同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804

0 引言

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，世界年產(chǎn)量?jī)H次于鋼，在現(xiàn)代工程技術(shù)中有舉足輕重的地位。相比于鋼材，鋁合金強(qiáng)度不低，且密度小，質(zhì)量輕，沖擊韌性良好，加工性能良好，可根據(jù)需要進(jìn)行擠壓成型，耐腐蝕性強(qiáng)，基本不需要進(jìn)行特別維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、橋梁等領(lǐng)域。在起重機(jī)械領(lǐng)域上，鋁合金主要運(yùn)用在一些輕小型設(shè)備，如電動(dòng)葫蘆，小型鋁合金龍門(mén)架，懸臂吊和吊籃等，在某些特殊大型設(shè)備如登船棧橋等也開(kāi)始有重要應(yīng)用。圖1為外伸距達(dá)46 m的可伸縮式鋁合金登船棧橋[1]。

圖1 46 m可伸縮式登船棧橋

從設(shè)計(jì)輕量化考慮，桁架結(jié)構(gòu)相比箱型結(jié)構(gòu)要輕約20%左右，特別是對(duì)于大跨度的結(jié)構(gòu)而言，桁架結(jié)構(gòu)在輕量化方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯，同時(shí)由于風(fēng)力系數(shù)小所受風(fēng)載會(huì)相對(duì)較小。但對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)而言，桁架之間的焊接接頭需要處理得當(dāng)。工程機(jī)械中大量數(shù)據(jù)表明，焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度疲勞破壞往往是從焊接接頭處產(chǎn)生，尤其是經(jīng)常處于滿載工作狀態(tài)的起重機(jī)設(shè)備，對(duì)此需要著重設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的焊接接頭。鋁合金化學(xué)活性較強(qiáng)，焊接時(shí)不易熔合，結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，必須考慮由熱影響區(qū)軟化作用帶來(lái)的不利影響[2]。同時(shí)不同焊縫形式下的焊接熱影響區(qū)帶來(lái)的不利影響也不盡相同。國(guó)內(nèi)外規(guī)范都對(duì)各焊縫形式的焊縫高度及焊縫有效面積，對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)帶來(lái)的強(qiáng)度減弱計(jì)算，以及相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法都進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但各國(guó)規(guī)范，主要以我國(guó)現(xiàn)行GB50429—2007《鋁合金設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱GB50429）[3]，EN 1999－1－2007《歐洲鋁合金規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱 EN1999）[4，5]和ADM 2015《美國(guó)鋁合金規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱ADM2015）[6]為例，它們雖有相似之處但不盡相同。其中GB50429對(duì)EN1999，英規(guī)和ADM2015均有一定參考，并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果而來(lái)。

本文基于國(guó)內(nèi)外主要的鋁合金設(shè)計(jì)規(guī)范，針對(duì)典型焊縫的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行分析比較，從焊縫形式出發(fā)，針對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的計(jì)算包括強(qiáng)度折減、疲勞強(qiáng)度分析，說(shuō)明不同規(guī)范對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)焊縫形式設(shè)計(jì)計(jì)算的要點(diǎn)和區(qū)別，并以鋁合金棧橋的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。

1 焊縫形式

焊縫將兩個(gè)焊件連接形成整體，根據(jù)焊接金屬的形狀和焊件的相互位置的不同，可將焊縫分為對(duì)接焊縫，角焊縫，塞焊縫和電鉚焊。對(duì)接焊縫常用于板件與板件或板件與型材之間的拼接；角焊縫常用于搭接連接；塞焊縫和電鉚焊應(yīng)用較少，其主要為了減少焊縫長(zhǎng)度。

由于對(duì)接焊縫和角焊縫最為常見(jiàn)，三種規(guī)范中對(duì)其描述也更為詳細(xì)，此外塞焊縫和電鉚焊在ADM2015中也進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述。故本文主要針對(duì)對(duì)接焊縫和角焊縫進(jìn)行展開(kāi)。

1.1 對(duì)接焊縫

對(duì)接焊縫是指在焊件的坡口面間或一焊件的坡口面與另一焊件端面間焊接形成的焊縫，其中焊縫截面常加工成各種形狀的坡口，如V形、U形、X形等，故又稱為坡口焊縫。以V形焊縫為例，如圖2所示。有焊縫面積AW=LWSW，Sw為對(duì)接焊縫的有效厚度，一般為對(duì)接焊縫平行于構(gòu)件厚度方向的最小距離；Lw為焊縫的有效長(zhǎng)度，對(duì)于拉壓應(yīng)力或剪應(yīng)力，其為垂直于應(yīng)力方向上的焊縫長(zhǎng)度。

圖2 對(duì)接焊縫

在GB50429中規(guī)定對(duì)于不采用引弧板時(shí)，取焊縫有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)w,eff=Lw-2Sw。

1.2 角焊縫

角焊縫是指沿兩直交或斜交構(gòu)件的交線所焊接的焊縫。根據(jù)焊縫的截面形狀，焊縫可以有凹面，平面及凸面。

以直角焊縫為例，如3圖所示。有效焊縫面積Aw=Lw,eff·Sw,eff，Sw為角焊縫的直角邊高度，即焊腳尺寸，而Sw,eff為構(gòu)件交線即焊腳交點(diǎn)到焊縫斜面的垂直距離，一般也是整個(gè)焊縫截面的最小高度，Lw為焊縫長(zhǎng)度，對(duì)于拉壓應(yīng)力或剪應(yīng)力，其為垂直于應(yīng)力方向上的焊縫長(zhǎng)度；Lw,eff為焊縫的有效長(zhǎng)度。

圖3 角焊縫

在GB50429中，一般對(duì)于直角角焊縫，取Sw,eff=0.7Sw，Lw,eff=Lw-2Sw。在EN1999中，對(duì)于Lw≥100Sw,eff時(shí)，有效焊縫長(zhǎng)度的取值會(huì)進(jìn)行縮減，Lw,eff=Lw（1.2-0.2Lw/100a）。

而在ADM2015中規(guī)定，當(dāng)Lw≥4Sw時(shí)，Sw,eff=Lw,eff/4，且需滿足40≤Lw,eff≤100Sw。

三種規(guī)范中主要討論的是直角角焊縫，對(duì)于斜角角焊縫的計(jì)算由于缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)資料并未列出。

由于構(gòu)件受力一般為垂直或平行于構(gòu)件表面，而角焊縫的有效面為斜向于構(gòu)件表面，相對(duì)于角焊縫，其受力形式會(huì)相對(duì)的更加復(fù)雜。

2 強(qiáng)度計(jì)算

2.1 焊接熱影響區(qū)

焊接熱影響區(qū)HAZ（Heat Affected Zone）是指在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化的區(qū)域。焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三個(gè)部分組成，焊接時(shí)要保證焊接接頭的質(zhì)量，就必須使焊縫和熱影響區(qū)的組織與性能同時(shí)都達(dá)到要求。對(duì)于一般焊接結(jié)構(gòu)而言，主要考慮熱影響區(qū)的硬化、脆化、韌化、軟化，以及綜合的力學(xué)性能、耐蝕性能和疲勞性能等，這要根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的具體使用要求來(lái)決定。

焊接熱影響區(qū)的軟化作用表現(xiàn)為冷作強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化的金屬或合金在焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)的不同程度的失強(qiáng)現(xiàn)象，其中最典型的為調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼或熱處理的強(qiáng)化合金如鋁合金，在熱影響區(qū)內(nèi)都會(huì)存在強(qiáng)度減小的現(xiàn)象。前者鋼結(jié)構(gòu)的焊接熱影響區(qū)寬度相對(duì)于鋁合金較小，根據(jù)焊接方式等不同其取值也不同，一般采用電弧焊寬度為5～10 mm，氣焊寬度為25～30 mm[7，8]。后者鋁合金結(jié)構(gòu)對(duì)焊接熱影響的軟化作用更為敏感，位于焊接熱影響區(qū)母材的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著地弱化。因此，對(duì)鋁合金焊縫及鋁合金構(gòu)件的承載力計(jì)算時(shí)，必須考慮焊接熱影響區(qū)引起的連接處力學(xué)性能的弱化。

在GB50429和EN1999中，對(duì)于考慮焊接熱影響區(qū)因素的焊接鋁合金結(jié)構(gòu)，對(duì)于焊縫局部分析，一般其靜強(qiáng)度計(jì)算采用對(duì)抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs折減，而對(duì)于整體結(jié)構(gòu)計(jì)算而言，其構(gòu)件熱影響區(qū)處對(duì)強(qiáng)度不進(jìn)行折減，但需要對(duì)截面進(jìn)行折減；而在ADM2015中對(duì)構(gòu)件承載力計(jì)算也需要對(duì)截面進(jìn)行折減，但對(duì)于焊接金屬計(jì)算并未直接對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行折減，而是對(duì)應(yīng)地直接列出了焊縫金屬與構(gòu)件材料的最小許用抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，兩者的計(jì)算皆可直接利用計(jì)算強(qiáng)度與其進(jìn)行比較。對(duì)于有效截面的計(jì)算均采用了有效厚度法，將在熱影響區(qū)內(nèi)的構(gòu)件厚度乘以相應(yīng)的折減系數(shù)達(dá)到厚度上的折減，從而對(duì)截面進(jìn)行折減，此時(shí)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不進(jìn)行折減，而對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算值會(huì)由于截面的折減而增大，進(jìn)而將兩者進(jìn)行比較。

三種規(guī)范對(duì)于焊接金屬和構(gòu)件材料的強(qiáng)度計(jì)算大同小異，在對(duì)于不同金屬材料折減系數(shù)ρhaz和熱影響區(qū)寬度bhaz會(huì)略有不同，最終會(huì)體現(xiàn)在不同焊接形式的強(qiáng)度折減和截面折減。圖4為不同焊接接頭形式下的熱影響區(qū)范圍bhaz。

圖4 不同焊接接頭形式下的熱影響區(qū)范圍bhaz

GB50429中指出對(duì)于熔化極惰性氣體電弧焊（MIG焊）和鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊（TIG焊）連接的5系冷加工合金和6系熱處理合金，熱影響區(qū)范圍計(jì)算應(yīng)按照表1規(guī)定。

表1 GB50429—2007焊接熱影響區(qū)寬度

表1中，t為焊接件平均厚度。T1<60℃時(shí)，a=1；60℃

而EN1999規(guī)定對(duì)于MIG焊接的3、5系列冷加工合金和6、7系列鋁合金其對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)范圍如表2所示。而由于TIG焊接能量相對(duì)更高其焊接熱影響區(qū)也會(huì)對(duì)應(yīng)增大，如t<6時(shí)，bhaz=30 mm。

表2 EN 1999-1-1—2007焊接熱影響區(qū)范圍

表2中，T1<60℃時(shí)，a=1；60℃

而對(duì)于ADM2015，其與GB50429和EN1999不同的是將任意型號(hào)鋁合金的熱影響區(qū)范圍均取為25 mm。

對(duì)于熱折減系數(shù)，其表現(xiàn)為折減后的熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u.haz和屈服強(qiáng)度f(wàn)o.haz，即強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，將其與強(qiáng)度計(jì)算值進(jìn)行個(gè)比較，其計(jì)算為

幾種常見(jiàn)的鋁合金材料熱影響區(qū)折減系數(shù)如表3所示，其中GB50429中對(duì)于抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都取相同值，ADM2015中并未展現(xiàn)出具體折減系數(shù)的大小，其根據(jù)焊接熱影響區(qū)下材料的最小抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)名義強(qiáng)度比值而得。

表3 部分鋁合金材料熱影響區(qū)折減系數(shù)

2.2 焊縫連接強(qiáng)度計(jì)算

鋁合金結(jié)構(gòu)焊接連接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)算焊縫的強(qiáng)度以及鄰近焊縫的鋁合金構(gòu)件點(diǎn)熱影響區(qū)的強(qiáng)度，且焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值宜大于鋁合金構(gòu)件熱影響區(qū)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。三種規(guī)范中對(duì)于焊縫金屬的計(jì)算主要討論了對(duì)接焊縫和直角角焊縫，其他接頭如T形接頭可由其進(jìn)行衍生。

2.2.1 對(duì)接焊縫強(qiáng)度

對(duì)接焊縫受載情況如圖5所示，對(duì)于對(duì)接焊縫而言

圖5 對(duì)接焊縫受載情況

正應(yīng)力作用時(shí)

剪應(yīng)力作用時(shí)

組合作用時(shí)，正應(yīng)力和剪應(yīng)力需要分別驗(yàn)算，同時(shí)需要進(jìn)行組合驗(yàn)算

2.2.2 角焊縫強(qiáng)度

如圖6所示，對(duì)于直角角焊縫而言，陰影部分為焊縫有效截面，F(xiàn)為平行于板件的拉力。

在圖6中，σ⊥為垂直于焊縫有效截面的正應(yīng)力，σ//為平行于焊縫有效截面的正應(yīng)力，τ⊥為有效截面上垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力，τ//為有效截面上平行于焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力。

圖6 對(duì)接焊縫受載情況

對(duì)于GB1999和EN50429，強(qiáng)度計(jì)算公式實(shí)質(zhì)同鋼結(jié)構(gòu)一致，計(jì)算公式為

此外，在GB50429中，焊縫在受通過(guò)焊縫形心的載荷時(shí)，如圖7為T(mén)形雙邊角焊縫受載情況，分別為正面角焊縫和側(cè)面角焊縫。

圖7 T形雙邊角焊縫受載情況

受拉壓力，剪力和綜合作用可分別計(jì)算為

對(duì)于上述情況，在EN1999中對(duì)于T形雙邊角焊縫只需對(duì)受拉壓和受剪分別計(jì)算即可，且對(duì)應(yīng)的βf1=1/0.7，βf2=1/0.85。

而對(duì)于ADM2015，角焊縫下不論接頭形式如何，只需計(jì)算對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力即可，計(jì)算公式同對(duì)接焊縫τ=F/Lw,effSw,eff≤ Fsuw/nu。

2.3 構(gòu)件焊接熱影區(qū)強(qiáng)度

由于熱影響區(qū)的軟化作用影響，在熱影響區(qū)寬度bhaz范圍內(nèi)的焊接結(jié)構(gòu)件也需要進(jìn)行校核計(jì)算。在三種規(guī)范中，對(duì)于考慮焊接熱影響區(qū)因素的焊接鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計(jì)算，都需要對(duì)截面進(jìn)行折減，有效截面的計(jì)算采用有效厚度法，即在熱影響區(qū)范圍內(nèi)的構(gòu)件厚度需要乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，即teff=ρu.hazt或teff=ρo.hazt。

對(duì)于軸心拉壓力，受力垂直于焊縫熱影響區(qū)的臨界失效面，有

對(duì)于焊縫受剪切力

而對(duì)于軸心拉壓與剪力組合情況

式中：σhaz和τhaz分別為垂直和平行于焊縫長(zhǎng)度方向的計(jì)算正應(yīng)力與剪應(yīng)力，由對(duì)應(yīng)方向上的載荷除以構(gòu)件折減后的有效面積計(jì)算所得；fu,haz和fv,haz分別為構(gòu)件材料焊接熱影響區(qū)的抗拉壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

對(duì)于GB50429，fu,haz和fv,haz皆可根據(jù)對(duì)應(yīng)材料查表可得，且n=1。

對(duì)于ADM2015，其計(jì)算與焊縫強(qiáng)度計(jì)算相同，fu,haz和fv,haz均查表可得，n=1.95。

3 疲勞強(qiáng)度

鋁合金雖然質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，加工性能良好，但鋁合金相比常規(guī)Q235，Q355等普通結(jié)構(gòu)鋼韌性較差，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和裂紋，產(chǎn)生裂紋后容易進(jìn)入快速斷裂區(qū)域從而發(fā)生危險(xiǎn)，抗疲勞特性較差，故對(duì)鋁合金疲勞強(qiáng)度需要嚴(yán)格控制，以保證結(jié)構(gòu)安全。

一般情況下，零件或構(gòu)件受交變載荷的反復(fù)作用下，會(huì)在其局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展，最終斷裂產(chǎn)生疲勞破壞。構(gòu)件受交變疲勞載荷作用下引起的應(yīng)力也稱為交變應(yīng)力，其循環(huán)應(yīng)力隨時(shí)間周期變化，一個(gè)周期應(yīng)力變化過(guò)程為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，其特點(diǎn)用最大應(yīng)力σmax，最小應(yīng)力σmin和周期T來(lái)描述。而在疲勞載荷中一般引入應(yīng)力幅σa和應(yīng)力范圍。

其反映了交變應(yīng)力在一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中的變化大小程度，為動(dòng)載分量，是金屬構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的根本原因。

當(dāng)受不對(duì)稱循環(huán)交變載荷時(shí)，除了動(dòng)載分量還有靜載分量，這種不對(duì)稱可用應(yīng)力比R表示，靜載分量用平均應(yīng)力σm表示。

對(duì)于給定的循環(huán)應(yīng)力水平，一般需要知道應(yīng)力幅σa和應(yīng)力比R，或最大應(yīng)力σmax和平均應(yīng)力σm。

一般情況下，材料所受循環(huán)應(yīng)力幅越小，到發(fā)生疲勞斷裂所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長(zhǎng)，S-N曲線就是材料所承受應(yīng)力幅水平與該應(yīng)力幅下發(fā)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。三種規(guī)范中的S-N曲線在無(wú)缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際零部件的形狀，尺寸，表面狀態(tài)，載荷情況等都會(huì)對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。如受不對(duì)稱循環(huán)載荷時(shí)，雖然產(chǎn)生疲勞破壞的根本原因?yàn)閯?dòng)應(yīng)力分量即應(yīng)力幅，但靜應(yīng)力分量即平均應(yīng)力也會(huì)有一定影響。如圖8所示，為EN1999中規(guī)定的鋁合金疲勞曲線log△σ- logN，標(biāo)準(zhǔn)中給出的相關(guān)曲線數(shù)據(jù)為在高拉伸應(yīng)力（即平均應(yīng)力水平較高）試驗(yàn)下的相關(guān)疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，包括△σc、△m1，對(duì)于低拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力，可根據(jù)應(yīng)力比大小對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，其壽命可相對(duì)加長(zhǎng)，故本節(jié)中計(jì)算相對(duì)更加保守。

圖8 鋁合金疲勞曲線(log△σ- logN)

圖中:△σD為等幅疲勞極限，一般定義在ND=5 106處，當(dāng)N > ND時(shí)，需要考慮高周疲勞應(yīng)力帶來(lái)的影響，而當(dāng)N < ND時(shí)，由于裂紋擴(kuò)展等特性也需要考慮其低周疲勞影響，其斜率會(huì)相對(duì)更大；△σc為在NC=2 106

當(dāng)105≤N≤5 106時(shí)，有

當(dāng)5106≤N≤108時(shí)，有

式中：Ni為計(jì)算應(yīng)力范圍△σi下疲勞之前所能達(dá)到的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，γFf和γMf分別為載荷和材料不確定性的分項(xiàng)系數(shù)，一般γMf=1.0，γFf根據(jù)受力情況進(jìn)行選取。m1和m2分別為上圖中直線斜率的倒數(shù)，且一般m2=m1+2。故當(dāng)求得計(jì)算應(yīng)力范圍△σi后可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，再將其與許用次數(shù)進(jìn)行比較可校核其疲勞強(qiáng)度，另外也可利用許用次數(shù)求對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力范圍進(jìn)而和實(shí)際計(jì)算應(yīng)力范圍進(jìn)行比較。

GB50429中并未對(duì)鋁合金疲勞進(jìn)行闡述，一般是根據(jù)歐洲規(guī)范或者利用鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[9，10]對(duì)鋁合金疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

而ADM2015中僅介紹了N在105≤N≤5 106內(nèi)下的疲勞強(qiáng)度的計(jì)算。且對(duì)于等幅載荷作用下，需滿足

式中：Sra為計(jì)算應(yīng)力范圍，Srd為許用應(yīng)力范圍，N為疲勞破壞載荷循環(huán)次數(shù)，Cf和 m為常數(shù)，查表可得，不同焊接形式下取值不同。對(duì)于變幅載荷作用，需要將其轉(zhuǎn)化為等效應(yīng)力范圍進(jìn)行計(jì)算。

4 鋁合金登船棧橋算例

以某鋁合金可伸縮式登船棧橋?yàn)槔?，如圖9所示為利用SAP2000建立的該棧橋的固定桁架和伸縮桁架模型，其中不同顏色表示不同截面的桁架。該棧橋桁架材料為Al 6082 T6，焊縫材料為Al 5083 H321，均采用MIG焊且退火溫度為常溫。

圖9 鋁合金登船棧橋模型

4.1 對(duì)接焊縫

如圖10所示，以鋁合金桁架之間的對(duì)接焊縫連接為例，分析各國(guó)規(guī)范對(duì)該處焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度及疲勞，此處鋁合金桁架節(jié)點(diǎn)根據(jù)較為惡劣工況下模型計(jì)算得對(duì)應(yīng)的正拉力為141 589 N。

圖10 桁架對(duì)接焊縫連接及截面形式

其中右側(cè)截面為兩個(gè)正方形箱形截面兩側(cè)上下對(duì)接焊縫連接組合而成，陰影部分為對(duì)接焊縫截面，采用全熔透形式，焊縫厚度為12 mm，由于焊縫采用閉合方形，故計(jì)算焊縫面積可直接使用陰影部分面積進(jìn)行計(jì)算。表4中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值已經(jīng)考慮了對(duì)應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，疲勞計(jì)算校核為許用應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在5 106下為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

表4 該處鋁合金對(duì)接焊縫計(jì)算

本例中焊縫和構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為受拉壓時(shí)的設(shè)計(jì)值，焊縫長(zhǎng)度由于偏短各國(guó)規(guī)范并未進(jìn)行折減，且有效焊縫厚度均相等，導(dǎo)致焊縫的計(jì)算強(qiáng)度是一致的。而對(duì)于構(gòu)件的熱影響區(qū)強(qiáng)度，由于熱折減的厚度不同會(huì)導(dǎo)致折減面積不同從而熱影響區(qū)計(jì)算強(qiáng)度會(huì)有所差別，其中熱影響區(qū)厚度GB50429最大，ADM2015最小，而熱影響區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值則GB50429最小，而ADM2015最大，可見(jiàn)GB50429鋁合金設(shè)計(jì)相比于EN1999和ADM2015會(huì)相對(duì)保守。而疲勞校核由于GB50429一般參考EN1999或依照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行求取故未單獨(dú)列出，此外EN1999和ADM2015的疲勞應(yīng)力范圍設(shè)計(jì)值相差不大，而計(jì)算應(yīng)力范圍由于對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)不同會(huì)有一定差距。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可見(jiàn)該處鋁合金對(duì)接焊縫的強(qiáng)度及疲勞滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 角焊縫

如圖11所示，以棧橋根部下端焊接耳板Part II水平角焊縫為例，其焊接形式為直角角焊縫，焊角高度為20 mm，焊縫受水平力F1=2 425 904 N，此時(shí)焊縫主要受剪力。

圖11 桁架根部耳板角焊縫連接

其中對(duì)應(yīng)的焊縫強(qiáng)度和疲勞計(jì)算如表5所示，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為受剪設(shè)計(jì)值，由于該處本身就是對(duì)桁架截面部分的加強(qiáng)，故不需另外校核焊接熱影響區(qū)，主要考慮焊縫的強(qiáng)度和疲勞計(jì)算。

表5 耳板鋁合金角焊縫計(jì)算

5 結(jié)語(yǔ)

本文以各國(guó)規(guī)范中對(duì)對(duì)接焊縫和角焊縫的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行展開(kāi)，并依次介紹了相應(yīng)的焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度和疲勞計(jì)算，并最后以鋁合金可伸縮登船棧橋?yàn)槔?，利用三種規(guī)范對(duì)兩種焊縫進(jìn)行計(jì)算校核。

在各國(guó)鋁合金規(guī)范中，GB50429主要從EN1999中參考而來(lái)，對(duì)接焊縫和角焊縫的計(jì)算，構(gòu)件的熱影響區(qū)截面折減及強(qiáng)度計(jì)算等參考計(jì)算公式基本一致，僅表現(xiàn)在相關(guān)系數(shù)的差別，且相應(yīng)的熱影響區(qū)厚度、應(yīng)力分項(xiàng)系數(shù)等相比于EN1999更大。而ADM2015中采用的焊縫計(jì)算公式相對(duì)單一，并未考慮復(fù)雜焊接形式如T形焊縫等及復(fù)合受力下的計(jì)算，此外其使用相同的焊縫熱影響區(qū)寬度，而并未考慮各種材料和熱處理方式帶來(lái)的影響，但與此同時(shí)其分項(xiàng)系數(shù)會(huì)相對(duì)偏大使得強(qiáng)度設(shè)計(jì)值會(huì)相對(duì)更大。