不锈钢焊缝连接承载性能研究进展*

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不锈钢焊缝连接承载性能研究进展*

杨　璐1,2　张有振1,2　尚　帆1,2　赵梦晗1,2

(1.北京工业大学建筑工程学院， 北京　100124；2.北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心， 北京　100022)

摘　要：不锈钢因具有耐腐蚀性和耐久性强等优势，在建筑领域得到了广泛应用。焊接作为一种主要的连接方式，广泛应用于不锈钢结构的生产和装配领域。然而，目前我国没有颁布相关的不锈钢结构设计规范，国内外也鲜有专门针对不锈钢焊缝连接承载性能的研究成果。对欧洲规范Eurocode 3、美国规范SEI/ASCE 8-02、日本《不锈钢建筑结构设计标准》及中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)中关于不锈钢焊缝连接设计的规定进行了分析和比较，同时，对国内外学者在不锈钢焊缝连接承载性能方面的研究进展进行了总结。

关键词：焊缝连接； 承载性能； 研究进展； 不锈钢

不锈钢材料具有较好的耐久性和耐腐蚀性，同时具有延长结构寿命、降低维护成本以及容易满足建筑美学等优势，在商业建筑和桥梁结构等领域具有广阔的应用前景[1-2]。近年来，随着生产技术的提高和施工工艺的进步，更促进了不锈钢结构的应用。吉隆坡双子塔、欧洲人权法院和英国约克千禧桥等工程都成功采用了不锈钢结构。焊接作为钢结构连接的主要方式之一，具有不削弱截面、密闭性好、可以保证等强连接或刚性连接等优点[3]，在钢结构生产和装配领域得到了广泛应用，对于不锈钢结构更是如此。

然而，目前国内关于不锈钢焊缝连接承载性能的设计规范尚不完善，国外规范虽已有较为完善的设计计算方法，但大多是基于普通钢结构焊缝连接设计方法的补充和改进[4]。由于不锈钢材料具有应力-应变非线性等异于普通钢的材料特性[5]，继续借用原有钢结构的设计方法可能并不完全适用。另外，国内外专门针对不锈钢焊缝连接承载性能的研究也相对较少，从而限制了不锈钢结构的广泛应用。

本文对欧洲规范Eurocode 3[6]、美国规范SEI/ASCE 8-02[7]、日本《不锈钢建筑结构设计标准》[8]及《不锈钢结构技术规程》(送审稿)中，关于不锈钢焊缝连接承载性能与设计方法的规定进行了分析和比较。并对国内外学者在不锈钢焊缝连接承载性能方面的研究进展进行了总结，希望能为后续研究提供参考，促进不锈钢结构的广泛应用。

1　各规范对不锈钢焊缝连接设计的规定

上述4种规范虽对不锈钢焊缝连接承载性能进行了设计规定，但大多是参考原有钢结构设计规范的规定。例如，欧洲规范EN1993-1-4中对于不锈钢焊缝连接的设计方法与普通钢相同，仍采用EN1993-1-8[9]中的设计方法，其他3种规范也都类似。表1对4种规范所适用的不锈钢类型和不锈钢焊缝连接的设计方法等内容进行了汇总。

表1　4种规范对不锈钢焊缝连接承载性能的规定

规范或标准国家或地区颁布年份设计方法使用范围EN1993-1-4欧洲2005极限状态设计法冷轧和热轧加工的奥氏体、铁素体和奥氏体-铁素体双相不锈钢SEI/ASCE8-02美国2002极限状态和容许应力法201、301、304、306退火型、1/16、1/4、1/2冷加工硬化型奥氏体和409、430、439退火型铁素体不锈钢不锈钢建筑结构设计标准日本2010容许应力法304、316奥氏体型不锈钢不锈钢结构技术规程(送审稿)中国2014极限状态设计法304、316奥氏体型和2205双相型不锈钢

另外，本文分别对4种规范关于对接焊缝和角焊缝的设计方法进行了介绍，并进行了对比和分析，为不锈钢焊缝连接承载性能的研究以及我国《不锈钢结构技术规程》的完善和修订提供参考。

1.1　对接焊缝的设计

欧洲规范Eurocode 3对不锈钢对接焊缝强度的设计与普通钢相同，即取连接件中较弱部分母材的强度作为对接焊缝的强度设计值。规范中规定在焊缝拉伸试验中焊缝金属最小屈服强度和最小抗拉强度均不小于母材相应的强度值，因而无需对焊缝强度另行计算。

美国规范SEI/ASCE 8-02规定对接坡口焊缝的有效焊喉尺寸应大于或等于连接板件的厚度，焊缝设计承载力φPn的取值应按照下式确定：

(1)

式中：φ为焊缝连接的抗力系数，取φ=0.6；Pn为焊缝的名义强度；Fua为退火母材的抗拉强度；L为焊缝长度；t为连接板件中较薄板件的厚度。

日本《不锈钢建筑结构设计标准》规定熔透对接焊缝的容许强度应按照被焊接母材的容许强度进行计算。中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)中关于对接焊缝设计方法的规定与GB 50017—2003《钢结构设计规范》[10]中普通钢的设计方法基本相同，在此不再赘述。

1.2　角焊缝的设计

1.2.1　欧洲规范Eurocode 3

对不锈钢角焊缝的设计，采用与普通钢相同的计算方法，主要有直接计算法与简便计算法两种。

1)直接计算法。

该方法假定焊喉平面内的应力呈连续、均匀分布状态，在此基础上将正应力分解为垂直于焊喉的正应力σ⊥和平行于焊缝轴线的正应力σ//；将剪应力分解为焊喉平面内垂直于焊缝轴线的剪应力τ⊥和平行于焊缝轴线的剪应力τ//。各应力的方向如图1所示。

图1　角焊缝内应力分解示意

角焊缝的设计应力应满足：

(2)

式中：fu为焊缝搭接接头中较弱部分母材的名义极限抗拉强度；βw为母材与焊缝金属强度的相关系数，建议取值为1.0；γM2为焊缝连接的抗力分项系数，对于建筑结构，建议取值为1.25。

2)简便计算法。

若焊缝中荷载沿焊缝长度方向是均匀分布的，则可利用下述公式进行简化计算：

(3)

式中：Fw,Ed为沿焊缝长度分布的单位长度内荷载设计值；Fw,Rd为沿焊缝长度方向单位长度焊缝的连接抗力设计值。其中，Fw,Rd的取值可由式(4)确定：

(4)

其中

式中：fvw,d为焊缝抗剪强度设计值；a为角焊缝有效焊喉厚度。

1.2.2　美国规范SEI/ASCE 8-02

在进行角焊缝设计时，应同时满足母材和焊缝金属的承载力设计值要求。

1)作用力与焊缝长度方向垂直。

母材承载力设计值可按下式计算：

φPn=0.55tLFua

(5)

式中：φ为抗力系数，取φ=0.55；L为角焊缝长度。

焊缝承载力设计值为：

φPn=0.65twLFxx

(6)

式中：φ取值为0.65；tw为有效焊喉尺寸；Fxx为焊缝金属的抗拉强度设计值。

2)作用力与焊缝长度方向平行。

母材承载力设计值可按下式计算：

(7)

焊缝承载力设计值为：

φPn=0.75×0.55twLFxx

(8)

1.2.3　日本《不锈钢建筑结构设计标准》

正面角焊缝的容许强度wPt：

(9a)

侧面角焊缝的容许强度wPs：

(9b)

正面和侧面组合角焊缝的容许强度wPc：

(9c)

式中：eAe为正面角焊缝的有效面积；sAe为侧面角焊缝的有效面积。需要注意，在计算正面和侧面角焊缝有效面积时，所采用的有效焊缝长度为焊接长度减去2倍角焊缝焊脚尺寸。

1.2.4　中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)

对于角焊缝设计的规定，主要是根据相关试验研究，参考GB 50017—2003中的设计方法制定，并未考虑正面角焊缝的强度提高。其中，对于直角角焊缝，其强度设计值应按以下规定计算。

1)在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下的设计应力：

(10a)

(10b)

式中：lw为焊缝计算长度，取值为焊缝的实际长度减去2倍的焊脚尺寸；he为角焊缝有效厚度。

2)在垂直于角焊缝长度方向的应力和沿角焊缝长度方向的剪应力共同作用下的设计应力：

(11)

式中：σf为垂直于焊缝长度方向的正应力；τf为平行于焊缝长度方向的剪应力；为焊缝金属强度设计值。

1.3　角焊缝长度折减系数

由于焊缝在承载过程中，沿受力方向的剪力并不均匀，可能会在中间部位的焊缝还没有达到设计强度时，端部焊缝由于变形过大已发生破坏，故采用折减系数对焊缝有效计算长度进行折减[11]。

欧洲规范Eurocode 3在对搭接焊接长焊缝有效长度进行折减时，长焊缝折减系数βLw取值应按以下两种情况进行计算。

1)搭接接头几何长度大于150a时，折减系数βLw,1取值为：

(12a)

2)角焊缝长度大于1.7 m且用于横向加劲肋时，折减系数βLw,2取值为：

(12b)

式中：Lj为沿受力方向的搭接长度；Lw为角焊缝长度。

日本《不锈钢建筑结构设计标准》规定，当角焊缝搭接接头侧面角焊缝有效长度大于100倍焊脚尺寸时，需考虑应力沿焊缝长度的不均匀分布，降低角焊缝的容许强度。而美国规范SEI/ASCE 8-02和中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)对角焊缝进行设计时，均未对长焊缝折减系数做出规定。

1.4　规范对比分析

在计算方法方面，Eurocode 3和SEI/ASCE 8-02都没有区分正面角焊缝和侧面角焊缝，日本《不锈钢建筑结构设计标准》虽对正面角焊缝和侧面角焊缝进行了区分，但与上2个规范一样都没有对焊缝抗剪、抗拉或抗压强度进行区分。中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)参考GB 50017—2003的设计，对角焊缝、对接焊缝以及焊缝抗剪、抗拉或抗压强度都进行了区分。

Eurocode 3在进行不锈钢焊缝设计时，规定焊缝金属的屈服强度、抗拉强度等均小于母材，采用低强匹配的原则进行设计。因为SEI/ASCE 8-02并未规定焊缝的强度设计值高于母材，所以在设计时需同时满足焊缝和母材的承载力要求。日本《不锈钢建筑结构设计标准》采用等强匹配的原则进行设计。中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)在对奥氏体型不锈钢对接焊缝和角焊缝以及双相型不锈钢对接焊缝进行设计时采用等强匹配的原则，而对于双相型不锈钢角焊缝采用低强匹配的原则进行设计。

另外，相比其他3种规范，中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)制定年份相对较晚，并且在长焊缝折减系数的取值等方面也没有给出明确的规定；在对焊缝承载性能进行设计时，主要参考相关试验研究成果和GB 50017—2003的设计，缺乏充分的试验数据支持。

由于不锈钢材料与普通钢有较大区别，因此，不锈钢设计规程的制定和修订还需大量有效数据的支持。而国内外不锈钢设计规程在对焊缝连接进行设计时，主要参考较早期试验或少量试验数据，给规范的修订和完善带来很大的不便。所以，有必要对不锈钢焊缝连接承载性能进行深入研究。

2　不锈钢焊缝连接承载性能研究现状

随着不锈钢用量在各个工程领域的快速增加，焊接作为不锈钢结构的一种主要连接方式，国内外许多学者已对不锈钢焊接构件以及不锈钢焊接接头进行了大量的研究。然而，专门关于不锈钢焊缝连接承载性能的研究相对较少。

2.1　不锈钢焊接构件的应用及研究

相比冷成型不锈钢构件，焊接不锈钢构件可采用较厚的板件来满足较大承载力的要求，还可通过调整板件的宽厚比以达到经济合理的截面设计要求[12]。另外，由于焊缝连接具有加工方便等众多优点，不锈钢焊接构件已经逐渐作为主要的受力构件，可以单独或者与混凝土共同承载，被成功应用在许多建筑物的承重骨架中。

而与普通焊接钢结构相比，由于不锈钢材料具有应变硬化特性[13]、热膨胀系数较高而导热系数相对较低的特点，不锈钢焊接构件的截面残余应力分布形态会与普通钢焊接构件存在较大区别。因此，国内外学者对焊接箱形和工字形等截面形式构件的焊接残余应力进行了系统研究，并提出了不锈钢焊接构件的残余应力分布模型。另外，许多学者还对不锈钢焊接箱形和工字形截面构件、环形焊缝不锈钢圆管等各种焊接截面构件的稳定性和承载性能等进行了试验研究和数值模拟。现将部分研究列举于表2。

表2　国内外不锈钢焊接构件研究

学者截面类型研究内容研究方法王元清等[14-16]箱形、工字形焊接截面残余应力分布试验研究、数值模拟袁焕鑫等[17-18]箱形、工字形焊接截面残余应力分布、轴压构件相关屈曲试验研究、数值模拟杨璐等[19-20]箱形、工字形轴压构件整体稳定性、受弯构件屈曲折减系数试验研究、数值模拟Yabulci等[21]十字形焊接截面残余应力分布、翼缘抗弯承载性能数值模拟Hyung等[22-23]空心圆管构件抗压、抗弯承载性能数值模拟Kiymaz等[24]空心圆管抗弯承载性能试验研究、数值模拟Saliba等[25]工字形构件抗压、抗弯承载性能试验研究、数值模拟

2.2　不锈钢焊接接头组织与力学性能研究

不锈钢材料因具有许多普通钢等其他材料无法取代的优势，不仅在建筑工程领域得到大量应用，还广泛应用于核工业建设、船舶制造、海陆油气管线、化工压力容器等多个领域。在不锈钢试件或构件的制作和生产过程中不仅需要选择最佳的焊接工艺，尤其是各种管材关键部位的连接等，还需要对焊接接头的相关性能进行检测。因此，相关学者已对不锈钢焊接接头的组织性能和力学性能进行了较为系统的研究。

文献[26] 对316L奥氏体不锈钢焊接接头进行了室温拉伸试验，测得焊接接头的纵向和横向抗拉强度及屈服强度均高于母材，表明316L焊缝具有良好的拉伸强度。另外，其焊缝的纵向屈服强度比横向屈服强度提高了61.09%，纵向抗拉强度比横向增加了10.9%，表明焊缝的纵向屈服和抗拉强度均明显高于横向。同时，测得其焊缝纵向和横向延伸率分别为49.5%和54.9%，断面收缩率分别为72.6%和85.2%，表明316L奥氏体不锈钢焊缝具有良好的塑性。

文献[27]采用氩弧焊与手工焊相结合的焊接工艺对310不锈钢进行焊接，并对焊接接头进行室温拉伸试验。结果表明，试验用焊接接头的塑性断裂均发生在焊缝区域，其抗拉强度平均值为620 MPa，大于GB/T 24511—2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》规定的下限值520 MPa，说明采用此焊接工艺加工的不锈钢焊接接头可在有效强度指标上满足材料强度的要求。

文献[28-33]分别对304L、409L、410L等采用同种不锈钢材料制作的焊接接头进行了组织与力学性能的试验研究。除此之外，文献[34-38]还对不锈钢与普通钢以及其他型号的不锈钢等异种金属的焊接接头进行了相关方面的研究。

上述研究中虽然也对不锈钢焊接接头进行了拉伸试验等力学性能检测，并测得其良好的承载力和塑性变形性能等。但是，其试验结果的合理性和适用性大都局限于材料领域，能否直接运用到土木工程领域还有待考证。

2.3　不锈钢焊缝连接承载性能研究

目前，国内外已有许多学者对普通钢和高强钢对接焊缝或角焊缝连接试件进行了试验和理论研究，并给出了一些设计和构造建议。例如，清华大学的吴丽丽等和魏晨熙分别对Q345和Q460钢材焊缝连接试件承载性能的研究[39-40]，Kanvinde等对作用有平面外偏心荷载的角焊缝组合焊缝承载性能的研究[41]。另外，国内外很多文献还主要针对普通钢和不锈钢钢框架梁柱节点中经常采用的螺栓焊缝组合连接、全焊接连接等的残余应力、承载力、疲劳性能和抗震性能等问题进行了深入研究[42-53]。

但对于不锈钢焊缝连接承载性能的研究，国外学者开始较早，并在相关规范中提出了焊缝连接设计方法；而国内开始相对较晚一些，主要以相关学者对奥氏体304不锈钢焊缝连接试件所进行的试验研究为主，总体研究成果相对较少。

20世纪70年代，Errera等对1/4和1/2冷加工的301奥氏体型不锈钢对接焊缝、角焊缝连接试件进行了承载力等方面的试验研究，提出了考虑材料性能和试件几何尺寸等因素在内的焊缝极限承载力计算表达式，并指出可通过合适的安全系数对计算求得的极限承载力进行折减，以得到冷成型不锈钢焊缝连接承载力容许设计值。而继续使用退火型材料屈服强度对冷成型不锈钢焊缝连接进行设计会造成过度的保守性[54]。

美国钢铁协会(AISI)在1974年修订的美国《冷成型不锈钢结构设计手册》[55]中采用了文献[54]提出的设计方法。1991年和2002年，美国土木工程师协会(ASCE)对规范进行了扩展和更新，使用SEI/ASCE 8-02取代了AISI标准。结合上述美国标准和规范，Lin等分析了极限状态设计法(LRFD)在美国不锈钢设计规范中的应用和发展过程[56-57]，并采用Errera等[54]获得的试验数据对该设计方法进行了校核，验证了其在冷成型不锈钢焊缝连接设计方面的安全合理性，建议进行更多试验研究，为焊缝连接抗力系数φ等取值的完善提供数据支持。

根据Hashimoto等对不锈钢对接焊缝和角焊缝连接试件承载性能的研究[58-59]，以及日本各界学者对不锈钢的结构构件、节点、框架等在各种荷载、外力作用下的容许强度和抵抗大地震的极限承载力的研究，日本在2000年首次把不锈钢作为结构材料列入建筑标准法令[60]。

文献[61]采用3种焊接工艺和5种板厚，制作了10组共120个奥氏体型304不锈钢对接焊缝试件，并对该类型试件进行室温拉伸试验。试验测得了对接焊缝试件的极限荷载和极限变形，并对焊缝金属、热影响区强度与母材强度的关系进行了研究。将试验结果与国外不锈钢结构设计规范以及我国GB 50017—2003设计值进行了对比，提出了适用于我国不锈钢对接焊缝连接承载性能的设计建议。

文献[62]则对奥氏体型304不锈钢正面和侧面角焊缝连接受力性能进行了试验研究，试验采用2种焊接工艺设计了板厚均为8 mm的4组共12个试件。重点对不锈钢角焊缝的破坏特征进行了观察，并测得正、侧面角焊缝连接试件的极限荷载和极限变形情况。通过对试验结果进行分析，参照国内钢结构设计规范的相关公式，提出了适用于我国不锈钢角焊缝连接承载性能的设计建议，并被中国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)所采用。

3　结论与展望

本文分析了国内外4种规范中关于不锈钢焊缝连接设计方法的规定，总结了不锈钢焊缝连接承载性能研究进展情况，得出以下结论和展望：

1)对4种规范中关于不锈钢焊缝连接设计方法的规定进行了分析对比，可为焊缝连接设计方法的选用提供参考。分析发现，现有不锈钢结构设计规范对于不锈钢焊缝连接承载性能设计方法的规定，大都是在普通钢结构设计规范基础上的补充和改进，有待进一步完善。

2)我国《不锈钢结构技术规程》(送审稿)制定年份相对较晚，并且在长焊缝折减系数的取值等方面没有给出明确的规定。对不锈钢焊缝连接设计方法的规定也缺乏充分的试验数据支持。

3)焊缝作为不锈钢结构的一种重要的连接方式，国内外学者已对不锈钢焊接构件和不锈钢焊接接头的组织和力学性能进行了系统研究，而专门关于不锈钢焊缝连接承载性能的研究相对较少。

4)国内外不锈钢设计规范主要参考较早期试验或少量试验数据对焊缝连接承载性能进行设计。因此，亟需对不锈钢焊缝连接承载性能展开专门的研究，深入了解焊缝连接的受力性能和破坏情况，为规范的完善和后续修订提供数据支持，促进不锈钢结构的广泛应用。

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RESEARCH PROGRESS ON THE BEARING CAPABILITY OF STAINLESS STEEL WELDING CONNECTIONS

Yang Lu 1,2　Zhang Youzhen1,2　Shang Fan 1,2　Zhao Menghan 1,2

(1. The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Beijing Engineering Research of High-Rise and Large-Span Prestressed Steel Structure, Beijing 100022, China)

ABSTRACT：With the advantages of favorable corrosion resistance and durability, stainless steel has been greatly applied in many structure constructions. As one of primary connection method, welding has been widely used during the production and assembly process of stainless steel structures. However, at present, there is no design code for stainless steel structure in China, and there are few experimental studies focusing on the bearing capability of welding connection. The design requirements for the bearing capability of stainless steel welding connections in Eurocode 3, SEI/ASCE 8-02, Japanese Design and Construction Specifications for Stainless Steel  Structures and Chinese Technical Code of Stainless Steel Structures were compared and analyzed, and the research progress on the bearing capability of stainless steel welding connections in domestic and abroad were summarized.

KEY WORDS：welding connections; bearing capability; research progress; stainless steel

收稿日期：2015-10-20

DOI:10.13206/j.gjg201604015

*北京市自然科学基金项目(8142006);北京市博士后活动基金项目(2013ZZ-10)。

第一作者：杨璐, 男, 1982年出生, 博士, 副教授。

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