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本章学习要点知识要点掌握程度相关内容焊接结构的特点、类型熟悉焊接结构的优点和不足，了解其分类方法，熟悉其所涉及的力学性能焊接结构优点、不足；按用途、结构形式、制造方法分类；静载力学性能、断裂性能、疲劳性能、应力腐蚀性能、高温力学性能焊接结构力学特征了解三种类型焊接结构的力学特征桁架结构、板壳结构和实体结构的力学特征焊接结构设计熟悉焊接结构设计的基本特点、基本要求、基本方法和合理性分析；结合典型焊接结构实例分析，掌握焊接接头的设计要点设计基本要求：以实用性为核心，以可靠性为前提，以工艺性和经济性为制约条件。从实用性、可靠性、工艺性和经济性四方面进行焊接结构设计的合理性分析1/2532/253由于焊接结构的使用目的不同，所用的材料种类、结构形式、尺寸精度、焊接方法和焊接工艺也不相同，这就使得焊接结构种类颇多。但焊接结构的主要作用是一致的，那就是能够长时间承受自身重量及外部载荷而保持其形状和性能不变。本章只从大型焊接结构的角度考虑，讨论焊接结构的特点、类型、力学特征和设计思路，进一步对典型焊接结构产品进行力学特征和焊接接头设计分析。前言主要内容3/2537.1焊接结构的特点及分类7.2焊接结构力学特征7.3焊接结构设计7.4焊接结构实例分析7.1焊接结构的特点及分类4/2537.1.1焊接结构的特点焊接结构的原材料多为经过轧制的板材和各种断面形状的型材，这些材料的强度高、韧性好、易于加工，因此焊接结构工艺性能和力学性能都非常好，承受动载荷时的疲劳强度也令人满意。与铆接和栓接结构相比，焊接结构具有如下力学特点：1.焊接结构的优点5/253铆接或栓接结构的接头须预先在母材上钻孔，钉孔削弱了连接接头的工作截面，连接接头的强度只有母材强度的80%左右。现代焊接技术已经能够使得焊接接头强度等于甚至高于母材的强度，也具有良好的疲劳性能和断裂韧性。焊接结构多为空心结构或框架结构，与铸造和锻造结构相比，当承受的载荷和工作条件相同时，焊接结构自重较轻、节省材料、所需截面较小，运输和架设也较方便。（1）强度高、重量轻6/253轧制钢板具有良好的塑性，在一般情况下，不会因为局部超载造成突然断裂破坏，而是事先出现较大的变形预兆，以便采取补救措施。轧制钢板还具有良好的韧性，对作用在结构上的动载荷适应性强，为焊接结构的安全使用提供了可靠保证。（2）塑性和韧性好（3）整体性强、刚性大焊接结构为一个整体，具有较大的抗变形7/253能力，因此可以长期保持原有设计形状不变。但是这一优点在结构失效时就变成了缺点，容易造成脆性断裂和整体断裂。（4）结构计算准确可靠钢板和型材的内部组织均匀，各个方向的力学性能基本相同，在一定的应力范围内，钢板和型材处于理想弹性状态，与工程力学所采用的基本假定较吻合，故焊接结构承载能力计算结果准确可靠。8/253（5）结构密封性好采用焊接方法连接容易做到紧密不渗漏，密封性好，适用于制造各种容器，尤其是压力容器。此外，大型焊接结构适用于工厂制造、工地安装的施工方法，结构部件形状尺寸精度高，铆焊和栓焊结构共同存在，使焊接结构综合力学性能得到最大限度的发挥。9/2532.焊接结构的不足之处经过短时高温快速冷却的焊接热循环作用，使得焊接结构具有自身独特的力学特点。（1）较大的残余应力和变形（2）应力集中系数较大（3）焊接接头性能不均匀（4）对材料敏感性强，易产生焊接缺陷10/253只有正确认识并掌握了这些特点，做到合理的结构设计、正确的材料选择、优质的焊接设备、合理的焊接工艺和严格的质量控制，才能生产出综合性能优良的焊接结构。11/2537.1.2焊接结构的分类焊接结构类型众多，其分类方法也不尽相同，各分类方法之间也有交叉和重复现象。即使同一焊接结构之中也有局部的不同结构形式，因此很难准确和清晰地对其进行分类。通常可以从用途（使用者）、结构形式（设计者）和制造方式（生产者）来进行分类，见表7-1。12/253分类方法结构类型焊接结构的代表产品主要受力载荷形式按用途分类运载工具汽车、火车、船舶、飞机、航天器等静载、交变载荷、冲击载荷存贮容器气罐、油罐、料仓等静载压力容器锅炉、钢包、反应釜、冶炼炉、气罐等静载、热疲劳载荷、高温载荷起重设备建筑塔吊、车间行车、汽车吊等静载、低周疲劳载荷建筑设施桥梁、钢结构的房屋、厂房、场馆等静载、风雪载荷、低周疲劳载荷海洋设施船舶、港口起重设备、海洋钻井平台等静载、疲劳载荷、应力腐蚀焊接机器减速机、机床机身、旋转体等静载、交变载荷按结构形式分类桁架结构桥梁、网架结构等静载、低周疲劳载荷、大气腐蚀板壳结构压力容器、锅炉、管道等静载、交变载荷、应力腐蚀实体结构机床机身、机器、旋转体等静载、交变载荷按制造方式分类铆焊结构小型机器结构等静载、交变载荷栓焊结构桥梁、轻钢结构等静载、风雪载荷、低周疲劳铸焊结构机床机身等静载、交变载荷锻焊结构机器零件、大型厚壁压力容器等静载、交变载荷全焊结构起重设备、船舶、压力容器等静载、交变载荷、应力腐蚀表7-1焊接结构的类型13/253从使用者的角度考虑，主要按焊接结构用途进行分类。这样的分类方法不仅适合于专业技术人员，也适合于普通人员，可以使使用者清晰地了解焊接结构的形状尺寸、功能作用、承受载荷类型以及对焊接结构的要求，有利于所用材料的选择和结构设计。例如，提起交通运载工具，人们自然想到的是轻质、高速、安全、能耗等问题。这也是焊接结构设计者和制造者首先考虑的分类方法。14/253从设计者的角度考虑，主要按焊接结构形式进行分类。这样的分类方法主要适用于专业技术人员，有利于设计人员进行受力分析、结构设计、材料选择。主要结构形式有桁架结构、板壳结构和实体结构三种形式，其具体选择依赖于焊接结构的用途、承受载荷的能力和自身重量等。如板壳结构比桁架结构的承载能力大，而实体结构主要用于机器和机床机身等结构。15/253从生产者的角度考虑，主要按焊接结构制造方式进行分类。这样的分类方法主要适用于制造工艺人员，要从焊接结构的使用性能、形状大小、生产规模、制造成本以及材料的加工工艺性能等方面考虑，以便在保证满足使用性能的要求下，提高生产效率，降低制造成本。例如，桥梁多为栓焊结构，其梁柱构件均在工厂内采用焊接方法制造，在工地现场只进行螺栓联接。16/253铸焊结构和锻焊结构是指铸造或锻造部件通过焊接形成尺寸更大，不能一次铸造和锻造的结构，这些方法在大型厚壁重型结构中得到应用。随着焊接技术水平的不断提高，全焊焊接结构得到了快速发展，如船舶、压力容器和起重设备等等。17/2537.1.3焊接结构涉及的力学性能在自身重力载荷、外部载荷和自然力载荷的作用下，焊接结构应具有保持其自身形状不变的能力，即具有抵抗变形和破坏的能力，因此焊接结构必须具有满足使用要求的力学性能。主要考虑的力学性能见表7-2。18/253力学性能具体指标涉及的焊接结构或部件主要试验方法一般静载力学性能屈服强度所有焊接结构拉伸试验拉伸强度所有焊接结构拉伸试验临界失稳压应力承受压力的支柱、薄板结构失稳试验硬度焊接接头硬度试验刚度梁、机床机身拉伸试验抗弯刚度梁、板壳结构弯曲试验抗扭刚度梁、柱结构扭曲试验断裂力学性能缺口韧度所有焊接结构，尤其是低温结构缺口冲击试验断裂韧度厚板和重要焊接结构、低温结构断裂韧性试验表7-2焊接结构涉及的力学性能（接下页）19/253疲劳力学性能疲劳强度承受交变载荷的焊接结构疲劳试验裂纹扩展速率承受交变载荷的焊接结构疲劳裂纹扩展试验应力腐蚀性能应力腐蚀门槛值腐蚀环境下的焊接结构应力腐蚀试验应力腐蚀裂纹扩展速率腐蚀环境下的焊接结构应力腐蚀试验高温力学性能蠕变强度高温焊接结构，如电站锅炉蠕变试验蠕变速率高温焊接结构，如电站锅炉蠕变试验蠕变持久强度高温焊接结构，如电站锅炉蠕变持久强度试验蠕变裂纹扩展速率高温焊接结构，如电站锅炉蠕变裂纹扩展速率试验（续上页）20/2537.2焊接结构力学特征7.2.1桁架结构及其力学特征可容纳6万观众的沈阳奥体中心钢结构工程主拱全长360米，为全国最大的管桁架结构。沈阳奥体中心21/253神舟飞船发射塔架（100多米高）22/2531.桁架结构及适用范围桁架结构又称为杆系结构，是指由长度远大于其宽度和厚度的杆件在节点处通过焊接工艺相互连接组成能够承受横向弯曲的结构，其杆件按照一定的规律组成几何不变结构。焊接桁架结构广泛应用于建筑、桥梁、起重机、高压输电线路和广播电视发射塔架等，如图7-1所示。根据承受荷载大小的不同，又可分为普通桁架(图7-1c)、轻钢桁架(图7-1a)和重型桁架(图7-1b,d,e)。23/253图7-1基于用途的桁架种类a)屋盖桁架b)桥梁桁架c)拱形桥梁桁架d)龙门起重机桁e)悬吊组合桥桁架24/253网架结构是一种高次超静定的空间杆系结构（图7-2）。其空间刚度大、整体性强、稳定性强和安全度高，具有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果，同时兼有重量轻、省材料、制作安装方便等优点，是一种适用于大、中跨度屋盖体系的结构形式。网架结构按外形可分为平板网架(简称网架，见图7-2a)和曲面网架(简称网壳，见图7-2b,c)。网架可布置成双层或三层，双层网架是最常用的一种网架形式。25/253图7-2网架结构a)平面网架b)球冠形网壳c)曲面网壳1-内天沟2-墙架3-轻质条形墙板4-网架板5-悬挂吊车6-混凝土柱7-坡度小立柱8-网架26/253附图1曲面网架钢结构与弧形网架类似，但曲面网架的空间构造更富有变化，也更复杂，由多个平面内的弧线或曲线构成的一个曲面，形成层次更丰富的外观造型。27/253球型钢网壳见附图1，建筑直径21m，建筑高度为20.5m，基本是整球，支座落地，球壳通过20个支点（每个支点设垂直和径向两个支座）支撑在直径10米的钢筋混凝土圆柱上。支座高度为20cm，因此球壳底边直径为10.4m。球壳周边为宽18m，深1m的环形水面，人通过球壳东西两侧水面下的两条通道进入球壳内部，通道两侧设有辅助用房。28/253球壳内部通过10m直径的钢筋混凝土圆筒（厚度为0.3m）建两层设备层，一层在地下，一层在地上，在3.2m标高处钢筋混凝土圆筒延与水平面成750角逐渐增大。上部设两层房屋，一层建筑面积为70m2，二层建筑面积为98m2，屋顶平台建筑面积为138m2，在房屋外侧设旋转楼梯可上到屋顶平台，平台周边设防护栏，在平台上可进行观光及联欢活动。在上半球设有活动马道，马道上端有旋转平台，人可以通过平台的爬梯及电动顶窗到球顶进行检修及维护。29/253附图2大兴西红门直径21m短程线网壳设计30/2532.桁架结构组成及杆件截面形状桁架结构由上弦杆、下弦杆和腹杆三部分组成。桁架结构中常用的型材有工字钢、T型钢、管材、角钢、槽钢、冷弯薄型材、热轧中薄板以及冷轧板等。图7-3给出了常用上弦杆的截面形式。上弦杆承受以压应力为主的压弯力，尤其上部承受较大的压应力，因此构件应具有一定的受压稳定性，结构部件必须连续，必要时加肋板（如图7-3d,e）。31/253图7-3常用上弦杆的截面形式a)角钢b)双角钢c)角钢组焊的箱形d)T形e)槽钢组焊的T形f)槽钢组焊的箱形g)箱形h)工字形32/253图7-4给出了常用的下弦杆的截面形式，下弦杆承受以拉应力为主的拉弯力，结构相对简单。可以看出，桁架结构中上、下弦杆截面形式基本相同，只是考虑到受力情况不同，主受力板位置有所变化。一般情况下，缀板加于受拉侧，肋板加于受压侧。腹杆截面形式与上、下弦杆截面形式也基本相同，腹杆主要承受轴心拉力或轴心压力，所以腹杆截面形式应尽可能对称。33/253图7-4常用下弦杆的截面形式a)角钢b)双角钢c)T形d)槽钢组焊的箱形e)槽钢组焊的箱形f)箱形g)工字形34/2533.桁架结构的焊接节点形式焊接节点是指用焊接方法将各个不同方向的型材组合成整体并承受应力的结构。图7-5a,b,c给出三种将型材直接焊接在一起的节点，这些焊接节点虽然具有强度高、节省材料、重量轻和结构紧凑等优点，但焊接节点处焊缝密集，焊后残余应力高，应力复杂，容易产生严重的应力集中。35/253如果结构承受的是动载荷，则焊接节点应尽量采用对接接头