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3.1 介绍
张力构件是受到轴向拉力的结构元件。它们用于各种类型的结构，包括桁架构件、建筑物和桥梁的支撑，吊顶系统中的电缆以及悬挂和斜拉桥中的电缆。可以使用任何横截面构造，因为对于任何给定的材料，拉伸构件的强度的唯一决定性因素是横截面面积。经常使用圆形杆和滚动角形状。有时必须抵制大荷载时，使用从板材、轧制形状或板材和卷材组合形成的成型形状。最常见的组装配图可能是图3.1所示的双角度部分，以及其他典型的横截面。由于这部分的使用如此广泛，AISC钢结构手册中包含了各种角度组合的表格。轴向荷载受拉构件的应力由下式给出
其中P是负载的大小，A是横截面面积（与负载垂直的区域）。这个方程给出的应力是精确的，只要所考虑的横截面不与应力分布不均匀的荷载作用点相邻。
如果受拉构件的横截面积沿其长度变化，则应力是所考虑的特定部分的函数。一个构件中的孔的存在将影响通过一个或多个孔的横截面处的应力。在这些位置，横截面面积将减少相当于孔所去除面积的量。如图3.2所示，张紧构件的端部通常与螺栓连接。所示的受拉构件（8）板与角撑板连接，所述角撑板是连接元件，其目的是将荷载传递到支撑件或另一构件。（8）=4英寸2，但b-b截面的面积仅为4-（2）（1/2）（7/8）=3.13英寸2
这个减小的面积被称为净面积，或者净部分，未减少的部分是总面积。
典型的设计问题是选择足够的横截面积的构件以抵抗荷载。一个密切相关的问题是分析或审查给定成员的问题，在这个问题中，计算强度并与负载进行比较。一般而言，分析是个直接的过程，但设计是个迭代过程，可能需要一些试验或错误。
规范的D章介绍了张力构件。第B章“设计要求”中介绍了与其他类型成员的要求。
3.2 抗拉强度
受拉构件可能达到两种极限状态之一：过度变形或断裂。为防止由屈服引发的变形，总截面上的荷载必须足够小以使得总截面上的应力小于屈服应力。为了防止断裂，网部上的应力必须小于拉伸强度。在每种情况下，应力P/A必须小于极限应力F，因此负载P必须小于FA。
屈服的标称强度是，并且在骨折中的标称强度是，其中Ae是有效净面积，其可以等于净面积，或者在某些情况下可以等于较小面积。我们在3.3节讨论有效净面积。
尽管屈服首先发生在净截面上，但连接长度内的变形一般将小于张紧构件其余部分的变形，而不是第一个屈服，即极限状态。
LRFD：在负载和阻力系统设计中，将因素拉伸荷载与设计强度进行比较。设计强度是阻力系数乘以标称强度。公式2.6
可以写为
其中Pu是分解荷载的管理组合，断裂的阻力系数小于屈服，反应断裂性质更为严重。
对于屈服，断裂
由于有两个极限状态，所以必须满足以下两个条件：
其中较小的是设计强度。
ASD：在允许的设计强度中，总的服务负载与允许的强度进行比较：
其中Pa是所需强度，是允许强度。下标“a”表示所需强度是“允许设计强度”，但可将它视为“应用”荷载。
对于总截面的屈服，是1.67，允许荷载为（因数0.6是一个四舍五入的值）。对于网段断裂，安全系数为2.00，允许负载为，或者可将服务负载应力与允许应力进行比较。
你可以在手册的表2-3找到各种结构钢的Fy和Fu值，所有可用于各种热压形状的刚都用隐形区域表示。黑色区域对应于首选材料，灰色区域代表可用的其他钢材。在w标题下，我们看到A992是w形状的首选材料，但其他材料可以用，成本较高。对于一些钢，有不止一个等级，每个等级具有不同的Fy和Fu值。在这些情况下，牌号必须与ASTM牌号一起指定，如：A572牌号50.对于A242钢，Fy和Fu取决于横截面形状的法兰厚度，这些关系在表格脚注中给出。如要确定ASTMA242钢的W33*221的性能，首先参考手册第一部分的尺寸和性能表，并确定法兰厚度为1.28英寸，这与脚注1中指出的厚度范围相匹配；板材的Fy和Fu值在手册表2-1中给出，表2-5中提供了结构紧固件的信息，包括螺栓和棒材。
为了说明螺栓孔的存在，从表面积中扣除的确切面积取决于制造程序。通常的做法是钻孔或冲孔的标准孔（即不超尺寸），其直径1/16英寸大于紧固件直径。为了说明孔边缘可能的粗糙度，AISC规范的B4.3部分，要求增加1/16英寸到实际孔直径。这相当于使用比紧固件直径大的有效孔直径1/8英寸。如果是长孔，则在孔的实际宽度上加1/16英寸。你可以在AISC J3.2“孔的尺寸及使用”，中找到标准，超大和开槽孔有关的细节。
由于公式2.8给出的关系，允许强度总是等于设计强度除以1.5。但是在本书中，即使设计强度可用，我们也会完成对允许强度的完整计算。
漏洞中的应力集中的影响似乎被忽略了，实际上孔的应力可能高达净截面上的平均应力的三倍。而在轧制形状的圆角处，它们可能是平均应力的两倍以上。由于结构钢的延展性质，通常的设计实践是忽略这种局部过应力。在应力集中点开始屈服后，额外的应力传递到横截面的相邻区域。这种压力重新分配负责钢结构的“宽容”性质。其延展性允许最初产生的区域变形而不会断裂，因为横截面其余部分的应力继续增加。然而，在某些条件下，刚可能会失去延展性，而应力集中会导致脆性断裂。这些情况包括疲劳荷载和极低的温度。
两种计算方法的计算量有什么不同？不管使用什么办法，都必须计算两个名义强度（如果ASD使用压力方法，则必须进行等效计算）。使用LRFD时，名义强度乘以阻力因子。对于ASD，名义强度除以荷载因子。到目前为止，步骤的数量是相同的。两种方法之间的差异涉及关系的负载方面。在LRFD中在加载之前将加载因素考虑在内。在ASD中，大多数情况下，加载只是简单地添加。因此，对于LRFD需要稍微更多的计算。
3.3 有效面积
影响受拉构件性能的几个因素中，其连接方法是最重要的。连接总是削弱因素，其影响的度量成为联合效率。这个因素是材料延展性，紧固件间距，孔洞处的应力集中，制造程序以及称为剪切滞后现象的函数。所有这些都有助于降低成员的有效性，但剪力滞是最重要的。
如图3.6所示，当横截面的某些元素没有连接时，会发生剪切滞后，因为只有一个角度的一个支柱栓接到角撑板上。这种部分连接的结果是，连接元件变得过载，未连接部分未完全受力。延长连接区域将减少这种影响。
建议使用较少的或有效地净面积来考虑剪力滞后。由于剪力滞后影响螺栓连接和焊接连接，我们将这个减少的面积成为有效面积（而不是有效净面积）。它由下式给出
其中缩减因子U在AISC D3，表D3.1中给出，这表给出了一般方程，它将涵盖大多数情况以及特定情况下的替代数值。U的这些定义将在这里以与规范不同的方式呈现。确定U的规则分为五类：
- 除板和圆形HSS外的任何类型的受拉构件的一般类别，其中；
- 板；
- 具有的圆形HSS；
- 单角和双角的替代值；
- W,M,S和HP形状的替代值。
- 对于任何类型的受拉构件，除板材和的圆形HSS外
式中=从连接区域到连接平面的距离；
=连接的长度。
如果一个变量有两个对称的连接平面，是从该区域最近的一半的质心测量的，图3.7说明了各种类型的连接。
公式3.1中的长度方向上的长度负载如图3.8所示。对于螺栓连接，它是从连接一端的螺栓中心到另一端进行测量。如果在负载方向上存在不同长度的焊接段，请使用平均长度。
AISC规范的评注进一步说明了和。图C-D3.2显示了的一些特殊情况，包括通过网络连接的通道和I形构件。为了计算这些案例，评注使用塑料中性轴的概念来解释程序。由于这个概念直到本书第5章才会涉及，所以我们将使用作为渠道。在本书的规格表D3.1的情况2和图3.7b中。对于通过网络连接的I形构件和三通，我们可以使用规范表D3.1的案例2或案例7。
- 板
一般来说，板的U=1.0，因为横截面只要一个单元已连接。但是焊接板有一个例外，如果构建两侧纵向焊缝连接且没有横向焊缝，则以下适用。
- 对于的圆形HSS U=1.0
- 方程式3.1对单角和双角的替代方法
以下数值可以用来替代公式3.1.
·对于四个或更多紧固件，在加载方向上，U=0.80。
·对于加载方向上的三个紧固件，U=0.60。
- W,M,S，HP或Tees从这些形状中剪切的公式3.1。
·通过法兰与三个或三个以上紧固件在加载方向上连接，其宽度至少为2/3的深度：U=0.90。
·通过法兰与三个或三个以上紧固件沿加载方向上连接，宽度小于2/3的深度:U=0.85。
·通过腹板连接四个或更多紧固件在加载方向：U=0.70
图3-10显示了各种连接的U的替代值。
如果受拉构件仅与横向焊缝连接，则U=1.0,An是连接元件的面积。图3.11显示了横向焊缝和纵向焊缝的区别。横向焊缝单独连接并不常见。
有效区域有一些限制值：
·对于螺栓拼接板，Ae=Anlt;0.85Ag，此限制在用户注释中给出，并来自“连接设计”规范的第J章中的要求。
·对于开放的横截面形状（如W,M,S，C，HP，WT和ST）和角度，U的值不一定小于连接元素总面积与总量的比值区。
3.4 交错的紧固件
如果使用螺栓连接受拉构件,如果紧固放置在一条线上，则网面面积将达到最大。有时候空间限制，例如图3.14a中对尺寸a的限制，需要使用多条线。如果是这样的话，紧固构件以交错的方式排列，则横截面积的减小达到最小化，如图所示。有时交错的构件需要连接的几何形状，如图3.14b所示。在任意一种情况下，任何穿过孔的横截面都会比紧固构件在没有交错的情况下通过更少的孔。
如果交错的数量足那够小，偏移孔的影响可能会被附近的横截面所感知，并且可能沿着倾斜路径会发生断裂。在这种情况下，关系f=P/A不适用，并且倾斜部分b-c上的应力是拉伸应力和剪切应力的组合。已经提出了几种近似方法来解决交错孔的影响。Cochrane提出，当扣除对应交错孔的区域时，使用减少的直径。
其中d是孔直径，s是螺栓的交错角或间距（沿负载方向的间距），g是计量器（横向间距）。这意味着在由交错孔和非交错孔组成的故障模式中，在孔之间的横向线的末端使用d（s=0），并在孔之间的倾斜线的末端使用d作为孔。
AISC规范的B4.3b节采用了这种方法，但是采用了一种修改的形式。如果
净面积被视为厚度与净宽度的乘积，并且公式3.2中的直径用于所有孔洞，故障线路中的净宽度包含的交错和无交错孔。
当可以设想多种故障模式时，应该研究所有可能性，并且应该使用与最小负载能力相对应的那种。值得注意的是，这种方式不适应用于具有与施加的荷载平行的线的故障模式。
由于每个紧固构件都承受相同份额的负载（简单连接设计中使用的假设请参阅第7章），不同的潜在故障线路可能承受不同的负载。
当一系列螺栓存在于一个轧制形状的横截面的多个单元中，并且这些线上的螺栓彼此错开时，区域和方程3.2的使用优于净宽度方法AISC规范。如果形状是一个角度，它可以被视为一个通过“展开”腿而形成的板，以更加清楚的识别出音高和测量距离。AISCB4.3规定，穿过角度根部的任何计算先应减少等于角度厚度的量。当交错孔以角度以外的形状存在时，并且孔在横截面的不同元素中时，即使是I形，该形状仍然可以被视为板。当不同的元件具有不同的厚度时，AISC规范不提供跨越“折叠”的量规线的指导。图3.19说明了处理这种情况的方法。在例3.8中，所有的孔都位于横截面的一个元素中，所以不会出现这种困难。例3.9说明了s形不同元素交错孔的情况。
3.5 块剪切
对于某些连接配置，可能会撕掉构件末端的材料片段或“块”。例如，图3.21所示的单角张力构件的连接易受这种现象的影响。对于所示的情况。阴影块倾向于通过沿着纵向部分ab的剪切在横向部分bc上的张力而失效。
对于某些螺栓布置，在角撑板的板张力构件也会出现块剪切。图3.22显示了一个连接到角撑板的板张力构件。就此而言，在角撑板和受拉构件中都可能发生块剪切。对于角撑板，拉伸破坏将沿着横截面df，并且在两个纵向表面de和fg上会发生剪切破坏。板张力构件中的块剪切破坏将是jk上的张力和hi和jk上的剪切力。AISC章D（“张力设计成员”）中未明确涵盖此主题，但介绍性用户注释将引导你阅读第J章（“连接设计”）第J4.3节“块剪切强度”。
AISC规范中使用的模型假定剪切区域的破裂（断裂）和张力区域的破裂发生故障。两个表面都对总强度有贡献，而阻断剪切的阻力将是两个表面强度的总和。剪切断裂应力取拉伸极限的60%。
AISC规范使用公式3.3来计算角度和角撑板，但对于某些类型的成对梁连接（将在第5章中介绍），第二项被减少以解释非均匀的拉应力。当发生故障时需要块的旋转时，拉伸应力不均匀。
尽管AISC公式J4-5是以螺栓连接的形式表示的，但焊接连接也会发生块剪切。
3.6 张力元件的设计
张力构件的设计涉及找到具有足够的总面积和净面积的构件。如果使用螺栓连接，则选择合适的横截面需要考虑由于孔而丢失的面积。对于具有矩形横截面的构件，计算相对简单。但是如果要使用轧制形状，则由于孔的位置处的构件厚度未知，所以将不能预测要扣除的区域。
设计受拉构件的第二个考虑因素是细长比。如果结构构件相对于长度具有小的横截面，则说它是细长的。更加精确的测量是细长比L/r，其中L是构件长度，r是横截面积最小的回转半径。最小半径的回转是相对于横截面的次主轴的回转。该值在本手册第1部分的属性表中为所有滚动形
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