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第七章 简单连接
7.1 引言
钢结构构件的连接至关重要。不充分连接，会成为结构中的“薄弱环节”，已然成为众多故障的首要原因。结构构件的失效很少见，大多数结构故障是由于设计不良或详细的连接造成的。关于连接设计的责任有时存在混淆，使问题更加复杂。在许多情况下，连接不是由设计结构其余部分的同一工程师设计的，而是由与钢铁制造商相关联的人设计的。然而，负责设计图纸制作的结构工程师负责完整的设计，包括连接。因此，工程师有责任精通连接设计，只是为了验证由其他人设计的连接。
现代钢结构通过焊接或螺栓连接（高强度或“普通”螺栓）或两者的组合连接而成的。直到最近，连接都是焊接或铆接。 1947年，铆接和螺栓结构接头研究委员会成立，其第一个规范于1951年颁布，该文件授权用一对一的高强度螺栓代替铆钉，从那时起，高强度螺栓连接迅速普及，而今天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。两名相对不熟练的工人可以安装高强度螺栓，但进行铆接需要四名技术工人。此外，由于将加热的铆钉从加热点折叠到安装点的实践操作是有噪声的并且有些危险。 AISC规范不再涵盖铆接连接设计，但许多现有结构包含铆接接头，并对其进行了分析
这些连接是旧结构的强度评估和修复所必需的。 AISC附录5第5.2.6节“现有结构的评估”规定，除非有相反证据，否则应采用ASTM A502 1级铆钉。铆钉的性能可以在ASTM规范（ASTM，2010C）。铆接连接的分析与普通螺栓的连接基本相同;只有材料属性不同。
焊接与螺栓连接相比具有几个优点。焊接连接在概念上通常更简单并且需要很少（如果有的话）孔（有时可能需要安装螺栓来将构件保持在适合焊接操作的位置）。当使用焊接时，使用紧固件极其复杂的连接可以变得非常简单。例如，图7.1中所示的板梁。在焊接变得广泛使用之前，这种类型的组合形状是通过铆接制造的。为了将法兰板连接到腹板上，使用角度形状来在两个元件之间传递载荷。如果添加盖板，则成品变得更加复杂。然而，焊接版本的简洁优雅。在消极方面，
焊接需要熟练的工人，并且检查困难而又昂贵的。通过尽可能使用车间焊接而不是现场焊接，可以部分地克服最后的缺点。在制造车间的受控条件下可以更容易地确保优质焊接。与a建立连接时焊接和螺栓的组合，焊接可以在车间进行，也可以在现场进行螺栓连接。在图7.2所示的单板梁柱连接中，板材采用车间焊接到柱翼缘上，并用螺栓固定在梁腹板上。
在考虑不同类型的连接的时，为了方便，根据加载类型对它们进行分类。图7.3a和b中所示的受拉构件接头使紧固件承受趋于剪切紧固件柄部的力。同样，图7.3c所示的焊缝必须能够抵抗剪切力。如图7.3d所示，支架与柱法兰的连接，无论是通过紧固件还是焊缝，如图所示在加载时使连接受到剪切。图7.3e所示的吊架连接使紧固件处于张紧状态。图7.3f所示的连接在上排紧固件中产生剪切和张力。该紧固件的强度取决于它是受到剪切还是张力，或两者兼而有之。焊缝剪切力弱，无论加载方向如何，通常假设剪切失效。
一旦紧固件的力或每单位长度的力焊缝确定，评估连接的充分性就很简单了。这一决定是两大类联系的基础。如果要抵抗的合力的作用线穿过连接的重心，则假定连接的每个部分抵抗相等的负载份额，并且该连接被称为简单连接。在这种连接中，如图7.3a，b和c所示，每个紧固件或每个单位长度的焊缝将抵抗相等的力。然后可以通过将每个紧固件的容量或焊接的英寸乘以紧固件的总数或焊缝总长度来找到连接的负载能力。
本章致力于简单连接。第8章中介绍的偏心负载连接是指负载的作用线不通过连接的重心作用的连接。图7.3d和f中所示的连接属于这种类型。在这些情况下，负载不会同等地抵抗每个紧固件或每个焊接段，以及负载分布的确定是这种连接设计中的复杂因素.AISC规范涉及J章“连接设计”中的连接，其中包括螺栓和焊缝。
7.2螺栓剪切连接：失败模式
在考虑特定等级螺栓的强度之前，我们需要检查与受剪切的紧固件相关的各种失效模式。有两大类失效：紧固件失效和零件失效
连接。 考虑图7.4a所示的搭接接头。 可以假设紧固件失效，如图所示。 在这种情况下，平均剪切应力将是
其中P是作用在单个紧固件上的载荷，A是紧固件的横截面积，d是其直径。 然后可以将负载写为
虽然在这种情况下的负载不是完全同心的，但是偏心率很小并且可以忽略不计。
分析图7.4b中的连接类似，但是对紧固件柄部分的自由体图的分析表明，每个横截面积受到总载荷的一半，或者等效地，两个横截面有效地抵抗了总负荷。 在任何一种情况下，载荷都是，这种载荷称为双剪。 图7.4a中连接处的螺栓加载仅有一个剪切面，称为单剪切。 在连接处增加更多厚度的材料将增加剪切平面的数量并进一步减小每个平面上的载荷。 然而，这也将增加紧固件的长度并且可能使其弯曲。
剪切连接中的其他失效模式涉及被连接的部件的失效并且分为两大类。
1.由于连接部件过度张紧，剪切或弯曲而导致的故障。如果连接了一个受拉构件，则必须调查总面积和有效净面积的张力。根据连接的配置，也可能需要考虑块剪切。还必须在梁到柱连接中检查块剪切，其中梁的顶部凸缘被处理。 （我们在第3章和第5章中介绍了块剪切，并在AISC J4.3中进行了描述。）取决于连接类型和装载，连接配件，如角撑板和框架角度可能需要分析剪切，拉伸，弯曲或块剪切。张力构件连接的设计通常与构件本身的设计并行进行，因为这两个过程是相互依赖的。
2.由于紧固件施加的轴承导致连接部件失效。如果孔比紧固件略大，并且假设紧固件松散地放在孔中，则紧固件和连接部件之间的接触将存在于大约一半施加载荷时紧固件的周长。这种情况如图7.5所示。应力将从A处的最大值到B处的零处变化;为简单起见，使用平均应力，计算为施加的力除以投影的接触面积。
因此，轴承应力将计算为，其中P是施加到紧固件的力，d是紧固件直径，t是承受轴承的部件的厚度。 因此，轴承载荷为。轴承问题可能因附近螺栓的存在或载荷方向上的边缘附近而变得复杂，如图7.6所示。 螺栓间距和边缘距离将影响轴承强度。
7.3轴承强度，间距和边距要求
轴承强度与紧固件的类型无关，因为所考虑的应力是在连接部件上而不是在紧固件上。因此，在螺栓剪切和拉伸之前，将考虑轴承强度，以及间距和边距要求，这些要求也与紧固件的类型无关。
AISC规范关于轴承强度的规定，以及对高强度螺栓的所有要求，都是基于结构连接研究委员会规范（RCSC，2009）的规定。下面的讨论，基于RCSC规范附带的评论，解释了轴承强度的AISC规范方程的基础。轴承过度的可能失效模式是在连接元件末端的剪切撕裂，如图7.7a所示。如果故障表面理想化，如图7.7b所示，两个表面之一上的失效载荷等于剪切断裂应力乘以剪切面积，或者
这里：0.6Fu =连接部分的剪切断裂应力
=从孔边缘到连接部分边缘的距离
t =连接部分的厚度
总强度是：
如图所示，这种撕裂可以在连接部分的边缘处进行，或者在轴承载荷方向上在两个孔之间进行。为防止孔过度伸长，公式7.1给出了轴承载荷的上限。该上限与预计的轴承面积乘以断裂应力成比例，或
这里：C =常数
d =螺栓直径
t =连接部分的厚度
AISC规范使用公式7.1获得轴承强度，但受公式7.2给出的上限限制。如果担心服务负载的过度变形，通常是，则将C视为2.4。该值对应于约1的孔伸长率英寸（RCSC，2009）。在本书中，我们将变形视为设计考虑因素。因此，单个螺栓的公称轴承强度可表示为
（AISC公式J3-6a）
这里：=在平行于施加载荷的方向上，从螺栓孔的边缘到相邻孔的边缘或到材料边缘的距离
t =连接部分的厚度
Fu =连接部件（不是螺栓）的极限拉应力
对于负载和电阻系数设计，电阻系数为Oslash; = 0.75，设计强度为
Oslash;Rn = 0.75Rn
对于允许强度设计，安全系数为Omega;= 2.00，允许强度为
图7.8，进一步解释了距离。计算螺栓的轴承强度时，请使用该螺栓与相连螺栓或边缘之间的距离，以确定连接部件上的轴承载荷方向。对于所示的情况，轴承载荷将位于每个孔的左侧。因此，螺栓1的强度计算为测量到螺栓2的边缘，螺栓2的强度计算为测量到连接部分的边缘。
对于边缘螺栓，使用= -h/2。对于其他螺栓，请使用= s-h，
这里：e=到孔中心的边距
s =孔的中心间距
h =孔直径
AISC公式J3-6a适用于标准，超大，短槽和长槽孔，槽与负载平行。我们在本书中只使用标准孔（比螺栓直径大1/16英寸）。对于那些变形不是设计考虑的情况，对于槽垂直于荷载方向的长槽孔，AISC给出了其他强度表达式。
计算距离时，请使用实际孔径（比螺栓直径大1/16英寸），并且不要在AISC B4.3b中根据需要添加1/16英寸来计算张力的净面积和剪切。换句话说，使用孔直径英寸而不是d 1/8英寸（尽管如果使用d 1/8，则轻微误差将出现在保护侧）。
间距和边距要求
为了保持螺栓螺母之间的间隙并为扳手插座提供空间，AISC J3.3要求紧固件的中心间距（任何方向）不小于，最好不小于3d，其中d为紧固件直径。从孔的中心测量的最小边距（在任何方向上）是在AISC表J3.4中给出了作为螺栓尺寸的函数。要考虑的间距和边缘距离，用s和表示，如图7.9所示。
轴承强度，间距和边距要求（标准孔）总结
a.承载强度：
Rn =1.2tFule;2.4dtFu（AISC公式J3-6a）
b.最小间距和边距：在任何方向上，无论是力线还是横向于力线，
sge;（最好是3d）
ge;来自AISC表J3.4的值
对于单角度和双角度形状，可以使用手册第1部分表1-7A中给出的常用量具距离（参见第3.6节）代替这些最小值。
检查螺栓间距，边缘距离和轴承，如图所示
图7.10。
例7.1
解：从AISC J3.3开始，任何方向的最小间距为
英寸
实际间距=2.50英寸gt;2.00英里（符合）
根据AISC表J3.4，任何方向的最小边缘距离为1英寸。
实际边距= 英寸gt;1英寸（符合）
为了计算轴承强度，使用孔径
检查受拉构件和角撑板上的轴承。 对于受拉构件和最靠近构件边缘的孔，
检查上限:
29.36千磅lt;52.20千磅 所以使用29.36千磅/螺栓
（这个结果意味着足够小，所以必须考虑它。）
对于其他孔，
上限（上限与无关，所有螺栓均相同）：
lt;58.74千磅 所以使用=52.20千磅/螺栓
（这个结果意味着足够大，因此不需要考虑孔变形控制。）
张力构件的承载强度：Rn = 2(29.36) 2(52.20) = 163.1千磅
对于角撑板和最靠近板边缘的孔
上限gt;22.02千磅 所以使用
对于其他孔：
上限lt;44.0千磅所以使用
=39.15千磅/螺栓
角撑板的承载强度为：Rn = 2(22.02) 2(39.15) = 122.3 千磅
角撑板控制， 因此连接的标称轴承强度Rn=122.3千磅
设计强度为Oslash;Rn = 0.75（122.3）= 91.7千磅。
所需的强度是Ru = 1.2D 1.6L = 1.2(15) 1.6(45) = 90.0千磅lt; 91.7千磅
（符合）
允许的强度是
所需的强度是：Ra = D L = 15 45 = 60 千磅 lt; 61.2 千磅（符合）
结论：满足轴承强度，间距和边缘距离要求。
实施例7.1中的螺栓间距和边缘距离对于受拉构件和角撑板都是相同的。 另外，使用相同的材料。 只有厚度不同，所以角撑板才能控制。 在诸如此类的情况下，仅需要检查较薄的组件。 如果存在差异的组合，例如，不同的厚度，边缘距离和钢的等级，应检查受拉构件和角撑板。
7.4剪切强度
虽然轴承强度与紧固件的类型无关，但剪切强度不是。 在7.2节中，我们看到螺栓上的剪切载荷是
其中fv是螺栓横截面积上的剪切应力，Ab是横截面积。 当应力达到极限时，剪切载荷是标称强度，由下式给出
其中：Fnv =标称剪切强度（表示为应力）
Ab =螺栓无螺纹部分的横截面积（也称为标称螺栓面积或标称体面积）
高强度螺栓分为两组，由这些组中的螺栓强度决定。
A组：ASTM A325，F1852，A352，A354等级BC和A449。
B组：ASTM A490，F2280和A354等级BD。
ASTM A325（来自A组）和A
资料编号：[5638]
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