型钢横梁全焊透与角焊组合焊缝连接对型钢承载能力的影响
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摘要：在钢结构的设计中，为了保证支承与被支承设备的交界面为同一平面，要求垂直相交的同型号支承梁采取对接的连接形式；该对接连接的焊缝形式比较复杂，其型钢上下翼板采用全焊透焊缝连接，而其中一个型钢的腹板伸进另一个型钢上下翼板之间与其腹板垂直相交，伸入型钢的腹板在与另一型钢上下翼板和腹板相交处两侧用角焊缝连接。本文以国标GB11263-89中型号为HK100a的H型钢为例分析上述角焊与全焊透组合焊缝形式连接对钢结构承载能力的影响；并根据分析结果，探讨梁与梁之间连接刚度对焊缝应力的影响，从而总结其对型钢承载能力的间接影响。
关键词：型钢梁、角焊缝、全焊透焊缝、翼板、腹板等。
Abstract: in the design of the steel structure, in order to guarantee supporting and be supporting equipment for the same plane junction plane, requirements at the intersection of the vertical support beam take docking connection form; The docking welding the weld connection form is more complex, and the steel wing adopted the weld fully weld connection, and one of those payments webs into another steel wing and up and down between minus vertical intersection, stretch into steel in the webs with another steel wing and up and down with Angle on both sides of the crossings of webs weld connection. In this paper GB11263-89 gb of HK100a type of H section as an example, analyzed the Angle with the combination of penetration welding seam form connections for steel structure of carrying capacity of influence; And according to the results of analysis, this paper discusses the connection between the beam and beam to weld the influence of the rigidity of stress, and to sum up the bearing capacity of steel indirect impact.
Keywords: type steel beam, Angle, the welding seam through welding line, wing, webs, etc.
中图分类号：TG441.3文献标识码：A文章编号：
1.0 问题的提出
在钢结构的设计中，一些大型设备或重要部件都要求在其四周设有支撑，且其支撑面保持同一水平面；另外钢结构中的主要框架在相同标高处的横梁，其上翼板一般也要求在同一水平面中，这一点在模块化设计的钢结构中由为突出。为了满足这种连接要求，垂直相交的横梁采取上述角焊与全焊透组合焊缝的连接形式就较为普遍。一般对梁与柱组合的钢结构框架的分析评定方法都采用线型梁单元模拟的有限元法分析计算，按线型支撑的规范要求对型钢进行评定；这种框架的连接焊缝一般处于同一平面。本文研究的焊缝的校核是通过单元节点载荷在焊缝有效承载截面中产生的应力强度与焊缝许用应力的比较来实现的。但该焊接中的角焊与全焊透的组合焊缝却不处于一个平面，它是一个空间组合焊缝，梁的端部载荷在各焊缝中产生的应力较为复杂，因此有必要对其做较为详细的分析，分析该焊缝形式对梁本身承载能力的影响，并探讨梁与梁之间连接刚度对焊缝应力的影响，从而获得其对型钢承载能力的间接影响。
2.0 分析模型简述
本文采用国标GB11263-89中型号为HK100a的H型钢为例采用ANSYS三维块单元模拟，对上述角焊与全焊透组合焊缝进行分析。分析的简化模型见下图1，翼板全焊透，腹板角焊缝。主梁长为1000mm，次梁长为500mm，次梁垂直交于主梁中间，角焊缝的焊脚长度等于型钢腹板厚度，主梁两端假设为完全固定约束，在次梁的另一自由端分别施加六种工况的载荷进行分析，该载荷工况在组合焊缝处分别产生以下六个载荷：Fx=-10000N，Fy=-10000N，Fz=-10000N，Mx=-10000Nm，My=-10000Nm，Mz=-10000Nm。
HK100a H型钢的材料选用Q235-A，其许用应力设定为108MPa，抗拉强度设定为420MPa。
图1
3.0六个载荷分量在组合焊缝中产生的应力分析
3.1 六个载荷分量分别在组合焊缝的单个焊缝中产生应力强度(σint单位MPa)
焊缝处载荷分量 全焊透焊缝
σint 水平角焊缝
σint 垂直角焊缝
σint
Fx=-10000N 36.21 16.82 4.31
Fy=-10000N 29.44 26.85 36.08
Fz=-10000N 15.33 17.90 6.89
Mx=-10000Nmm 1.42 1.12 0.59
My=-10000Nmm 0.37 0.22 0
Mz=-10000Nmm 0.70 0.43 0.1
组合应力强度 83.47 63.34 47.97
组合应力强度/焊缝许用应力注1 0.77 0.59 0.44
注1：焊接材料的许用应力取母材许用应力。
3.2 按规范公式校核六个载荷分量组合作用于型钢的计算结果
上述六个载荷分量作用在3米长的型钢上，型钢按ASME规范NF的线型支撑校核，最大应力比组合值为0.28。
3.3 以Fx为例探讨型钢连接刚度对组合焊缝中产生应力的影响(应力单位MPa)
Fx在全焊透焊缝中产生的相应应力列于下表中：
应力分量 上部全焊透焊缝
1/2翼板部分 -1/2翼板部分
σxm -6.46 -6.4
σxb 12.87 12.8
Fx在角焊缝中产生的相应σz和σx应力列于下表中：
焊缝 σzm σzb σxm σxb
一侧水平角焊缝 12.09 3.47 0.1776 0.6648
一侧垂直角焊缝 ≈0 ≈0 3.333 0.4717
如果主梁有足够的刚度，则Fx在理论上只在全焊透焊缝中产生均布的同向正应力，而在水平角焊缝中产生同向的剪应力。然而，由于Fx作用在主梁上会导致主梁在其长轴方向上产生弯矩，并在其短轴方向上产生挠度，从而在组合焊缝的水平角焊缝和全焊透焊缝中产生弯曲应力，由于该弯曲应力的对称分布，从而在焊缝连接处的合力矩为零。由于型钢连接刚度的影响在焊缝中导致的应力在用线型梁模型进行的支撑结构分析中不能够反映出来，从而导致焊缝应力的非保守计算。
型钢连接刚度的影响同样也反映在其它五个载荷分量在组合焊缝中产生的应力计算中。
4.0 结论
通过上述的分析计算，可以得出以下几点结论：
1. 对于组合焊缝连接方式，型钢的单元载荷在型钢本身中产生的应力较在焊缝中产生的应力小；换言之，该组合焊缝连接降低了型钢的承载能力，在目前尚未得出该组合焊缝应力计算的简化方法时，在进行钢结构分析评定中应对其进行详细地分析计算。
2. 组合焊缝中的垂直角焊缝除了对承受Fy载荷分量有贡献外，对其它五个载荷分量的承载能力可以忽略不计。
3. 型钢的连接刚度对组合焊缝中水平角焊缝和全焊透焊缝的应力有较大影响。由上节可以看出，连续梁(主梁)的截面刚度越小，梁的跨距越大，其对焊缝应力的影响就越大。换言之，对于截面刚度较低的角钢或部分槽钢不宜采用这种组合焊缝的连接方式。
5.0 参考文献
[1] ASME规范第III卷NF。
[2] GBJ17-99《钢结构设计规范》。
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