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技术支持中心理论背景钢结构节点组件规范校核(HKG)
钢结构节点组件规范校核(HKG)
SteelConnection designTheoretical backgroundHKG (Hong Kong)Connection

钢结构节点组件规范校核(HKG)

本文也提供以下语言版本
ENCZDEESFRITPTHUROKRPLTHTRVIZH
AI从英语翻译

螺栓、预紧螺栓和焊缝按照《2011年钢结构使用实务守则》(CoP – SUoS)进行校核。承压混凝土按照《2013年混凝土结构使用实务守则》(CoP – SUoC)进行设计。

根据香港规范的板件规范校核

板件上计算得出等效应力(HMH,冯·米塞斯)和塑性应变。当双线性材料图中的设计屈服强度 pyp_ypy​(第 3.1.2 条)达到时,进行等效塑性应变的校核。Eurocode(EN 1993-1-5 附录 C,C8 条,注 1)建议限值为 5%。该值可在规范设置中修改,但验证研究均基于此推荐值。 

板单元沿厚度方向划分为五层,分别对每层的弹性/塑性行为进行分析。程序显示所有层中最不利的结果。

应力可能略高于设计屈服强度。原因在于分析中采用的应力-应变图塑性段存在轻微斜率,以提高计算的稳定性。

py=min⁡{Ysγm1,Usγm2}p_y = \min \left \{ \frac{Y_s}{\gamma_{m1}}, \frac{U_s}{\gamma_{m2}} \right \}py​=min{γm1​Ys​​,γm2​Us​​}

其中:

  • pyp_ypy​ – 设计屈服强度
  • YsY_sYs​ – 特征屈服强度
  • UsU_sUs​ – 最小抗拉强度
  • γm1\gamma_{m1}γm1​ – 材料系数(表 4.1);默认值 γm1=1\gamma_{m1} = 1γm1​=1,可在规范设置中修改
  • γm2\gamma_{m2}γm2​ – 材料系数(表 4.1);默认值 γm2=1.2\gamma_{m2} = 1.2γm2​=1.2,可在规范设置中修改

根据香港规范的焊缝规范校核

对接焊缝

假定为全熔透对接焊缝,其承载力视为与母材相同——第 9.2.5.2.1 条。

角焊缝

角焊缝按照第 9.2.5.1.6 条的简化方法进行设计。 

fw≤pwf_w \le p_wfw​≤pw​

  • fw=σ⊥2+τ⊥2+τ∥2f_w = \sqrt{\sigma_\perp ^2 + \tau_\perp ^2 + \tau_\parallel ^2}fw​=σ⊥2​+τ⊥2​+τ∥2​​ – 焊缝喉部各方向应力的矢量和
  • pwp_wpw​ – 角焊缝设计强度,按表 9.2a 和 9.2b 确定;对于表 9.2a 和 9.2b 未涵盖的情况:
    • pw=min⁡{0.5Ue,0.55Us}p_w = \min \{0.5 U_e, 0.55 U_s\}pw​=min{0.5Ue​,0.55Us​} – 用于与 EN 钢材配套使用的 EN 焊条
    • pw=0.38min⁡{Ue,Us}p_w = 0.38 \min \{U_e, U_s\}pw​=0.38min{Ue​,Us​} – 用于其他情况
  • UeU_eUe​ – 焊条最小抗拉强度
  • UsU_sUs​ – 母材最小抗拉强度

角焊缝的有效长度按第 9.2.5.1.3 条减少 2⋅s2\cdot s2⋅s,其中 sss 为角焊缝焊脚尺寸,取 a⋅2a\cdot \sqrt{2}a⋅2​。



焊条
钢材牌号354250
S 275220220220
S 355220250250
S 460220250280
钢材牌号焊条设计强度
Q235E43160
Q345E50200
Q390, Q420E55220

表 9.2a 和 9.2b:设计强度 pwp_wpw​ [MPa]

焊接焊条最小抗拉强度 UeU_eUe​ [MPa]
35440
42500
50560
E43421.1
E50526.3
E55578.9

焊条默认最小抗拉强度 UeU_eUe​ [MPa]

焊缝图示按以下公式显示应力:

σ=σ⊥2+τ⊥2+3τ∥2\sigma = \sqrt{\sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + 3 \tau_{\parallel}^2 }σ=σ⊥2​+τ⊥2​+3τ∥2​​

根据香港规范的螺栓规范校核

受拉螺栓

螺栓抗拉承载力按第 9.3.7.1 条校核,如下:

Pt=As⋅ptP_t = A_s \cdot p_tPt​=As​⋅pt​

其中:

  • AsA_sAs​ – 受拉应力面积
  • ptp_tpt​ – 由表 9.8 获得的抗拉强度

撬力通过有限单元法分析加以考虑。

受剪螺栓

螺栓抗剪承载力按第 9.3.6.1.1 条取值,如下:

Ps=ps⋅AsP_s = p_s \cdot A_sPs​=ps​⋅As​

其中:

  • psp_sps​ – 由表 9.5 获得的设计抗剪强度
  • AsA_sAs​ – 有效受剪面积;若螺纹被剪切面截断,则 As=AtA_s = A_tAs​=At​,否则 AsA_sAs​ 取螺杆截面面积
  • AtA_tAt​ – 受拉面积 

根据第 9.3.6.1.6 条,当螺栓穿过厚度 tpat_{pa}tpa​ 大于公称直径 ddd 三分之一的填板时,其抗剪承载力 PsP_sPs​ 应乘以折减系数 βp\beta_pβp​ 进行折减,折减系数由下式求得:

βp=9d8d+3tpa≤1\beta_p = \frac{9d}{8d+3t_{pa}} \le 1βp​=8d+3tpa​9d​≤1

拉剪组合螺栓

拉剪组合按第 9.3.8.1 条校核,如下:

FsPs+FtotPt≤1.4\frac{F_s}{P_s} + \frac{F_{tot}}{P_t} \le 1.4Ps​Fs​​+Pt​Ftot​​≤1.4

其中:

  • FsF_sFs​ – 螺栓中的剪力
  • PsP_sPs​ – 螺栓抗剪承载力
  • FtotF_{tot}Ftot​ – 螺栓所受总拉力,包括撬力
  • PtP_tPt​ – 螺栓抗拉承载力

受压承压螺栓

螺栓承压承载力按第 9.3.6.1.2 条取值,如下:

Pbb=d⋅tp⋅pbbP_{bb} = d \cdot t_p \cdot p_{bb}Pbb​=d⋅tp​⋅pbb​

其中:

  • ddd – 螺栓公称直径
  • tpt_ptp​ – 被连接板厚度
  • pbbp_{bb}pbb​ – 由表 9.6 获得的螺栓承压强度

每块板单独校核,显示最不利结果。

被连接件承压承载力按第 9.3.6.1.3 条取以下各式的最小值:

Pbs=kbs⋅d⋅tp⋅pbsP_{bs} = k_{bs} \cdot d \cdot t_p \cdot p_{bs}Pbs​=kbs​⋅d⋅tp​⋅pbs​

Pbs=0.5⋅kbs⋅e⋅tp⋅pbsP_{bs} = 0.5 \cdot k_{bs} \cdot e \cdot t_p \cdot p_{bs}Pbs​=0.5⋅kbs​⋅e⋅tp​⋅pbs​

Pbs=1.5⋅lc⋅tp⋅Us≤2.0⋅d⋅tp⋅UbP_{bs} = 1.5 \cdot l_c \cdot t_p \cdot U_s \le 2.0 \cdot d \cdot t_p \cdot U_bPbs​=1.5⋅lc​⋅tp​⋅Us​≤2.0⋅d⋅tp​⋅Ub​

其中:

  • kbsk_{bs}kbs​ – 孔型系数,取值如下:
    • 标准孔:kbs=1.0k_{bs} = 1.0kbs​=1.0
    • 超大孔和短槽孔:kbs=0.7k_{bs} = 0.7kbs​=0.7
    • 长槽孔:kbs=0.5k_{bs} = 0.5kbs​=0.5
  • ddd – 螺栓公称直径
  • tpt_ptp​ – 被连接板厚度
  • pbsp_{bs}pbs​ – 被连接件承压强度
    • S275 级钢:pbs=460p_{bs} = 460pbs​=460 MPa
    • S355 级钢:pbs=550p_{bs} = 550pbs​=550 MPa
    • S460 级钢:pbs=670p_{bs} = 670pbs​=670 MPa
    • 其他级别钢材:pbs=0.67(Us+Ys)p_{bs} = 0.67 (U_s+Y_s)pbs​=0.67(Us​+Ys​)
  • eee – 沿剪力方向从螺栓中心线量至板边的边距
  • lcl_clc​ – 孔承压边与同一荷载传递方向相邻孔近边之间的净距
  • UsU_sUs​ – 被连接板的最小抗拉强度
  • YsY_sYs​ – 被连接板的特征屈服强度
  • UbU_bUb​ – 螺栓规定最小抗拉强度

根据香港规范对螺栓和预拉力螺栓进行规范校核

抗剪承载力

预拉力螺栓的抗剪承载力按第 9.3.6.2 条确定如下:

PSL=0.9⋅Ks⋅μ⋅P0P_{SL} = 0.9 \cdot K_s \cdot \mu \cdot P_0PSL​=0.9⋅Ks​⋅μ⋅P0​

其中:

  • KsK_sKs​ – 孔型系数,取值如下:
    • 标准孔 Ks=1.0K_s = 1.0Ks​=1.0
    • 超大孔 Ks=0.85K_s = 0.85Ks​=0.85
    • 槽孔 Ks=0.7K_s = 0.7Ks​=0.7
  • μ\muμ – 连接件之间的滑移系数,取自表 9.7;可在规范设置中编辑
  • P0P_0P0​ – 相关国际或地方标准规定的螺栓最小预拉力

拉力与剪力组合

拉力与剪力组合按第 9.3.8.2 条进行校核:

FsPSL+Ftot0.9⋅P0≤1.0\frac{F_s}{P_{SL}}+\frac{F_{tot}}{0.9\cdot P_0} \le 1.0PSL​Fs​​+0.9⋅P0​Ftot​​≤1.0

其中:

  • FsF_sFs​ – 螺栓中的剪力
  • PSLP_{SL}PSL​ – 预拉力螺栓的抗滑移承载力
  • FtotF_{tot}Ftot​ – 螺栓所受总拉力,包括撬力
  • P0P_0P0​ – 预拉力螺栓规定的最小预拉力

根据香港规范对混凝土块的规范校核

混凝土承压

混凝土承压根据 CoP – SUoS – Cl. 9.4.1 进行校核,如下:

σ≤w\sigma \le wσ≤w

其中:

  • σ\sigmaσ – 有效面积 AeffA_{eff}Aeff​ 上的平均压应力,该面积为以下两个面积的交集:
    • ACMA_{CM}ACM​ – 根据 Cl. 9.4.1 针对纯压情况确定的有效面积
    • AFEMA_{FEM}AFEM​ – 由有限元分析确定的底板与混凝土接触区域的面积
  • w=0.6fcuw = 0.6 f_{cu}w=0.6fcu​ – 混凝土抗集中荷载的抗压承载力 
  • fcuf_{cu}fcu​ – 混凝土最小特征抗压强度

有效面积 ACMA_{CM}ACM​ 为钢构件(含焊接于底板的加劲板)的面积,并在此基础上增加扩展量 ccc:

c=tppyp3wc = t_p \sqrt{\frac{p_{yp}}{3w}}c=tp​3wpyp​​​

其中:

  • tpt_ptp​ – 底板厚度
  • pypp_{yp}pyp​ – 底板的设计屈服强度

压缩区下方的压力视为均匀分布。

剪力传递

底板处的剪力作用假定通过以下方式从柱传递至混凝土基础:

  1. 底板与混凝土/灌浆料之间的摩擦力
  2. 抗剪键
  3. 锚栓

锚栓

锚栓中的拉力包含撬力,由有限元分析确定。

软件中不对锚栓进行校核。

根据香港规范进行螺栓和焊缝的构造设计

螺栓

螺栓最小间距按第 9.3.1.1 条规定:螺栓中心距应大于 2.5⋅d2.5 \cdot d2.5⋅d,其中 ddd 为螺栓公称直径。

从螺栓中心线量起的最小边距按表 9.3 规定:

螺栓规格最小边距 [mm]
M1218
M1622
M1824
M2026
M2228
M24 及以上1.25⋅d1.25 \cdot d1.25⋅d

焊缝

角焊缝最小焊脚尺寸按表 9.1 进行校核。

最厚部件厚度 [mm]最小焊脚长度 [mm]最小焊喉厚度 [mm]
t≤6t \le 6t≤632.121
6<t≤136 < t \le 136<t≤1353.536
13<t≤1913 < t \le 1913<t≤1964.243
19>t19 > t19>t85.657


按香港规范进行能力设计

香港标准不要求进行能力设计。

根据香港规范的刚度分类

节点根据节点刚度分类为:

  • 刚性 – 构件间原始角度变化可忽略不计的节点,
  • 半刚性 – 假定具有提供可靠且已知程度弯曲约束能力的节点,
  • 铰接 – 不产生弯矩的节点。

节点根据 EN 1993-1-8 – 第 5.2.2 条进行分类。

  • 刚性 – Sj,iniLbEIb≥kb\frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \ge k_bEIb​Sj,ini​Lb​​≥kb​
  • 半刚性 – 0.5<Sj,iniLbEIb<kb0.5 < \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} < k_b0.5<EIb​Sj,ini​Lb​​<kb​
  • 铰接 – Sj,iniLbEIb≤0.5\frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \le 0.5EIb​Sj,ini​Lb​​≤0.5

其中:

  • Sj,ini – 节点初始刚度;节点刚度在 Mj,Rd 的 2/3 以内假定为线性
  • Lb – 被分析构件的理论长度;在构件属性中设置
  • E – 弹性模量
  • Ib – 被分析构件的惯性矩
  • kb = 8,适用于支撑系统将水平位移减少至少 80% 的框架;kb = 25,适用于其他框架,前提是每层 Kb/Kc ≥ 0.1。除非用户在规范设置中设置"有支撑体系",否则使用 kb = 25。
  • Mj,Rd – 节点设计弯矩承载力
  • Kb = Ib / Lb
  • Kc = Ic / Lc