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【钢结构·技术】一条不该被放任的焊缝

 https://www.lgmi.com    发表日期:2022/9/26 9:48:04  兰格钢铁
    

这条焊缝就是下图中的⑤号焊缝,即焊接工字梁翼缘与腹板之间的焊缝(下文简称翼腹焊缝)。

型钢规格不可能很多,实际工程中的钢梁多为焊接梁。目前对翼缘与腹板之间的焊缝要求往往很粗放,要么一概要求全熔透焊缝,并将质量等级定为二级,显著增加制作成本;要么交由厂家处理,实际处于放任状态。

现行规范中该方面的内容也比较少,而且分散在不同的规范中。现将有关问题予以分析和总结。

一、现行规范对翼腹焊缝有关要求的汇总

1.计算方面

可见钢标公式(11.2.7),按双面角焊缝计算

对于框架梁主次梁连接处均加劲肋,所以可取F=0,上式变为

2he看作腹板厚度,上式即为横截面剪应力公式。翼腹焊缝的剪应力等于对应点位的横截面剪应力,符合剪应力互等原理

工字形梁的横截面剪应力分布如下图,最大剪应力与最小剪应力差值在20%左右所以《高钢规》公式7.1.5-2平均值进行验算

2.构造方面:

工字形梁的翼腹焊缝有4种形式,分别是:

1单面角焊缝

对于腹板厚度tw8mm非地震作用控制、承受静力或间承受动力荷载、采用自动或半自动埋弧焊的构件,采用单面角焊缝,可有效减小焊接变形。既提高质量,又节约成本。可用于次梁、抗风柱等,或非地震作用控制的轻型钢结构。单面角焊缝其他适用条件参见《门刚规范10.1.2

2双面角焊缝

对于腹板厚度8tw25mm承受静力荷载的,可采用双面角焊缝。一般多高层建筑梁腹板厚度基本位于此区间内,可见双面角焊缝是应用最多的。

3T对接与角接组合焊缝

对于腹板厚度tw>25mm承受静力荷载的可采用T形对接与角接组合焊缝或全焊透焊缝。构造要求如下图(摘自《钢结构焊接规范》)

4全熔透对接与角接组合焊缝

主要用于重级工作制和起重量≥50t的中级工作制吊车梁的上翼缘与腹板焊缝

二、现行规范缺少对翼腹焊缝的抗震要求

对于抗震结构的各种连接,包括上图中除⑤号焊缝以外的各个焊缝,从计算到构造,规范均有详尽的规定但对于⑤号焊缝抗震验算和构造要求,规范中均未提及。

由前文可知⑤号焊缝的剪应力与对应位置梁的横截面剪应力相近在梁端处,焊缝的剪应力焊缝相近。梁端属于塑性铰区,在大震作用下,⑤号焊缝和④号焊缝一样经受严酷考验等闲视之。

对于④号焊缝,从计算到构造,弹性阶段到塑性阶段,规范均有明确要求。所以⑤号焊缝也应有相应的要求。

三、现行规范缺少弹性阶段验算公式

抗震规范8.2.8-1条中虽有弹性阶段钢结构抗侧力构件连接的承载力设计值,不应小于相连构件的承载力设计值;高螺栓不得滑移规定但并没有给出计算公式。从文字理解此条包含了两个含义:

1连接设计与构件的内力设计值无关,而是由构件的规格和强度决定。内力进行构件设计由构件进行连接设计。构件越大连接越强水涨船高。

2腹板连接的抗剪承载力设计值不应小于腹板的抗剪承载力设计值,即:

该式即传统的“等强度设计法”剪力设计值。下面来证明,按该式进行腹板连接的弹性设计的话,自然能满足极限承载力的要求而且富裕较多。这里是用腹板连接类比翼腹连接,所以纯剪考虑,忽略弯矩引起的应力

极限承载力验算的要求是,连接的极限承载力大于构件的屈服承载力。腹板焊缝抗剪极限承载力验算公式为

可见腹板连接按全截面受剪承载力计算的话,极限承载力就富裕太多了。也就是说,极限承载力的验算没有意义了。而在2001抗震规范很明确,“弹性设计时,腹板连接的受剪承载力不应小于构件截面受剪承载力的50%即:

现行规范以极限承载力验算为主,取消了该式建议还是保留为好

塑性设计时按式(3验算,实现弹性阶段和塑性阶段的双控。

四、对抗震结构焊接工字梁翼腹焊缝的建议

焊接工字梁翼腹焊缝的剪应力由支座至跨中逐渐减小,所以建议翼腹焊缝分梁端塑性铰区其他区域,各自进行设计:

在大震作用下,梁端塑性铰区的翼腹焊缝,与梁腹板柱翼缘之间焊缝一样都会经历严酷的考验。但腹板连接多为两块连接板,如下图。一块双面角焊缝,一块坡口全熔透焊缝,所以较易满足。

参照腹板和柱翼缘的焊缝要求并结合翼腹焊缝自身特点,建议如下:

1.弹性阶段,翼腹焊缝前文式(1验算,剪力设计值V按下式取值:

2.塑性阶段,翼腹焊缝按下式验算

3.塑性铰区的长度参照梁翼缘隅撑的设置位置,可取为梁端0.2Ln

4.腹板厚度小于16mm时,可采用双面角焊缝。焊缝的有效高度应符合受力要求,且不得小于5mm

5.腹板厚度≥16mm时,应采用K形坡口焊缝,满足下图构造要求:

6.腹板厚度≥25mm可采用T形对接与角接组合焊缝,满足前文所述构造要求;或采用全焊透焊缝。

7.设防烈度为7.5及以上时,翼腹焊缝过焊孔处应采用围焊,围焊总长度L不小于400mm,且应连续施焊。

8.其他区域的翼腹焊缝按本文第一条要求。

9.塑性铰区的翼腹焊缝与其他区域应设过渡区过渡区长度不小于焊脚高差或坡口深度的4

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