李尊鵬

（青島交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

響應(yīng)國家一帶一路號(hào)召，越來越多的中國建筑企業(yè)走出國門。印度作為一帶一路輻射的國家之一，基礎(chǔ)建設(shè)正處于高速增長時(shí)期，工程技術(shù)人員了解印度規(guī)范，對進(jìn)入印度市場，占據(jù)發(fā)展主導(dǎo)地位起到關(guān)鍵作用?，F(xiàn)階段，國內(nèi)對于中美、中歐鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對比研究較多。胡鳳琴等［1］基于中美歐鋼結(jié)構(gòu)常用鋼材性能對比，提出了鋼材的等效替換原則。黃聰［2］通過分析中美鋼結(jié)構(gòu)焊縫要求，指出了中國規(guī)范的焊縫構(gòu)造要求偏于保守。王敬燁等［3］對中歐規(guī)范的螺栓連接承載力進(jìn)行了比較，確定了二者在承載力設(shè)計(jì)理論的一致性。

基于上述研究，本文針對中印鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的角焊縫設(shè)計(jì)要求，根據(jù)印度鋼 IS 800∶2007《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱“IS∶800”）［4］和中國的 GB 50017－2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“GB 50017”）［5］對鋼結(jié)構(gòu)角焊縫設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較，包括常用鋼材性質(zhì)、焊縫連接構(gòu)造、焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求等，分析兩者要求的異同，以便在印從事工程的人員參考。

1 中印常用鋼材對比

焊縫強(qiáng)度與多種因素相關(guān)，其中鋼材特性等級(jí)是影響焊縫質(zhì)量的重要因素之一，中印兩國在施工中廣泛采用的鋼材也有所區(qū)別。針對印標(biāo)廣泛采用的 E250、E350 鋼材與國標(biāo)廣泛采用的鋼材 Q235、Q355 在化學(xué)成分、屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、伸長率等進(jìn)行比較分析［6-8］， 具體異同如表 1、表 2 所示（t為板厚）。

表1 中印常用鋼材化學(xué)成分對比

表2 中印常用鋼材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對比

從化學(xué)成分上看，國標(biāo)中 Q235、Q355 級(jí)鋼材相較于印標(biāo) E250、E350，對焊接質(zhì)量有不利影響的 C、S、P的含量控制更為嚴(yán)格，比印標(biāo)控制量低 20 % 左右，對焊接質(zhì)量有利影響的 Si、Mn 含量控制相當(dāng)。故國標(biāo)鋼材在焊接性能方面優(yōu)于印標(biāo)鋼材，特別是在 C、S、P 的含量控制上。

從力學(xué)性能上看，鋼材強(qiáng)度、伸長率的變化規(guī)律也具有統(tǒng)一性。由此也可大致推斷，焊縫強(qiáng)度變化規(guī)律相當(dāng)。

2 角焊縫連接構(gòu)造要求

鋼結(jié)構(gòu)焊縫設(shè)計(jì)中，構(gòu)造要求是鋼結(jié)構(gòu)焊縫強(qiáng)度的基礎(chǔ)，以下是針對中印規(guī)范在鋼結(jié)構(gòu)角焊縫的焊腳尺寸、焊縫計(jì)算厚度、焊縫計(jì)算長度等連接構(gòu)造要求上的比較。

2.1 焊腳尺寸要求

角焊縫焊腳尺寸與焊板厚度t有關(guān)，針對最小焊腳尺寸hf，中印規(guī)范要求如表 3 所示。

通過比較可知，中印規(guī)范都強(qiáng)調(diào)了焊板預(yù)熱對最小焊腳尺寸的影響，但側(cè)重點(diǎn)不同。印標(biāo)強(qiáng)調(diào)焊板預(yù)熱的要求，國標(biāo)則強(qiáng)調(diào)焊板預(yù)熱對最小焊腳尺寸的影響。在焊接尺寸要求上，國標(biāo)更為嚴(yán)格。

2.2 焊縫計(jì)算厚度

焊縫計(jì)算厚度he與焊腳尺寸hf存在相關(guān)性，見式（1）。

IS 800 焊縫計(jì)算厚度規(guī)定：

焊縫計(jì)算厚度應(yīng)在 3 mm≤he≤0.7t，特殊情況下不超過 1t（t為較薄板厚度）。同時(shí)，要求兩焊板夾角原則上在 60°≤α≤120°，否則需通過工藝評定確定焊縫強(qiáng)度。并給出了 60°～120°的焊縫計(jì)算厚度與焊腳尺寸的相關(guān)性，如表 4 所示。

表4 不同夾角下 K 值的變化情況

GB 50017 有關(guān)焊縫計(jì)算厚度的規(guī)定，如表 5 所示。

表5 焊接計(jì)算厚度

以焊板夾角 60°≤α≤120°、根部間隙b≤1.5 mm為例，可得出中印規(guī)范不同夾角下的K值變化情況如圖 1 所示。

圖1 中印規(guī)范 K 值變化情況

2.3 焊縫計(jì)算長度

焊縫計(jì)算長度，即能承受荷載的焊縫長度，由于焊接方法、焊縫構(gòu)造等原因，焊縫受力可靠性不同，故不同規(guī)范對焊縫計(jì)算長度的要求也有所區(qū)別。

IS 800 對焊縫最小計(jì)算長度lw要求，見式（2）。

式中：l為焊縫實(shí)際長度；lw≥4hf。

GB 50017 對焊縫最小計(jì)算長度要求，見式（3）。

式中：lw≥8hf，且≥40 mm，否則不應(yīng)用作受力焊縫。

從焊縫計(jì)算長度限制來看，相較于印標(biāo)，國標(biāo)對最小計(jì)算長度的要求明顯嚴(yán)格。

3 角焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度

3.1 焊縫的強(qiáng)度對比

焊縫強(qiáng)度受焊接工藝、焊條、鋼材等級(jí)、焊接板材厚度等因素的影響，中印規(guī)范對焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值標(biāo)準(zhǔn)也有所區(qū)別。

在 IS 80 0 中，焊條按屈服強(qiáng)度分為兩大類：E×4×××和 E×5×××，按具體焊縫伸長率又有不同劃分，如表 6 所示。

表6 焊縫特性

印標(biāo)并未直接給定角焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，基于母材等級(jí)，考慮工廠與現(xiàn)場的焊接環(huán)境、質(zhì)量等差異，焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度值見式（4）。

式中：f fw為焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；f u為母材或焊縫極限應(yīng)力強(qiáng)度；γmw為安全系數(shù)，現(xiàn)場焊接γmw=1.5，工廠焊接γmw=1.25

故可得角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如表 7 所示。

表7 印標(biāo)角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

在 GB 50017 中，有四中不同焊條，包括 E43、E50、E55、E60，針對常用鋼材，焊條與焊縫強(qiáng)度取值如表 8 所示。

表8 國標(biāo)角焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度值

通過比較可知，①印標(biāo)的焊條類型相對較多，并考慮溫度影響效應(yīng)進(jìn)行了具體分類，焊條的極限抗拉強(qiáng)度也大于國標(biāo)。②在焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值上，中印在取值方式上有所區(qū)別，國標(biāo)直接給定了設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，而印標(biāo)則給了強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與母材或焊縫極限應(yīng)力強(qiáng)度的關(guān)系，并考慮了現(xiàn)場焊接與工廠焊接質(zhì)量差異，確定了焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度。③對等級(jí)相似鋼板的焊縫，國標(biāo)的焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度值介于印標(biāo)現(xiàn)場焊縫與工廠焊縫之間。

3.2 焊縫強(qiáng)度折減系數(shù)

在實(shí)際角焊縫荷載計(jì)算時(shí)，焊縫過長，其焊縫承載力會(huì)相應(yīng)減小。

IS 800 中，針對長焊縫焊接強(qiáng)度折減系數(shù)規(guī)定如下：當(dāng)焊縫在受壓或受拉作用下，焊縫長度lw≥150he時(shí)，角焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度的折減系數(shù)β見式（5）。

GB 50017 中，當(dāng)焊縫計(jì)算長度lw>60hf時(shí)，參考焊腳尺寸為判定依據(jù)，查表所得角焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度的折減系數(shù)α見式（6）。

以直角角焊縫（he=0.7hf）為例，假設(shè)焊縫厚度hf=10mm ，我們可以得出不同有效長度下中印規(guī)范折減系數(shù)對比如圖 2 所示。

圖2 中印規(guī)范焊縫強(qiáng)度折減系數(shù)對比

從圖 2 可知，中印規(guī)范對折減系數(shù)要求存在明顯差異。根據(jù)國標(biāo)，從lw=600 mm 開始，α呈線性遞減，當(dāng)lw≥1 200 mm 時(shí)，α=0.5；根據(jù)印標(biāo)，從lw>1 050 mm 開始，β呈線性遞減。總體上，國標(biāo)下的焊縫折減系數(shù)α＜印標(biāo)值，折減值更大，更為保守。

3.3 焊縫強(qiáng)度計(jì)算

角焊縫的應(yīng)力分析較為復(fù)雜，側(cè)面與正面焊縫受力性能也有所區(qū)別，很難精確計(jì)算。目前，一般采用簡化方式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

1）荷載作用下的角焊縫，其破壞截面為沿夾角中心線方向的有效截面。

2）在組合力（正應(yīng)力、剪力）作用下，應(yīng)力沿焊縫長度與焊縫計(jì)算厚度組成的截面均勻分布。

IS 800 對角焊縫強(qiáng)度計(jì)算要求如下。

角焊縫在力的作用下的應(yīng)力值見式（7）。

GB 50017 對角焊縫強(qiáng)度計(jì)算要求如下。

一般角焊縫在承受組合力時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算，并滿足σf或τf≤ffw。當(dāng)承受較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力時(shí)，則應(yīng)按式（9）折算。

當(dāng)角焊縫恰為直角時(shí)，在組合力作用下，正應(yīng)力與剪應(yīng)力應(yīng)分別進(jìn)行驗(yàn)算，并滿足正應(yīng)力。

σf≤βfffw，剪應(yīng)力τf≤ffw，且組合應(yīng)力應(yīng)滿足式（10）。

式中：N為軸心應(yīng)力；σf為與焊縫長度方向垂直的正應(yīng)力；τf為與焊縫長度方向平行的剪應(yīng)力；βf為正面角焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度增大系數(shù)：承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的焊縫；βf=1.22；直接承受動(dòng)力荷載的焊縫βf=1.0。

從角焊縫應(yīng)力計(jì)算方法來看，①一般角焊縫在組合力的作用下，根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，印標(biāo)與國標(biāo)應(yīng)力組合折算方式相同；國標(biāo)中考慮了 1.1 倍應(yīng)力組合折減系數(shù)，并要求正應(yīng)力、剪應(yīng)力均不得大于焊縫應(yīng)力設(shè)計(jì)值；印標(biāo)只規(guī)定了組合應(yīng)力計(jì)算值不得大于焊縫應(yīng)力設(shè)計(jì)值。②當(dāng)角焊縫恰為直角時(shí)，相較于印標(biāo)，國標(biāo)考慮了正面角焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度增大系數(shù)βf，并減小了剪應(yīng)力在組合力中的影響。

3.4 算例

以簡單鋼結(jié)構(gòu)直角角焊縫為例，如圖 3 所示，兩鋼板垂直雙面焊接，焊縫受斜向作用力N=400 kN，力與焊縫夾角為θ，角焊縫計(jì)算長度lw=200 mm，焊腳尺寸hf= 8 mm，鋼材為 Q355，人工焊，進(jìn)行焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算［9］。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)直角角焊縫（單位：mm）

根據(jù)焊縫強(qiáng)度計(jì)算理論，不同力與焊縫的夾角下中印規(guī)范對應(yīng)的焊縫應(yīng)力值如圖 4 所示。

從圖 4 可知，①相同受力情況下，國標(biāo)的計(jì)算應(yīng)力值明顯低于印標(biāo)，不同角度下整體降低約 50 %；②國標(biāo)焊縫設(shè)計(jì)承載力介于印標(biāo)現(xiàn)場焊縫與工廠焊縫設(shè)計(jì)承載力之間。

圖4 中印規(guī)范焊縫應(yīng)力值比較

為檢驗(yàn)應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果，通過 ABAQUS 對焊縫進(jìn)行受力模擬分析。參考李金風(fēng)［10］對 Q355 角焊縫焊接接頭研究數(shù)據(jù)（見表 9）。

表9 鋼材與焊縫的彈性模量與泊松比

以力與焊縫夾角 30°、60°為例，對焊縫受力進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如圖 5 所示。

圖5 焊縫模擬分析應(yīng)力值

分析可知，①θ=30°時(shí)，模擬分析最大應(yīng)力值約為 105 MPa，為國標(biāo)理論計(jì)算值的 76.7 %，為印標(biāo)理論計(jì)算值的46.4 %；②θ=60°時(shí)，模擬分析最大應(yīng)力值約為 97.5 MPa，為國標(biāo)理論計(jì)算值的 78.6 %，為印標(biāo)理論計(jì)算值的55.7 %。

因此，國標(biāo)焊縫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力更為貼切，而印標(biāo)考慮的安全系數(shù)更高，焊縫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更保守。

4 結(jié)論

本文完成了中印鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中角焊縫設(shè)計(jì)的對比分析，其對比結(jié)果如下。

1）在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相同或相近的情況下，相較于國標(biāo)鋼材，印標(biāo)鋼材中 C、S、P 等元素含量高一些，焊接性能差一些。

2）中印規(guī)范對焊縫要求及焊接強(qiáng)度計(jì)算的基本理論根據(jù)是一致的，但在焊縫構(gòu)造、設(shè)計(jì)強(qiáng)度的具體要求上存在差異。

3）在角焊縫構(gòu)造設(shè)計(jì)要求上，國標(biāo)對焊腳尺寸、焊縫計(jì)算厚度、焊縫計(jì)算長度的設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格。

4）在角焊縫應(yīng)力計(jì)算值上，中印規(guī)范的應(yīng)力組合折算方式相同，但印標(biāo)僅對組合折算應(yīng)力值進(jìn)行了約束，且取值更為嚴(yán)格；在焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值上，印標(biāo)區(qū)分于工廠焊縫與現(xiàn)場焊縫，對國標(biāo)焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的要求有一定的參考作用。

5）通過 Abaqus 數(shù)值模擬分析，相對于印標(biāo)，國標(biāo)中鋼結(jié)構(gòu)角焊縫計(jì)算強(qiáng)度更符合焊縫實(shí)際受力情況。Q