受拉角焊缝的弹性应力分析

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1、文章编号：1009—9441(2011)12—0007—02受拉角焊缝的弹性应力分析口口顾军1，王军芳2(1．阳泉职业技术学院建工系，山西阳泉045000；2．清华规划设计研究院建筑分院结构室，北京100048)摘要：引用钢结构角焊缝的设计实例，对轴心受拉角焊缝连接设计计算中存在的问题进行了分析。根据理论计算与实际状况出现的偏差，提出了建议计算公式。关键词：钢结构；角焊缝；弹性应力；轴心受拉中图分类号：TG407文献标识码：A引言过去，由于技术手段的限制，角焊缝的连接计算并不像钢构件那样具有全面和深入的分析

2、研究。角焊缝设计计算大多是在假设的基础上进行的，这样的设计计算与实际状况往往存在偏差。目前，随着有限元数值方法的日益成熟，使得许多采用传统方法所不能解决的问题得以解决。本文通过有限元软件ANSYS，对角焊缝在轴心拉力作用下的情况进行了应力方面的分析。1受拉角焊缝连接设计中存在的问题角焊缝根据其受力方向的不同，分为正面角焊缝(端缝)、侧面角焊缝(侧缝)、斜焊缝以及由它们组成的围焊缝。侧面角焊缝的强度最低，正面角焊缝强度最高，斜焊缝的强度介于两者之间，在计算中采用强度增大系数屏来表示端缝的强度增大效应。根据GB

3、50017--2003(钢结构设计规范》的规定，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，正面角焊缝的强度设计值增大系数p，=1．22；对直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝的强度设计值增大系数屏=1．0。怎样考虑端缝的强度增大效应，应根据焊缝的受力情况和焊缝的组合情况具体分析，否则在设计中可能出现承载能力不足的问题。以下通过一个角焊缝设计实例来进行说明。如图1所示，拟采用三面围焊设计角焊缝连接。已知钢板截面为400mmx14mm，承受轴力设计值N=920kN，钢材为Q235，焊条为E43系列，采用手工焊。NN

4、狐N_仁=====I==拳霉。静o．一NI!三QjQ!曼Q+J22Qi图1双盖板角焊缝连接示意图根据与母材等强度原则，取2—360mmx8mm盖板，钢材Q235，根据构造要求，取焊脚尺寸k=6mmo正面角焊缝承受的轴心力为：N3=Q．7hsEt。p毒?=0．7X6×2×1．22X360X160×10—3=590(kN)侧面角焊缝承受余下轴心力所需的实际长度为：^，一^，2”，=。”z2而．ivzv3+6(920—590)X10一，2i可—兀言丽+6=129(mm)取130mm。以下采用本例中所设计的角焊缝连

5、接，反过来验算角焊缝的强度是否满足要求。在轴心力作用下，无论是正面角焊缝还是侧面角焊缝，其有效截面上的应力分布是均匀的，则正面角焊缝和侧面角焊缝的应力为：N町2吁2丽面：920X10—3—0．7X6×2×(360+2×130)：176．7(N／mm2)建材技术与应用12／2011·一7·将上式带人规范中的正面角焊缝和侧面角焊缝的强度计算公式，分别有：盯r力”，不满足要求。式中：rr=176．7N／m

6、m2，力”=160N／mm2。按设计考虑，正面角焊缝的焊缝长度是确定的，先按其极限强度承受荷载，余下荷载再由两条侧面角焊缝承受，进而计算出侧面角焊缝所需的长度，3条角焊缝显然满足承载能力的要求。在验算分析中，轴力作用下，3条角焊缝在有效截面上的应力应该平均分布，将正面角焊缝强度增大部分承受的荷载按3条角焊缝的有效截面来平均承受，使得两条侧面角焊缝不满足承载能力的要求。问题出在了哪里?哪一种分析是正确的呢?要解决这个问题，关键要分析在轴力作用下，3条焊缝组成的焊缝群在有效截面上的应力是如何分布的。2三面围焊焊

7、缝的弹性应力分析角焊缝的应力分布非常复杂，很难有解析解，采用有限元方法进行数值计算较为理想。本文采用ANSYS程序，对图1所示的三面围焊进行了角焊缝的弹性应力分析。选择焊缝有效截面的形心连线作为代表路径，图2给出了该路径上平均应力的变化曲线。童淼暮500皂400。300；罂ABCD路径图2有效截面上的应力沿焊缝形心路径的变化曲线由图2可知，焊缝应力分布是极不均匀的，正面角焊缝呈中间大，两端小；侧面角焊缝在远离正面角焊缝处应力大，而靠近处应力小，侧面角焊缝的应力也不均匀。规范规定，有效焊缝长度为实际焊缝长度减

8、去起落弧的影响长度，这种处理方法很合理。缝长平均应力应为：or。端=174．43N／mm2，丁。端=176．89N／mm2。即侧面角焊缝的平均应力是端面角焊缝的1．014倍，说明在弹性阶段，角焊缝有效截面上的应力分布应是平均的。3结语经ANSYS程序分析，可以认为，图1中的三面围焊角焊缝设计与焊缝受力的实际情况是不相符的，在轴力作用下，无论是正面角焊缝或侧面角焊缝，其有效截面上的应力呈均匀分布。综上所述，不只是三