T型接頭焊縫的優(yōu)化設(shè)計

達運社 達卿文

（1.青島匯金通電力設(shè)備股份有限公司，青島 266327；2.中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司設(shè)計研究院，青島 266100）

引言

長期以來，角焊縫的坡口形式、焊腳尺寸問題一直困擾著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造企業(yè)，焊腳尺寸的選擇不盡合理。有些人員錯誤地認為焊腳尺寸越大越安全，甚至要求全焊透焊縫的焊腳尺寸為板厚的1.2倍。這不僅造成了人力物力的極大浪費，而且造成了焊縫剛度過大，阻礙了工作狀態(tài)下焊縫與母材的變形協(xié)調(diào)，從而產(chǎn)生了過大的邊緣應(yīng)力，不利于焊縫沖擊韌性及抗疲勞性。正確理解等強設(shè)計概念，合理選用焊縫坡口形式和焊腳尺寸，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計重要的一環(huán)，是保障其安全、可靠與經(jīng)濟運行的前提。

1 焊縫與母材等強度設(shè)計

等強度設(shè)計主要指焊縫的力學(xué)性能（特別是抗拉強度）與母材相當、兩者韌性指標基本相同。文獻[1]“7.1焊縫連接”中的強度計算，均采用了等強度設(shè)計方法。無論焊縫有無坡口、是否能夠熔透，只要性能滿足構(gòu)件強度、韌性要求的焊縫，就是等強度焊縫。

2 焊縫坡口形式的選取

在滿足強度要求的前提下，焊縫坡口形式是由結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、荷載性質(zhì)（動載、靜載、交變載荷）、工作環(huán)境條件（高溫、低溫）以及焊接裝配工藝性的要求確定的。文獻[1]規(guī)定：需進行疲勞計算的構(gòu)件、低溫構(gòu)件、起重量Q≥50t的重級工作制中吊車梁腹板與上翼板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的T型接頭焊縫要求全熔透的坡口，其余焊縫則宜：

（1）不需要疲勞驗算的構(gòu)件，凡要求與母材等強的對接焊縫，宜予以焊透；

（2）厚度大于16mm的構(gòu)件，應(yīng)采用部分焊透的坡口形式，以防層狀撕裂；

（3）厚度小于16mm的構(gòu)件，宜選用角焊縫。

3 焊腳尺寸的確定

焊腳尺寸的大小直接影響構(gòu)件的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。焊腳尺寸太小，不僅不能滿足強度要求，而且因焊接時熱量輸入較少、冷卻快，焊縫處有可能出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。焊縫太高，焊縫熱輸入量大，焊縫組織晶粒粗大，韌性下降，還破壞了母材于焊縫的變形協(xié)調(diào)。合理設(shè)計焊腳尺寸，是結(jié)構(gòu)設(shè)計者的重要工作之一。

3.1 T型接頭焊縫的強度條件

3.1.1 焊縫正常工況下的應(yīng)力

如圖1所示，在外力N的作用下，焊縫分別產(chǎn)生兩個應(yīng)力，垂直于焊縫的拉應(yīng)力σf及和平行于焊縫的剪力τf，其強度條件可按照GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的公式計算：

圖1 構(gòu)件受力簡圖

①垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力：

式中，N為與焊縫成任意角度的力；α為力與焊縫的夾角；hf為焊腳尺寸；Lw為單模焊縫長度。

②沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力：

式中，β為正面角焊縫的強度設(shè)計增大系數(shù)。對于承受靜荷載和間接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，β=1.22；動荷載的結(jié)構(gòu)，β=1.0。

fwt為角焊縫的強度設(shè)計值，可由GB50017-2003表3.4.1-3“焊縫的強度設(shè)計值”查得。

③將式（2）、式（3）代入式（1），可得角焊縫所承受的應(yīng)力：

式中，為對接焊縫強度設(shè)計值；為強度設(shè)計值（可由GB50017—2003表3.4.1-3查得）；為焊縫應(yīng)力。

3.1.2 與焊縫連接的連接板正常工況下的應(yīng)力

連接板的強度條件：

式中，f為母材強度設(shè)計值，可由GB50017-2003 表3.4.1-1查得。

3.2 T型接頭角焊縫焊腳尺寸計算

圖2為T型接頭角焊縫。

圖2 T型接頭角焊縫

（1）假設(shè)在正常工況下，焊縫的強度與筋板強度完全相等，即焊縫所承受的應(yīng)力與連接板承受的應(yīng)力相等σj=σb即：

解之，，式中t為較薄構(gòu)件的厚度。

事實上，由于焊接缺陷的存在以及無損檢測的困難，焊縫與連接板的強度值是不可能相等的，但二者承受的荷載是相等的。

由式（6）可知，焊縫荷載為：

由式（8）可知，母材荷載為N≤tLwf，即：

可得到T型接頭角焊縫焊腳尺寸計算公式為：

（2）確定焊腳尺寸時，還應(yīng)滿足GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對角焊縫尺寸的要求：“8.2.7.1角焊縫的焊腳尺寸不得小于1.5，t為較厚焊件厚度。但是，對于埋弧焊最小焊腳尺寸可減小1mm；對于T接的單面角焊縫應(yīng)增加1mm。當焊件小于等于4mm時，最小焊腳尺寸與焊件厚度相同”；“8.2.7.2角焊縫的焊腳尺寸不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍（鋼管結(jié)構(gòu)除外），但板件（厚度為t）邊緣的角焊縫最大焊腳尺寸，還應(yīng)符合下列要求：

①當t≤6mm時，hf≤t；

②當t＞6mm時，hf≤t-（1～2）mm”。

3.3 T型接頭全熔透對接焊縫（圖3）焊縫尺寸

圖3為T型接頭全熔透對接焊縫模型。

圖3 T型接頭全熔透對接焊縫模型

（1）焊縫強度條件為：

（2）連接板強度條件為：

按照等強度設(shè)計，有σj=σb。式中，f為母材強度設(shè)計值，可由GB50017-2003 表3.4.1-3查得；T為母材較薄件的厚度；

假若按保守算法，取βf=1，焊縫按照一級或二級無損檢測，則fwt=f，t=hf。假若焊縫為三級焊縫（不進行無損檢測），則＜f。

由此可見，對于坡口全焊透的T型焊縫的對接焊縫，只有采取全部或局部無損檢測，焊縫、母材強度才是等強的。為了減小焊縫結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，通常還要增加一部分角焊縫，形成實際上的組組合焊縫（由對接焊縫和角焊縫組成）。

3.4 T型接頭對稱全熔透組合焊縫焊腳尺寸計算

圖4為T型接頭對稱全熔透組合焊縫模型。

圖4 T型接頭對稱全熔透組合焊縫模型

此類形式荷載由兩部分焊縫承擔(dān)——對接焊縫和角焊縫。

（1）對接焊縫所承受荷載tLw，母材所承受的荷載N=tLwf；

（2）焊縫所承受的荷載：

式（16）與式（17）聯(lián)立求解，可得出T型接頭焊組合焊縫的焊腳尺寸計算公式為：

式中，f為母材強度設(shè)計值；為對接焊縫強度設(shè)計值；為角焊縫焊縫強度設(shè)計值。

（3）還應(yīng)滿足GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定角焊縫的尺寸對角焊縫尺寸的要求：“8.2.2.1對接與角接組合焊縫，加強角焊縫hf不應(yīng)小于t/4且不大于10mm，其允許偏差為hf+0.40。對于焊腳尺寸hf大于8.0mm的角焊縫，其局部焊腳尺寸允許低于設(shè)計值1.0mm，但總長度不得超過焊縫長的10%?！?/p>

3.5 T型接頭全熔透非對稱組合焊縫的焊腳尺寸計算

圖5為T型接頭全熔透非對稱組合焊縫模型。

圖5 T型接頭全熔透非對稱組合焊縫模型

可得T型接頭非對稱組合焊縫焊腳尺寸計算公式為：

3.6 T型接頭對稱非熔透焊縫焊腳尺寸計算

圖6為T型接頭對稱非熔透焊縫模型。

圖6 T型接頭對稱非熔透焊縫模型

角焊縫所承受的荷載：

于是，可得：

即：

聯(lián)立求解，可得：

即對稱焊部分焊透組合焊腳尺寸計算公式為：

4 結(jié) 語

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)十分注意合理地設(shè)計焊縫結(jié)構(gòu)，最大限度地降低焊接殘余應(yīng)力，認真進行焊縫強度設(shè)計，合理確定焊腳尺寸，既要保障強度要求，又要兼顧焊縫對沖擊韌性的要求。對于文獻[1]“5.1.5”條款中規(guī)定的一級、二級焊縫以及用戶有特殊要求的焊縫，應(yīng)選等強全熔透焊縫；對于一般的焊縫，宜首選等強角焊縫，其次選用等強的部分熔透焊縫。此外，在焊縫與構(gòu)件等強的前提下，焊縫的坡口形式不同，無損檢測比例和焊腳尺寸就不同。

[1]中冶建筑研究總院有限公司.GB50661-2011 鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].2011.