本项目是一个化工厂扩建项目, 扩建厂区主要生产乙氧基化合物, 位于美国得克萨斯州Clea Lake, 业主为Celanese Chemicals, 支撑工厂设备和管道的工业结构主要为钢结构 (图1) , 包括反应器钢框架结构 (Reactor Structure) 、钢结构支撑平台 (Platform) 及管廊 (Pipe Rack) 。钢结构按美国规范进行设计。

　　 根据美国ASCE规范^[1], 厂区主要地震参数为:瞬时谱反应加速度 (Spectrural Response Accelaration at Short Periods) s_s=0.088, 1s时谱反应加速度 (Spectrural Response Accelaration at 1Second Periods) s₁=0.038, 重要性系数I为1.25, 场地类别为B类, 按美国ASCE规范计算得到水平地震影响系数α=0.01。中国《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称中国抗震规范) 规定, 抗震设防烈度6度时的水平最大地震影响系数为0.04, 由此可知, 该厂区相当于中国抗震规范要求的6度抗震设防, 不需计算地震作用。

　　 反应器钢框架结构用于支撑主反应器、热交换器、储罐及泵等设备, 平面布置如图2 (a) 所示, 该结构高度为21m, 由于不考虑抗震, 采用人字支撑、交叉支撑及单斜杆支撑联合使用的框架-中心支撑结构体系 (图2 (b) , (c) ) 。由于得克萨斯州风荷载较大, 垂直作用于4个立面上的风荷载为独立的荷载工况, 由此, 结构为拉压支撑体系。

　　 斜撑与主梁连接节点采用螺栓连接形式 (图3) , 由节点板、螺栓和舌板组成, 由于斜支撑为圆钢管构件, 端头开槽焊接舌板, 舌板与节点板通过螺栓连接, 节点板与主梁焊接。

　　 采用中国生产制造的钢材, 斜支撑与主梁连接节点的材料性能如表1所示。

　　 本项目按美国钢结构设计规范 (AISC Steel Construction Manual) 13th ed.^[3] (简称AISC规范) 的极限状态法 (Load and Resistance Factor Design, LRFD) 设计。LRFD规定钢结构设计按承载能力极限状态计算, 采用荷载标准值乘以分项系数的荷载组合, 采用下式进行设计:

　　 式中:R_u为带有分项系数的荷载效应组合;R_n为名义承载力;φ为折减系数。

　　 AISC规范对节点各种破坏形式取用不同的φ值, 如表2所示。

　　 在节点设计计算中, AISC规范规定构件和节点板采用钢材屈服强度和极限抗拉强度, 螺栓强度采用规范规定的螺栓抗拉强度和抗剪强度 (如ASTM A325螺栓抗拉强度为620MPa, 抗剪强度为330MPa) , 对承受拉 (压) 力或剪力的角焊缝, 焊缝强度采用焊缝金属分类强度 (焊条强度) 的0.6倍 (0.6F_EXX) 。同时, 螺栓应符合ASTM规范对A325或A490螺栓的规定, 焊缝应符合AWS D1.1规范规定。

　　 由此可以看出, AISC规范基本采用材料强度标准值, 但采用折减系数φ作为抗力分项系数考虑安全储备, 这与中国《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[4] (简称中国钢结构规范) 采用强度设计值不同, 表3分别采用AISC规范和中国钢结构规范对本项目钢材的强度值进行比较, 可以看出同一种钢材在两种规范中所采用的设计值有明显差别。

　　 为保证节点满足AISC规范要求, 节点设计应分别从螺栓受剪、螺栓承压、节点板与舌板的抗拉和抗剪、节点板与舌板在拉剪作用下的强度、节点板的轴向受压稳定性和角焊缝强度等方面进行计算, 按式 (1) 验算节点强度。其中, 螺栓受剪计算、节点板与舌板的抗剪计算与中国钢结构规范基本相同, 本文不予论述。

　　 AISC规范规定的螺栓承压承载力与沿受力方向的螺栓孔净距 (L_s-d₀) 和螺栓孔端距 (L_e-0.5d₀) (螺栓孔至构件边缘的距离) 有关, 如图4所示。螺栓孔端距承压截面的承压承载力R_ne按式 (2) 计算, 螺栓孔净距承压截面的承压承载力R_ns按下式计算:

　　 式中:d为螺栓杆直径;d₀为螺栓孔直径;L_s为顺内力方向螺栓中心间距;L_e为顺内力方向螺栓中心至构件边缘距离;∑t为在不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值。

　　 节点承压承载力R_n为所有螺栓孔净距承压截面的承压承载力R_ns及螺栓孔端距承压截面的承压承载力R_ne之和, 按式 (4) 计算, 就本文节点而言, 螺栓孔净距承压截面和螺栓孔端距承压截面分别为2个。

　　 由此可以看出, AISC规范的承压承载力按节点板的承压破坏截面实际承载能力计算, 与中国钢结构规范规定的先计算单个螺栓的承压承载力再乘以螺栓数量的计算方法不同, 可以推断, AISC规范的计算方法更接近于承压破坏的实际情况。

　　 对宽度较小的舌板而言, AISC规范规定抗拉承载力需按毛截面屈服和净截面拉断分别计算, 毛截面抗拉承载力为:

　　 式中:φP_ng为按毛截面计算的抗拉承载力;A_g为舌板毛截面面积。

　　 净截面抗拉承载力为:

　　 式中:φP_nn为按净截面计算的抗拉承载力;U为剪力滞系数 (shear lag factor) ;A_n为舌板净截面面积。

　　 对宽度较大的节点板而言, 由斜支撑传来的轴向拉力不可能由节点板全部截面来承担, AISC规范规定需按Whitmore截面 (图5) 计算节点板抗拉承载力, Whitmore截面的宽度b_e与中国钢结构规范中图7.5.2规定的板件有效宽度的计算方法相同, 按下式计算:

　　 式中L_st为垂直内力方向螺栓中心间距。

　　 节点板Whitmore截面的抗拉承载力按下式计算:

　　 式中t为节点板厚度。

　　 在计算普通螺栓连接承受轴向拉力的舌板时, AISC规范需分别计算毛截面和净截面的抗拉承载力, 与中国钢结构规范只需计算净截面抗拉强度不同, 而在计算承受轴向拉力的节点板时, AISC规范计算Whitmore截面的抗拉承载力, 与中国钢结构规范采用有效宽度法计算基本相似。

　　 舌板在拉、剪作用下的抗撕裂承载力, AISC规范按拉、剪撕裂破坏面 (图6) 计算, 对受剪破坏面分别按净截面剪切破坏和毛截面屈服计算受剪承载力, 取二者最小值, 对受拉破坏面计算净截面抗拉承载力, 所有破坏面受剪承载力与抗拉承载力代数和即为舌板抗撕裂承载力。

　　 受拉破坏面净截面面积A_nt为:

　　 式中t_t为舌板厚度。

　　 受剪破坏面毛截面面积A_gv为:

　　 受剪破坏面净截面面积A_nv为:

　　 舌板在拉、剪作用下的抗撕裂承载力按下式计算:

　　 对拉、剪作用下的板件抗撕裂承载力, AISC规范与中国钢结构规范采用相同的拉、剪撕裂破坏面, 但在计算承载力时, AISC规范根据每段破坏面受力特性 (受拉还是受剪) 分别计算承载力, 中国钢结构规范则不考虑受力性质, 仅计算每个破坏面的受拉承载力, 按破坏面几何特性 (考虑破坏线与拉力轴线夹角α_i) 求得折算系数, 再对每个破坏面承载力乘以折算系数后求得抗撕裂承载力, 由此, AISC规范的算法更接近于破坏的实际情况。

　　 另外, 节点板在拉、剪作用下的抗撕裂承载力计算方法与舌板相同, 这里不再赘述。

　　 当节点板承受由斜支撑传来的轴向压力时, AISC规范要求按横截面为Whitmore截面, 长度为L (即Whitmore截面中点沿斜支撑轴线方向至主梁的净距离) 的构件 (图7 (a) 阴影区域) 计算板件轴向受压稳定性。

　　 节点板的临界压应力为:

　　 式中:L为节点板受压几何长度 (即中国钢结构规范第7.5.3条中的c, 见图7 (a) ) ;K为计算长度系数;r为节点板厚度方向回转半径。

　　 当F_e≥0.44F_y时, 节点板屈曲强度为:

　　 当F_e<0.44F_y时, 节点板屈曲强度为:

　　 节点板的受压稳定承载力按下式计算:

　　 在各种力作用下, 对构件与节点板 (舌板) 连接为两面侧焊的焊缝组合, AISC规范规定角焊缝强度F_w与作用力方向与焊缝长度方向之间的夹角成函数关系, 按下式计算:

　　 式中:θ为作用力方向与焊缝长度方向之间的夹角;F_w为角焊缝强度。

　　 角焊缝长度l_w为:

　　 式中:P为由斜支撑传来的作用于角焊缝上的拉 (压) 力;n_w为角焊缝数目;h_e为角焊缝的计算厚度。

　　 AISC规范规定角焊缝最小计算长度为:4h_f (h_f为焊脚尺寸) 且不小于两侧角焊缝之间的间距^[3]。按AISC规范计算的角焊缝长度不考虑两端起、落弧影响。

　　 由此可知, AISC规范在计算角焊缝强度时考虑作用力方向对角焊缝承载力的影响, 但与中国钢结构规范分别计算正面角焊缝强度和侧面角焊缝强度再合成的计算方法不同, 而且, 角焊缝的构造规定与中国钢结构规范也存在较大差异。

　　 以本项目的一个节点为例, 节点参数为:d=20mm, d₀=21mm, 螺栓数量n=4, 双排双列, L_s=75mm, L_st=75mm, L_e=40mm, 斜支撑与主梁夹角α=35°, t=10mm, t_t=10mm, h_f=6mm, 按2.3节计算得到的节点各种承载力如表4所示。

　　 本文通过美国CLARIANT化工厂钢结构设计实例, 详细介绍了美国钢结构设计规范AISC关于斜支撑与梁 (柱) 螺栓连接非抗震节点设计计算过程。通过此类型节点设计计算可知, 美国钢结构设计规范AISC节点设计与中国《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) 存在很大差异:美国钢结构设计规范AISC规定在进行节点设计时钢材强度采用强度标准值, 结构的安全储备通过对各种破坏形式的名义承载力乘以折减系数予以实现, 螺栓承压计算、节点板的抗拉强度计算、节点板在拉剪作用下的强度计算、节点板抗压稳定性计算以及角焊缝强度计算均根据各自实际的破坏形式和受力形式给出强度计算公式, 计算方法较接近于实际情况。本文可以供工程师在采用美国钢结构设计规范AISC进行节点设计时参考使用。