角焊缝及其计算

角焊缝及其计算

型式及分类

截面形式:普通型（等边凸形）、平坦型（不等边凹形）、凹面形

两焊脚边夹角 ：直角角焊缝、斜角角焊缝、焊缝长度与作用方向

1.侧面角焊缝（侧缝）

侧缝主要承受剪力，应力状态叫单纯，在弹性阶段，剪应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大中间小，且焊缝越长越不均匀，但侧缝塑性好。

2．正面角焊缝（端缝）

端缝连接中传力线有较大的弯折，应力状态较复杂，正面角焊缝沿焊缝长度方向分布比较均匀，但焊脚及有效厚度面上存在严重的应力集中现象，所以其破坏属于正应力和剪应力的综合破坏，但正面角焊缝的刚度较大，变形较小，塑性较差，性质较脆。

3．斜向角焊缝

斜向角焊缝受力情况较复杂，其性能介于侧缝和端缝之间，常用于杆件倾斜相支的情况，也用在板件较宽，内力较大连接中。

4．周围角焊缝

主要为了增加焊缝的长度和使焊缝遍及板件全宽，而把板件交搭处的所有交搭线尽可能多的加以焊接，成为开口或封闭的周围角焊缝。

构造及要求。

4.1.最小焊脚尺寸

4.2.最大焊脚尺寸 贴边处满足

4.3.角焊缝最小长度

4.4.侧面角焊缝最大计算长度

4.5.板件端部仅有两条角焊缝时每条侧面角焊缝的计算长度

4.6.搭接连接中搭接长度应满足 而且不宜采用一条正面角焊缝来传力。

4.7.在次要构件和焊缝连接中，允许采用断续角焊缝，各段间距满足以保证整体受力。

角焊缝连接计算

基本计算公式

轴心作用下的角焊缝计算

轴心作用下角钢的角焊缝计算

弯矩，剪力和轴心力共同作用下角焊缝计算（T形接头）

弯矩，剪力和轴心力共同作用下角焊缝计算（搭接形接头）

1. 端缝、侧缝在轴向力作用下的计算：

（1）端缝

——垂直于焊缝长度方向的应力；

he ——角焊缝有效厚度；

lw ——角焊缝计算长度，每条角焊缝取实际长度减10mm（每端减5mm）； ffw ——角焊缝强度设计值； bf ——系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，bf =1.22，直接承受动力荷载bf =1.0。

（2）侧缝

tf ——沿焊缝长度方向的剪应力。

2. 角钢杆件与节点板焊接连接，承受轴向力N：

（1） 角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算

K1、 K2——焊缝内力分配系数；

N1 、N2 ——分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。

（2）角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算 （图）

端部正面角焊缝能传递的内力为：

（3）角钢用“L”型焊缝与节点板连接的焊缝计算 （图）

由 N2 = 0得：

3. 弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接连接角焊缝:

弯矩M作用下，x方向应力

剪力作用下，y方向应力

轴力N作用下x方向应力

M、V和N共同作用下，焊缝上或下端点最危险处应满足：

式中：如果只承受上述M、N、V的某一、两种荷载时，只取其相应的应力进行验算。

4. 牛腿在弯矩、剪力共同作用下的角焊缝连接计算:M＝Ve

翼缘竖向刚度较差，不能承受剪力，所以全部剪力均由竖向焊缝承受，弯矩由翼缘与腹板角焊缝共同承受。

点1：

点2：

点3：

5. 扭矩、剪力、轴力共同作用下搭接连接角焊缝:

扭矩T作用下各点应力计算（以A点为例）：

Ix+Iy为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，rx、ry为焊缝角点到焊缝形心的坐标距离。

V作用下A点

N作用下A点

A点合应力： ，

要求：注意计算时需判断应力最大点！

钢结构的连接(一)

焊缝的缺陷形式

· 钢板用纵横十字交叉或T形交叉焊缝拼接

· 角焊缝的承载力计算公式来源

· 外力和角焊缝长度方向成夹角 θ 时的斜焊缝计算

· 钢管节点连接焊缝构造与计算

· 角钢与节点板连接焊缝的内力分配系数

· 搭接连接的角焊缝在扭矩、剪力作用下的计算假定

· 未焊透对接焊缝连接的构造要求和计算

· 圆钢与平板、圆钢与圆钢之间的焊缝

1、焊缝的缺陷形式 （图）

2、钢板用纵横十字交叉或T形交叉焊缝拼接

钢板的拼接，当采用对接焊缝时，纵横两方向可采用十字形交叉或T形交叉。当为T形交叉时，交叉点的间距a不小于200mm （图）

3、角焊缝的承载力计算公式来源

角焊缝受力后的应力分布很复杂。目前主要以试验为基础，经偏于安全地修正后，建立角焊缝最小截面（450方向的有效截面）上三个相互垂直的应力之间的强度条件公式。

式中： —— 作用于焊缝有效截面上，垂直于焊缝轴线方向的正应力和剪应力；

—— 作用于焊缝有效截面上，平行于焊缝轴线方向的剪应力；

—— 角焊缝的强度设计值。

作用在焊缝上的外力N可分解成 Nx、Ny和Nz。 x和y轴都垂直于焊缝长度方向并平行于两个直角边（焊脚），z轴沿焊缝长度方向，如图。

大多数情况，Ny＝0（或Nx＝0）， 则破坏截面上沿x方向（或y方向）的正应力为 ，沿z方向的剪应力为 ，且

式中：he ——角焊缝的有效厚度；

lw ——角焊缝的计算长度，取实际长度减去10mm。

从图中可见，有效截面与焊脚边所在截面成45°，因而整理后可得：

从上式可见，正面角焊缝承载力是侧面角焊缝的1.22倍，比试验得到的1.35～1.55倍要小。这是因为上述是通过偏于安全地修正的。考虑到正面角焊缝 的塑性较差，故钢结构设计规范规定：直接承受动力荷载的结构中的直角角焊缝，不宜考虑正面角焊缝强度的提高，即公式中的系数1.22，改为1.0。

因此，钢结构设计规范写成更一般的形式：

式中： ——按焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的应力；

——按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；

——正面角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的结构，对直接承受动力荷载的结构。

4、外力和角焊缝长度方向成夹角 时的斜焊缝计算

对于外力和焊缝轴线组成 角的斜焊缝，如图所示，可直接用斜焊缝的强度设计值增大系数 ，这时：

5、钢管节点连接焊缝构造与计算

钢管结构的节点连接型式主要是采用对接连接，如图，钢管结构中的支管与主管连接焊缝沿钢管全周一般采用斜角角焊缝；也可部分采用角焊缝，部分采用对接焊缝图（b）、（c）、（d）分别为图（a）中a、b、c点处斜角角焊缝的截面型式。支管管壁与主管管壁之间的夹角如图（a）， 的区域宜采用对接焊缝或带坡口的角焊缝。支管与主管的连接焊缝应沿全周连续焊接，并平滑过渡。支管与主管的连接焊缝不论采用角焊缝还是对接焊缝，计算时可视为全周角焊缝。

角焊缝的焊脚尺寸 hf 不宜大于支管壁厚的两倍。

钢管节点连接焊缝计算公式为：

式中：

N —— 支管的轴心力；

hf ——角焊缝的焊脚尺寸，hf ≤2ts ；

t、ts ——主管、支管壁厚；

——角焊缝的强度设计值；

lw ——支管与主管相交线长度。

当 ds/d ≤0.65时：

当 ds/d >0.65时：

式中： d 、ds —— 主管、支管外径；

——支管轴线与主管轴线的夹角。

支管与主管表面的相交线，是一条空间曲线，精确计算此空间曲线的长度很麻烦，不便于工程应用。上面式子可计算出相交线长度的近似值，而且偏于安全，完全满足工程要求。

6、角钢与节点板连接焊缝的内力分配系数

角钢类型 分配系数

角钢肢背 K1 角钢肢尖 K2

等边角钢 0.70 0.30

不等边角钢（短边相连） 0.75 0.25

不等边角钢（长边相连） 0.65 0.35

7、搭接连接的角焊缝在扭矩、剪力作用下的计算假定

搭接连接的角焊缝在扭矩和剪力共同作用下的计算采用下列假定：①被连接件是绝对刚性的，而角焊缝是弹性的；②被连接件绕形心 O旋转，角焊缝群上任意一点处的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力的大小与连线距离 r 成正比。

8、未焊透对接焊缝连接的构造要求和计算

下列情况可能会采用未焊透的对接焊缝：

①连接焊缝受力很小或不受力，焊缝主要起连系作用，而且要求焊接结构外观齐平美观，这时就不必做成焊透的对接焊缝，可用不焊透的对接焊缝；②连接焊缝受力较大，采用焊透的对接焊缝，其强度又不能充分利用；而采用角焊缝时，焊脚又过大，这时宜采用坡口加强的角焊缝。

不焊透的对接焊缝截面型式如图所示。由于未焊透，在连接处存在着缝隙，应力集中现象严重，可能使 这里的焊缝脆断。不焊透的对接焊缝实际上与角焊缝的工作类似。《钢结构设计规范》（GBJ17－88）规定：不焊透的对接焊缝的强度按角焊缝强度公式计算，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取 ；其他情况取 。

焊缝有效厚度 he 的取值为

V形坡口 时，取he=s； 时，取he=0.75s

U形、J形坡口，取he=s

式中，s 为坡口根部至焊缝表面的最短距离（不考虑焊缝的余高）； 为V形坡口的角度。 焊缝有效厚度 he 应满足 为坡口所在焊件的较厚板件厚度，单位为mm。

9、圆钢与平板、圆钢与圆钢之间的焊缝

圆钢与平板、圆钢与圆钢之间的焊缝如图。其抗剪强度计算为：

式中： N ——作用在连接处的轴心力；

lw ——焊缝的计算长度；

he——焊缝的有效厚度，对于圆钢与平板的连接，he =0.7hf ，圆钢与圆钢的连接， 分别为大圆钢、小圆钢的直径， a 为焊缝表面到两个圆钢公切线的距离。

圆钢与圆钢、圆钢与钢板间的焊缝有效厚度，不应小于0.2倍圆钢直径（当焊接两圆钢的直径不同时，取平均直径）或3mm，并不大于1.2倍平板厚度，焊缝计算长度不应小于20mm。

10、连接板刚度对普通受拉螺栓中拉力的影响 （图）

在受拉的连接接头中，普通螺栓所受拉力的大小和被连接板件的刚度有关。假如被连接板件的刚度很大，如图（a）所示的情况。连接的竖板端受拉力 2N1 ，因被连接板件无变形，所以一个螺栓所受拉力 Pf =N1 。实际被连板件的刚度常较小，受拉后和拉力垂直的角钢水平肢发生较大的变形，因而在角钢水平肢的端部因杠杆作用而产生反力 Q ，如图（b）所示。根据平衡条件 ，即可求得

可见，由于杠杆作用的存在，使抗拉螺栓的负担加重了。

为了简化计算，规范中把普通螺栓的抗拉设计强度定得比较低，以考虑螺栓负担加重这一不利影响。而且，设计中应设加劲肋等构造措施来提高角钢的刚度，如图（c）（d）所示。

11、高强度螺栓连接受拉时，预拉力的变化（图）

高强度螺栓受拉的工作情况如图所示。图（a）所示为已施加预拉力的高强度螺栓，在承受外拉力作用之前的受力状态。此时，螺栓杆受预拉力P，摩擦面上作用着压力C。根据平衡条件 ，得 C = P 。即摩擦面上的压力C等于预拉力P。

图（b）所示为高强度螺栓承受外拉力 N0t时的受力状态。假设螺栓和被连接板件保持弹性性能。螺栓受外拉力 N0t 后，螺栓杆中的拉力由原来的P增加到 Pf 。此时，螺栓杆又被拉长，即螺栓杆伸长一个增量 ；由于螺栓杆被拉长，使原先被P压缩的板件相应地有一个压缩恢复量 ，板件间的压力就由原来的C 降为Cf 。也就是说，当螺栓受外拉力 N0t 作用后，螺栓杆中的拉力将增加，而接触面间的压力却随之降低。根据平衡条件 ，得

在板厚 范围内螺栓杆与板的变形相同：

即螺栓杆的伸长增量等于板件压缩的恢复量。

设螺栓杆的截面面积为 Ab ，摩擦面面积为Au ，螺栓和被连接板件的弹性模量都为E ,则

将 C = P、Cf = Pf－N0t 代入上式中，整理后得

通常 Au 比 Ab 大很多倍，如取Au / Ab=10 ，代入上式，得

将上式中的拉力项 N0t 除以荷载分项系数的平均值1.3，得到设计外拉力 Nt ，即： Nt=1.0N0t 。

当设计外拉力 Nt=P 时，Pt =1.07P 。这就是说，当加于螺栓连接的外拉力不超过 P 时，高强度螺栓杆内的拉力增加得不多，可以认为螺栓杆内的原预拉力基本不变。

钢结构的材料

1. 强度设计值f

钢材的强度承载力极限为屈服点f y ，称为钢材抗拉（压、弯）强度标准值，除以材料分项系数 之后，即得强度设计值 。

2. 屈服点 f y 作为结构钢材静力强度承载力极限的依据

（1） 它是钢材开始塑性工作的特征点。钢材屈服后，塑性变形很大，极易被人们察觉，可及时处理，避免发生破坏。

（2） 从屈服到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域约大200倍，且抗拉强度和屈服点之比（强屈比） ，是钢结构极大的后备强度，使钢结构不会发生真正的塑性破坏，比较安全可靠。在高层钢结构中，用于八度地震区时，为了保证结构具有良好的抗震性能，要求钢材的强屈比不得低于1.5。

3. 伸长率 和面缩率Ψ

伸长率 是钢材沿长度的均匀变形和颈缩区的集中变形的总和，所以它不能代表钢材的最大塑性变形能力。断面收缩率Ψ是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指标，但是在测量时容易产生较大的误差。因而钢材标准中往往只 采用伸长率为塑性保证要求。

4. 冲击试验试件的缺口形式

钢材冲击韧性的数值，随试件刻槽（缺口）的形式和试验机的种类不同而相差很大。以前我国规定采用梅氏U型缺口的试件，现用夏氏V型缺口。而其它国家分别采用图示三种类型的缺口。 （图）

5. 平面应力状态和立体应力状态（图）

由上式可见，当三个主应力同号，它们的绝对值又接近时，即使 、 、 的绝对值很大，大大超过屈服点，但由于其差值不大，折算应力并不大，材料就不易进入塑性状态，有可能直至材料破坏时还未进入塑性状态。相反，当主应力中有异号应力，或同号的两个应力

差较大时，当最大的应力尚未达到 f y 时，折算应力就已达到 f y 而进入塑性状态了。

因此，钢材在多轴应力状态下，当处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏；而当处于异号应力场时钢材将发生塑性破坏。

一般钢结构中，厚度不大，可忽略沿厚度方向的应力 ，则为平面应力状态。 （图）

如果钢材受纯剪时， ，由极限屈服状态为，则有，即得：钢材的剪切屈服点

钢材的抗剪强度设计值

钢结构的计算原理

1．超屈服荷载作用

结构在较少次数（少于104次）的高强度（部分材料进入屈服状态）反复荷载作用下因损伤累积而造成的断裂称为超屈服荷载累积损伤断裂或低周疲劳断裂。

2．应力幅和循环次数的关系 （图）

3．疲劳计算的构件和连接分类

项次 简图 说明 类别

1 无连接处的主体金属 1）轧制工字钢 2）钢板 a）两侧为轧制边或刨边 b）两侧为自动、半自动切割边（切割质量标准应符合《钢结构工程施工及验收规范》一级标

准） 1 1 2

2 横向对接焊缝附近的主体金属 1）焊缝经加工、磨平及无损检验（符合《钢结构工程施工及验收规范》一级标准） 2）焊缝经检验，外观尺寸符合一级标准 23

3 不同厚度（或宽度）横向对接焊缝附近的主体金属， 焊缝加工成平滑过渡并经无损检验符合一级标准 2

4 纵向对接焊缝附近的主体金属， 焊缝经无损检验及外观尺寸检查均符合二级标准 2

5 翼缘连接焊缝附近的主体金属（焊缝质量经无损检验符合二级标准） 1）单层翼缘板 a）自动焊 b）手工焊 2）双层翼缘板 2 3 3

6 横向加劲肋端部附近的主体金属 1）肋端不断弧（采用回焊） 2）肋端断弧 4 5

7 梯形节点板对焊于梁的翼缘、腹板以及桁架构件处的主体金属，过渡处在焊后铲平、磨光，圆滑过渡，不得有焊接起弧、灭弧缺陷 5

8 矩形节点板用角焊缝连于构件翼缘或腹板处的主体金属， l >150mm 7

9 翼缘板中断处的主体金属（板端有正面焊缝） 7

10 向正面角焊缝过渡处的主体金属 6

11 两侧面角焊缝连接端部的主体金属 8

12 三面围焊的角焊缝端部主体金属 7

13 三面围焊或两侧面角焊缝连接的节点板主体金属 （节点板计算宽度按扩散角θ＝30°考虑） 7

14 K形对接焊缝处的主体金属，两板轴线偏离小于0.15t，焊缝经无损检验且焊趾角α≤45° 5

15 十字形接头角焊缝处的主体金属，两板轴线偏离小于0.15t 7

16 角焊缝 按有效截面确定的应力幅计算 8

17 铆钉连接处的主体金属 3

18 联系螺栓和虚空处的主体金属 3

19 高强度螺栓连接处的主体金属 2

注：1. 所有对接焊缝均需焊透

2．角焊缝应符合《钢结构设计规范》（GBJ17-88）第8.2.7条的要求

3．项次16中的剪应力幅 ，其中 的正负值为：与 同方向时，取正值；与 反方向时，取负值。

钢材的强度设计值

焊缝的强度设计值

螺栓的强度设计值

钢板上螺栓的容许距离

型钢上螺栓的容许距离

强螺栓的属性

螺栓的有效面积