等强度连接设计浅析(中文)

摘要：笔者对目前钢结构连接节点设计几种常用的设计方法做了阐述，并着重对等强度连接设计方法进行了深入细致的说明，并通过两个计算实例，提供了等强度连接在实际工程设计中的设计步骤和计算方法。

关键词：钢结构连接节点，连接节点设计，等强度连接设计，计算方法

The brief analysis of the design for full strength joint

Yang Yong

Shandong ZhongTong Steel Structure Engineering CO.,LTD

Abstract: Author exposits the usual design methods of steel structure joint at present and has a eingehend explanation of the design for full strength joint. Author provides the design step and computing method that full strength joint used in the reality project design through two computing examples.

Key words: steel structure joint, design of joint, design of full strength joint, computing method

正文：

钢结构构件连接设计方法主要有以下几种: 实用设计法，精确计算设计法，常用简化设计法和等强度连接设计方法。实用设计法是按被连接的翼缘的净截面面积等强度条件进行拼接连接，而腹板的连接除对作用在拼接位置的剪力进行计算外，尚应按腹板净截面面积的抗剪承载力的1/2或构件两端弯矩之和除以构件的净跨长度所得到的剪力来确定。精确计算设计法是被连接的构件翼缘和腹板按其惯性矩比例分担截面处的弯矩，而剪力全部由腹板承担。常用简化设计法是按构件翼缘承担所有的弯矩，而腹板承担所有的剪力来进行拼接设计的。

等强度连接设计方法也是钢结构连接设计常用的一种方法。等强度设计法是按被连接的翼缘或腹板的净截面面积等强度的条件来进行拼接的。抗震节点设计遵循的原则除了受力明确减少应力集中和便于加工安装以外，最重要的一点就是满足强连接弱构件的原则，避免因连接较弱而使结构整体破坏。等强度连接设计方法的目的就是使构件连接的承载力与构件承载力相等或者比构件承载力更高。所以等强度连接设计方法经常用于结构按抗震设计或弹塑性设计中的构件拼接设计，以保证构件的连续性和具有良好的延性。

采用等强度设计法进行梁构件的拼接连接设计时，因为作用于梁拼接处的内力一般只有弯矩和剪力，所以拼接处的设计内力值可以按下式计算：

b MnWnb*f b VnbAnw*fv

采用等强度设计法进行柱构件的拼接连接设计时，还有轴向压力的作用：

cc NnAn*f

cMnWnc*f cVncAnw*fv

Mn：构件净截面的最大弯矩承载力 Wn：构件的净截面模量

Vn：构件净截面的最大剪力承载力 Anw：构件腹板的净截面面积

c：柱构件净截面的最大轴压力承载力 NnAn：构件的净截面面积

f：钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值

fv：钢材的抗剪强度设计值

等强度设计法拼接处的内力设计值是构件所能承担的最大承载力，等强度设计法的内力设计值显然大于实用设计法的内力设计值，因此按等强度设计的条件肯定是满足实用设计法结果的。常用设计法考虑翼缘承担全截面的弯矩值，而等强度设计法的弯矩值是全截面的最大承载力，所以按此方法翼缘等强对接焊也是无法满足承担最大弯矩设计值要求的。实用设计法和常用简化设计法都是不适用于等强度设计拼接计算的，只能采用精确设计法，即翼缘和腹板按其惯性矩的比例分担全截面的弯矩，而全截面的剪力由腹板承担。

等强度设计法可以分三个步骤：首先，根据等强度设计法的条件计算出构件净截面所能承担的最大内力设计值。然后，先按构造要求假定其翼缘、腹板连接螺栓的排列和连接焊缝的焊脚尺寸。再根据构件净截面所能承担的最大内力设计值对此连接进行验算。验算不满足时重新调整连接设计，至到验算满足。最后，按《建筑抗震设计规范》8.2.8的要求，对连接进行相应的极限承载力验算。不满足极限承载力验算时可采取相应的补强措施。

下面分别通过梁构件和柱构件的等强拼接设计算例对等强度设计方法在工程设计中的具体计算方法进行详细叙述。

算例一：梁构件焊接钢H400X200X8X12(材质Q235B)的双剪等强拼接

条件：翼缘采用加引弧板施焊的全熔透坡口对接焊，腹板采用10.9级摩擦型高强度螺栓连接。 验算：

构件的截面特性：

Ix21615.0cm4

Inx21160.8cm4

Wx108.70cm3

Wnx105.08cm3

Ixf1807.01cm4 (占全截面的83.6%)

Ixw3544.0cm4 (占全截面的16.4%)

考虑扣除螺栓孔后的净截面模量为未扣除孔时的全截面模量的98％，在工程设计中可以偏保守地取毛截面模量代替净截面模量计算，对计算结果影响不大。

首先计算构件所能承担的最大弯矩和最大剪力：

b MnWnb*f1058.0cm3*215N/mm2227.47KN*m b VnbAnw*fv(40012*24*22)*8*125N/mm2288.00KN

翼缘分担的弯矩：

Mf83.6%*227.47KN*m190.16KN*m 腹板分担的弯矩：

Mw16.4%*227.47KN*m37.31KN*m 翼缘对接焊缝的正应力：

Mf(hbtf)*tf*bf190.16KN*m204.21N/mm2215N/mm2

(40012)*12*200翼缘对接焊缝强度满足。

螺栓群中受力最大的螺栓承担由弯矩产生的剪力：

4021052VM*Mw67.86KN

4*(4021052)4*(402352)分解到两个方向：

VMX4040105105401052222*VM24.15KN

VMY*VM63.39KN

螺栓承担由剪力产生的剪力：

288.00KNVV36.00KN

8将弯矩产生剪力与剪力产生剪力合并：

Vb(VMYVV)2VMX102.26KN

2单个高强度螺栓的抗剪承载力：

bNv0.9*nf*u*P0.9*2*0.45*155KN125.55KN

高强度螺栓强度满足。

按照《建筑抗震设计规范》8.2.8进行极限承载力验算： 梁上下翼缘坡口对接焊缝的极限受弯承载力：

MuAf*(htf)*fu200*12*(40012)*375N/mm2349.20KN*m 梁截面的全塑性受弯承载力的1.2倍：

1.2Mp1.2*Wp*fy1.2*1214cm3*235N/mm2342.50KN*m Mu1.2*Mp * 满足8.2.8-1式 梁腹板单个螺栓连接的受剪极限承载力：

bbNvu0.58*nf*Ae*fub0.58*2*2.45cm2*375N/mm2106.58KN bbNcud*t*fcu20*8*1.5*375N/mm290KN

单个螺栓极限受剪承载力：

bbNbNvu,Ncumin90KN

螺栓群极限抗剪承载力：

Vu8*Nb720KN

0.58*hw*tw*fay0.58*376*8*235N/mm2409.99KN Vu0.58*hw*tw*fay * 满足 8.2.8-2式

算例二：柱构件焊接钢H300X250X10X16(材质Q235B)的双剪等强拼接

条件：翼缘采用加引弧板施焊的全熔透坡口对接焊，腹板采用10.9级摩擦型高强度螺栓连接。 验算：

构件的截面特性：

Ix1775.3c2m4

Inx1754.5c5m4

Wx118.53cm3

Wnx116.79cm3

Ixf1614.3c8m4 (占全截面的91.0%)

Ixw1604.0cm4 (占全截面的9.0%) 考虑扣除螺栓孔后的净截面模量为未扣除孔时的全截面模量的98.8％，在工程设计中可以偏保守取毛截面模量代替净截面模量计算，对计算结果影响不大。

首先计算构件所能承担的最大内力值：

ccNnAn*f(202*10250*16*2)*215N/mm22154.30KN cMnWnc*f1169.7cm3*215N/mm2251.49KN*m cVncAnw*fv(30016*222*3)*10*125N/mm2252.50KN

构件腹板所能承担的最大轴向力：

ccNnwAnw*f(202*10)*215N/mm2434.3KN

翼缘分担的弯矩：

Mf91.0%*251.49KN*m228.86KN*m 腹板分担的弯矩：

Mw9.0%*251.49KN*m22.63KN*m

钢柱在轴向压力、弯矩和剪力共同作用下，柱翼缘的最大应力：

ccNnMnccf

AnWn不考虑轴向压力的有利影响，仅计算弯矩作用下翼缘对接焊缝的正应力：

Mf(hctf)*tf*bf228.86KN*m201.46N/mm2215N/mm2

(30016)*16*250翼缘对接焊缝强度满足。

钢柱翼缘已经采用全熔透坡口对接焊缝连接，翼缘所承担的轴力已经通过等强焊缝可靠传递。腹板只承担腹板净截面面积能承担的轴向压力、剪力和腹板所承担的弯矩。

螺栓群中受力最大的螺栓由弯矩产生的剪力：

702802VM*Mw35.48KN*m

4*(702802)2*7022*802分解到两个方向：

VMX7070808070802222*VM23.36KN

VMY*VM26.70KN

由轴力产生的单个螺栓剪力：

434.3KNVN48.26KN

9由剪力产生的单个螺栓剪力：

252.5KNVV28.06KN

9将轴力、剪力、腹板承担弯矩产生的螺栓剪力合并：

Vb(VMYVN)2(VMXVV)290.90KN

单个高强度螺栓的抗剪承载力：

bNv0.9*nf*u*P0.9*2*0.45*155KN125.55KN

高强度螺栓强度满足。

按照《建筑抗震设计规范》8.2.8进行极限承载力验算： 梁上下翼缘坡口对接焊缝的极限受弯承载力：

MuAf*(hctf)*fu250*16*(30016)*375N/mm2426.00KN*m 梁截面的全塑性受弯承载力的1.2倍：

1.2Mp1.2*Wp*fy1.2*1315.6cm3*235N/mm2370.99KN*m Mu1.2*Mp * 满足8.2.8-1式 梁腹板螺栓连接的受剪极限承载力：

bbNvu0.58*nf*Ae*fub0.58*2*2.45cm2*375N/mm2106.58KN bbNcud*t*fcu20*10*1.5*375N/mm2112.50KN

单个螺栓极限受剪承载力：

bbNbNvu,Ncumin112.50KN

螺栓群极限抗剪承载力：

Vu9*Nb1012.50KN

0.58*hw*tw*fay0.58*268*10*235N/mm2365.28KN Vu0.58*hw*tw*fay * 满足 8.2.8-2式

结语：

1、等强度设计法是按被连接的翼缘或腹板的净截面面积等强度的条件来进行拼接的。根据抗震节点设计强连接弱构件的原则，等强度设计方法是最适用的一种的连接节点设计方法，可以保证构件的连续性和延性。 2、等强度设计法可以分三个步骤：先根据等强度设计法的条件计算出构件净截面所能承担的最大内力设计值。再根据此内力设计值对初步设计连接进行验算。最后，按《建筑抗震设计规范》8.2.8的要求，进行相应的极限承载力复核。

3、采用等强度设计法进行梁构件拼接连接设计时，梁构件能承担的最大的内力值：

bMnWnb*f

b VnbAnw*fv

采用等强度设计法进行柱构件的拼接连接设计时，柱构件能承担的最大内力值：

cc NnAn*f

cMnWnc*f cVncAnw*fv

参考文献：

1.《钢结构连接节点设计手册》李星荣等编著. 北京. 中国建筑工业出版社. 2004. 2. 《钢结构设计手册》(第三版) 汪一骏等编著. 北京. 中国建筑工业出版社. 2004.8 3.《钢结构》(第二版) 魏明钟主编. 武汉. 武汉理工大学出版社 2002.10