基于美标 AISC 360-16 的焊缝承载力计算方法，你了解吗？

根据美国标准计算焊缝承载力

朱新达张治国

目前IDEA支持基于美国标准AISC、欧洲标准EN、加拿大标准CISC、澳大利亚标准AS、俄罗斯标准SP及中国标准GB的钢结构节点验证，包括：板材验证、焊缝验证、螺栓或锚栓验证。为了让用户学习和了解钢结构节点验证的更多细节，本文将重点介绍IDEA中基于美国标准AISC 360-16的焊缝承载力验证，其他构件（如螺栓、锚栓、混凝土等）的具体计算方法或其他规范（如EN、CISC、AS等）的钢结构节点验证，请参考《筑信达技术通讯》往期文章或关注本刊后续文章。

美国标准AISC 360-16支持分项系数设计法（LRFD）和许用应力设计法（ASD）两种设计方法，前者在承载力设计值φRn中包含分项系数φ，后者在承载力Rn/Ω中包含安全系数Ω。用户可以根据需要选择具体的设计方法，也可以在IDEA的设置中修改上述分项系数和安全系数的默认值，本文将在后面的内容中分别介绍上述两种设计方法在基于美国标准的焊缝承载力计算中的具体应用。

1 焊接应力

关于有限元模型中焊缝的模拟方法，有些有限元软件采用MPC约束，即：多点约束。这种方法以拉格朗日算法为基础，利用力与变形之间的约束。MPC方法的优点是通过绑定板间有限元节点来匹配不同密度的有限元网格，具有一定的灵活性和适用性。焊缝的刚度和弹塑性往往导致明显的应力集中，因此，板材端部、转角或坡口处的应力峰值往往控制着整个焊缝的承载能力，即使采用平均或插值方法来降低应力峰值，焊缝整体的应力分布仍然比较保守。

为了避免上述应力峰值对焊缝承载能力产生不利影响，IDEA在相邻板间增加了专门的弹塑性单元来模拟焊缝。此弹塑性单元采用基于Von Mises屈服准则的率无关理想塑性，模型（极限塑性应变为5%）忽略了焊接过程中产生的残余应力和焊缝变形，同时弹塑性单元可以精确考虑焊缝的计算厚度、位置和方向，焊​​缝应力沿轴向的塑性重分布，也能有效避免应力集中。

综上所述，IDEA所采用的弹塑性焊缝单元可以根据焊缝的刚度和弹塑性特性计算焊缝应力，无需进行应力插值或平均，因此，该方法计算出的最大焊缝应力可直接用于校核焊缝的承载能力。

2 角焊缝承载力

其中，Awe为焊缝有效面积，即焊缝单元长度与计算厚度的乘积，计算厚度等于焊脚尺寸的0.7倍。

Fnw—焊缝强度，具体值与电极强度FEXX、焊缝单元内力方向θ有关。

FEXX—焊条强度。具体值请参考AWS（美国焊接学会）规范。

θ — 焊缝单元内力与焊缝纵轴之间的夹角，如下图所示。

可以看出，美国标准AISC以焊缝单元内力来校核承载力，并根据内力方向调整焊缝强度的数值，焊缝单元的长度和数量与相邻板的网格划分密度有关。IDEA以载荷比最大的焊缝单元作为判断整个焊缝失效的标准，这与欧洲标准EN和国家标准GB均采用焊缝有效截面的折减应力σw,Ed和法向应力σw不同。虽然美国标准AISC没有严格区分焊缝有效截面的各种应力分量（如σ⊥、τ⊥、τ∥），但也可以考虑上述θ角和焊缝单元的内力分量（如拉、压、剪）以及复杂的空间应力状态。典型的角焊缝承载力校核如下：

美国标准AISC除了检查焊缝本身的承载能力外，还可以考虑母材熔合面的拉伸或剪切破坏，并根据焊缝承载能力和母材承载能力中较小者计算控制承载比。这种情况下IDEA不考虑母材的承载能力校核；如果需要，用户可以在设置选项中勾选【熔合面母材承载能力】复选框。如下图所示，母材承载能力的计算不需要考虑焊缝强度，而与钢材强度密切相关。

其中，ABM为母材与焊缝间熔合面的面积，即焊缝单元的长度与

乘以计算厚度的乘积，ABM=

敬畏。

FnBM=0.6Fu—母材熔合面强度，具体数值与钢材牌号有关，用户可以在IDEA的材料表中查看钢材的抗拉强度Fu。

3 对接焊缝承载能力

IDEA中的对接焊缝均为全熔透对接焊缝，其承载力与母材相同，因此无需进行承载力校核。

4 总结

本文详细介绍了IDEA中基于美国标准AISC的角焊缝能力校核，包括：焊缝应力、角焊缝能力计算、母材熔合面能力计算，希望以上内容可以帮助众多IDEA用户或者爱好者能够更加深入的了解和运用这款软件，以解决实际项目中遇到的涉及美国标准的钢结构节点设计与校核问题。