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1、T型接头焊缝的优化设计达运社;达卿文【摘要】T型接头焊缝的强度不仅与焊脚尺寸有关，还取决于焊缝金属强度和母材 强度的匹配以及焊缝无损检测的要求.焊脚尺寸不仅影响着构件强度,而且对其韧性 也有重要影响因此，从母材与焊缝的等强度理念出发，分析了 T型焊缝坡口形式的选 用原则，建立了 T型接头焊脚尺寸与板厚的数学关系.【期刊名称】 现代制造技术与装备【年(卷),期】 2018(000)005【总页数】3页(P1-3)【关键词】T型接头焊缝;等强设计;构件强度【作 者】 达运社;达卿文【作者单位】 青岛汇金通电力设备股份有限公司,青岛 266327;中国石油天然气第七建设有限公司设计研究院,青岛 26
2、6100【正文语种】 中 文引言 长期以来，角焊缝的坡口形式、焊脚尺寸问题一直困扰着钢结构设计、制造企业， 焊脚尺寸的选择不尽合理。有些人员错误地认为焊脚尺寸越大越安全，甚至要求全 焊透焊缝的焊脚尺寸为板厚的1.2倍。这不仅造成了人力物力的极大浪费，而且造 成了焊缝刚度过大，阻碍了工作状态下焊缝与母材的变形协调，从而产生了过大的 边缘应力，不利于焊缝冲击韧性及抗疲劳性。正确理解等强设计概念，合理选用焊 缝坡口形式和焊脚尺寸，是钢结构设计重要的一环，是保障其安全、可靠与经济运 行的前提。1 焊缝与母材等强度设计等强度设计主要指焊缝的力学性能（特别是抗拉强度）与母材相当、两者韧性指标 基本相同。文
3、献1“7.1焊缝连接”中的强度计算，均采用了等强度设计方法。无 论焊缝有无坡口、是否能够熔透，只要性能满足构件强度、韧性要求的焊缝，就是 等强度焊缝。2 焊缝坡口形式的选取在满足强度要求的前提下，焊缝坡口形式是由结构的整体稳定性、荷载性质（动载 静载、交变载荷）、工作环境条件（高温、低温）以及焊接装配工艺性的要求确定 的。文献1 规定：需进行疲劳计算的构件、低温构件、起重量Q50t的重级工作 制中吊车梁腹板与上翼板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T型接头焊缝 要求全熔透的坡口，其余焊缝则宜：（1）不需要疲劳验算的构件，凡要求与母材等强的对接焊缝，宜予以焊透；（2 ）厚度大于16mm的构件，
4、应采用部分焊透的坡口形式，以防层状撕裂；（3 ）厚度小于16mm的构件，宜选用角焊缝。3 焊脚尺寸的确定焊脚尺寸的大小直接影响构件的安全性、可靠性和经济性。焊脚尺寸太小，不仅不 能满足强度要求，而且因焊接时热量输入较少、冷却快，焊缝处有可能出现裂纹现 象。焊缝太高，焊缝热输入量大，焊缝组织晶粒粗大，韧性下降，还破坏了母材于 焊缝的变形协调。合理设计焊脚尺寸，是结构设计者的重要工作之一。3.1 T型接头焊缝的强度条件3.1.1 焊缝正常工况下的应力如图1所示，在外力N的作用下，焊缝分别产生两个应力，垂直于焊缝的拉应力Of及和平行于焊缝的剪力Tf,其强度条件可按照GB500172003钢结构设计规
5、范的公式计算：图1 构件受力简图 垂直于焊缝长度方向的应力：式中，N为与焊缝成任意角度的力；a为力与焊缝的夹角；hf为焊脚尺寸；Lw为 单模焊缝长度。 沿焊缝长度方向的剪应力：式中，P为正面角焊缝的强度设计增大系数。对于承受静荷载和间接承受动力荷载 的结构，0=1.22;动荷载的结构，0=1.0。fwt为角焊缝的强度设计值，可由GB50017-2003表341-3“焊缝的强度设计值 查得。 将式（2）、式（3）代入式（1）,可得角焊缝所承受的应力：式中，为对接焊缝强度设计值；为强度设计值（可由GB500172003表341-3 查得）；为焊缝应力。3.1.2 与焊缝连接的连接板正常工况下的应力
6、连接板的强度条件：式中，f为母材强度设计值，可由GB50017-2003表341-1查得。3.2 T型接头角焊缝焊脚尺寸计算图2为T型接头角焊缝。图2 T型接头角焊缝（1）假设在正常工况下，焊缝的强度与筋板强度完全相等，即焊缝所承受的应力 与连接板承受的应力相等可=ob即：解之，式中t为较薄构件的厚度。事实上，由于焊接缺陷的存在以及无损检测的困难，焊缝与连接板的强度值是不可 能相等的，但二者承受的荷载是相等的。由式（6）可知，焊缝荷载为：由式（8）可知，母材荷载为NGLwf,即：可得到T型接头角焊缝焊脚尺寸计算公式为：（2 ）确定焊脚尺寸时，还应满足GB50017-2003钢结构设计规范对角焊
7、缝尺 寸的要求：“827.1角焊缝的焊脚尺寸不得小于1.5 , t为较厚焊件厚度。但是， 对于埋弧焊最小焊脚尺寸可减小1mm ;对于T接的单面角焊缝应增加1mm。当 焊件小于等于4mm时，最小焊脚尺寸与焊件厚度相同” ；“8.2.7.2角焊缝的焊 脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍（钢管结构除外），但板件（厚度为t ）边 缘的角焊缝最大焊脚尺寸，还应符合下列要求： 当 t6mm 时,hf 6mm 时,hft- （12）mm”。3.3 T型接头全熔透对接焊缝（图3）焊缝尺寸图3为T型接头全熔透对接焊缝模型。图3T型接头全熔透对接焊缝模型（1）焊缝强度条件为：（2）连接板强度条件为：按照等强度设
8、计，有qj=obo式中，f为母材强度设计值，可由GB50017-2003 表341-3查得；T为母材较薄件的厚度；假若按保守算法，取Pf=1,焊缝按照一级或二级无损检测，则fwt=f , t=hfo假 若焊缝为三级焊缝（不进行无损检测），则vf。由此可见，对于坡口全焊透的T型焊缝的对接焊缝，只有采取全部或局部无损检 测，焊缝、母材强度才是等强的。为了减小焊缝结构不连续引起的应力集中现象， 通常还要增加一部分角焊缝，形成实际上的组组合焊缝（由对接焊缝和角焊缝组 成）。3.4 T型接头对称全熔透组合焊缝焊脚尺寸计算图4为T型接头对称全熔透组合焊缝模型。图4 T型接头对称全熔透组合焊缝模型 此类形式
9、荷载由两部分焊缝承担对接焊缝和角焊缝。（1）对接焊缝所承受荷载tLw，母材所承受的荷载N二tLwf ；（2）焊缝所承受的荷载：式（16 ）与式（17 ）联立求解，可得出T型接头焊组合焊缝的焊脚尺寸计算公式 为：式中，f为母材强度设计值；为对接焊缝强度设计值；为角焊缝焊缝强度设计值。(3 )还应满足GB50017-2003钢结构设计规范中规定角焊缝的尺寸对角焊缝 尺寸的要求：“822.1对接与角接组合焊缝，加强角焊缝hf不应小于t/4且不大 于10mm，其允许偏差为hf+0.40。对于焊脚尺寸hf大于8.0mm的角焊缝，其 局部焊脚尺寸允许低于设计值1.0mm，但总长度不得超过焊缝长的10%。”
10、3.5 T型接头全熔透非对称组合焊缝的焊脚尺寸计算图5为T型接头全熔透非对称组合焊缝模型。图5T型接头全熔透非对称组合焊缝模型可得T型接头非对称组合焊缝焊脚尺寸计算公式为：3.6 T型接头对称非熔透焊缝焊脚尺寸计算图6为T型接头对称非熔透焊缝模型。图6 T型接头对称非熔透焊缝模型角焊缝所承受的荷载：于是，可得：即：联立求解，可得：即对称焊部分焊透组合焊脚尺寸计算公式为：4结语 结构设计中，应十分注意合理地设计焊缝结构，最大限度地降低焊接残余应力，认 真进行焊缝强度设计，合理确定焊脚尺寸，既要保障强度要求，又要兼顾焊缝对冲 击韧性的要求。对于文献1“5.1.5”条款中规定的一级、二级焊缝以及用户有特 殊要求的焊缝，应选等强全熔透焊缝；对于一般的焊缝，宜首选等强角焊缝，其次 选用等强的部分熔透焊缝。此外，在焊缝与构件等强的前提下，焊缝的坡口形式不 同，无损检测比例和焊脚尺寸就不同。参考文献【相关文献】1中冶建筑研究总院有限公司.GB50661-2011钢结构焊接规范S .2011.
