焊接结构中常见的焊接接头设计

1.焊接接头的基本形式

详见第二章第二节所述。

2.焊接接头设计的一般要求

焊接结构是由许多部件、零件用焊接方法连接而成的，因此焊接结构的性能、安全性和可靠性在很大程度上取决于焊接接头的性能的质量，而优良的接头设计是保证防止结构失效的条件之一。进行焊接接头设计时应考虑到以下几个方面的因素。

1）焊接接头的设计要遵循焊接接头与母材的等强性、等塑性以及接头的布置应便于施焊和检验的原则。等强性的含义包括常温强度、高温持久强度、动载荷下的疲劳强度等强度指标要相同或相近。等塑性是指结构中的焊接接头在保证强度的条件下，其形变能力要和母材一样能承受各种复杂的应力，以保证结构的稳定性。

2）焊接结构应该优先采用接头（即焊缝）形式简单、应力集中小、不破坏结构的连续性，最好不使用出现转折的接头和焊缝形式。在诸多的焊接接头形式中，对接接头应力集中最小，形式最简单，力的传递也较少转折，因此是最合理的典型的焊接接头形式。尽管如此，如果对接接头出现较大的余高和过渡处的圆弧半径较小（如咬边），应力集中也将增大。

T形（十宇形）接头由母材向焊缝急剧过渡，力的传递转折大，易出现较大的应力集中。其中开I形坡口角焊缝构成的T形（十宇形）接头，其最大应力在角焊缝的根部，最大应力高出平均应力约2偌。当开坡口全焊透时，应力集中情况将大为改善。因此对于同样的T形（十宇形）接头，焊缝的坡口形式以及尺寸对应力的分布有很大的影响。

由角焊缝构成的搭接接头，其应力分布很不均匀，不是理想的结构形式，在动载和低温时应特别注意避免使用。但由于采用搭接接头，装配工作十分简单，焊前准备简单，构件收缩量小，因此在一些受静载的建筑结构中和用薄板制作的储罐结构中采用较多。搭接接头可分为正面搭接和侧面搭接，接头中不仅存在角焊缝横断面上应力分布不均的情形（和T形接头角焊缝类似），而巨正面和侧面搭接焊缝中的应力分布也各不相同。

3）在可能的条件下，尽量地将焊接接头布置在工作载荷较小处，以及构件几何尺寸和形状不变的地方。

4）角焊缝的焊脚尺寸不宜过大，搭接角焊缝不宜过长。如前面所述，应力分布沿角焊缝断面产生很大的应力集中，断面越大，应力集中的程度也越大。因此大断面角焊缝的承载能力很低。在搭接接头中，正面角焊缝的刚度大于侧面角焊缝，强度也大。侧面角焊缝沿焊缝长度方向的应力分布也不均，所以对采用正、侧面焊缝的联合搭接角焊缝应用于重要结构时尤其要注意。

5）由于钢板在厚度方向上（Z向）性能差，因此采用T形（十宇形）接头时，如果需要在厚度方向上传递外力，应选用Z向钢。

6）焊接接头刚度大，焊缝在屈服前变形量很小，因此对于作为铰接点的接头（如桁架的节点）可能产生高的附加应力，此时应采取措施如减小焊接断面，改变焊缝位置等来增加接头的柔性。

7）进行接头设计时，要充分考虑生产制造的条件，提高设计接头的工艺性，如尽量减少焊接结构的接头种类、采用的焊接方法要少、接头尺寸单一、施焊方便等。

8）进行接头强度的设计计算时一般不考虑应力集中及焊接残余应力。但当结构的工作条件苛刻，如在低温、动载或接头刚度大的场合，要考虑这些因素。

总之，焊接接头设计涉及的因素是极为复杂的。就焊接接头本身而言，焊接参数、焊接缺陷等都对焊接接头的性能产生影响，这些都是在接头设计时要考虑的因素。

此外，焊接接头之外的结构细节设计对整个结构的强度和使用性能也有重要影响。例如焊接容器的支承形式、接管开孔，梁和柱的肋板布置、梁支承处的结构形式、梁与梁的拼接和连接等。这些细节往往会成为焊接结构破坏和失效的发源地，因此在设计时也必须予以重点考虑。设计焊接结构细节时应考虑到以下几个因素：

1）结构细节应简洁，过渡圆滑，尽量使受力分布均匀。

2）结构细节应尽量不增加结构的拘束度，不出现断面突然变化和三向应力。

3）焊缝布置应尽量分散，相邻间隔大，避开应力集中最大部位和高应力应变区等。

3.焊接接头的静载强度计算

（1）焊接接头静载强度计算的假设 焊接接头的应力分布非常复杂，精确计算焊接接头的强度很困难。为简化计算，常用的计算方法都是在以下假设的前提下进行：

1）残余应力对接头强度没有影响。

2）焊趾处和余高处的应力集中，对接头强度没有影响。

3）接头的工作应力是均布的，以平均应力计算。

4）正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别。

5）焊脚尺寸的大小对角焊缝的强度没有影响。

6）角焊缝都是在切应力作用下破坏，一律按切应力计算其强度。

7）以焊缝中最小断面为计算断面。图6-2为各种焊缝的计算断面。

（2）电弧焊接头的静载强度计算

1）对接接头的强度计算。对接接头静载强度的简化计算可不考虑焊缝的余高，焊缝的计算长度取实际长度，计算厚度取两板中较薄者（不同厚度板材对接时，按标准规定应对厚者进行削薄，以减小应力集中的影响）。

图6-2 各种焊缝的计算断面（a为计算厚度）

全焊透的对接接头的受力情况如图6-3所示。

图6-3中F为接头所受的拉力（或压力），Q为剪切力，M₁是板平面内弯矩，M₂是垂直板面弯矩。

对各种受力情况的强度计算公式如下。

受拉

受压

受剪切

受板平面内弯矩

图6-3 全焊透的对接接头的受力情况

受垂直板面弯矩

式中 F——接头所受的拉力或压力，N；

L——焊缝长度，m；

δ₁、δ₂——板的厚度，m；

σ_t——接头所承受的拉应力，Pa；

σ_a——接头所承受的压应力，Pa；

[σ′_t]——焊缝受拉时或受弯时的许用应力，Pa；

[σ′_a]——焊缝受压时的许用力，Pa；

[τ′_t]——焊缝许用切应力，Pa；

τ——接头承受的切应力，Pa；

Q——接头承受的剪切力，N；

M₁——板平面内弯矩，N·m；

M₂——垂直板面弯矩，N·m；

σ——接头受弯矩作用时焊缝中所承受的应力，Pa。

例6-1 两块厚度相同钢板的对接接头，材料为Q235A钢。已知焊缝全长100mm，板厚为8mm，Q235A钢的许用拉应力[σ′_t]为167MPa，求该焊缝能承受多少拉应力？

解 已知δ=8mm，L=100mm，[σ′_t]=167MPa。

根据公式，有

F≤[σ_t′]δL

代入数值，得

F≤167MPa×10⁶×8mm×10^-3×100mm×10^-3=133.6kN

即焊缝最大能承受133.6kN的拉力。

例6-2 两块厚度相同钢板的对接接头，材料为普通低合金钢Q345（16Mn），焊缝全长定为300mm，受垂直板面弯矩3000N·mm，已知Q345（16Mn）钢的[σ′_t]=210MPa，计算焊缝所需要的厚度（即板厚）是多少？

解 根据公式，有

已知M₂=3000N·mm，L=300mm，[σ′_t]=210MPa。代入上式得

取δ=18mm，即当焊缝厚度（板厚）为18mm时，该对接接头的强度能满足要求。

2）搭接接头的静载强度计算。

①受拉、压的搭接接头计算。各种搭接接头的受力情况如图6-4所示。

由于焊缝和受力相对位置的不同，可分成正面搭接受拉或压、侧面搭接受拉或压和联合搭接受拉或压三种焊缝。

正面搭接受拉或压的计算公式为

侧面搭接受拉或压的计算公式为

正、侧联合搭接受拉或压的计算公式为

图6-4各种搭接接头受力情况

a）正面搭接受拉或压 b）侧面搭接受拉或压 c）联合搭接受拉或压

式中 F——搭接接头所受的拉力或压力，N；

K——焊脚尺寸，mm；

L——焊缝长度，mm；

∑L——正、侧面焊缝总长，mm；

τ——搭接接头角焊缝所承受的切应力，MPa；

[τ]——焊缝金属许用切应力，MPa。

例6-3 将100mm×100mm×10mm的角钢用角焊缝搭接在一块钢板上，如图6-5所示。受拉伸时要求与角钢等强度，试计算接头的合理尺寸K和L应该是多少？

解 从材料手册查得角钢断面面积A=19.2cm²；许用拉应力[σ_t]=160MPa=160N/mm²，焊缝许用切应力[τ′]=100MPa=100N/mm²，则角钢的允许载荷为

[F]=A[σ_t]=1920mm²×160N/mm²=307200N

假定接头上各段焊缝中的切应力都达到焊缝许用切应力值，即τ=[τ′]。若取K=10mm，用焊条电弧焊，则所需的焊缝总长为

图6-5 角钢与钢板组成的搭接接头

角钢一端的正面角焊缝L₃=100mm，则两侧焊缝总长度为339mm。根据材料手册查得角钢的拉力作用线位置e=28.3mm，按杠杆原理，则侧面角焊缝L₂应承受全部侧面角焊缝应承受载荷的28.3%，故

另外一侧的侧面角焊缝长度应该是：

取L₁=250mm，L₂=100mm。

②受弯矩的搭接接头计算。

a.分段计算法。分段计算法的示意图如图6-6所示，外加力矩M必须与水平焊缝产生的内力矩M_H和垂直焊缝产生的内力矩M_V之和相平衡，即

M=M_H+M_V

当焊缝不是深熔焊缝，其水平焊缝中的力矩为

M_H=τ×0.7KL（h+K） （6-14）

垂直焊缝中的力矩为

图6-6 分段计算法示意图

b.轴惯性矩计算法。轴惯性矩计算法示意图如图6-7所示。计算的基本假设是焊缝中某点的应力值与其至中性轴的距离成正比，因此，最大应力值将出现在离中性轴最远的y_max处。计算公式如下：

式中 M——作用在接头上的外加弯矩，N·mm；

y_max——焊缝至x轴的最大距离，mm；

I_x——焊缝对x轴的计算惯性矩，mm⁴；

τ_max——焊缝受到的最大切应力，MPa；

[τ′]——焊缝的许用切应力，MPa。

图6-7 轴惯性矩计算法示意图

例6-4 由三面角焊缝组成的悬臂搭接接头如图6-8所示。当焊缝总长为500mm、h=300mm、K=10mm时，在梁的端头作用一弯矩M=28000000N·mm，试计算接头是否安全经济，并比较两种计算方法的结果。焊缝金属许用切应力[τ′]=100MPa。

解 （a）分段计算法

根据原始数据M=28000000N·mm，K=10mm，h=300mm，，则切应力为

图6-8 悬臂搭接接头

所以接头是安全的。

（b）轴惯性矩计算法

由计算公式，根据原始数据M=28000000N·mm，。

故

将数据代入轴惯性矩计算公式得

所以接头是安全的。

从上述计算结果可以看出，分段计算法和轴惯性矩计算法得出的结果大体相同，只是分段计算法运算较为简便，特别是当已知载荷、设计焊缝长度或焊脚尺寸时，用分段计算法更为方便。

③受偏心载荷的搭接接头计算。如果接头承受的载荷不是单纯的弯矩，而是垂直于x轴方向的偏心载荷F（见图6-9），此时焊缝中既有由弯矩M=FL引起的切应力τ_M，又有由剪切力引起的切应力τ_Q。因此，应分别计算出τ_M和τ_Q，再按下式计算合成应力τ合

式中 τ_M按受弯矩的搭接接头进行计算，τ_Q按式（6-18）进行计算。

例6-5 一偏心受载的搭接接头如图6-9所示。已知焊缝长度h=400mm，L₀=100mm，焊脚尺寸K=10mm。外加载荷F=30000N，梁长L=100cm，试校核焊缝强度。焊缝的许用切应力[τ′]=100MPa。

解 用分段计算法计算τ_M，公式为

由载荷F引起的弯矩为

M=FL=30000N×1000mm=30000000N·mm

代入原始数据

图6-9 受偏心载荷的搭接接头(www.xing528.com)

计算τ_Q，公式为

∑L为焊缝总长，即

∑L=400mm+100mm+100mm=600mm

则

计算合成切应力τ_合，即

由于63.74MPa＜100MPa，即τ_合＜[τ′]，所以此搭接接头是安全的。

④双缝搭接接头计算。双缝搭接接头是由两条角焊缝焊成，根据焊缝长度和焊缝之间距离的对比关系，可分成长焊缝小间距搭接接头和短焊缝大间距搭接接头两种形式，如图6-10所示。

长焊缝小间距搭接接头的计算公式为

当F垂直于焊缝时，τ_合=τ_M+τ_Q

当F平行于焊缝时，

短焊缝大间距搭接接头的计算公式为

图6-10 双缝搭接接头

a）长焊缝小间距搭接接头 b）短焊缝大间距搭接接头

当F平行于焊缝时，τ_合=τ_M+τ_Q

当F垂直于焊缝时，

3）T形接头的静载强度计算。

①载荷平行于焊缝的T形接头计算。如图6-11所示，如果开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属断面面积等于母材金属断面面积（A=δh）。当开I形坡口时，计算公式为

由于产生最大应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时有两个切应力起作用，一个是由M=FL引起的τ_M，另一个是由Q=F引起的τ_Q。τ_M和τ_Q是互相垂直的，所以合成切应力τ_合为

例6-6 一T形接头如图6-12所示。已知焊缝金属的许用切应力[τ]=100MPa，试设计角焊缝的焊脚尺寸K。

解 计算τ_M，得

计算τ_Q，得

计算τ_合，得

利用强度校核公式τ_合≤[τ]

即

故

图6-11 T形接头（载荷平行于焊缝）

图6-12 T形接头的焊脚尺寸设计

取K=8mm

②弯矩垂直于板面的T形接头计算。如图6-13所示，如开坡口并焊透，其强度按对接接头计算。当接头开I形坡口用角焊缝连接，强度计算公式为

（3）点焊和缝焊接头的静载强度计算

1）点焊接头的计算方法。精确计算焊点上的工作应力较困难，为了简化计算，作如下假定：

①每个焊点都在切应力作用下破坏。

②忽略因搭接接头的偏心力而引起的附加应力。

③焊点上的应力集中对强度没有影响。

④在同一个搭接接头上的焊点，受力是均匀的。

由上述假设得出点焊接头静载强度计算公式，见表6-13。

2）缝焊接头的计算方法。缝焊接头可以认为是很多焊点按规律重叠形成的轨迹。如果材料的焊接性好，厚度适当，焊接参数合理，它的静载强度可与母材相等。

图6-13 T形接头（弯矩垂直板面）计算

表6-13 点焊接头静载强度计算公式

缝焊的焊缝工作时受切应力，其静载强度按式（6-21）计算（见图6-14）：

式中 b——焊缝宽度，可取滚轮宽度，mm；

l——焊缝长度，mm；

[τ′_a]——焊缝许用切应力，MPa（同点焊）。

图6-14 缝焊焊缝强度计算

（4）角焊缝静载强度计算 经上述简化后得出由角焊缝组成接头的静载强度计算公式，见表6-14。表中角焊缝的计算长度一般取每条焊缝实际长度减去10mm，计算厚度a取内接三角形的最小高度，如图6-2所示。在设计计算角焊缝时，一般应遵循下列原则和规定。

表6-14 角焊缝接头静载强度基本计算公式

（续）

①侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8K（K为焊脚尺寸），并不小于40mm。

②角焊缝的最小焊脚尺寸不应小于4mm，当焊件厚度小于4mm时，可与焊件厚度相同。

③因构造上需要的非承载角焊缝，其最小焊脚尺寸可根据焊件厚度及焊接工艺要求确定，可参照表6-15。

④在承受静载的次要焊件中，如果计算出的角焊缝的焊脚尺寸小于规定的最小值，可采用断续焊缝。断续焊缝的焊脚尺寸可根据折算方法确定。断续焊缝之间的距离在受压构件中不应大于15δ，受拉构件中一般不应大于30δ，δ为被焊构件中较薄件的厚度。在腐蚀介质下工作的构件不应采用断续焊缝。

表6-15 角焊缝的最小焊脚尺寸

注：最小焊脚尺寸K不得超过较薄钢板的厚度

国际焊接学会（IIW）推荐的角焊缝静载强度计算公式为

式中 σ_折——角焊缝计算断面上的折合应力，MPa；

β——因母材屈服强度R_eL而异的系数，当R_eL=240MPa时，β=0.9；R_eL=360MPa时，

β=0.85，其他R_eL值用线性内插法确定。

σ⊥——垂直作用于计算断面上的正应力，MPa。

τ⊥、τ//——垂直和平行于焊缝长度作用于计算断面上的切应力，MPa。

[σ′_т]——焊缝金属许用应力。

（5）复杂断面构件接头的应力计算 进行计算时，首先应弄清接头的受载状况，分别计算出各载荷引起的应力，然后计算其合成应力。在计算合成应力之前，还必须明确各应力的方向、性质和位置。应该确定危险点上的最高合成应力，如果危险点难以确定时，应选几个高应力点计算合成应力，其中合成应力最高的为危险点。

复杂断面连接常见的形式有箱形、环形、工宇形，如图6-15所示。复杂断面的连接接头多数承受弯矩，进行计算时，首先求得接头上各焊缝对O—O轴的计算惯性矩I_a，然后用轴惯性矩法公式计算最高应力。计算惯性矩I_a及y_max的近似公式见表6-16。

图6-15 复杂断面的连接形式

a）箱形截面连接 b）环形截面连接 c）工宇形截面连接 d）T形截面连接

表6-16 计算惯性矩I_a及y_max的近似公式

如果构件同时受弯矩M及轴向力N时，焊缝中的应力按式（6-23）分别计算：

图6-16 工宇形断面连接计算

由于τ_N和τ_M方向相同，所以合成应力

τ_合=τ_N+τ_M

如果构件同时承受横向力F和轴向力N（见图6-16），此时同时承受弯矩M=FL及轴向力N和剪切力Q=F的作用。由于构件承受剪切力Q时，只有腹板承受，剪切力只能由连接腹板的焊缝承受，并假定切应力是沿焊缝均匀分布的。

当计算连接焊缝的强度时，应验算两个位置的合成应力：一个是翼板外侧受拉焊缝的合成应力，其计算公式为

式中 l——接头焊缝的总长度，mm。

另一个是计算腹板立焊缝端合成应力，其计算公式为

例6-7 悬臂梁，其断面形状和尺寸、截荷以及连接的焊缝形式如图6-16所示。焊缝的许用切应力[τ′]=100MPa，试计算接头的焊缝强度。

解 由于翼板厚度上的焊缝很短，故可忽略不计。

由表6-16中序号为3的公式计算工宇断面周边角焊缝的计算惯性矩I_a。即

翼板外侧受拉边的最大合成应力为

腹板立焊缝端点的合成应力计算如下：

计算结果为危险点的最大合成应力值低于焊缝的许用切应力值，所以连接焊缝强度满足要求。

（6）焊缝许用应力 焊缝的许用应力与焊接工艺、焊接材料、焊缝形式、载荷性质等因素有关，通常确定焊缝的许用应力有以下两种方法：

1）按母材的许用应力乘以一个系数，来确定焊缝许用应力，见表6-17。

表6-17 按母材许用应力确定的焊缝许用应力

注：1.表中[σ]为母材的许用应力。

2.本表适用于低碳钢及500MPa级以下的低合金结构钢。

2）为某类产品所用，为了本行业的方便和技术统一，制定出相应的焊缝许用应力具体数值，见表6-18。

4.焊接接头疲劳强度计算

对于焊接结构或接头的疲劳许用应力，在我国是由各相关行业根据行业产品载荷条件和工作环境等特点，在本行业的设计规范中作出规定。

表6-18 钢结构焊缝许用应力

①钢材按其尺寸分组，分组尺寸见表6-19。

②检查焊缝的普通方法指外观检查、测量尺寸、钻孔检查等方法；精确方法是在普通方法的基础上，用射线或超声波进行补充检查。

表6-19 钢材的分组尺寸 （单位：mm）

注：1.棒钢包括圆钢、方钢、扁钢及六角钢。型钢包括角钢、工宇钢和槽钢。

2.工宇钢和槽钢的厚度系指腹板的厚度。

例如，起重机金属结构构件设计中受拉伸的焊接对接接头的疲劳许用力[σ_rt]是按式（6-26）确定的（摘自GB/T 3811—2008）。

当-1≤r≤0时，

式中 r——循环特征，（带正、负号）；

[σ_-1]——疲劳许用应力基本值。它是根据试验的疲劳强度，考虑了安全系数、结构的工作等

级、应力集中情况等级和材质（Q235或Q345）等因素综合确定的，见表6-20。

表6-20 拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值[σ_-1] （单位：MPa）

表6-20中构件工作级别是综合考虑了构件的使用级别（由使用期内总的应力循环次数决定）和应力状态级别（由应力谱系数决定）而确定的级别，分为E₁～E₈共8个级；构件的应力集中情况等级是考虑了各种焊接接头的应力集中情况对疲劳强度的影响程度而划分的，为K₀～K₄共5个等级。随着应力集中情况等级递增，构件疲劳强度递减。焊接接头的应力集中情况与接头的构造形式、焊缝的内外质量、焊缝受力特点等因素有关，因此GB/T 3811—2008把焊接分为对接焊和角接焊，把焊接质量分为普通质量（O.Q）和特殊质量（S.Q）两类，每类质量的焊缝都规定了焊缝内外质量要求和检验要求，见表6-21。然后把对疲劳强度具有相同影响程度的不同构造形式的焊接接头（含焊缝内外质量要求和受力特点）归为同一个应力集中情况等级，表6-22是从GB/T 3811—2008中选取的几种典型接头不同构造、不同制造质量和受力情况下的应力集中情况等级。

表6-21 焊接质量分类（摘自GB/T 3811—2008）

表6-22 几种典型接头不同构造、制造质量和受力情况下的应力集中情况等级（摘自GB/T 3811—2008）

（续）

焊接接头的合理选用详见第二章第二节。