中印规范的钢结构角焊缝设计对比

李尊鹏

（青岛交通发展集团有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

响应国家一带一路号召，越来越多的中国建筑企业走出国门。印度作为一带一路辐射的国家之一，基础建设正处于高速增长时期，工程技术人员了解印度规范，对进入印度市场，占据发展主导地位起到关键作用。现阶段，国内对于中美、中欧钢结构规范对比研究较多。胡凤琴等［1］基于中美欧钢结构常用钢材性能对比，提出了钢材的等效替换原则。黄聪［2］通过分析中美钢结构焊缝要求，指出了中国规范的焊缝构造要求偏于保守。王敬烨等［3］对中欧规范的螺栓连接承载力进行了比较，确定了二者在承载力设计理论的一致性。

基于上述研究，本文针对中印钢结构规范中的角焊缝设计要求，根据印度钢 IS 800∶2007《结构设计规范》（以下简称“IS∶800”）［4］和中国的 GB 50017－2017《钢结构设计标准》（以下简称“GB 50017”）［5］对钢结构角焊缝设计要求进行比较，包括常用钢材性质、焊缝连接构造、焊缝强度设计要求等，分析两者要求的异同，以便在印从事工程的人员参考。

1 中印常用钢材对比

焊缝强度与多种因素相关，其中钢材特性等级是影响焊缝质量的重要因素之一，中印两国在施工中广泛采用的钢材也有所区别。针对印标广泛采用的 E250、E350 钢材与国标广泛采用的钢材 Q235、Q355 在化学成分、屈服强度、极限抗拉强度、伸长率等进行比较分析［6-8］， 具体异同如表 1、表 2 所示（t为板厚）。

表1 中印常用钢材化学成分对比

表2 中印常用钢材结构强度对比

从化学成分上看，国标中 Q235、Q355 级钢材相较于印标 E250、E350，对焊接质量有不利影响的 C、S、P的含量控制更为严格，比印标控制量低 20 % 左右，对焊接质量有利影响的 Si、Mn 含量控制相当。故国标钢材在焊接性能方面优于印标钢材，特别是在 C、S、P 的含量控制上。

从力学性能上看，钢材强度、伸长率的变化规律也具有统一性。由此也可大致推断，焊缝强度变化规律相当。

2 角焊缝连接构造要求

钢结构焊缝设计中，构造要求是钢结构焊缝强度的基础，以下是针对中印规范在钢结构角焊缝的焊脚尺寸、焊缝计算厚度、焊缝计算长度等连接构造要求上的比较。

2.1 焊脚尺寸要求

角焊缝焊脚尺寸与焊板厚度t有关，针对最小焊脚尺寸hf，中印规范要求如表 3 所示。

通过比较可知，中印规范都强调了焊板预热对最小焊脚尺寸的影响，但侧重点不同。印标强调焊板预热的要求，国标则强调焊板预热对最小焊脚尺寸的影响。在焊接尺寸要求上，国标更为严格。

2.2 焊缝计算厚度

焊缝计算厚度he与焊脚尺寸hf存在相关性，见式（1）。

IS 800 焊缝计算厚度规定：

焊缝计算厚度应在 3 mm≤he≤0.7t，特殊情况下不超过 1t（t为较薄板厚度）。同时，要求两焊板夹角原则上在 60°≤α≤120°，否则需通过工艺评定确定焊缝强度。并给出了 60°～120°的焊缝计算厚度与焊脚尺寸的相关性，如表 4 所示。

表4 不同夹角下 K 值的变化情况

GB 50017 有关焊缝计算厚度的规定，如表 5 所示。

表5 焊接计算厚度

以焊板夹角 60°≤α≤120°、根部间隙b≤1.5 mm为例，可得出中印规范不同夹角下的K值变化情况如图 1 所示。

图1 中印规范 K 值变化情况

2.3 焊缝计算长度

焊缝计算长度，即能承受荷载的焊缝长度，由于焊接方法、焊缝构造等原因，焊缝受力可靠性不同，故不同规范对焊缝计算长度的要求也有所区别。

IS 800 对焊缝最小计算长度lw要求，见式（2）。

式中：l为焊缝实际长度；lw≥4hf。

GB 50017 对焊缝最小计算长度要求，见式（3）。

式中：lw≥8hf，且≥40 mm，否则不应用作受力焊缝。

从焊缝计算长度限制来看，相较于印标，国标对最小计算长度的要求明显严格。

3 角焊缝的设计强度

3.1 焊缝的强度对比

焊缝强度受焊接工艺、焊条、钢材等级、焊接板材厚度等因素的影响，中印规范对焊缝强度设计值的取值标准也有所区别。

在 IS 80 0 中，焊条按屈服强度分为两大类：E×4×××和 E×5×××，按具体焊缝伸长率又有不同划分，如表 6 所示。

表6 焊缝特性

印标并未直接给定角焊缝设计强度值，基于母材等级，考虑工厂与现场的焊接环境、质量等差异，焊缝设计强度值见式（4）。

式中：f fw为焊缝强度设计值；f u为母材或焊缝极限应力强度；γmw为安全系数，现场焊接γmw=1.5，工厂焊接γmw=1.25

故可得角焊缝强度设计值如表 7 所示。

表7 印标角焊缝强度设计值

在 GB 50017 中，有四中不同焊条，包括 E43、E50、E55、E60，针对常用钢材，焊条与焊缝强度取值如表 8 所示。

表8 国标角焊缝设计强度值

通过比较可知，①印标的焊条类型相对较多，并考虑温度影响效应进行了具体分类，焊条的极限抗拉强度也大于国标。②在焊缝强度设计值上，中印在取值方式上有所区别，国标直接给定了设计强度值，而印标则给了强度设计值与母材或焊缝极限应力强度的关系，并考虑了现场焊接与工厂焊接质量差异，确定了焊缝设计强度。③对等级相似钢板的焊缝，国标的焊缝设计强度值介于印标现场焊缝与工厂焊缝之间。

3.2 焊缝强度折减系数

在实际角焊缝荷载计算时，焊缝过长，其焊缝承载力会相应减小。

IS 800 中，针对长焊缝焊接强度折减系数规定如下：当焊缝在受压或受拉作用下，焊缝长度lw≥150he时，角焊缝设计强度的折减系数β见式（5）。

GB 50017 中，当焊缝计算长度lw>60hf时，参考焊脚尺寸为判定依据，查表所得角焊缝设计强度的折减系数α见式（6）。

以直角角焊缝（he=0.7hf）为例，假设焊缝厚度hf=10mm ，我们可以得出不同有效长度下中印规范折减系数对比如图 2 所示。

图2 中印规范焊缝强度折减系数对比

从图 2 可知，中印规范对折减系数要求存在明显差异。根据国标，从lw=600 mm 开始，α呈线性递减，当lw≥1 200 mm 时，α=0.5；根据印标，从lw>1 050 mm 开始，β呈线性递减。总体上，国标下的焊缝折减系数α＜印标值，折减值更大，更为保守。

3.3 焊缝强度计算

角焊缝的应力分析较为复杂，侧面与正面焊缝受力性能也有所区别，很难精确计算。目前，一般采用简化方式进行强度计算。

1）荷载作用下的角焊缝，其破坏截面为沿夹角中心线方向的有效截面。

2）在组合力（正应力、剪力）作用下，应力沿焊缝长度与焊缝计算厚度组成的截面均匀分布。

IS 800 对角焊缝强度计算要求如下。

角焊缝在力的作用下的应力值见式（7）。

GB 50017 对角焊缝强度计算要求如下。

一般角焊缝在承受组合力时，应分别进行计算，并满足σf或τf≤ffw。当承受较大正应力和剪应力时，则应按式（9）折算。

当角焊缝恰为直角时，在组合力作用下，正应力与剪应力应分别进行验算，并满足正应力。

σf≤βfffw，剪应力τf≤ffw，且组合应力应满足式（10）。

式中：N为轴心应力；σf为与焊缝长度方向垂直的正应力；τf为与焊缝长度方向平行的剪应力；βf为正面角焊缝设计强度增大系数：承受静力荷载或间接承受动力荷载的焊缝；βf=1.22；直接承受动力荷载的焊缝βf=1.0。

从角焊缝应力计算方法来看，①一般角焊缝在组合力的作用下，根据材料力学第四强度理论，印标与国标应力组合折算方式相同；国标中考虑了 1.1 倍应力组合折减系数，并要求正应力、剪应力均不得大于焊缝应力设计值；印标只规定了组合应力计算值不得大于焊缝应力设计值。②当角焊缝恰为直角时，相较于印标，国标考虑了正面角焊缝的设计强度增大系数βf，并减小了剪应力在组合力中的影响。

3.4 算例

以简单钢结构直角角焊缝为例，如图 3 所示，两钢板垂直双面焊接，焊缝受斜向作用力N=400 kN，力与焊缝夹角为θ，角焊缝计算长度lw=200 mm，焊脚尺寸hf= 8 mm，钢材为 Q355，人工焊，进行焊缝强度验算［9］。

图3 钢结构直角角焊缝（单位：mm）

根据焊缝强度计算理论，不同力与焊缝的夹角下中印规范对应的焊缝应力值如图 4 所示。

从图 4 可知，①相同受力情况下，国标的计算应力值明显低于印标，不同角度下整体降低约 50 %；②国标焊缝设计承载力介于印标现场焊缝与工厂焊缝设计承载力之间。

图4 中印规范焊缝应力值比较

为检验应力值计算结果，通过 ABAQUS 对焊缝进行受力模拟分析。参考李金风［10］对 Q355 角焊缝焊接接头研究数据（见表 9）。

表9 钢材与焊缝的弹性模量与泊松比

以力与焊缝夹角 30°、60°为例，对焊缝受力进行模拟分析，分析结果如图 5 所示。

图5 焊缝模拟分析应力值

分析可知，①θ=30°时，模拟分析最大应力值约为 105 MPa，为国标理论计算值的 76.7 %，为印标理论计算值的46.4 %；②θ=60°时，模拟分析最大应力值约为 97.5 MPa，为国标理论计算值的 78.6 %，为印标理论计算值的55.7 %。

因此，国标焊缝应力计算结果与实际应力更为贴切，而印标考虑的安全系数更高，焊缝应力计算结果更保守。

4 结论

本文完成了中印钢结构设计规范中角焊缝设计的对比分析，其对比结果如下。

1）在结构强度相同或相近的情况下，相较于国标钢材，印标钢材中 C、S、P 等元素含量高一些，焊接性能差一些。

2）中印规范对焊缝要求及焊接强度计算的基本理论根据是一致的，但在焊缝构造、设计强度的具体要求上存在差异。

3）在角焊缝构造设计要求上，国标对焊脚尺寸、焊缝计算厚度、焊缝计算长度的设计要求更为严格。

4）在角焊缝应力计算值上，中印规范的应力组合折算方式相同，但印标仅对组合折算应力值进行了约束，且取值更为严格；在焊缝强度设计值上，印标区分于工厂焊缝与现场焊缝，对国标焊缝强度设计值的要求有一定的参考作用。

5）通过 Abaqus 数值模拟分析，相对于印标，国标中钢结构角焊缝计算强度更符合焊缝实际受力情况。Q