武汉某大学新校区钢结构宿舍楼1栋外文翻译资料

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第三章 受拉构件

3.1简介

受拉构件是受到轴向拉力的构件。它们用于各种类型的结构中，包括桁架构件，建筑物和桥梁支撑，悬挂屋顶系统中的绞线以及悬索和斜拉桥中的绞线。受拉构件可以使用任何横截面构造，因为对于任何给定的材料，受拉构件的强度的唯一决定因素是横截面面积。圆棒形和轧制角钢是经常使用的形状。有时候，当需要承受较大的载荷时，会使用板材、轧制形状或二者的组合形状。最常见的组合配置可能是双角截面，如图3.1所示，以及其他典型的横截面。因为这个部分的使用如此广泛，AISC钢结构手册中包含各种角钢组合的性能表。

轴向加载的受拉构件中的应力由下式给出：

其中P是荷载的大小，A是横截面积（与荷载正交的面积）。只要所考虑的横截面不与应力分布不均匀的荷载点相邻，由该方程给出的应力便是准确的。

如果受拉构件的横截面积沿其长度变化，则应力是所考虑的特定部分的函数。构件中孔的存在将影响通过孔或孔的横截面处的应力。在这些位置处，横截面积将减小相当于由孔去除的面积的量。受拉构件的端部经常与螺栓连接，如图3.2所示。所示的受拉构件，一个的板被连接到作为连接元件的角撑板，该连接元件的目的是将荷载从构件传递到支撑件或另一构件。a-a截面的面积是，而b-b截面面积只有，因此它将承受更大的应力。这个减少的面积称为净面积或净截面积，而未减少面积则是总面积。

设计中的典型问题是如何选择具有足够横截面积的构件以抵抗荷载。一个密切相关的问题是对给定构件的分析或验算，计算强度并与荷载进行比较。一般来说，分析是一个直接的过程，但设计是一个假设的过程，可能需要一些试验和修正错误。

受拉构件在本规范第D章中有所描述。第B章“设计要求”涵盖了与其他类型构件的通用要求。

3.2抗拉强度

受拉构件可能通过达到两个极限状态之一而失效：过度变形或断裂。为了防止由屈服引起的过度变形，总截面上的荷载必须足够小，使得总截面上的应力小于屈服应力。为了防止断裂，净截面上的应力必须小于拉伸强度。在每种情况下，应力P/A必须小于极限应力F，即：

因此，荷载P必须小于FA，即：

名义屈服强度是：

名义断裂强度是：

其中是有效净面积，其值可以等于净面积，或者在某些情况下等于较小的那一个面积。我们将在3.3节讨论有效的净面积。

虽然屈服将首先发生在净横截面上，连接长度内的变形将通常小于受拉构件的其余部分中的变形。原因是净截面部分存在于该部件的较小长度上，并且总伸长率是长度和应变（应力的函数）的乘积。大部分构件的横截面不会减少，所以作用在总面积上的屈服应力会导致更大的总伸长率。这个较大的变形即极限状态，而不是第一屈服点。

荷载抗力系数设计法：在荷载抗力系数设计法中，将受拉荷载与设计强度进行比较。设计强度是抗力系数乘以名义强度。公式2.6

对于受拉构件，该式写作：

其中是荷载系数的控制组合。断裂时的抗力系数小于屈服强度，反映了断裂性质更为严重。

屈服时，

断裂时，

因为有两个极限状态，所以必须满足以下条件：

其中较小的是构件的设计强度值。

允许强度设计法：在允许的强度设计中，将总荷载与允许强度（允许荷载）进行比较：

其中是所需的强度（施加的荷载），是允许的强度。下标“a”表示所需的强度是“允许强度设计”，也可将其视为“许用荷载”。

对于总截面的屈服，安全系数为1.67，允许荷载为：

（系数0.6是一个近似值，但1.67也是一个近似值。如果使用，则允许荷载正好为）

对于净截面断裂，安全系数为2.00，允许荷载为：

或者，施加的荷载应力可以与容许应力进行比较。 这可以表示为：

其中是施加的应力，是允许应力。 对于总截面屈服：

及

对于净截面断裂：

及

在手册中的表2-3可以找到各种结构钢的和值。所有可用于各种热轧形状的钢都用阴影区域表示。黑色区域对应于优选材料，灰色区域表示可用的其他钢。在W标题下，我们可以看到A992是W形状的首选材料，其他材料可用但通常成本较高。对于一些钢，有不止一个等级，每个等级具有不同的和值。在这些情况下，等级必须与ASTM指定一致。例如A572等级50，对于A242钢，和取决于翼缘的横截面形状的厚度。这个关系在表中的脚注中给出。例如，为了确定ASTM A242钢W33times;221的性能，首先参考手册第1部分的尺寸和特性表，并确定翼缘厚度等于1.28英寸。这符合脚注1所示的厚度范围。因此，和。板和棒的和的值在手册表2-4中给出，关于结构紧固件（包括螺栓和杆）的信息可以在表2-5中找到。

从总面积中扣除确定螺栓孔面积的确切数量取决于制造手法。通常的做法是钻出或冲压出比紧固件直径大1/16英寸的标准孔（即不超过尺寸）。为了解决孔周边可能存在的粗糙面，在AISC规范的B4.3节中（在本书的其余部分中，通常以AISC B4.3的形式提供），需要添加1/16 英寸至实际孔直径。这相当于使用比紧固件直径大1/8英寸的有效孔径。 在开槽孔的情况下，应将1/16英寸加入孔的实际宽度。可以在AISC J3.2“孔径的尺寸和使用”（第J章“连接设计”）中找到与标准、超大型和开槽孔相关的细节。

由公式2.8给出的关系，容许强度总是等于设计强度除以1.5。 然而，在本书中，即使设计强度可用，我们也将对容许强度进行完整的计算。

孔中应力集中的影响似乎被忽视。实际上，孔上的应力可能高达净截面平均应力的三倍，而且在滚压形状的圆角处可以是平均值的两倍以上（McGuire，1968）。由于结构钢的延展性，通常的设计实践是忽略这种局部应力。在应力集中点开始屈服后，额外的应力转移到横截面的相邻区域。这种压力再分配是造成结构钢“延展”性质的原因。其延展性允许初始屈服区域在没有断裂的情况下变形，因为横截面的剩余部分上的应力继续增加。然而，在某些条件下，钢结构可能会失去延性，应力集中会导致脆性断裂。 这些情况包括疲劳载荷和极低的温度。

这两种不同方法的计算工作有什么不同？无论使用何种方法，必须计算两个额定强度（如果使用压力方法与ASD进行等效计算）。 当使用LRFD时，是由公称强度乘以抗力系数。当使用ASD时，是由额定强度除以荷载系数。到目前为止，步骤是一样的。两种方法之间的差异涉及到关系的荷载方面。在LRFD中，加载之前考虑荷载。在ASD中，大多数情况下，只需添加荷载。因此，对于受拉构件，LRFD需要稍微更多的计算。

3.3有效面积

在影响受拉构件性能的几个因素中，连接方式最为重要。由于构件之间的连接几乎总是削弱构件整体强度，故将其影响力的衡量定义为连接效率。该因素是材料的延性，紧固件的间距，孔应力集中，制造工艺以及被称为“剪切滞后”现象的体现。所有这些都会降低构件的有效性，其中剪切滞后是最主要的因素。

当截面上一些构件有一部分没有被连接时，剪切滞后就会发生。例如角钢只有一个支脚被螺栓固定在支撑板上，如图3.6所示。 这种部分连接的结果是连接的部分承受的力过大，而未连接的部件受力不完全。延长连接区域可以减少这种影响。 Munse和Chesson（1963）报道的研究表明，可以通过减少有效的净截面积来解释剪切滞后现象。由于剪切滞后影响螺栓连接和焊接连接，所以有效的净面积概念同时适用于这两种类型的连接。

3.7螺纹杆和绞线

当不考虑构件长细比时，通常可以使用具有圆形横截面的杆或者绞线作为受拉构件。两者之间的区别在于，圆杆是实心的，而绞线是由以线状缠绕在一起的单个线制成。圆杆和绞线经常用在悬吊屋顶系统中，并用作桥梁中的吊架或悬挂构件。杆也可用于支撑系统; 在某些情况下，，它们会被施加预应力，以防止当外部荷载被移除时它们发生松动。 图3.26显示了典型的杆和绞线连接方法。

当杆的末端要穿线时，有时会使用镦粗端。这是螺纹被切割时的端部的放大。螺纹会减少横截面积，而这种镦粗端能够产生较大的总面积。实际上，在螺纹端部使用标准的镦粗端比无螺纹部分有着更多的净面积。然而，镦粗端相对昂贵，在大多数情况下是不必要的。

为防止施工过程中的发生损坏，杆不应太细。虽然没有具体的规定要求，但通常的做法是使杆的最小直径大于5/8英寸。在需要高强度以及刚性要求不高的场合，可以使用线材或钢丝绳形式的柔性绞线。除了在桥梁和绞线屋顶系统中使用它们之外，它们还用于起重机和起重架，作为塔的拉索线以及金属建筑系统中的纵向支撑。绞线和钢丝绳之间的区别如图3.27所示。绞线由围绕中心芯螺旋缠绕的单根线组成，而钢丝绳由围绕芯部螺旋地缠绕的若干线制成。

给定荷载，如何选择正确的绞线，通常基于强度和变形考虑。除了普通的弹性伸长之外，通过各个线的安置或移动引起的初始拉伸，都会导致永久的拉伸。因此，绞线通常是预拉伸的。钢丝绳和钢丝绳通常由比结构钢强度高得多的钢制成。由AISC规范，各种电缆的断裂强度，以及连接的可用夹具的细节可从制造商的说明书中获得。

结构工程师设计的许多受拉构件都是桁架的组成部分。因此，关于屋顶桁架的一般性质的讨论是必要的。 Lothars（1972）给出了对这个问题的更全面的处理。当建筑物中使用桁架时，它们通常是用作需要大跨度屋顶系统的主要支撑构件。当约束构件的成本和使用量将被限制时，它们就会被采用。（桁架可以被认为是一个深梁，只不过其中大部分的截面被移除。）屋顶桁架通常用于工业建筑或厂房，尽管这种类型的建筑物大部分已经放弃使用刚性框架。典型的屋顶结构与承重墙支撑的桁架如图3.28所示。在这种类型的结构中，将桁架连接到墙壁的一端通常可以被认为是固定的，而另一端则被认为是简支的。因此，桁架可以作为静定结构进行分析。支撑墙可以是钢筋混凝土，混凝土砌块，砖或是这些材料的组合。

屋顶桁架通常沿着建筑物的长度方向均匀间隔开，并通过被称为“檩条”的纵向梁和X支撑将其结合在一起。檩条的主要功能是将荷载传递到桁架的顶弦，但它们也可以作为支撑系统的一部分。支撑通常设置在顶部和底部和弦的平面中，但在每个隔间中不需要支撑，因为侧向荷载可以通过檩条从一个支撑的端部传递到另一个。理想情况下，桁条位于桁架接头处，使得桁架可以被视为仅在接头处受力的销钉连接结构。然而，屋顶板的长度有时不能跨越节点之间的距离，可能需要中间檩条。在这种情况下，顶弦的构件将受到显著的弯曲以及轴向压力作用，并且必须设计为梁柱结构（第6章）。

下弦杆是用于为檩条提供横向支撑的受拉构件。施加到檩条的大部分载荷是垂直荷载，所以会有一个平行于倾斜屋顶的部件，这会使檩条在该方向上受弯（图3.29）。

下弦杆可以布置于中点，三等分点，或沿檩条方向更密集的间隔布置，取决于所需的支撑数量。间隔距离是桁架间距、顶弦的斜率、檩条的抗弯强度（用于檩条的大多数材料形状在这方面非常弱）和由屋顶提供的支撑数量的函数。如果使用金属板，它通常会刚性地附着在檩条上，并且不需要下弦杆。然而，有时候檩条的自重会引发问题，在板布置好之前，可能需要下弦杆来在施工期间提供支撑。

如果使用下弦杆，它们通常会被设计成支撑平行于屋顶的屋顶荷载的部件。由于假设了檩条之间的每个间隔都要承担下部的荷载，所以顶杆设计用于屋顶区域的支撑杆从桁架的底部到顶部的荷载，如图3.30所示。虽然杆的每个部分的受力将是不同的，但通常的做法是在整个区域使用同一个尺寸型号。额外消耗的材料是微不足道的，每个部分使用相同的尺寸可以消除在施工过程中弄混的可能。

图3.31a显示了屋架中峰和脊所在位置可能的处理方式。脊部檩条之间的拉杆必须承受任何一侧所有下弦杆的荷载。该水平构件中的拉力作为其上部下垂段中的力的一部分。一个脊A的示意图显示了这种效果，如图3.31b所示。对于桁架的通常几何形状和受荷方式，底部的弦都将处于受拉状态，顶部的弦都将处于受压状态。一些腹杆将处于受拉状态，其他腹杆将受压。当受荷情况包括风力影响并考虑到不同的风向时，一些腹板构件中的力可以在拉力和压力之间交替。在这种情况下，受影响的构件必须被设计成同时用作受拉构件和受压构件。在螺栓桁架中，双角钢经常用于弦杆和腹杆构件。这种设计有利于仅在使用一个扣板就能连接成为一个联合的构件，如图3.33所示。当T型结构用作焊接桁架中的弦构件时，角钢腹杆通常可以焊接到T型杆上。如果腹杆中的受力小，则可以使用单个角钢，虽然这样做会导致桁架平面不再对称，并使得腹板构件偏心受力。

弦构件通常被制成连续构件并且必要时需要被拼接。在弦构件是连续的并且接头被螺栓连接或焊接的情况下，桁架连接的通常的假设似乎变得无效。连接点处的刚度确实会在构件中引入一些弯矩，但是弯矩通常很小并且被认为是次要的影响因素。通常的做法是忽略它。然而，必须考虑到由直接施加到接头之间的构件的荷载引起的弯矩。我们将在第6章“梁列”中考虑这个条件。一个详细合理的桁架图中，构件的轴线应在每个节点的受力点处相交。对于螺栓桁架，螺栓线所在位置是其轴线；在焊接桁架中，焊缝的重心通过轴线。对于桁架分析，构件长度应从一个节点到另一个点进行测量。当一个构件要被连接时，在构件和与其连接的部件中形成孔，并且通过孔放置插销。这种方法提供了一个无缝制的连接。以这种方式连接的受拉构件受到几种类型的因素的影响，这些因素包括在AISC D5和D6中，并在下面的段落中讨论。

3.9销结连接构件

“眼杆”是一种特殊类型的销连接构件，其包含销孔的端部被放大，如图3.37所示。其设计强度基于总截面的屈服强度。 AISC D6中给出了关于眼杆构件的详细规定，这

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