结合对中美钢结构设计标准GB 50017和AISC 360的理解和应用，对两本标准中有关焊缝连接的相关内容进行了分析和比较，有助于从业人员准确把握和理解两本标准的技术要求，合理应用设计标准条文指导钢结构工程设计。

焊缝连接是建筑钢结构连接的主要形式，GB 50017和AISC 360对焊缝连接的焊缝形式、焊接材料、承载力计算方法、连接构造要求都做出了详细规定，本文讨论和比较了相关的技术内容和要求。

研究内容

Research contents

1 焊缝连接基本计算方法

GB 50017采用概率论为基础的极限状态设计法，通过分项系数表达式进行承载能力状态和正常使用极限状态计算，评价焊缝连接安全性的一般性表达式为：

式中：S为考虑不同荷载组合的作用效应；Rw为焊缝连接的承载力，按Rw=f(a)fw计算，其中，fw为焊缝的设计强度指标，GB50017第三章列出了不同强度等级的结构钢材和焊接工艺对应的焊缝设计强度指标。将Rw的算式代入式(1)可得:

AISC 360提供了两种设计方法可供选择，即“荷载与抗力系数设计法”(Load and Resistance Factor Design，简称“LRFD” 法)，以及“容许强度设计法” ( Allowable Strength Design，简称“ASD法”)。LRFD 法评价焊缝连接安全性的计算表达式为：

式中：Ru为按LRFD荷载组合计算的承载力需求；Rnw为焊缝连接的名义承载力；ϕ为焊缝连接的抗力系数；ϕRnw称为焊缝连接的设计承载力。

ASD法评价焊缝连接安全性的计算表达式为：

式中：Ra为按ASD荷载组合计算的承载力需求；Rnw为焊缝连接的名义承载力；Ω为安全系数；Rnw/Ω为焊缝连接的容许承载力。

采用AISC 360计算建筑钢结构焊缝连接的关键环节是确定构件或连接的名义承载力Rnw，并根据构件或连接的不同受力状态和破坏模式规定对应的ϕ或Ω值。

美国AISC 360同时采用了国际公制和美国英制两种计算单位制,基本长度单位为in或mm (1in≈25.4mm)；应力和强度为ksi或MPa (1ksi≈6.895MPa)。结构钢材、螺栓、栓钉、铆钉的材料性能要求符合美国材料与试验协会相应的技术标准。焊接材料性能要求符合美国焊接协会相应

的技术标准。

2 焊缝连接形式

GB 50017和AISC 360推荐的主要焊缝形式为对接焊缝和角焊缝，以及槽焊缝和塞焊缝。对接焊缝可以是全熔透焊缝或部分熔透焊缝，角焊缝可以是连续焊缝或间断焊缝，槽焊缝和塞焊缝只能用于搭接连接承受剪力或用于避免叠层板件的屈曲或分离的连接。

美国AWS D1.1/D1.1M《钢结构焊接规范》和中国GB 50661—2011《钢结构焊接规范》对焊缝的焊接材料、坡口形式、构造要求、焊接工艺、焊接质量检验方法都做出了详细规定。

3 对接焊缝连接设计

3.1 对接焊缝连接构造要求

对接焊缝的承载力主要与坡口形式、焊缝计算长度lw和焊缝厚度he等参数有关，AISC 360和GB 50017规定全熔透对接焊缝的有效焊缝厚度取两块连接板中较薄板的厚度t1，部分熔透对接焊缝的有效焊缝厚度he取值与焊缝坡口形式有关，GB50017规定he一般取坡口深度s，对于夹角45°左右的V型坡口，取he=s-3mm，AISC 360另外还要求限制部分熔透对接焊缝最小有效焊缝厚度(表1)。

表1AISC360对部分熔透对接焊缝最小有效厚度的要求

3.2 对接焊缝连接计算方法

表2钢材牌号匹配的焊条

部分熔透对接焊缝母材的名义承载力按式(5)计算：

式中：FnBM为焊缝处母材强度指标，ksi(MPa)；ABM为焊缝处母材截面积，in^2(mm^2)。

部分熔透对接焊缝焊材的名义承载力按式(6)计算：

式中：Fnw为焊材的强度指标，ksi(MPa)；Awe为焊缝截面积，in^2(mm^2)。

对于部分熔透对接焊缝，AISC 360要求分别按式(5)和式(6)计算焊缝处母材的承载力ϕRnBM或RnBM/Ω、焊材的承载力ϕRnw或Rnw/Ω，部分熔透对接焊缝的承载力则取母材和焊材承载力两者的较小值，即ϕRnw=min(ϕRnBM，ϕRnw)或Rnw/Ω=min(RnBM/Ω，Rnw/Ω)。AISC 360对不同受力状态的部分熔透对接焊缝规定了相应的ϕ和Ω取值，以及母材名义承载力RnBM和焊材名义承载力Rnw的计算方法。

表3给出了部分熔透对接焊缝在不同受力状态下对应的母材和焊材的ϕ和Ω系数取值，以及对应的强度指标FnBM和Fnw取值。其中，Fu为母材的抗拉强度，Fy为母材的屈服强度，FEXX为焊材的分类强度，例如FE70表示采用的焊材为E70系列或70ksi级，其金属的抗拉强度为70ksi(490MPa)。按照AISC 360设计部分熔透对接焊缝时可以采用等强或低强匹配焊材。

表3部分熔透对接焊缝承载力计算参数

GB 50017将熔透对接焊缝质量等级分为一、二、三级，其中一、二级焊缝的强度设计值与母材相同，而三级焊缝受拉时，强度设计值低于母材，应按式(7)对受拉或受压熔透对接焊缝进行计算：

式中：N为轴心拉力或轴心压力，N；lw为焊缝计算长度，mm；he为焊缝厚度，mm；ft、fc分别为对焊缝受拉、受压强度设计值，MPa。

GB 50017还要求按式(8)计算同时受较大正应力σ和剪应力τ处对接焊缝的折算应力：

对于部分熔透对接焊缝，GB 50017要求按角焊缝计算，并采用文后式(20)和式(21)计算。

3.3 对接焊缝质量检验

GB 50017和AISC 360都明确要求对熔透对接焊缝质量需进行外观检验和无损检验(NDT)。GB 50017规定了熔透对接焊缝质量等级可分为一级、二级和三级，并采用不同的设计强度指标：一级对接焊缝需进行100%无损检验；二级对接焊缝需进行20%无损检验；三级焊缝只需进行外观检验。AISC 360对熔透对接焊缝不规定质量等级差别，但根据结构的重要性和风险等级不同，规定了不同的无损检验比例。对于风险等级Ⅰ类的结构(相当于次要结构)或钢板厚度小于5/16in(8mm)的熔透对接焊缝，无须进行无损检验；对于风险等级Ⅲ类和Ⅳ类的结构( 相当于重要和特殊结构)且钢板厚度大于5/16in(8mm)的受拉熔透对接焊缝应全部进行超声波无损检验；对于风险等级Ⅱ类的结构(相当于一般结构)且钢板厚度大于5/16in(8mm)的受拉熔透对接焊缝应进行10%的超声波无损检验。

4 角焊缝连接设计

4.1 角焊缝连接构造要求

角焊缝的构造要求是实现焊缝可靠传力，并保证焊缝的计算承载力与实际受力状态相一致的必要条件。角焊缝的主要参数是焊脚尺寸hf(AISC 360用w表示)和焊缝计算长度lw(AISC 360用l表示)，GB 50017和AISC 360提出了同样的最小焊脚尺寸hf,min(wmin)限制要求(表4)，搭接焊缝沿母材棱边的最大焊脚尺寸hf,max(wmax)也做出了同样的限值规定：当板厚不大于6mm(1/4in)时，应为母材厚度；当板厚大于6mm(1/4in)时,应为母材厚度减去 2mm(1/16in)。

表4AISC360和GB50017的角焊缝最小焊脚尺寸要求

AISC 360要求限制最小焊缝长度l不小于4倍的焊脚尺寸w，GB 50017规定角焊缝的最小计算长度lw不小于焊脚尺寸hf的8倍, 且不应小于40mm；GB 50017规定焊缝计算长度lw应为扣除引弧、收弧长度后的焊缝长度，AISC360不考虑焊口影响。AISC 360和GB 50017都允许采用断续角焊缝，且限制每段焊缝的最小长度不应小于规定的最小焊缝计算长度。

AISC 360和GB 50017都考虑了剪力沿长焊缝传递不均匀的受力特性，要求对均匀受剪的长角焊缝的有效焊缝长度进行限制或折减。AISC 360采用了对角焊缝有效长度进行折减的方式，并规定当角焊缝长度l超过100w时，应对角焊缝计算长度采用式(9)进行折减：

AISC 360规定，当焊缝长度l超过300w时，有效焊缝长度取180w，相当于规定β≤0.6。GB 50017采用了对长焊缝承载力进行折减的方式，当焊缝计算长度lw超过60hf时，焊缝的承载力设计值应乘以式(10)计算的折减系数αf，并建议最大焊缝计算长度lw不超过180hf：

图1比较了焊脚尺寸hf=10mm时不同长度侧面角焊缝分别采用AISC 360和GB 50017计算的抗剪承载力。在一般短侧面角焊缝长度范围内，按两个标准计算的抗剪承载力基本接近，但对长侧面角焊缝，当假设均匀受剪时，GB 50017计算的承载力比AISC 360保守，通过增加焊缝长度提高抗剪承载力的效果有限，应尽量避免按均匀受剪计算长侧面焊缝。即GB 50017的长焊缝承载力计算公式的一致性有偏差，需要改进和调整。

对于承受剪力的圆塞焊缝和槽塞焊缝(图 2)，AISC 360和GB 50017都要求限制塞焊缝的最大、最小焊孔直径，限制塞焊缝最小间距不小于4倍的塞焊孔直径，限制槽焊缝长度不超过10倍焊缝厚度，限制槽焊缝中心纵向和横向最小间距，限制塞焊缝和槽塞焊缝的最小厚度。

4.2 角焊缝连接承载力计算

AISC 360计算角焊缝承载力时，要求分别计算焊缝处母材的承载力ϕRnBM或RnBM/Ω，焊材的承载力ϕRnw或Rnw/Ω，角焊缝的承载力取两者的较小值，即ϕRn=min(ϕRnBM，ϕRnw)或Rn/Ω=min(RnBM/Ω，Rnw/Ω)，但对不同受力状态的角焊缝规定了相应的ϕ和Ω取值，以及母材名义承载力RnBM和焊材名义承载力Rnw的计算方法。

4.2.1 计算焊缝处母材RnBM

连接角焊缝受剪时,焊缝处母材抗剪名义承载力取毛截面剪切屈服和净截面撕裂名义承载力的较小值。计算毛截面剪切屈服承载力时，取ϕ=1.0或Ω=1.5，焊缝处母材名义抗剪承载力按式(11)计算。

式中：Fy为母材名义屈服强度，ksi(MPa)；Agv为焊缝处母材受剪毛截面积，in^2(mm^2)。

计算净截面剪切撕裂承载力时，取ϕ=0.75或Ω=2.0，焊缝处母材名义抗剪承载力按式(12)计算。

式中：Fu为母材名义抗拉强度，ksi(MPa)；Anv为焊缝处母材受剪净截面积，in^2(mm^2)。

角焊缝连接受压时，计算焊缝处母材抗压承载力，取ϕ=0.9或Ω=1.67，焊缝处母材名义抗压承载力按式(13)计算。

式中：Ag为焊缝处母材受压截面积，in^2(mm^2)。

角焊缝连接受拉时，焊缝处母材的名义抗拉承载力取毛截面屈服和净截面断裂名义承载力的较小值。计算焊缝处毛截面屈服承载力时，焊缝处母材名义抗拉承载力按式(13)计算，系数ϕ和Ω按式(14)确定：

计算角焊缝处净截面受拉断裂承载力时，取ϕ=0.75或Ω=2.0，焊缝处母材的名义抗拉承载力按式(15)计算。

式中：Ae为焊缝处母材受拉净截面积，in^2(mm^2)。

4.2.2 计算焊材的名义承载力Rnw

计算作用力与角焊缝连接平行时，有：

式中：FEXX为焊材金属名义强度，ksi(MPa)；A为

焊缝截面积in^2(mm^2)，受力角焊缝取焊缝长度l与焊缝有效厚度的乘积，而焊缝有效厚度定义为焊根至焊缝表面的最短距离，取 0.7w。

计算作用力通过连接角焊缝形心并与焊缝夹角为θ时，可按式(16)或式(17)计算。

计算作用力通过由平行角焊缝和垂直角焊缝组成的焊缝群形心时，Rnw取按式(18a)和式(18b)计算结果的较大值：

式中：Rnwl为与作用力平行焊缝的名义承载力，ksi(MPa)，按式(16)计算；Rnwt为与作用力垂直焊缝的名义承载力，ksi(MPa)，按式(17)计算。

GB 50017根据作用力方向分为正面角焊缝和侧面角焊缝(图3)。当作用力N与焊缝平行时，称为侧面角焊缝，其强度按式(19)计算：

式中：he为焊缝计算厚度，mm，直角焊缝一般取he=0.7hf；lw为焊缝计算长度，mm，要考虑起灭弧影响。

当作用力N与焊缝平行时，称为正面角焊缝，其强度按式(20)计算：

式中：βf为正面角焊缝强度设计值增大系数，静力分析时取βf=1.22。

4.3 塞焊缝和槽焊缝连接计算

GB 50017和AISC 360都采用角焊缝的抗剪强度指标计算圆塞焊缝、槽塞焊缝和圆孔内或槽孔内角焊缝。AISC 360按式(16)计算圆塞焊缝和槽塞焊缝的名义承载力Rnw，圆塞焊和槽塞焊有效面积Awe取塞焊孔截面积或槽焊孔面积，GB 50017按式(21)计算圆塞焊和槽塞焊强度。

式中：Aw为塞焊圆孔或槽孔的面积，mm^2。

4.4 角焊缝连接算例和讨论

结合图4所示三面围焊角焊缝盖板拼接节点，用GB 50017和AISC 360分别计算焊缝的承载力。钢材为Q345，采用E50焊条等强匹配，拼接钢板宽B=400mm，厚t=20mm，盖板长2l=600mm，宽b=360mm，厚t1=12mm，焊角尺寸hf=10mm。

4.4.1 按GB 50017计算

拼接板设计强度f1=305MPa，盖板设计强度f2=295MPa。角焊缝计算厚度he=7mm，角焊缝设计强度ff=200MPa，正面角焊缝承载力增大系数βf=1.22。

侧面角焊缝计算长度lw1=300-10=290mm，正面角焊缝计算长度lw2=360mm。60hf=600mm>lw1。按照式(19)和式(20)计算的4条侧面角焊缝和2条正面角焊缝的总承载力为：7×(4×290+2×360)×200=2853.8kN。

4.4.2 按AISC 360计算

焊脚尺寸w=10mm，焊缝有效厚度取0.7w=7mm，焊材抗拉强度FEXX=480MPa，平行焊缝长度l1=300mm，垂直焊缝长度l2=360mm。

平行焊缝有效面积Awe1=4×300×7=8400mm^2，名义承载力Rnwl=0.6×480×8400=2419.2kN。垂直焊缝有效面积Awe2=2×360×7=5040mm^2，名义承载力Rnwt=0.6×480×5040=1451.5kN。按照式(18a)计算的承载力为：Rnw=2419.2+1451.5=3870.7kN，ϕRnw=2903kN。按照式(18b)计算的承载力为：Rnw=0.85×2419.2+1.5×1415.5=4179.6kN，ϕRnw=3134.7kN。

从上述算例计算结果对比可以看出：按照GB 50017和AISC 360计算的采用角焊缝拼接的节点承载力基本接近，AISC 360的计算结果略高；比较AISC 360建议的角焊缝群承载力计算公式(18)，可以看出，按式(18b)计算的角焊缝承载力略高于式(18a)的计算结果。

结 论

Conclusions

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