简单连接外文翻译资料

 2022-08-09 03:08

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7简单连接

7.1介绍

钢结构构件的连接非常重要。不适当的连接可能是结构中的“薄弱环节”，也是许多故障的原因。结构构件的失效是罕见的；大多数结构故障是设计不良或连接不紧密的结果。这个问题因有时存在的关于连接设计责任的矛盾而变得复杂。在许多情况下，连接不是由设计结构其余部分的同一个工程师设计的，而是由为项目加工材料的钢铁制造商的相关人员设计的。然而，负责设计图纸制作的结构工程师负责整个设计，包括连接。因此，工程师有责任精通连接设计，即使只是为了验证别人设计的连接。

现代钢结构通过焊接或螺栓连接(高强度或普通螺栓)或两者的结合来连接。直到最近，连接不是焊接就是铆接。1947年，铆接和螺栓连接结构研究委员会成立，其第一个规范于1951年发布。该文件允许在一对一的基础上用高强度螺栓代替铆钉。从那时起，高强度螺栓迅速普及，今天高强度螺栓的广泛使用使得铆钉在土木工程结构中过时。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，而铆接需要四名熟练工人。此外，由于从加热点到安装点抛掷受热铆钉的做法，铆接操作噪音大且有一定危险。《AISC规范》不再涵盖铆接连接设计，但许多现有结构包含铆接连接，这些连接的分析是旧结构强度评估和修复所必需的。AISC附录5“现有结构的评估”的第5.2.6节规定，除非有相反的证据，否则应采用美国材料试验标准A502级铆钉。铆钉的性能可以在ASTM规范(ASTM, 2010c)中找到。铆接连接的分析与普通螺栓连接的分析基本相同，只是材料性质不同。

焊接比螺栓连接有几个优点。焊接连接在概念上通常比较简单，需要很少孔(有时可能需要安装螺栓将构件固定在焊接操作的位置)。使用焊接变得非常简单，而用螺栓进行的极其复杂。一个恰当的例子是图7.1所示的板梁。在焊接被广泛使用之前，这种组合形状是通过铆接制造的。为了将翼缘板连接到腹板上，使用螺栓在两个元件之间传递荷载。如果加上盖板，成品会变得更加复杂。然而，焊接版本很简单。不好的一面是，焊接需要熟练的工人，检查可能会很困难，费用也很高。最后这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，可以更容易地确保焊接质量。当用焊接和螺栓组合进行连接时，焊接可以在车间进行，螺栓连接可以在现场进行。在图7.2所示的单板梁柱连接中，板被车间焊接到柱翼缘上，并用现场螺栓固定到梁腹板上。

图7.1

图7.2

在考虑不同类型连接的行为时，根据负载类型对它们进行分类是很方便的。图7.3a和b中所示的受拉构件拼接使螺栓承受倾向于剪切螺栓的力。类似地，图7.3c所示的焊缝必须抵抗剪切力。如图7.3d所示，支架与立柱翼缘的连接，无论是通过螺栓还是焊接，在如图所示加载时都会使连接受到剪切力。图7.3e所示的吊架连接使螺栓处于张紧状态。图7.3f所示在连接上面一排螺栓产生剪切和张力。螺栓的强度取决于它是承受剪切还是拉伸，或者两者都承受。焊缝的抗剪强度较弱，并且不管荷载的方向如何，通常被认为是会抗剪失效的。

图7.3

一旦确定了每个螺栓的力或每单位焊接长度的力，评估连接的充分性是一件简单的事情。这种确定是两大类连接的基础。如果要抵抗的合力的作用线穿过连接的重心，则连接的每个部分都被假定为抵抗相等份额的荷载，这种连接称为简单连接。在这种连接中，如图7.3a、b和c所示，每个螺栓或每个单位长度的焊缝将承受等量的力量。连接件的承载能力可通过将每个螺栓或每英寸焊缝的承载能力乘以螺栓总数或焊缝总长度来确定。本章讲述简单的连接。第8章所述的偏心受载连接是指荷载作用线不穿过连接重心的连接，图7.3d和f所示的连接就是这种类型。在这些情况下，每个螺栓或每个焊接段承受的荷载并不相等，荷载分布的确定是这种连接设计中的复杂因素。

7.2螺栓连接剪切:失效模式

在考虑特定等级螺栓的强度之前，我们需要检查各种失效模式，这些失效模式可能与承受剪切的螺栓有关。有两大类故障:螺栓故障和连接部件故障。考虑图7.4a所示的搭接接头。可以假设螺栓出现如图所示的故障。这种情况下的平均剪应力为

其中，P是作用在单个螺栓上的荷载，A是螺栓的横截面积，d是其直径。然后，荷载可以写成

图7.4

*在图7.3b和c的连接中实际上有一个小的偏心率，但通常被忽略。

图

7.5

图7.6

虽然这种情况下的荷载并不完全同心，但偏心率很小，可以忽略不计。图7.4b中的连接是相似的，但是分析螺栓、部分的图显示，每个横截面面积承受一半的总荷载，或者等效于，两个横截面都有效承受总荷载。在任一种情况下，荷载为P=2*Fv*A，这种荷载称为双剪。图7.4a中连接处的螺栓荷载，只有一个剪切平面，称为单剪。向连接处添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荷载。然而，这也将增加螺栓的长度，并可能使其弯曲。

剪切连接的其他失效模式包括连接部件的失效，分为两大类。

1.由于连接部件过度拉伸、剪切或弯曲而导致的故障。如果正在连接受拉构件，必须调查总面积和有效净面积上的张力。根据连接的配置，可能还需要考虑块剪力。在梁与柱的连接中，也必须检查块剪力，其中梁的顶部凸缘是平的。(我们在第3章和第5章中讨论了块剪力，这在AISC J4.3中有所描述。)根据连接和荷载的类型，连接配件(如角撑板和框架角)可能需要对剪力、张力、弯曲或块剪力进行分析。受拉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.螺栓施加的轴承导致连接部件失效。如果孔略大于螺栓，并且假定螺栓松散地放置在孔中，当施加荷载时，螺栓和连接部分之间的接触将存在于螺栓的大约一半圆周上。这种情况如图7.5所示。应力将从A处的最大值变化到B处的零；为了简单起见，使用了平均应力，该平均应力计算为施加的力除以投影接触面积。

因此，轴承应力将计算为，其中P是施加在螺栓上的力，d是螺栓直径，t是承受轴承的零件的厚度。因此，轴承负荷为磅/平方英尺。

如图7.6所示，轴承问题可能因附近螺栓的存在或负载方向边缘的接近而变得复杂。螺栓间距和边缘距离会影响轴承强度。

7.3轴承强度、间距和边缘距离要求

承载强度与螺栓的类型无关，因为考虑的应力是在被连接的零件上，而不是在螺栓上。因此，在螺栓抗剪和抗拉强度之前，将考虑支承强度以及间距和边缘距离要求，这也与螺栓的类型无关。

AISC规范中关于轴承强度的规定，以及所有高强度螺栓的要求，都是基于结构连接研究委员会规范的规定(RCSC，2009)。以下讨论基于RCSC规范的注释，解释了AISC规范轴承强度公式的基础。

过度承载导致的一种可能的失效模式是连接元件末端的剪切撕裂，如图7.7a所示。如果失效表面是理想的，如图7.7b所示，两个表面之一的失效荷载等于剪切断裂应力乘以剪切面积，或者

其中，

0.6Fu是连接部分的剪切应力

lc是从孔边缘到连接部分边缘的距离

t是连接部分的厚度

图7.7

总的应力是

如图所示，这种撕裂可以发生在连接部件的边缘，或者在承载方向上的两个孔之间。为了防止孔过度伸长，对等式7.1给出的轴承荷载设置了上限。该上限与预计轴承面积乘以断裂应力成正比，或

Rn =C *承载面积*Fu =CdtFu

其中，C是常数，d是螺栓直径，t是连接部分的厚度

AISC规范使用等式7.1作为轴承强度，受等式7.2给出的上限的限制。如果使用荷载下的过度变形是一个问题，并且通常是，C取为2.4。该值对应于约14英寸的孔伸长率(RCSC，2009年)。在这本书中，我们认为变形是一个设计考虑。因此，单个螺栓的公称承载强度可以表示为

其中，

c =清晰的距离,方向平行于应用负载,

t = 从螺栓孔的边缘相邻孔的边缘或边缘的傅连接部分的材料厚度

Fu=连接件(非螺栓)的极限拉应力

图7.8

在荷载和阻力系数设计中，阻力系数为，设计强度为

许用强度设计，安全系数为，许用强度为

图7.8进一步说明了距离c。当计算一个螺栓的承载强度时，使用该螺栓与相邻螺栓或边缘之间的距离，其方向为被连接部分的承载载荷。如图所示，每个孔的左侧承受载荷。因此，螺栓1的强度是用测量到螺栓2边缘的c来计算的，螺栓2的强度是用测量到连接部分边缘的c来计算的。

对于边缘螺栓

对于其他螺栓

AISC方程JBOY3乐队-6a适用于标准、超大尺寸、短槽和长槽孔，槽平行于荷载。在本书中，我们只使用标准孔(比螺栓直径大116英寸的孔)。对于不考虑变形的情况，以及长槽与荷载方向垂直的情况，AISC给出了其他强度表达式。

当计算距离c时，使用实际的孔直径(116英寸大于螺栓直径)，不要按照AISC B4.3b的要求增加116英寸，以计算张力和剪切的净面积。换句话说，使用直径为的孔间距和边缘距离要求

图7.9

间距和边距要求

为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(任何方向)的中心到中心间距不小于2*（2/ 3）d，最好不小于3d，其中d为紧固件直径。从孔中心开始测量的任何方向的最小边缘距离在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e表示，如图7.9所示。

承重强度、间距和边距要求的总结(标准孔)

轴承强度:

最小间距和边缘距离:在力线和力线的横向的任何方向上，

对于单角和双角形状，可以使用手册第1部分表1-7A中给出的通常标距(见第3.6节)来代替这些最小值。

例7.1中的螺栓间距和边缘距离对于十字形构件和角撑板都是相同的。此外，使用相同的材料。只有厚度不同，所以扣板将控制。在这种情况下，只需要检查较薄的部件。如果存在组合差异，例如不同的厚度、边缘距离和钢种，则应检查受拉构件和角撑板。

7.4切变强度

虽然承载强度与螺栓的类型无关，但抗剪强度则无关。在第7.2节中，我们看到螺栓上的剪切荷载是

其中fv是螺栓横截面积上的剪应力，Ab是横截面积。当应力达到极限时，剪切荷载为标称强度，由下式给出

其中，

Fnv标称剪切强度(以应力表示)

Ab螺栓无螺纹部分的横截面积(也称为公称螺栓面积或公称阀体面积)

高强度螺栓分为两组，由这两组螺栓的强度决定。组A:美国材料试验学会A325、F1852、A352、A354 BC级和A449。组B:美国材料试验学会A490、F2280和A354等级BD。

美国材料试验学会A325(来自A组)和A490(来自B组)是传统的高强度螺栓，包含在《使用高强度螺栓的结构接头规范》(RCSC，2009年)中，该规范是AISC高强度螺栓规定的基础。A490螺栓比A325螺栓具有更高的极限抗拉强度，并被赋予更高的标称强度。A325螺栓在广泛使用后很久才被引入，主要用于高强度钢(伯利恒钢铁公司，1969年)。A组和B组中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螺栓具有特殊的扭转端，当需要特殊的螺栓预紧力时，可以简化安装。(我们将在本章后面讨论这个问题。)在本书中，我们将使用组A和组b的名称。例如，我们将称之为组A螺栓，而不是指美国材料试验协会的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，如果需要太多，使用B组螺栓。

A307螺栓和高强度螺栓的主要区别在于，除了极限应力，高强度螺栓可以被拧紧以在螺栓中产生预定的张力，该张力可以被用来产生可计算的夹紧力。尽管A307螺栓适用于许多应用场合，但它们现在很少使用。

并考虑了几个修正因素。首先，取极限剪应力为极限拉应力的0.625倍(Fisher et al.， 1978)。其次，对于不超过38英寸的连接，长度因子为0.90(对于较长的连接，该因子降低为0.75)。如果螺纹在剪切平面内，则螺栓面积的减少可由公称螺栓面积的80%来解释。不是直接对螺栓区域施加这种减量，而是对Fnv施加0.80的系数。这样，无论螺纹是在剪切平面内还是在剪切平面外，都可以使用公称螺栓区域。例如，A组螺栓的极限抗拉强度为120 ksi，因此螺纹不在剪切平面内时的标称剪切强度为

如果螺纹在剪切平面内，

美国材料试验学会A307螺栓的标称抗剪强度是基于螺纹总是在剪切平面上的假设。表7.1总结了A307、A组和B组螺栓的剪切强度，四舍五入到最接近的ksi。表7.1中的数值也在AISC表J3.2中给出

AISC表J3.2将剪切平面中的螺纹称为“不排除在剪切平面之外”，将不在剪切平面中的螺纹称为“排除在剪切平面之外”第一类，剪切平面中包含的螺纹，有时称为连接类型“n”。名称“X”可用于表示螺纹不在剪切平面内。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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