为什么紧固件如此重要？
紧固件在结构和非结构构件的整体性与安全性中发挥着至关重要的作用。正因如此，专门的标准（如 EN1992-4）应运而生。这些标准针对钢结构与混凝土之间节点的设计挑战，提供了可靠的设计方法，确保钢与混凝土构件之间安全传力。EN1992-4 涵盖多种类型的紧固件（现浇栓钉、后锚固机械式和粘结式紧固件），以及不同的作用类别。
混凝土中紧固件的设计
根据 EN1992-4，混凝土中紧固件在静力/准静力荷载下的设计涉及多项规范校核：
图 1 受拉紧固件的规范校核
图 2 受剪紧固件的规范校核
图 3 考虑拉力与剪力相互作用的规范校核
如标准（图 1 - 图 3）所述，设计过程需要采用详细的方法，以确保满足所有相关规范校核要求。每种紧固件类型都需要进行专项考量。例如，机械式锚栓依靠机械咬合力，而粘结式锚栓则依赖粘结材料的粘附性能。设计过程必须考虑这些差异，以确保节点的可靠性。
让我们仔细研究其中一项规范校核。以混凝土锥体破坏情况下单个紧固件或紧固件群的特征抗力（图 4）为例，可以看出设计模型的复杂程度：
图 4 混凝土锥体破坏情况下单个紧固件或紧固件群的特征抗力
公式中包含四个系数，用于考虑混凝土剥落、应力分布扰动、附加钢筋的存在等效应。这表明，不仅施工材料（钢材、混凝土）的性能，还有其他因素（如混凝土块几何形状、锚栓布置、埋置深度、附加钢筋等）都会影响最终抗力，即给定荷载组合下的控制破坏模式。这说明，手动进行钢结构与混凝土之间节点的设计可能相当繁琐复杂，因为需要大量计算和迭代才能优化设计。
IDEA StatiCa Connection 允许用户使用后锚固机械式紧固件或带锚板的现浇锚栓设计钢结构与混凝土之间的节点。根据锚栓类型的不同，需要进行多项规范校核。图 1 - 图 3 中列出的大多数规范校核均在 IDEA StatiCa Connection 中根据用户输入和标准规定的参数进行计算。部分校核未予提供，因为它们需要产品专项系数，这些系数基于采用标准化装置进行的试验，并根据适用的协调技术规范进行评定。这些系数可在欧洲技术评估（ETA）等技术认证文件中查阅。除计算设计抗力所需的系数外，认证文件中还包含其他重要特性，如最小边距 cmin、最小锚栓间距 smin、混凝土块最小高度 hmin、安全系数等。未提供的规范校核信息在结果选项卡中进行了说明，如图 5 所示。
图 5 需要产品专项特性的规范校核列表
钢底板的刚度
除所需规范校核列表外，标准还规定了必须遵守的附加规则。其中包括确定作用于紧固件上力的推导规则。当弯矩和/或拉力作用于固定件时，与钢结构节点类似，可能产生撬力。这些力必须在底板设计中加以考虑，因为这将导致锚栓中产生更大的拉力。该要求在 EN1992-4 第 6.1 条第 (4) 款及图 6.1 b 中有所描述：
图 6 EN1992-4 第 6.1 条第 (4) 款
图 7 撬力 Cpr 对紧固件拉力的放大效应
规范给出了在固定件足够刚性（即线性应变分布假设成立，如梁理论）条件下计算紧固件设计拉力的方法。然而，若不满足第 6.2.1 条规定的要求，则需考虑钢底板的弹性变形行为。IDEA StatiCa Connection 中已考虑这一效应，因为采用 CBFEM（基于组件的有限元模型）方法进行计算，可以捕捉底板的弯曲行为，包括所连接型材、焊缝和基础垫层（采用 Winkler 地基模型模拟）的刚度。在下一节中，我们将详细研究底板厚度对锚栓拉力、柱等效应力以及混凝土块压应力的影响。
IDEA StatiCa 中的算例
让我们来看一些使用 IDEA StatiCa 整理的算例
在这些算例中，锚栓布置（两排，每排三个锚栓）、埋置深度、混凝土块尺寸以及材料性能在两种工况下保持不变。调整的参数为底板厚度（10 mm、20 mm 和 30 mm）以及施加的荷载效应——工况 1 为拉力，N = 100 kN；工况 2 为压力，N = -100 kN。这些假设使我们能够方便地验证参数对计算结果的影响，即紧固件轴力、柱等效应力和混凝土压应力。模型如下图 8 所示。
图 8 IDEA StatiCa Connection 中的模型
先来看工况 1，以下是各算例的计算结果：
图 9 工况 1，底板厚度 = 10 mm，等效应力
图 10 工况 1，底板厚度 = 10 mm，锚栓拉力
图 11 工况 1，底板厚度 = 20 mm，等效应力
图 12 工况 1，底板厚度 = 20 mm，锚栓拉力
图 13 工况 1，底板厚度 = 30 mm，等效应力
图 14 工况 1，底板厚度 = 30 mm，锚栓拉力
表 1 工况 1（N = 100 kN）结果汇总
如预期所示，随着底板厚度的增加，撬力逐渐减小。当 tfix = 30 mm 时，撬力消失，荷载均匀分配至群锚中的所有锚栓。比较群锚中受力最大锚栓的力，弹性底板（tfix = 10 mm，NEd,1 = 27.9 kN）与刚性底板（tfix = 30 mm，NEd,1 = 16.7 kN）之间相差 67%。考虑钢底板的弯曲行为还会影响连接板及连接各构件焊缝中的应力分布。这表明在设计过程中验证底板刚度的重要性。
工况 2 的结果显示了底板厚度对混凝土压应力分布的影响：
工况 2，底板厚度 = 10 mm，等效应力，混凝土应力
图 16 工况 2，底板厚度 = 20 mm，等效应力，混凝土应力
图 17 工况 2，底板厚度 = 30 mm，等效应力，混凝土应力
表 2 工况 2（N = -100 kN）结果汇总
可以注意到，随着厚度的增加，应力分布更加均匀，从而降低了混凝土中的最大压应力。
总结
借助 IDEA StatiCa Connection，用户可以精确模拟钢底板的弯曲行为，并验证其对所建模节点的影响。该软件采用 CBFEM（基于组件的有限元模型）方法模拟底板在给定荷载效应下的变形。这使工程师能够直观地了解力的分布情况，识别与钢底板弹性行为相关的潜在问题，或验证 EN1992-4 中线性应变分布假设的正确性。这是钢结构与混凝土之间节点设计过程中的关键环节，因为即使是相对较厚的底板也可能无法满足刚性底板的要求，如上述算例所示，忽略此项验证可能导致低估锚栓中的拉力。
……还有一件事
在我们软件的最新版本 24.0 版中，已实现 IDEA StatiCa Connection 与 Detail 之间直接链接的测试版。这允许使用 3D Detail（基于 CSFM（协调应力场法））对钢筋混凝土基础进行承载能力极限状态验证。在我们的支持中心，您可以找到关于如何在两个程序之间交换数据以及如何在 Detail 软件中运行计算的分步教程。
图 18 IDEA StatiCa Connection 与 Detail 之间的 BIM 链接（测试版）
更多资源
您可以在此处阅读有关该主题的更多内容：
从 Connection 导入锚固至 Detail（测试版）
IDEA StatiCa Detail – 混凝土三维非连续区域的结构设计 | IDEA StatiCa
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