钢结构主次梁铰接连接的设计方法

建筑与结构设计

ArchitecturalandStructuralDesign

钢结构主次梁铰接连接的设计方法

DesignMethodofHingeJointBetweenBeams

潘正琪，翁来峰，傅赟炜，孙旭光

（中国联合工程公司，杭州

310022）

PANZheng-qi，WENGLai-feng，FUYun-wei，SUNXu-guang

(ChinaUnitedEngineeringCorporation,Hangzhou310022，China)

在钢结构设计中，主次梁之间采用单连接板和螺栓的铰接连接方式是最为普遍的一种连接方式。但在我国现行规范【摘要】

及相关在钢结构设计中对此类节点计算的介绍和要求比较简单。通过阐述美国AISC钢结构设计规范的LRFD设计方法对钢结构主次梁采用单连接板的螺栓铰接连接计算要求，对该类型节点设计进行论述，弥补现行国标和设计手册对此类节点论述的不足，并为相关工程计算提供参考。

【Abstract】Hingejointbetweenmainandsecondarybeamwithboltisusedcommonlyinsteelstructuraldesign.Itissimple

introducedinNationStandard.ThispaperwilldiscusstheconnectioncalculateremandinAISCStandardofAmericanandLRFDdesignmethod,andwilldescribthistypeofjoint.Itwillmakeupforthedeficiencyindesignhandbooksnowweareusing.

主次梁；单连接板；螺栓铰接连接；AISC规范【关键词】

【Keywords】mainandsecondarybeam;singlejointplate;hingejointwithbolt;AISCstandard

【中图分类号】TU391【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2011）03-0063-03

我国规范及相关设计手册对该类型节点计算的介绍和要求比较简单，一般在忽略梁轴力的前提下，我国规范只对以下几点进行验算：①考虑在次梁端部剪力作用下、偏心弯矩作用下、剪力和偏心弯矩共同作用下，验算高强螺栓是否安全可靠。②连接次梁的连接板与主梁的连接焊缝验算（通常只考虑连接板与主梁腹板的双面直角角焊缝是否有效）。③连接板的截面尺寸只是按照单剪和双剪连接的经验公式要求确定，并没有进一步阐述如何计算。

美国AISC规范LRFD设计方法对此类节点的验算要复杂得多。除了要考虑梁轴力对节点的影响，对此连接节点还要进行次梁腹板的剪切屈服、剪切撕裂、拉伸屈服、拉伸撕裂、块体剪切、螺栓孔承压；连接板的剪切屈服、剪切撕裂、拉伸屈服、拉伸撕裂、弯曲屈服、弯曲撕裂、螺栓孔承压、屈曲验算和在弯曲和受剪共同作用下的连接板验算；螺栓承载力验算和连接板与主梁间焊缝的验算。本文将着重对此展开并举例论述。

当3.07当h≤2.45

w当2.45

1剪切屈服验算

对于没有加劲肋的梁腹板，其剪切设计强度Fv为：

Fv=ΦvVn

h≤260

w

（1）（1a）

姨

，则Vn=0.6fyAw姨

≤h≤3.07w

姨

，则V=0.6fA2.45nyw

yw

（1b）

姨

≤h≤260，则Vn=Aw4.52E

fytw(h/tw)2

（1c）

式中，h为腹板净高度，可以保守取两翼缘的净距；tw为腹板厚度；E为钢材弹性模量；fy为钢材屈服强度；Aw为腹板剪切面面积；ΦV为屈服状态下的剪切抗力系数，取0.9；Vn为名义剪切强度。

2剪切撕裂验算

剪切撕裂设计强度按式(2)计算。

F′v=Φv0.6fuAnv=0.75×0.6fuAnv

（2）63

工程师，从事中小型电站【作者简介】潘正琪(1978~),男,浙江兰溪人，结构工程设计，（电子信箱）[email protected]。

工程建设与设计

Construction&DesignForProject

式中，fu为钢材极限强度；Anv为剪切面净截面面积；Φv为极限状态下的剪切抗力系数，取0.75。

或者短边与荷载方向平行的长圆孔，在正常使用荷载下，当考虑螺栓孔的变形时，有：

Rn=1.2Lctfu≤2.4dtf

（7a）

3拉伸屈服验算

构件的拉伸设计强度应取毛截面受拉屈服强度和净截

当不考虑螺栓孔的变形时，有：

Rn=1.5Lctfu≤3.0dtfu

2)对短边与荷载方向垂直的长圆孔，有：

（3）

Rn=1.0Lctfu≤2.0dtfu

（7c）（7b）

面受拉撕裂强度中的较小值。有：

Ft=ΦtfyAg=0.9fyAg

式中，Ag为受拉截面毛截面面积。

4拉伸撕裂验算

拉伸撕裂验算按式(4)计算。

F′t=ΦtfuAnt=0.75fuAnt

（4）

式中,Ant为受拉截面净截面面积。

5

块体剪切验算

块体剪切是由一个破坏面上的剪切强度和与其垂直的单元拉伸强度的总和所决定的一个临界状态。除了梁上翼缘被切除时需要验算梁端连接的块体剪切强度外，其他类似情况下，比如受拉构件和节点板，也需要对此进行验算。当一个方向单元的承载力由净截面的极限撕裂强度决定时，垂直方向的单元应采用毛截面的屈服强度来计算。块体撕裂强度ΦRBs按下面的公式计算。

当fuAnt≥0.6fuAnv，有：

ΦRBs=Φ(0.6fyAgv+fuAnt)≤Φ（0.6fuAnt+fuAnt）（5a）

当fuAnt＜0.6fuAnv，有：

ΦRBs=Φ(0.6fuAny+fyAgt)≤Φ（0.6fuAnv+fuAnt）（5b）其中Φ=0.75，

式中，Agv、Agt分别为剪切面和拉伸面毛截面面积；Anv、Ant分别为剪切面和拉伸面净截面面积。

在实际的工程计算中，RBS通常可以保守地简化为：RBs=(0.6min(fuAnv，fyAgv)+min(fuAnt，fyAgt)≤Φ（0.6fuAnv+fuAnt）

（6）6螺栓孔承压验算

承压型和摩擦型连接都应进行承压验算。对滑移控制

的连接不允许使用扩大孔和沿受力方向的长槽孔。

一个螺栓孔的设计承压强度为Fp=ΦRn，Rn按下面公式确定。

1)对与荷载方向性无关联的标准孔、扩大孔、短槽孔64

式中，Rn为连接材料的名义承压强度；fu为参与连接构件材料的最小抗拉强度；Lc为沿受力方向，螺栓孔边缘与相连

螺栓孔边缘或者连接构件边缘间的净距；d为名义螺栓直径；t为连接构件厚度；Φ为承压抗力系数，对于边距不小于1.5db(螺栓直径)和中心距不小于的情况，取0.75。

7

弯曲屈服强度

弯曲屈服强度按式(8)计算。

FB=ΦbMn/e=0.9fyS/e

（8）

式中，S为构件截面矩；e为偏心距。

8弯曲撕裂强度

弯曲撕裂强度按式(9)计算。

F′B=ΦbMn/e=0.75fuS/e

（9）

9连接板屈曲验算

弯曲屈曲强度Fa按式（10）计算。

Fa=ΦcRn=0.85fcrAg

（10）≤≤0.658λ2≤cfyλc≤1.5其中f≤cr=≤≤0.877

2c

λ（11）

≤≤fy

c≤1.5

≤

c

λc=Kl

姨

y

式中，K为计算长度系数，见表1；l为侧向无支撑长度；r为绕屈曲轴线最小回转半径。

表1有效长度系数

柱的屈曲类型

参数

理论K值0.50.71.01.02.02.0理想状态下推荐设计取值

0.65

0.8

1.2

1.0

2.1

2.0

注：

为固定端；为铰支端；

为滑动端；

为自由端

10

弯曲和受剪共同作用下的连接板验算

对称截面在弯曲和轴力共同作用下按下面所列要求计

算。

1)当时Pu/(ΦPn)≥0.2时：

Pu+8(M+M)≤1.0（12a）ubnxbny

可以简化为：H+8(V+V)≤1.0

（12b）

aBxBy2)当Pu/(ΦPu)＜0.2时：

Pu+(Mux+Muy)≤1.0（12c）ubnxbny

可以简化为H+(Vx+Vy)≤1.0（12d）aBxBy

式中，Pu为设计轴力；Pn为名义受拉或受压强度；Mu为设计弯矩；

Mn为名义弯曲强度；X、Y分别为弯曲强轴和弱轴；Φ、Φt为轴力抵抗系数，且Φ=Φt；Φb为弯曲抵抗系数。

11螺栓承载力验算

螺栓群承载力由偏心荷载作用下的螺栓群承载力系数和单个螺栓承载力决定。螺栓群承载力系数含义为螺栓群中充分发挥作用的螺栓个数，其值根据剪力和轴力的合力与竖向夹角、偏心距及螺栓群数量查AISC规范的附表确定。需要说明的是，对竖向夹角和偏心距与表中不符的情况不能按线性插值查表确定，因为这样可能会偏于不安全，只能按下一级系数较小的取值。即：

R=ΦCrv=0.75C×fvAvNs

（13）

其中rv=fvAvNs

式中，C为螺栓群系数；rv为单个螺栓抗剪强度；fv为螺栓材质剪切强度；Av为螺栓有效抗剪截面；Ns为剪切面。

表2为AISC附表的部分内容，图1为对应的偏心荷载作用下螺栓群布置。

表2偏心荷载作用下螺栓群系数C（受力角度为60°）

注：括号内数据为对应的英制单位，in。

建筑与结构设计

ArchitecturalandStructuralDesign

ex

S

P

S

图1偏心荷载作用下螺栓群布置

12连接板和主梁间焊缝的验算

与国内规范类似，只考虑连接板与主梁腹板两侧的焊

缝，通常为角焊缝。焊缝设计强度由焊材强度、焊脚高度及焊缝长度决定。

对于受力方向沿焊缝方向，即为侧面角焊缝时，有：

Fw=ΦRn=0.75×0.6fEXX××D×l

（14）

式中，l为焊缝长度；D按16进制计算的焊缝高度；fExx为焊条强度等级。

对于受力方向与焊缝方向有角度时，可以乘以强度放大系数(1+0.5sin1.5θ)，

θ为受力角度。对于正面角焊缝，强度增大系数为1.5。对同时承受平行与垂直焊缝的作用力时，按平方根原则考虑。

13结语

AISC规范全面阐述了主次梁之间采用单连接板和螺栓铰接连接节点的计算，对于相关的工程设计可以根据具体情况和我国设计规范的要求参考本例进行相应的验算，其方法对我国现行设计手册也有一定的补充和借鉴作用。

【参考文献】

1】ChenWF，KimE.LRFD.SteelDesignUsingAdvancedAnalysis[

M].BocaRaton：CRCPress，Inc.,1997.

2】李和华．钢结构连接节点设计手册[K]．北京：中国建筑工

业出版社，1992.

【收稿日期】2010-11-08

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