船底结构的焊接系数研究

吴华峰 吴剑国 朱荣成

（1.浙江工业大学 建筑工程学院 杭州310032；

2.中国船级社 上海规范研究所 上海 200135）

0 引 言

船舶结构中大量采用了焊缝作为承载部位的连接形式。赋予角焊缝以合理的型式与尺寸，对保证构件间角承载能力、减小结构的焊接变形、简化船体的装配工艺、缩短制造周期及降低生产消耗，具有极为重要的意义［1］。船体结构的复杂与承受荷载的多样性，使得船体结构角焊缝的精确计算极其复杂。焊接系数是为方便设计者进行焊缝设计而提出的，其中不仅融合了大量的结构受力分析，而且包含着试验以及数据统计的经验，经过多年的演变至今，成为了如今的焊接系数规格表。如何验证现行规范中有关焊接系数的规定对于船体结构是安全的，成为了一个亟待解决的问题，也是本文研究的目的。

静载荷条件下，角焊缝一般是在切应力作用下破坏的［2］。 王承权等在文献［1，3］中分析船体角焊缝受力情况的基础上，依据角焊缝的分类，指明每类角焊缝应达到的强度条件，从而说明船体结构角焊缝的受力分析及强度条件，阐述角焊缝剪切强度系数的涵义及其在填角焊缝设计中的应用。陈瑞良在文献［4］中从对钢质海船船体角焊缝的设计以及对角焊缝的优化设计进行了一些探讨，指出了海船角焊缝的设计若逐条计算是相当繁琐的，易出差错；按焊接系数表设计有盲目性，且有些是不妥当的，故其提供了一种使用方便、简捷，设计准确、合理、经济的设计表格。

1 角焊缝强度公式

1.1 焊缝基本公式［5-6］

角焊缝应力分析图如图1所示。

图1 角焊缝应力分析图

式中：ffw焊缝强度设计值，对CCSA，ffw=160 N/mm2；对 AH36， ffw=200 N/mm2。

1.2 焊接梁翼缘焊缝计算［7］

图2所示为一焊接工字型截面翼缘板与腹板的角焊缝连接，取长度为dz的梁段作为隔离体。

在弯矩作用下，微段dz的翼缘板受力情况如图（b），此力必须与翼缘板和腹板间角焊缝有效截面上的纵向水平剪力V相平衡，即：

双面角焊缝受互相垂直的力Nx和Ny的作用，焊脚高度为hf。现作如下假设：

（1）直角角焊缝的破坏常发生在喉部，通常认为直角角焊缝是以45°方向的最小截面作为有效计算截面，故有效焊脚高度为he=0.7 hf。

（2）在通过焊缝形心的拉力、压力和剪力作用下，假定沿焊缝长度lw方向的应力都是均匀分布的。

只要将焊缝应力分解为垂直焊缝长度方向的应力σf和平行于焊缝长度方向的应力τf，故：

焊接强度公式如下：

图2 翼缘焊缝受力图

由于 dM/dZ=V，代入（2）式得：

式中：dM为微段弯矩增量，S1=Ay1为翼缘板对截面中和轴X-X的面积矩。

1.3 角焊缝剪切强度系数

角焊缝剪切强度计算断面是喉部厚度所在的断面。在等强度条件下并且采用等强匹配接头时，双面连续填角焊缝的喉部断面面积应当等于腹板断面面积。对于强度足够条件，喉部断面面积可小于腹板断面面积，减小的程度取决于结构所在部位等诸多因素［6］。

在焊接T型和I字型材中，腹板焊缝主要承受剪切应力。观察喉部厚度与腹板厚度的比值，可知它表示角焊缝承担剪切应力占腹板在该处剪切应力值的份额。LR规范中把一个角焊缝喉部厚度与腹板厚度之比，称为填角焊缝剪切强度系数，简称焊缝系数ωτ。由文献［1］可知ωτ亦可由焊缝剪应力σb与构件剪应力τ的比较得到，ωτ=σb/τ也可以表示为：

2 船底板架角焊缝的焊接系数

船底板架主要由纵骨、肋板、纵桁等相互联系构件组成。船底板上的荷载按照单向板的荷载传递路线，从板上传递到纵骨上，再由纵骨传递到其他大的构件之上。由于篇幅有限，船底结构纵骨焊接系数的研究此处暂未列入。

2.1 船底各个构件支座剪力计算

2.1.1 船底肋板与纵骨支座剪力计算

对于主肋板与纵骨，从板架中不同方向、相邻的两梁之间取出一个长方格klmn（见图3），在长方格上的均布荷载q0由横向构件承担，不考虑纵向构件，令：

图3 肋板受荷图

对于肋板，就取两肋板之间的荷载；对于纵骨，则取两肋板之间的跨度作为纵骨计算跨度。

2.1.2 船底纵桁支座剪力计算［8］

船底板架中，纵桁与肋板沿着船长和船宽方向布置，形成纵横交错的方格。在计算第j根交叉构件（纵桁）时，可把板架当作是“一根交叉构件”的板架来处理。具体地说，第j根交叉构件可转化为弹性基础梁（见图 4）。

图4 弹性基础梁受荷图

此弹性基础梁上的荷重与弹性基础梁的支座剪力分别为：

2.2 剪应力计算与焊接系数对应许用应力比较

本文对一艘31 000 dwt单壳散货船的船底结构角焊缝的焊缝应力进行了计算。该船内外底板、纵桁和肋板采用AH36，纵骨采用CCSA。双层底高1 680 mm，实肋板间距2 400 mm；肋板计算跨度为20 380 mm，中间舱段计算跨度为35 200 mm；并中纵桁为箱形中纵桁，另设有6根双层旁底纵桁，其中2根3 800 mm off CL旁纵桁、2根6 640 mm off CL旁纵桁、2根10 190 mm off CL旁纵桁；纵骨间距710 mm。

在工况LC1～LC9和LCAH（各工况分别对应CCS《双舷侧散货船直接计算指南》）下进行有限元计算，取出腹板与翼缘相连接处的剪应力τ1；再利用各个工况下的局部荷载条件，由式（5）和式（7）求出支座剪力，并代入式（3）。 式中：令 1.4hf=t（t为腹板厚），求出τ2。其中在LC4工况，σf为密性条件下，由于液体压力而产生的应力，此应力由密性构件的焊缝尺寸增加那部分焊缝承担。

查相应焊接系数表 2（4）、2（1）、2（3）项，得旁纵桁、非密性肋板、密性纵桁、密性肋板的焊接系数分别为 0.16、0.16、0.44、0.39；由式（4）得相应构件的许用应力。各项计算结果比较见表1～8，表格中的应力单位均为N/mm2。

从表1～4可以看出，对于非密性的肋板和纵桁，采用高强度钢时，焊接系数满足要求；从表5到表8可以看出，对于密性的肋板和纵桁，采用高强度钢时，焊接系数满足要求，并且还有一定的余量。

表1 旁纵桁对内底板焊缝应力

表2 旁纵桁对外底板焊缝应力

表3 非密性肋板对内底板焊缝应力

表4 非密性肋板对外底板焊缝应力

表5 密性纵桁对内底板焊缝应力

表6 密性纵桁对外底板焊缝应力

表7 密性肋板对内底板焊缝应力

表8 密性肋板对外底板焊缝应力

3 结 论

对31 000 dwt散货船进行有限元不同工况下计算得到的剪应力和在相应工况下取出局部荷载下的剪应力与相应焊接系数下的许用应力比较可知，船底焊接系数总体上是安全的。

［1］王承权.船体结构角焊缝的受力分析与剪切强度系数［J］.武汉理工大学学报，1983,（2）：35-42.

［2］王庆，张彦华.钢结构角焊缝强度计算与匹配分析［J］.工业建筑，2005,（35）：732-734.

［3］王承权，夏炳仁.船体结构填角焊缝的设计规范分析［J］.船舶工程，2002，（2）：49-53.

［4］陈瑞良.钢质海船角焊缝设计探讨［J］.江苏船舶，2001（5）：8-13.

［5］周浩森，石忠贤，王敏.正面角焊缝的静载强度及其计算公式的探讨［J］.焊接学报，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.

［7］夏志斌，姚谏.钢结构原理与设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004：285-286.

［8］陈铁云，陈伯真.船舶结构力学［M］.上海：上海交通大学出版社，1991：72-82.