武汉某大学新校区钢结构宿舍楼2栋外文翻译资料

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第2章 钢结构设计概念

2.1设计原理

如前所述，在进行结构构件的设计时，需要兼顾安全和经济两方面需求，选择一个不但能够抵抗施加载荷，而且大小合适的横截面。其中，经济通常意味着要选择最小的重量-即用钢量最小。 也就是说，当达到最小用钢量时，所选的横截面将会使构件每英尺的重量最小，此时的截面面积也就是最小横截面积。尽管诸如施工便利性等其他因素最终也会影响构件的尺寸选择，但是如何选择出一个用钢量最小的横截面形状，仍然是一个设计过程的必要开端。在确立这个目标后，工程师必须决定如何安全地实现它。这也是不同的设计方法发挥作用的地方。 结构设计的基本要求就是所需强度不超过承载强度;也就是说：

所需强度le;承载强度

在容许强度设计方法（ASD）中，对于构件的横截面来说，其面积和惯性矩等截面特性必须足够大，才能防止构件的最大应力所造成的轴向力，剪切力以及弯矩超过容许值。这个允许值是通过将公称或理论强度除以安全系数得到的。这个原理可以表达为：

所需强度le;容许强度

其中：

（2.1）

强度可以是轴向力强度（如拉伸或压缩构件），弯曲强度（力矩强度）或剪切强度。如果使用应力代替力或力矩，方程2.1的关系变为

最大施加应力le;容许应力

这种方法被称为容许应力设计。容许应力在材料的弹性范围内（见图1.3）。 这种设计方式也称为弹性设计或工作应力设计。工作荷载是由工作造成的荷载，这是一种施加荷载。工作荷载也称为使用荷载。

塑性设计方法是基于构件破坏条件下而不是正常工作荷载条件下所采用的一种结构设计方法。基于塑性设计方法所选择的构件，其发生破坏时的荷载将大大高于工作负载。 在这种情况下构件破坏时，意味着将产生结构崩溃或极大的变形。 之所以选择塑性这个术语，是因为在发生破坏时，构件的部分区域将产生非常大的应变-大到使构件的变形进入塑料范围（见图1.3b）。 当整个横截面的塑性区域出现得足够多时，将会产生“塑料铰”，从而引起整个结构的失效和破坏。考虑到安全系数的存在，实际荷载在一定程度小于构件的破坏荷载。因此，虽然这种设计方法是根据构件破坏发生时的情况来进行设计的，但按照这种设计方法所设计的构件并非是不安全的。塑性设计方法的设计过程大致如下

1.将工作荷载（服务荷载）乘以荷载系数以得到破坏荷载

2.确定在这些破坏荷载下，构件避免破坏所需的截面特性（也就是说，当构件的横截面具有这些截面特性时，其具有足够的承载能力，使得它在承受破坏荷载时处于破坏的边缘，却不至于完全发生破坏。）

3.选择满足这些截面特性时的使得构件重量最轻的横截面形状。

由塑性理论设计方法可知，构件此时将处于“折减破坏荷载”下的破坏状态，但是由于荷载系数的存在，它在实际的工作荷载下是安全的。

从强度或者构件破坏条件的角度来看，抗力系数设计法（LRFD）与塑性设计法相似，也是一种被认可的设计方法。荷载系数被应用于使用荷载上，所选择的构件将具有足够的强度来抵抗已经扩大的荷载。另外，在应用了抵抗系数之后，构件的理论强度将会减少。因此，在选择构件时，必须满足下列公式

设计极限载荷le;设计强度 （2.3）

在这个表达式中，设计极限荷载实际上是构件所承担的所有使用荷载的总和，每项荷载乘以各自的荷载分项系数。 例如恒荷载的荷载分项系数与活荷载不同。同理，设计强度是构件的理论强度乘以强度系数的乘积。因此，公式2.3可以写为：

（2.4）

设计极限荷载是一个比实际工作荷载之和还要大的破坏荷载，所以荷载分项系数通常大于一。 但是，设计强度却是一个已经被削减之后的强度，从而应用于正常使用中，因此强度系数通常小于一。 当达到设计极限荷载时，构件或者结构也达到了他的极限状态。在结构安全方面，这个极限状态可能是断裂，屈服或者屈曲。而设计承载力是构件的使用强度，它是由构件的理论值乘以一个衰减的的承载力系数而得到的。这里所说的极限状态也可以是一种正常使用的状态，例如构件达到最大允许挠曲等。

2.2 美国钢结构协会规范

由于本书的重点是钢结构建筑的设计，主要包括构件以及构件之间的连接。因此，在这个领域，美国钢结构协会规范是最重要的钢结构设计规范。目前，这本规范是由AISC委员会所编写和维护的。这个协会由结构工程从业人员，学者，钢铁生产商和制造商所组成。这本规范会定期发布新版本，并且在在需要临时修订时会发布补充新的条款。自从第一部美国钢结构协会规范自1923年发布以来，容许应力设计方法一直是钢结构建筑结构设计的主要方法。在1963年，AISC委员也提出了塑性设计方法。在1986年，AISC委员会发布了第一部关于荷载和承载力系数的规范，同时还发布了配套的钢结构设计手册。这两个文件发布的目的

，是为了提供一种能够替代容许应力设计方法的设计方法，就像塑性设计方法也是另一种替代方法。目前的钢结构协会设计规范（AISC，2010a）兼顾LRFD和ASD这两种设计方法。

LRFD设计方法的相关规定，是根据1978年在美国土木工程师协会杂志上所发表在八篇论文中的研究结果所确定的。（这8篇论文的作者分别为：Ravindra

and Galambos; Yura, Galambos, and Ravindra; Bjorhovde, Galambos, and Ravindra;Cooper, Galambos, and Ravindra; Hansell et al.; Fisher et al.；Ravindra, Cornell, and Galambos; Galambos and Ravindra, 1978）。

尽管AISC在1986年才引入了荷载和抵抗力系数设计方法，但其实这种方法并不是最近才提出的一个概念; 自1974年以来，它就已经被应用于加拿大，在那里它被称为极限状态设计方法。它也是大多数欧洲建筑规范的基本设计方法。

在美国的钢筋混凝土设计邻域，LRFD也是一种被广泛认可多年的设计方法。它也是美国混凝土协会建筑规范批准的主要结构设计方法，在这本规范里它被称为强度设计方法（ACI，2008）。目前公路桥梁设计规范也采用了荷载和抵抗力系数设计方法（AASHTO，2010）。

AISC规范作是作为独立文件发布的，但它其实也是钢结构建筑手册中的一个组成部分。关于这一点，我们在下一节中讨论。使用了特殊的专用钢产品的建筑或构件，如冷成型钢等，在结构设计时是依据另一部规范（AISI，2007）进行设计的。除此以外，AISC规范实际上是美国所有钢结构建筑结构设计和建造的依据。因此学习钢结构设计的学生必须通读这本规范。关于各种细节的规定将在之后的章节中介绍，但是在这里，我们将先介绍这部规范的脉络和原则。

规范由三部分组成：主体，附录和注释。主体按字母顺序组织成A至N章，主要标题均以章节名称后跟一个数字来命名。此外，章节之内的内容细分为数字标题。例如，型钢类型列在第A部分“总则”中，第A3节“材料”下的第1节“结构钢材”。规范的主体后面是附录1-8。 附录部分之后是注释，这些注释对本规范的许多条款给出了提出的背景以及具体阐述。其编排方式与规范主体相同，因此在特定部分可以轻松找到各种合适的资料。

该规范兼顾美国常用单位和公制（SI）单位。在条件允许的情况下，方程式和表达式都会尽可能以符号的形式表达成无量纲的形式，比如屈服应力和弹性模量，以避免给出单位。在条件不允许的情况下，将会给出美国常用单位，并在括号内给出公制单位（SI）。 虽然在钢铁行业已经采取了相应的措施来推广公制单位，但美国的大部分结构设计仍然在使用美国常用单位，因此这本教科书仅使用美国常用单位。

2.3荷载分项系数，承载力系数，以及LRFD方法中的荷载组合

公式2.4可以更准确地写成

（2.5）

其中

=载荷效应（力或力矩）

=荷载分项系数

=构件的标称承载力力或强度

=承载力系数

乘以承载力系数之后的承载力被称为设计强度。式2.5的左侧是荷载效应的总和（包括但不限于，恒荷载和活荷载），其中每个荷载效应都有一个与之相关的不同的荷载分项系数。不仅每个荷载效应不仅具有不同的荷载系数，而且当考虑的荷载组合不同时，特定荷载效应的荷载分项系数的取值也会不同。公式2.5也可以成

其中：

=荷载效应组合值=考虑荷载分项系数的各个荷载效应（力或力矩）

之和

根据AISC规范的第B2节的相关规定，在使用荷载分项系数和荷载组合时，

要依据建筑规范标准的相关条款。 如果建筑规范中没有关于他们的相关规定，，那么应该依据ASCE 7（ASCE，2010）这部规范。本标准的荷载组合是基于广泛的统计学研究所得出的，并且被大多数建筑规范所规定。

ASCE 7提供以下基本荷载组合的形式：

组合 1: 1.4D

组合 2: 1.2D 1.6L 0.5(或 S 或 R)

组合 3: 1.2D 1.6( 或 S 或 R) (L 或 0.5W)

组合 4: 1.2D 1.0W L 0.5( 或 S 或 R)

组合 5: 1.2D 1.0E L 0.2S

组合 6: 0.9D 1.0W

组合 7: 0.9D 1.0E

其中

D =恒载荷

L =由于占据空间而引起的活荷载

=屋顶活载荷

S =积雪荷载

R =雨或冰荷载

W =风荷载

E =地震（地震荷载）

在组合3,4和5中，如果L没有超过100磅/平方英尺，L上的荷载分项系数可以减小到0.5，除了车库或公共场所的相关构件以外。在考虑有关风或地震荷载的荷载组合时，应该选择使用能够产生最不利效应的荷载方向。

ASCE 7中的基本荷载组合同样也在AISC钢结构手册的第2部分中给出，而这部分内容将会在本章的第2.6节讨论。它们的形式略有不同，如下所示：

组合 1: 1.4D

组合 2: 1.2D 1.6L 0.5( or S 或 R)

组合 3: 1.2D 1.6( 或 S 或 R) (0.5L 或 0.5W)

组合 4: 1.2D 1.0W 0.5L 0.5( 或 S 或 R)

组合 5: 1.2D plusmn; 1.0E 0.5L 0.2S

组合 6 and 7: 0.9D plusmn; (1.0W 或 1.0E)

这里，组合3,4和5中的L上的荷载分项系数给为0.5，但是如果L大于100磅/平方英尺或者此时的建筑为车库或公共场所，则应增加到1.0。在ASCE的7个荷载组合中，在组合6中，使用1.0W来进行组合，在组合7中，使用1.0E来进行组合。 也就是说，

组合6: 0.9D plusmn; 1.0W

组合7: 0.9D plusmn; 1.0E

组合6和7说明了在对恒荷载和风荷载或地震荷载进行组合时，可能会造成两者的相互抵消; 例如，组合之后的净荷载效应可能是一个介于0.9D与1.0W之间或0.9D与1.0E之间的数值。（虽然风或地震荷载可能倾向于推翻结构，但是恒荷载可能将具有稳定结构的作用。）

如前所述，对于一个特定荷载效应的荷载分项系数来说，在各个荷载组合中，其值都不相同。 例如，在组合2中，活荷载L的荷载分项系数为1.6，而在组合3中为0.5。之所以会有这种不同，是因为活荷荷被认为是组合2的主要效应，但是在组合3中，，S或R这三种效应之一将占优势。在每种组合中，都会有一种荷载效应被认为是处于其“施加期中的最大”值，其他的荷载将处在其“施加期中的任意”值。

对于每种特定的承载力来说，其承载力系数都将会在AISC中与之相关的章节中的相关规定中给出，但在大多数情况下，将会使用以下的两个值之一：当涉及屈服或受压屈曲的极限状态时，使用0.90；而当涉及破裂（断裂）的极限状态时，使用0.75。

2.4 ASD中的安全系数和荷载组合

对于容许强度设计法，荷载和承载力之间的关系（公式2.1）可以表示为：

（2.7）

其中

=荷载设计值

=标称强度（与LRFD相同）

Omega; =安全系数

=容许强度

荷载效应设计值是使用荷载或荷载效应的总和。和LRFD一样，各种特定的荷载的组合分别考虑。ASD中的荷载组合也同样在在ASCE 7中给出。这些组合，同样在AISC钢结构手册（AISC 2011a）中给出：

组合 1: D

组合 2: D L

组合 3: D ( or S or R)

组合 4: D 0.75L 0.75( or S 或 R)

组合 5: D plusmn; (0.6W 或 0.7E)

组合 6a: D 0.75L 0.75(0.6W) 0.75( 或 S 或 R)

组合 6b: D 0.75L plusmn;

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