船底結構的焊接系數研究

吳華峰 吳劍國 朱榮成

（1.浙江工業大學 建筑工程學院 杭州310032；

2.中國船級社 上海規范研究所 上海 200135）

0 引 言

船舶結構中大量采用了焊縫作為承載部位的連接形式。賦予角焊縫以合理的型式與尺寸，對保證構件間角承載能力、減小結構的焊接變形、簡化船體的裝配工藝、縮短制造周期及降低生產消耗，具有極為重要的意義［1］。船體結構的復雜與承受荷載的多樣性，使得船體結構角焊縫的精確計算極其復雜。焊接系數是為方便設計者進行焊縫設計而提出的，其中不僅融合了大量的結構受力分析，而且包含著試驗以及數據統計的經驗，經過多年的演變至今，成為了如今的焊接系數規格表。如何驗證現行規范中有關焊接系數的規定對于船體結構是安全的，成為了一個亟待解決的問題，也是本文研究的目的。

靜載荷條件下，角焊縫一般是在切應力作用下破壞的［2］。 王承權等在文獻［1，3］中分析船體角焊縫受力情況的基礎上，依據角焊縫的分類，指明每類角焊縫應達到的強度條件，從而說明船體結構角焊縫的受力分析及強度條件，闡述角焊縫剪切強度系數的涵義及其在填角焊縫設計中的應用。陳瑞良在文獻［4］中從對鋼質海船船體角焊縫的設計以及對角焊縫的優化設計進行了一些探討，指出了海船角焊縫的設計若逐條計算是相當繁瑣的，易出差錯；按焊接系數表設計有盲目性，且有些是不妥當的，故其提供了一種使用方便、簡捷，設計準確、合理、經濟的設計表格。

1 角焊縫強度公式

1.1 焊縫基本公式［5-6］

角焊縫應力分析圖如圖1所示。

圖1 角焊縫應力分析圖

式中：ffw焊縫強度設計值，對CCSA，ffw=160 N/mm2；對 AH36， ffw=200 N/mm2。

1.2 焊接梁翼緣焊縫計算［7］

圖2所示為一焊接工字型截面翼緣板與腹板的角焊縫連接，取長度為dz的梁段作為隔離體。

在彎矩作用下，微段dz的翼緣板受力情況如圖（b），此力必須與翼緣板和腹板間角焊縫有效截面上的縱向水平剪力V相平衡，即：

雙面角焊縫受互相垂直的力Nx和Ny的作用，焊腳高度為hf。現作如下假設：

（1）直角角焊縫的破壞常發生在喉部，通常認為直角角焊縫是以45°方向的最小截面作為有效計算截面，故有效焊腳高度為he=0.7 hf。

（2）在通過焊縫形心的拉力、壓力和剪力作用下，假定沿焊縫長度lw方向的應力都是均勻分布的。

只要將焊縫應力分解為垂直焊縫長度方向的應力σf和平行于焊縫長度方向的應力τf，故：

焊接強度公式如下：

圖2 翼緣焊縫受力圖

由于 dM/dZ=V，代入（2）式得：

式中：dM為微段彎矩增量，S1=Ay1為翼緣板對截面中和軸X-X的面積矩。

1.3 角焊縫剪切強度系數

角焊縫剪切強度計算斷面是喉部厚度所在的斷面。在等強度條件下并且采用等強匹配接頭時，雙面連續填角焊縫的喉部斷面面積應當等于腹板斷面面積。對于強度足夠條件，喉部斷面面積可小于腹板斷面面積，減小的程度取決于結構所在部位等諸多因素［6］。

在焊接T型和I字型材中，腹板焊縫主要承受剪切應力。觀察喉部厚度與腹板厚度的比值，可知它表示角焊縫承擔剪切應力占腹板在該處剪切應力值的份額。LR規范中把一個角焊縫喉部厚度與腹板厚度之比，稱為填角焊縫剪切強度系數，簡稱焊縫系數ωτ。由文獻［1］可知ωτ亦可由焊縫剪應力σb與構件剪應力τ的比較得到，ωτ=σb/τ也可以表示為：

2 船底板架角焊縫的焊接系數

船底板架主要由縱骨、肋板、縱桁等相互聯系構件組成。船底板上的荷載按照單向板的荷載傳遞路線，從板上傳遞到縱骨上，再由縱骨傳遞到其他大的構件之上。由于篇幅有限，船底結構縱骨焊接系數的研究此處暫未列入。

2.1 船底各個構件支座剪力計算

2.1.1 船底肋板與縱骨支座剪力計算

對于主肋板與縱骨，從板架中不同方向、相鄰的兩梁之間取出一個長方格klmn（見圖3），在長方格上的均布荷載q0由橫向構件承擔，不考慮縱向構件，令：

圖3 肋板受荷圖

對于肋板，就取兩肋板之間的荷載；對于縱骨，則取兩肋板之間的跨度作為縱骨計算跨度。

2.1.2 船底縱桁支座剪力計算［8］

船底板架中，縱桁與肋板沿著船長和船寬方向布置，形成縱橫交錯的方格。在計算第j根交叉構件（縱桁）時，可把板架當作是“一根交叉構件”的板架來處理。具體地說，第j根交叉構件可轉化為彈性基礎梁（見圖 4）。

圖4 彈性基礎梁受荷圖

此彈性基礎梁上的荷重與彈性基礎梁的支座剪力分別為：

2.2 剪應力計算與焊接系數對應許用應力比較

本文對一艘31 000 dwt單殼散貨船的船底結構角焊縫的焊縫應力進行了計算。該船內外底板、縱桁和肋板采用AH36，縱骨采用CCSA。雙層底高1 680 mm，實肋板間距2 400 mm；肋板計算跨度為20 380 mm，中間艙段計算跨度為35 200 mm；并中縱桁為箱形中縱桁，另設有6根雙層旁底縱桁，其中2根3 800 mm off CL旁縱桁、2根6 640 mm off CL旁縱桁、2根10 190 mm off CL旁縱桁；縱骨間距710 mm。

在工況LC1～LC9和LCAH（各工況分別對應CCS《雙舷側散貨船直接計算指南》）下進行有限元計算，取出腹板與翼緣相連接處的剪應力τ1；再利用各個工況下的局部荷載條件，由式（5）和式（7）求出支座剪力，并代入式（3）。 式中：令 1.4hf=t（t為腹板厚），求出τ2。其中在LC4工況，σf為密性條件下，由于液體壓力而產生的應力，此應力由密性構件的焊縫尺寸增加那部分焊縫承擔。

查相應焊接系數表 2（4）、2（1）、2（3）項，得旁縱桁、非密性肋板、密性縱桁、密性肋板的焊接系數分別為 0.16、0.16、0.44、0.39；由式（4）得相應構件的許用應力。各項計算結果比較見表1～8，表格中的應力單位均為N/mm2。

從表1～4可以看出，對于非密性的肋板和縱桁，采用高強度鋼時，焊接系數滿足要求；從表5到表8可以看出，對于密性的肋板和縱桁，采用高強度鋼時，焊接系數滿足要求，并且還有一定的余量。

表1 旁縱桁對內底板焊縫應力

表2 旁縱桁對外底板焊縫應力

表3 非密性肋板對內底板焊縫應力

表4 非密性肋板對外底板焊縫應力

表5 密性縱桁對內底板焊縫應力

表6 密性縱桁對外底板焊縫應力

表7 密性肋板對內底板焊縫應力

表8 密性肋板對外底板焊縫應力

3 結 論

對31 000 dwt散貨船進行有限元不同工況下計算得到的剪應力和在相應工況下取出局部荷載下的剪應力與相應焊接系數下的許用應力比較可知，船底焊接系數總體上是安全的。

［1］王承權.船體結構角焊縫的受力分析與剪切強度系數［J］.武漢理工大學學報，1983,（2）：35-42.

［2］王慶，張彥華.鋼結構角焊縫強度計算與匹配分析［J］.工業建筑，2005,（35）：732-734.

［3］王承權，夏炳仁.船體結構填角焊縫的設計規范分析［J］.船舶工程，2002，（2）：49-53.

［4］陳瑞良.鋼質海船角焊縫設計探討［J］.江蘇船舶，2001（5）：8-13.

［5］周浩森，石忠賢，王敏.正面角焊縫的靜載強度及其計算公式的探討［J］.焊接學報，1987（3）：141-151.

［6］STRATING J，VAN DOUWEN A A，e tal.The influence of a longitudinal stress on the strength of statically fillet welds［J］.Welding in the World，1972，10（5/6）：182.

［7］夏志斌，姚諫.鋼結構原理與設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004：285-286.

［8］陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1991：72-82.