《分享》美标钢结构设计介绍

标准钢结构设计简介

1.常用单位换算

在当前世界经济一体化的浪潮中，各国的钢结构领域不可避免地会相互渗透，因为工程所在地和设计单位、施工单位往往可能不在同一个国家，而且执行的标准也会有所不同。 因此，我们经常听到“国家标准”、“美国标准”、“欧洲标准”等称谓，它们分别代表着“中国标准”、“美国标准”和“欧洲标准”的实施。 这里我们将陆续介绍《美国标准》的钢结构设计内容，并从设计者的角度将细节与中国规范进行一些类比，其中也会涉及到钢结构中一些常用专业词汇的英文表达结构工业。 方式。

首先介绍一下单位的换算。 我们目前使用“国际单位制”，而“美国标准”仍然延续“英制单位”。 这看起来很难理解，但事实是单位制不仅仅是表面的。 换算问题已经渗透到整个系统习惯中，比如型钢规格尺寸的系列，比如规格中涉及到的某些尺寸条款，还比如我们熟悉的“7.85”这样的数值和在“美国”标准中有多少？下面列出了钢结构行业常用的单位换算和一些常数值。

[长度单位]

以英寸来算）

英尺（英尺）

码。 （代码）

英里。 （英里）

1 英寸 = 25.4 毫米 // 1 毫米 = 0.03937 英寸

1 英尺 = 0.3048 m =304.8 mm // 1 m = 3.28084 英尺

1 码。 = 3 英尺。

1 英里。 = 5280 英尺

[力的单位]

基普（千磅）

磅（磅）

1 基普 = 4.448 KN = 453.592 千克

1 磅 = 4.448 N = 453.592 克

1 KN = 0.2248 基普

[扭矩单位]

1 ft.-kips = 1.356 KN-m

1 KN-m = 0.7376 ft.-kips

[分布式负载单元]

每平方英尺（磅/平方英尺）

1 基普/英尺 = 14.59 KN/m

1 基普/平方英尺 = 47.88 KN/㎡

1 kN/m = 0.06852 kips/ft

1 KN/m2 = 0.02089 kips/ft²

1 psf = 47.88 N/㎡

[压力单位]

1 ksi = 6.895 兆帕

1 兆帕 = 0.145 ksi

【精准控制】

1. 负载：1 psf； 10 磅/英尺； 100磅

2.跨度、长度：0.1英尺。

3. 反作用力：0.1 kips

4. 扭矩：0.1 ft-kips

[一些常数]

钢 E = 29000 kips/in.²

测试重量 = 490 磅/平方英尺

2.材料及钢材截面分类表示方法

材料

钢结构材料的主要参考标准是ASTM（美国材料与试验协会）。

许用应力设计手册（ASDM）列出了ASTM中以下一些常用的结构钢，屈服应力Fy从32到100ksi，抗拉强度Fu从58到130ksi。

A36：最常用的钢材，屈服强度36ksi（厚度不超过8英寸）

高强度钢 A572 50 级

高强度钢A992的最小抗拉强度为65ksi，屈服强度为50-65ksi。

耐候钢A588和A242常用于桥梁和裸露建筑物。

开放部分

许用应力设计手册（ASDM）中有六种类型的热轧型钢：

其中，宽翼缘H型钢抗弯效果最好，因为其翼缘较宽，腹板较薄，因此在相同线重的前提下具有良好的抗弯刚度。 这种形式的截面梁是由1870年移民到美国的英国人亨利·格雷发明的。他于1897年提出，1902年诞生于德国一家钢厂，1902年在伯利恒钢厂轧制。 1908年美国。

工字钢和槽钢的翼缘根部有坡度。 当法兰承受较大的局部集中载荷时（例如使用悬挂式起重机时），请考虑这一点。 此时法兰是悬臂板，所以根部会厚一些。 。

型钢最常用的表示方法是W36x135，表示截面高度约为36in。 （大约说

由于所有W36系列均使用同一组滚轮，因此腹板的净高度是固定值，但腹板厚度、翼缘厚度和宽度是可变的），135代表135lb/ft。 对于本节。 最大高度为 W40。 M型规格非常规，很少使用。

M、S、HP、C、MC、WT、ST、MT截面的表示方法相同。

角钢的表示方法和我们习惯的一样，只是英制单位不同。

封闭部分

管段HSS（空心结构截面）也有三种类型

对于圆管材料ASTM A53B级（Fy=35ksi，Fu=60ksi），根据压力等级分为P4、PX4和PXX4，分别代表直径为4英寸的标准壁厚管、加厚管和特厚管。

当使用非 ASTM 材料时，圆管的直径和壁厚保留三位小数。 例如，HSS5.563 例如，HSS 5 x 3 x 3/8 表示横截面边长为 5 英寸的矩形管。 和 3 英寸。 壁厚为 3/8 英寸。

钢板的表示方法

PL 1/2 x 14 x 1'-4。 表示钢板的厚度为1/2英寸，宽度为14英寸，长度为1英尺4英寸，此处所有英寸单位均被省略。

3 受拉构件设计

对于受拉构件来说，我们的“国标”设计规范和习惯中需要考虑的似乎很简单，那就是

（公式1）

对最外排摩擦型高强度螺栓也进行了校核，考虑到孔前传递的摩擦力的影响。 也是一笔写的，不清楚，远没有《美标》的细致。 仔细想想，这些问题确实存在。 下面我们就回顾一下《美国标准》关于受拉杆件设计的内容。

基本设计原则

对于受拉构件，主要检查以下几个方面：

1. 总截面计算

（公式2）

是总横截面积

这里的许用应力

,

是材料的屈服强度。

（不适用于纯铰接连接点、螺钉和电缆）

2、有效的净截面验证

（公式3）

是有效净横截面积

这里的许用应力

,

是材料的最小拉伸强度。

我们的定制中只有强度设计值（例如Q235一般为215.0Mpa）作为对比标准，而“美标”定制则分别用毛截面和净截面的屈服强度和抗拉强度来进行比较。比较。

关于有效净截面，即净截面乘以有效系数，我们首先讨论净截面的计算。

网段最常见的就是扣螺栓孔。 计算孔径时取公称孔径+1/16英寸，公称孔径取螺栓直径+1/16英寸，所以计算孔径一般取螺栓直径+1/8英寸。

确定不利网段位置的原则：首先检查孔最多的部分。 需要注意的是，破坏面不一定是垂直于拉力的平面。 如图所示的ABFCD也是一种可能，这意味着相邻区域也必须检查。 含有倾斜破坏面的断面（孔总数多于前者）。

如图所示的ABFCD破坏面的净截面积的计算可由以下公式得到。

（公式4）

是计算孔径，t是板厚，式中最后一项用于计算破坏面不与拉力方向正交的情况，s是螺栓沿拉力方向的距离称为“螺距”，g为垂直力方向上的螺栓距离称为“标距”。

另外需要注意的是，计算出的力必须作用在损伤线上，所以在计算多排螺栓中的中间排时，必须扣除前排螺栓所分担的力。

对于一起作用的不同肢上的螺栓，“规格”值是通过展平肢的外轮廓但减去厚度来计算的。

有效截面系数

关于有效截面系数，是指非全截面均匀受力的情况。 例如，角钢只有单肢连接。 有时也称为“剪切滞后”（Shear Lag），在规范中用有效截面积来体现钢结构钢梁，即净截面积乘以小于1的系数U，称为有效截面积。截面系数。

对于螺栓连接有

（公式5）

U值有一些规定：

可以焊接

（公式6）

除螺栓数量有规定外，U值可按上述第1、2项确定。

此外，对于端部焊接还有两个特殊规定：

当L>2w时，U=1.0

当2w>L>1.5w时，U=0.87

当1.5w>L>w时，U=0.75

对于一些短连接，如节点板、连接板，Ae=An较好，但要求An不超过0.85Ag。

在我们的《国标》设计规范中，唯一能体现有效截面概念的设计原则是，在按轴力计算角钢单腿连接强度时，降低强度设计值0.85。

3.端剪块

还有一种发生在最后的失效模式，称为“块剪切”。 如图所示，破坏面部分受拉，部分受剪。

承载力可用下式表示：

（公式7）

是剪切部分的面积，

是受拉力区域。

（公式8）

（公式9）

4、允许长细比

受拉构件的长细比极限为300

螺栓

每个螺栓节的单剪剪切能力

基材承压垫片

螺栓间距基于螺栓直径。

次，一般为3次

最小保证金在.

螺纹杆

考虑总截面，拉伸许用应力取0.33*Fu。

对于镦粗杆，端部螺纹部分的直径增大。 首先计算螺杆部分。 根据许用拉应力0.6*Fy选择螺杆，然后用螺杆承载能力计算加厚杆。

长细比：一般螺杆直径不小于螺杆长度的1/500。

最小螺杆直径 5/8 英寸。

4、常用规格及荷载组合

首先要提的是“美国钢结构协会”（AISC），它颁布了两套规范，或者说钢结构设计最常用的两种方法：

后者有取代前者的趋势，并且两者在多个时期都有版本。 2005年，AISC将它们合并。

“许用应力法ASD”的基本设计公式为：

公式右端可视为许用应力，为安全系数。

“负载电阻系数法LRFD”的基本设计公式为：

公式右端称为设计强度，称为阻力系数。

从上面两个公式看来，似乎是相似的，但在实际实现中，各类元件的设计采用了不同的方法，或者说规范，安全系数和阻力系数的取值都有不同的规定。

特别是在计算设计值时，还存在荷载组合和组合系数取值的问题。

常用的荷载组合可以基于美国土木工程师学会 (ASCE) 结构工程研究所 (SEI) 的规范：“建筑物和其他结构的最小设计荷载”。 （ASCE/SEI 7-05）

这相当于我们常用的“负载规范”

首先定义符号：

D：恒载

F：流体负荷

H：侧向土压力、水压力等。

L：活荷载

Lr：屋顶活荷载

S：雪荷载

R：雨水荷载

T：自应力载荷

W：风荷载

Wi：同时考虑冰荷载的风荷载

E：地震荷载

Fa：洪水荷载

Di：冰荷载

规范指出：

在ASD设计中，需要考虑载荷的基本组合：

D+F

D+H+F+L+T

D + H + F + (L r 或 S 或 R)

D + H + F + 0.75(L +T) + 0.75(L r 或 S 或 R)

D+H+F+（W或0.7E）

D + H + F + 0.75(W 或 0.7E) + 0.75L + 0.75(L r 或 S 或 R)

0.6深+宽+高

0.6D + 0.7E + H

在一些经常发生洪水的地区，需要考虑洪水荷载Fa。 具体地，在上述式（5）、（6）、（7）中增加一项1.5Fa（不靠近湖岸的地区为0.75Fa），式中涉及的E应设为0。

当需要考虑冰荷载时，在上式（2）中加上0.7Di； 将式(3)中的(L r 或S或R)替换为0.7Di+0.7Wi+S； (7)将W替换为0.7Di+0.7Wi。

对于LRFD设计，需要考虑载荷的基本组合：

1.4(D+F)

1.2(D + F +T) + 1.6(L r 或 S 或 R) + 0.5(L r 或 S 或 R)

1.2D + 1.6（L r 或 S 或 R）+（L 或 0.8W）

1.2D + 1.6W + L + 0.5（L r或S或R）

1.2D+1.0E+L+0.2S

0.9深+1.6瓦+1.6高

0.9D + 1.0E + 1.6H

在均匀活荷载不大于100 psf的一些地方，式（3）、（4）和（5）中L的组合系数可取0.5。 式(6)和(7)中，当H的作用抵消W和E的作用时钢结构钢梁，其组合系数应为0。

在一些经常发生洪水的地区，需要考虑洪水荷载Fa。 具体地，在上述式(4)和式(6)中增加一项2.0Fa(不靠近湖岸的地区为1.0Fa，但1.6W应改为0.8W)。

当需要考虑冰荷载时，将上式（2）中的0.5（L r 或S或R）改为0.2Di+0.5S； 将式(4)中的1.6W+0.5(Lr或S或R)替换为Di+Wi+0.5S； 将等式（6）中的 1.6W 替换为 Di + Wi。

各荷载值在上述“建筑物及其他构筑物最小设计荷载”中予以考虑。 (ASCE/SEI 7-05)中有详细解释。