7.1 焊缝连接

7.1.1 本条是为适应实际需要而新增的条款。条文对焊缝质量等级的选用作了较具体的规定，这是多年实践经验的总结。众所周知，焊缝的质量等级是《钢结构工程施工及验收规范》GBJ 205-83首先规定的。该规范及其修订说明颁布施行以来，很多设计单位即参照该施工规范修订说明第3.4.11条中对焊缝质量等级选用的建议和魏明钟教授编著的《钢结构设计新规范应用讲评》(1991年版)中对焊缝质量等级选用的意见进行设计的，但仍有一些设计人员由于对规范理解不深，在施工图中往往对焊缝质量提出不合理的要求，给施工造成困难。为避免设计中的某些模糊认识，特新增加本条的规定。本条内容实质上是对过去工程实践经验的系统总结，并根据规范修订过程中收集到的意见加以补充修改而成。条文所遵循的原则为：
1 焊缝质量等级主要与其受力情况有关，受拉焊缝的质量等级要高于受压或受剪的焊缝；受动力荷载的焊缝质量等级要高于受静力荷载的焊缝。
2 凡对接焊缝，除非作为角焊缝考虑的部分熔透的焊缝外，一般都要求熔透并与母材等强，故需要进行无损探伤。因此，对接焊缝的质量等级不宜低于二级。
3 在建筑钢结构中，角焊缝一般不进行无损探伤检验，但对外观缺陷的等级(见现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205附录A)可按实际需要选用二级或三级。
4 根据现行国家标准《焊接术语》GB/T 3375-94，凡T形、十字或角接接头的对接焊缝基本上都没有焊脚，这不符合建筑钢结构对这类接头焊缝截面形状的要求。为避免混淆，对上述对接焊缝应一律按《焊接术语》书写为“对接和角接组合焊缝”(下同)。
最后需强调的是本条规定与本规范表3.4.1-3的关系问题。本条是供设计人员如何根据焊缝的重要性、受力情况、工作条件和设计要求等对焊缝质量等级的选用作出原则和具体规定，而表3.4.1-3则是根据对接焊缝的不同质量等级对各种受力情况下的强度设计值作出规定，这是两种性质不同的规定。在表3.4.1-3中，虽然受压和受剪的对接焊缝不论其质量等级如何均具有相同的强度设计值，但不能据此就误认为这种焊缝可以不考虑其重要性和其他条件而一律采用三级焊缝。正如质量等级为一、二级的受拉对接焊缝虽具有相同的强度设计值，但设计时不能据此一律选用二级焊缝的情况相同。
另外，为了在工程质量标准上与国际接轨，对要求熔透的与母材等强的对接焊缝(不论是承受动力荷载或静力荷载，亦不论是受拉或受压)，其焊缝质量等级均不宜低于二级，因为在《美国钢结构焊接规范》AWS中对上述焊缝的质量均要求进行无损探伤，而我国规范对三级焊缝是不进行无损探伤的。
7.1.2 凡要求等强的对接焊缝施焊时均应采用引弧板和引出板，以避免焊缝两端的起、落弧缺陷。在某些特殊情况下无法采用引弧板和引出板时，计算每条焊缝长度时应减去2t(t为焊件的较小厚度)，因为缺陷长度与焊件的厚度有关，这是参照前苏联钢结构设计规范的规定。
7.1.3 角焊缝两焊脚边夹角为直角的称为直角角焊缝，两焊脚边夹角为锐角或钝角的称为斜角角焊缝。本条文规定的计算方法仅适用于直角角焊缝的计算。
角焊缝按它与外力方向的不同可分为侧面焊缝、正面焊缝、斜焊缝以及由它们组合而成的围焊缝。由于角焊缝的应力状态极为复杂，因而建立角焊缝计算公式要靠试验分析。国内外的大量试验结果证明，角焊缝的强度和外力的方向有直接关系。其中，侧面焊缝的强度最低，正面焊缝的强度最高，斜焊缝的强度介于二者之间。
国内对直角角焊缝的大批试验结果表明：正面焊缝的破坏强度是侧面焊缝的1.35～1.55倍。并且通过有关的试验数据，通过加权回归分析和偏于安全方面的修正，对任何方向的直角角焊缝的强度条件可用下式表达(图18)：

式中 σ_⊥——垂直于焊缝有效截面(h_el_w)的正应力；
τ_⊥——有效截面上垂直焊缝长度方向的剪应方；
τ_∥——有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力；
f^w_f——角焊缝的强度设计值(即侧面焊缝的强度设计值)。
公式(60)的计算结果与国外的试验和推荐的计算方法是相符的。

图18 角焊缝的计算

现将公式(60)转换为便于使用的计算式，如图18所示，令σ_f为垂直于焊缝长度方向按焊缝有效截面计算的应力：

它既不是正应力也不是剪应力，但可分解为：

又令τ_f为沿焊缝长度方向按焊缝有效截面计算的剪应力，显然：

将上述σ_⊥、τ_⊥、τ_∥代入公式(60)中，得： 

式中 β_f——正面角焊缝强度的增大系数，β_f＝1.22。
对正面角焊缝，N_y＝0，只有垂直于焊缝长度方向的轴心力N_x作用：

对侧面角焊缝，N_x＝0，只有平行于焊缝长度方向的轴心力N_y作用：

以上就是规范中公式(7.1.3-1)至公式(7.1.3-3)的来源。对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，采用上述公式，令β_f＝1.22，可以保证安全。但对直接承受动力荷载的结构，正面角焊缝强度虽高但刚度较大，应力集中现象也较严重，又缺乏足够的试验依据，故规定取β_f＝1.0。
当垂直于焊缝长度方向的应力有分别垂直于焊缝两个直角边的应力σ_fx和σ_fy时(图19)，可从公式(60)导出下式：

图19 角焊缝σ_fx、σ_fy和τ_f共同作用

式中对使用焊缝有效截面受拉的σ_fx或σ_fy取为正值，反之取负值。
由于此种受力复杂的角焊缝我们还研究得不够，在工程实践中又极少遇到，所以未将此种情况列入规范。不过我们建议，这种角焊缝宜采用不考虑应力方向的计算式进行计算，即：

另外，角焊缝的计算长度在这次修订时改为实际长度减去2h_f(原规范为10mm)，这不仅更符合实际且与《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018相一致。

图20 T形接头的根部间隙和焊缝截面

b-根部间隙；h_f-焊脚尺寸；h_e-焊缝计算厚度

由图20中几何关系可知

  由此可得斜角角焊缝计算厚度h_ei的通式：

当b_i≤1.5mm时，可取b_i＝0，代入公式(67)后，即得h_ei＝h_ficosα_i/2。
当b_i＞5mm时，焊缝质量不能保证，应采取专门措施解决。一般是图20(a)中的b 1可能大于5mm，则可将板边切成图20(b)的形式，并使b≤5mm。
对于斜T形接头的角焊缝，在设计图中应绘制大样，详细标明两侧角焊缝的焊脚尺寸。
7.1.5 部分焊透的对接焊缝，包括图7.1.5c的部分焊透的对接与角接组合焊缝(按《焊接术语》GB/T 3375-94)，其工作情况与角焊缝类似，仍按本规范公式(7.1.3-1)至公式(7.1.3-3)计算焊缝强度，但取β_f＝1.0，即不考虑应力方向。
考虑到α≥60°的V形坡口，焊缝根部可以焊满，故取h_e＝s；当α＜60°时，取h_e＝0.75s，是考虑焊缝根部不易焊满和在熔合线上强度较低的情况。
这次修订时，参照AWS 1998，并与《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ 81相协调，将单边V形和K形坡口(图7.1.5b、c)，从V形坡口中分离出来，单独立项，并补充规定了这种焊缝计算厚度的计算方法。严格说，上述各种焊缝的计算厚度应根据焊接方法、坡口形式及尺寸和焊缝位置的不同分别确定，详见《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ 81。由于差别较小，本条采用了简化的表达方式，其计算结果与焊接技术规程基本相同。
另外，由于熔合线上的焊缝强度比有效截面处低约10％，所以规定为：当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最小距离s时，抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9。对于垂直于焊缝长度方向受力的不予焊透对接焊缝，因取β_f＝1.0，已具有一定的潜力，此种情况不再乘0.9。
在垂直于焊缝长度方向的压力作用下；由于可以通过焊件直接传递一部分内力，根据试验研究，可将强度设计值乘以1.22，相当于取β_f＝1.22，而且不论熔合线处焊缝截面边长是否等于最小距离s，均可如此处理。