【正文】 的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產生橫向塑性壓縮變形。 焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產生拉應力，而先焊焊縫產生壓應力，因應力自相平衡，更遠處焊縫則產生拉應力 ； 應力分布與施焊方向有關 。 以上兩種應力的組合即為橫向焊接殘余應力 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections (a) 焊縫縱向收縮 時的變形趨勢 + (b) 焊縫縱向收縮 時的橫向應力 x y + + 施焊方向 (c) 焊縫橫向收縮 時的橫向應力 x y + + (d) 焊縫橫向 殘余應力 y x + + 施焊方向 (e) + 施焊方向 ( f ) x y y x 不同施焊方向下 ,焊縫橫向收縮時產生的橫向殘余應力 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections （ 3）沿厚度方向的焊接殘余應力 a) 在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。 + 321 σ x σ y σ z b) 焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產 生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產生拉應力，而先焊焊縫產生壓應力，因應力自相平衡，更遠處焊縫則產生拉應力。 c) 因此，除了橫向和縱向焊接殘余應力 ?x ， ?y外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應力 ?z ，這三種應力形成同號 (受拉 )三向應力，大大降低連接的塑性。 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections 在施焊時，由于不均勻的加熱和冷卻，焊區(qū)的縱向和橫向受到熱態(tài)塑性壓縮，使構件產生變形。表現(xiàn)主要有：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形、扭曲變形等。 圖 焊接變形 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections （ 1）對結構靜力強度的影響 σ + b fy + b fy Ny Ny 因焊接殘余應力自相平衡，故： ? ? yyty ftBftbBNN ????????當板件全截面達到 fy， 即 N=Ny時： 結論： 焊接殘余應力不會 影響結構的靜力強度 + fy σ b B t ????????? tbBNftbN )(cyt 焊接應力和變形對結構工作性能的影響 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections （ 2）對結構剛度的影響 當焊接殘余應力存在時，因截面的 bt部分拉應力已經達到 fy ， 故該部分剛度為零（屈服），這時在 N作用下應變增量為： ? ? EtbB N ???? ?? 1?σ + b fy N N + fy σ N N b B t △ ε1 △ ε2 EtBN?????2?當截面上沒有焊接殘余應力時，在 N作用下應變增量為： 結論：焊接殘余應力使結構變形增大，即降低了結構的剛度。 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections （ 3）對低溫冷脆的影響 （ 4）對疲勞強度的影響 對于厚板或交叉焊縫，將產生三向焊接殘余拉應力，阻礙塑性的發(fā)展，使裂縫容易發(fā)生和發(fā)展，增加了鋼材低溫脆斷傾向。所以，降低或消除焊接殘余應力是改善結構低溫冷脆性能的重要措施。 在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應力通常達到鋼材的屈服強度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘余應力對結構的疲勞強度有明顯的不利影響。 對于軸心受壓構件，焊接殘余應力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力。 （ 5）對壓桿穩(wěn)定的影響 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections 焊接應力的影響 ▲ 常溫下不影響結構的靜力強度； ▲ 增大結構的變形，降低結構的剛度； ▲ 降低疲勞強度； ▲ 在厚板或交叉焊縫處產生三向應力狀態(tài)，阻礙了塑性 變形，在低溫下使裂紋易發(fā)生和發(fā)展； ▲ 降低壓桿的穩(wěn)定性。 ▲ 焊接變形若超出驗收規(guī)范規(guī)定，需花許多工時去矯正； ▲ 影響構件的尺寸和外形美觀，還可能降低結構的承載 力，引起事故。 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections 減少焊接應力和變形的措施 （ 1）采用合理的施焊順序和方向 （ 2）采用反變形法減小焊接變形或焊接應力 （ 3）錘擊或碾壓焊縫使焊縫得到延伸 （ 4）小尺寸焊件，應焊前預熱或焊后回火處理 （ 1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式 （ 2）盡可能減少不必要的焊縫 （ 3）合理的安排焊縫的位置 （ 4）盡量避免焊縫的過分集中和交叉 （ 5）盡量避免母材在厚度方向的收縮應力 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections 例 驗算圖中梁與鋼柱間的連接角焊縫的強度。鋼材 Q235，手工焊，焊條 E43型。荷載設計值 N=400kN（靜力荷載），e=250mm，焊腳尺寸 hf=8mm。 N V M a) b) c) f?f??f?f??f?例題 (角焊縫受偏心剪力 ) 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections [分析 ] 對于工字梁與鋼柱的角焊縫連接，通常只承受彎矩 M和剪力V的作用，荷載情況簡單，但是焊縫采用了周邊圍焊，焊縫截面情況比較復雜。 目的：驗算角焊縫的強度（焊腳尺寸 hf已知，焊縫長度 lw可以根據構造要求確定） 計算時可以采用兩種假設： A：腹板焊縫承受全部剪力，彎矩由全部焊縫承擔； B：腹板焊縫承受全部剪力，翼緣焊縫承受全部彎矩。 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections [計算 ] 步驟 2：作用在焊縫形心上力素的計算 V=N=400kN M=Ne=10000kNcm 步驟 1：確定焊縫強度設計值（ ffw） 查 《 規(guī)范 》 （ P382表 ） 得 ffw =160N/mm2 采用假設 A：腹板焊縫承受全部剪力，彎矩由全部焊縫承擔 步驟 3：計算焊縫有效截面對中和軸的慣性矩 Iw=2**8*200*()2+4**8*95*(170+)2 +2**8*3403/12=19235*104mm2 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections a) 翼緣焊縫的最大正應力 ?f1=?f*160=195N/mm2 步驟 4：計算控制點應力 控制點有兩點： a) 翼緣焊縫的最外纖維處 b) 翼緣焊縫與腹板焊縫的交點處 b) 腹板焊縫中由彎矩引起的最大正應力 ?f2=剪力 V在腹板焊縫中產生的平均剪應力 ?f=wf2f2ff f?????????? ??? （ ） 腹板焊縫的強度為 160N/mm2 滿足強度要求 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections 采用假設 B：腹板焊縫承受全部剪力，翼緣焊縫承受全部彎矩 Mf1?Mf2?Vf?H H 步驟 3：翼緣焊縫所承受的水平力 （翼緣焊縫承擔全部彎矩，可以將彎矩轉化為一對水平力） H=M/h=263kN (h值近似取為翼緣中線的距離 ) 翼緣焊縫的強度 ?f＝ 195N/mm2 腹板焊縫的強度 ?f＝ 160N/mm2 均滿足要求 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections 例 設計牛腿板與鋼柱間的連接角焊縫（三面圍焊），并驗算焊縫強度。板邊長度 l1=300mm， l2=400mm，偏心力F=196kN， e1=300mm，承受靜力荷載，鋼材 Q235，手工焊，焊條為 E43型，鋼板厚 t=10mm。 y e1 M F V A o xa) e2 l1 l 2 x ry rx r VfA?MfA?MfAx?b) y o x y MfAy?fA?f 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections y e1 M F V A o xa) e2 l1 l 2 [分析 ] 該三面圍焊共同承受剪力 V和扭距 T的作用，將偏心力 F移至焊縫計算截面的重心就可以求出相應的 V和 T。 目的：設計牛腿板和鋼柱板之間的角焊縫（焊縫長度可以根據構造要求確定） 設計中， l1,l2都緊貼牛腿板一側（并不在焊縫的中線），這樣焊縫的實際長度要比 l1,l2稍大，因此計算長度采用 l1,l2,不再扣除水平焊縫的端部缺陷。 假設焊腳尺寸－－驗算角焊縫的強度 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections [計算 ] 步驟 2：焊縫計算截面的重心位置 x0=90mm 步驟 1：確定焊縫強度設計值（ ffw） 查 《 規(guī)范 》 （ P382表 ） 得 ffw =160N/mm2 x y x 300 步驟 3：焊縫截面的慣性矩 Ix=*107mm4 Iy＝ *107mm4 Ip＝ *107mm4 鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 第三章 連 接 Chapter 3 Connections 步驟 4：作用在焊縫上的力素計算 V=F=196kN e=e1+e2=e1+(l1x0)=510mm T=Fe=109Nmm r