截面为 W12×40 的梁与截面为 W10×45 的柱相连。该节点设计为弯矩节点,采用螺栓翼缘板弯矩节点形式。所有钢材均为 A36 级(fy = 36 ksi,fu = 58 ksi),螺栓为 A307 级(fy = 50 ksi,fu = 65 ksi)。梁翼缘处翅板厚度为 5/8'',梁腹板处翅板厚度为 3/8''。柱在梁翼缘翅板位置设置加劲板,厚度为 5/8''。柱承受 200 kip 的压力,梁承受 800 kip-in 的弯矩和 30 kip 的剪力。
几何形状

所研究的节点

柱(左)和梁(右)的截面

翅板几何形状
手算验算
手算验算依据 AISC 360-16 进行。为简化计算,弯矩仅由翼缘传递,剪力仅由腹板传递。剪力假定作用于柱面处。需进行以下验算:
螺栓受剪承载力 – J3.6
螺栓孔处承压及孔壁撕裂承载力 – J3.10
块剪承载力 – J4.3
被连接构件的受拉承载力 – J4.1
被连接构件的受剪承载力 – J4.2
焊缝承载力 – J2.4
梁和柱的设计验算假定在其他地方进行。
内力分配
弯矩通过梁翼缘处的螺栓传递。剪切面之间的距离为 11.929''。作用于翼缘螺栓群上的力为 67.06 kip。
弯矩进一步通过将翅板与柱翼缘相连的焊缝传递。焊缝重心之间的距离因翅板厚度而增加,即 11.929 + 5/8 = 12.554''。焊缝承受的力为 63.72 kip。
腹板处螺栓承受 30 kip 的剪力,以及由假定作用于柱面处剪力偏心(1.75'')引起的弯矩所产生的小剪力。此处忽略该剪力,因为梁腹板处螺栓的承载比预计不会很高,且有足够的储备。
连接梁腹板的翅板处焊缝承受 30 kip 的剪力。
螺栓验算
梁翼缘处螺栓:
67.06 kip 的剪力假定均匀分配于 8 个 3/4'' A307 螺栓。
受剪承载力:
ϕRn=ϕFnvAb=0.75⋅27⋅0.442=8.938kip
承压承载力:
ϕRn=ϕ2.4dtFu=0.75⋅2.4⋅0.75⋅0.516⋅58=40.394kip
孔壁撕裂承载力:
ϕRn=ϕ1.2lctFu=0.75⋅1.2⋅(1.4−0.406)⋅0.516⋅58=26.77kip
单个螺栓的受剪承载力为 8.938 kip,即 8 个螺栓群的承载力为 67.184 kip。该承载力足以传递 67.06 kip 的剪力。
块剪承载力:
ϕRn=ϕ(0.6FuAnv+UbsFuAnt)≤ϕ(0.6FyAgv+UbsFuAnt)
ϕRn=0.75⋅(0.6⋅58⋅2.97+1⋅58⋅0.82)≤0.75⋅(0.6⋅36⋅4.44+1⋅58⋅0.82)=143kip
本算例给出梁上翼缘的块剪承载力。预计破坏面跨越靠近梁腹板的 4 个螺栓。因此,需承受作用于螺栓群荷载的一半,即 30.03 kip。储备非常充足。
翅板受拉屈服:
ϕRn=ϕFyAg=0.9⋅36⋅5.00=162kip
翅板受拉断裂:
ϕRn=ϕFuAn=0.75⋅58⋅3.98=173kip
板的承载比为 41%。
梁腹板处螺栓:
30 kip 的剪力假定均匀分配于 4 个 3/4'' A307 螺栓。
受剪承载力:
ϕRn=ϕFnvAb=0.75⋅27⋅0.442=8.938kip
承压承载力:
ϕRn=ϕ2.4dtFu=0.75⋅2.4⋅0.75⋅0.295⋅58=23.1kip
孔壁撕裂承载力:
ϕRn=ϕ1.2lctFu=0.75⋅1.2⋅(1.365−0,406)⋅0.375⋅58=17.81kip
单个螺栓的受剪承载力为 8.938 kip,即 4 个螺栓群的承载力为 39 kip。该承载力足以传递 30 kip 的剪力。
翅板受剪屈服:
ϕRn=ϕ0.6FyAgv=1⋅0.6⋅36⋅3.72=80kip
翅板受剪断裂:
ϕRn=ϕ0.6FuAnv=0.75⋅0.6⋅58⋅2.50=65kip
翅板的受剪承载力(即 65 kip)足以传递 30 kip 的剪力荷载。
焊缝验算
梁翼缘附近焊缝:
将梁翼缘处翅板与柱翼缘相连的焊缝需传递 63.72 kip。焊缝受力角度为 90∘。焊条采用 E70XX,焊缝尺寸为 3/8''。
Fnw=0.6FEXX(1+0.5sin1.5θ)=0.6⋅70⋅(1+0.5sin1.590∘)=63ksi
ϕRn=ϕFnwAwe=0.75⋅63⋅4.213=199kip
焊缝承载力满足要求。
梁腹板附近焊缝:
将梁腹板处翅板与柱翼缘相连的焊缝需传递 30 kip。焊缝受力角度为 0∘。焊条采用 E70XX,焊缝尺寸为 5/16''。
Fnw=0.6FEXX(1+0.5sin1.5θ)=0.6⋅70⋅(1+0.5sin1.50∘)=42ksi
ϕRn=ϕFnwAwe=0.75⋅42⋅4.374=138kip
焊缝承载力满足要求。
IDEA StatiCa 验算
板件通过有限单元法进行验算。采用双线性材料模型,屈服强度乘以钢材抗力系数 ϕ=0.9。节点其他组件(即螺栓和焊缝)上的作用力也通过有限单元法确定,但其承载力采用 AISC 360-16 中的标准公式进行验算。对受力最大的焊缝单元进行验算,随着荷载增加,焊缝中的应力向更多焊缝单元扩展。因此,焊缝的极限承载力高于简单地将力除以焊缝承载比所得的结果。

Von Mises 应力

包含螺栓拉力的塑性应变

板件应力与应变验算

螺栓验算

焊缝验算
对比
有限单元法分析结果表明,内力分布与简单假定存在差异。从螺栓拉力及翅板在柱翼缘附近弯曲引起的高应力可以看出,剪力也部分通过梁翼缘处的翅板传递。螺栓和焊缝的各项承载力吻合良好,但荷载大小和方向有所不同。
手算验算表明,由于梁翼缘处螺栓的受剪承载力,节点已充分利用;而 IDEA 仍显示有一定储备。在 IDEA 中,荷载可增加 10% 以达到充分利用。这与手算评估中荷载分配简化处理的预期结果一致。
设计软件 IDEA StatiCa Connection 的验算结果与依据 AISC 360 的手算评估高度吻合。
