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1、chapter 3 焊接接头的强度计算焊接接头的强度计算intensity calculation of welding joint本章重点：1.焊接接头的应力集中 2.焊接接头的应力分布 3.焊缝静载强度计算 本章难点：1.焊接接头的应力分布 2.焊缝静载强度计算1.1.焊接接头的应力集中焊接接头的应力集中 1 应力集中的概念1.1定义 由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大 应力 比平均应力值 高，这种情况称应力集中。1.2 表达式： 焊接接头中存在应力集中的影响因素焊接接头中存在应力集中的影响因素 焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起
2、应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。 不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。 接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。 制造过程中的缺陷。 焊接残余应力。2.2.电弧焊焊接接头的应力分布电弧焊焊接接头的应力分布1 1 对接接头的应力分布对接接头的应力分布对接接头的应力分布对接接头的应力分布 对接接头的焊缝形状对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，产生了结构不连续性，因而引起不同的应力因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集的过渡处引起应力集中，最大应力集中部中，最大应力集中部位在焊趾。位在焊趾。 应力集中系数：应力集中系数：对接接头的应力分布对
3、接接头的应力分布2 2 对接接头的焊缝形状对接接头的焊缝形状对接接头的焊缝形状对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，产生了结构不连续性，产生了结构不连续性，产生了结构不连续性，因而引起不同的应力因而引起不同的应力因而引起不同的应力因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材分布，在焊缝与母材分布，在焊缝与母材分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集的过渡处引起应力集的过渡处引起应力集的过渡处引起应力集中，最大应力集中部中，最大应力集中部中，最大应力集中部中，最大应力集中部位在焊趾。位在焊趾。位在焊趾。位在焊趾。 应力集中系数：应力集中系数：应力集中系数：应力集中系数：丁字接头（十字接头）的应力分布丁字接头
4、（十字接头）的应力分布 十字接头有熔透和未熔十字接头有熔透和未熔十字接头有熔透和未熔十字接头有熔透和未熔透两种透两种透两种透两种 未熔透的十字接头，未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，大的应力集中系数，其中以焊根处为最大。其中以焊根处为最大。 熔透的十字接头有较熔透的十字接头有较小的应力集中系数。小的应力集中系数。搭接接头的应力分布搭接接头的应力分布正面角焊缝正面角焊缝正面角焊缝正面角焊缝: :把与力作用把与力作用方向垂直的焊缝方向垂直的焊缝 焊缝根部焊缝根部a a点、焊趾点、焊趾b b点应力集中严重点应力集中严重 焊趾焊趾b b点的应力集中点的应力集中系数
5、随角焊缝的斜边系数随角焊缝的斜边的夹角的夹角 而变而变 减小减小 、增大熔深焊、增大熔深焊透根部和增大底边焊透根部和增大底边焊脚长度，可使脚长度，可使 减小减小侧面搭接角焊缝侧面搭接角焊缝斜向搭接角焊缝斜向搭接角焊缝 点焊接头的应力分布点焊接头的应力分布 单排点焊接头的单排点焊接头的应力分布（如图）应力分布（如图）多排点焊以两端多排点焊以两端焊点受力最大焊点受力最大（如图）（如图）3 3 焊缝的静载强度计算焊缝的静载强度计算 焊缝接头强度计算的假设焊缝接头强度计算的假设 残余应力对接头强度无影响 应力集中对接头强度无影响 接头的工作应力是均布的，以平均应力计 不计正面与侧面焊缝、焊缝的加强与减
6、弱和不同焊接规范引起的焊缝性能差异，而用统一的计算截面和许用应力焊缝接头强度计算的假设焊缝接头强度计算的假设 角角焊焊缝缝都都是是在在切切应应力力作作用用下下破破坏坏的的。角角焊焊缝缝的的计计算算断断面面在在角角焊焊缝缝截截面面的的最最小小高高度度上上，取取内内接接三三角角形形高高度度 为为计计算算高度，（如图）。高度，（如图）。 直角等要角焊缝的计算高度：直角等要角焊缝的计算高度： 尽尽管管加加强强和和小小量量的的熔熔深深对对于于接接头头强强度度没没有有影影响响，但但埋埋弧弧自自动动焊焊和和 保保护护焊焊的的熔熔深深较较大大应应予予以以考考虑虑，其其角角焊焊缝缝计计算断面厚度算断面厚度 （如
7、图）（如图） 电弧焊接接头的静载强度计算电弧焊接接头的静载强度计算1.1.对接焊缝强度对接焊缝强度对接焊缝强度对接焊缝强度计算公式如下：计算公式如下：受拉时：受拉时：受压时：受压时：受剪时：受剪时： 电弧焊接接头的静载强度计算电弧焊接接头的静载强度计算而内弯：而内弯：垂直弯：垂直弯： 综合作用：综合作用： 注注注注 ：对于未焊透的对接接头，上述各式中应将对于未焊透的对接接头，上述各式中应将 中中减去未焊透深度，减去未焊透深度，l l取实际焊缝长度，取实际焊缝长度， 、 、 分别分别是焊缝许用拉、压、切应力。是焊缝许用拉、压、切应力。搭接接头的静载强度计算搭接接头的静载强度计算 1.1.受拉、压
8、的塔接接头受拉、压的塔接接头受拉、压的塔接接头受拉、压的塔接接头 单面焊、正面或侧面塔接单面焊、正面或侧面塔接焊缝的强度公式：焊缝的强度公式： 单面焊的正面、侧面联合单面焊的正面、侧面联合塔接焊缝的强度公式：塔接焊缝的强度公式： 受弯矩的搭接接头计算受弯矩的搭接接头计算 2.2.受弯矩的搭接接头计算受弯矩的搭接接头计算受弯矩的搭接接头计算受弯矩的搭接接头计算方法有三种：方法有三种： 分段计算法：分段计算法：分段计算法：分段计算法： 轴惯性矩计算法轴惯性矩计算法轴惯性矩计算法轴惯性矩计算法最大切应力：最大切应力： 受弯矩的搭接接头计算受弯矩的搭接接头计算 极惯性计算法极惯性计算法极惯性计算法极惯
9、性计算法 最大切应力：最大切应力： - -极惯性矩，极惯性矩， （又等于相互垂直的两个轴的计算惯性矩之和）（又等于相互垂直的两个轴的计算惯性矩之和） 受偏心载荷的搭接接头计算受偏心载荷的搭接接头计算 采用分段法或轴惯性矩法计算采用分段法或轴惯性矩法计算采用分段法或轴惯性矩法计算采用分段法或轴惯性矩法计算 ，则按下式求合成应力：，则按下式求合成应力： 若采用极惯性矩法计算若采用极惯性矩法计算若采用极惯性矩法计算若采用极惯性矩法计算 ，将将 分解成水平的（分解成水平的（ ， ）和垂直的（和垂直的（ ， ）两个力，）两个力，再合成：再合成： 注注 ： 的计算是按全部焊缝计算，还是只考虑水平焊缝或只考
10、的计算是按全部焊缝计算，还是只考虑水平焊缝或只考虑垂直焊缝，要按具体情况而定。（如图）可按全部焊缝承虑垂直焊缝，要按具体情况而定。（如图）可按全部焊缝承受的剪力受的剪力 ， 均匀分布于全部焊缝中，其方向同均匀分布于全部焊缝中，其方向同p p一致一致 载荷平行于焊缝丁字接头强度计算载荷平行于焊缝丁字接头强度计算 由于产生最大应力的危险点在由于产生最大应力的危险点在焊缝的最上端，同时受有两个切焊缝的最上端，同时受有两个切应力的作用，一个是由应力的作用，一个是由 引起的引起的 ，另一个由，另一个由q=pq=p引起的，引起的， 和和 相互垂直相互垂直，所以该点的合成应力为：，所以该点的合成应力为： 若
11、开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝若开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属截面等于母材截面（金属截面等于母材截面（f= hf= h）, ,若不开坡口若不开坡口时，按下式计算：时，按下式计算：弯矩垂直于板面的丁字头计算弯矩垂直于板面的丁字头计算 如开坡口并焊接，其强度如开坡口并焊接，其强度按对接接头计算，强度计算按对接接头计算，强度计算公式为：公式为： 当接头不开坡口，用角焊当接头不开坡口，用角焊缝连接，强度计算公式为：缝连接，强度计算公式为： （其中（其中w= w= ）复杂截面构件接头的计算复杂截面构件接头的计算 计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题计算复杂截面构件接头还要考虑
12、以下几个问题计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题： 计算时要先分析受载情况：计算时要先分析受载情况： 各载荷引起的应力，确定各应力的方向、性质和位置。各载荷引起的应力，确定各应力的方向、性质和位置。 确定危险点，最高合成应力，（若危险点难以确定时，确定危险点，最高合成应力，（若危险点难以确定时，应选几个高应力点计算合成应力，其中合成应力最高处应选几个高应力点计算合成应力，其中合成应力最高处为危险点）为危险点） 计算合成应力时，最大正应力和最大切应力虽不在同计算合成应力时，最大正应力和最大切应力虽不在同一点上，但常以最大正应力和平均切应力计算其合成应一
13、点上，但常以最大正应力和平均切应力计算其合成应力，偏于安全。力，偏于安全。 粗略计算时，有时把正应力作为切应力考虑，也是偏粗略计算时，有时把正应力作为切应力考虑，也是偏于安全的简化计算方法。于安全的简化计算方法。受弯矩联接接头的强度计算受弯矩联接接头的强度计算 若构件同时承受弯矩若构件同时承受弯矩mm和轴向力和轴向力n n时，焊缝中应时，焊缝中应力分别求出和，由于两者方向相同，所以合成应力分别求出和，由于两者方向相同，所以合成应力：力： 若构件同时承受横向力若构件同时承受横向力p p和轴力和轴力n n时，则要同时时，则要同时考虑弯矩考虑弯矩m=plm=pl和轴向力和轴向力n n及剪切力及剪切力
14、q=pq=p的作用。的作用。由于构件承受切力由于构件承受切力qq时，只是腹板承受的，故切时，只是腹板承受的，故切力只由联接腹板的焊缝承受，并设切应力沿焊缝力只由联接腹板的焊缝承受，并设切应力沿焊缝均匀分布。计算联接的焊缝强度时，应验算两个均匀分布。计算联接的焊缝强度时，应验算两个位置的合应力：位置的合应力：一个是盖板外侧受拉一个是盖板外侧受拉的焊缝的合成应力：的焊缝的合成应力：另一个是腹板立焊缝另一个是腹板立焊缝端点的合成应力：端点的合成应力：受扭矩的接头强度计算受扭矩的接头强度计算 矩形截面构件的接头矩形截面构件的接头矩形截面构件的接头矩形截面构件的接头若开坡口四周全焊，接头的若开坡口四周全
15、焊，接头的最大切应力按下式计算：最大切应力按下式计算：若不开坡口四周全部角焊，若不开坡口四周全部角焊，接头的最大切应力为：接头的最大切应力为：受扭矩的接头强度计算受扭矩的接头强度计算 圆形截面构件接头圆形截面构件接头圆形截面构件接头圆形截面构件接头 若不开坡口沿圆周全若不开坡口沿圆周全部角焊接，接头中的部角焊接，接头中的最大切应力按下式计最大切应力按下式计算：算： 4.4.母材及焊缝的许用应力母材及焊缝的许用应力 1. 设计应力小于许用应力。设计应力小于许用应力。2. 母材和焊缝的许用应力分别用母材和焊缝的许用应力分别用 和和 表示。表示。3. 焊缝的许用应力焊缝的许用应力 大小与许多因素有大小与许多因素有关，不但与焊缝工艺、材料有关，而且也关，不但与焊缝工艺、材料有关，而且也与焊接检验方法的精确程度有关。与焊接检验方法的精确程度有关。4. 焊缝的许用应力焊缝的许用应力 也可以由母材的许也可以由母材的许用应力用应力 乘以焊缝的强度减弱系数乘以焊缝的强度减弱系数f来估来估算，即：算，即： = （取值）（取值）