瞬间连接

力矩连接的类型

力矩连接比剪力连接承载更多的力矩, 而且它们的制作成本更高: 更多材料, 更多焊接, 更多的装配和更多的检查. 大多数框架仅在结构依赖框架作用来实现横向稳定性的情况下使用它们, 并在其他地方使用剪力连接.

可用的配置取决于设计规范以及梁框架的结构.

梁到工字形柱 (AISC 360-16)

四种配置, 将框架固定到柱翼缘或柱腹板上:

• 法兰盘. 梁顶部和底部翼缘的板, 车间焊接到柱上并现场用螺栓固定到梁上. 当梁弯曲时, 一块板受到拉伸，另一块板受到压缩, 那对夫妇带着这一刻. 单独的网板, 实际上是剪切板, 承载剪切力. 所有焊接均在车间内进行, 这就是制造商喜欢它的原因 (工作示例).
• 焊接法兰. 梁翼缘直接焊接到柱翼缘上，没有中间板, 腹板用螺栓固定在剪切板上. 这提供了该组中最坚硬的接头和最干净的负载路径, 但它是对必须在公差范围内安装的构件进行现场焊接, 所以它带有预热, 螺栓连接细节所不具备的检修和检查成本.
• 齐平端板. 焊接到梁端部并用螺栓固定到柱上的板, 与梁翼缘齐平，因此所有螺栓都位于它们之间. 它保持在光束深度内, 适合地板, 但螺栓’ 杠杆臂有限, 所以它适合温和的时刻 (工作示例).
• 加长端板. 同样的想法, 板延伸超过张力法兰，以便螺栓排可以位于其外部. 该排在压缩法兰周围具有最长的杠杆臂, 并且延伸部分在板上添加了屈服线, 这就是购买额外力矩能力的原因. 这是本页顶部显示的配置 (工作示例).

如何设计与 AISC 的矩连接 360-16

每个力矩连接都是根据法兰力设计的. 梁力矩在一个法兰上变成拉力，在另一个法兰上变成压缩力. 每个力都从梁翼缘传递, 通过螺栓, 板或焊缝, 进入柱法兰, 柱子必须承载它. 剪力分别穿过腹板. 任何一条路径上的任何一个故障都是连接故障.

下面的方程是来自 AISC 的 LRFD 形式 360-16, AISC 手册第 15 版和, 用于端板, AISC 设计指南 39. 对于自闭症, 代替 [mathin] \phi R_{n} [mathin] 与 [mathin] R_{n} / \Omega [mathin], 使用 [mathin] \Omega [mathin] 在同一条款中给出 ([mathin] \Omega = 2.00 [mathin] 哪里 [mathin] \phi = 0.75 [mathin], 和 [mathin] \Omega = 1.67 [mathin] 哪里 [mathin] \phi = 0.90 [mathin]).

1. 法兰力

这一刻是作为情侣一起度过的. 将其除以法兰质心之间的距离即可得出每个法兰中的力, 轴向载荷将其值的一半添加到每个法兰上:

[math] P_{uf} = \frac{M_{u}}{d – t_{f}} + \frac{P_{u}}{2} [math]

在法兰板示例中, 一个 300 W24x84 上的 kip-ft 力矩 100 轴向载荷的 kip 给出 [mathin] P_{uf} = 204.31\,kip [mathin], 法兰盘上的每项检查都是根据该数字进行的.

端板的工作方式相同, 但设计指南 39 将轴向拉力转化为等效力矩, 因为它拉动相同的张力螺栓:

[math] M_{u,eq} = M_{u} + \frac{T_{u}}{2} \left( d – t_{f} \right) [math]

这不是一个小修正. 在齐平端板示例中, 150 紧张的一瞬间变成了 200 瞬间进入 328.75 基普英尺.

2. 详细限制 (J2.2b, J3.3, J3.4, J3.5)

在进行任何力量检查之前, 连接必须是可建立的. 螺栓需要最小间距和边缘距离, 扳手需要转动空间, 角焊缝需要为其连接的零件设定最小尺寸 (表J2.4). 最小螺栓间距为:

[math] s_{min} = 2\tfrac{2}{3}\, d_{b} \qquad (3\, d_{b}\ \text{preferred}) [math]

端板还必须足够深地穿过每个法兰，以便法兰焊缝能够安装. 在扩展端板示例中，螺栓柱间距正好位于最小间距上, 的比例为 1.000, 这是允许的. 设计师将螺栓布置在极限处以保持板较小.

3. 端板: 螺栓尺寸和板厚 (设计指南 39)

设计指南 39 采用厚板方法. 螺栓的尺寸可达到其抗拉强度，无需撬动, 然后将板做得足够硬，永远不会发生撬动. 螺栓直径来自杠杆臂 [mathin] h_{i} [mathin] 围绕压缩法兰中心的拉紧螺栓排数:

[math] d_{b,reqd} = \sqrt{\frac{4\, M_{u,eq}}{\pi\, \phi\, F_{nt} \sum_{i} n_{i} h_{i}}}, \qquad \phi = 0.75 [math]

板的弯曲强度来自这些螺栓周围的屈服线图案, 总结在产量线参数中 [mathin] Y_{p} [mathin] 来自每种螺栓模式的指南表:

[math] t_{p,reqd} = \sqrt{\frac{1.10\, M_{u,eq}}{\gamma_{r}\, \phi\, F_{yp}\, Y_{p}}}, \qquad \phi = 0.90 [math]

的 1.10 因素保持板材 10% 强于需求, 所以它保持僵硬并且不撬动的假设成立. [mathin] \gamma_{r} [mathin] 是 1.0 对于加长板和 0.8 用于冲水板, 因为冲水板更灵活，必须做得更厚才能算作完全约束. 延伸是额外力量的来源: 扩展的例子有 [mathin] Y_{p} = 212.35\,in [mathin], 反对 123.54 用于冲洗板.

4. 法兰板: 滑, 轴承和块剪 (J3.8, J3.10, J4.3)

法兰板通常带有用于安装的超大孔, J3.2 只允许在滑动关键的接头中使用. 螺栓组的滑移阻力为:

[math] \phi R_{n} = \phi\, \mu\, D_{u}\, h_{f}\, T_{b}\, N_{s}\, n_{b} [math]

哪里 [mathin] \mu = 0.5 [mathin] 用于 B 级表面, [mathin] D_{u} = 1.13 [mathin], [mathin] T_{b} [mathin] 是表 J3.1 中的最小螺栓预紧力, 和 [mathin] h_{f} [mathin] 是填充因子, 0.85 当可能有两个或多个填充物时. [mathin] \phi = 0.85 [mathin] 用于超大孔. 在法兰板示例中，检查滑移 0.978.

板和梁翼缘上的螺栓轴承和撕裂均遵循 J3.10:

[math] \phi r_{n} = \phi\, \min\left( 1.2\, l_{c}\, t\, F_{u},\ 2.4\, d_{b}\, t\, F_{u} \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

并分别检查板和梁翼缘是否存在螺栓周围的块剪撕裂:

[math] \phi R_{n} = \phi \left( 0.6\, F_{u} A_{nv} + U_{bs} F_{u} A_{nt} \right) \le \phi \left( 0.6\, F_{y} A_{gv} + U_{bs} F_{u} A_{nt} \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

尝试螺栓布局 螺栓计算器.

5. 法兰板处于拉伸和压缩状态 (J4.1, J4.4)

检查张紧板在总截面上的屈服情况以及通过孔的破裂情况:

[math] \phi R_{n} = \min\left( 0.90\, F_{y} A_{g},\ 0.75\, F_{u} A_{e} \right) [math]

压缩板是柱面与第一排螺栓之间的短柱. 如果够厚实的话, J4.4 让您跳过 E 章屈曲方程:

[math] \frac{K L}{r} \le 25 \quad \Rightarrow \quad \phi R_{n} = 0.90\, F_{y}\, A_{g} [math]

对于一个盘子, [mathin] r = t / \sqrt{12} [mathin], 所以薄板很快就达到极限. 的 1/2 法兰板示例中的板位于 24.942, 就在下面 25.

6. 螺栓孔处的横梁 (D3, F13.1)

这些孔恰好在最大力矩点处从梁的受拉翼缘上出来. F13.1 检查它们是否降低梁的抗弯强度:

[math] F_{u} A_{fn} \lt Y_{t} F_{y} A_{fg} \quad \Rightarrow \quad M_{n} = \frac{F_{u} A_{fn}}{A_{fg}}\, S_{x} [math]

[mathin] Y_{t} = 1.0 [mathin] 什么时候 [mathin] F_{y}/F_{u} \le 0.8 [mathin]. 法兰力也必须进入梁中: 半梁, 一件T恤, 被视为仅通过法兰连接的受拉构件, 剪切滞后减少了净面积:

[math] U = 1 – \frac{\bar{y}}{l} [math]

7. 焊缝和母材 (J2.4, 手动均衡器. 9-2)

法兰力穿过每个连接中的焊缝: 法兰板至立柱, 或梁翼缘至端板. 垂直于其长度方向加载, 角焊缝的 J2.4 方向增加 1.5:

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.6\, F_{EXX}\, \frac{\sqrt{2}}{2}\, w\, L_{w} \left( 1 + 0.5\, \sin^{1.5}\theta \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

两侧的钢材限制了焊缝尺寸的大小. 对于厚度为 t 的零件的两个面上的焊缝, 十六分之一的可用大小是:

[math] D_{max} = \frac{ \frac{t}{2}\, F_{u} }{3.09\,kip/in} [math]

设计指南 39 在端板法兰焊缝处添加底板: 它们的设计至少是为了 60% 法兰的屈服强度, 因此，即使在很小的力矩下，焊缝也绝不是薄弱环节.

[math] P_{fl} \ge 0.6\, F_{y}\, b_{f}\, t_{f} [math]

在齐平示例中，地板 (295.2 基普) 高于负载的力 (191.5 基普), 所以地板尺寸焊缝. 在法兰板示例中 1/4 与柱的焊接控制了整个连接 0.998. 尝试尺寸 焊接计算器.

8. 剪切网络

梁剪不穿过翼缘. 在法兰板连接中，它穿过腹板, 其设计类似于剪切板: 螺栓剪, 板和梁腹板上的轴承, 块剪, 以及板的剪切屈服和破裂. 在法兰板示例中, 的剪切断裂 1 在腹板中控制该侧 0.943.

在端板中, 剪切力穿过受拉区外的腹板焊缝, 梁腹板常常限制焊缝. 在齐平端板示例中 1/2 腹板中的可用焊缝尺寸限制为 0.3287 在, 小于 3/8 在指定的, 剪切腹板焊缝控制着连接处 0.988.

9. 专栏: 法兰弯曲, 网络产量, 致残和面板区域 (歼10)

法兰力作为集中载荷到达柱, 并且色谱柱必须承载它们而不会出现局部故障. 这些检查决定柱是否需要横向加劲肋或腹板加倍板, 而且使用较重的柱通常比使用加强筋更便宜.

法兰局部弯曲, 在受拉法兰下 (情商. J10-1):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 6.25\, F_{y}\, t_{f}^{2}, \qquad \phi = 0.90 [math]

网络本地收益, 与轴承长度 [mathin] l_{b} [mathin], 远离柱端 (情商. J10-2):

[math] \phi R_{n} = \phi\, F_{y}\, t_{w} \left( 5k + l_{b} \right), \qquad \phi = 1.00 [math]

设计指南 39 使用 6k 代替 5k 作为端板, 因为力在到达柱子之前就通过板传播.

网络瘫痪, 压缩法兰下 (情商. J10-4):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.80\, t_{w}^{2} \left[ 1 + 3 \left( \frac{l_{b}}{d} \right) \left( \frac{t_{w}}{t_{f}} \right)^{1.5} \right] \sqrt{\frac{E\, F_{y}\, t_{f}}{t_{w}}}\, Q_{f}, \qquad \phi = 0.75 [math]

面板区腹板剪力, 其中翼缘力之间的柱腹板处于剪切状态 (情商. J10-9):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.60\, F_{y}\, d_{c}\, t_{w}, \qquad \phi = 0.90 [math]

用于端板, 拉紧螺栓还将柱翼缘弯曲成屈服线图案, 像端板本身一样检查:

[math] \phi M_{cf} = \phi\, F_{y}\, t_{f}^{2}\, Y_{c} \ge 1.10\, M_{u,eq} [math]

在所有三个工作示例中，面板区域剪切力控制着柱, 在 0.461, 0.726 和 0.492. 故障面板区域需要双层板, 失效的翼缘或腹板检查需要与梁翼缘相对的加劲肋.

力矩连接设计实例 (AISC 360-16 LRFD)

下面的每个示例都是来自 SkyCiv Connection Design 的完整 AISC 计算表, 一步步写出每个方程, 替代值和 DCR.

 

该模式值得了解. 在端板中, 螺栓和板的尺寸相同，并且往往彼此接近, 梁腹板常常限制焊缝. 在法兰盘中, 法兰侧的所有部件均根据相同的法兰力进行检查, 因此焊缝和防滑螺栓最终会同样努力工作. 在所有三个, 柱不需要加强筋或双层板, 但面板区域是最接近其极限的列检查.

对于示例背后的理论, 看到 使用 AISC 进行钢连接设计 360-16.

您应该使用哪个时刻的连接?

软件检查什么?

首先进行细节设计: 螺栓边缘距离, 螺栓间距 (间距和规格), 刀具间隙, 最小和最大板尺寸, 最小焊缝尺寸, 和板之间的碰撞检测, 加强筋, 螺栓和焊缝. 无法建立的连接没有达到解决的目的.

然后强度检查按照上述程序进行. 对于端板，这意味着设计指南中所需的螺栓直径和板厚度 39, 板在剪切下的延伸部分, 翼缘和腹板与其母材的焊接, 和螺栓剪, 轴承和撕裂. 对于法兰板来说，这意味着滑动, 轴承, 块剪, 板的拉伸和压缩, 孔和焊缝处的梁断裂, 加上腹板作为剪切板. 在立柱上表示法兰弯曲, 网络本地产量, 网络瘫痪, 腹板压缩屈曲和面板区域剪切.

每个公式, 完整显示设计检查和代码参考, 带有 AISC 的条款编号 360-16, 这样你就可以遵循计算而不是相信它. 上面的工作示例是根据这些报告编写的. 对于紧固件侧, 请参阅有关的文档 螺栓 和 焊缝.

弯矩连接与剪切连接: 区别

不同之处在于两个成员之间的角度发生了什么变化. 在瞬间连接，角度被保持, 因此，一个部件的弯曲会影响另一个部件. 在剪切连接中，接头可以自由旋转, 因此梁端转动并且没有有意义的力矩穿过接头. 看 什么是剪力连接 对于另一半的比较.

 

 

经常问的问题

如何计算弯矩连接中的法兰力?

将梁端力矩除以翼缘质心之间的距离, [mathin] d – t_{f} [mathin], 并添加任何轴向载荷的一半. 一个 300 W24x84 上的 kip-ft 力矩 (d = 24.1 在, Ť_F = 0.77 在) 与 100 轴向载荷的 kip 给出 204.31 每个法兰中的 kip.

完全约束力矩连接和部分约束力矩连接有什么区别?

完全克制的 (阻燃剂) 连接保持成员之间的角度, 因此可以使用固定关节来分析框架. 部分克制 (公关) 连接传递力矩但明显旋转, 因此必须对其旋转刚度进行分析. AISC 360-16 B3.4 定义了两者. 的 0.8 设计指南中齐平端板的缩减系数 39 存在是为了保持这些连接足够坚固以被视为 FR.

弯矩连接何时需要柱加劲肋或双板?

当柱在法兰力作用下未通过 J10 检查之一时. 法兰局部弯曲, 网络本地产量, 腹板破坏和腹板压缩屈曲通过与梁翼缘相对的横向加劲肋固定. 面板区域剪切力通过柱腹板上的双层板固定. 通常较重的立柱部分比任何一个都便宜, 因为加强筋和加倍板增加了焊接.

齐平端板和加长端板有什么区别?

齐平端板停在梁翼缘处, 所以所有的螺栓都在它们之间. 延伸的端板突出超过张力法兰，其外部有一排螺栓. 该行具有最长的杠杆臂, 并且扩展增加了屈服线, 所以延长的板承受更大的力矩. 当连接必须保持在梁深度内时，使用平齐板.

为什么法兰板螺栓具有滑动性?

法兰板通常带有超大孔, 给出法兰处的安装公差, 和AISC 360-16 J3.2 仅在滑动关键连接中允许过大的孔. 螺栓已预紧并准备好接合面, 通常为 B 类, 因此接头通过摩擦承受法兰力.

我可以用 ASD 而不是 LRFD 设计力矩连接吗?

是的. 极限状态相同. 代替 [mathin] \phi R_{n} [mathin] 与 [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] 并与 ASD 负载进行比较. SkyCiv 连接设计同时运行, 在它们之间切换是一种设置.

示例是否遵循 AISC 第 15 版或第 16 版手册?

他们遵循 AISC 360-16 与 AISC 手册第 15 版, 这是围绕该规范编写的, 和 AISC 设计指南 39 用于端板. 第16版手册与AISC配对 360-22. 极限状态大致相同, 但子句和表引用会移动, 因此请根据您的项目使用的版本检查它们.

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参考资料

• AISC 360-16, 钢结构建筑规范: B3.4, D3 (表D3.1), F13.1 (情商. F13-1), J2.2b (表J2.4), J2.4, J3.1 (表J3.1), J3.2, J3.3, J3.4, J3.5, J3.6, J3.8, J3.10, J4.1, J4.3, J4.4 (情商. J4-6), 歼10 (情商. J10-1, J10-2, J10-4, J10-8, J10-9).
• AISC 钢结构手册, 15第版: 部分 9 (情商. 9-2, 母材对焊缝尺寸的限制); 部分 12 (完全约束力矩连接).
• AISC 设计指南 39, 端板力矩连接.