第6章焊接結構設計方法焊接結構的基本要求、載荷焊接結構的失效形式常規設計方法（許用應力設計法）概率極限狀態設計法分析設計焊接結構的構造設計 6.1焊接結構的基本要求一、結構效能指結構系統分配給各個構件部分所應具有的能力二、壽命周期費用三、結構工藝性要求四、結構的可靠性與維修性五、焊接結構的風險與結構完整性6.2載荷一、載荷分類（1）靜力載荷包括重力載荷和不隨時間變化的工作載荷（2）動力載荷包括慣性載荷和沖擊載荷（3）自然載荷專指風、冰、雪、地震和溫度變化等自然因素所造成的載荷二、載荷組合（1）基本載荷指始終或經常作用在焊接結構上的載荷包括自重載荷和工作載荷（2）附加載荷指在正常工作狀態下，焊接結構所受到的非經常性作用的載荷包括最大風載荷、溫度載荷、冰雪載荷以及某些工藝載荷等（3）特殊載荷指處于非工作狀態下，焊接結構可能受到的最大載荷，或者在工作狀態下，結構偶然受到的不利載荷組合Ⅰ：基本載荷；組合Ⅱ：基本載荷+附加載荷；組合Ⅲ：基本載荷+特殊載荷或三類載荷都組合。強度和穩定性的安全系數必須同時滿足組合Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三類情況下的規定值疲勞強度只按載荷組合Ⅰ進行計算6.3焊接結構的失效形式失效：焊接結構中，由于焊接接頭斷裂、表面損傷、過量變形和材質劣化，導致降低結構承受規定載荷能力的現象。一、斷裂失效斷裂是構件在外力作用下，當其應力達到材料的斷裂強度時產生的破壞主要形式：（1）脆性斷裂（2）塑性斷裂（3）疲勞斷裂（4）蠕變斷裂二、表面損傷表面損傷：構件由于應力或溫度的作用造成的表面材料損耗，或者是由于構件與介質產生不希望有的化學或電化學反應而使金屬表面損傷主要形式（1）磨損可分為磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損等（2）腐蝕損傷包括均勻腐蝕、電化學腐蝕、摩擦腐蝕、空蝕、應力腐蝕和高溫腐蝕等（3）接觸疲勞包括表面麻點、亞表面麻點和剝落等三、過量變形過量變形：金屬構件在使用過程中產生超過設計配合引起的過量形變。主要形式：（1）過量彈性變形（2）過量塑性變形四、材質變化失效材質變化失效：由冶金因素、化學作用、輻射效應和高溫長時間作用等因素引起材質變化，使材料性能降低而發生的失效現象。6.4焊接結構承載能力的設計計算方法6.4.1常規設計方法（許用應力設計法）（1）強度準則式中，lim—極限應力。

一次斷裂

材料的強度極限

疲勞斷裂

構件的疲勞極限

塑性變形

材料的屈服極限

表面接觸疲勞

零件的接觸疲勞極限

n—安全系數（2）剛度準則

式中，y

—彈性變形量；[y]—許用變形量（3）壽命準則（4）振動穩定性準則振動穩定性準則是指設計時使結構中受激振作用的各零件的固有頻率f與激振源的頻率fP錯開

或6.4.2概率極限狀態設計法一、結構的可靠度結構的可靠性：結構在規定的條件下和規定的時間內，完成預定功能的能力。結構的可靠度：對結構可靠性的定量描述，即結構在規定的條件下和規定的時間內，完成預定功能的概率。設計基準期長，可靠度要求就高二、結構的極限狀態整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求，稱此特定狀態為該功能的極限狀態我國《鋼結構設計規范》（GB50017-2003規范）規定承重結構應按下列二類極限狀態進行設計：（1）承載能力極限狀態對應于結構或構件達到最大承載能力或出現不適用于繼續承載的變形（2）正常使用極限狀態對應于結構或構件達到正常使用或耐久能力的某項規定的限制值三、概率極限狀態設計原理影響結構完成特定功能的兩個基本因素：（1）載荷效應S：指載荷作用在結構上所引起的結構及其構件的應力和變形（2）結構抗力Z：指結構及其構件承受載荷效應的能力結構的功能函數表示為

Z=R–SR和S都是隨機變量，其函數Z也是一個隨機變量功能函數Z存在以下三種可能狀態：>0結構處于可靠狀態

Z=R–S=0結構達到極限狀態

<0結構處于失效狀態結構或構件的失效概率可表示為失效概率Pf與可靠度指標β的關系

結構構件設計時采用的可靠度指標，可根據對現有結構構件的可靠度分析，并考慮使用經驗和經濟因素等確定我國《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068—2001）規定，結構構件承載能力極限狀態的可靠指標，不應小于表6-2的規定。

6.4.3分析設計一、分析設計的基本思想分析設計是對結構進行詳細的應力分析，然后進行應力分類，且對不同類型應力按不同的設計準則來限制，合理地區別對待。設計步驟：結構分析→應力分析→應力分類→計算應力強度→校核應力強度分析設計采用最大剪應力理論（第三強度理論）作為判據、采用較高的許用應力二、應力分析的有限元法有限元法的基本思想：將一個連續域中的無限自由度問題轉化為離散域中的有限自由度問題有限元法的一般步驟：結構的離散化→選擇位移模式→建立平衡方程→求解節點位移→計算單元中的應變和應力6.5焊接結構的構造設計6.5.1截面設計截面設計是結構剛度計算的主要工作。一、抗彎截面設計材料確定后，構件的抗彎剛度主要由抗彎慣性矩的大小決定二、抗扭截面設計材料確定后，構件的抗扭剛度主要由抗扭慣性矩的大小決定6.5.2可達性設計焊接的可達性是使每條焊縫都能方便地施焊檢驗的可達性應使需要質量檢驗的焊縫能順利地進行檢驗焊縫位置應便于施焊，

有利于保證焊縫質量

盡量在水平位置焊接除焊接空間位置外，還應考慮各種焊接方法所需要的施焊操作空間6.5.3焊接應力和變形控制設計通過合理布置焊縫來減小焊接應力和變形主要途徑如下：一、盡量減少焊縫數量二、選擇合理的焊縫形狀和尺寸應采用盡量小的焊縫尺寸采用開坡口的焊縫比不開坡口而用一般角焊縫可減少焊縫金屬，對減小角變形有利選擇合理的坡口形式三、盡可能分散布置焊縫焊縫集中分布容易使接頭過熱，是材料的力學性能降低焊縫過分集中使應力分布更不均勻，而且還會出現雙向或三向復雜的應力狀態兩條焊縫的間距一般要求對于3倍或5倍的板厚四、盡可能對稱分布焊縫焊縫對稱分布可使各條焊縫的焊接變形相互抵消箱型結構

（a）焊縫集中于中性軸一側，彎曲變形大

（b）焊縫安排合理6.5.4抗震性設計只有重要的結構要求地震情況下不