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【摘 要】文章对角焊缝连接设计的焊脚尺寸及计算公式的选用进行了分析讨论。
【关键词】角焊缝；焊脚尺寸；计算公式
0.引言
焊接在整个钢结构的制造和安装作业中的工作量占有很大的比重，对钢结构工程的建造工期和工程成本有着重大的影响。目前在角焊缝连接设计计算中,并未如钢构件那样具有较全面和深入的分析研究，角焊缝设计与计算大都是在假设的基础上进行的，这样的设计计算与实际状况难免出现较大偏差，这在钢结构连接设计中应引起充分的重视。
1.角焊缝的焊脚尺寸选大还是选小
角焊缝的强度与其焊脚尺hf成正比，而熔敷金属量则是随焊缝截面的加大而以焊脚尺寸增大倍数的平方数增加。如焊脚尺寸为12mm的角焊缝，其强度是焊脚尺寸为6mm的2倍，但前者的熔敷金属量却是后者的4倍。通过对角焊缝的破坏强度的试验值可知，小焊脚尺寸角焊缝的破坏强度相对要大于大焊脚尺寸角焊缝，这是因为熔深参与受力的原因。对与须多层焊的大焊脚尺寸焊缝以第一层焊缝的影响最大，对小焊脚尺寸的焊缝其熔深与焊脚尺寸之比要大于大焊脚尺寸焊缝，故其破坏强度也相对较高。
一般情况下，焊脚尺寸在6mm～8mm以下时能一次焊成，超过时则需多层焊，故增加了焊接时间，也使焊接速度降低，成本增高。另一方面，焊缝施焊后冷却收缩引起的残余应力随焊缝增大而加大，故焊脚尺寸也不宜过大。
2.角焊缝连接设计计算公式选用的误区
角焊缝根据其受力方向的不同分为正面角焊缝（端缝）和侧面角焊缝（侧缝），正面角焊缝（垂直于外力作用方向）的破坏强度要比侧面角焊缝（平行与外力作用方向）的高35%～55%。在计算中采用强度增大系数来表示端缝的强度增大效应。根据《钢结构设计规范》（B50017-2003）7.1.3条规定：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，正面角焊缝的强度设计值增大系数为βf=1.22；对直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝的强度设计值增大系数为βf=1.0。如何考虑端缝的强度增大效应，应根据焊缝的受力情况和焊缝的组合情况具体分析，否则在设计中可能出现承载能力不满足设计要求的问题。下面用常见的一个角焊缝设计实例来进行说明。
图1所示为采用拼接板的角焊缝连接，主板截面为14mm×400mm，承受轴心拉力设计值N=920kN（静力荷载），钢材为Q235，采用E43系列型焊条，手工焊。试采用三面围焊形成设计角焊缝连接。
图1 双面盖板角焊缝连接示意
解：根据拼接板承载能力不低于主板承载能力的设计原则，且为便于侧缝施焊，取每块接板的横载面面积为8mm×360mm，按焊缝构造要求，取焊脚尺寸hf=6mm。
正面角焊缝承受的轴心力为：N3=0.7hf∑Lw3βfffw=590kN
侧面角焊缝承受余下轴心力所需的实际长度为：Lw1= Lw2=（N-N3）/（4×0.7hfffw）+6=129mm
现在采用实例所设计的角焊缝连接，反过来验算角焊缝的强度是否满足要求。
大多数人均认为在轴心力作用下，无论是正面角焊缝，还是侧面角焊缝，其有效载面上的应力是均匀分布的，则正面角焊缝和侧面角焊缝有效载面上的应力为：
σf=ζf=N/（0.7hf∑Lw）=180.1MPa （3）
将式（3）结果代入“规范”的正面角焊缝和侧面角焊缝的强度计算公式，分别有：
σf=180.1MPa＜βfffw=1.22×160=195.2MPa 满足要求。
ζf=180.1MPa＞ffw=160MPa 不满足要求。
现在问题明显凸现：通常按设计考虑，正面角焊缝的焊缝长度是确定的，先按其强度极限承受荷载，余下荷载再由两侧面角焊缝承受，进而计算出侧面角焊缝所需的长度，三条角焊缝当然满足承载能力的要求；而按验算分析，在轴心力作用下，三条角焊缝在有效载面上应力应该平均分布，将设计所考虑的正面角焊缝强度增大部分承受的荷载按三条角焊缝的效载面来平均承受，使得两条铡面角焊缝不满足承载能力的要求。问题出在哪里？哪一种分析是正确的呢？要解决这个问题，关键是要分析出在轴心力作用下，三条焊缝组成的焊缝群在有效载面上应力是如何分布的。
首先需说明一下，不能用材料屈服时应力重分布的概念来解释设计考虑是正确的，即在弹性阶段，三条角焊缝应力是平均分布的，当两条侧面角焊缝进入塑性屈服后所承荷载不能再增加，继续增加的荷载由下面角焊缝承受，直到该焊缝也达到弹性极限。原因有二：一是在钢结构连接设计中，只考虑钢材的弹性极限承载能力；二是焊缝材料构件母材的塑性差，焊缝是否有足够的塑性变形能力来完成应力的生分布，本身就是问题。
3.三面围焊焊缝的应力分析
角焊缝的应力分布非常复杂，很难有解析解，用有限元方法进行数值计算较为理想。用ANSYS程序对图1所示的三面围焊点进行了角焊缝的弹性应力分析。选择焊缝有效载面的形心连线作为代表路径，图2给出了该路径上平均应力的变化曲线。
图2 有效截面上应力沿焊缝形心路径的变化
从图2可知，焊缝应力分布是极不均匀的，正面角焊缝应力中间大，两端小；侧面角焊缝在距正面角焊缝远处应力大，而靠近处应力小，侧面角焊缝应力很不均匀。“规范”规定有效焊缝长度为实际焊缝长度减去起落弧的影响长度，这种处理方法很合理。
就缝长平均应力而言：σv端=174.43MPa，σv侧=176.89MPa
即侧面角焊缝的平均应力是端面角焊缝的1.014倍，说明在弹性阶段，角焊缝有效载面上的应力分布应是均匀的。
4.结论
综上所述，可以看出实例所作的三面围焊角焊缝设计是与焊缝受力的实际情况不相符的，在轴心力作用下，无论是正面角焊缝或是侧面角焊缝，其有效截面上的应力呈均匀分布，广而言之，不只是三面围焊连接，只要是由正面角焊缝和侧面角焊缝组成的焊缝群，应力在有效载面都是均匀的，在角焊缝设计中应给予重视。
正面角焊缝强度稍大于侧面角焊缝的强度，但并未达到1.22倍，根据实例对正面角焊缝在其真实破坏面上的应力分析，正面角焊缝强度为侧面角焊缝的1.132倍。按“规范”规定：在直接动力荷载的作用下，考虑到正面与侧面组合1.22的情况下，正面1.22的强度增大部分并不一定能得到发挥，为保证设计安全的设计简便，本人认为在角焊缝的设计计算中，无论是动荷载作用或是静荷作用，都不宜考虑正面角焊缝的强度增大效应，建议角焊缝强度按下式计算。
σf2+ζf2=（ffw）2
同时合理选用焊缝的焊脚尺寸，降低焊接材料的消耗和焊接速度、焊接残余应力。当焊件的焊接长度较富余，在满足最大焊缝长度的要求下，采用小而长的焊缝比采用大而短的焊缝要好。对构造角焊缝，更宜按构造要求规定的最小焊脚尺寸选用。
【参考文献】
［１］钢结构设计规范（B50017-2003）.
［２］建筑钢结构焊接技术规程（JBJ81—91）.
【关键词】角焊缝；焊脚尺寸；计算公式
0.引言
焊接在整个钢结构的制造和安装作业中的工作量占有很大的比重，对钢结构工程的建造工期和工程成本有着重大的影响。目前在角焊缝连接设计计算中,并未如钢构件那样具有较全面和深入的分析研究，角焊缝设计与计算大都是在假设的基础上进行的，这样的设计计算与实际状况难免出现较大偏差，这在钢结构连接设计中应引起充分的重视。
1.角焊缝的焊脚尺寸选大还是选小
角焊缝的强度与其焊脚尺hf成正比，而熔敷金属量则是随焊缝截面的加大而以焊脚尺寸增大倍数的平方数增加。如焊脚尺寸为12mm的角焊缝，其强度是焊脚尺寸为6mm的2倍，但前者的熔敷金属量却是后者的4倍。通过对角焊缝的破坏强度的试验值可知，小焊脚尺寸角焊缝的破坏强度相对要大于大焊脚尺寸角焊缝，这是因为熔深参与受力的原因。对与须多层焊的大焊脚尺寸焊缝以第一层焊缝的影响最大，对小焊脚尺寸的焊缝其熔深与焊脚尺寸之比要大于大焊脚尺寸焊缝，故其破坏强度也相对较高。
一般情况下，焊脚尺寸在6mm～8mm以下时能一次焊成，超过时则需多层焊，故增加了焊接时间，也使焊接速度降低，成本增高。另一方面，焊缝施焊后冷却收缩引起的残余应力随焊缝增大而加大，故焊脚尺寸也不宜过大。
2.角焊缝连接设计计算公式选用的误区
角焊缝根据其受力方向的不同分为正面角焊缝（端缝）和侧面角焊缝（侧缝），正面角焊缝（垂直于外力作用方向）的破坏强度要比侧面角焊缝（平行与外力作用方向）的高35%～55%。在计算中采用强度增大系数来表示端缝的强度增大效应。根据《钢结构设计规范》（B50017-2003）7.1.3条规定：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，正面角焊缝的强度设计值增大系数为βf=1.22；对直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝的强度设计值增大系数为βf=1.0。如何考虑端缝的强度增大效应，应根据焊缝的受力情况和焊缝的组合情况具体分析，否则在设计中可能出现承载能力不满足设计要求的问题。下面用常见的一个角焊缝设计实例来进行说明。
图1所示为采用拼接板的角焊缝连接，主板截面为14mm×400mm，承受轴心拉力设计值N=920kN（静力荷载），钢材为Q235，采用E43系列型焊条，手工焊。试采用三面围焊形成设计角焊缝连接。
图1 双面盖板角焊缝连接示意
解：根据拼接板承载能力不低于主板承载能力的设计原则，且为便于侧缝施焊，取每块接板的横载面面积为8mm×360mm，按焊缝构造要求，取焊脚尺寸hf=6mm。
正面角焊缝承受的轴心力为：N3=0.7hf∑Lw3βfffw=590kN
侧面角焊缝承受余下轴心力所需的实际长度为：Lw1= Lw2=（N-N3）/（4×0.7hfffw）+6=129mm
现在采用实例所设计的角焊缝连接，反过来验算角焊缝的强度是否满足要求。
大多数人均认为在轴心力作用下，无论是正面角焊缝，还是侧面角焊缝，其有效载面上的应力是均匀分布的，则正面角焊缝和侧面角焊缝有效载面上的应力为：
σf=ζf=N/（0.7hf∑Lw）=180.1MPa （3）
将式（3）结果代入“规范”的正面角焊缝和侧面角焊缝的强度计算公式，分别有：
σf=180.1MPa＜βfffw=1.22×160=195.2MPa 满足要求。
ζf=180.1MPa＞ffw=160MPa 不满足要求。
现在问题明显凸现：通常按设计考虑，正面角焊缝的焊缝长度是确定的，先按其强度极限承受荷载，余下荷载再由两侧面角焊缝承受，进而计算出侧面角焊缝所需的长度，三条角焊缝当然满足承载能力的要求；而按验算分析，在轴心力作用下，三条角焊缝在有效载面上应力应该平均分布，将设计所考虑的正面角焊缝强度增大部分承受的荷载按三条角焊缝的效载面来平均承受，使得两条铡面角焊缝不满足承载能力的要求。问题出在哪里？哪一种分析是正确的呢？要解决这个问题，关键是要分析出在轴心力作用下，三条焊缝组成的焊缝群在有效载面上应力是如何分布的。
首先需说明一下，不能用材料屈服时应力重分布的概念来解释设计考虑是正确的，即在弹性阶段，三条角焊缝应力是平均分布的，当两条侧面角焊缝进入塑性屈服后所承荷载不能再增加，继续增加的荷载由下面角焊缝承受，直到该焊缝也达到弹性极限。原因有二：一是在钢结构连接设计中，只考虑钢材的弹性极限承载能力；二是焊缝材料构件母材的塑性差，焊缝是否有足够的塑性变形能力来完成应力的生分布，本身就是问题。
3.三面围焊焊缝的应力分析
角焊缝的应力分布非常复杂，很难有解析解，用有限元方法进行数值计算较为理想。用ANSYS程序对图1所示的三面围焊点进行了角焊缝的弹性应力分析。选择焊缝有效载面的形心连线作为代表路径，图2给出了该路径上平均应力的变化曲线。
图2 有效截面上应力沿焊缝形心路径的变化
从图2可知，焊缝应力分布是极不均匀的，正面角焊缝应力中间大，两端小；侧面角焊缝在距正面角焊缝远处应力大，而靠近处应力小，侧面角焊缝应力很不均匀。“规范”规定有效焊缝长度为实际焊缝长度减去起落弧的影响长度，这种处理方法很合理。
就缝长平均应力而言：σv端=174.43MPa，σv侧=176.89MPa
即侧面角焊缝的平均应力是端面角焊缝的1.014倍，说明在弹性阶段，角焊缝有效载面上的应力分布应是均匀的。
4.结论
综上所述，可以看出实例所作的三面围焊角焊缝设计是与焊缝受力的实际情况不相符的，在轴心力作用下，无论是正面角焊缝或是侧面角焊缝，其有效截面上的应力呈均匀分布，广而言之，不只是三面围焊连接，只要是由正面角焊缝和侧面角焊缝组成的焊缝群，应力在有效载面都是均匀的，在角焊缝设计中应给予重视。
正面角焊缝强度稍大于侧面角焊缝的强度，但并未达到1.22倍，根据实例对正面角焊缝在其真实破坏面上的应力分析，正面角焊缝强度为侧面角焊缝的1.132倍。按“规范”规定：在直接动力荷载的作用下，考虑到正面与侧面组合1.22的情况下，正面1.22的强度增大部分并不一定能得到发挥，为保证设计安全的设计简便，本人认为在角焊缝的设计计算中，无论是动荷载作用或是静荷作用，都不宜考虑正面角焊缝的强度增大效应，建议角焊缝强度按下式计算。
σf2+ζf2=（ffw）2
同时合理选用焊缝的焊脚尺寸，降低焊接材料的消耗和焊接速度、焊接残余应力。当焊件的焊接长度较富余，在满足最大焊缝长度的要求下，采用小而长的焊缝比采用大而短的焊缝要好。对构造角焊缝，更宜按构造要求规定的最小焊脚尺寸选用。
【参考文献】
［１］钢结构设计规范（B50017-2003）.
［２］建筑钢结构焊接技术规程（JBJ81—91）.