焊缝连接计算方法-钢结构设计原则

对接焊缝分焊透和部分焊透两种，部分焊透的对接焊缝受力状态较复杂，通常按角焊缝计算方式处理，本节中对接焊缝的计算均指焊透类型。

由于对接焊缝形成了被连接构件截面的一部分，焊缝中的应力分布情况基本上与焊件原来的情况相同，故对接焊缝的计算方法与构件强度的计算相同。对接焊缝连接的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。

焊缝金属的强度一般高于母材的强度，对接焊缝的连接破坏通常不会在焊缝金属部位发生，而是在母材或焊缝附近的热影响区。由于焊接的工艺技术问题，焊缝中难免存在裂纹、气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷，试验证明，这些缺陷对焊缝的受压和受剪影响不大，对焊缝的抗拉强度会造成影响，从而焊缝的抗拉强度可能低于母材的强度。

我国钢结构施工及验收规范中，将对接焊缝的质量检验标准分为三级：三级检验只要求通过外观检查，二级检验要求通过外观检查和部分超声波探伤检查，一级检验要求全部通过外观检查、超声波探伤检查和X射线检查。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%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。

对于一、二级对接焊缝和没有拉应力构件中的三级对接焊缝都与母材强度相同，只要母材强度计算能满足设计要求，则焊缝强度同样满足要求，此时无须对焊缝强度进行验算。对于有拉应力构件中的三级焊缝，必须对焊缝的抗拉强度进行验算。

对接焊缝连接在几种常见受力情况下的计算方法分别叙述如下。

1．受轴心力作用的对接焊缝计算

对接焊缝受轴心力是指作用力通过焊件截面形心，且垂直焊缝长度方向［图 3.18（a）］，在对接和T形连接中，垂直于轴心力的对接焊接或对接角接组合焊缝，其强度按下式计算：

式中　N——轴心拉力或轴心压力（N）；

lw——焊缝的计算长度（板宽减去2t），若加引弧板则焊缝的计算长度即为板宽；

he——对接焊缝的计算厚度（mm），在对接连接节点中取连接件的较小厚度，在T形连接节点中取腹板的厚度；

——对接焊缝抗拉强度设计值（N/mm2）；

——对接焊缝抗压强度设计值（N/mm2）。

2．斜向受力的对接焊缝计算

对接焊缝受斜向力是指作用力通过焊缝重心，且与焊缝长度方向呈θ夹角［图3.18（b）］。其计算公式为：

式中　θ ——焊缝长度方向与作用力方向间的夹角；

lw——斜向焊缝计算长度，即

lw=b/sinθ-2t （无引弧板）

lw=b/sinθ（有引弧板）

b——焊件的宽度。

图3.18　轴心受力和斜向受力的对接焊缝连接

由于一、二级检验的焊缝与母材强度相等，故只有三级检验的焊缝才需按式（3.1）进行抗拉强度验算。如果用直焊缝不能满足强度需要时，可采用如图3.18（b）所示的斜对接焊缝。计算证明：焊缝与作用力间的夹角θ满足tanθ≤1.5时，此时斜焊缝的抗拉强度不低于母材强度，且焊缝缺陷对受剪影响不大，故可不再进行焊缝强度验算。

【例3.1】 试验算如图 3.18（a）所示钢板的对接焊缝的强度。图中 b＝540 mm，t＝20 mm，轴心力的设计值为 N＝2 000 kN。钢材为 Q235B，手工焊，焊条为E43 型，三级焊缝，施焊时不加引弧板。

【解】 直缝连接其计算长度lw＝540－2×20＝500 (mm)。焊缝正应力为：

不满足要求，改用斜对接焊缝，取截割斜度为 1.5∶1，即θ＝56°。斜焊缝长度：

故此时焊缝的正应力为：

剪切应力为：

这就说明当tanθ≤1.5时，焊缝强度能够保证，可不必计算。

3．弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算

弯矩作用下焊缝产生正应力，剪力作用下焊缝产生切应力，其应力分布如图3.19（a）所示。弯矩作用下焊缝截面上A点正应力最大，其计算公式为：

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式中　Ww——焊缝计算截面的对中性轴的抗弯模量。

剪力作用下焊缝截面上C点剪应力最大，其计算公式为：

式中　Smax——计算剪应力处以上焊缝截面对中性轴的面积矩；

Iw——焊缝截面对中性轴的惯性矩。

图3.19　弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝

如图 3.19（b）所示是工字形截面梁的接头，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（B 点），还应按下式验算折算应力：

式中σ1——腹板与翼缘交接处焊缝正应力；1

τ1——腹板与翼缘交接处焊缝切应力；

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。

4．轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算

轴力和弯矩作用下对焊缝产生正应力，剪力作用下产生切应力，其计算公式为（图3.20）：

式中　Aw——焊缝计算面积。

图3.20　轴力、弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝计算

对于工字形、箱形截面，还要计算腹板与翼缘交界处的折算应力，其公式为：

【例 3.2】 计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度（图 3.21）。F＝550 kN（设计值），偏心距 e＝300 mm。钢材为 Q235B，焊条为 E43 型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上、下翼缘加引弧板施焊。

图3.21　例3.2图

【解】　V＝F＝550 kN，M＝550×0.3＝165 (kN·m)

惯性矩　Ix=3.81×108mm4

面积矩　Sx=1.04 ×106 mm3

翼缘面积矩　Sx1=8.24 ×105 mm3

最大正应力

最大剪应力

在实际工程中，由于设计强度低于钢材的屈服强度，5%±的偏差是可以接受的。

上翼缘和腹板交接处“1”点的正应力

剪应力

由于“1”点同时受有较大的正应力和切应力，故应验算折算应力：

故牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度满足要求。