7.1导言
钢结构构件的连接至关重要，结构中不充分的连接可能造成 “薄弱环节”这也是导致几种失稳情况的原因。结构失稳较为罕见，大多数失稳都是不合理的设计或不当的细节连接导致的。这一问题因连接设计责任问题而变得更加复杂。在许多情况下，连接不是由设计其余结构的同一个工程师设计的，而是由与为项目提供材料的钢铁制造商相关联的人设计的。然而，负责绘制设计图纸的结构工程师负责整个设计，包括连接件。因此，工程师需要精通连接设计，从而可以验证由他人设计的连接。
现代钢结构通过焊接或螺栓连接（高强度或“普通”螺栓）或两者结合。直到最近，连接件都是焊接或铆接的。1947年，铆接和螺栓连接结构接头研究委员会成立，其第一个规范于1951年发布。本文件授权在一对一基础上用高强度螺栓代替铆钉。从那时起，高强度螺栓迅速流行起来，如今高强度螺栓的广泛使用使得铆钉在土木工程结构中已经过时。这种变化有几个原因。两个相对不熟练的工人可以安装高强度螺栓，而铆接需要四个熟练的工人。此外，铆接操作噪音大，而且由于将加热铆钉从加热点抛到安装点的做法有些危险。AISC规范不再涵盖铆接设计，但许多现有结构包含铆接接头，需要对这些接头进行分析，以便对
旧结构进行强度评估和修复。AISC附录5“现有结构评估”第5.2.6节规定，除非有证据，否则应假定采用ASTM A502 1级铆钉。相反。铆钉的性能见ASTM规范（ASTM，2010C）。铆接连接的分析与普通螺栓连接的分析基本相同，只是材料特性不同。
焊接比螺栓连接有几个优点。焊接连接通常在概念上是相似的，而且除了孔洞外需求很少（有时可能需要安装螺栓来固定焊接操作中的构件）。当使用焊接时，非常复杂的与紧固件的连接可以变得非常简单。例如图7.1所示的板梁。在焊接被广泛应用之前，这种组合形状是通过铆接制造的。为了将翼板连接到腹板上，采用角形来传递两个构件之间的荷载。如果加上盖板，成品会更加复杂。然而，焊接在其简单性方面是优越的。从其缺点来说，焊接需要熟练的工人，而且检验可能是复杂和昂贵的。如果条件允许的话，后一个缺点可以通过使用车间焊接而不是现场焊接来部分克服。在制造车间的受控条件下，可以更容易地保证焊接质量。当采用焊接和螺栓组合进行连接时，可在车间进行焊接，并在现场进行螺栓连接。在图7.2所示的单板梁柱连接中，板在车间焊接到柱翼缘上，现场用螺栓固定到梁腹板上。
图7.2
图7.1
7.5高强螺栓安装
在某些情况下，高强度螺栓的安装应达到一定的紧密度，以使其承受非常大的拉力。例如，直径为5/8英寸的A组螺栓的初始拉力可高达19 kips。AISC表J3.1“最小螺栓预拉力”中给出了要求最小张力的连接件的最小张力值的完整列表。每个值等于螺栓最小拉伸强度的70%。如此大的拉力的目的是达到图7.12所示的夹紧力。这种螺栓被认为是完全张紧的。
当一个螺母沿着螺栓的螺纹转动和推进时，连接的部分受到压缩，螺栓伸长。图7.12a中的自由体图表明，作用在连接部件上的总压缩力在数值上等于螺栓的张力。如果施加外部载荷P，连接部件之间会产生摩擦力。这个力的最大可能值是
F＝Mn
式中，m是连接部件之间的静摩擦系数，n是作用于内表面的法向压缩力。m的值取决于
图7.12
钢材的表面状况，例如，是否涂漆或是否存在锈迹。因此，连接件中的每个螺栓都能够承受P=F的载荷，即使螺栓杆不承受连接件上的载荷。只要不超过这个摩擦力，就没有轴承或剪切力。如果p大于f，并且发生滑动，那么剪切力和承载力就会存在，并且会影响连接件的承载力。
如何准确实现这种高张力？目前，高强度螺栓的安装有四个标准程序（RCSC，2009年）。
1.螺母转动法。该程序基于紧固件和连接件的荷载变形特性。一整圈螺母对应于沿着螺栓螺纹的固定行程长度，该长度可与螺栓的伸长量相关。然后，可以使用螺栓材料的应力-应变关系来计算螺栓中的张力。
因此，对于任何尺寸和类型的螺栓，可以计算产生给定拉力所需的螺母圈数。高强度螺栓规范（RCSC，2009）中的表8.2给出了不同尺寸螺栓在长径比方面所需的螺母旋转。规定的旋转是从紧贴位置开始的，紧贴被定义为使连接的所有元件牢固接触所需的紧密性。尽管涉及到很多的不确定性和变量，但事实证明，转动螺母法是可靠并异常准确的。
2.校准扳手拧紧。通常用扭矩扳手。在给定尺寸和等级的螺栓中达到规定张力所需的扭矩通过在张力指示装置中拧紧该螺栓来确定。在施工期间，必须每天对各种尺寸和等级的螺栓进行校准。
3.扭转-关闭型螺栓。这些是专门设计的螺栓，必须用专门设计的电动扳手安装。螺栓有花键端，扳手的内套筒与之配合。当外套筒拧紧螺母时，内套筒反向转动螺栓的花键端。扳手是根据螺栓的尺寸和强度进行校准的，当达到所需的张力时，扳手的末端就会扭曲。这使得安装检查特别容易。在A组类别中，ASTM名称为F1852（强度与A325相同）。在B组类别中，名称为F2280（强度与A490相同）。
4.直接张力指示器。这些设备中最常见的是表面有突起的垫圈。拧紧螺栓时，突出部分按螺栓张力的比例压缩。可以为任何螺栓确定规定的变形量，达到该变形量后，螺栓将具有适当的张力。变形可以通过测量螺母或螺栓头与垫圈表面未变形部分之间的间隙来确定。当使用这种类型的直接张力指示器时，螺栓安装的检查也简化了，因为只需要塞尺。
并非所有高强度螺栓都需要拧紧到完全张紧的状态。AISC J3.1允许某些连接中的螺栓紧贴。这些包括第7章简单连接、承载式连接（见本书第7.6节）、大多数张力连接（第7.8节）和大多数组合剪切和张力连接（第7.9节）。AISC J1.10描述了完全张紧的连接。
7.6滑动临界和轴承型连接
与高强度螺栓的连接分为滑动临界连接或轴承型连接。滑动临界连接是不允许滑动的连接，也就是说，不得超过摩擦力。在承载式连接中，滑动是可以接受的，剪切和承载实际上都存在。在某些类型的结构中，尤其是桥梁，连接件上的荷载可以经历许多次反向循环。在这种情况下，如果允许连接件在每次反转时滑动，并且滑动临界连接件是可观察到的，则紧固件的疲劳可能会变得非常严重。然而，在大多数结构中，滑动是完全可以接受的，轴承型连接是满足的。（A307螺栓仅用于轴承型连接。）对于滑动临界连接，必须正确安装并达到规定的初始张力。在轴承型连接中，安装螺栓的唯一实际要求是将螺栓张紧到足以使连接中的接触面牢固地相互支撑。这种安装产生了前面讨论的螺母转动方法中提到的紧贴状态。
如前所述，滑动阻力是静摩擦系数和连接部件间法向力的函数。这一关系反映在AISC规范的规定中。螺栓的名义滑动阻力由下式得出：
Rn = mu;DuhfTbns（AISC方程式J3-4）
其中mu;=A级表面的平均滑动系数（静摩擦系数）=0.30
Du=平均实际螺栓预紧力与规定最小预紧力之比。
hf=填充因子
Tb=AISC表J3.1中的最小紧固件张力
n =滑动面数量（剪切面）
A级表面是指具有干净的轧屑的表面（轧屑是一种氧化铁，在钢材生产时在钢材上形成）。该规范涵盖了其他表面，但在本书中，我们保守地使用A级表面，这类表面的滑动系数最小。
填充系数hf说明了填充板的存在，填充板有时会添加到连接件上，以使元件对齐。例如，当不同深度的构件拼接时，可能会发生这种情况。最近的研究表明，填料的存在会影响连接件的抗滑性。
7.10焊接连接
结构焊接是一种将要连接的零件加热和熔化，并在接头上添加辅助熔化金属的过程。例如，图7.33所示的受拉构件搭接接头可以通过焊接两个连接部件的端部来构造。相对较小深度材料会熔化，冷却后，结构钢和焊接金属将作为一个连续的零件连接在一起。焊丝，有时被称为填充金属，是一个特殊的电极，也是一个电路的一部分，包括连接的部分，或基础金属件。在图7.34所示的屏蔽金属电弧焊（SMAW）工艺中，电流电弧穿过电极和母材之间的间隙，加热连接部件，并将电极的一部分沉积到熔化的母材中。电极上的特殊涂层蒸发并形成保护气体保护层，防止熔化的焊接金属在凝固前氧化。电极在接头上移动，并沉积焊缝，焊缝的尺寸取决于电极的移动速度。当焊缝冷却时，杂质上升到表面，形成一种称为熔渣的涂层，在对构件进行喷漆或用电极进行另一道焊道之前必须去除该涂层。
手工电弧焊通常是手工进行的，是现场焊接的通用工艺。对于车间焊接，通常采用自动或半自动工艺。其中最重要的是埋弧焊（SAW）。在这个过程中，电极末端和电弧被淹没在药皮熔化形成气体保护层中，有更多的熔池渗透进入母材中，与手工电弧焊相比，母材的熔深更多，强度更高。其他常用的工厂焊接工艺包括气体保护金属电弧、药芯电弧和电渣焊。
焊接接头的质量控制尤其困难，因为表面以下的缺陷，甚至表面上的微小缺陷，都会逃脱目视检测。焊工必须经过适当认证，对于关键工作，必须使用特殊的检查技术，如射线照相或超声波检测。
图7.3 图7.4
两种最常见的焊缝类型是角焊缝和坡口焊缝。图7.33a中所示的搭接接头由角焊缝构成，角焊缝是指放置在由两个接触部件形成的角上的角焊缝。角焊缝也可用于三通接头，如图7.33b所示。槽焊缝是指在待连接的两个零件之间的间隙或槽中沉积的焊缝。它们最常用于对接、三通和角接。在大多数情况下，一个或两个连接部件将有斜边，称为准备边缘，如图7.35a所示，尽管相对较薄的材料可以在不准备边缘的情况下进行坡口焊接。图7.35a所示的焊缝为全熔透焊缝，可从一侧进行焊接，有时借助于支撑杆。局部熔透坡口焊缝可从一侧或两侧进行，无论是否进行边缘处理（图7.35b）。
图7.36显示了塞焊或槽焊，当需要的焊缝比可用的边缘长度更多时，有时会使用塞焊或槽焊。在要连接的一个零件上切出一个圆形或有槽的孔，并用焊接金属填充。
图7.35 图7.36
在这两种主要类型的焊缝中，角焊缝是最常见的，并在这里进行了详细的考虑。全熔透槽焊缝需要满足两个条件，即焊缝将具有与母材相同的强度，并且连接部件可以在接头处被视为完全连续。部分熔透槽焊缝的强度将取决于熔透量；一旦确定熔透量，设计程序将基本上与角焊缝相同。
7.11角焊缝
角焊缝的设计和分析基于焊缝横截面为45°直角三角形的假设，如图7.37所示。任何加强（三角形斜边外的加强）或穿透忽略不计。角焊缝的尺寸用w表示，是横截面两侧相等的长度之一。标准焊缝尺寸以1/16英寸的增量规定。尽管一段焊缝可以在剪切、压缩或拉伸的任何方向上加载力，但角焊缝在剪切时最弱，并且始终假定在这种模式下破环。具体来说，假设破坏发生在穿过焊缝喉部的平面上的剪切力中。对于采用屏蔽金属电弧工艺制造的角焊缝，焊喉是从焊缝角部或根部到斜边的每一个下垂距离，等于焊缝尺寸的0.707倍。（采用埋弧焊接工艺制造的焊缝的有效焊喉厚度较大。在本书中，我们保守地假设采用了保护金属电弧焊工艺。）因此，对于给定长度的焊缝L，在P荷载作用下，临界剪应力为
|
fv |
= |
P |
|
0.707wL |
||
如果在该方程中使用了焊缝极限剪应力Fnw，则焊缝的名义承载力可写为
Rn = 0.707wLFnw
图7.37
角焊缝的强度取决于所用的焊接金属，也就是说，它是电焊条的函数。电焊条的强度定义为其最终的十倍Sile强度，其强度为每平方英寸60、70、80、90、100、110和120 kips，可用于金属电弧焊工艺。指定电焊条的标准符号是字母E，后跟两个或三个数字，表示每平方英寸的拉伸强度（kips），以及两个数字，指定涂层类型。由于强度是设计工程师最关心的特性，最后两位数字通常用XX表示，典型名称为E70XX或仅E70，表示极限拉伸强度为70ksi的电焊条。应选择与母材匹配的电焊条。对于常用等级的钢，只需考虑两种电焊条：
E70XX电焊条与屈服应力小于60ksi的钢一起使用。
在屈服应力为60ksi或65ksi的钢上使用E80xx电焊条。
大部分关于焊缝的AISC规范规定来自美国焊接协会的结构焊接规范（AWS，2010）。例外情况见AISC J2。AWS规范应用于AISC规范中未涵盖的标准。焊缝的设计强度见AISC表J2.5。角焊缝中的极限剪切应力fnw是焊缝金属拉伸强度的0.6倍，表示为fexx。因此，名义应力为
Fnw = 0.60FEXX
AISC第J2.4A节介绍了一种替代角焊缝强度，该强度说明了荷载方向。如果载荷方向与焊缝轴线之间的角度表示为q（见图7.38），则角焊缝的名义强度为
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