钢连接设计

1. 关于本文

本文介绍StatiCAD重型钢结构模块中的连接设计：支撑端部连接、梁端连接（铰接和传递弯矩的）、柱脚以及连接详图图纸。依次说明每种连接类型在哪里定义、输入哪些量、程序做哪些验算以及基于哪些假定。分步算例请参阅文章算例：中心支撑钢框架。

信息

**版本：**连接设计可用于开放重型钢结构功能的版本（Ultimate和Hybrid）；其他版本不进行连接计算。在演示版中，仅提供前3个连接（梁 / 支撑端部和柱脚合计）的计算行和详图绘制。本文按V.10.1.2.0版本编写。

表1 – 连接类型

代号	连接	适用位置	依据
CB1	开槽方管 / 圆管支撑，与节点板焊接	支撑端部	ÇYTHYE 13；TBDY 9.6.6 / 9.7.5
CB2	角钢 / 槽钢支撑，与节点板螺栓连接	支撑端部	ÇYTHYE 13
CB3	工字形 / H形支撑，通过翼缘用四个连接角钢螺栓连接	支撑端部	ÇYTHYE 13
KB1	单剪板	铰接梁端	ÇYTHYE 13
KB2	双角钢，螺栓连接	铰接梁端	ÇYTHYE 13
KB3	端板（部分高度）	铰接梁端	ÇYTHYE 13
KM1	外伸端板，螺栓连接	传递弯矩的梁端	TBDY附录9B.2
KM2	螺栓连接翼缘板	传递弯矩的梁端	TBDY附录9B.3
KM3	全熔透对接焊缝	传递弯矩的梁端	TBDY附录9B.4
KA1	底板和锚栓	柱脚	ÇYTHYE 13.7 / 13.8

2. 一般原则

2.1 在哪里定义连接

每个连接族都有一个项目默认值，需要时可以针对单个构件定制。

• **项目默认值：**项目总体设置 > 规范选择选项卡中，*钢连接设计（ÇYTHYE 13）*框旁边有两个按钮。“支撑连接…”打开支撑端部的默认值。“梁 / 柱脚 ▾”按钮打开一个菜单：梁端 – 铰接（KB1 – KB3）、梁端 – 传递弯矩（KM1 – KM3）和柱脚（KA1）。
• **构件专属：**梁属性中的“端部连接…”按钮分别编辑该梁（或支撑）的左端和右端：“使用项目默认值”、“此端专用”或“无连接”。对于柱脚，在柱脚窗口的范围列表中选择柱。

对某个梁端采用哪种默认值由程序决定：端部为铰接的梁采用铰接梁端默认值，端部传递弯矩（非铰接）且与同一层的钢柱相连的梁采用弯矩默认值。

2.2 未定义和不足的连接

• **未定义的连接不影响构件。**默认值保持“未定义”时，该族不验算；构件结果不变。
• **不足的连接使构件为“不足（Yetersiz）”。**分析结束时，警告列表中列出连接不足的构件及其最大比值。
• 不在范围内的情况（类型与截面不符、弯矩类型指定给了铰接端、梁连接在柱腹板上等）会用单独的提示行告知；构件结果不受影响。

2.3 允许比值

同一对话框中的“比值 ≤”（默认0.90）是所有连接验算中允许的最大需求 / 承载力比；它留有余量，使连接不会先于构件耗尽。几何条件（最小边距、间距、焊缝厚度、表中限值）与该比值无关：不满足时连接视为不足，警告中出现“几何”注记。

2.4 窗口布局

所有连接窗口布局相同：左侧为输入，右上为按比例示意图，下方为验算表（极限状态、需求、承载力、比值）。修改某个数值时，表和示意图立即刷新；需求取自最近一次分析。未做分析时只显示几何和承载力。在项目默认值窗口中，最下面一行给出使用默认值的所有构件的汇总（有多少不足、最大比值）。

3. 支撑端部连接（CB1 – CB3）

验算支撑与节点板的连接，以及节点板与梁 / 柱的连接。CB1是开槽方管或圆管支撑通过四条纵向角焊缝与节点板连接；CB2是单角钢或槽钢支撑与节点板螺栓连接，CB3是工字形 / H形支撑通过两个翼缘用四个连接角钢与节点板螺栓连接。勾选“按支撑全部承载力”时，需求为支撑的可能承载力（TBDY 9.6.6）；取消勾选则使用D·E力。详细内容和手算验证请参阅算例第7.8节。

4. 铰接梁端连接（KB1 – KB3）

铰接钢梁（梁–柱或梁–梁）的抗剪连接。需求为荷载组合包络中的剪力以及（有支撑的跨内梁中的）轴力。

4.1 KB1 – 单剪板

图1 – KB1：单剪板梁端

板与支座（柱翼缘 / 腹板或主梁腹板）用双面角焊缝连接，与梁腹板用单竖排螺栓连接。

输入：板的厚度和材料；螺栓直径和等级；螺栓数；间距 s；端距 e₁ 和边距 e₂；焊缝厚度 a_w；梁–梁连接中上翼缘切口的深度和长度。

**验算：**螺栓群（考虑焊缝线 – 螺栓轴线的偏心，取最外侧螺栓）、梁腹板和板上的孔壁承压、板的剪切屈服、剪切断裂、块状撕裂和弯曲、板–支座焊缝；有切口时，还验算切口腹板的剪切、块状撕裂和切口截面的弯曲。

4.2 KB2 – 双角钢

图2 – KB2：双角钢梁端（带切口的示例）

两个等肢角钢与梁腹板用n个螺栓连接（双剪），与支座用2×n个螺栓连接；没有焊缝。“间距 s / 肢长 b”一行中的第二个框是角钢肢长；厚度框是角钢厚度。

除KB1的验算外，还验算支座螺栓（剪力 + 拉力组合作用），有轴力时验算角钢肢弯曲。腹板螺栓中考虑偏心（螺栓轴线 – 支座面），这是偏于安全的假定。

4.3 KB3 – 端板

图3 – KB3：端板梁端

部分高度的板与梁腹板用双面角焊缝连接，与支座用两竖排螺栓连接（水平间距g）。板宽取 g + 2·e₂。除KB2中的支座螺栓和板弯曲验算外，还验算沿焊缝的梁腹板剪切。

4.4 自动建议

“自动建议”按钮保持所选类型，寻找对使用默认值的所有梁端都适用的螺栓最少、板最薄的连接（螺栓直径、数量、间距、板 / 角钢尺寸、焊缝厚度）。结果写入各框，并可手工修改。

危险

**注意：**铰接梁端连接中，支座一侧（柱腹板、主梁腹板）不另行验算。不检查端板转动柔度所要求的厚度上限。

5. 传递弯矩的梁端连接（KM1 – KM3）

这是TBDY 2018附录9B中给出的、传递弯矩框架的梁–柱连接详图。仅验算工字形 / H形截面梁与工字形 / H形柱的翼缘（沿柱的强轴方向）相连的端部。

5.1 需求

连接按梁的可能塑性弯矩设计（附录9B.1.4）：

• M_pr = C_pr·R_y·F_y·W_p；C_pr = (F_y + F_u) / 2F_y ≤ 1.2，焊接连接（KM3）为1.4。
• 塑性铰到柱面的距离 ℓ_h 按类型取自附录9B的表。
• V_uc = (铰数)·M_pr / (铰间跨度) + 竖向荷载剪力；柱面上 M_uc = M_pr + V_uc·ℓ_h。
• 承载力系数：延性极限状态为1.00，非延性为0.90（附录9B.1.4）。

5.2 KM1 – 外伸端板

图4 – KM1：外伸端板弯矩连接（项目默认值窗口）

每个翼缘处有四个螺栓（翼缘外两个，翼缘内两个）。“加劲板 t_s”大于零时验算带加劲板的连接，等于零时验算不带加劲板的连接。

**输入：**端板的厚度、宽度（0：自动）和材料；螺栓直径和等级；p_fo 和 p_fi（从翼缘外 / 内表面到螺栓排）；端距 d_e；水平螺栓间距 g；腹板–端板焊缝 a_w（0：全熔透）；柱连续板厚度 t_sl（0：无）。

**验算：**螺栓受拉、端板弯曲（屈服线）、无加劲板时外伸部分的剪切、受压翼缘处螺栓的剪切和孔壁承压、腹板焊缝、柱翼缘弯曲；没有连续板时，验算柱腹板的局部屈服、屈曲和压皱；有连续板时，验算连续板承担的力。

5.3 KM2 – 螺栓连接翼缘板

图5 – KM2：螺栓连接翼缘板弯矩连接（构件专属）

翼缘板与柱翼缘用全熔透对接焊缝连接，与梁翼缘用两排螺栓连接；腹板上有一块单排螺栓的单剪板。

**输入：**翼缘板的厚度和宽度（0：梁翼缘）；每排翼缘螺栓数和腹板螺栓数；间距 s 和水平间距 g；端距 e₁ 以及从柱面到第一个螺栓的距离 s₁；腹板板厚度；腹板板–柱焊缝 a_w；t_sl。

**验算：**翼缘螺栓（剪切 + 承压）、翼缘板的受拉屈服、断裂、块状撕裂和受压，梁翼缘的块状撕裂，腹板单剪板；此外还有式(9B.3)中最大螺栓直径的条件。

5.4 KM3 – 全熔透对接焊缝

图6 – KM3：全熔透对接焊缝弯矩连接

梁翼缘和腹板与柱翼缘用全熔透对接焊缝连接。腹板单剪板的厚度不得小于梁腹板（9B.4.7a）；板–柱焊缝的承载力按9B.4.7(b)的条件检查（a_w = 0：全熔透，不检查）；并验算焊接工艺孔之间梁腹板的剪切。

5.5 适用限制和连续板

检查附录9B表9B.1 – 9B.3中的适用限制（板的厚度和宽度、螺栓间距、梁高和翼缘厚度、柱高、跨高比、螺栓等级）；超出限制的量在“几何”一行以“超出表限值”的注记显示，连接视为不足。如果TBDY 9.3.4.3要求设置连续板而没有定义 t_sl，连接同样视为不足。

危险

**范围：**梁连接到柱的腹板（弱轴）时，该端被报告为“不在范围内”。箱形柱中，KM2和KM3不检查柱一侧；KM1不在范围内。没有八螺栓端板和削弱梁截面的连接（9B.5）。节点域不在连接内检查；在柱报告的TBDY 9.3.4.2一行中给出。

5.6 自动建议

“自动建议”按钮保持所选类型，寻找对使用该记录的所有传递弯矩端部都适用的最轻连接。搜索顺序：连续板厚度 → （KM1）加劲板 → 螺栓直径 → （KM2）螺栓数 → 板厚度 → 螺栓间距 g → 腹板单剪板和焊缝。KM3中只搜索单剪板、焊缝和连续板。结果写入各框，并可手工修改。

危险

**找不到解时：**搜索只改变连接尺寸，不动梁和柱的截面。如果柱翼缘较薄或较窄（例如IPE 400梁用KM1连接到HEB 300柱），任何板 / 螺栓组合都通不过；窗口显示“未找到解”的注记，各框保持不变。这时应增大柱截面或更换连接类型（KM3不检查柱翼缘弯曲）。在KM2中，式(9B.3)按梁翼缘宽度限制螺栓直径；对翼缘较窄的梁（例如S275 IPE 400中最大为M16），翼缘螺栓和单排螺栓的腹板单剪板往往不够，建议找不到解。

6. 柱脚（KA1）

图7 – 柱脚窗口：项目默认值

验算基础层中工字形 / H形、箱形和圆管截面钢柱的底板和锚栓。窗口通过*项目总体设置 > 梁 / 柱脚 ▾ > 柱脚（KA1）*打开。

6.1 范围和输入

在范围列表中选择“项目默认值”时，输入的值适用于所有未定制的柱；“预览柱”决定表和示意图按哪根柱的力计算。从列表中选择某根柱后，可在其旁边的框中为该柱选择“使用项目默认值”、“此柱专用”或“无柱脚”。

表2 – 柱脚输入

输入	说明
厚度 tp	底板厚度
长 Lp / 宽 Bp	Lp 沿柱的强轴方向。0：自动（柱尺寸 + 4·ea）
fck，A2/A1	基础混凝土强度以及大于底板的混凝土面积之比（提高承压承载力；最多取4）
直径 / 等级，每边锚栓数	锚栓按角部布置；每边的数量在两个方向相同
传递剪力的锚栓	假定承担剪力的锚栓数（0：全部）。在大孔底板中，所有锚栓可能不会同时工作
边距 ea	锚栓轴线到底板边缘的距离
摩擦系数 μ	受压柱中由底板摩擦承担的剪力（0：不计；砂浆0.55，混凝土0.70）
角焊缝 aw	柱–底板焊缝（0：全熔透，不检查）
锚固长度 hef	锚栓在混凝土中的长度。0：不检查混凝土一侧
锚栓端部	直端、弯钩或带板 / 螺母
端板 bh	带板锚栓中方形端板的边长
基础边缘 ck	从锚栓轴线到最近基础边缘的距离（0：无限制）。限制锥体周长

图8 – 柱脚窗口：柱专属记录

6.2 验算和方法

需求是柱下端每个荷载组合的同时作用的轴力、弯矩和剪力。每个组合分别在柱的强轴和弱轴上验算；显示最不利的结果（表中写出控制组合和轴）。

• 混凝土承压（ÇYTHYE 13.7）：0.85·f_ck·A₁·√(A₂/A₁)，φ = 0.65。
• **底板弯曲：**受压侧为底板伸出柱外的悬臂，受拉侧为锚栓 – 柱翼缘之间。
• 锚栓拉力和剪力（ÇYTHYE 13.8 → 13.3.9，组合作用）。偏心较小时锚栓中不产生拉力；在大弯矩或柱受拉时才产生。
• 柱–底板焊缝。
• **几何：**最小边距、锚栓间距、锚栓位于柱截面之外、最小焊缝厚度。

6.3 锚栓的混凝土一侧（TS 500）

输入锚固长度 h_ef 后，还会检查锚栓在混凝土中的承载力。设计强度取 f_ctd = 0.35·√f_ck / 1.5 和 f_yd = F_yb / 1.15。

• 锚固（直端和弯钩锚栓；TS 500第9.1.2条）：l_b = 0.12·(f_yd / f_ctd)·φ ≥ 20φ；φ > 32 mm时乘以 100 / (132 − φ)。直端锚栓按带肋（沿全长有螺纹）钢筋处理，弯钩锚栓按光面钢筋处理；弯钩锚栓的 l_b 乘以1.5。所需长度按锚栓中拉力与屈服力之比折减（不小于 l_b / 2 和 20φ）。比值 = 所需长度 / h_ef。
• 混凝土锥体（带板锚栓；类比TS 500第8.3.1条冲切）：受拉侧锚栓组的总拉力，与距端板 h_ef / 2 处的周长 u_p 及承载力 V_pr = f_ctd·u_p·h_ef 比较。基础边缘 c_k 限制周长。
• 端板承压（带板锚栓；ÇYTHYE 13.7）：板净面积上的混凝土承压。

危险

适配：TS 500中没有专门针对锚栓的条文。此处的检查是把钢筋锚固和冲切规则适配到锚栓上；报告行中也如此注明。不检查锚栓组在剪力下的边缘破坏、侧面爆裂以及向基础钢筋的力传递；对靠近边缘或拉力较大的锚栓应另行评估。

6.4 自动建议

“自动建议”寻找对使用该记录的所有柱都适用的解：每边锚栓数 → 锚栓直径 → 底板厚度 → 边距 → 焊缝 →（定义了 h_ef 时）最短的足够锚固长度。底板长 / 宽保持自动（0）。结果写入各框，并可手工修改。

危险

**不检查的内容：**抗剪键、双轴弯曲相互作用以及基础层以外的柱脚不在范围内。如果更改了柱的名称，该柱专属的柱脚记录就无法匹配，柱将回到项目默认值。

7. 计算报告

连接结果被加入钢构件报告：在梁和支撑页面中，每个端部有一行连接行（类型、尺寸、需求、所有极限状态的比值、几何状态、合格 / X），在柱页面中有柱脚行。两端相同的构件只写一行。超过限值的比值以红色显示。

8. 连接详图图纸

图9 – 详图图纸：支撑端部和铰接梁端详图

在模型界面的右键菜单中（选中构件时或在空白处）的“绘制钢连接详图图纸”（Çelik Birleşim Detay Paftası Çiz）命令，会在绘图界面中打开一张新图纸，并绘制最近一次分析中验算过的所有连接的详图。尺寸相同的端部归并为一个详图；每个详图下方写出应用的构件。详图中有构件、板 / 角钢、螺栓布置、焊缝、尺寸和一列说明。柱脚按平面和侧视图绘制。

图10 – 详图图纸：传递弯矩的梁端和柱脚

信息

绘图规则：详图是按比例的。连接到柱–梁角部的支撑端部（CB1、CB2）按实际角部几何绘制：柱面和梁面、支撑的角度θ、节点板的多边形以及两个面上的边长 L_b / L_k。角度或边长不同的节点成为不同的详图。焊缝带有焊缝符号：角焊缝为三角形和a尺寸，全熔透对接焊缝为V形标记。焊缝用紫色双线绘制，螺栓用红色绘制；为它们打开CelikBulon和CelikKaynak图层。没有做分析，或没有验算过的连接时，不绘制图纸。

9. 假定和已知限制

• 对弯矩连接，TBDY附录9B只给出了适用范围、承载力系数、可能塑性弯矩、塑性铰位置和适用限制；极限状态关系式取自附录9B所依据的ANSI/AISC 358的步骤。
• 对柱脚，ÇYTHYE只给出混凝土承压和锚栓的拉力 + 剪力验算；底板尺寸设计采用AISC Design Guide 1的矩形应力块方法。
• 锚栓的混凝土一侧按TS 500规则的适配，并且仅在输入锚固长度时检查（第6.3节）。
• 铰接梁端不检查支座一侧（第4.4节）。
• 详图图纸中的焊缝符号作了简化（没有现场 / 工厂焊缝的区分，没有周边焊缝标记）；CB3和梁端详图中的支座是示意性的。
• 连接结果属于最近一次分析；连接或模型改变后必须重新分析。

危险

**责任：**连接详图是否符合制作和安装条件、焊接质量以及当地的施工规则，应由项目的负责工程师另行评估。