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焊缝尺寸设计
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焊缝 / IDEA StatiCa 中的焊缝
焊缝尺寸设计
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焊缝尺寸设计

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焊缝是钢结构节点中成本最高、最为关键的组成部分。焊缝设计不足可能导致脆性破坏,而过度设计则会引起过大的收缩变形。自动焊缝尺寸设计旨在实现钢结构节点的快速、一致且安全的设计。

在 IDEA StatiCa Connection 中,所有用户均可使用以下两种焊缝尺寸设计策略:

  • 按全强度设计
  • 按超强度设计

对于欧洲规范用户,还有另外两种策略:

  • 按承载力估算设计
  • 按最小延性设计

焊缝尺寸设计方法在操作对话框中指定。

运行焊缝尺寸设计时,模型中的每条角焊缝均按照所选焊缝尺寸设计方法进行调整。一般而言,焊缝尺寸按以下顺序依次增大:

  1. 按承载力估算设计
  2. 按最小延性设计
  3. 全强度
  4. 按超强度设计

各方法详细说明如下。 

按承载力估算设计

按承载力估算的焊缝尺寸设计可自动提供恰好能传递设定荷载的焊缝尺寸。 

焊缝承载力估算是 IDEA StatiCa 中机器学习的首次应用。目前,该功能仅在欧洲规范中实现。焊缝承载力根据应力最大的焊缝单元确定,因此焊缝承载比具有高度非线性特征。整个焊缝长度的承载力由基于焊缝长度方向应力分布的机器学习算法进行估算。

按承载力估算的焊缝尺寸设计需要计算结果。角焊缝尺寸按以下公式调整:

\[ a_{new} = a \cdot Ut_c / Ut_{target} \]

其中:

  • \(a_{new}\) – 调整后的角焊缝尺寸
  • \(a\) – 原设定的角焊缝尺寸
  • \(Ut_c\) – 基于机器学习算法的承载力估算值,可在焊缝规范校核中查看 
  • \(Ut_{target}\) – 目标承载比,在设置 → 设计 → 自动设计 → 焊缝尺寸设计中指定

计算所得 \(a_{new}\) 按首选项 → 应用单位 → 新实体取整 → 焊缝尺寸中的规则向上取整。 

注意,焊缝尺寸受构造规则限制,例如焊缝尺寸不得小于 3 mm(EN 1993-1-8 – 4.5.2)。这些构造规则均须遵守。此外,请注意 IDEA StatiCa 中多条焊缝通常由一个数值统一设定,在此情况下,焊缝尺寸按承载比最大的焊缝确定。

此外,还提供计算循环功能。当焊缝尺寸设计方法设置为按承载力估算时,程序将:

  1. 将角焊缝尺寸设计为全强度
  2. 计算模型
  3. 将角焊缝尺寸按承载力估算设计
  4. 计算模型

只需单击一次,焊缝承载比即可达到或低于目标承载比。

按最小延性设计

按最小延性的焊缝尺寸设计可自动提供足以防止脆性破坏的焊接节点。焊缝强度允许板件发生初始屈服,但最终由焊缝断裂控制。

FprEN 1993-1-8:2023 – 6.9(4) 中规定了焊接节点最小延性要求。该要求源自 EN 1993-1-8 的荷兰国家附录,其中焊缝强度与板件强度的固定比值为 0.8。该要求也包含在广泛使用的英国绿皮书(Green Books)的 C2 和 C3 章节中。然而,固定比值仅适用于 S355 钢级。在第二代欧洲规范中,该要求已扩展至所有钢级。

双面角焊缝的该要求按以下公式验算:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot \min \left \{1.0, 1.1\frac{f_y}{f_u} \right \}\]

其中:

  • \(a\) – 焊缝计算厚度
  • \(t\) – 边缘连接板件的厚度 
  • \(\beta_w\) – 焊缝相关系数 
  • \(\gamma_{M2}\) – 螺栓和焊缝的安全系数;可在规范设置中编辑
  • \(f_y\) – 板件屈服强度
  • \(f_u\) – 焊缝极限强度
  • \(\gamma_{M0}\) – 板件安全系数;可在规范设置中编辑

单面角焊缝的焊缝计算厚度为双面角焊缝的两倍。

注意,该方法适用于横向受力焊缝,且在板件以全宽连接时有效。

按全强度设计

按全强度的焊缝尺寸设计可自动提供强度高于被连接板件的焊缝。计算中假定板件受拉、焊缝横向受力,作为焊缝强度和延性的最不利工况。该设计方法适用于静力荷载作用下避免焊缝脆性破坏的情形。

该方法也包含在广泛使用的英国绿皮书(Green Books)的 C1 章节中。

双面角焊缝的该要求按以下公式验算:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} }\]

其中:

  • \(a\) – 焊缝计算厚度
  • \(t\) – 边缘连接板件的厚度 
  • \(\beta_w\) – 焊缝相关系数 
  • \(\gamma_{M2}\) – 螺栓和焊缝的安全系数;可在规范设置中编辑
  • \(f_y\) – 板件屈服强度
  • \(f_u\) – 焊缝极限强度
  • \(\gamma_{M0}\) – 板件安全系数;可在规范设置中编辑

注意,该方法适用于横向受力焊缝,且在板件以全宽连接时有效。

按超强度设计

按超强度的焊缝尺寸设计可自动提供远强于被连接板件的焊缝。超强度系数在设置 → 设计 → 自动设计 → 焊缝尺寸设计中指定。默认值 1.4 取自 EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5),用于形成塑性铰。 

计算中假定板件受拉、焊缝横向受力,作为焊缝强度和延性的最不利工况。该设计方法适用于塑性设计或循环荷载作用下避免焊缝脆性破坏的情形。需注意,较大的焊缝尺寸并不自动保证高延性,反而可能导致因焊缝收缩引起的过大残余应力和变形。

双面角焊缝的该要求按以下公式验算:

\[a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot f_{overstrength}\]

其中:

  • \(a\) – 焊缝计算厚度
  • \(t\) – 边缘连接板件的厚度 
  • \(\beta_w\) – 焊缝相关系数 
  • \(\gamma_{M2}\) – 螺栓和焊缝的安全系数;可在规范设置中编辑
  • \(f_y\) – 板件屈服强度
  • \(f_u\) – 焊缝极限强度
  • \(\gamma_{M0}\) – 板件安全系数;可在规范设置中编辑
  • \(f_{overstrength}\) – 超强度系数,在设置 → 设计 → 自动设计 → 焊缝尺寸设计中指定

注意,该方法适用于横向受力焊缝,且在板件以全宽连接时有效。