中印規范的鋼結構角焊縫設計對比

李尊鵬

（青島交通發展集團有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

響應國家一帶一路號召，越來越多的中國建筑企業走出國門。印度作為一帶一路輻射的國家之一，基礎建設正處于高速增長時期，工程技術人員了解印度規范，對進入印度市場，占據發展主導地位起到關鍵作用。現階段，國內對于中美、中歐鋼結構規范對比研究較多。胡鳳琴等［1］基于中美歐鋼結構常用鋼材性能對比，提出了鋼材的等效替換原則。黃聰［2］通過分析中美鋼結構焊縫要求，指出了中國規范的焊縫構造要求偏于保守。王敬燁等［3］對中歐規范的螺栓連接承載力進行了比較，確定了二者在承載力設計理論的一致性。

基于上述研究，本文針對中印鋼結構規范中的角焊縫設計要求，根據印度鋼 IS 800∶2007《結構設計規范》（以下簡稱“IS∶800”）［4］和中國的 GB 50017－2017《鋼結構設計標準》（以下簡稱“GB 50017”）［5］對鋼結構角焊縫設計要求進行比較，包括常用鋼材性質、焊縫連接構造、焊縫強度設計要求等，分析兩者要求的異同，以便在印從事工程的人員參考。

1 中印常用鋼材對比

焊縫強度與多種因素相關，其中鋼材特性等級是影響焊縫質量的重要因素之一，中印兩國在施工中廣泛采用的鋼材也有所區別。針對印標廣泛采用的 E250、E350 鋼材與國標廣泛采用的鋼材 Q235、Q355 在化學成分、屈服強度、極限抗拉強度、伸長率等進行比較分析［6-8］， 具體異同如表 1、表 2 所示（t為板厚）。

表1 中印常用鋼材化學成分對比

表2 中印常用鋼材結構強度對比

從化學成分上看，國標中 Q235、Q355 級鋼材相較于印標 E250、E350，對焊接質量有不利影響的 C、S、P的含量控制更為嚴格，比印標控制量低 20 % 左右，對焊接質量有利影響的 Si、Mn 含量控制相當。故國標鋼材在焊接性能方面優于印標鋼材，特別是在 C、S、P 的含量控制上。

從力學性能上看，鋼材強度、伸長率的變化規律也具有統一性。由此也可大致推斷，焊縫強度變化規律相當。

2 角焊縫連接構造要求

鋼結構焊縫設計中，構造要求是鋼結構焊縫強度的基礎，以下是針對中印規范在鋼結構角焊縫的焊腳尺寸、焊縫計算厚度、焊縫計算長度等連接構造要求上的比較。

2.1 焊腳尺寸要求

角焊縫焊腳尺寸與焊板厚度t有關，針對最小焊腳尺寸hf，中印規范要求如表 3 所示。

通過比較可知，中印規范都強調了焊板預熱對最小焊腳尺寸的影響，但側重點不同。印標強調焊板預熱的要求，國標則強調焊板預熱對最小焊腳尺寸的影響。在焊接尺寸要求上，國標更為嚴格。

2.2 焊縫計算厚度

焊縫計算厚度he與焊腳尺寸hf存在相關性，見式（1）。

IS 800 焊縫計算厚度規定：

焊縫計算厚度應在 3 mm≤he≤0.7t，特殊情況下不超過 1t（t為較薄板厚度）。同時，要求兩焊板夾角原則上在 60°≤α≤120°，否則需通過工藝評定確定焊縫強度。并給出了 60°～120°的焊縫計算厚度與焊腳尺寸的相關性，如表 4 所示。

表4 不同夾角下 K 值的變化情況

GB 50017 有關焊縫計算厚度的規定，如表 5 所示。

表5 焊接計算厚度

以焊板夾角 60°≤α≤120°、根部間隙b≤1.5 mm為例，可得出中印規范不同夾角下的K值變化情況如圖 1 所示。

圖1 中印規范 K 值變化情況

2.3 焊縫計算長度

焊縫計算長度，即能承受荷載的焊縫長度，由于焊接方法、焊縫構造等原因，焊縫受力可靠性不同，故不同規范對焊縫計算長度的要求也有所區別。

IS 800 對焊縫最小計算長度lw要求，見式（2）。

式中：l為焊縫實際長度；lw≥4hf。

GB 50017 對焊縫最小計算長度要求，見式（3）。

式中：lw≥8hf，且≥40 mm，否則不應用作受力焊縫。

從焊縫計算長度限制來看，相較于印標，國標對最小計算長度的要求明顯嚴格。

3 角焊縫的設計強度

3.1 焊縫的強度對比

焊縫強度受焊接工藝、焊條、鋼材等級、焊接板材厚度等因素的影響，中印規范對焊縫強度設計值的取值標準也有所區別。

在 IS 80 0 中，焊條按屈服強度分為兩大類：E×4×××和 E×5×××，按具體焊縫伸長率又有不同劃分，如表 6 所示。

表6 焊縫特性

印標并未直接給定角焊縫設計強度值，基于母材等級，考慮工廠與現場的焊接環境、質量等差異，焊縫設計強度值見式（4）。

式中：f fw為焊縫強度設計值；f u為母材或焊縫極限應力強度；γmw為安全系數，現場焊接γmw=1.5，工廠焊接γmw=1.25

故可得角焊縫強度設計值如表 7 所示。

表7 印標角焊縫強度設計值

在 GB 50017 中，有四中不同焊條，包括 E43、E50、E55、E60，針對常用鋼材，焊條與焊縫強度取值如表 8 所示。

表8 國標角焊縫設計強度值

通過比較可知，①印標的焊條類型相對較多，并考慮溫度影響效應進行了具體分類，焊條的極限抗拉強度也大于國標。②在焊縫強度設計值上，中印在取值方式上有所區別，國標直接給定了設計強度值，而印標則給了強度設計值與母材或焊縫極限應力強度的關系，并考慮了現場焊接與工廠焊接質量差異，確定了焊縫設計強度。③對等級相似鋼板的焊縫，國標的焊縫設計強度值介于印標現場焊縫與工廠焊縫之間。

3.2 焊縫強度折減系數

在實際角焊縫荷載計算時，焊縫過長，其焊縫承載力會相應減小。

IS 800 中，針對長焊縫焊接強度折減系數規定如下：當焊縫在受壓或受拉作用下，焊縫長度lw≥150he時，角焊縫設計強度的折減系數β見式（5）。

GB 50017 中，當焊縫計算長度lw>60hf時，參考焊腳尺寸為判定依據，查表所得角焊縫設計強度的折減系數α見式（6）。

以直角角焊縫（he=0.7hf）為例，假設焊縫厚度hf=10mm ，我們可以得出不同有效長度下中印規范折減系數對比如圖 2 所示。

圖2 中印規范焊縫強度折減系數對比

從圖 2 可知，中印規范對折減系數要求存在明顯差異。根據國標，從lw=600 mm 開始，α呈線性遞減，當lw≥1 200 mm 時，α=0.5；根據印標，從lw>1 050 mm 開始，β呈線性遞減。總體上，國標下的焊縫折減系數α＜印標值，折減值更大，更為保守。

3.3 焊縫強度計算

角焊縫的應力分析較為復雜，側面與正面焊縫受力性能也有所區別，很難精確計算。目前，一般采用簡化方式進行強度計算。

1）荷載作用下的角焊縫，其破壞截面為沿夾角中心線方向的有效截面。

2）在組合力（正應力、剪力）作用下，應力沿焊縫長度與焊縫計算厚度組成的截面均勻分布。

IS 800 對角焊縫強度計算要求如下。

角焊縫在力的作用下的應力值見式（7）。

GB 50017 對角焊縫強度計算要求如下。

一般角焊縫在承受組合力時，應分別進行計算，并滿足σf或τf≤ffw。當承受較大正應力和剪應力時，則應按式（9）折算。

當角焊縫恰為直角時，在組合力作用下，正應力與剪應力應分別進行驗算，并滿足正應力。

σf≤βfffw，剪應力τf≤ffw，且組合應力應滿足式（10）。

式中：N為軸心應力；σf為與焊縫長度方向垂直的正應力；τf為與焊縫長度方向平行的剪應力；βf為正面角焊縫設計強度增大系數：承受靜力荷載或間接承受動力荷載的焊縫；βf=1.22；直接承受動力荷載的焊縫βf=1.0。

從角焊縫應力計算方法來看，①一般角焊縫在組合力的作用下，根據材料力學第四強度理論，印標與國標應力組合折算方式相同；國標中考慮了 1.1 倍應力組合折減系數，并要求正應力、剪應力均不得大于焊縫應力設計值；印標只規定了組合應力計算值不得大于焊縫應力設計值。②當角焊縫恰為直角時，相較于印標，國標考慮了正面角焊縫的設計強度增大系數βf，并減小了剪應力在組合力中的影響。

3.4 算例

以簡單鋼結構直角角焊縫為例，如圖 3 所示，兩鋼板垂直雙面焊接，焊縫受斜向作用力N=400 kN，力與焊縫夾角為θ，角焊縫計算長度lw=200 mm，焊腳尺寸hf= 8 mm，鋼材為 Q355，人工焊，進行焊縫強度驗算［9］。

圖3 鋼結構直角角焊縫（單位：mm）

根據焊縫強度計算理論，不同力與焊縫的夾角下中印規范對應的焊縫應力值如圖 4 所示。

從圖 4 可知，①相同受力情況下，國標的計算應力值明顯低于印標，不同角度下整體降低約 50 %；②國標焊縫設計承載力介于印標現場焊縫與工廠焊縫設計承載力之間。

圖4 中印規范焊縫應力值比較

為檢驗應力值計算結果，通過 ABAQUS 對焊縫進行受力模擬分析。參考李金風［10］對 Q355 角焊縫焊接接頭研究數據（見表 9）。

表9 鋼材與焊縫的彈性模量與泊松比

以力與焊縫夾角 30°、60°為例，對焊縫受力進行模擬分析，分析結果如圖 5 所示。

圖5 焊縫模擬分析應力值

分析可知，①θ=30°時，模擬分析最大應力值約為 105 MPa，為國標理論計算值的 76.7 %，為印標理論計算值的46.4 %；②θ=60°時，模擬分析最大應力值約為 97.5 MPa，為國標理論計算值的 78.6 %，為印標理論計算值的55.7 %。

因此，國標焊縫應力計算結果與實際應力更為貼切，而印標考慮的安全系數更高，焊縫應力計算結果更保守。

4 結論

本文完成了中印鋼結構設計規范中角焊縫設計的對比分析，其對比結果如下。

1）在結構強度相同或相近的情況下，相較于國標鋼材，印標鋼材中 C、S、P 等元素含量高一些，焊接性能差一些。

2）中印規范對焊縫要求及焊接強度計算的基本理論根據是一致的，但在焊縫構造、設計強度的具體要求上存在差異。

3）在角焊縫構造設計要求上，國標對焊腳尺寸、焊縫計算厚度、焊縫計算長度的設計要求更為嚴格。

4）在角焊縫應力計算值上，中印規范的應力組合折算方式相同，但印標僅對組合折算應力值進行了約束，且取值更為嚴格；在焊縫強度設計值上，印標區分于工廠焊縫與現場焊縫，對國標焊縫強度設計值的要求有一定的參考作用。

5）通過 Abaqus 數值模擬分析，相對于印標，國標中鋼結構角焊縫計算強度更符合焊縫實際受力情況。Q