钢结构角焊缝强度计算与匹配分析.pdf

钢结构角焊缝强度计算与匹配分析 王 庆 张彦华 北京航空航天大学 机械工程学院 北京 100083 摘 要角焊缝的强度不仅与焊脚尺寸有关,还取决于焊缝金属与母材强度的匹配。分析了强度匹配对 角焊缝设计的影响,建立了角焊缝焊脚尺寸与板厚,强度匹配系数之间的关系,讨论了强度匹配选择的依据。 研究结果为钢结构角焊缝强度设计提供了参考。 关键词角焊缝 强度设计 匹配 STRENGTH CALCULATION AND MATCHING ANALYSES OF FILLET WELD IN STEEL STRUCTURE Wang Qing Zhang Yanhua School of Mechanical Engineering ,Beijing University of Aerospace and Astronautics Beijing 100083 Abstract The strength of fillet welding joint is related not only to the fillet weld size ,but also depends on the base metal strength matching1The influences of strength matching on fillet weld were analyzed1The relationships among fillet weld size ,thickness of base metal and matching coefficient of strength were established1The results may be a references for design strength and calculation of steel structures1 Keywords fillet weld strength design matching 0 前 言 角焊缝强度设计是钢节点设计的重要内容[1]。 角焊缝的应力分布非常复杂,尤其是在丁字接头和 搭接接头等接头形式中,角焊缝截面中的各面均存 在正应力和剪应力,焊根处存在着严重的应力集中。 精确计算其强度比较困难,常用的计算方法都是在 一些假设的前提下进行的。 钢结构设计规范 GB 50017 - 2003 [2]在总 结了原GBJ 17 - 88规范存在的问题与不足的基础 上,吸收了国内外最新研究成果,进行了全面修订。 新的规范中对钢结构角焊缝的连接计算和构造要求 做了详细规定。根据规范进行角焊缝强度设计时, 应当注意,角焊缝的强度不仅与焊脚尺寸和焊接材 料强度有关,也与焊缝金属与母材强度匹配有关。 本文重点研究了焊缝金属与母材强度匹配系数对钢 结构角焊缝强度设计的影响,建立了角焊缝焊脚尺 寸与板厚,强度匹配系数之间的关系,讨论了强度匹 配选择的依据。 1 角焊缝静强度计算方法 静载荷条件下,角焊缝一般是在切应力作用下 破坏的[3 ,4],因此按切应力计算其强度。直角角焊 缝的破坏常发生在喉部,通常是以45 方向的最小 截面,即计算高度与焊缝计算长度的乘积作为有效 截面。图1为直角角焊缝的截面。直角边边长hf 称为角焊缝的焊脚尺寸。 三角形中的垂直高度he为 计算高度。 等腰直角三角形焊缝的计算高度he hf 2 017hf。 图1 角焊缝计算厚度的定义 第一作者王 庆 女 1981年1月出生 硕士研究生 收稿日期2004 - 12 - 10 作用于焊缝的有效截面上的应力如图2所示, 这些应力包括垂直于焊缝有效截面的正应力σ⊥, 垂直于焊缝长度方向的剪应力τ⊥,平行于焊缝方向 的剪应力τ∥以及平行于焊缝的正应力σ∥。 在正拉 力N的作用下τ∥ 、 σ ∥为0。我国钢结构设计规范 采用的角焊缝应力折算公式为 237Industrial Construction Vol. 35 , Supplement ,2005 工业建筑 2005年第35卷增刊 图2 角焊缝受力分析 σ 2 ⊥3τ 2 ⊥τ 2 ∥≤3f w f 1 式中,f w f为规范规定角焊缝的强度设计值,是根据 抗剪条件确定的,而3f w f相当于角焊缝的抗拉强度 设计值。 对于图2所示的角焊缝受力情况,σ⊥ τ⊥σN/2 ,代入式1中,得 σN≤βff w f 2 式中,σN N helw ;βf为正面角焊缝的强度增大系数, βf 3 2 1122。 这里σN 为σ ⊥ 与τ ⊥的合力。 对 于两侧对称角焊缝lw 2l。 式2即为正面角焊缝 强度计算的基本计算公式[3 ,4]。 2 焊缝强度匹配分析 211 角焊缝等强度设计 这里以图3所示搭接接头受垂直于焊缝的正拉 力为例分析角焊缝强度匹配。根据公式2角焊缝 可承受的拉力为 图3 搭接接头 Nwβff w fhelw。 母材可承受拉力为 NBf B ulBt 式中 f B u 母材屈服抗拉强度设计值; t 母材承力截面厚度较小值; lB 母材承力截面宽度。 采用等强度设计时,焊缝承受载荷能力与母材 相等NwNB,可得 he f B ulBt βff w flw 由于采用两条焊缝,lw 2lB。 将he 017hf、f w u 3f w f及lw 2lB带入上式中,得 hfβ t f w u/f B u 其中β 2 3 βf。 令f w u/f B uM , M即为焊缝金属屈服强度与母 材屈服强度比,即焊缝金属与母材强度匹配系数。 则 hfβ t M 3 对于正面角焊缝β110。 由式3可知等强度设计条件下,若焊件厚度给 定,hf与M成反比例关系,随着M值的减小, hf增 大。 图4为不同板厚情况下hf与M的函数关系。 图4 焊脚尺寸与匹配系数的关系 当M为定值时, t -hf为直线关系,1/ M为直 线斜率图5。 由图中可以看出,对于同一t值,随着 M取值的减小, hf增大;随着t值的增大,不同M对 应的hf差值也将增大。 由焊缝的截面形状可知,角 焊缝截面面积与h2f成正比。 因此当选择较小M值 时,焊缝的截面积将成几何级数增大。 焊材的使用 量、 焊接工时、 能源消耗及焊接应力和焊接变形都将 相应增大。 对于一般中低强度钢的焊接用高匹配时 焊缝断裂韧性也比较好。 而对于高强钢,由于其低应 力脆断的特性,应考虑综合反映强度塑性的韧性匹 配。 由于角焊缝工艺的要求,其尺寸不能过大或过 小,因此M也存在合理取值范围。 337钢结构角焊缝强度计算与匹配分析 王 庆,等 图5 焊脚尺寸设计曲线 212 焊脚尺寸与强度匹配系数的选择 为了避免焊接区的基本金属 “过烧”,减小焊件 的焊接残余应力和残余变形,角焊缝的焊脚尺寸不 宜大于较薄焊件厚度的112倍。 对于搭接角焊缝,当板件厚度t 6mm时,根 据经验,施焊时容易产生咬边现象,不易焊满全厚 度,故取hf≤ t - 1～2mm;当t≤6mm时,通常 采用小直径焊条施焊,易于焊满全厚度,则取hf≤ t。 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。规范规定,角 焊缝的焊脚尺寸hf不得小于115t2, t2为较厚焊 件厚度单位为 mm 。自动焊熔深较大,故所取最 小焊脚尺寸可减小1mm;对丁字形连接的单面角焊 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。 依据角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度 的112倍的要求,M的取值应大于01833。 对于搭接 接头角焊缝,当两搭接母材等厚时,由式3及角焊 缝最大尺寸要求可知,搭接角焊缝M的最小值为1, 最大值为01667t。 当母材不等厚时,假设t2 t1图3角焊缝B的焊脚尺寸可以大于t1值,相当 于焊缝有效截面积增大,因此匹配系数可以适当降 低,但同时B焊脚尺寸又不能超过t1的112倍,因此 匹配系数不能低于019。 M的最大值与较厚焊件的厚度有关。 由于等强 度设计是根据较薄焊件焊脚尺寸计算的,母材不等 厚时,焊脚最小尺寸为115t2即图中最小厚度曲 线, t2为较厚焊件尺寸 , 由式3知, M最大值为 2t/3t2。 其值确定方法如图5。 当t2≥t1时,最小 厚度曲线上t2所对应的hf值即为最小厚度hfmin,通 过原点及M0 t , hfmin点可得一条直线,此直线斜 率的倒数即为M的最大值。 对于图2所示丁字接 头, t2 t1时,取hfmin 115t1。 由图5可以看出,焊脚尺寸最小与最大值要求 在t 1156mm处发生交叉,考虑强度匹配系数的 焊脚尺寸曲线也与焊脚最小尺寸曲线具有交叉。 由 此可见,当t 1156mm条件下,hf在h0与h1 之间变化,对应直线取不同斜率,即取得不同的M 值。对于不满足焊脚最小尺寸要求的情况,应考虑 降低匹配系数,增大焊脚尺寸。 对于侧面角焊缝的等强度设计,式3仍然适 用,只是其中β0182,可见侧面角焊缝的匹配系 数较正面角焊缝低。这与正面角焊缝强度高于侧面 角焊缝强度相符合。 3 结 论 1 焊缝金属与母材的强度匹配对角焊缝尺寸设 计有较大的影响,随着匹配系数的降低,角焊缝尺寸 增大,焊材的使用量、 焊接工时、 能源消耗及焊接应 力和焊接变形都将相应增大。 2 根据角焊缝设计中最大和最小焊脚尺寸的要 求,焊缝金属与母材的强度匹配系数的确定,需要根 据角焊缝接头型式及受力条件进行分析。 参考文献 1 崔 佳,等 1 钢结构设计规范理解与应用 1 北京中国建筑工业 出版社,20041214～230 ,266～274 2 GB 50017 - 2003 钢结构设计规范 3 魏明钟 1 钢结构 1 武汉武汉工业大学出版社,2000127～40 4 田锡唐 1 焊接结构 1 北京机械工业出版社,1982 上接第731页 应兼顾接点接驳需要的长度 , 初凝时在管口加水 养护。一般来说,浇筑至这一高度可方便将混凝土 顶面凿毛,也避免太接近下次接驳柱身的焊缝,造成 混凝土在焊接时过热而局部强度受损,确保施工质 量。 参考文献 1 哈尔滨建筑工程学院,中国建筑科学研究院 1 钢管混凝土结构设 计与施工规程 1 北京中国计划出版社,1992 2 钟善桐 1 钢管混凝土结构 1 哈尔滨黑龙江科学技术出版社, 1995 437工业建筑 2005年第35卷增刊