剪力连接

剪力连接的类型

剪力连接以承载载荷的组件及其所在位置命名. 可用哪些取决于设计规范以及梁框架的内容, 所以下面的列表是这样划分的.

梁到工字形柱, 或梁到梁 (AISC 360-16)

六种配置, 柱翼缘的每个可用框架, 到专栏网, 或通过网络进行束对束:

• 单角度. 梁腹板与支撑之间有1个L型支架. 最轻的选择, 以及最灵活的, 所以它适合轻负载. 反作用力位于支撑侧螺栓线之外, 所以这些螺栓带有偏心距 (工作示例).
• 双角. 梁腹板两侧的角度. 额外的角度使梁侧螺栓处于双剪状态，并使安装过程中的连接更加宽容, 这就是为什么它是较重梁的主力 (工作示例).
• 单板. 剪切板. 一盘, 车间焊接到支架上并用螺栓固定到梁腹板上. 通常是团体中最便宜的, 因为有一条焊缝和一组螺栓 (工作示例). 当板必须穿过柱翼缘进入柱腹板时, 它变成了一个扩展的单板, 设计不同 (工作示例).
• 双板. 腹板两面上的板, 用于单板无法承受剪切力或适合所需螺栓组的情况.
• 端板. 焊接到梁端并用螺栓固定到支架上的板. 需要将梁精确切割到长度, 由于该板没有留下任何调整空间 (工作示例).
• 直接焊接网. 梁腹板直接焊接到支架上, 没有中间板或角. 没有螺栓需要检查, 但它需要现场焊接并放弃了螺栓连接细节提供的安装公差.

如何设计 AISC 的剪切连接 360-16

每个剪力连接的设计方式都相同: 考虑梁端反应的因子, [mathin] R_{u} [mathin] (要么 [mathin] R_{a} [mathin] 对于自闭症谱系障碍), 并检查负载路径的每个部分. 反应离开束网, 穿过梁侧螺栓或焊缝进入板或角钢, 然后通过支撑侧螺栓或焊缝装入柱或梁中. 该路径上任何地方的故障都是连接故障.

下面的方程是来自 AISC 的 LRFD 形式 360-16 和 AISC 手册第 15 版. 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 = 1.50 [mathin] 哪里 [mathin] \phi = 1.00 [mathin]).

1. 详细限制 (J3.3, J3.4)

在进行任何力量检查之前, 几何形状必须是可构建的并且符合强度方程背后的假设. 螺栓需要最小间距和边缘距离, 扳手需要转动空间, 并且板或角钢的深度应至少为梁 T 尺寸的一半，以便梁端保持稳定. 最小螺栓间距为:

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

最小边缘距离来自表 J3.4, 当跨槽孔测量边缘时，采用表 J3.5 中的增量. 在工作示例中，细节限制通常是整个连接中的最高比率. 这是正常的: 设计师将螺栓布置在极限处，以保持板较小.

2. 螺栓剪切和偏心 (J3.6, 手册部分 7)

一根螺栓的剪切强度为:

[math] \phi r_{v} = \phi\, F_{nv}\, A_{b}\, N_{s} = \phi\, F_{nv}\, \frac{\pi}{4} d_{b}^{2}\, N_{s}, \qquad \phi = 0.75 [math]

哪里 [mathin] F_{nv} [mathin] 来自表J3.2 (54 A325-N 的 ksi 和 68 A490-N 的 ksi, ASTM F3125 内的等级) 和 [mathin] N_{s} [mathin] 是剪切面的数量. 双角梁侧组螺栓为双剪, [mathin] N_{s} = 2 [mathin].

反作用力很少作用于螺栓线上. 当它距离 e 远时, 螺栓带有力矩 [mathin] R_{u}\, e [mathin] 以及剪切力, 并且该组交付的螺栓少于 n 个’ 力量的价值. 瞬时旋转中心 (ICOR) 方法发现减少了计数, 系数C, 从每个螺栓的载荷-变形曲线 (手动均衡器. 7-1):

[math] R = R_{ult} \left( 1 – e^{-10\Delta} \right)^{0.55} [math]

[math] \phi R_{n} = C\, \phi r_{v} [math]

设计多少偏心取决于连接类型, 这是五个工作示例最不同的地方:

对于迭代本身, 看到 使用 ICOR 进行螺栓组计算, 或运行螺栓组 螺栓计算器.

3. 螺栓轴承和撕裂 (J3.10)

每个螺栓都会推动其孔的边缘. 帘布层要么在孔周围局部压碎 (轴承) 或将一条条​​撕到下一个孔或边缘 (撕掉). 设计时考虑使用负载时的变形:

[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]

[math] l_{c1} = L_{e} – \frac{d_{h}}{2} \qquad l_{c2} = s – d_{h} [math]

边缘螺栓净距短 [mathin] l_{c1} [mathin], 所以撕掉通常会限制它, 当内螺栓到达 2.4 dtF_ü 轴承盖. 检查每一层: 板或角, 和梁网. 薄梁腹板通常是薄弱层, 因为角度或板的尺寸是独立的. 在双角示例中，两个 1/4 以角度给出 0.5 螺栓上的钢制, 但是 1/4 梁腹板只有一层, 腹板上的承载力是最高的强度比, 在 0.760.

然后每个螺栓传递最小的剪切力, 承载强度和撕裂强度, 团体力量是总和 (J3.6 评论):

[math] \phi R_{n,eff} = \frac{C}{n} \sum_{i=1}^{n} \min\left( \phi r_{v},\ \phi r_{n,plate,i},\ \phi r_{n,web,i} \right) [math]

4. 块剪 (J4.3)

一块盘子, 角钢或顶盖梁腹板可能会在螺栓组周围撕裂: 沿孔线剪切加上自由边缘的张力, 通常是L形块.

[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]

[mathin] U_{bs} = 1 [mathin] 当拉应力均匀时, 这是单排螺栓的情况. 净面积减去每个洞的面积 [mathin] d_{h} + 1/16\,in [mathin] 冲压过程中的损坏 (B4.3). 在剪切端板示例中, 板材的块剪比第二高, 在 0.920.

5. 剪切屈服和剪切断裂 (J4.2)

板或角在剪切力下承载整个反应, 整个总截面 (屈服) 并通过孔穿过网段 (破裂):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.6\, F_{y}\, A_{gv}, \qquad \phi = 1.00 [math]

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.6\, F_{u}\, A_{nv}, \qquad \phi = 0.75 [math]

在单板示例中, 的剪切断裂 1/2 板中是最高负载检查, 在 0.629.

6. 板弯曲和剪切-弯曲相互作用

反应在距支撑物一定距离处起作用, 所以单板是一个短悬臂. SkyCiv 使用手册的双端梁程序对其进行检查, 将板视为顶部和底部的梁腹板, 并通过孔检查网截面上的弯曲断裂. 因为同一截面承受剪力和力矩, 两者结合:

[math] \left( \frac{V_{u}}{\phi V_{n}} \right)^{2} + \left( \frac{V_{u}}{\phi R_{n}} \right)^{2} \le 1.0 [math]

该检查随着偏心率的增加而增加. 在传统的剪切板中，它很小, 但在扩展的单板示例中，断裂相互作用控制了连接处 0.938.

7. 延展性: 最大板厚 (手册部分 10)

假设剪切连接发生旋转. 如果板的弯曲强度大于螺栓的剪切强度, 螺栓在板屈服之前断裂, 这是脆性失效，与简单连接假设相矛盾. 手册限制了板材厚度，因此板材首先屈服:

[math] M_{max} = \frac{F_{nv}}{0.90}\, \frac{\pi}{4} d_{b}^{2}\, C’ [math]

[math] t_{max} = \frac{6\, M_{max}}{F_{y}\, d_{p}^{2}} [math]

C’ 是单独力矩的螺栓组系数. 这是一项检查，较厚的板会使情况变得更糟. 在单板示例中 1/2 在盘子里坐在 0.966 其极限.

8. 焊接强度和母材极限 (J2.4, 手册部分 9)

将板或角材连接至支撑件的角焊缝 (或梁腹板的端板) 沿着它们的长度进行反应:

[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]

用于垂直焊缝上的垂直反应, [mathin] \theta = 0 [mathin] 方向因子为 1.0. 焊缝两侧的钢材也限制了焊缝尺寸的大小. 对于厚度为 t 的板材的两个面上的焊缝, 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]

所以更大的焊缝并不总是有帮助. 在剪切端板示例中 0.355 梁腹板中的可用焊缝限制为大约 0.233 在, 焊缝控制着连接 0.995. 对于单板, 该手册还要求提供 [mathin] \frac{5}{8}\, t_{p} [mathin] 两侧, 以便焊缝在屈服时可以形成钢板. 尝试尺寸 焊接计算器.

9. 支持和支持的会员

连接的好坏取决于它所附着的钢材. 顶部梁的顶部截面减小, 需要自己的块剪, 剪切和弯曲检查; 单角度示例适用于顶部法兰处的 W12x14 内盖. 梁框架成梁腹板或薄柱腹板的位置, 还要检查该网上的轴承和撕裂情况.

剪力连接设计实例 (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. 它们展示了控制检查如何从一种连接类型转移到下一种连接类型.

 

该模式值得了解. 一个短, 传统的剪切板很少接近其极限. 一旦反作用力远离螺栓, 如单角板和加长板, 偏心率驱动设计. 以及端板等焊接连接, 最薄的母材决定焊缝.
对于这五个背后的理论, 看到 使用 AISC 进行钢连接设计 360-16.

您应该使用哪种剪力连接?

软件检查什么?

对于剪切连接, 该设计同时运行细节传递和强度传递.

首先进行细节设计并捕捉几何形状: 螺栓边缘距离, 螺栓间距 (间距和规格), 刀具间隙, 以及最小和最大板尺寸, 加上板之间的碰撞检测, 螺栓和焊缝. 此处失败的连接永远无法解决问题. 这通常就是你想要的, 因为如果无法构建细节，数字并不重要.

然后强度检查涵盖上述过程中的每个极限状态: ICOR 的螺栓剪, 螺栓轴承和撕裂, 块体剪切破裂, 剪切屈服和断裂, 板弯曲及其与剪力的相互作用, 延性, 和焊接强度与母材极限, 加上对顶部梁和支撑构件的检查. 计算报告显示每个公式, 完整的设计检查和代码参考, 带有 AISC 的条款编号 360-16 或AS 4100:2020, 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.

对于这个的紧固件侧, 请参阅有关的文档 螺栓 和 焊缝.

剪切和弯矩连接有什么区别?

剪力连接仅传递剪力. 力矩连接也传递弯曲. 把它想象成一个 合页: 剪切连接使梁端旋转, 瞬间连接就可以了.

区别在于分析模型的决定, 不仅仅关乎细节. 设计简单的剪切板必须足够灵活以实际旋转, 这就是延展性检查所强制执行的, 并且力矩连接必须足够坚硬，以证明框架模型假设的固定性是合理的.

 

 

经常问的问题

如何计算剪力连接的承载力?

计算沿载荷路径的每个极限状态的强度 (具有偏心距的螺栓剪切力, 每层上的轴承和撕裂, 块剪, 剪切屈服和断裂, 板弯曲, 延展性和焊缝) 并取最低的. 最低值是连接容量, 给出它的检查是控制极限状态.

剪力连接与销轴连接相同吗?

是的, 用于分析. 剪切连接被建模为销钉, 自由旋转且无力矩. 实际上它确实带来了一个小时刻, 这就是为什么 AISC 360-16 B3.4要求简单连接具有足够的旋转能力以适应梁端旋转. 板厚度的延展性限制是设计确保这一点的一种方式.

什么是剪切板的偏心率, 为什么是a/2?

AISC 手册表 10-9 设置传统单板连接的设计偏心率. 对于许多螺栓数量和孔类型，它是焊缝到螺栓线距离的一半, 一个/2, 因为零力矩点位于焊缝和螺栓之间. 超出常规限制, 例如延伸到柱腹中的板, 使用了完整的距离，螺栓组损失了更多的强度.

哪种检查通常控制剪切连接?

这取决于类型. 在五个工作示例中，控制载荷检查是板剪切断裂 (单板), 梁腹板上的轴承 (双角), 带偏心的螺栓剪切 (单角度), 剪切-弯曲相互作用 (加长单板) 和焊缝 (剪切端板). 薄梁腹板和偏心率是首先要考虑的两件事.

螺栓应该是轴承型还是滑动型?

大多数剪切连接都使用紧贴轴承型螺栓 (A325-N, A490-N), 这就是所有五个工作示例所使用的. 在存在滑动问题的地方需要使用防滑螺栓, 例如与负载平行的超大孔或槽孔, 或遭受疲劳或负载逆转的接头.

我可以使用 ASD 而不是 LRFD 设计剪切连接吗?

是的. 极限状态相同. 代替 [mathin] \phi R_{n} [mathin] 与 [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] 并与 ASD 反应进行比较. 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 和 AISC 手册第 15 版, 这是围绕该规范编写的. 第16版手册与AISC配对 360-22. 剪切连接极限状态大致相同, 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, B4.3, J2.4 (情商. J2-4), J3.2 (表J3.2), J3.3, J3.4 (表J3.4), J3.5 (表 J3.5), J3.6 (情商. J3-1) 及评论, J3.10 (情商. J3-6a, J3-6c), J4.2 (情商. J4-3, J4-4), J4.3 (情商. J4-5).
• AISC 钢结构手册, 15第版: 部分 7 (情商. 7-1, 瞬时旋转中心); 部分 9 (母材对焊缝尺寸的限制, 弯曲梁); 部分 10 (简单剪力连接, 桌子 10-9, 情商. 10-3 和 10-4).
• 作为 4100:2020, 钢结构.