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)
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)
是毛截面面积
这里的容许应力 , 是材料的屈服强度。
(不适用于纯铰连接点处,螺杆,索)
二、有效净截面验算
(公式3)
是有效净截面面积
这里的容许应力 , 是材料的最小抗拉强度。
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)。
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)
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)
对U值有以下一些规定:
- 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
- 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
- 受力方向每列只有两个螺栓时,U=0.75
对焊接有
(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:
- 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。
- 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。
承载力可以用下式表示:
(公式7)
是受剪部分面积, 是受拉部分面积。
(公式8)
(公式9)
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
螺栓间距取螺栓直径的 倍,一般取3
最小的边距in.
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.