11.2 焊缝连接计算

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钢结构设计标准 GB50017-2017

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11.2.1 全熔透对接焊缝或对接与角接组合焊缝应按下列规定进行强度计算：
1 在对接和T形连接中，垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊接或对接与角接组合焊缝，其强度应按下式计算：

式中：N——轴心拉力或轴心压力(N)；
l_w——焊缝长度(mm)；
h_e——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；
f_wt、f_wc——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值(N/mm²)。
2 在对接和T形连接中，承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其正应力和剪应力应分别进行计算。但在同时受有较大正应力和剪应力处(如梁腹板横向对接焊缝的端部)应按下式计算折算应力：

11.2.2 直角角焊缝应按下列规定进行强度计算：

1 在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下：

正面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度方向）：

侧面角焊缝（作用力平行于焊缝长度方向）：

2 在各种力综合作用下，σ_f和τ_i共同作用处：

式中：σ_f——按焊缝有效截面(helw)计算，垂直于焊缝长度方向的应力(N/mm²)；
  τ_f——按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力(N/mm²)；
  h_e——直角角焊缝的计算厚度(mm)，当两焊件间隙b≤1.5mm时，h_e＝0.7hf；1.5mm＜b≤5mm时，h_e＝0.7(h_f—b)，h_f为焊脚尺寸(图11.2.2)；
  l_w——角焊缝的计算长度(mm)，对每条焊缝取其实际长度减去2h_f；
  f^w_f——角焊缝的强度设计值(N/mm²)；
β_f——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，β_f＝1.22；对直接承受动力荷载的结构，β_f＝1.0。

图11.2.2 直角角焊缝截面

11.2.3 两焊脚边夹角为60°≤α≤135°的T形连接的斜角角焊缝(图11.2.3-1)，其强度应按本标准式(11.2.2-1)～式(11.2.2-3)计算，但取β_f＝1.0，其计算厚度h_e(图11.2.3-2)的计算应符合下列规定：

3 当30°≤α≤60°或α＜30°时，斜角角焊缝计算厚度h_e应按现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661的有关规定计算取值。

图11.2.3-1 T形连接的斜角角焊缝截面

图11.2.3-2 T形连接的根部间隙和焊缝截面

11.2.4 部分熔透的对接焊缝(图11.2.4)和T形对接与角接组合焊缝[图11.2.4(c)]的强度，应按式(11.2.2-1)～式(11.2.2-3)计算，当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时，抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9。在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取β_f＝1.22，其他情况取β_f＝1.0，其计算厚度h_e宜按下列规定取值，其中s为坡口深度，即根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离(mm)；α为V形、单边V形或K形坡口角度：
    1 V形坡口[图11.2.4(a)]：当α≥60°时，h_e＝s；当α＜60°时，h_e＝0.75s；
    2 单边V形和K形坡口[图11.2.4(b)、图11.2.4(c)]：当α＝45°±5°时，h_e＝s—3；
    3 U形和J形坡口[图11.2.4(d)、图11.2.4(e)]：当α＝45°±5°时，h_e＝s。

图11.2.4 部分熔透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝截面

11.2.5 圆形塞焊焊缝和圆孔或槽孔内角焊缝的强度应分别按式(11.2.5-1)和式(11.2.5-2)计算：

式中：A_w——塞焊圆孔面积；
l_w——圆孔内或槽孔内角焊缝的计算长度。
11.2.6 角焊缝的搭接焊缝连接中，当焊缝计算长度l_w超过60h_f时，焊缝的承载力设计值应乘以折减系数α_f，α_f＝1.5—l_w/120h_f，并不小于0.5。
11.2.7 焊接截面工字形梁翼缘与腹板的焊缝连接强度计算应符合下列规定：
1 双面角焊缝连接，其强度应按下式计算，当梁上翼缘受有固定集中荷载时，宜在该处设置顶紧上翼缘的支承加劲肋，按式(11.2.7)计算时取F＝0。

式中：S_f——所计算翼缘毛截面对梁中和轴的面积矩(mm³)；
I——梁的毛截面惯性矩(mm⁴)；
F、ψ、l_z——按本标准第6.1.4条采用。
2 当腹板与翼缘的连接焊缝采用焊透的T形对接与角接组合焊缝时，其焊缝强度可不计算。
11.2.8 圆管与矩形管T、Y、K形相贯节点焊缝的构造与计算厚度取值应符合现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661的相关规定。

条文说明

11.2.1 凡要求等强的对接焊缝施焊时均应采用引弧板和引出板，以避免焊缝两端的起、落弧缺陷。在某些特殊情况下无法采用引弧板和引出板时，计算每条焊缝长度时应减去2t(t为焊件的较小厚度)，因为缺陷长度与焊件的厚度有关，这是参照苏联钢结构设计规范的规定。
    当承受轴心力的板件用斜焊缝对接，焊缝与作用力间的夹角θ符合tanθ≤1.5时，其强度可不计算。
11.2.2 角焊缝两焊脚边夹角为直角的称为直角角焊缝，两焊脚边夹角为锐角或钝角的称为斜角角焊缝。角焊缝的有效面积应为焊缝计算长度与计算厚度(h_e)的乘积。对任何方向的荷载，角焊缝上的应力应视为作用在这一有效面积上。本条规定的计算方法仅适用于直角角焊缝的计算。
    角焊缝按它与外力方向的不同可分为侧面焊缝、正面焊缝、斜焊缝以及由它们组合而成的围焊缝。由于角焊缝的应力状态极为复杂，因而建立角焊缝计算公式要靠试验分析。国内外的大量试验结果证明，角焊缝的强度和外力的方向有直接关系。其中，侧面焊缝的强度最低，正面焊缝的强度最高，斜焊缝的强度介于二者之间。
    国内对直角角焊缝的大批试验结果表明：正面焊缝的破坏强度是侧面焊缝的1.35倍～1.55倍。并且通过有关的试验数据，通过加权回归分析和偏于安全方面的修正，对任何方向的直角角焊缝的强度条件可用下式表达(图11)：

式中：σ_⊥——垂直于焊缝有效截面(helw)的正应力(N/mm²)；
τ_⊥——有效截面上垂直焊缝长度方向的剪应力(N/mm²)；
τ_//——有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力(N/mm²)；
f^wf——角焊缝的强度设计值(即侧面焊缝的强度设计值)(N/mm²)。
式(31)的计算结果与国外的试验和推荐的计算方法的计算结果是相符的。

图11 角焊缝的计算

现将式(31)转换为便于使用的计算式，如图11所示，令σ_f为垂直于焊缝长度方向按焊缝有效截面计算的应力：

它既不是正应力也不是剪应力，但可分解为：

又令τ_f为沿焊缝长度方向按焊缝有效截面计算的剪应力，显然：

式中：β_f——正面角焊缝强度的增大系数，β_f=1.22。
对正面角焊缝，N_y=0，只有垂直于焊缝长度方向的轴心力N_y作用：

对侧面角焊缝，N_x=0，只有平行于焊缝长度方向的轴心力N_y，作用：

对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，采用上述公式，令β_f＝1.22，可以保证安全。但对直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝强度虽高但刚度较大，应力集中现象也较严重，又缺乏足够的试验依据，故规定取β_f＝1。
当垂直于焊缝长度方向的应力有分别垂直于焊缝两个直角边的应力σ_fx和σf_y时(图12)，可从公式(31)导出下式：

式中对使用焊缝有效截面受拉的σ_fx或σf_y取为正值，反之取负值。
由于此种受力复杂的角焊缝还研究得不够，在工程实践中又极少遇到，所以未将此种情况列入标准。建议这种角焊缝采用不考虑应力方向的计算式进行计算，即：

图12 角焊缝σfx、σfy、τf共同作用

11.2.3 在T形接头直角和斜角角焊缝的强度计算中，原规范规定锐角角焊缝α≥60°，钝角α≤135°。T形接头角焊缝的计算厚度应按图13中的h_e1或h_e2取用。

图13 T形接头的根部间隙和焊缝截面
b-根部间隙；h_f-焊脚尺寸；h_e-焊缝计算厚度

T形接头角焊缝厚度计算公式

当b_i≥5mm时，焊缝质量不能保证，应采取专门措施解决。一般是图13(a)中的b₁可能大于5mm，则可将板边切成图13(b)的形式，并使b≤5mm。
    另外，本次修订增加了当30°≤α＜60°及α＜30°时，斜角焊缝计算厚度的计算取值规定。
    上述规定与现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661的规定相同。对于斜T形接头的角焊缝，在设计图中应绘制大样，详细标明两侧角焊缝的焊脚尺寸。
11.2.4 本条为原规范第7.1.5条的修改和补充。部分熔透对接焊缝及对接与角接组合焊缝，其焊缝计算厚度h_e应根据焊接方法、坡口形状及尺寸、焊接位置分别对坡口深度予以折减，其计算方法可按现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661执行。
    部分焊透的对接焊缝，包括部分焊透的对接与角接组合焊缝，其工作情况与角焊缝类似，取β_f＝1.0，即不考虑应力方向。
    考虑到α≥60°的V形坡口，焊缝根部可以焊满，故取h_e＝s；当α＜60°时，取h_e＝0.75s，是考虑焊缝根部不易焊满和在熔合线上强度较低的情况。
    参照AWS 1998，并与现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661相协调，将单边V形和K形坡口从V形坡口中分离出来，单独立项，并补充规定了这种焊缝计算厚度的计算方法。
    严格地说，上述各种焊缝的计算厚度应根据焊接方法、坡口形式及尺寸和焊缝位置的不同分别确定，详见现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661。由于差别较小，本条采用了简化的表达方式，其计算结果与现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661基本相同。
    另外，由于熔合线上的焊缝强度比有效截面处低约10％，所以规定为：当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最小距离s时，抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9。对于垂直于焊缝长度方向受力的不予焊透对接焊缝，因取βf＝1.0，已具有一定的潜力，此种情况不再乘以0.9。
    在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，由于可以通过焊件直接传递一部分内力，根据试验研究，可将强度设计值乘以1.22，相当于取β_f＝1.22，而且不论熔合线处焊缝截面边长是否等于最小距离s，均可如此处理。
11.2.5 塞焊焊缝、圆孔或槽孔内焊缝在抗剪连接和防止板件屈曲的约束连接中有较多应用，参照角焊缝的抗剪计算方法给出圆形塞焊焊缝、圆孔或槽孔内焊缝的抗剪承载力计算公式，参考了Eurocode 3 part1.8的规定。
11.2.6 考虑到大于60h_f的长角焊缝在工程中的应用增多，在计算焊缝强度时可以不考虑超过60h_f部分的长度，也可对全长焊缝的承载力进行折减，以考虑长焊缝内力分布不均匀的影响，但有效焊缝计算长度不应超过180h_f，本条参考了Eurocode 3 part1.8的规定。
11.2.7 本条所列公式是工程中常用的方法，引入系数βf是为了区分因荷载状态的不同使焊缝连接的承载力有差异。
    对直接承受动力荷载的梁(如吊车梁)，取β_f＝1.0，对承受静力荷载或间接承受动力荷载的梁(当集中荷载处无支承加劲肋时)，取β_f＝1.22。

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