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Structural steel members are connected either by welding, shown here, or bolting. Many connections incorporate both welds and bolts.
C H A P T E R 7
Simple Connections
7.1 INTRODUCTION
Connections of structural steel members are of critical importance. An inadequate connection, which can be the “weak link” in a structure, has been the cause of numer- ous failures. Failure of structural members is rare; most structural failures are the result of poorly designed or detailed connections. The problem is compounded by the con- fusion that sometimes exists regarding responsibility for the design of connections. In many cases, the connections are not designed by the same engineer who designs the rest of the structure, but by someone associated with the steel fabricator who fur- nishes the material for the project. The structural engineer responsible for the pro- duction of the design drawings, however, is responsible for the complete design, including the connections. It is therefore incumbent upon the engineer to be proficient in connection design, if only for the purpose of validating a connection designed by someone else.
Modern steel structures are connected by welding or bolting (either high-strength or “common” bolts) or by a combination of both. Until fairly recently, connections were either welded or riveted. In 1947, the Research Council of Riveted and Bolted Structural Joints was formed, and its first specification was issued in 1951. This doc- ument authorized the substitution of high-strength bolts for rivets on a one-for-one basis. Since that time, high-strength bolting has rapidly gained in popularity, and today the widespread use of high-strength bolts has rendered the rivet obsolete in civil engineering structures. There are several reasons for this change. Two relatively unskilled workers can install high-strength bolts, whereas four skilled workers were required for riveting. In addition, the riveting operation was noisy and somewhat dan- gerous because of the practice of tossing the heated rivet from the point of heating to the point of installation. Riveted connection design is no longer covered by the AISC Specification, but many existing structures contain riveted joints, and the analysis of these connections is required for the strength evaluation and rehabilitation of older structures. Section 5.2.6 of AISC Appendix 5, “Evaluation of Existing Structures,” specifies that ASTM A502 Grade 1 rivets should be assumed unless there is evidence
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to the contrary. Properties of rivets can be found in the ASTM Specification (ASTM, 2010c). The analysis of riveted connections is essentially the same as for connections with common bolts; only the material properties are different.
Welding has several advantages over bolting. A welded connection is often sim- pler in concept and requires few, if any, holes (sometimes erection bolts may be required to hold the members in position for the welding operation). Connections that are extremely complex with fasteners can become very simple when welds are used. A case in point is the plate girder shown in Figure 7.1. Before welding became widely used, this type of built-up shape was fabricated by riveting. To attach the flange plates to the web plate, angle shapes were used to transfer load between the two ele- ments. If cover plates were added, the finished product became even more compli- cated. The welded version, however, is elegant in its simplicity. On the negative side, skilled workers are required for welding, and inspection can be difficult and costly. This last disadvantage can be partially overcome by using shop welding instead of field welding whenever possible. Quality welding can be more easily ensured under the controlled conditions of a fabricating shop. When a connection is made with a combination of welds and bolts, welding can be done in the shop and bolting in the field. In the single-plate beam-to-column connection shown in Figure 7.2, the plate is shop-welded to the column flange and field-bolted to the beam web.
FIGURE 7.1
FIGURE 7.2
7.1 Introduction 379
In considering the behavior of different types of connections, it is convenient to categorize them according to the type of loading. The tension member splices shown in Figure 7.3a and b subject the fasteners to forces that tend to shear the shank of the fastener. Similarly, the weld shown in Figure 7.3c must resist shearing forces. The connection of a bracket to a column flange, as in Figure 7.3d, whether by fasteners or welds, subjects the connection to shear when loaded as shown. The hanger con- nection shown in Figure 7.3e puts the fasteners in tension. The connection shown in Figure 7.3f produces both shear and tension in the upper row of fasteners. The strength of a fastener depends on whether it is subjected to shear or tension, or both. Welds are weak in shear and are usually assumed to fail in shear, regardless of the direction of loading.
Once the force per fastener or force per unit length of weld has been determined, it is a simple matter to evaluate the adequacy of the connection. This determination is the basis for the two major categories of connections. If the line of action of the resultant force to be resisted passes through the center of gravity of the connection, each part of the connection is assumed to resist an equal share of the load, and the con- nection is called a simple connection. In such connections, illustrated in Figure 7.3a, b, and c, each fastener or each unit length of weld will resist an equal amount of
FIGURE 7.3
(a)
(b)
Section
(c)
(d)
(e) (f)
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- 简单的连接
7.1介绍
结构钢构件的连接至关重要。 一个不正确的连接，可能是一个结构中的“薄 弱环节”，一直是无数失败的原因。 结构构件的失效很少; 大多数结构性故 障是设计不当或错误连接的结果。 由于连接设计的责任有时存在混淆，使问 题更加复杂化。 在许多情况下，连接不是由设计结构及其余部分的同一个工程 师设计的，而是由与为该项目提供材料的钢结构制造商有关的人员设计的。然 而，负责生成设计图纸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。直到最近，连接焊接或铆接。1947年成立了铆接和螺栓结构联合研究委员会，并于1951年发布了第一个规范。该文件授权用高强度螺栓一对一替 代铆钉。 从那时起，高强度螺栓已迅速普及，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变得陈旧。 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，而需要四名熟练工进行铆接。 另外，由于将 加热铆钉从加热点放置到安装点的练习，铆接操作很嘈杂且有点危险。 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，并且对旧结构的 强度评估和修复需要分析这些连接。 AISC附录5“现有结构的评估”第5.2.6 节规定，除非有证据，否则应采用ASTM A502 1级铆钉与此相反的。 ASTM规格（ASTM，2010c）中可以找到铆钉的性能。 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。
与螺栓连接相比，焊接有几个优点。 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（有时可能需要竖立螺栓以将构件保持在焊接操 作的位置）。 当使用焊接时，与紧固件非常复杂的连接可能变得非常简单。 一 个恰当的例子就是图7.1所示的板梁。 在焊接被广泛使用之前，这种类型的组 装形状是通过铆接制造的。 为了将翼缘板连接到腹板，使用三角形来在两个元件之间传递负载。 如果添加盖板，成品变得更加复杂。 然而，焊接版本的简洁优雅。不利的一面是，需要熟练的工人进行焊接，并且检查可能很困难且成本很高。 尽可能使用工厂焊接代替现场焊接可以部分克服这个缺点。 在制造车间的控制条件下，可以更容易地确保高质量的焊接。 当同时使用焊接和螺栓连接时，可以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，钢板被车间焊接到立柱法兰上并用螺栓固定在横梁上。
图7.1
图7.2
在考虑不同类型连接的行为时，根据加载类型对它们进行分类很方便。 图 7.3a和b中所示的受拉构件拼接使得紧固件受到倾向于剪断紧固件柄部的力。 类似地，图7.3c所示的焊缝必须抵抗剪切力。如图7.3d所示，通过紧固件或 焊接将支架连接到立柱上，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 产生剪切和拉力。 紧固件的强度取决于是否受到剪切或拉力，或两者兼而有 之。 无论加载方向如何，焊缝剪切力都很弱，通常假定剪切失败。一旦确定了每个紧固件的力或单位长度的焊接力，评估连接的适当性是一 件简单的事情。 这一确定是两大类连接的基础。 如果要抵抗的合力的作用线 通过连接的重心，则假定连接的每个部分抵抗相等份额的负载，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 元的焊缝长度将抵抗相等数量的焊接力。然后可以通过将每个紧固件的容量或焊接英寸乘以紧固件的总数或焊接的 总长度来找到连接的负载能力。 本章致力于简单的连接。 第8章讨论的偏心 加载连接是那些载荷作用线不通过连接重心的行为。 图7.3d和f中显示的连接 属于这种类型。 在这些情况下，每个紧固件或每个焊接段都不会同时抵抗载 荷，而确定载荷分布是设计这种连接的复杂因素。
AISC规范涉及第J章“连接设计”中的连接，其中涵盖了螺栓和焊。
图7.3
7.2螺栓连接：失效模式
在考虑特定等级螺栓的强度之前，我们需要检查与受到剪切的紧固件相关的各种失效模式。 有两大类故障：紧固件故障和部件连接故障。 考虑图7.4a所示 的搭接接头。 如图所示，可以假设紧固件发生故障。 在这种情况下的平均剪切应力将是
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。 负载可以写为
虽然在这种情况下的加载不是完全同心的，但偏心很小并且可以忽略。 图7.4b 中的连接类似，但是分析的紧固件柄的部分的自由体图示出了每个横截面面积承受总负载的一半，或者 相当于两个横截面有效抵抗总负载。 无论哪种情况，载荷都是P = 2fvA，而 这种载荷称为双剪。 图7.4a中的连接中的螺栓加载仅具有一个剪切面，称为单剪切。 在连接处增加更多厚度的材料将增加剪切面的数量，并进一步减少 每个平面上的负载。 但是，这也会增加紧固件的长度并可能使其弯曲。
在剪力连接中的其他失效模式涉及被连接部件的失效，并分为两大类。
1. 在连接的部件中由于过度的拉力，剪切或弯曲而导致故障。 如果连接受拉构件，则必须调查总面积和有效净面积的拉力。 根据连接的配置，块剪切也可能需要考虑。 块梁剪切也必须在梁柱连接处进行检查， 其中梁的顶部翼缘被覆盖。 （我们在第3章和第5章中介绍了模块剪切，在AISC J4.3中对其进行了描述。）根据连接和加载的类型，连接配件（如角撑板和框架角）可能需要分析剪切，张拉，弯曲，或者阻止剪切。 受拉构件连接的设计通常与构件本身的设计平行进行，因为这两 个过程是相互依赖的。
2. 由于紧固件承受荷载而导致连接部件发生故障。 如果孔略大于紧固件，并且假定紧固件被松弛地放置在孔中，则当施加负载时，紧固件和连 接部分之间的接触将存在于紧固件的大约一半圆周上。 这个条件如图 7.5所示。 应力将从A处的最大值到B处的零变化; 为了简单起见，使用 了平均应力，该平均应力被计算为施加的力除以投影的接触面积。
因此，承载应力计算为fp= P /（dt），其中P是施加在紧固件上的力，d是紧固件直径，t是承受荷载部件的厚度。载荷因此是。如图7.6所示，问题可能因附近螺栓的存在或边缘在载荷方向的接近而变得复杂。 螺栓间距和边缘距离将对承载强度产生影响。
图7.4
图7.5
图7.6
7.3 承载强度，间距和边缘距离要求
承载强度与紧固件的类型无关，因为所考虑的应力是在连接的部分而不是紧固件上。 因此，在螺栓剪切和拉伸强度之前，将考虑承载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规范关于承载强度的规定以及高强度螺栓的所有要求均基于结构连 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 注释，解释了AISC承载强度规范公式的基础。过度支承导致的可能的失效模式是连接元件端部的剪切撕裂，如图7.7a所 示。 如果破坏面理想化，如图7.7b所示，两个表面之一的破坏载荷等于剪切破坏应力乘以剪切面积，或
这里
0.6FU=连接部件的剪切应力
c=空的边缘到连接部分边缘的距离
T=连接部分的厚度
图7.7
总的应力是
这种撕裂可以发生在连接部件的边缘，如图所示，或者在载荷方向上的两个孔之间。 为了防止孔的过度伸长，将公式7.1给出的载荷的上限。 这个上限与预计的承载面积乘以断裂应力成正比，或者
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承载强度，受公式7.2给出的上限。 如果担心服务负荷过度变形，通常情况下，C取为2.4。 该值对应于约1/ 4英寸（RCSC，2009） 的孔延伸率。 在本书中，我们认为变形是设计考虑因素。 因此单个螺栓的标准承载强度可以表示为
这里
C=距离
T=连接件的厚度
Fu=构件的极限拉应力
图7.8
对于负载和阻力系数设计，阻力系数为0.75设计强度为
对于允许的强度设计，安全系数是2.00，允许的强度是
图7.8进一步说明了距离c。 在计算螺栓的承载强度时，应使用该螺栓 到相邻螺栓或边缘的距离，以连接零件的载荷的方向。 对于所示的情况，负荷将位于每个孔的左侧。 因此，用螺栓2的边缘测量的 c，计算螺栓 1的强度，并且螺栓2的强度计算用到连接部件的边缘c。
对于边缘螺栓
对于其余螺栓
这里
e=与孔中心的边缘距离
s =孔的中心到中心间距
h =孔直径
AISC公式J3-6a适用于标准的，超大型，短槽型和长槽型槽，其槽与负载平方向行。 本书中只使用标准孔（孔1/比螺栓直径大16英寸）。 对于那些变形不是设 计考虑因素的情况，以及狭槽垂直于载荷方向的长槽孔，AISC给出了其他强度表达式。
在计算距离 c时，使用实际的孔直径（大于螺栓直径的1/16-英寸），并且不要在AISC B4.3b中添加1/16英寸计算拉伸和剪切的净面积。 换句话说，使用一个孔径为
不是d1/8英寸（尽管如果使用d1/ 8，那么保守方面的误差就会很小）。
图7.9
间距和边距要求
为了保持螺栓螺母之间的间隙并为扳手套筒提供空间，AISC J3.3要求紧固件 的中心到中心间距（任意方向）不小于22/ 3d，最好不小于3d，其中d是紧固 件直径。 作为螺栓尺寸的函数，AISC表J3.4给出了从孔中心测量的最小边缘 距离（沿任意方向）。 图7.9说明了要考虑的间距和边距，记为s和 e。
承载强度，间距和边距要求总结（标准孔）
a. 承载强度：
Rn= 1.2ctFutimes;2.4dtFu （AISC公式J3-6a）
b. 最小间距和边缘距离：在任何方向上，无论是在力的线上还是横向于力的线上，
s2*2/3 d （最好是3d）
e AISC表J3.4的值
对于单角和双角的形状，本手册第1部分表1-7A给出的通常的测量距离（ 见第3.6节）可以代替这些最小值。
例7.1 检查所示连接的螺栓间距，边缘距离和受力图7.10。
从AISC J3.3起，任何方向的最小间距为
实际间距= 2.50英寸gt; 2.00英寸（OK）
图7.10
根据AISC表J3.4，任何方向的最小边距均为1英寸。
实际边距= 1 1/4英寸gt; 1 英寸。（合格）
为了计算承载强度，使用孔径为
H=d 1/6=3/4 1/16=13/16英寸
检查受拉构件和角撑板上的承载能力。 对于受拉构件和最靠近构件边缘的孔
C=e-h/2=1.25-13/16/2=0.844英寸
检查上限：
（这个结果意味着c足够小，因此必须考虑它。）对于其他孔，
C=s-h=2.5-13/16=1.688英寸
上限（上限与c无关，对于所有螺栓是相同的）：2.4dtFu= 52.20kips 58.74kips 用Rn= 52.20 kips / bolt。（这个结果意味着 c足够大以至于不需要考虑。孔变形控制。）
受拉构件的承载强度为
对于角撑板和最靠近板边缘的孔，
C=e-h/2=1.25-13/16/2=0.844英寸
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，所以扣板才能控制。 在这种情况下，只 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，则应检查受拉构件和角撑板。
7.4抗剪强度
虽然承载强度与紧固件的类型无关，但剪切强度不是。 在第7.2节中，我们看 到螺栓上的剪切载荷是P=fvAb
这里
FV=标称剪切强度（表示为应力）
Ab=螺栓无螺纹部分的横截面积（也称为螺栓） 标称螺栓面积或标称体积）
高强度螺栓分为两组，由这些组的螺栓强度确定。
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A490（来自B组）是传统的高强度螺栓，并且在使用高强度螺栓的结构接头规范（RCSC，2009）中有所论述，这是AISC对高强度螺 栓规定的基础。 A490螺栓具有比A325螺栓更高的极限抗拉强度，并且具有更 高的名义强度。 他们在A325螺栓普遍使用后很久就被引入，主要用于高强度 钢（Bethlehem Steel，1969）。 A组和B组列出的其他螺栓具有相同的强度，但具有特殊的区别特征。 例如，F1852和F2280螺栓具有特殊的扭断端，可 在需要特殊螺栓预紧时简化安装。 （本章后面会详细介绍）。在本书中，我 们将使用A组和B组的名称。例如，我们将其称为A组螺栓，而不是引用ASTM A325 螺栓。 通常的选择过程是确定连接中所需的A组螺栓的数量，如果需要的螺栓 太多，则使用
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