工字钢焊缝对接加强钢板尺寸选取

热轧普通工字钢对接焊缝连接

加强钢板选取与计算

杭长三分部 徐君诚

内容提要：结合日常施工的需要，对施工中热轧普通工字钢对接焊接后加强钢板的选取进行试算选取，确定加强钢板的规格型号，编制各种型号热轧工字钢加强钢板选取的统一表格，方便日后施工的选用。

关 键 词：热轧工字钢（Q235）、焊缝对接、加强钢板 1. 前言

日常的施工当中，根据施工需求经常会对普通热轧工字钢截断和接长，需要对常用的热轧工字钢（Ⅰ30、Ⅰ45、Ⅰ56）进行焊缝对接作业，施工中截面对接以后（焊接），需要在腹板位置焊接钢板加强，用来弥补焊接作业质量不足对截面抵抗矩的削弱，但是往往对于钢板规格的选取存在疑问，通常会根据以往的施工经验选取较大规格的板材来弥补焊接质量的不足，因此造成了施工中板材的浪费，如何选取合适规格的钢板，以Ⅰ45a工字钢为例，通过对不同规格板材的选择和试算，找出最合理、最经济的材料尺寸，并编制各种型号工字钢的加强钢板选取表格，以做到材料的合理利用和成本的节约。 2. 热轧工字钢焊缝对接

施工当中最为常见的焊接方法是手工电弧焊，通电后，在焊条与焊件间产生电弧，电弧的高温（可达到3000°C）将电弧周围的金属变成液态，形成熔池，同时高温也是焊条金属融化，滴落至熔池中，与焊件的熔融金属结合。冷却后即形成焊缝。焊条外包的要批则在焊接过程中产生气体，保护电弧和容化金属，形成熔渣覆盖焊缝，防止空气中的有害气体与熔化金属接触，改善的焊缝的力学性能。

手工电弧焊优点是操作简便、焊接方便，但是焊缝带的质量有一定的缺陷，在焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区刚才表面或者内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、电弧坑、气孔、夹渣、咬边、为熔合等。焊缝缺陷的存在势必削弱焊缝的受力面积，在缺陷处引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。

《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001规定，焊缝质量等级分为一级、二级和三级；三级焊缝只要求对全部焊缝做外观检查，在平时的施工当中由于焊接技术和检测手段的影响，可以把我们日常施工当中所遇到的焊缝质量规定为三级。 3. 热轧工字钢加强钢板选取计算

3.1 Ⅰ45a截面达到设计强度的弯矩计算 由已知资料查出Ⅰ45b工字钢截面特性：

Ix=32240cm4

Wx=1430cm3 Ix/Sx=38.6cm tw11.5mm d18mm MmaxM= 215N/mm2（设计强度） 3Wx143010323 Mmax=215N/mm143010mm

=307.45KNm

Ix ——对x轴的截面惯性矩 Wx —— x轴的截面模量

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tw —— 工字钢翼缘板厚度

d —— 工字钢腹板厚度

Mmax ——使截面达到材料设计强度的计算截面弯矩（荷载乘以分项系数）

3.2 三级焊缝达到设计强度的弯矩计算

对接焊缝（三级）对截面的轴向受压和受剪力削弱可以忽略不计，主要是削弱了截面弯矩的抵抗力（受拉）。按照焊缝的最大弯曲应力计算当焊缝承受最大的弯曲应力时所受的弯矩M，由于三级焊缝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%，即通过对接焊透焊缝作业后，焊缝截面的焊材的拉强度的85%，根据《钢结构工程施工质量验收规范》可以得出对接焊缝的抗拉、抗剪设计强度

ftw2f=0.85f=182.75 N/mm 抗剪 v=125N/mm

2wσ=

M=182.75Mpa WM=182.75 N/mm2 1430  103mm3

=261.33KNm

wwft、fv——对接焊缝的抗拉和抗压设计强度

f —— Q235 钢材抗拉强度设计值（215 Mpa）

3.3 加强钢板截面尺寸的计算

焊缝对截面抵抗矩的削弱在腹板处和翼缘处（由于施工中对翼缘处平整的要求一般不再翼缘处加强），因此在腹板两边添加加强钢板来弥补焊缝对截面的削弱。架设焊缝长度满足要求，由于焊缝质量不足降低的强度由加强钢板增加的截面尺寸来弥补，从而初步确定加强钢板的截面面积。

以Ⅰ45a工字钢截面焊接加强钢板后承受极限应力的弯矩（轴力、剪力忽略不计），由于截面的弯矩抵抗力主要是有截面的尺寸来提供，所以初步计算选取在腹板处焊接两片350mm宽10mm厚的钢板来加强如下图：

工字钢立面图1

截面几何性质的计算：

Ix=32240cm4+

113532=39385.8cm4 12 .WORD完美格式.

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Wx=

σ=

Ix39385.8 3==1750.5cm ymax22.5MM==182.75Mpa（焊缝达到设计强度） W1750.5103M=182.751750.510=319.9KN.m

3当焊接加强钢板后抵抗弯矩：

由焊缝质量不足抵抗弯矩减小值：

307.45 KN.m -261.33 KN.m =46.12 KN.m 加强钢板焊接后抵抗弯矩值增加值：

319.9KN.m-261.33KN.m=58.57 KN.m

所以当腹板增加加强钢板后，截面的抵抗弯矩增大了58.57 KN.m，大于由焊缝质量不足引起的抵抗弯矩减小值46.12 KN.m，此次计算旨在找出临界的截面积，因此采用钢材（Q235）、焊缝强度均采用设计值，实际施工当中按照容许应立法，统一折减以保证有一定的安全储备。

由计算得出宽度为33cm的钢板对于加强焊接截面的弯矩，大于所需要提空的弯矩值，这样造成当焊接截面处最危险点出的弯曲应力达到最大应力值时，其他截面（未焊接截面）早已断裂，造成了加强钢板的浪费，应选择宽度小的钢板，所以厚度不变，经过试算后得出最经济，最安全的钢板宽度为:10mm厚330mm 宽的钢板最为经济，而且满足截面最大应力的要求并与母材截面强度相同。 3.4 焊缝长度和宽度的计算

Ⅰ截面位于弯矩和剪力（轴力忽略不计）最不利的组合作用下，计算最危险点1、2、3、4点（见图2）各处应力值小于焊缝强度设计值来保证焊缝的长度满足要求，当临近未断开截面Ⅱ处应力达到设计强度时焊缝刚好破坏的临界状态，以确定焊缝最小长度和最小的有效截面面积。通过试算选取10mm330mm270mm的加强钢板。

加强钢板立面图2

加强钢板立面图3

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3.4.1截面最不利荷载组合值计算

Ⅰ截面最大剪力值和弯矩值按照使截面达到设计强度的确定，最大弯矩值已计算得出：

Mmax=307.45KNm

maxmaxSItw=125MPa

smax836.4cm3

I=32240cm

4tw=11.5mm

1253224010411.5554.1KN 则 Vmax=3836.410Mmax——使截面达到强度设计值的最大弯矩

max ——剪切应力设计值

smax ——计算剪力处中性轴的面积矩

I ——计算截面惯性矩

tw ——工字钢腹板厚度

Vmax ——使截面达到设计强度的剪力最大值

所以一块加强板承受的剪力值为：

554.1KN/2=277.05( 实际承受的剪力值要小于此值，保留一定的安全储备)

一块加强钢板承受的弯矩值为：

307.45 KN.m /2=153.725 KN.m

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3.4.2 焊缝强度计算

选取四面围焊，板厚t=10mm，Q235钢材，当临近截面达到设计强度时在焊缝重心处承受的弯矩为307.45KN.m/2=153.725 KN.m，所以在截面重心处作用弯矩值为153.725 KN.m，手工焊，焊条采用E42型，焊脚尺寸为10mm.计算有效截面的几何特征。

有效截面面积：Ae=0.710（2330+2270）=8400mm2 形心位置：x=135mm 惯性矩：Ix=0.710（261330322701352） 124=110.81710mm

因为是对称截面所以

IyIx

Ip2Ix=110.817106mm42=221.634106mm4

验算危险点（1、2、3、4）点的应力：

277.5103v33KN.m

Ae8400vfyMfy153.725106135M93.64 N/mm2 xa6IP22110153.725106165M114.4 N/mm2 ya6IP22110mfXvMfyfy3393.642m2)114.42=154. 5 N/mm2160 N/mm2 ()2(fx)=(1.22fAe——焊缝有效面积（计算宽度按照焊缝宽度的0.7倍）

x ——形心位置

Ix ——x周惯性矩 Iy ——y轴惯性矩

Ip——焊缝有效截面对形心轴的极惯性矩IpIxIy

xa、ya——焊缝角点（1、2、3、4）到截面形心轴的距离

v——剪力作用下角点引起的应力 fyM——弯矩作用下角点引起的应力 fy .WORD完美格式.

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mfX——弯矩作用下角点应力

f——端焊缝的强度设计值增大系数。对承受静力荷载和间接承受动力荷载结构取1.22

4. 结果

经过试算得出达到临界状态（临近截面达到设计强度时焊缝破坏）下焊缝的长度和有效面积，Ⅰ45对接焊接截面腹板处的加强钢板的设计尺寸为：1cm33cm27cm并具有一定的安全储备满足使焊接截面处的强度和母材（Q235）强度相同及临近未断开截面强度达到设计强度破坏时，焊接截面处最危险点应力达到焊缝设计强度而破坏，实际施工当中要不小于按照理论计算的出的加强钢板的规格，保证施工安全和材料的合理利用。

主要参考文献

【1】GB50017-2003钢结构设计规范

【2】GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准

【3】GB50009-2001建筑结构荷载规范（2006局部修订版） 【4】GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范 【5】GB/T700-2006 碳素结构钢

【6】JGJ81 -2002 建筑钢结构焊接技术规程 【7】张志国，张庆芳.钢结构

【8】夏志斌，姚谏.钢结构-原理与设计.北京：中国建筑工业出版社，2004

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