截面为 W12×79 的柱锚固于混凝土块(混凝土抗压强度 4 ksi)中,采用四根 3/4'' A307 锚栓(fy = 50 ksi,fu= 65 ksi)。柱底进行灌浆处理。支撑为 HSS 3.5×0.203,通过节点板和 2 个摩擦型螺栓 3/4'' A490(fy = 130 ksi,fu = 150 ksi)连接。所有钢材均为 A36 级(fy = 36 ksi,fu = 58 ksi)。剪力通过截面为 W6×25 的抗剪键传递。焊条选用 E70XX。柱承受压力 160 kip、弯矩 1000 kip-in 及剪力 20 kip。支撑承受拉力 30 kip。
几何尺寸

计算节点

柱(左)、支撑(中)及抗剪键(右)截面

混凝土块尺寸

节点板尺寸及透明模式下的荷载
手算验证
螺栓、焊缝、板件及受压混凝土的手算校核依据 AISC 360-16 进行。抗剪键承载力依据 ACI 349-01 确定。锚栓设计依据 AISC 360-16 – J9 及 ACI 318-14 – 第 17 章。
需进行以下校核:
螺栓受剪摩擦承载力 – AISC 360-16 – J3.8
块体剪切承载力 – AISC 360-16 – J4.3
被连接构件抗拉承载力 – AISC 360-16 – J4.1
焊缝承载力 – AISC 360-16 – AISC 360-16 – J2.4
抗剪键抗剪承载力 – AISC 360-16 – G2
抗剪键抗弯承载力 – AISC 360-16 – F2.1
抗剪键对混凝土的承压承载力 – ACI 349-01 – B.4.5 及 RB11
抗剪键混凝土剪切破坏承载力 – ACI 349 – B11
受压混凝土承压承载力 – AISC 360-16 – J8
锚栓受拉钢材承载力 – ACI 318-14 – 17.4.1
混凝土剪切破坏承载力 – ACI 318-14 – 17.4.2
混凝土拔出承载力 – ACI 318-14 – 17.4.3
混凝土侧面崩裂承载力 – ACI 318-14 – 17.4.4
梁和柱的设计假定在其他地方另行校核。
内力分配
全部剪力预期通过抗剪键传入混凝土块。剪力仅在混凝土块中传递,灌浆层不起作用。剪力为柱中剪力与支撑拉力水平分量之和,即 V=20+30⋅cos(40∘)=43 kip。
支撑中的拉力 30 kip 需通过两个预拉力螺栓传递。节点板和焊缝须满足承载要求。
压力 160 kip 因支撑拉力的竖向分量而减小。柱底需承受压力 160−30⋅sin(40∘)=141 kip 及弯矩 1000 kip-in。
支撑节点校核
摩擦型连接
摩擦型连接承载力依据 AISC 360-16 – J3.8 确定。最小螺栓预拉力取自表 J3.1,Tb=35 kip。单个螺栓抗滑移承载力为:
ϕRn=ϕμDuhfTbns=1⋅0.3⋅1.13⋅1.0⋅35⋅2=24 kip
2 个螺栓的抗滑移承载力为 47 kip,足以传递拉力 30 kip。
插板抗拉承载力
插板为两块厚度 1/4'' 的板,以避免受压时产生偏心。受拉毛截面面积和净截面面积分别为 3.4⋅(2⋅1/4)=1.7 in2 和 (3.4−13/16)⋅(2⋅1/4)=1.3 in2。
ϕRn=ϕFyAg=0.9⋅36⋅1.7=55 kip
ϕRn=ϕFuAn=0.75⋅58⋅1.3=57 kip
插板承载力 55 kip,足以传递拉力 30 kip。焊缝设计为 CJP 对接焊缝,其承载力应与母材相同。

插板尺寸
节点板块体剪切承载力
节点板块体剪切破坏预期屈服线长 6.6 in,断裂线因螺栓孔而缩短,即 5.8 in。节点板厚度为 3/8''。
ϕRn=ϕFyAg=0.9⋅36⋅2.5=80 kip
ϕRn=ϕFuAn=0.75⋅58⋅2.2=94 kip
节点板承载力 80 kip,足以传递拉力 30 kip。
节点板焊缝承载力
节点板两侧均设角焊缝,焊脚尺寸 1/4''。焊缝长度分别为 5.2 in 和 4.0 in。为避免计算偏心,保守假定两条焊缝均取 4 in 长,且各传递一半荷载。控制焊缝为与荷载成 40∘ 角的焊缝。
Fnw=0.6FEXX(1+0.5sin1.5θ)=0.6⋅70⋅(1+0.5sin1.540∘)=53 ksi
ϕRn=ϕFnwAwe=0.75⋅53⋅2.83=112 kip
节点板处焊缝承载力 224 kip,足以传递拉力 30 kip。
柱底板校核
柱底需承受压力 Pu=160−30⋅sin(40∘)=141 kip 及弯矩 Mu=1000 kip-in。由于支承面积 A2 足够大,混凝土承压强度为
ϕfp,(max)=ϕ1.7fc′=0.65⋅1.7⋅4=4.4 ksi
ϕqmax=fp,(max)B=4.4⋅19=83.6 kip/in
由于支撑节点板连接,底板尺寸有所加长。保守假定压力作用于柱翼缘处,即距节点中心 e = 6.18 in。锚栓与节点中心的距离为 f = 7.68 in。
Mu=ePr+2fNua
Nua=2fMu−ePr=2⋅7.681000−6.18⋅141=8.4 kip
Y=qmaxPr+2Nua=83.6141+2⋅8.4=1.9 in
混凝土承压承载力满足要求,底板尺寸足以容纳承压区长度 Y,锚栓拉力为 8.4 kip。对于最大压力工况,应进一步对底板屈服进行详细校核。
锚栓设计
锚栓为 3/4'',A307 级,锚固长度 12 in,配有直径 1.8 in 的圆形锚板。由于剪力通过抗剪键传递,锚栓仅承受拉力。锚栓校核依据 ACI 318-14 – 第 17 章进行。钢材承载力和拔出承载力按单根锚栓计算;由于 3hef≥s(其中 hef 为锚固深度,s 为锚栓间距),混凝土剪切破坏承载力和侧面崩裂承载力按锚栓群计算。
锚栓受拉钢材承载力 – 17.4.1
ϕNsa=ϕAse,Nfuta
ϕNsa=0.7⋅0.334⋅60=14 kip
混凝土剪切破坏承载力 – 17.4.2
hef=min(1.5ca,max, 3s)≤hef =max(1.514, 315.1)=9.33≤12 in
ANc=(14+1.8/2+14)⋅(14+15.1+14)=1245 in2
ANco=9hef2=9⋅9.332=783 in2
Nb=kcλafc′hef1.5=24⋅1⋅4000⋅9.331.5=43.3 kip
ψec,N=1+3hef2eN′1=1+3⋅9.332⋅01=1
ψed,N=min(0.7+1.5hef0.3ca,min,1)=min(0.7+1.5⋅9.330.3⋅14,1)=1
ϕNcbg=ϕANcoANcψec,Nψed,Nψc,Nψcp,NNb
ϕNcbg=0.7⋅7831245⋅1⋅1⋅1⋅1⋅43.3=48 kip
混凝土拔出承载力 – 17.4.3
Abrg=π(4dwp2−da2)=π(41.82−0.752)=2.1 in2
Np=8Abrgfc′=8⋅2.1⋅4=67 kip
ϕNpn=ϕψc,PNp=0.7⋅1⋅67=47 kip
混凝土侧面崩裂承载力 – 17.4.4
red=41+ca1ca2=41+1414=0.5
ϕNsb=ϕ160ca1Abrgfc′=0.7⋅160⋅14⋅2.1⋅4000=144 kip
ϕNsbg=n⋅red⋅ϕNsb=2⋅0.5⋅144=144 kip
最小承载力为锚栓钢材承载力,14 kip,足以传递荷载 8.4 kip。
抗剪键设计
全部剪力预期通过抗剪键传入混凝土块。剪力仅在混凝土块中传递,灌浆层不起作用。剪力为柱中剪力与支撑拉力水平分量之和,即 V=20+30⋅cos(40∘)=43 kip。抗剪键截面为 W6x25,长度 6 in。灌浆层厚 1.5 in,因此抗剪键在混凝土块中的锚固深度为 4.5 in。混凝土块中的混凝土压力假定为均匀分布。作用于抗剪键的弯矩等于剪力乘以力臂 1.5 + 4.5 / 2 = 3.75 in,即 Mu = 161 kip-in。预期抗剪键翼缘和腹板处的角焊缝分别传递弯矩和剪力。翼缘处角焊缝需传递 161 / 5.9 = 27.3 kip。
抗剪键对混凝土的承压承载力 – ACI 349-01 – B4.5 及 RB11
Ny=nAseFy=4⋅0.334⋅36=48 kip
ϕPbr=ϕ1.3fc′A1+ϕKc(Ny−Pa)
ϕPbr=0.7⋅1.3⋅4⋅27.3+0.7⋅1.6⋅(48+141)=311 kip≥43 kip
抗剪键混凝土剪切破坏承载力 – ACI 349-01 – B11
AVc=(18.5+6.1+18.5)⋅(4.5+20)−6.1⋅4.5=1028 in2
ϕVcb=AVc4ϕfc′=1028⋅4⋅0.85⋅4000=221 kip≥43 kip
抗剪键抗剪承载力 – AISC 360-16 – G2
ϕVn=0.6FyAwCv1=1⋅0.6⋅36⋅2⋅1=44 kip≥43 kip
抗剪键腹板角焊缝 – AISC 360-16 – J2.4
Fnw=0.6FEXX(1+0.5sin1.5θ)=0.6⋅70⋅(1+0.5sin1.50∘)=42 ksi
ϕRn=ϕFnwAwe=0.75⋅42⋅1.93=61 kip≥43 kip
抗剪键抗弯承载力 – AISC 360-16 – F2.1
ϕMn=ϕMp=FyZx=0.9⋅36⋅18.9=680.4 kip-in≥161 kip-in
抗剪键翼缘角焊缝 – AISC 360-16 – J2.4
Fnw=0.6FEXX(1+0.5sin1.5θ)=0.6⋅70⋅(1+0.5sin1.590∘)=63 ksi
ϕRn=ϕFnwAwe=0.75⋅63⋅2.1=100 kip≥27.3 kip
抗剪键的抗剪和抗弯承载力、焊缝承载力、混凝土承压承载力及混凝土剪切破坏承载力均足以传递剪力 43 kip。
IDEA StatiCa 校核
板件通过有限单元法分析进行校核。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)所受内力同样由有限单元法分析确定,但其承载力采用 AISC 360-16、ACI 318-14 及 ACI 349-01 的标准公式进行校核。应力最大的焊缝单元首先被校核,随着荷载增加,焊缝应力向相邻焊缝单元扩展。因此,焊缝的极限承载力高于简单地用力除以焊缝承载比所得结果。

Von Mises 应力

含锚栓拉力的塑性应变

板件应力与应变校核

摩擦型连接校核

焊缝校核

锚栓校核

混凝土承压校核

底板下混凝土应力及混凝土锥体剪切破坏区域

抗剪键校核 – 承压承载力及混凝土剪切破坏承载力
对比
有限单元法分析所得内力分布与简化假定存在明显差异。节点板同样参与传递弯矩,因此节点板及其焊缝所受荷载远大于标准设计假定。由于底板下应力并非恰好位于柱翼缘正下方,IDEA StatiCa 中锚栓内力略低于手算结果。手算中承载比最高的构件为抗剪键腹板。在 IDEA StatiCa 中,抗剪键腹板的等效应力为 30.1 kip,接近屈服。
设计软件 IDEA StatiCa Connection 的校核结果与依据 AISC 360、ACI 318 及 ACI 341 的手算结果吻合。微小差异主要由手算中的简化假定引起。