焊一般位于焊缝边缘处，偏离形心较远处。缝边缘处，偏离形心较远处。3钢结构的连接设计梁柱连接梁柱连接受弯矩受弯矩M、剪力、剪力V、轴力、轴力N作用作用危险点危险点a：验算验算危险点危险点b：仅腹板仅腹板焊缝截面焊缝截面梁柱连接梁柱连接整个焊缝截面整个焊缝截面焊缝应力分布焊缝应力分布弯矩弯矩轴力轴力剪力剪力加劲肋加劲肋整个截面整个截面Aw,Iw3.8.3典型节点（典型节点（7）梁柱连接）梁柱连接弯矩、剪力、轴力作用弯矩、剪力、轴力作用3钢结构的连接设计焊缝截面焊缝截面=V(a+e)剪力剪力V产生的产生的A点应力点应力3.8.3典型节点（典型节点（
22、8）牛腿焊接）牛腿焊接扭矩、剪力、轴力作用扭矩、剪力、轴力作用轴力轴力N产生产生A点的应力点的应力扭矩扭矩T产生产生A点的应力点的应力极惯性矩极惯性矩Izw=Ixw+Iyw3钢结构的连接设计焊缝截面焊缝截面=V(a+e)X方向合应力：方向合应力：Y方向合应力：方向合应力：验算：验算：A A点：点：3.8.3典型节点（典型节点（8）牛腿焊接）牛腿焊接扭矩、剪力、轴力作用扭矩、剪力、轴力作用3钢结构的连接设计3钢结构的连接设计3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形1.焊接变形：焊接变形：钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接
23、变形。2.焊接应力：焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。3.焊接应力产生的原因及其危害焊接应力产生的原因及其危害（1）原因 焊接应力产生的原因本质上焊接过程中的热胀冷缩引起的。两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。3钢结构的连接设计3钢结构的连接设计纵向焊接应力沿焊缝方向纵向焊接应力沿焊缝方向两板焊接两板焊接焊缝区受拉、两侧受压焊缝区受拉、两侧受压焊接工字钢腹板中央受压，两端受拉焊接工字钢腹板中央受
24、压，两端受拉翼缘中央受拉，两端受压翼缘中央受拉，两端受压横向焊接应力垂直焊缝方向横向焊接应力垂直焊缝方向A.焊缝纵向收缩导致两块板反向弯曲中间横向受拉，两端受压焊缝纵向收缩导致两块板反向弯曲中间横向受拉，两端受压B.施焊先后不同，则冷却时间不同，导致后焊部分收缩受拉，先冷施焊先后不同，则冷却时间不同，导致后焊部分收缩受拉，先冷部分受杠杆作用也受拉，中间部分受压部分受杠杆作用也受拉，中间部分受压A和和B两种作用叠加两种作用叠加厚度方向焊接应力厚度方向焊接应力表面受压，中央受拉表面受压，中央受拉3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形焊接应力：焊接应力：3钢结构的连接设计X(横向焊接应力横向
25、焊接应力)Y(纵向焊接应力纵向焊接应力)Z(厚度方向厚度方向焊接应力焊接应力)焊缝焊缝纵向焊接应力纵向焊接应力平平 板板 工字形截面工字形截面3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形3钢结构的连接设计第一部分第一部分 施焊施焊方向方向收缩收缩横向焊接应力横向焊接应力应力分布应力分布第二部分第二部分厚度方向焊接应力厚度方向焊接应力=合成合成应力应力3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形（2）焊接应力的危害 A.由于承载时可扩展塑性区，常温下受静载不影响强度，由于承载时可扩展塑性区，常温下受静载不影响强度，但会影响刚度但会影响刚度B.焊缝中的三向应力阻碍塑性变形的发展，导致开裂，降焊
26、缝中的三向应力阻碍塑性变形的发展，导致开裂，降低疲劳强度低疲劳强度C.降低构件稳定性，和使构件提前进入塑性工作阶段降低构件稳定性，和使构件提前进入塑性工作阶段4.焊接变形的产生和防止焊接变形的产生和防止 （1）焊接变形产生的原因及形式）焊接变形产生的原因及形式焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。如图：3钢结构的连接设计3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形3钢结构的连接设计与焊接应力同时产生，由焊区收缩变形导致与焊接应力同时产生，由焊区收缩变形导致波浪变形波浪变形
27、纵向收缩纵向收缩横向收缩横向收缩弯曲弯曲角变形角变形波浪变形波浪变形扭曲变形扭曲变形3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形3钢结构的连接设计（2）降低焊接应力和焊接变形的措施）降低焊接应力和焊接变形的措施1 1）选择合理的施焊顺序）选择合理的施焊顺序(分段、分层、分块等分段、分层、分块等)；2 2）采用合理的焊缝设计：）采用合理的焊缝设计：尽量避免三向焊缝汇交；尽量避免三向焊缝汇交；控制焊缝厚度不要过大；控制焊缝厚度不要过大；尽量对称布置焊缝；尽量对称布置焊缝；不宜单独使用端缝。不宜单独使用端缝。3 3）施焊前使构件有一个和焊接变形相反的预变形；）施焊前使构件有一个和焊接变形相反的预变
28、形；4 4）对对小小尺尺寸寸构构件件可可在在焊焊前前预预热热，或或在在焊焊后后回回火火加加热热至至600600左左右右，然后缓慢冷却；然后缓慢冷却；5 5）采用机械方法校正焊接变形。）采用机械方法校正焊接变形。3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形3钢结构的连接设计设计措施设计措施合理安排焊缝位置合理安排焊缝位置焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错差差好好差差好好差差好好加劲板：主要焊缝加劲板：主要焊缝通过，次要焊缝中断通过，次要焊缝中断（2）降低焊接应力和焊接变形的措施）降低焊接应力和焊接变形的措施3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形3钢结构的连接设计加工措施加工措施合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。施焊前，预加反向变形。施焊前，预加反向变形。焊接次序交替进行焊接次序交替进行分多道焊缝分多道焊缝预加反变形预加反变形（2）降低焊接应力和焊接变形的措施）降低焊接应力和焊接变形的措施3.8.4焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形