5.7 焊缝连接

    原标准这节的标题为“焊缝连接计算”，本次修订去除“计算”。因焊缝设计不仅包括计算，还包括选择种类、等级和尺度等。

5.7.1  本标准涵盖风力发电塔等带疲劳动力作用的高耸结构，所以删除了原标准中“一般高耸结构不承受疲劳动力荷载”。

    高耸结构中所有的焊缝原则上都可以用现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的方法验算，但为了使高耸钢结构的焊接连接受力均衡，应力流顺畅，减少焊接对母材的不利影响，提高焊接的经济性，也是为了减少高耸钢结构设计中焊缝计算的工作量，分不同等级，提出了四条焊缝设计要求：

    (1)对高耸钢结构中受疲劳动力作用且受拉的对接焊缝和角接焊缝，要求尽可能采用一级焊缝。因为一级焊缝有利于焊缝处母材允许疲劳应力幅的提高。提出“受拉”的原因是有些角接焊缝尽管有疲劳动力作用，但其应力变化均在受压范围内，所以不存在疲劳问题，也不必用一级焊缝。检验要求之所以取消，是因为与现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017相同。

    (2)除(1)所规定的对接焊缝及角接焊缝，原则上按与母材等强设计，所以用二级焊缝。

    (3)“等厚”是为了应力流的顺畅，也是因为等强等厚就不需要做对接焊缝强度验算。等厚也是为了限制焊缝设计过厚对母材产生不利影响。

    (4)高耸结构中不可避免有一些角焊缝，这些角焊缝一般暴露在户外，受力也较复杂，故对其提出“按二级焊缝作外观检查”的进一步质量要求。

5.7.2、5.7.3  原标准第5.7.2条～第5.7.6条与现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017内容相同，故删除。原标准第5.7.7条的连接不常用，而且均为偏心连接，不提倡，故取消。但类似的对称连接方式还可采用。因为这类对称连接方式的焊缝验算与现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017中的验算方法无本质区别，故不再列出。本标准第5.7.2条规定了焊缝要按现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017做承载能力验算；本标准第5.7.3条规定了与焊缝相邻的金属母材当受疲劳动力作用应按现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017做疲劳验算。

5.7.4  图5.7.4-1所示主管与支杆连接方式很常用，支杆可以跟钢管，用双剪或单剪连接，也可以是角钢，螺栓抗剪连接。类似的连接还有水平向再加一根横杆的板-管连接，受力优于仅有斜杆的板-管连接。

    这种连接的设计规定基于高耸钢结构的以下特点：①高耸钢结构杆件长细比较大，多为空间桁架结构，所以连接板与主管之焊缝上的力可归结为△N和△M，没有垂直于立管轴线方向的合力；②高耸钢结构主管内力源于风荷载引起高耸结构的弯矩，沿高度方向呈二次抛物线分布，从上到下增长速率很快；而支杆内力源于风荷载引起高耸结构的剪力，沿高度方向从上到下按算术方式增长，速率较慢，所以除了输电塔的横担节点、电视塔的塔楼节点之外，支杆相对于主管的内力大多要小一个数量级，所以当作出一些适当的设计规定后，实际上大部分高耸结构的板-管节点都可以免除钢管局部承载力这一最为复杂的验算，而其他验算都是相对基本而简单的。

    关于具体要求的原因陈述如下：

    (1)两支杆相连的节点板连成一体后，水平方向的分力可在节点板内平衡，不必影响到连接焊缝。

    (2)节点板的尺度要求与螺栓连接的构造要求是不同的，构造要求满足后，节点板的尺度往往足够大，可以省去很多麻烦。

    (3)无论哪一种支杆及连接方式，支杆与节点板的连接均应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定。

    (4)节点板与主管的连接焊缝强度应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定，与此同时节点板的强度也满足了现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定。

    (5)主管是整体结构中的主要构件，此处按轴心受压设计，不希望受支杆连接板的过大不利影响，因而规定支板厚应比主管壁厚小2mm以上(包括2mm)，本条比现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定严格，这是由于高耸钢结构主管与支管的受力相对比值和重要性差异决定的，也比较容易自然满足。

    (6)主管与支管连接板焊接后，受到连接板传来的力△N和力矩△M(见图5.7.4-2)，根据同济大学的研究以及大量工程实践调查，只要节点板长度L_g与主管直径D之比大于表D.0.1的要求，主管承载能力即可满足节点板处局部受力的要求，即大部分此类节点都无需进行复杂的主管局部承载能力的分析。这和现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定不同，现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017因为不具备本条文说明总结的高耸钢结构节点设计的两条基本特点，所以对此类节点都要求进行主管局部承载能力的验算。

    另外，空间方向多块连接板同时与主管连接(呈90°或120°、135°)时的主管壁局部承载力要大于单块连接板作用时的主管壁局部承载力，不做计算。

5.7.5  主管与支管的相贯线焊接大量用于高耸钢结构中，原标准未涉及此内容，本次修订增加本条。

    对于承受疲劳动力作用(风力发电塔)或高频振动(有鞭梢效应的电视塔或天线顶段)的相贯线，按一级焊缝且构造处理均按对接焊缝要求，这是必要的。相应施工难度会较大，但可以在设计时避免用相贯线焊缝。被焊接管交角小于30°也是首先应该避免的，实在难以避免时则按高标准做。

    相贯线焊接有三大问题，一是焊缝强度问题，二是主管壁的局部承载力问，三是焊缝残余应力和应力集中问题。

    (1)焊缝强度问题，其实不是问题。因为按本标准规定无论是对接焊缝还是角焊缝，其强度都应与管壁强度相当。而高耸结构钢管构件均为压力大于拉力，抗压又以整体稳定控制，特别是支管，长细比一般都比较大，所以按强度验算应力水平很低，而相贯线长度总是大于圆周，所以焊缝强度就不必验算。

    (2)主管壁的局部承载力问题，现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017有详细计算方法，但很烦琐，根据高耸结构钢管结构的两个基本特点：①支管力与主管力相比相当小；②支管长细比与主管长细比相比大得多(计算长度支管比主管大40％左右，回转半径支管只有主管的50％左右)。所以支管直径不应该取得过小。本条第1款按高耸钢结构的实际常见状况规定了几个设计参数的取值范围，然后按现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017相应条款进行大量验算，验算结果及趋势都证明只要符合这些条件，相贯线焊缝连接的主管局部承载力都满足要求，不必验算。这是绝大部分情况，少量不能满足上述规定的情况，就按现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017验算。

    (3)相贯线焊缝的残余应力和应力集中问题，主要是在疲劳作用下对结构安全很不利。当交角小于30°时，尖角处的撕裂应力也较严重。所以将这两种情况和一般情况区别对待。A区是不用开坡口就能保证对接焊的，B区是稍加修整就能形成坡口并做对接焊的。对于一般情况，C区就用等强度角焊缝即可，但对于有疲劳作用的节点或交角小于30°的节点，则要在C区和D区切出适当的坡口，再做对接焊，这样才能减少焊接应力，保证焊接质量。这种方法借鉴于美国海洋钻井平台的焊接标准。在我国高耸钢结构中使用也超过20年(1993年青岛电视塔使用了此技术，此后的20多年内多个大型钢管塔也用这种技术)，没有出现过一例工程事故。所以将此技术列入本标准。

    另一种情况是很多支管相连于主管，且发生干扰的情况，现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017允许相互重叠，甚至重叠处可以有不完整的焊缝，然后规定不同的验算方法。根据高耸结构中此类“干扰”经常表现的形式，本标准不建议支管相互重叠，更不允许重叠处的间断焊缝，而是列出了利用对称中心加强板作为部分“媒介”传递部分内力的连接方式。这种方式受力明确、均衡。现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017中有合适的验算方法，而且也在大量高耸钢结构中使用，取得了成熟的经验，所以列入本标准。

5.7.6  本条指例如输电塔的横担或是多功能电视塔的塔楼悬挑桁架与塔柱连接的情况。这类节点与一般腹杆和钢管柱连接不同，支管受力与主管受力比较接近。这种情况下主管的局部承载力问题就较为严重，因此可以用多种方法对塔柱做局部加强再进行验算。