焊缝自动设计/焊缝尺寸确定

焊缝尺寸确定工具根据特定输入和已定义的策略（如承载力估算、等强、最小延性或超强）计算最优焊缝尺寸。新设计基于所选设置生成，相关设置将在下文进一步说明。该功能作为强大的辅助工具，可消除手动迭代，提供可供最终验证的可靠设计方案。

在 IDEA StatiCa Connection 中，所有用户均可使用以下两种焊缝尺寸确定策略：

• 按等强设计
• 按超强设计

对于欧洲规范用户，还有另外两种策略：

• 按承载力估算设计
• 按最小延性设计

对于 AISC 用户，还有一种策略：

• 按承载力估算设计

如何调用功能

焊缝尺寸确定可通过以下方式调用：

• 点击顶部面板中的焊缝尺寸确定按钮

• 在操作对话框中

• 右键单击操作并选择全部自动设计，但此方式不仅会自动设计焊缝，还会自动设计螺栓。

• 右键单击操作并选择特定类型的焊缝尺寸确定方法

• 右键单击包含焊缝的操作并选择自动设计，但此方式在特定操作中不仅会自动设计焊缝，还会自动设计螺栓。

调用该功能时，需在操作对话框中指定焊缝尺寸确定方法。 一般而言，焊缝尺寸将按以下顺序递增：

• 承载力估算
• 最小延性
• 等强
• 超强

各方法详细说明见下文。 

影响焊缝尺寸的设置

焊缝尺寸确定过程由特定的全局设置决定。算法将评估以下输入：

• 焊缝：目标承载比：该限值在项目设置 > 设计 – 通用中定义（默认值为 0.9）。算法将实际荷载与该设定值进行比较，以找到满足要求的解。所检查的具体值为承载比 Ut_c。
• 焊缝：超强系数：该系数确保焊缝强度高于被连接构件，以允许塑性铰的形成，符合 EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5) 的建议（通常为 1.4 或 1.7）。该限值在项目设置 > 设计 – 通用中定义（默认值为 1.4），仅在选择"超强"尺寸确定方法时适用。
• 取整规则： 焊缝高度根据项目 > 首选项 > 应用单位 - 新实体取整 > 焊缝尺寸中的取整设置进行调整。
• 控制器增量：算法增加焊缝高度的最小值在项目 > 首选项 > 应用单位 - 控制器增量 > 焊缝尺寸中设置。

承载力估算

按承载力估算进行焊缝尺寸确定，可自动提供恰好能传递设定荷载的焊缝尺寸。 

功能工作原理

在焊缝结果选项卡中，列出了两个承载比。Ut（应力承载比）显示整条焊缝中应力最大有限单元的承载比值（峰值），而Ut_c（焊缝承载比）显示整条焊缝的承载比，从而为用户提供焊缝剩余承载力的信息。

由于基于有限元模型中焊缝的应力分布随施加荷载的变化而不确定，因此无法简单地将剩余承载力确定为线性函数。随着施加荷载的增量，焊缝应力分布的变化可能非常显著。

Ut_c的计算采用机器学习估算函数。通过对大量焊接节点模型和各种荷载工况的学习，算法能够准确预测焊缝剩余承载力。该数值显示在规范校核的焊缝选项卡中的Ut_c 列。

该功能利用人工智能和机器学习来确定焊缝承载力，最优之处在于应用程序可在 10% 的误差范围内实现这一目标，这可视为优秀的结果。

目前，该功能已在欧洲规范和 AISC 中实现。

按承载力估算进行焊缝尺寸确定需要计算结果。角焊缝尺寸根据以下公式进行调整：

$$a_{new} = a \cdot Ut_c / Ut_{target}$$

其中：

• $a_{new}$ – 调整后的角焊缝尺寸
• $a$ – 之前设定的角焊缝尺寸
• $Ut_c$ – 基于机器学习算法的承载力估算值，显示在焊缝规范校核中
• $Ut_{target}$ – 设置 → 设计 → 自动设计 → 焊缝尺寸确定中的目标承载比

请注意，焊缝尺寸受构造规则限制，例如焊缝尺寸不得小于 3 mm（EN 1993-1-8 – 4.5.2）。这些构造规则将被严格遵守。另请注意，IDEA StatiCa 中的多条焊缝通常设置为单一值，在这种情况下，尺寸将根据承载比最大的焊缝确定。

此外，还提供计算循环功能。当焊缝尺寸确定方法设置为承载力估算时，其步骤为：

1. 将角焊缝尺寸确定为等强
2. 计算模型
3. 将角焊缝尺寸确定为承载力估算
4. 计算模型

只需单击一次，焊缝即可设置在目标承载比处或以下。

最小延性

按最小延性进行焊缝尺寸确定，可自动提供足够强以防止脆性破坏的焊接节点。焊缝强度允许板件发生初始屈服，但最终焊缝将发生断裂。

FprEN 1993-1-8:2023 – 6.9(4) 中规定了焊接节点最小延性要求。该要求源自 EN 1993-1-8 的荷兰国家附录，其中焊缝强度与板件强度的固定比值为 0.8。该要求也包含在广泛使用的英国绿皮书（即第 C2 章和第 C3 章）中。然而，固定比值仅适用于钢材等级 S355。在第二代欧洲规范中，该要求已扩展至所有钢材等级。

对于双面角焊缝，该要求按以下公式进行验算：

$$a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot \min \left \{1.0, 1.1\frac{f_y}{f_u} \right \}$$

其中：

• $a$ – 焊缝计算厚度
• $t$ – 沿边连接板件的厚度
• $\beta_w$ – 焊缝相关系数
• $\gamma_{M2}$ – 螺栓和焊缝的安全系数；可在规范设置中编辑
• $f_y$ – 板件屈服强度
• $f_u$ – 焊缝极限强度
• $\gamma_{M0}$ – 板件安全系数；可在规范设置中编辑

单面角焊缝的焊缝计算厚度是双面角焊缝的两倍。

请注意，该方法适用于横向受力焊缝，且在板件以全宽连接时有效。

等强

按等强进行焊缝尺寸确定，可自动提供强度高于被连接板件的焊缝。计算中假定板件受拉、焊缝横向受力，作为焊缝强度和延性的最不利工况。该设计方法适用于静力荷载下避免焊缝脆性破坏。

该方法也包含在广泛使用的英国绿皮书（即第 C1 章）中。

对于双面角焊缝，该要求按以下公式进行验算：

$$a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} }$$

其中：

• $a$ – 焊缝计算厚度
• $t$ – 沿边连接板件的厚度
• $\beta_w$ – 焊缝相关系数
• $f_y$ – 板件屈服强度
• $f_u$ – 焊缝极限强度
• $\gamma_{M0}$ – 板件安全系数；可在规范设置中编辑

请注意，该方法适用于横向受力焊缝，且在板件以全宽连接时有效。

超强焊缝

按超强进行焊缝尺寸确定，可自动提供远强于被连接板件的焊缝。超强系数在设置 → 设计 → 自动设计 → 焊缝尺寸确定中指定。默认值 1.4 取自 EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5)，用于形成塑性铰。 

计算中假定板件受拉、焊缝横向受力，作为焊缝强度和延性的最不利工况。该设计方法适用于塑性设计或循环荷载下避免焊缝脆性破坏。请注意，较大的焊缝尺寸并不自动保证高延性，相反，可能导致因焊缝收缩引起的过大残余应力和变形。

对于双面角焊缝，该要求按以下公式进行验算：

$$a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot f_{overstrength}$$

其中：

• $a$ – 焊缝计算厚度
• $t$ – 沿边连接板件的厚度
• $\beta_w$ – 焊缝相关系数
• $\gamma_{M2}$ – 螺栓和焊缝的安全系数；可在规范设置中编辑
• $f_y$ – 板件屈服强度
• $f_u$ – 焊缝极限强度
• $\gamma_{M0}$ – 板件安全系数；可在规范设置中编辑
• $f_{overstrength}$ – 设置 → 设计 → 自动设计 → 焊缝尺寸确定中指定的超强系数

请注意，该方法适用于横向受力焊缝，且在板件以全宽连接时有效。