Несущая способность сварных соединений с фланговыми швами в строительных металлических конструкциях

      МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  
 И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

 ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
 СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Библиотека научных разработок и проектов МГСУ 

В.А. Белов 

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СВАРНЫХ  
СОЕДИНЕНИЙ С ФЛАНГОВЫМИ ШВАМИ 
В СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ 
КОНСТРУКЦИЯХ 

М о с к в а  2017 

2-е издание (электронное)

УДК 624.014.078 
ББК 38.54 
 Б 43 

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ 

Р е ц е н з е н т ы: 
профессор, доктор технических наук, заслуженный строитель России 
Б.Г. Ким, заведующий кафедрой строительного производства 
Владимирского государственного университета; 
профессор, доктор технических наук С.Я. Галицков, заведующий 
кафедрой механизации, автоматизации и энергосбережения строительства 
Самарского государственного архитектурно-строительного университета 

Монография рекомендована к публикации 
научно-техническим советом МГСУ 

 Белов, В.А. 
Б 43 
   Несущая способность сварных соединений с фланговыми швами в стро
ительных металлических конструкциях [Электронный ресурс]: монография / В.А. Белов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. 
строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 
135 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — (Библиотека научных разработок и проектов МГСУ) — Систем. требования: Adobe Reader 
XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1669-4

Рассмотрено влияние геометрических параметров сварных соединений с фланговыми швами на их работу. Представленная инженерная методика расчета таких 
соединений узлов строительных металлических конструкций позволяет значительно расширить существующее ограничение предельной расчетной длины флангового шва, снизить объем наплавленного металла, что приводит к уменьшению 
выбросов при сварке и улучшению экологии производства. 
Для специалистов в области прочности металлоконструкций зданий и сооружений, а также аспирантов и инженерно-технических работников. 

УДК 624.014.078 
ББК 38.54 

ISBN 978-5-7264-1669-4
 ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2012  

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Несущая способность сварных соединений с фланговыми швами в строительных 
металлических конструкциях : монография / В.А. Белов ; М-во образования 
и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ
—МГСУ, 2012. — 136 с. — ISBN 978-5-7264-0612-1.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя 
возмещения убытков или выплаты компенсации.

1. История исследования сварных соединений
с фланговыми швами 

1.1. Методы расчета сварных соединений 
с угловыми швами в соединениях,  
работающих на статическую нагрузку 

Снижение металлоемкости и повышение технологичности сварных металлических конструкций — важная народнохозяйственная 
задача. Один из путей решения этой задачи — снижение массы наплавленного металла угловых швов, на долю которых приходится 
75–80% применяемых сварочных материалов 1 . С этой целью проводится ряд исследований по уточнению методов оценки несущей 
способности сварных соединений с угловыми швами, направленных 
на сокращение объема наплавленного металла. 
Важный вклад в изучение вопросов прочности сварных соединений с угловыми швами внесли как ученые в нашей стране (Г.А. Николаев, С.А. Данилов, Е.О. Патон, В.А. Винокуров, В.В. Шеверницкий, С.А. Островская, В.С. Игнатьева, Д.И. Навроцкий, Н.О. Окерблом, О.А. Бакши, А.Е. Аснис, В.М. Барышев, Ю.Г. Мосенкис и др.), 
так и за рубежом (А. Гоэлцер, Р. Олсон, А. Солокиян, К. Ежек, 
И.Смит, Ф. Фалтус, К. Клеппель, Р. Петри, Д. Борншойер). 
Многочисленность исследований по данному направлению объясняется большим количеством факторов, влияющих на работу 
сварных соединений с угловыми швами, и необходимостью их учета 
при расчете и конструировании последних. 
Результаты исследований перечисленных выше авторов в той или 
иной степени отражены в нормативных методах расчета, однако 
многие данные об условиях работы угловых швов не воплотились до 
настоящего времени в точный метод расчета, доступный для широкого применения.  
В предшествующих последнему изданию СНиП II–23–81*, работах А.А. Казимирова, С.А. Островской, В.М. Барышева, В.С. Игнатьевой и других исследователей, в числе которых был и автор 
данной работы, проведены исследования, направленные на снижение наплавленного металла в сварных соединениях с угловыми 
швами. Эти исследования были посвящены как оценке технологической прочности 2; 3 , анализу глубины проплавления угловыми 

швами и несущей способности сварных соединений с угловыми 
швами 4–6 , так и созданию технологичных узлов и соединений 
сварных металлических конструкций 7–10 . 
Нормативный метод расчета на прочность сварных соединений с 
угловыми швами строительных металлических конструкций изложен в СНиП II–23–81* [11]. Расчет ведут на условный срез (рис. 1.1) 
по металлу шва для сечения 1: 

γ
γ
β
wf
wf
c
wf
f
w

N
R
k
l

и по металлу границы сплавления для сечения 2: 

γ γ .
β
wz
wz
c
wz
f
w

N
R
k
l

Рис. 1.1. Расчетные сечения углового шва 11 : 
1 – по металлу шва; 2 – по металлу границы сплавления 11

Здесь N – продольная или поперечная сила по отношению к на
правлению шва; βwf , βwz – коэффициенты, зависящие от вида сварки,

диаметра сварочной проволоки, положения шва и размера катета 
fk

соответственно при расчете по 1 и 2 сечениям; wl  – расчетная длина 

(1.1)

(1.2)

шва; 
wf
R
,
wz
R
 – соответственно расчетные сопротивления угловых 
швов срезу (условному, по металлу шва и по границе зоны сплавления); γwf , γwz , γ c – коэффициенты условий работы шва, границы 
сплавления и конструкции, соответственно. Недостатком приведенного метода расчета является неучет большого числа факторов, 
влияющих на прочность соединений с угловыми швами. 
Одним из таких факторов является направление нагрузки, воспринимаемой угловым швом. Экспериментальные данные С.А. Данилова и Г.А. Николаева показывают, что прочность угловых швов 
существенно зависит от направления результирующего вектора 
внешней нагрузки. 

 

 
 
Рис. 1.2. Схемы действия сил на сварное соединение с угловым швом [12]: 
1 – расчетное сечение по металлу шва; 2 – расчетное сечение по металлу 
границы сплавления (существенно зависит от направления  
результирующего вектора внешней нагрузки) 
 
В работах 12; 13  предложен уточненный метод расчета, учитывающий влияние приложенной нагрузки на статическую прочность 
углового шва и позволяющий получить экономию наплавленного 
металла. На рис. 1.2 приведены обозначения и схема действия сил, 
принятые в 12; 13 . Предложено учитывать введением коэффициента 
прочности  С  повышение прочности конкретного углового шва с 
изменением направления усилия N по отношению к минимальной 
прочности флангового шва. Коэффициент прочности зависит от углов  и γ : 

разр (α,γ)

разр. фл
,
N
C
N
 

где 
разр (α,γ)
N
– разрушающая нагрузка для данного шва при конкрет
ных значениях α  и γ ; 
разр.фл
N
 – разрушающая нагрузка при действии силы вдоль оси того же шва. Коэффициент С определяется экспериментально при постоянном значении γ=90о и изменении на образцах угла α . В случае γ 90о значение С определяется экспериментально или приближенно по формуле 

2
2
2
0,5
2
α
(sin γ
cos α)
C
C
C
, 

где С  берется из диаграммы 
α
(α,γ 90 ).
C
C
 

Так как коэффициент С ≥ 1, то введение его в формулу (1.1) при 
заданном усилии N позволит уменьшить размер катета 
fk . По дан
ным работы В.А. Винокурова 13 , за счет повышения прочности 
лобовых и фланго-лобовых швов по отношению к фланговым возможно снижение массы наплавленного металла от 20 до 40 %. 
В работе С.А. Данилова предлагается метод расчета соединений с 
угловыми швами по предельным нагрузкам. Направление нагрузки 
по этому методу учитывается введением результатов испытаний 
двух швов – лобового и флангового. Все другие нагрузки считаются 
комбинацией этих двух (рис. 1.3). 
На основе полученных при испытании диаграмм Р –  предлагается 
учитывать развитие пластических деформаций. Предполагается, что 
все деформации концентрируются в шве, а соединяемые детали – 
жесткие. Перемещение соединяемых элементов, при этом, рассматривается как вращение вокруг некоторой точки. Следует отметить 
сложность предлагаемого метода, особенно для соединений, включающих несколько различных швов, что чаще встречается на практике (рис. 1.4). Анализ несущей способности сварных соединений с 
угловыми швами предлагается производить по номограммам и таблицам. Однако последние требуют большой экспериментальной и 
вычислительной работы, что вызывает возражение против использования этого метода в инженерной практике. 
В работе В.М. Барышева [1] на примере сварных металлоконструкций показана возможность уменьшения поперечного сечения 
угловых швов. 

а 
 

 
б 
 
 
 
 
    в 
Рис. 1.3. Диаграммы испытаний (а), вводимые в расчет  
по методу С.А. Данилова [16] для лобового (б) и флангового (в) швов       
 

 
 
Рис. 1.4. Схема к расчету прочности соединения с тремя швами  
по методу С.А. Данилова 16

С целью снижения расхода сварочных материалов в работах 15–17  
предлагается использовать при выполнении угловых швов более 
прочные материалы, чем основной металл. Это позволяет повысить 
прочность сварного соединения за счет переноса расчетного сечения 
из шва в зону сплавления и, тем самым, снизить расход наплавленного металла.  
Применение сварочных материалов повышенной прочности не 
связано с заменой оборудования или изменением технологии сварки, 
но при этом требуется обеспечить достаточную пластичность и вязкость металла шва.  
В работах [18–20], выполненных под руководством проф. О.А. Бакши, получены расчетные зависимости для определения прочности 
нахлесточных и тавровых сварных соединений на основе исследования напряженно-деформированного состояния лобовых швов и определена оптимальная геометрия швов.  
Показано расчетным путем и подтверждено экспериментально, 
что для нахлесточных и тавровых сварных соединений оптимальными являются лобовые швы с углом 
опт
β
≈ 60о (см. рис. 1.1). 
Следует отметить, что в СНиП II–23–81* недостаточно учтены 
возможности увеличения размеров расчетных сечений при выполнении угловых швов механизированным способом. В частности, путем выполнения неравнокатетных швов, позволяющих получить 
максимальную величину обоих расчетных сечений для заданного 
режима сварки, что отмечено в работах 19; 21  и более подробно 
рассмотрено в работе [22 . Таким образом, к настоящему времени 
выполнено достаточное количество работ по исследованию сварных 
соединений с лобовыми и короткими фланговыми швами, которые 
позволяют уточнить метод оценки их статической прочности. Что 
же касается сварных соединений с фланговыми швами большой 
протяженности, на несущую способность которых существенным 
образом влияют геометрические параметры соединения, что было 
отмечено рядом исследователей, то до настоящего времени при расчете на прочность этот фактор не учитывается.  
Так, при расчете по СНиП II–23–81* предельная расчетная длина 

wl  в формулах (1.1) и (1.2) ограничивается величиной 85 β f
fk , т.е. 

это ограничение связано с катетом. 
Известно, однако, что независимо от катета, при увеличении длины 
шва неравномерность распределения деформаций и напряжений 

вдоль шва возрастает, снижая несущую способность соединения. 
Кроме того, геометрические параметры соединяемых элементов 
влияют на перераспределение деформации в сварном соединении и 
на его несущую способность. 
Еще в период внедрения сварки в качестве основного технологического процесса при изготовлении металлических конструкций 
«Технические условия проектирования и возведения металлических 
конструкций», изданные в 1931 г., ограничивали предельную расчетную длину флангового шва величиной в 25 толщин шва (25 t) 
[23]. Работы Е.О. Патона и В.В. Шеверницкого [24; 25] позволили 
повысить расчетную длину флангового шва до 50 катетов. 
До выхода последних изменений в СНиП II–23–81* величина 
расчетной длины флангового шва принималась равной 60 катетам 
шва. Последние изменения в СНиП II–23–81* внесены на основании 
экспериментальных исследований МИСИ им. В.В. Куйбышева, выполненных совместно с ЦНИИСК, ВНИКТИСК и ЦНИИПСК (в которых принимал непосредственное участие и автор настоящей работы), ограничивают длину флангового шва размером 85 β f
fk . Одна
ко, как показали эти предварительные экспериментальные исследования, проведенные на образцах с длиной шва до 120 β f
fk , падение 

несущей способности с увеличением длины незначительно, необходимы дальнейшие экспериментальные исследования на образцах с 
длинами швов, значительно превышающими величину 85 β f
fk . 

Анализ зарубежных нормативных документов показал, что в 
большинстве норм, которые ограничивают предельную расчетную 
длину флангового шва, это ограничение связывают только с катетом 
шва. Причем сама величина ограничения максимальной длины 
флангового шва в этих нормах различна. 
Так, в нормах ЧССP [26] эта величина была равна 50 толщинам 
шва, в стандартах Венгрии [27] и Германии [28] – 100 толщинам шва.  
В рекомендации EKS [29] длина фланговых швов может составлять 2 м независимо от толщины шва, при этом расчетная длина 
уменьшается 
против 
фактической 
за 
счет 
коэффициента 
η=1,0…0,15. Нормы США [30], Франции [31] и Канады [32] вообще 
не вводят ограничения предельной длины флангового шва, требуя 
обеспечения равнопрочности сечений по шву и основному материалу.  
Г. Валтинат в работе [33] приходит к выводу, что в будущем при 
определении ограничения предельной расчетной длины флангового 

шва должна предусматриваться не величина
β f
f
l
k , а величина l B , 

(где В – ширина прикрепляемого элемента или расстояние между 
фланговыми швами,) т.е. должны учитываться геометрические параметры сварного соединения.  
Именно неучет геометрических параметров сварного соединения 
и ведет к разнобою в назначении предельной расчетной длины 
флангового шва в отечественных и зарубежных нормативных документах, что говорит о недостаточной изученности вопроса.  
 
1.2. Исследования напряженно-деформированного  
состояния сварных соединений с угловыми швами 
 
В основу первых теоретических исследований напряженного состояния углового шва, выполненных Г.А. Николаевым [34], А. Гоэльцером [35] и Р. Олсоном [36], была положена модель лобового 
шва в виде клина (рис. 1.5). В работах [34–36] предложены различные расчетные схемы, основанные на использовании известных решений плоской задачи теории упругости [37] (рис. 1.6). 
В этих расчетных схемах лобовой шов рассматривается как клин, 
нагрузка на который передается по лобовой плоскости и распределена по определенному закону. В работе Г.А. Николаева [34] принято, что нагрузка распределена в лобовом сечении шва равномерно, в 
работе  А. Гоэльцера  [35]  — по закону треугольника,  а  в  работе  
Р. Олсона [36] — по параболе (рис. 1.7, 1.8) 
Одним из первых аналитических решений о распределении усилий 
по длине флангового шва является решение С.А. Данилова [38; 39]. 
С.А. Данилов устанавливает связь между деформацией сварного шва 
и удельным усилием по формуле 

λ
,
α

x
x
q

                                                  (1.3) 

где λх – деформация сварного шва (рис. 1.9); qх – удельное усилие, 
действующее на единицу длины шва; α – некоторый коэффициент, 
названный С.А. Даниловым [38; 39] модулем сдвига флангового шва. 
Уравнение деформаций для схемы загружения флангового шва, 
представленной на рис. 1.9, имеет вид  

0
2
1
λ +Δ =λ +Δ .
x
x
x