T型接頭焊縫的優化設計

達運社 達卿文

（1.青島匯金通電力設備股份有限公司，青島 266327；2.中國石油天然氣第七建設有限公司設計研究院，青島 266100）

引言

長期以來，角焊縫的坡口形式、焊腳尺寸問題一直困擾著鋼結構設計、制造企業，焊腳尺寸的選擇不盡合理。有些人員錯誤地認為焊腳尺寸越大越安全，甚至要求全焊透焊縫的焊腳尺寸為板厚的1.2倍。這不僅造成了人力物力的極大浪費，而且造成了焊縫剛度過大，阻礙了工作狀態下焊縫與母材的變形協調，從而產生了過大的邊緣應力，不利于焊縫沖擊韌性及抗疲勞性。正確理解等強設計概念，合理選用焊縫坡口形式和焊腳尺寸，是鋼結構設計重要的一環，是保障其安全、可靠與經濟運行的前提。

1 焊縫與母材等強度設計

等強度設計主要指焊縫的力學性能（特別是抗拉強度）與母材相當、兩者韌性指標基本相同。文獻[1]“7.1焊縫連接”中的強度計算，均采用了等強度設計方法。無論焊縫有無坡口、是否能夠熔透，只要性能滿足構件強度、韌性要求的焊縫，就是等強度焊縫。

2 焊縫坡口形式的選取

在滿足強度要求的前提下，焊縫坡口形式是由結構的整體穩定性、荷載性質（動載、靜載、交變載荷）、工作環境條件（高溫、低溫）以及焊接裝配工藝性的要求確定的。文獻[1]規定：需進行疲勞計算的構件、低溫構件、起重量Q≥50t的重級工作制中吊車梁腹板與上翼板之間以及吊車桁架上弦桿與節點板之間的T型接頭焊縫要求全熔透的坡口，其余焊縫則宜：

（1）不需要疲勞驗算的構件，凡要求與母材等強的對接焊縫，宜予以焊透；

（2）厚度大于16mm的構件，應采用部分焊透的坡口形式，以防層狀撕裂；

（3）厚度小于16mm的構件，宜選用角焊縫。

3 焊腳尺寸的確定

焊腳尺寸的大小直接影響構件的安全性、可靠性和經濟性。焊腳尺寸太小，不僅不能滿足強度要求，而且因焊接時熱量輸入較少、冷卻快，焊縫處有可能出現裂紋現象。焊縫太高，焊縫熱輸入量大，焊縫組織晶粒粗大，韌性下降，還破壞了母材于焊縫的變形協調。合理設計焊腳尺寸，是結構設計者的重要工作之一。

3.1 T型接頭焊縫的強度條件

3.1.1 焊縫正常工況下的應力

如圖1所示，在外力N的作用下，焊縫分別產生兩個應力，垂直于焊縫的拉應力σf及和平行于焊縫的剪力τf，其強度條件可按照GB50017—2003《鋼結構設計規范》的公式計算：

圖1 構件受力簡圖

①垂直于焊縫長度方向的應力：

式中，N為與焊縫成任意角度的力；α為力與焊縫的夾角；hf為焊腳尺寸；Lw為單模焊縫長度。

②沿焊縫長度方向的剪應力：

式中，β為正面角焊縫的強度設計增大系數。對于承受靜荷載和間接承受動力荷載的結構，β=1.22；動荷載的結構，β=1.0。

fwt為角焊縫的強度設計值，可由GB50017-2003表3.4.1-3“焊縫的強度設計值”查得。

③將式（2）、式（3）代入式（1），可得角焊縫所承受的應力：

式中，為對接焊縫強度設計值；為強度設計值（可由GB50017—2003表3.4.1-3查得）；為焊縫應力。

3.1.2 與焊縫連接的連接板正常工況下的應力

連接板的強度條件：

式中，f為母材強度設計值，可由GB50017-2003 表3.4.1-1查得。

3.2 T型接頭角焊縫焊腳尺寸計算

圖2為T型接頭角焊縫。

圖2 T型接頭角焊縫

（1）假設在正常工況下，焊縫的強度與筋板強度完全相等，即焊縫所承受的應力與連接板承受的應力相等σj=σb即：

解之，，式中t為較薄構件的厚度。

事實上，由于焊接缺陷的存在以及無損檢測的困難，焊縫與連接板的強度值是不可能相等的，但二者承受的荷載是相等的。

由式（6）可知，焊縫荷載為：

由式（8）可知，母材荷載為N≤tLwf，即：

可得到T型接頭角焊縫焊腳尺寸計算公式為：

（2）確定焊腳尺寸時，還應滿足GB50017-2003《鋼結構設計規范》對角焊縫尺寸的要求：“8.2.7.1角焊縫的焊腳尺寸不得小于1.5，t為較厚焊件厚度。但是，對于埋弧焊最小焊腳尺寸可減小1mm；對于T接的單面角焊縫應增加1mm。當焊件小于等于4mm時，最小焊腳尺寸與焊件厚度相同”；“8.2.7.2角焊縫的焊腳尺寸不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍（鋼管結構除外），但板件（厚度為t）邊緣的角焊縫最大焊腳尺寸，還應符合下列要求：

①當t≤6mm時，hf≤t；

②當t＞6mm時，hf≤t-（1～2）mm”。

3.3 T型接頭全熔透對接焊縫（圖3）焊縫尺寸

圖3為T型接頭全熔透對接焊縫模型。

圖3 T型接頭全熔透對接焊縫模型

（1）焊縫強度條件為：

（2）連接板強度條件為：

按照等強度設計，有σj=σb。式中，f為母材強度設計值，可由GB50017-2003 表3.4.1-3查得；T為母材較薄件的厚度；

假若按保守算法，取βf=1，焊縫按照一級或二級無損檢測，則fwt=f，t=hf。假若焊縫為三級焊縫（不進行無損檢測），則＜f。

由此可見，對于坡口全焊透的T型焊縫的對接焊縫，只有采取全部或局部無損檢測，焊縫、母材強度才是等強的。為了減小焊縫結構不連續引起的應力集中現象，通常還要增加一部分角焊縫，形成實際上的組組合焊縫（由對接焊縫和角焊縫組成）。

3.4 T型接頭對稱全熔透組合焊縫焊腳尺寸計算

圖4為T型接頭對稱全熔透組合焊縫模型。

圖4 T型接頭對稱全熔透組合焊縫模型

此類形式荷載由兩部分焊縫承擔——對接焊縫和角焊縫。

（1）對接焊縫所承受荷載tLw，母材所承受的荷載N=tLwf；

（2）焊縫所承受的荷載：

式（16）與式（17）聯立求解，可得出T型接頭焊組合焊縫的焊腳尺寸計算公式為：

式中，f為母材強度設計值；為對接焊縫強度設計值；為角焊縫焊縫強度設計值。

（3）還應滿足GB50017-2003《鋼結構設計規范》中規定角焊縫的尺寸對角焊縫尺寸的要求：“8.2.2.1對接與角接組合焊縫，加強角焊縫hf不應小于t/4且不大于10mm，其允許偏差為hf+0.40。對于焊腳尺寸hf大于8.0mm的角焊縫，其局部焊腳尺寸允許低于設計值1.0mm，但總長度不得超過焊縫長的10%。”

3.5 T型接頭全熔透非對稱組合焊縫的焊腳尺寸計算

圖5為T型接頭全熔透非對稱組合焊縫模型。

圖5 T型接頭全熔透非對稱組合焊縫模型

可得T型接頭非對稱組合焊縫焊腳尺寸計算公式為：

3.6 T型接頭對稱非熔透焊縫焊腳尺寸計算

圖6為T型接頭對稱非熔透焊縫模型。

圖6 T型接頭對稱非熔透焊縫模型

角焊縫所承受的荷載：

于是，可得：

即：

聯立求解，可得：

即對稱焊部分焊透組合焊腳尺寸計算公式為：

4 結 語

結構設計中，應十分注意合理地設計焊縫結構，最大限度地降低焊接殘余應力，認真進行焊縫強度設計，合理確定焊腳尺寸，既要保障強度要求，又要兼顧焊縫對沖擊韌性的要求。對于文獻[1]“5.1.5”條款中規定的一級、二級焊縫以及用戶有特殊要求的焊縫，應選等強全熔透焊縫；對于一般的焊縫，宜首選等強角焊縫，其次選用等強的部分熔透焊縫。此外，在焊縫與構件等強的前提下，焊縫的坡口形式不同，無損檢測比例和焊腳尺寸就不同。

[1]中冶建筑研究總院有限公司.GB50661-2011 鋼結構焊接規范[S].2011.