焊缝连接—中美建筑钢结构设计方法比较
焊缝连接—中美建筑钢结构设计方法比较
本文详细对比了中国GB 50017和美国AISC 360两本建筑钢结构设计标准中关于焊缝连接的相关规定。从基本计算方法、焊缝形式到具体的设计要求，文章全面分析了两本标准的技术差异和共同点，为相关领域的工程技术人员提供了重要的参考依据。
结合对中美钢结构设计标准GB 50017和AISC 360的理解和应用，对两本标准中有关焊缝连接的相关内容进行了分析和比较，有助于从业人员准确把握和理解两本标准的技术要求，合理应用设计标准条文指导钢结构工程设计。焊缝连接是建筑钢结构连接的主要形式，GB 50017和AISC 360对焊缝连接的焊缝形式、焊接材料、承载力计算方法、连接构造要求都做出了详细规定，本文讨论和比较了相关的技术内容和要求。
1 焊缝连接基本计算方法
GB 50017采用概率论为基础的极限状态设计法，通过分项系数表达式进行承载能力状态和正常使用极限状态计算，评价焊缝连接安全性的一般性表达式为：
采用AISC 360计算建筑钢结构焊缝连接的关键环节是确定构件或连接的名义承载力 R nw，并根据构件或连接的不同受力状态和破坏模式规定对应的 ϕ 或 Ω 值。
美国AISC 360同时采用了国际公制和美国英制两种计算单位制,基本长度单位为in或mm (1in≈25.4mm)；应力和强度为ksi或MPa (1ksi≈6.895MPa)。结构钢材、螺栓、栓钉、铆钉的材料性能要求符合美国材料与试验协会相应的技术标准。焊接材料性能要求符合美国焊接协会相应的技术标准。
2 焊缝连接形式
GB 50017和AISC 360推荐的主要焊缝形式为对接焊缝和角焊缝，以及槽焊缝和塞焊缝。对接焊缝可以是全熔透焊缝或部分熔透焊缝，角焊缝可以是连续焊缝或间断焊缝，槽焊缝和塞焊缝只能用于搭接连接承受剪力或用于避免叠层板件的屈曲或分离的连接。
美国AWS D1.1/D1.1M《钢结构焊接规范》和中国GB 50661—2011《钢结构焊接规范》对焊缝的焊接材料、坡口形式、构造要求、焊接工艺、焊接质量检验方法都做出了详细规定。
3 对接焊缝连接设计
3.1 对接焊缝连接构造要求
对接焊缝的承载力主要与坡口形式、焊缝计算长度 l w和焊缝厚度 h e等参数有关，AISC 360和GB 50017规定全熔透对接焊缝的有效焊缝厚度取两块连接板中较薄板的厚度 t 1，部分熔透对接焊缝的有效焊缝厚度 h e取值与焊缝坡口形式有关，GB50017规定 h e一般取坡口深度 s ，对于夹角45°左右的V型坡口，取 h e= s -3mm，AISC 360另外还要求限制部分熔透对接焊缝最小有效焊缝厚度。
4 角焊缝连接设计
4.1 角焊缝连接构造要求
角焊缝的构造要求是实现焊缝可靠传力，并保证焊缝的计算承载力与实际受力状态相一致的必要条件。角焊缝的主要参数是焊脚尺寸 h f(AISC 360用 w 表示)和焊缝计算长度 l w(AISC 360用 l 表示)，GB 50017和AISC 360提出了同样的最小焊脚尺寸 h f, min( w min)限制要求(表4)，搭接焊缝沿母材棱边的最大焊脚尺寸 h f,max( w max)也做出了同样的限值规定：当板厚不大于6mm(1/4in)时，应为母材厚度；当板厚大于6mm(1/4in)时,应为母材厚度减去 2mm(1/16in)。
4.2 角焊缝连接承载力计算
AISC 360计算角焊缝承载力时，要求分别计算焊缝处母材的承载力 ϕ R nBM或 R nBM/ Ω ，焊材的承载力 ϕR nw或 R nw/ Ω ，角焊缝的承载力取两者的较小值，即 ϕR n=min( ϕR nBM， ϕ R nw)或 R n/ Ω =min( R nBM/ Ω ， R nw/ Ω )，但对不同受力状态的角焊缝规定了相应的 ϕ 和 Ω 取值，以及母材名义承载力 R nBM和焊材名义承载力 R nw的计算方法。
4.3 塞焊缝和槽焊缝连接计算
GB 50017和AISC 360都采用角焊缝的抗剪强度指标计算圆塞焊缝、槽塞焊缝和圆孔内或槽孔内角焊缝。AISC 360按式(16)计算圆塞焊缝和槽塞焊缝的名义承载力 R nw，圆塞焊和槽塞焊有效面积 A we取塞焊孔截面积或槽焊孔面积，GB 50017按式(21)计算圆塞焊和槽塞焊强度。
主要结论
GB 50017和AISC 360推荐采用的钢结构焊缝连接构造形式完全一致，即熔透对接焊缝、部分熔透对接焊缝、角焊缝、塞焊缝和槽焊缝。GB50017和AISC 360对各种焊缝连接形式的构造要求也基本相同。
GB 50017对熔透对接焊缝提出了一、二、三级质量检验等级要求,并采用了不同的焊缝设计强度指标。AISC 360对熔透对接焊缝不规定质量等级差别，但要根据结构的重要性不同进行焊接质量无损检验(NDT)。
AISC 360规定如果采用匹配的焊材和焊接工艺，熔透对接焊缝可以实现与母材等强度，GB 50017规定一、二级熔透对接焊缝可达到与母材等强度。
AISC 360和GB 50017规定的角焊缝、塞焊缝和槽焊缝计算方法基本相同，AISC 360计算的角焊缝承载力略高。两个标准都对受剪长焊缝进行承载力折减，GB 50017规定侧面焊缝计算长度超过60倍焊脚尺寸时进行折减，而AISC 360建议焊缝计算长度超过100倍焊脚尺寸时进行折减。对于长焊缝受剪承载力计算，GB 50017比AISC 360折减量更多一些，不宜按均匀受剪计算长侧面角焊缝。即GB 50017给出的侧面长焊缝承载力折减计算公式的一致性有偏差，需要进一步改进和调整。