3.4 角焊缝的构造和计算(1).ppt
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1、1,3.4角焊缝的构造和计算,一、角焊缝的构造,1.角焊缝的分类,焊缝长度方向垂直于力作用方向的焊缝称为正面角焊缝(亦称端焊缝)、平行于力作用方向的焊缝称为侧面角焊缝(亦称侧焊缝)、既不垂直也不平行的为斜焊缝,以及由它们组合而成的围焊缝。,2,2.角焊缝的截面形式及受力特点,当角焊缝两焊脚边的夹角为90时,称为直角角焊缝,即一般所指的角焊缝,是建筑结构中最常用的角焊缝。,两焊脚边的夹角不是90时的焊缝称为斜角角焊缝。斜角角焊缝主要应用于钢管结构中。,3,角焊缝的表面一般做成凸形,但对直接承受动力荷载结构中的角焊缝,为了减少应力集中,常将焊缝表面做成凹形。但是经验表明,由于凹形表面收缩时拉应力较
2、大,容易在焊后产生裂纹,而凸形焊缝收缩时反而不容易开裂。如用手工焊,因施焊成型极为困难,采用凹形表面更不合适。所以手工焊应采用直线形表面,或先焊微凸表面再用砂轮打磨为直线形表面。当用自动焊时,由于电流强度大,金属熔化速度快,熔深大,焊缝金属冷却后自然形成凹形表面,此种凹形表面不易开裂,且动力性能较好。,4,正面角焊缝的根部(图中的“A”点)和趾部(图中的“B”点)都有很大的应力集中。应力集中系数随根部的熔深大小和焊趾处斜边与水平边夹角而变。增大熔深和减小夹角均可大大降低应力集中系数。,5,对直接承受动态荷载结构中的正面角焊缝,根据国内外的试验资料,认为为了满足疲劳强度的要求,最好两焊脚尺寸比例
3、为1:3(=18.4)。但施工单位反映,焊缝表面坡度愈小施焊愈困难,需要多次堆焊才能形成,这样反而影响焊缝质量。因此,我国现规范根据实际情况规定两焊脚尺寸比例为1:1.5(长边顺内力方向)。但有些国家的规定更为严格。直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面(图(a))。在直接承受动力荷载的结构中,正面角焊缝的截面常采用图(b)所示的坦式,侧面角焊缝的截面则作成凹面式(图(c))。,6,大量试验结果表明,侧面角焊缝主要承受剪应力,塑性较好,弹性模量低,强度也较低。传力线通过侧面角焊缝时产生弯折,因而应力沿焊缝长度方向的分布不均匀,呈两端大而中间小的状态。焊缝越长,应力分布不均匀性越显著,但
4、随着进入塑性工作阶段会产生应力重分布,可使应力分布的不均匀现象渐趋缓和。我国规范根据实践经验,认为侧面角焊缝的长度限值应与焊脚尺寸有关,因此规定最大计算长度为60hf。如果内力沿侧面角焊缝全长分布,计算长度可不受上述限制,它包括焊接组合梁翼缘板与腹板的纵向焊缝、支承加劲肋与腹板的连接焊缝等。过去动力荷载作用下侧焊缝的最大长度控制较静力荷载的严,近年来经过试验研究,证明对静载或动载可以不加区别,统一取某个规定值。,7,正面角焊缝受力更复杂,截面中的各面均存在正应力和剪应力,焊根处存在着很严重的应力集中。这一方面由于力线弯折,另一方面由于在焊根处正好是两焊件接触面的端部,相当于裂缝的尖端。正面角焊
5、缝的静力破坏强度高于侧面角焊缝,但塑性变形要差些。而斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间,即塑性比正面角焊缝好、强度比侧面角焊缝高。,构件端部与节点板的连接焊缝可用两面侧焊和三面围焊,围焊中有正面角焊缝和侧面角焊缝,正面角焊缝的静力强度较高、刚度较大,而侧面角焊缝的静力强度较低但塑性较好。所以三面围焊与两面侧焊相比,破坏时较为突然,且塑性变形较小。但是对构件来说,三面围焊使构件截面中的应力较为均匀,与两面侧焊相比,焊缝附近的构件主体金属疲劳强度较高。,8,图3-4-6角焊缝的应力(a)侧面角焊缝;(b)正面角焊缝,9,3.角焊缝的尺寸限制,(1)焊脚尺寸,最小焊脚尺寸:如果板
6、件厚度较大而焊缝过小,则施焊时焊缝冷却速度过快而产生淬硬组织,易使焊缝附近主体金属产生裂纹。这种现象在低合金高强度钢中尤为严重。据此并参考国内外资料,规定,式中,t为较厚板件的厚度,单位mm,计算时小数点以后均进为1mm;考虑到低氢型焊条施焊的焊缝焊渣层厚,保温条件较好,t可采用较薄焊件的厚度。埋弧焊的热量较集中,因而熔深较大,故最小焊脚尺寸可较上式的规定减小1mm;而T形连接的单面角焊缝可靠性较差,应增加1mm;当焊件厚度4mm时,则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同,即hf4mm。,10,最大焊脚尺寸:角焊缝的焊脚尺寸不能过大,否则易使母材形成“过烧”现象,而且使构件产生较大的焊接残余变形和残余
7、应力。所以规定hf1.2tmin,tmin为较薄焊件的厚度(图3-4-7(a)。对板件厚度为t的边缘角焊缝(图3-4-7(b),若焊脚尺寸hf=t,在施焊时容易产生咬边现象,不易焊满全厚度。因此规定,当t6mm时,取hft-(12)mm;当t6mm,由于一般用小直径焊缝施焊,技术较易掌握,可采用与焊件等厚的角焊缝,即hft。如果另一焊件厚度t12mm时)或b190mm(当t12mm时)。如果b不能满足此规定,应加正面角焊缝或者加槽焊(下图(c)或者圆孔焊(下图(d)。,16,角焊缝的围焊和绕角焊,(a)两边侧焊;(b)三边围焊;(c)L形围焊;(d)绕角焊,在非围焊的情况下,角焊缝的端部正好在
8、构件连接的转角处,如此处做长度为2hf的绕角焊(上图(d),可以避免起落弧缺陷引起转角处过大的应力集中。,17,二、直角角焊缝强度计算的基本公式,如前所述,角焊缝的受力状态是很复杂的。图3-4-13所示为直角角焊缝的截面,0.7hf为直角角焊缝的有效厚度he(喉部尺寸)。试验表明,直角角焊缝的破坏常发生在喉部及其附近,通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面(即有效厚度与焊缝计算长度的乘积)作为有效截面或称计算截面。,图3-4-13直角角焊缝截面,图3-4-14角焊缝有效截面上的应力,18,任何受力情况的角焊缝,均可求得作用于有效截面上的三种应力(图3-4-14):垂直于有效截面的正应力、垂直
9、于焊缝长度方向的剪应力、以及沿焊缝长度方向的剪应力。即使如此,精确计算仍比较困难,一般是根据试验结果,找出比较合理而又简单的设计方法和相应的公式供设计时应用:无论侧焊缝还是端焊缝,都假定破坏发生在有效截面上,按应力均布并认为都是剪坏,根据试验取最低平均破坏应力来确定其设计强度,这基本上也是国际标准化组织推荐的方法。,应注意的是计算有效厚度he时,不考虑熔深和凸度。现行规范未区分焊件方法的影响,对自动焊来说偏保守。对于凸度,其尺寸大小无法保证,另外,还有凹形的,难于统一考虑,因此均忽略不计。,19,角焊缝的基本计算公式,式中,f按焊缝有效截面(helw)计算,垂直于焊缝长度方向的应力;f按焊缝有
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