焊接结构设计的常用方法和技巧

焊接结构是金属结构中一种最主要的结构形式。焊接结构的设计在焊接结构的生产过程中是一个非常重要的环节，是保证焊接结构正常安全使用以及决定结构制造工艺是否更趋合理，做到技术先进、经济合理的前提。一般焊接结构设计时，需要考虑的因素如图6-1所示。

焊接结构常用的设计方法有许用应力法和以概率论为基础的极限状态法。

1.许用应力法

就是设计时对结构中的任一点应力，按平面力系解法将其归结为单向屈服的关系，用第一强度理论（最大主应力理论）或第三强度理论（最大切应力理论）计算出最大主应力或差值应力（三个主应力中最大与最小的差值），并将其限制在许用应力之下，其表达式为

σ≤[σ] （6-1）

式中 σ——焊缝中的最大主应力；

[σ]——焊缝中许用应力。

对于一般用途的构件，设计时需满足的强度条件和刚度条件，分别为

工作应力≤许用应力

工作变形≤许用变形

或者为

这里的失效应力，如果为屈服准则，则为材料的屈服强度；如果为断裂准则，则为抗拉强度；在疲劳设计中为疲劳强度。

对于含裂纹构件的强度设计，除要满足上述常规的强度条件外，还要同时满足断裂力学的强度条件。其安全系数与无裂纹构件抗断设计的安全系数有类似的表达式。例如，对弹塑性体有

图6-1 焊接结构设计时考虑的因素

许用应力、许用变形和许用安全系数等，一般由国家工程主管部门根据安全与经济原则，按强度、载荷、环境、加工质量、计算精度和构件的重要性等加以确定。其中许用应力是考虑了各种影响因素后经过适当修正的材料失效应力除以许用安全系数而得到的。

我国锅炉和压力容器、动力机械、起重机、船舶等部门中都在各自设计规范内规定了各种材料的许用应力、许用变形或许用安全系数值，可以直接查表使用。

2.以概率论为基础的极限状态法

承载能力极限状态是结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态。

①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如滑移或倾覆等）。

②结构构件或连接因其应力超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过量的塑性变形而不适于继续承载。

③结构转变为机动体系而丧失承载能力。

④结构或构件因达到临界载荷而丧失稳定（如压曲等）。

正常使用极限状态是指结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态。

①影响正常使用或外观的变形。

②影响正常使用的局部损坏。

③影响正常使用的振动。

④影响正常使用的其他特定状态。

结构设计时，通常是按承载能力极限状态设计，以保证其安全性，再按正常使用极限状态进行校核，以保证其适用性。

（1）承载能力极限状态设计表达式 按承载能力极限状态设计时，应考虑载荷效应的基本组合（可变载荷为主的组合和永久载荷为主的组合），必要时还应考虑载荷效应的偶然组合。

1）基本组合 载荷效应的基本组合按下列设计表达式中的最不利值确定。

由可变载荷效应控制的组合为

式中 γ₀——结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构件取1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构件取1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构件取0.90；对设计使用年限为25年的结构件取0.95；

γ_G、γ_Q1、γ_Qi——永久载荷、第一个可变载荷和其他第i个可变载荷的分项系数（见表6-2）；

σ_GK——按永久载荷标准值在结构构件断面或连接中产生的应力，MPa；

σ_Q1K——起控制作用的第一个可变载荷标准值在结构构件断面或连接中产生的应力，MPa，该值使计算结果为最大；

σ_QiK——其他第i个可变载荷标准值在结构构件断面或连接中产生的应力，MPa；

ψ_Ci——第i个可变载荷Q_i的组合值系数（见表6-2）；

n——参与组合的可变载荷数；

f——钢材或连接的强度设计值，它是钢材屈强度f_Y除以抗力分项系数γ_R的商。对Q235钢和Q345钢，γ_R取1.087，Q390钢取1.111。

表6-2 与载荷有关的系数

①括号内0.95用于硬钩起重机和A8级软钢起重机。

由永久载荷效应控制的组合为

对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算。

由可变载荷效应控制的组合简化式为

式中 ψ——简化式中采用的载荷组合值系数，一般情况下取0.9；当只有一个可变载荷时，取1.0。

由永久载荷效应控制的组合，仍按式（6-3）进行计算。

2）偶然组合。对于偶然组合，极限状态设计表达式宜按下列原则确定：偶然的代表值不乘分项系数；与偶然组合同时出现的可变载荷，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值；具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。

（2）正常使用极限状态表达式 按GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》规定要求，分别采用载荷的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应规定的阻值。(www.xing528.com)

钢结构设计主要是控制变形的挠度，只考虑载荷的标准组合，其表达式为

式中 ν_GK——永久载荷标准值在结构或构件中产生的变形值；

ν_Q1K——第一个可变载荷的标准值在结构或构件中产生的变形值（该值大于其他任意第i个可变载荷标准值产生的变形值）；

ν_QiK——第i个可变载荷标准值在结构或构件中产生的变形值；

[ν]——结构或构件的容许变形值。

3.许用应力、安全系数和强度设计

1）焊缝许用应力

一般机器焊接构件的焊缝许用应力可按表6-3中选用。GB/T 3811—2008《起重机设计规范》规定，静载下金属结构焊缝的许用应力按表6-4选取；钢制焊接压力容器在受压元件强度计算的公式中采用焊缝系数反映焊缝强度与母材强度的不一致性，以及焊缝形式对受压元件强度的影响。设计时可按表6-5选取。

表6-3 一般机器焊接构件的焊缝许用应力

注：1.本表适用于低碳钢及低合金高强度钢的焊接结构。

2.[σ]是母材的许用应力。

表6-4 起重机金属结构焊缝许用应力（摘自GB/T 3811—2008）

注：[σ]——母材的许用应力。

表6-5 钢制压力容器焊接接头系数ф（摘自GB 150.1—2011）

①此表的系数仅适用于厚度不超过16mm，直径不超过600mm的壳体环焊缝。

2）安全系数

钢制压力容器设计用的母材安全系数及许用应力按GB 150.2—2011规定选用；起重机金属结构设计用的母材安全系数和许用应力按GB/T 3811—2008规定选用。如果设计某金属构件时，没有相应的设计规范或规程可遵循，则安全系数的取值范围可参考表6-6。

表6-6 机械设计中安全系数取值范围

3）强度设计值和变形容许值

在GB 50017—2003《钢结构设计规范》中规定，工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计，除疲劳强度计算外，应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，并用分项系数的设计表达式进行计算。《钢结构设计规范》已给出了钢材（指母材）的强度设计值和焊缝的强度设计值，见表6-7～表6-9。同时，还给出了电阻点焊抗剪承载力设计值，见表6-10。

表6-7 钢材强度设计值（摘自GB 50017—2003） （单位：MPa）

注：1.表中厚度指计算点的钢材厚度，对轴心受力构件指断面中较厚板件的厚度。

2.括号内数值适用于薄壁型钢。

表6-8 铸钢件的强度设计值（摘自GB 50017—2003） （单位：MPa）

表6-9 焊缝强度设计值（摘自GB 50017—2003）

（续）

注：1.自动和半自动埋弧焊或气体保护焊采用的焊丝和焊剂，应保证其熔敷金属抗拉强度不低于相应焊条电弧焊的数值。

2.焊缝质量等级应符合现行国家标准GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》的规定。

3.同表6-7中的注1、2。

表6-10 电阻点焊的抗剪承载力设计值（摘自GB 50017—2003）

此外，《钢结构设计规范》也给出了按正常使用极限状态设计时应控制的变形值，见表6-11和表6-12。

表6-11 受弯构件挠度容许值（摘自GB 50017—2003）

（续）

注：1.l为受弯构件的跨度（对悬壁梁和伸臂梁为悬伸长度的2偌）。

2.[ν_T]为全部载荷标准值产生的挠度（如有起拱应减去拱度）的容许值，[ν_Q]为可变载荷标准值产生的挠度的容许值。

表6-12 柱水平位移的计算容许值（摘自GB 50017—2003）

注：1.H_c为基础顶面至起重机梁或起重机桁架顶面的高度。

2.计算厂房或露天栈桥柱的纵向位移时，可假定起重机的纵向水平制动力分配在温区段内所有柱间支承或纵向框架上。

3.在设有A8起重机的厂房中，厂房柱的水平位移容许值应减小10%。

4.在上均取一台最大起重机水平载荷（按建筑结构载荷规范取值）所产生的位移或挠度。