船底結(jié)構(gòu)的焊接系數(shù)研究

吳華峰 吳劍國(guó) 朱榮成

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310032；

2.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所 上海 200135）

0 引 言

船舶結(jié)構(gòu)中大量采用了焊縫作為承載部位的連接形式。賦予角焊縫以合理的型式與尺寸，對(duì)保證構(gòu)件間角承載能力、減小結(jié)構(gòu)的焊接變形、簡(jiǎn)化船體的裝配工藝、縮短制造周期及降低生產(chǎn)消耗，具有極為重要的意義［1］。船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜與承受荷載的多樣性，使得船體結(jié)構(gòu)角焊縫的精確計(jì)算極其復(fù)雜。焊接系數(shù)是為方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)而提出的，其中不僅融合了大量的結(jié)構(gòu)受力分析，而且包含著試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多年的演變至今，成為了如今的焊接系數(shù)規(guī)格表。如何驗(yàn)證現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)焊接系數(shù)的規(guī)定對(duì)于船體結(jié)構(gòu)是安全的，成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，也是本文研究的目的。

靜載荷條件下，角焊縫一般是在切應(yīng)力作用下破壞的［2］。 王承權(quán)等在文獻(xiàn)［1，3］中分析船體角焊縫受力情況的基礎(chǔ)上，依據(jù)角焊縫的分類，指明每類角焊縫應(yīng)達(dá)到的強(qiáng)度條件，從而說(shuō)明船體結(jié)構(gòu)角焊縫的受力分析及強(qiáng)度條件，闡述角焊縫剪切強(qiáng)度系數(shù)的涵義及其在填角焊縫設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。陳瑞良在文獻(xiàn)［4］中從對(duì)鋼質(zhì)海船船體角焊縫的設(shè)計(jì)以及對(duì)角焊縫的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些探討，指出了海船角焊縫的設(shè)計(jì)若逐條計(jì)算是相當(dāng)繁瑣的，易出差錯(cuò)；按焊接系數(shù)表設(shè)計(jì)有盲目性，且有些是不妥當(dāng)?shù)?，故其提供了一種使用方便、簡(jiǎn)捷，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確、合理、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)表格。

1 角焊縫強(qiáng)度公式

1.1 焊縫基本公式［5-6］

角焊縫應(yīng)力分析圖如圖1所示。

圖1 角焊縫應(yīng)力分析圖

式中：ffw焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)CCSA，ffw=160 N/mm2；對(duì) AH36， ffw=200 N/mm2。

1.2 焊接梁翼緣焊縫計(jì)算［7］

圖2所示為一焊接工字型截面翼緣板與腹板的角焊縫連接，取長(zhǎng)度為dz的梁段作為隔離體。

在彎矩作用下，微段dz的翼緣板受力情況如圖（b），此力必須與翼緣板和腹板間角焊縫有效截面上的縱向水平剪力V相平衡，即：

雙面角焊縫受互相垂直的力Nx和Ny的作用，焊腳高度為hf?，F(xiàn)作如下假設(shè)：

（1）直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，通常認(rèn)為直角角焊縫是以45°方向的最小截面作為有效計(jì)算截面，故有效焊腳高度為he=0.7 hf。

（2）在通過(guò)焊縫形心的拉力、壓力和剪力作用下，假定沿焊縫長(zhǎng)度lw方向的應(yīng)力都是均勻分布的。

只要將焊縫應(yīng)力分解為垂直焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力σf和平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力τf，故：

焊接強(qiáng)度公式如下：

圖2 翼緣焊縫受力圖

由于 dM/dZ=V，代入（2）式得：

式中：dM為微段彎矩增量，S1=Ay1為翼緣板對(duì)截面中和軸X-X的面積矩。

1.3 角焊縫剪切強(qiáng)度系數(shù)

角焊縫剪切強(qiáng)度計(jì)算斷面是喉部厚度所在的斷面。在等強(qiáng)度條件下并且采用等強(qiáng)匹配接頭時(shí)，雙面連續(xù)填角焊縫的喉部斷面面積應(yīng)當(dāng)?shù)扔诟拱鍞嗝婷娣e。對(duì)于強(qiáng)度足夠條件，喉部斷面面積可小于腹板斷面面積，減小的程度取決于結(jié)構(gòu)所在部位等諸多因素［6］。

在焊接T型和I字型材中，腹板焊縫主要承受剪切應(yīng)力。觀察喉部厚度與腹板厚度的比值，可知它表示角焊縫承擔(dān)剪切應(yīng)力占腹板在該處剪切應(yīng)力值的份額。LR規(guī)范中把一個(gè)角焊縫喉部厚度與腹板厚度之比，稱為填角焊縫剪切強(qiáng)度系數(shù)，簡(jiǎn)稱焊縫系數(shù)ωτ。由文獻(xiàn)［1］可知ωτ亦可由焊縫剪應(yīng)力σb與構(gòu)件剪應(yīng)力τ的比較得到，ωτ=σb/τ也可以表示為：

2 船底板架角焊縫的焊接系數(shù)

船底板架主要由縱骨、肋板、縱桁等相互聯(lián)系構(gòu)件組成。船底板上的荷載按照單向板的荷載傳遞路線，從板上傳遞到縱骨上，再由縱骨傳遞到其他大的構(gòu)件之上。由于篇幅有限，船底結(jié)構(gòu)縱骨焊接系數(shù)的研究此處暫未列入。

2.1 船底各個(gè)構(gòu)件支座剪力計(jì)算

2.1.1 船底肋板與縱骨支座剪力計(jì)算

對(duì)于主肋板與縱骨，從板架中不同方向、相鄰的兩梁之間取出一個(gè)長(zhǎng)方格klmn（見(jiàn)圖3），在長(zhǎng)方格上的均布荷載q0由橫向構(gòu)件承擔(dān)，不考慮縱向構(gòu)件，令：

圖3 肋板受荷圖

對(duì)于肋板，就取兩肋板之間的荷載；對(duì)于縱骨，則取兩肋板之間的跨度作為縱骨計(jì)算跨度。

2.1.2 船底縱桁支座剪力計(jì)算［8］

船底板架中，縱桁與肋板沿著船長(zhǎng)和船寬方向布置，形成縱橫交錯(cuò)的方格。在計(jì)算第j根交叉構(gòu)件（縱桁）時(shí)，可把板架當(dāng)作是“一根交叉構(gòu)件”的板架來(lái)處理。具體地說(shuō)，第j根交叉構(gòu)件可轉(zhuǎn)化為彈性基礎(chǔ)梁（見(jiàn)圖 4）。

圖4 彈性基礎(chǔ)梁受荷圖

此彈性基礎(chǔ)梁上的荷重與彈性基礎(chǔ)梁的支座剪力分別為：

2.2 剪應(yīng)力計(jì)算與焊接系數(shù)對(duì)應(yīng)許用應(yīng)力比較

本文對(duì)一艘31 000 dwt單殼散貨船的船底結(jié)構(gòu)角焊縫的焊縫應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。該船內(nèi)外底板、縱桁和肋板采用AH36，縱骨采用CCSA。雙層底高1 680 mm，實(shí)肋板間距2 400 mm；肋板計(jì)算跨度為20 380 mm，中間艙段計(jì)算跨度為35 200 mm；并中縱桁為箱形中縱桁，另設(shè)有6根雙層旁底縱桁，其中2根3 800 mm off CL旁縱桁、2根6 640 mm off CL旁縱桁、2根10 190 mm off CL旁縱桁；縱骨間距710 mm。

在工況LC1～LC9和LCAH（各工況分別對(duì)應(yīng)CCS《雙舷側(cè)散貨船直接計(jì)算指南》）下進(jìn)行有限元計(jì)算，取出腹板與翼緣相連接處的剪應(yīng)力τ1；再利用各個(gè)工況下的局部荷載條件，由式（5）和式（7）求出支座剪力，并代入式（3）。 式中：令 1.4hf=t（t為腹板厚），求出τ2。其中在LC4工況，σf為密性條件下，由于液體壓力而產(chǎn)生的應(yīng)力，此應(yīng)力由密性構(gòu)件的焊縫尺寸增加那部分焊縫承擔(dān)。

查相應(yīng)焊接系數(shù)表 2（4）、2（1）、2（3）項(xiàng)，得旁縱桁、非密性肋板、密性縱桁、密性肋板的焊接系數(shù)分別為 0.16、0.16、0.44、0.39；由式（4）得相應(yīng)構(gòu)件的許用應(yīng)力。各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表1～8，表格中的應(yīng)力單位均為N/mm2。

從表1～4可以看出，對(duì)于非密性的肋板和縱桁，采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，焊接系數(shù)滿足要求；從表5到表8可以看出，對(duì)于密性的肋板和縱桁，采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，焊接系數(shù)滿足要求，并且還有一定的余量。

表1 旁縱桁對(duì)內(nèi)底板焊縫應(yīng)力

表2 旁縱桁對(duì)外底板焊縫應(yīng)力

表3 非密性肋板對(duì)內(nèi)底板焊縫應(yīng)力

表4 非密性肋板對(duì)外底板焊縫應(yīng)力

表5 密性縱桁對(duì)內(nèi)底板焊縫應(yīng)力

表6 密性縱桁對(duì)外底板焊縫應(yīng)力

表7 密性肋板對(duì)內(nèi)底板焊縫應(yīng)力

表8 密性肋板對(duì)外底板焊縫應(yīng)力

3 結(jié) 論

對(duì)31 000 dwt散貨船進(jìn)行有限元不同工況下計(jì)算得到的剪應(yīng)力和在相應(yīng)工況下取出局部荷載下的剪應(yīng)力與相應(yīng)焊接系數(shù)下的許用應(yīng)力比較可知，船底焊接系數(shù)總體上是安全的。

［1］王承權(quán).船體結(jié)構(gòu)角焊縫的受力分析與剪切強(qiáng)度系數(shù)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1983,（2）：35-42.

［2］王慶，張彥華.鋼結(jié)構(gòu)角焊縫強(qiáng)度計(jì)算與匹配分析［J］.工業(yè)建筑，2005,（35）：732-734.

［3］王承權(quán)，夏炳仁.船體結(jié)構(gòu)填角焊縫的設(shè)計(jì)規(guī)范分析［J］.船舶工程，2002，（2）：49-53.

［4］陳瑞良.鋼質(zhì)海船角焊縫設(shè)計(jì)探討［J］.江蘇船舶，2001（5）：8-13.

［5］周浩森，石忠賢，王敏.正面角焊縫的靜載強(qiáng)度及其計(jì)算公式的探討［J］.焊接學(xué)報(bào)，1987（3）：141-151.

［6］STRATING J，VAN DOUWEN A A，e tal.The influence of a longitudinal stress on the strength of statically fillet welds［J］.Welding in the World，1972，10（5/6）：182.

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［8］陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1991：72-82.