对于不在同一平面上的焊件搭接或顶接须用角焊缝。例如,两块钢板的搭接[图3.19(a)、(c)],角钢和板的搭接[图3.19(b)],组合梁腹板和翼缘的顶接[图3.19(d)]等。由于角焊缝施焊时板边不需要加工坡口,施焊比较方便,故它也是钢结构中基本的焊缝连接形式之一,在工厂制造和现场安装中角焊缝应用广泛。

图3.19　角焊缝的连接形式

1)角焊缝的受力情况

角焊缝主要采用直角角焊缝(图3.20),两焊脚边的夹角为90°。有时也采用斜角角焊缝(图3.21),但夹角大于120°或小于60°时,除管结构外,不宜用作受力焊缝。

图3.20　直角角焊缝截面形式

直角角焊缝截面形式又分为普通式、平坡式和深熔式,如图3.20所示。普通式焊缝较为常用,其截面为等腰三角形,斜边上的凸出部分作为额外补强,计算时不予考虑。但是,普通式焊缝截面传力不太平顺,焊根处应力集中影响比较严重,在动载作用下容易出现裂缝。因此,在承受动载的构件的连接中,以采用力线弯折比较平缓的平坡式或深熔式截面较为有利。

侧焊缝主要承受纵向剪应力,剪切破坏通常发生在焊缝截面三角形的最小厚度的平面上(和两焊脚边成α/2角),如图3.21所示。故直角角焊缝计算的有效厚度he=hfcos45°≈0.7hf。

图3.21　T形连接的斜角角焊缝

在正面焊缝中,受力方向与焊缝垂直,在焊缝各截面上产生正应力和剪应力,因力线弯折甚剧,常在焊缝根部形成很大的应力高峰,其应力集中程度要比侧焊缝严重。但是沿焊缝长度上应力分布比较均匀。根据试验结果,正面焊缝的破坏形式可能是拉断或剪断,不同于侧焊缝的纵向剪切破坏,其静载破坏强度要高于侧焊缝的抗剪强度,但因考虑应力集中、传力偏心和焊缝塑性较差等不利影响,故规范规定:当直接承受动载的连接计算时正面焊缝与侧焊缝采用统一的强度设计值来验算强度。正面焊缝有效厚度也与侧焊缝相同,对直角焊缝取he=0.7hf(图3.20),hf为角焊缝的焊边长度,称为焊脚尺寸。在施工图上都以焊脚尺寸hf表示角焊缝的设计尺寸。

两焊脚边夹角60°≤α≤135°T形连接的斜角角焊缝[图3.21(b)、(c)],其强度应按式(3.10)—式(3.12)计算,但取βf=1.0,其计算厚度he(图3.22)的计算应符合下列规定:

图3.22　T形连接的根部间隙和焊缝截面

①当根部间隙b,b1或b2≤1.5mm时,he=hfcos;

②当根部间隙b,b1或b2>1.5mm但≤5mm时,;

③当30°≤α≤60°时,斜角角焊缝计算厚度he应按现行国家标准《钢结构焊接规范》(GB 50661—2011)的有关规定计算取值。

2)角焊缝的构造要求

角焊缝的主要尺寸是焊脚尺寸hf和焊缝计算长度lw,它们应该满足下列构造要求:

①角焊缝的最小焊脚尺寸应按表3.2进行确定。

表3.2　角焊缝的最小焊脚尺寸

注:①采用不预热的非低氢焊接方法进行焊接时,t等于焊接连接部位中较厚件厚度,宜采用单道焊缝;
采用预热的非低氢焊接方法或低氢焊接方法进行焊接时,t等于焊接连接部位中较薄件厚度。
②焊缝尺寸hf不要求超过焊接连接部位中较薄件厚度的情况除外。

②角焊缝的最大焊脚尺寸:hf≤1.2tmin,tmin为薄焊件厚度(mm)[图3.23(a)]。对板件厚度为t的板边焊缝[图3.23(b)],还应满足hf≤t(当t≤6mm时)或hf≤t-(1～2)mm(当t>6mm时)。

制定这一规定的原因:若焊缝hf过大,易使母材形成“过烧”现象,同时也会产生过大的焊接应力,导致焊件翘曲变形。

③最小焊缝计算长度lw≥40mm及8hf。制定这一规定的原因是避免起落弧的弧坑相距太近而造成应力集中过大。当板边仅有两条侧焊缝时(图3.23),则每条侧焊缝长度lw≥侧缝间距b(b为板宽)。同时要求b≤16tmin(tmin>12mm时,tmin为搭接板较薄的厚度)或200mm(tmin≤12mm时),这是为了避免焊缝横向收缩时,引起板件拱曲太大。

④当构件承受直接动力荷载时,最大侧焊缝计算长度lw≤40hf;当构件承受静力或间接动力荷载时,最大侧焊缝计算长度lw≤60hf。制定这一规定的原因:由外力在侧焊缝内引起的剪应力,在弹性阶段其剪应力沿侧缝长度方向的分布是不均匀的(图3.24),两端大,中间小。焊缝越长,两端与中间的应力差值越大,为避免端部先坏,应加以上限制。动载作用下情况更加不利,所以限制更严。若lw超出上述规定,超长部分计算时可不予考虑,或将焊缝的承载力设计值乘以折减系数αf,αf按照式(3.6)进行计算,且不小于0.5:

图3.23　角焊缝厚度规定

图3.24　侧面角焊缝受力情况和破坏情况

⑤断续角焊缝焊段的最小长度不应小于最小计算长度。

⑥采用角焊缝焊接连接,不宜将厚板焊接到较薄板上。

3)搭接连接角焊缝的尺寸及布置要求(www.daowen.com)

①传递轴向力的部件,其搭接连接的最小长度为较薄件厚度的5倍,且不应小于25mm(图3.25),这是为了减少收缩应力以及因传力偏心在板件中产生的次应力。

图3.25　端角焊缝受力情况

②只采用纵向角焊缝连接型钢杆件端部时,型钢杆件的宽度不应大于200mm,当宽度大于200mm时,应加横向角焊缝或中间塞焊;型钢杆件每一侧纵向角焊缝的长度不应小于型钢杆件的宽度。

③型钢杆件搭接连接采用围焊时,在转角处应连续施焊。杆件端部搭接角焊缝作绕焊时,绕焊长度不应小于焊脚尺寸的2倍,并应连续施焊。

④搭接焊缝沿母材棱边的最大焊脚尺寸,当板厚不大于6mm时,应为母材厚度;当板厚大于6mm时,应为母材厚度减去1～2mm(图3.26)。

图3.26　搭接焊缝沿母材棱边的最大焊脚尺寸

⑤用搭接焊缝传递荷载的套管连接可只焊一条角焊缝,其管材搭接长度L不应小于5(t1+t2),且不应小于25mm。搭接焊缝焊脚尺寸应符合设计要求,如图3.27所示。

图3.27　管材套管连接的搭接焊缝最小长度

(hf——焊脚尺寸,按设计要求)

4)塞焊和槽焊焊缝的尺寸、间距、焊缝高度的规定

①塞焊和槽焊的有效面积应为贴合面上圆孔或长槽孔的标称面积。

②塞焊焊缝的最小中心间隔应为孔径的4倍,槽焊焊缝的纵向最小间距应为槽孔长度的2倍,垂直于槽孔长度方向的两排槽孔的最小间距应为槽孔宽度的4倍。

③塞焊孔的最小直径不得小于开孔板厚度加8mm,最大直径应为最小直径加3mm和开孔件厚度的2.25倍两值中较大者。槽孔长度不应超过开孔件厚度的10倍,最小及最大槽宽规定应与塞焊孔的最小及最大孔径规定相同。

④塞焊和槽焊的焊缝高度应符合下列规定:

a.当母材厚度不大于16mm时,应与母材厚度相同。

b.当母材厚度大于16mm时,不应小于母材厚度的一半和16mm两值中较大者。

塞焊焊缝和槽焊焊缝的尺寸应根据贴合面上承受的剪力计算确定。在次要构件或次要焊接连接中,可采用断续角焊缝。断续角焊缝焊段的长度不得小于10hf或50mm,其净距不应大于15t(对受压构件)或30t(对受拉构件),t为较薄焊件厚度。腐蚀环境中不宜采用断续角焊缝。

5)承受动荷载时,塞焊、槽焊、角焊、对接连接的规定

①承受动荷载不需要进行疲劳验算的构件,采用塞焊、槽焊时,孔或槽的边缘到构件边缘在垂直于应力方向上的间距不应小于此构件厚度的5倍,且不应小于孔或槽宽度的2倍;构件端部搭接连接的纵向角焊缝长度不应小于两侧焊缝间的垂直间距a,且在无塞焊、槽焊等其他措施时,间距a不应大于较薄件厚度t的16倍(图3.28),中间有塞焊焊缝或槽焊焊缝时除外。

图3.28　承受动载不需进行疲劳验算时构件端部纵向角焊缝长度及间距要求

②不得采用焊脚尺寸小于5mm的角焊缝。

③严禁采用断续坡口焊缝和断续角焊缝。

④对接与角接组合焊缝和T形连接的全焊透坡口焊缝应采用角焊缝加强,加强焊脚尺寸不应大于连接部位较薄件厚度的1/2,但最大值不得超过10mm。

⑤承受动荷载需经疲劳验算的连接,当拉应力与焊缝轴线垂直时,严禁采用部分焊透对接焊缝。

⑥除横焊位置以外,不宜采用L形和J形坡口。

6)圆形塞焊焊缝和圆孔或槽孔内角焊缝的强度计算

圆形塞焊焊缝的强度按式(3.7)计算,圆孔或槽孔内角焊缝的强度按式(3.8)计算

式中　Aw——塞焊圆孔面积;

lw——圆孔内或槽孔内角焊缝的计算长度。