浅议国内钢结构设计规范与欧美设计规范的几点差别

近年来, 随着我国与世界其他国家合作的工程建设项目不断增加, 迫切地需要我国工程技术人员去认识并熟悉欧美规范, 同时不断完善我国的结构设计标准, 并最终让国际世界了解并接纳我国的标准。以此为出发点, 本文对中国钢结构设计规范GB50017—2003、美国钢结构设计规范LRFD一2001以及欧洲钢结构设计规范EC3关于角焊缝计算方法、绕角焊问题、端面接触承压时的焊缝计算问题进行了分析和比较, 找出了各本规范的差异和共同之处, 希望能为我国工程技术人员了解欧美标准提供一点帮助。

1 关于端面接触承压时的焊缝计算问题

钢结构的连接节点中经常会遇到杆件端面接触承受压力的情况。

我国设计规范中认为当端面承压时, 端面如刨平顶紧, 则压力N可全部通过接触面直接传力, 但此时应验算端面承压的强度。当端面未进行刨平顶紧时, 规范中未作规定, 而设计习惯则按全部压力N由焊缝传递来确定焊缝的尺寸。事实上, 即使端面不刨平顶紧, 通过端面的部分接触, 也可以传递部分压力。关于这个问题, 国外规范如ISO规范第8.10条和欧洲《钢结构建议》第7.1.6条中都规定:假如接触面是相互平行和紧贴的, 焊接节点中不同部件间的压力可通过接触传递。接触面间的局部不平整容许达到2mm, 此局部空隙不要求必须用焊缝填充, 但要求采取相应措施防止接触面间的相互滑动或接触面被拉开。在防止侧向位移的措施中可以考虑摩擦力的作用。节点连接焊缝应能承受构件屈曲时产生的反力和外力产生的拉力和剪力。

2 关于角焊缝端部的绕角焊问题

我国设计规范中对角焊缝端部是否需要绕角焊未做出明确规定, 仅在第8.2.12条中规定:当角焊缝的端部在构件转角处作长度为2hf的绕角焊时, 转角处必须连续施焊, 强调的是绕角焊必须连续施焊。而国外有些规范中对绕角焊规定的很具体, 例如, 美国AISC规范, 则有专门条文规定在角焊缝的端部构件转角处宜有长度不小于2hf的绕角焊。特别是在连接牛腿或梁支托等处的焊缝, 其端部因弯矩作用而受拉时, 绕角焊缝可显著降低焊缝端部的应力集中。并且美国AISC规范、ISO规范和欧洲规范等容许将每条绕角焊缝的长度2h f在传递剪力F时计入焊缝的计算长度内。

3 角焊缝限值的比较

3.1 最小焊脚尺寸的限值比较

如果板件厚度较大而焊缝焊脚尺寸过小, 则施焊时焊缝冷却速度过快, 可能产生淬硬组织, 易使焊缝附近主体金属产生裂纹。因此, 应对角焊缝的焊脚的尺寸规定其最小限值。

GB 50017—2003中有关角焊缝最小焊脚尺寸的规定:, 取对埋弧自动焊hfmin可减少1mm;T形连接的单面焊缝hfmin可增加1mm (t为较厚焊件厚度) 。

LRFD一2001中有关角焊缝最小焊脚尺寸的限值见表1。

从角焊缝最小焊脚尺寸的限值来看, GB 50017—2003按不同的焊件厚度取值, LRFD一2001按不同的板厚区间分段取值, 相比较而言中国规范限制要严格一些。

3.2 最大焊脚尺寸的限值比较

角焊缝的焊脚尺寸过大, 焊接时热量输入过大, 焊缝收缩时将产生较大的焊接残余应力和残余变形, 且热影响区扩大易产生脆裂, 较薄焊件易烧穿。板件边缘的角焊缝与板件边缘等厚时, 施焊时易产生咬边现象。所以, 对角焊缝的焊脚还应规定其最大焊脚尺寸。

GB 50017—2003规定:当t≤6mm时, hfmax≤t;当t>6mm时, hfmax≤t- (1~2) mm。

LRFD-2001规定:t≤当6mm时, hfax≤t;当t>6mm时, hfmax≤t-2mm (t为焊件厚度) 。从角焊缝最大焊脚尺寸的限值来看, G B50017—2003的限值与LRFD-2001大致一样, 只有当t>6mm时, GB 50017—2003为hfmax≤t- (1~2) mm;LRFD-2001为hfmax≤t-2mm。

EC3—1993对于角焊缝最大和最小焊脚尺寸都没有作特殊的限制, 但是对最小焊喉尺寸提出了限值。EC3—1993规定角焊缝的有效厚度 (焊喉) h为内切于坡口面和焊缝表面的最大三角形的高, 不小于3mm;自动埋弧焊的角焊缝, 有效厚度可增加20%或2mm的较小值。

4 角焊缝的计算

角焊缝的受力状况比较复杂, 因此精确计算比较困难。一般是根据试验结果, 找出一个比较合理而又简单的设计方法供设计时采用。直角焊缝的计算方法主要有两种:一种是世界各国过去多年沿用的、不考虑角焊缝受力方向的单一应力法;另一种是近年来国际标准化组织推荐采用的、考虑角焊缝承载能力影响的折算应力法。两种方法的主要区别在于对角焊缝有效截面上的应力状态采用的假定不同, 因而分析和计算方法也不同。按单一应力法计算, 虽然在轴向力作用下侧焊缝与端焊缝在有效截面上的应力状态不一样, 但为了计算方便, 假定有效截面上只按均布的单一剪应力控制;而按折算应力法分析, 考虑了侧焊缝较端焊缝的承载能力高的影响。

4.1 GB 50017—2003的计算规定

在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下:正面角焊缝计算公式 (作用力垂直于焊缝长度方向) :

侧角焊缝 (作用力平行于焊缝长度方向) :

在τf和σf的共同作用处:

式中βf为正截面强度增大系数, 静载或间接承受动载时取1.22;动载时取1.0;为角焊缝强度设计值。

4.2 LRFD一2001的计算规定

式中φ=0.75;, fexx为焊接金属的分类强度;θ为荷载与焊缝纵轴的夹角。

4.3 EC3—1993的计算规定

与焊缝方向无关, 单位长度上设计抗力FW, Rd应由下式确定:

式中fvw, d为焊缝设计剪切强度;fu为连接的较弱部件名义极限拉伸强度;βw为修正系数。

3结语

通过以上分析可以得出如下结论。

(1) 从角焊缝的限值来看, GB 50017—2003对最小焊脚尺寸的限值较国外规范严格;最大焊脚尺寸的限值与LRFD一2001大致相同。

(2) 从角焊缝的计算方法来看, 各本规范的计算方法略有不同, GB 50017—2003对于承受静载或间接活载采用不考虑角焊缝受力方向的单一应力法, 对直接承受动载的情况则采用考虑角焊缝受力方向的折算应力法。LRFD一2001采用单一应力法, 而EC3—1993在采用单一应力法的同时在附录M给出了考虑角焊缝受力方向的折算应力法, 并根据不同的材料采用不同的折减系数。

摘要：关于钢结构焊缝连接的计算和构造, 各国钢结构设计规范中都有明确的规定并且存在一定的差别。本文以我国新修订的钢结构设计规范GB50017—2003为基础, 结合美国钢结构设计规范LRFD一2001、欧洲钢结构设计规范EC3和ISO规范, 对各本规范中关于角焊缝的绕角焊问题、端面接触承压时的焊缝计算问题、角焊缝焊脚尺寸的限值问题以及角焊缝的计算进行了对比分析, 得出了其中的差别, 有关分析结论可供工程技术人员参考。

关键词：钢结构设计规范,角焊缝限值,端面接触承压,绕角焊

参考文献

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