T型接头焊缝的优化设计

达运社 达卿文

（1.青岛汇金通电力设备股份有限公司，青岛 266327；2.中国石油天然气第七建设有限公司设计研究院，青岛 266100）

引言

长期以来，角焊缝的坡口形式、焊脚尺寸问题一直困扰着钢结构设计、制造企业，焊脚尺寸的选择不尽合理。有些人员错误地认为焊脚尺寸越大越安全，甚至要求全焊透焊缝的焊脚尺寸为板厚的1.2倍。这不仅造成了人力物力的极大浪费，而且造成了焊缝刚度过大，阻碍了工作状态下焊缝与母材的变形协调，从而产生了过大的边缘应力，不利于焊缝冲击韧性及抗疲劳性。正确理解等强设计概念，合理选用焊缝坡口形式和焊脚尺寸，是钢结构设计重要的一环，是保障其安全、可靠与经济运行的前提。

1 焊缝与母材等强度设计

等强度设计主要指焊缝的力学性能（特别是抗拉强度）与母材相当、两者韧性指标基本相同。文献[1]“7.1焊缝连接”中的强度计算，均采用了等强度设计方法。无论焊缝有无坡口、是否能够熔透，只要性能满足构件强度、韧性要求的焊缝，就是等强度焊缝。

2 焊缝坡口形式的选取

在满足强度要求的前提下，焊缝坡口形式是由结构的整体稳定性、荷载性质（动载、静载、交变载荷）、工作环境条件（高温、低温）以及焊接装配工艺性的要求确定的。文献[1]规定：需进行疲劳计算的构件、低温构件、起重量Q≥50t的重级工作制中吊车梁腹板与上翼板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T型接头焊缝要求全熔透的坡口，其余焊缝则宜：

（1）不需要疲劳验算的构件，凡要求与母材等强的对接焊缝，宜予以焊透；

（2）厚度大于16mm的构件，应采用部分焊透的坡口形式，以防层状撕裂；

（3）厚度小于16mm的构件，宜选用角焊缝。

3 焊脚尺寸的确定

焊脚尺寸的大小直接影响构件的安全性、可靠性和经济性。焊脚尺寸太小，不仅不能满足强度要求，而且因焊接时热量输入较少、冷却快，焊缝处有可能出现裂纹现象。焊缝太高，焊缝热输入量大，焊缝组织晶粒粗大，韧性下降，还破坏了母材于焊缝的变形协调。合理设计焊脚尺寸，是结构设计者的重要工作之一。

3.1 T型接头焊缝的强度条件

3.1.1 焊缝正常工况下的应力

如图1所示，在外力N的作用下，焊缝分别产生两个应力，垂直于焊缝的拉应力σf及和平行于焊缝的剪力τf，其强度条件可按照GB50017—2003《钢结构设计规范》的公式计算：

图1 构件受力简图

①垂直于焊缝长度方向的应力：

式中，N为与焊缝成任意角度的力；α为力与焊缝的夹角；hf为焊脚尺寸；Lw为单模焊缝长度。

②沿焊缝长度方向的剪应力：

式中，β为正面角焊缝的强度设计增大系数。对于承受静荷载和间接承受动力荷载的结构，β=1.22；动荷载的结构，β=1.0。

fwt为角焊缝的强度设计值，可由GB50017-2003表3.4.1-3“焊缝的强度设计值”查得。

③将式（2）、式（3）代入式（1），可得角焊缝所承受的应力：

式中，为对接焊缝强度设计值；为强度设计值（可由GB50017—2003表3.4.1-3查得）；为焊缝应力。

3.1.2 与焊缝连接的连接板正常工况下的应力

连接板的强度条件：

式中，f为母材强度设计值，可由GB50017-2003 表3.4.1-1查得。

3.2 T型接头角焊缝焊脚尺寸计算

图2为T型接头角焊缝。

图2 T型接头角焊缝

（1）假设在正常工况下，焊缝的强度与筋板强度完全相等，即焊缝所承受的应力与连接板承受的应力相等σj=σb即：

解之，，式中t为较薄构件的厚度。

事实上，由于焊接缺陷的存在以及无损检测的困难，焊缝与连接板的强度值是不可能相等的，但二者承受的荷载是相等的。

由式（6）可知，焊缝荷载为：

由式（8）可知，母材荷载为N≤tLwf，即：

可得到T型接头角焊缝焊脚尺寸计算公式为：

（2）确定焊脚尺寸时，还应满足GB50017-2003《钢结构设计规范》对角焊缝尺寸的要求：“8.2.7.1角焊缝的焊脚尺寸不得小于1.5，t为较厚焊件厚度。但是，对于埋弧焊最小焊脚尺寸可减小1mm；对于T接的单面角焊缝应增加1mm。当焊件小于等于4mm时，最小焊脚尺寸与焊件厚度相同”；“8.2.7.2角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍（钢管结构除外），但板件（厚度为t）边缘的角焊缝最大焊脚尺寸，还应符合下列要求：

①当t≤6mm时，hf≤t；

②当t＞6mm时，hf≤t-（1～2）mm”。

3.3 T型接头全熔透对接焊缝（图3）焊缝尺寸

图3为T型接头全熔透对接焊缝模型。

图3 T型接头全熔透对接焊缝模型

（1）焊缝强度条件为：

（2）连接板强度条件为：

按照等强度设计，有σj=σb。式中，f为母材强度设计值，可由GB50017-2003 表3.4.1-3查得；T为母材较薄件的厚度；

假若按保守算法，取βf=1，焊缝按照一级或二级无损检测，则fwt=f，t=hf。假若焊缝为三级焊缝（不进行无损检测），则＜f。

由此可见，对于坡口全焊透的T型焊缝的对接焊缝，只有采取全部或局部无损检测，焊缝、母材强度才是等强的。为了减小焊缝结构不连续引起的应力集中现象，通常还要增加一部分角焊缝，形成实际上的组组合焊缝（由对接焊缝和角焊缝组成）。

3.4 T型接头对称全熔透组合焊缝焊脚尺寸计算

图4为T型接头对称全熔透组合焊缝模型。

图4 T型接头对称全熔透组合焊缝模型

此类形式荷载由两部分焊缝承担——对接焊缝和角焊缝。

（1）对接焊缝所承受荷载tLw，母材所承受的荷载N=tLwf；

（2）焊缝所承受的荷载：

式（16）与式（17）联立求解，可得出T型接头焊组合焊缝的焊脚尺寸计算公式为：

式中，f为母材强度设计值；为对接焊缝强度设计值；为角焊缝焊缝强度设计值。

（3）还应满足GB50017-2003《钢结构设计规范》中规定角焊缝的尺寸对角焊缝尺寸的要求：“8.2.2.1对接与角接组合焊缝，加强角焊缝hf不应小于t/4且不大于10mm，其允许偏差为hf+0.40。对于焊脚尺寸hf大于8.0mm的角焊缝，其局部焊脚尺寸允许低于设计值1.0mm，但总长度不得超过焊缝长的10%。”

3.5 T型接头全熔透非对称组合焊缝的焊脚尺寸计算

图5为T型接头全熔透非对称组合焊缝模型。

图5 T型接头全熔透非对称组合焊缝模型

可得T型接头非对称组合焊缝焊脚尺寸计算公式为：

3.6 T型接头对称非熔透焊缝焊脚尺寸计算

图6为T型接头对称非熔透焊缝模型。

图6 T型接头对称非熔透焊缝模型

角焊缝所承受的荷载：

于是，可得：

即：

联立求解，可得：

即对称焊部分焊透组合焊脚尺寸计算公式为：

4 结 语

结构设计中，应十分注意合理地设计焊缝结构，最大限度地降低焊接残余应力，认真进行焊缝强度设计，合理确定焊脚尺寸，既要保障强度要求，又要兼顾焊缝对冲击韧性的要求。对于文献[1]“5.1.5”条款中规定的一级、二级焊缝以及用户有特殊要求的焊缝，应选等强全熔透焊缝；对于一般的焊缝，宜首选等强角焊缝，其次选用等强的部分熔透焊缝。此外，在焊缝与构件等强的前提下，焊缝的坡口形式不同，无损检测比例和焊脚尺寸就不同。

[1]中冶建筑研究总院有限公司.GB50661-2011 钢结构焊接规范[S].2011.