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美标钢结构设计介绍系列之——受拉构件设计
来源:中国钢结构门户网 www.gjgmh.com  2012-7-17 9:12:40
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    对于受拉构件,在我们的“国标”设计规范以及习惯要考虑的内容似乎都非常简单,那就是

公式1(公式1)

 

    还有关于摩擦型高强螺栓最外列处的验算,考虑了摩擦力的孔前传递的影响。也是一笔带过,不清不楚,远没有“美标”中的细致。仔细想来,这些问题也确实存在。下面我们将“美标”关于受拉构件设计的内容一一道来。

 

    基本设计原则 

    对受拉构件,主要进行以下几方面的验算:

    毛截面(Gross Area)的验算

    有效净截面(Effective Net Area)验算

    端部受剪块(Block Shear)验算

     长细比(Slenderness Ratio)限值

 

     一、毛截面验算 

公式2(公式2)

美标钢结构设计

 

 

    在我们的习惯里,只有强度设计值(比如对Q235一般是215.0Mpa)这个比照标准,而“美标”习惯针对毛截面和净截面分别取屈服强度和抗拉强度作比照。

 

    关于有效净截面是净截面乘上一个有效系数,我们先讨论关于净截面的计算问题。 

    净截面中最常见的就是扣除螺栓孔,关于计算孔径取名义孔径+1/16 in.,而名义孔径取栓径+1/16 in.,故计算孔径一般取栓径+1/8 in. 

    判断不利净截面位置原则:首先检查孔最多的截面,需要注意的是,破坏面不一定是垂直于拉力的一个平面,如图所示的ABFCD也是一种可能,也就是说还要检查相邻的含斜破坏面的截面(总孔数较前者多)。

破坏面的净截面面积

关于像图示的ABFCD破坏面的净截面面积的计算可由下列公式得出。

公式4(公式4)

    d是计算孔径,t为板厚,公式中最后一项是用来计算破坏面与拉力方向不正交的情况的,s是顺着拉力方向螺栓的距离称为“pitch”,g是垂直受力方向的螺栓距离称“gage”。

 

    另一个需要注意的是验算的力一定得是作用于该破坏线上的,因此计算多排螺栓的中间排时要扣除前排螺栓所分担掉的力。

 

    对于不同肢上的螺栓共同作用时“gage”值等于将肢外轮廓展平来计算,但是要减去厚度。

 

    有效截面系数 

    关于有效截面系数,就是非全截面均匀受力情况,比如角钢只有单肢连接。有时称“剪力滞后”(Shear Lag) ,规范中通过有效截面积来体现,即将净截面面积乘上一个小于1的系数U,称有效截面系数。 

    对螺栓连接有

公式5(公式5)

 

    对U值有以下一些规定:

 

    1.对W、M、S截面类型,包括相应得T型,通过翼缘连接,受力方向的每列螺栓数>3,翼缘宽度>截面高度的2/3。U=0.9

    2、所有截面类型,不满足第一条要求,但是仍有三个螺栓的限制时,U=0.85

    3、受力方向每列只有两个螺栓时,U=0.75

    对焊接有

公式6(公式6)

 

    U值得取值可以按照上面的1、2条,仅去掉有关螺栓数的规定。 

    另外对端部焊接时,有两条特别规定:

 

    1.受力通过正面焊缝连接W、M、S截面类型,包括相应得T型截面的某些边时,Ae应取直接连接的这些边的Ae。

    2.对受力通过两条侧面焊缝来说,要求l>w,L为焊缝长度,w为两条焊缝之间距离。而且有:

    L>2w时,U=1.0 

    2w>L>1.5w时,U=0.87 

    1.5w>L>w时,U=0.75 

    对于一些短的连接,比如节点板,连接板,可取Ae=An,但是要求An不超过0.85Ag 。 

    在我们“国标”设计的规范中能体现有效截面概念的大概只有设计原则中,关于角钢单肢连接按轴心受力计算强度时,对强度设计值进行0.85的折减。

 

    三、端部受剪块 

    还有一种破坏模式发生在端部,称为“Block Shear”,如图所示,破坏面部分受拉,部分受剪。

破坏模式

    承载力可以用下式表示:

承载力

 

    四、容许长细比 

    受拉构件的长细比限值300

 

    螺栓 

    每个螺栓的单剪抗剪承载力kips

 

    母材承压kips

螺栓

 

    受拉的螺杆(Threaded rods) 

    抗拉容许应力取0.33 * Fu,考虑毛截面。 

    对于大头螺杆(Upset Rod),端部有螺纹部分直径增大,先计算螺杆部分,按抗拉容许应力0.6 * Fy,选定螺杆后再用螺杆承载力去计算大头部分。 

    长细比:一般螺杆直径不小于螺杆长度的1/500。 

    最小螺杆直径5/8in.

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