中美钢结构焊缝连接设计差异比较分析

摘要本文对中国GB50017-2003《钢结构设计规范》及美国钢结构设计规范“Specification for Structure Steel Building-Allowable Stress Design and Plastic Design-1989”中关于焊缝连接节点设计的构造要求及计算方法进行对比分析，得出中美钢结构设计规范关于焊缝连接节点设计安全度差异水平的定性数据，为相关专业设计人员提供参考。

关键词：钢结构 规范 节点 焊缝

1、概述

随着建筑工艺的不断革新和建筑理念的日益转变，钢结构在建筑领域中占有越来越重要的地位，而钢结构连接节点设计是钢结构设计中的十分重要环节。近年来，我国与世界上其他国家合作的工程建设项目的不断增加，工程设计人员有越来越多的机会接触到国外的设计规范。在中国工程领域中，很多项目原设计按美国规范设计，而因建造在中国，所有的钢结构设计都必须同时满足中国规范和美国规范，这就迫切需要我国工程设计人员学习和运用中国和美国钢结构设计规范。

本文对中国钢结构规范GB50017-2003《钢结构设计规范》及美国的钢结构设计规范“Specification for Structure Steel Building-Allowable Stress Design and Plastic Design-1989”（简称ASD89）节点设计中的角焊缝构造要求及承载力进行了对比，找出两国规范之间的共同之处及差异，得出包络的设计方法，为工程设计人员提供参考。

2、中美钢结构设计规范概述

钢结构根据设计理念的不同，共存在两种设计方法，一种是容许应力法（ASD法），另一种是基于概率和可靠度的极限状态设计，也称为荷载分项系数法。美国的ASD89采用的是容许应力法，而中国的GB50017-2003采用的是荷载分项系数法。

容许应力法要求结构在荷载作用下，其构件和节点应力不超过规范规定的容许应力，容许应力是指材料强度除以安全系数，弯剪扭受力状态下安全系数各不相同。荷载分项系数法是在设计过程中，设置反映各荷载的不确定性并与结构可靠度概念相关联的一个数值，称为组合系数，对荷载工况进行组合，荷载组合下结构的应力不大于材料的名义抗力。

3、构造

角焊缝设计中的构造措施主要包括焊缝最小焊脚高度，最大焊脚高度，最小长度和断续焊缝的长度四个方面：

3.1、角焊缝高度最小限值

如果板件厚度较大而焊缝焊脚尺寸过小，施焊时焊缝冷却速度过快，可能产生淬硬组织，易使焊缝附近主体金属产生裂纹。因此，应对角焊缝的焊脚的尺寸需规定其最小限值。

中国规范规定： ，当 时，取 ；对埋弧自动焊 可减少1mm； T形连接的单面角焊缝 可增加1mm （ 为较厚焊件厚度）。

美国规范ASD89根据较厚钢板的厚度分段规定焊缝最小尺寸限值，见表1。表1同时列出相应厚度范围内根据中国规范计算出的最小焊脚高度做对比。

表1 美国规范角焊缝最小限值

连接较厚部件的材料厚度 ASD89角焊缝最小尺寸 中国规范相应计算值

≤4mm 3mm 1～4mm

4～6mm 3mm 3～3.7mm

6～13mm 5mm 3.7～5.4mm

13～19mm 6mm 5.4～6.5mm

≥19mm 8mm >6.5mm

中国规范是按照不同焊件的厚度计算取值，美国规范是按照不同板厚的区间分段取值。在较薄板件之间相连接时，最小焊脚高度限值差不多，而厚板相连时，中国规范最小焊脚高度限制要严格很多。

3.2、角焊缝高度最大限值

角焊缝的焊脚尺寸过大，易使焊件产生烧伤、烧穿的现象，且使焊件产生较大的残余应力和较大的焊接变形，所以，对角焊缝还应规定其最大焊脚尺寸。

中国规范规定： 不宜小于 （钢管结构除外）， 为较薄焊件厚度。 对于板件端部的角焊缝，当板厚 时， ；当板厚 时， 。

ASD89中规定：当焊件板厚 时， ；当焊件板厚 时， 。

从角焊缝最大焊脚尺寸的限值来看，中国规范的限值与美国规范基本一致。

3.3、角焊缝最小长度

角焊缝焊脚尺寸大而长度较小时，焊件局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近，以及焊缝上可能产生的其他缺陷（气孔、非金属夹渣等），也使焊缝不够可靠。对搭接连接的侧面角焊缝而言，如果焊缝长度过小，由于力线弯折大，也会造成严重的应力集中.因此，为了使焊缝能够具有一定的承载能力，根据经验，最小焊缝计算长度的限值为：

中国规范规定：侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度 ，且≥40mm。

美国规范规定： ，，且大于等于两侧焊缝之间的间距。若焊缝长度不满足此要求，按实际焊缝长度的1/4计算焊缝承载力。

中国规范在焊缝最小长度方面比美国规范严格很多，但美国规范对于不满足最小长度的焊缝计算规定更为详细。

3.4、断续焊缝

在次要焊缝连接或次要构件中，可采用断续焊缝。但断续焊缝容易引起应力集中，且断续角焊缝的距离过大会使构件连接不够紧密，焊件容易受潮并且锈蚀，因此对于断续角焊缝中美规范提出如下要求：

中国规范规定：断续焊缝的长度 ，且≥50mm。其净距不应大于15t（受压构件）或30t（受拉构件）。

美国ASD89规范规定：一般情况下， ，且≥38mm。

在断续焊缝的限值来说，中国规范要求比美国规范相对宽松，但美国规范对焊缝的净间距未做要求。

4、计算

对于中、美规范，承载能力极限状态设计的方程表达可按如下公式：

（1）

本文以考虑恒荷载+活荷载的荷载组合为代表对两种规范进行对比，其方程可表达为：

（2）

其中：

S-荷载效应组合的设计值；

R-结构构件抗力的设计值

， -恒荷载和活荷载标准值

， -恒荷载和活荷载荷载分项系数

-钢结构材料强度标准值

-材料分项系数

为方便比较中美钢结构焊缝节点计算的安全度差异，本了对以下几个方面规定：（1）本文仅对国内常用的Q235和Q345钢材对应的焊材进行对比，两种材料 ， 为焊材的强度设计值， 为焊材的抗拉强度值（2）假定恒荷载与活荷载的比值 ，（3）中国钢结构规范分别考虑恒荷载效应控制的组合和活荷载效应控制的组合，中美规范的荷载分项系数见表2。

表2 荷载分项系数表

规范 恒荷载分项系数 活荷载分项系数

中国GB50017-2003 1.2 1.4

1.35 0.98

美国ASD89 1 1

4.1 正面角焊缝

在荷载标准值相同的情况下，正面角焊缝的设计安全度差异可通过不同规范计算所需的焊缝截面积比值来进行对比：

GB50017的极限状态方程为

（3）

（4）

ASD89的极限状态方程为

（5）

ASD89和GB50017的正面角焊缝安全度差异可表达为：

（6）

（7）

当活荷载和恒荷载的比值x取不同的值时，可得到中美钢结构规范对于正面角焊缝的计算的安全度差异，见图1。

图1 正面角焊缝中美规范设计安全度差异

由图1可看出，对于正面角焊缝设计，在可变荷载控制效应组合下，安全度随着活荷载的增大而减小；在永久荷载控制效应组合下，安全度随着活荷载的增大而增大。但无论哪种荷载控制效应组合，按美标规范设计所需的焊缝面积均大于中国规范，美标规范设计的安全度大于中国规范。

4.2 侧面角焊缝

在荷载标准值相同的情况下，侧面角焊缝的设计安全度差异可通过不同规范计算所需的焊缝截面积比值来进行对比：

GB50017的极限状态方程为

（8）

（9）

ASD89的极限状态方程为

（10）

ASD89和GB50017的正面角焊缝安全度差异可表达为：

（11）

（12）

当活荷载和恒荷载的比值x取不同的值时，可得到中美钢结构规范对于侧面角焊缝的计算的安全度差异，见图2。

图2 侧面角焊缝中美规范设计安全度差异

由图2可看出，对于侧面角焊缝设计，在可变荷载控制效应组合下，安全度随着活荷载的增大而减小；在永久荷载控制效应组合下，安全度随着活荷载的增大而增大。在活荷载小于2倍恒荷载时，按美标规范设计所需的焊缝面积均大于中国规范，美标规范设计的安全度均大于中国规范。在活荷载大于2倍恒荷载时，可变荷载效应控制荷载组合下中国规范的设计安全度大于美标规范，但在实际工程中，这种情况较少见，因此总体来说美标规范设计的安全裕度大于中国规范。

5、结语

1. 中、美两国钢结构设计规范的理论基础有所不同，美国规范采用的是基于安全系数的容许应力法，中国规范采用的是基于概率和可靠度理论的荷载分项系数法，设计方法不尽相同。

2. 对于焊缝的构造，美国规范起步较早，较为成熟，中国规范在制定的过程中部分参照了美国规范，因此构造要求大体上与美国规范差不多，但又在美国规范的基础上有所创新和发展，总体比较中国规范除了断续焊缝，构造要求要高于美国规范。

3. 对于焊缝的承载力计算，仅在活荷大于两倍恒荷载时的可变荷载控制工况下，中国规范略保守，这种情况工程中应用虽然不多，但设计时需考虑对此种情况的包络。总体来说美标规范角焊缝的设计安全裕度大于中国规范。

参考文献

[1] GB 50017-2003 钢结构设计规范 [S].

[2] Manual of Steel Construction-Allowable Stress Design，9th Edition， 1989.

[3] 沈祖炎等编著. 钢结构基本原理（第二版）北京：中国建筑工业出版社.

[4] 《钢结构设计手册》编委会. 钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社.