RFEM 6 中的 AISC 底板设计

底板连接建模

1) 在 主 选项卡中，将新的钢节点分配给相应节点。检查“强度配置”，以确认默认设置是否合适，并根据需要进行调整（图 01）。

1 创建新钢接头

2) 在 组件 选项卡中，选择“在开头插入组件”，并选择“底板”（图 02）。

2 插入底板组件

3) 在“组件设置”下，指定底板、混凝土块、灌浆、锚栓和焊缝的材料、尺寸和位置（图 03）。

3 调整组件设置

灌浆在子模型中通过刚性链接建模，这会修改节点几何形状，并进而影响内力（图 04）。

4 子模型中的灌浆

还提供了考虑开裂混凝土的选项。默认情况下，ACI 假定存在开裂。如果能够证明混凝土不会开裂，取消勾选该选项可为锚栓提供更高的拉拔破坏、拉拔拔出和剪切破坏强度。

可依据 ACI 第 17.3.5 节启用“控制劈裂的配筋”选项，当设置了附加配筋以控制由安装力和/或后续拧紧扭矩引起的劈裂破坏时，可激活该选项。未启用该选项时，程序会显示以下提示：
“未设置控制劈裂的配筋。请检查最小间距、边距和最小混凝土厚度。”

此外，还可考虑通过锚栓、抗剪键和摩擦进行剪力传递。更多信息请参见以下文章。

• RFEM 6 中 AISC 连接设计专题：受拉与受剪

可提供四种锚栓类型：1 种后植入式和 3 种现浇式（六角头、带弯钩 L 形螺栓和带弯钩 J 形螺栓）。本示例选用现浇六角头锚栓。

垫圈板

根据 AISC Design Guide 1 第 4.3.2.2 节 [3]，“对于强度较高的锚杆或抗压强度较低的混凝土，可能需要垫圈板才能获得锚栓的全部强度。垫圈尺寸应在满足所需强度的前提下尽可能减小。”
可选择是否包含垫圈。所需参数为垫圈形状（圆形或方形）、直径/宽度以及厚度。直径/宽度用于计算锚栓净承压面积 A_brg，以确定锚栓拔出承载力。垫圈厚度不影响设计公式或有限元模型，仅用于图形显示。

按 AISC 360 和 ACI 318 的设计验算

锚杆中的内力基于有限元分析（FEA），该分析考虑了连接构件（锚杆、底板、混凝土块等）的刚度。当底板的柔性导致变形并增加锚杆中的拉力时，会出现撬力作用。这些撬力也会在 FEA 计算中加以考虑。

提供以下现浇锚杆的设计验算：

• 底板在螺栓孔处的承压承载力，ϕ_bR_nb
• 锚栓钢材受拉承载力，ϕ_atN_sa
• 混凝土破坏受拉承载力，ϕ_cbtN_cbg
• 锚栓拔出受拉承载力，ϕ_pnN_pn
• 混凝土侧面爆裂承载力，ϕ_cbtN_sbg
• 锚栓钢材受剪承载力，ϕ_avV_sa
• 混凝土破坏受剪承载力，ϕ_cbvV_cbg
• 混凝土撬出受剪承载力，ϕ_cpvV_cpg

还提供了其他设计验算，包括混凝土承压抗压承载力、焊缝承载力以及底板和构件的塑性应变。

示例

为验证 RFEM 模型的结果，给出了 AISC Design Guide 1 中的示例 4.7-11。本示例设计一个承受压力和弯矩的 W12x96 柱底板连接。该柱连接到一个指定抗压强度为 ƒ'_c = 4,000 psi 的混凝土基础上。底板厚度为 2.0 in，假定灌浆厚度为 1.0 in。有效埋入长度 h_ef 等于 18.0 in。荷载和材料性能如图 05 所示。

在该示例中，未给出混凝土的实际尺寸，并假定混凝土有足够的面积，使锚杆拉力破坏锥能够按边距条件形成。为满足这一假定，采用的混凝土块尺寸为 1.5h_ef + 杆间距 +1.5h_ef（66.0 in x 72.5 in）。
钢节点的完整输入如上图 03 所示。

5 AISC DG1 示例

结果

运行钢节点计算后，各构件的结果显示在“按构件分列的设计比”选项卡中。随后选择 Anchor 1,1 以查看设计验算详情（图 06）。

6 组件设计利用率

设计验算详情提供了全部公式以及对 AISC 360 和 ACI 318 标准的引用（图 07）。同时还提供了有关被排除设计验算的说明。接着，选择“钢节点中的结果”以图形方式查看锚栓内力（图 08）。

7 锚栓设计验算细节

8 钢节点中的结果

下面总结了 AISC 和钢节点的结果，并说明差异产生的原因。

锚栓

9 锚固设计验算比较

混凝土（承压强度）

2.21 ksi 的承压应力取自示例 4.7-10，并假定 A₁ = A₂，从而得到最低可能强度。底板面积按 22 in × 24 in = 528 in² 计算，得到混凝土承压抗压承载力 ϕP_p =2.2 ksi × 528 in² = 1,166.9 kips，假定整个底板面积均承受压力。

在 Steel Joints 附加模块中，假定 A₂ ≫ A₁ 以满足破坏锥受拉承载力要求。底板的有效受压面积 A_eff 可通过有限元分析或 AISC Design Guide 1 附录 B.3 确定，其中 A_eff 延伸至翼缘和腹板外侧 c = 1.5*底板厚度 的距离。报告值 ϕP_p = 1,242.3 kips 基于按 Design Guide 1 计算的 A_eff。或者，在使用有限元分析时，A_eff 取决于“强度配置”中指定的接触应力阈值；降低该阈值（最低可至 1%）会增加有效受压面积。

10 砌块设计验算详细信息

底板

底板厚度设计由承压界面或拉力界面控制。根据 AISC 计算，按承压所需的厚度为 1.92 in（取整为 2.0 in），该值控制设计，而按拉力计算得到的厚度为 0.755 in。

在 Steel Joints 附加模块中，板件设计采用塑性分析，通过比较实际塑性应变与“强度配置”中规定的 5% 允许限值来进行。厚度为 2.0 in 的底板最大等效塑性应变为 0.09%，这表明更薄的板可能已足够。然而，减小板厚可能会增加锚栓中的拉力。

在大多数情况下，Steel Joints 附加模块得到的底板会明显更薄，因为它考虑了底板的柔性；而 AISC Design Guide 1 第 4.3.1 章的方法则假定底板为刚性。

AISC Design Guide 1 附录 B.3 [3] 说明了考虑底板柔性如何显著减小所需厚度。板屈服极限状态对应于在向上承压作用下，假定的屈服线位置处底板向上弯曲。该压力又被假定为恒定，这实际上意味着底板是刚性的。
然而，对于面积较大的底板，这一假定可能导致屈服线处产生过大的弯矩，从而得到过厚的底板。
这是一种保守假定，因为较大的底板本身也是柔性的，因此承压应力会集中在柱翼缘和腹板下方。实际上，这种应力分布会显著降低底板中的弯矩，从而减小所需厚度。

结论

RFEM 6 中的 Steel Joints 附加模块通过考虑底板的柔性以及可能发生的撬力，为底板设计提供了一种先进的方法。与 AISC Design Guide 1 中所述的传统方法相比，这种方法通常能够得到更优的设计，并使底板更薄。
通过将结果与 AISC 示例进行比较，该附加模块展示了其为底板连接提供精确且经济解决方案的能力。