结构中的概念，钢结构设计外文翻译资料

 2021-11-28 09:11

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外文翻译

第二章：结构中的概念，钢结构设计

2.1设计哲学

如前所述，结构构件的设计需要选择十字架，可以安全，经济地抵抗施加载荷的部分。经济通常指最小重量--即最小钢量。这个数量对应于每英尺最小重量的横截面，这是一个最小的横截面积。虽然其他考虑因素（例如易于构造）可能最终会影响成员规模的选择，但过程始于选择最轻的横截面形状来完成这项工作。建立了这个目标，工程师必须决定如何安全地做到这一点，这是不同的设计方法发挥作用。结构设计的基本要求是所需的强度不超过可用的强度；即：所需强度le;可用强度。在允许强度设计（ASD）中，选择具有横截面的构件面积和惯性矩等特性，足以防止最大施加的轴向力，剪切力或弯矩超过允许值，或者允许的价值。该允许值是通过将标称值或理论强度除以安全系数得到的。这可以表示为：

要求强度le;允许强度 （2.1）

强度可以是轴向力强度（如在拉伸或压缩构件中），弯曲强度（弯矩强度）或剪切强度。如果使用应力而不是使用力或力矩，则公式2.1的关系变为：

最大应力le;允许应力 （2.2）

这种方法称为允许应力设计。允许的应力将在材料的弹性范围内（见图1.3）。这种设计方法也称为弹性设计或工作压力设​​计。工作压力是由工作产生的压力负载，即应用的负载。工作负载也称为服务负载。塑料设计基于对失效条件的考虑而不是工作负载条件。通过使用结构将失败的标准来选择成员在大大高于工作负荷的负荷下。在这种情况下失败也意味着坍塌或极大的变形。使用塑料一词是因为失败时，该部件的部件将受到非常大的应变。大到足以放置成员进入塑料范围（见图1.3b）。当整个横截面变为塑料在足够的位置，“塑料铰链”将在这些位置形成，形成一个混合机构。因为实际负载将比故障负载小一倍，安全性被称为负载系数，尽管如此，以这种方式设计的成员并非不安全根据失败时的情况设计。这个设计过程大致如下：

1.通过负载系数乘以工作负载（服务负载）以获得故障负载。

2.确定在这些条件下抵抗失效所需的横截面特性负载。 （具有这些特性的成员据说具有足够的强度和受到因素载荷时，它将处于失败的边缘。）

3.选择具有这些属性的最轻横截面形状。通过塑性理论设计的构件将在载荷下达到失效点，但在实际工作载荷下是安全的。负载和阻力系数设计（LRFD）类似于塑料设计

考虑强度或失效条件。负载因子应用于服务加载，并选择一个具有足够强度来抵抗因子载荷的构件。此外，通过应用a减少了构件的理论强度阻力系数。选择成员时必须满足的标准是：

Factored load le; factored strength (2.3)

在此表达式中，因式加载实际上是所有服务加载的总和

成员抵制，每个乘以自己的负载系数。例如，恒定负载的负载系数与活动负载的负载系数不同。这个因素强度是理论强度乘以阻力系数。 公式2.3可以因此写成：

sum;(loadstimes;load factors) le; resistancetimes;resistance factoor（2.4）

因素负载是一个大于实际服务负载总量的故障负载，因此负载也是如此。因素通常大于统一。 然而，因素的力量减少了，可用强度，阻力系数通常小于1。 因素载荷是使结构或构件达到极限的载荷。 在安全性方面，这个限制状态可以是断裂，屈服或屈曲，并且因素阻力是有用的。该构件的强度，从理论值减小了阻力系数。该极限状态也可以是可维修性之一，例如最大可接受的偏转。

2.2美国钢铁协会施工规范

由于本书的重点是结构钢建筑构件的设计及其连接，美国钢结构研究所的规范是这里最重要的设计规范。它是由AISC委员会撰写及更新的，该委员会包括结构工程从业人员，教育工作者，钢铁生产商和制造商。新版本定期发布，并且在需要临时修订时发布补充。允许的应力设计有自1923年第一次AISC规范发布以来，结构钢建筑的主要使用方法，尽管1963年塑料设计成为规范的一部分。1986年，AISC发布了第一个负载和阻力系数规范设计以及配套的钢结构手册。目的

两个文件的目的是提供允许应力设计的替代方案，就像塑料设计是另一种选择。目前的规范（AISC，2010a）包含两者LRFD和ASD。

LRFD条款基于1978年在美国土木工程师学会结构期刊发表于论文中的8篇研究报告Ravindra和Galambos; Yura，Galambos和Ravindra; Bjorhovde，Galambos和Ravindra;Cooper，Galambos和Ravindra; Hansell等人; Fisher等人;拉文德拉，康奈尔和高隆博什; Galambos和Ravindra，1978）。

虽然负载和阻力系数设计没有引入AISC规格直到1986年，它不是最近的概念;自1974年以来，它已被用于加拿大，它被称为极限状态设计。它也是大多数欧洲人的基础建筑规范。在美国，多年以前LRFD就已被公认为可接受的钢筋混凝土设计方法。是美国混凝土协会授权的主要建筑规范方法，称为强度设计（ACI，2008）。目前的公路桥梁设计标准也使用负荷和阻力系数设计（AASHTO，2010）。

AISC规范作为独立文档发布，但它也是一部分我们将在下一节讨论钢结构手册。除了冷轧钢等特殊钢材，由不同的钢材覆盖规范（AISI，2007），AISC规范是虚拟的标准。这个国家的所有结构钢建筑都是设计和建造的。因此结构钢设计的学生必须能够随时访问他的文件。细节规范的内容将在后面的章节中介绍，但我们将在此讨论整个组织。规范由三部分组成：主体，附件和评论。按字母顺序将正文组织成章节A到N。主要标题都标有章节名称后跟数字。此外，细分是数字标记的。例如，授权的结构钢的类型列在A3部分的A章“一般规定”中，“材料”，并在其下，第1节，“结构钢材料。”的主体规范后面是附录1-8。接下来是附录部分，评注提供了许多条款的背景和阐述规范。它的组织方案与规范的组织方案相同，所以适用于特定部分的材料可以很容易地找到。该规范包含美国惯用和公制（SI）单位。哪里可能的方程式和表达式通过以符号形式提取诸如屈服应力和弹性模量之类的量以无量纲形式表示，从而避免给予单位。如果无法做到这一点，则给出美国惯用单位，括号内的SI单位。 虽然有一个强烈的转向计量。美国的钢铁行业中大多数结构设计仍然在美国的定制单位进行，而这本教科书只使用美国的习惯单位。

2.3负荷因素，阻力因素和负载LRFD的组合

公式2.4可以更精确地编写为

Sigma;giQi le; fRn （2.5）

其中：Qi =负载效应（力或力矩）

gi =负载系数

Rn =所考虑的元件的标称电阻或强度

f =阻力系数

关于因式阻力fRn的总结称为设计强度。公式2.5的左侧超过了负载效应的总数（包括但不包括限于，负载和活动负载），每个负载效应可以与之相关联不同的负载系数。 每个负载效应不仅具有不同的负载系数而且特定负载效应的负载系数值也取决于正在考虑的负荷组合。公式2.5也可以写成：

Ru le; fRn (2.6) （2.6）

其中：Ru =所需强度=因子载荷效应（力或力矩）的总和

由管理建筑规范规定的。如果建筑规范没有给他们，然后应该使用ASCE 7（ASCE，2010）。负载系数和负载本标准中的组合基于广泛的统计研究，并由大多数建筑规范进行了描述。ASCE 7以下列形式介绍了基本负载组合：

组合1：1.4D

组合2：1.2D 1.6L 0.5（Lr或S或R）

组合3：1.2D 1.6（Lr或S或R） （L或0.5W）

组合4：1.2D 1.0W L 0.5（Lr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 =静载

L =由于占用而产生的活荷载

Lr =屋顶活荷载

S =雪荷载

R =下雨或下冰雹

W =风荷载

E =地震（地震荷载）

在组合3,4和5中，如果L为否，则L上的负载因子可以减小到0.5，除车库或公共场所外，每平方英尺部件超过100磅。与风荷载或地震荷载相结合，产生最坏的影响。

ASIS 7基本负载组合也在AISC Steel的第2部分施工手册（AISC 2011a）中给出，将在本节2.6中讨论该章节。它们的表现形式略有不同，如下所示：

组合1：1.4D

组合2：1.2D 1.6L 0.5（Lr或S或R）

组合3：1.2D 1.6（Lr或S或R） （0.5L或0.5W）

组合4：1.2D 1.0W 0.5L 0.5（Lr或S或R）

组合5：1.2Dplusmn;1.0E 0.5L 0.2S

组合6和7：0.9Dplusmn;（1.0W或1.0E）

这里，组合3,4和5中L的负载系数为0.5，这应该是如果L大于100磅/平方英尺或车库或，则增加到1.0公共集会的地方。 ASCE 7组合6和7来自表达式通过考虑组合6使用1.0W和组合7来使用1.0E。也就是说：

组合6：0.9Dplusmn;1.0W

组合7：0.9Dplusmn;1.0E

组合6和7说明了静载和风或地震的可能性负荷相互抵消;例如，净负荷效应可能是差异介于0.9D和1.0W之间或介于0.9D和1.0E之间。 （风或地震负荷可能倾向于推翻一个结构，但是静载会产生稳定作用。）如前所述，特定负载效应的负载系数不是在所有负载组合中相同。例如，在组合2中，负载因子为活荷载L是1.6，而在组合3中，它是0.5。原因是活载被视为组合2中的主导效应，并且是三种效果中的一种，Lr，S或R将在组合3中占主导地位。在每种组合中，其中一种效果被认为处于其“最大值”和其他处于“任意时”的任意值时间点的价值。每种类型电阻的阻力系数f由AISC在关于该电阻的规范章节中给出，但在大多数情况下，两个值中的一个将是使用：0.90对于涉及屈服或压缩屈曲的极限状态和0.75对限制破裂（破裂）的状态。

2.4安全因素和负荷ASD的组合

对于允许的强度设计，载荷和强度之间的关系（公式2.1）

可以表达为：Ra le;Rn/ Ω

其中：Ra =所需强度

Rn =标称强度（与LRFD相同）

Ω=安全系数

Rn/ Ω=允许强度

所需的强度Ra和服务负载或负载效应的总和一样。LRFD必须考虑特定的负载组合。 加载组合ASD 7也给出了ASD。这些组合，如AISC Steel中施工手册（AISC 2011a）所示，是：

组合1：D

组合2：D L.

组合3：D （Lr或S或R）

组合4：D 0.75L 0.75（Lr或S或R）

组合5：Dplusmn;（0.6W或0.7E）

组合6a：D 0.75L 0.75（0.6W） 0.75（Lr或S或R）

组合6b：D 0.75Lplusmn;0.75（0.7E） 0.75S

组合7和8：0.6Dplusmn;（0.6W或0.7E）

一些组合说明组合中的所有负载不可能同时处于其寿命最大值。 0.7因素应用于地震荷载效应E是因为ASCE 7使用了强度用于计算地震荷载的方法（即LRFD），该因素是一种尝试均衡ASD的效果。对应于LRFD中两个最常见的阻力因子值ASD中安全系数Ω的以下值：对于涉及屈服的极限状态或压缩屈曲，Ω= 1.67。对于涉及破裂的极限状态，Ω= 2.00。该

阻力因子与安全系数之间的关系由下式给出：

Ω = 1 5/phi; （2.8）

由于稍后将讨论的原因，这种关系将产生类似的设计，对于LRFD和ASD，在某些负载条件下，如果公式2.7的两边除以面积（在轴向载荷的情况下）或截面模数（在弯矩的情况下），则关系变为：

f le; F

其中：f =施加压力

F =允许的压力

这种方法称为允许应力设计方法。

一个建筑物上层的柱子（压缩构件）受制于以下负载：

静载：109 kips压缩

地板活载：46 kips压缩

屋顶活荷载：19 kips压缩

雪：压缩20 kips

a. 确定LRFD的控制负载组合和相应的因子负载。

b. 如果阻力系数f是0.90，那么所需的标称强度是多少？

c. 确定ASD和相应的控制负载组合所需的服务负荷强度。

d. 如果安全系数Ω为1.67，则基于的要求标称强度是多少所需的服务负载强度？

即使负载可能不直接作用于成员，它仍然可能导致负载

在成员中的影响。在这个例子中，雪和屋顶活荷载都是如此。虽然这座建筑受到风的影响，但结构上产生的力却是除此以外的成员。

a.控制负载组合是产生最大因子的组合加载。我们评估涉及静载D的每个表达式；由占用引起的活荷载，L；屋顶活荷载，Lr；和雪，S。

组合1：1.4D = 1.4（109）= 152.6千磅

组合2：1.2D 1.6L 0.5（Lr或S或R）。 因为S比较大比Lr和R = 0，我们需要使用S来评估这种组合一次。1.2D 1.6L 0.5S = 1.2（109） 1.6（46） 0.5（20）= 214.4基普

组合3：1.2D 1.6（Lr或S或R） （0.5L或0.5W）。 在这个组合中，我们使用S而不是Lr，R和W都是零。1.2D 1.6S 0.5L = 1.2（109） 1

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