「分享」美标钢结构设计介绍

标钢结构设计介绍

一、常用单位换算

在当今世界经济一体化的大潮中，各国的钢结构领域也不免会相互渗透，因为所建的工程所在地与设计单位及施工单位往往可能不是一个国家，所执行的标准也会不尽相同。因此，我们往往会听到诸如“国标”、“美标”、“欧标”等称呼，分别代表着执行的是“中国标准”、“美国标准”、“欧洲标准”。这里我们将陆续介绍“美标”的钢结构设计内容，并且从设计师角度将其中的细节与中国规范作一些类比，其中也会涉及到钢结构行业的某些我们常用的专业词汇的英语表述方式。

首先介绍的就是关于单位的换算问题，我们目前采用的是“国际单位制”，而“美标”仍然延续“英制单位”，这似乎让人难以理解，但事实就是这样，单位制不仅是表面上的换算的问题，而是渗透到了整个体系习惯，比如型钢的系列规格尺寸，比如规范中涉及到的某些尺寸的条款，还比如我们所熟知的像“7.85”这样熟悉的数值在“美标”中又是多少呢？下面将列出钢结构专业中常常用到的单位换算以及一些常量数值。

[长度单位]

in.（英寸）

ft.（英尺）

yd.（码）

mi.（英里）

1 in. = 25.4 mm // 1 mm = 0.03937 in.

1 ft. = 0.3048 m =304.8 mm // 1 m = 3.28084 ft.

1 yd. = 3 ft.

1 mi. = 5280 ft.

[力的单位]

kips（千磅）

lb（磅）

1 kips = 4.448 KN = 453.592 kg

1 lb = 4.448 N = 453.592 g

1 KN = 0.2248 kips

[力矩单位]

1 ft.-kips = 1.356 KN-m

1 KN-m = 0.7376 ft.-kips

[分布荷载单位]

psf （lb/ft2）

1 kips/ft = 14.59 KN/m

1 kips/ft2 = 47.88 KN/㎡

1 KN/m = 0.06852 kips/ft

1 KN/m2 = 0.02089 kips/ft2

1 psf = 47.88 N/㎡

[应力单位]

1 ksi = 6.895 MPa

1 Mpa = 0.145 ksi

[精度控制]

1、荷载：1 psf；10 lb/ft.；100-lb

2、跨度，长度：0.1 ft.

3、反力：0.1 kips

4、力矩：0.1 ft-kips

[一些常量]

钢材E = 29000 kips/in.2

容重 = 490 lb/ft2

二、材料及型钢截面分类表示

材料

钢结构材料主要参照的标准是“美国试验及材料协会”ASTM（American Society for Testing and Materials）。

容许应力设计手册（ASDM）中列出ASTM中的以下一些常用结构钢，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8in.）

高强钢A572 grade50

高强钢A992，最小抗拉强度Fu有65ksi，屈服强度50-65ksi。

耐候钢A588和A242，常用在桥梁与外露建筑中。

开口性截面

容许应力设计手册（ASDM）中的热轧型钢截面有六种：

其中宽翼缘H型钢截面抗弯最为有效，因为它有着宽翼缘和薄腹板，因此在相同线重量的前提下有着很好的抗弯刚度。这种形式的截面梁由Henry Gray发明，Henry Gray是英国人，1870年移民美国，1897年提出，1902年在一家德国钢厂诞生，1908年在美国Bethlehem钢厂轧制。

工字钢、槽钢的翼缘根部有一个坡度，这是考虑当翼缘受到大的局部集中荷载时，比如悬挂吊车会用到，此时翼缘是一个悬臂板了，所以根部会厚些。

型钢的最常用的表示方法如W36x135，表示截面高度大约为36in.（说大约

因为所有W36系列用的同一套滚轴，腹板净高是固定值，而腹板厚度、翼缘厚度及宽度是可变的），135代表这种截面135lb/ft.。最大高度是W40。M型的规格是非常规的，较少采用。

M、S、HP、C、MC、WT、ST、MT型截面的表示方法与之相同。

角钢的表示方法与我们习惯的方法相同，仅仅是英制单位不同。

闭口性截面

还有三种管截面HSS（Hollow Structural Section）

对于圆管材料ASTM A53B级（Fy=35ksi,Fu=60ksi），按压力等级来分P4、PX4、PXX4分别表示直径为4in.的标准厚度管、加厚和特厚管。

在非ASTM材料时，圆管用保留直径和壁厚三位小数的方式表示，如HSS5.563 x 0.258表示直径为5.563in.壁厚为0.258in.的圆管，方管和矩形管的表示方法如HSS 5 x 3 x 3/8表示截面边长分别为5in.和3in.壁厚为3/8in.的矩形管.

钢板的表示方法

PL 1/2 x 14 x 1′-4. 表示钢板厚度是1/2in.，宽度是14in.，长度是1ft.4in.，这里所有的in.单位省略。

三、受拉构件设计

对于受拉构件，在我们的“国标”设计规范以及习惯要考虑的内容似乎都非常简单，那就是

（公式1）

还有关于摩擦型高强螺栓最外列处的验算，考虑了摩擦力的孔前传递的影响。也是一笔带过，不清不楚，远没有“美标”中的细致。仔细想来，这些问题也确实存在。下面我们将“美标”关于受拉构件设计的内容一一道来。

基本设计原则

对受拉构件，主要进行以下几方面的验算：

一、毛截面验算

（公式2）

是毛截面面积

这里的容许应力

，

是材料的屈服强度。

（不适用于纯铰连接点处，螺杆，索）

二、有效净截面验算

（公式3）

是有效净截面面积

这里的容许应力

，

是材料的最小抗拉强度。

在我们的习惯里，只有强度设计值（比如对Q235一般是215.0Mpa）这个比照标准，而“美标”习惯针对毛截面和净截面分别取屈服强度和抗拉强度作比照。

关于有效净截面是净截面乘上一个有效系数，我们先讨论关于净截面的计算问题。

净截面中最常见的就是扣除螺栓孔，关于计算孔径取名义孔径+1/16 in.，而名义孔径取栓径+1/16 in.，故计算孔径一般取栓径+1/8 in.

判断不利净截面位置原则：首先检查孔最多的截面，需要注意的是，破坏面不一定是垂直于拉力的一个平面，如图所示的ABFCD也是一种可能，也就是说还要检查相邻的含斜破坏面的截面（总孔数较前者多）。

关于像图示的ABFCD破坏面的净截面面积的计算可由下列公式得出。

（公式4）

是计算孔径，t为板厚，公式中最后一项是用来计算破坏面与拉力方向不正交的情况的，s是顺着拉力方向螺栓的距离称为“pitch”,g是垂直受力方向的螺栓距离称“gage”。

另一个需要注意的是验算的力一定得是作用于该破坏线上的，因此计算多排螺栓的中间排时要扣除前排螺栓所分担掉的力。

对于不同肢上的螺栓共同作用时“gage”值等于将肢外轮廓展平来计算，但是要减去厚度。

有效截面系数

关于有效截面系数，就是非全截面均匀受力情况，比如角钢只有单肢连接。有时称“剪力滞后”(Shear Lag) ，规范中通过有效截面积来体现，即将净截面面积乘上一个小于1的系数U，称有效截面系数。

对螺栓连接有

（公式5）

对U值有以下一些规定：

对焊接有

（公式6）

U值得取值可以按照上面的1、2条，仅去掉有关螺栓数的规定。

另外对端部焊接时，有两条特别规定：

L>2w时，U=1.0

2w>L>1.5w时，U=0.87

1.5w>L>w时，U=0.75

对于一些短的连接，比如节点板，连接板，可取Ae=An，但是要求An不超过0.85Ag 。

在我们“国标”设计的规范中能体现有效截面概念的大概只有设计原则中，关于角钢单肢连接按轴心受力计算强度时，对强度设计值进行0.85的折减。

三、端部受剪块

还有一种破坏模式发生在端部，称为“Block Shear”,如图所示，破坏面部分受拉，部分受剪。

承载力可以用下式表示：

（公式7）

是受剪部分面积，

是受拉部分面积。

（公式8）

（公式9）

四、容许长细比

受拉构件的长细比限值300

螺栓

每个螺栓的单剪抗剪承载力kips

母材承压kips

螺栓间距取螺栓直径的

倍，一般取3

最小的边距in.

受拉的螺杆（Threaded rods）

抗拉容许应力取0.33 * Fu，考虑毛截面。

对于大头螺杆（Upset Rod），端部有螺纹部分直径增大，先计算螺杆部分，按抗拉容许应力0.6 * Fy，选定螺杆后再用螺杆承载力去计算大头部分。

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5/8in.

四、常用规范及荷载组合

首先要提到是“美国钢结构协会AISC”（The American Institute of Steel Construction），由其颁布的两套规范，或者说是两种设计钢结构的方法最为常用：

后者有替代前者的趋势，而且都有很多个时期的版本，2005年AISC将它们合在一起。

“容许应力法ASD”设计基本公式为：

公式右端可以看作是容许应力， 为安全系数。

“荷载抗力系数法 LRFD”设计基本公式为：

公式右端称为设计强度， 称为抗力系数。

从上述的两个公式看似乎大同小异，但在真正的实施上，对各类构件设计，采用不同的方法，或者说是规范，安全系数及抗力系数的取值是有不同规定的。

尤其在计算设计值时，还有荷载的组合以及组合系数的取值问题。

常用的荷载组合可根据“美国土木工程师学会ASCE”（American Society of Civil Engineers）之“结构工程协会SEI”（Structural Engineering Institute）的一个规范：“建筑物及其他结构的最小设计荷载”。（ASCE/SEI 7-05）

这就相当于我们常用的《荷载规范》

先定义一下符号：

D：恒载

F：流体荷载

H：侧向土压力，水压力等

L：活荷载

Lr：屋面活荷载

S：雪荷载

R：雨水荷载

T：自应力荷载

W：风荷载

Wi：同时考虑裹冰荷载时的风荷载

E：地震荷载

Fa：洪水荷载

Di：裹冰荷载

规范指出：

ASD设计，荷载基本组合需要考虑：

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)

0.6D + W + H

0.6D + 0.7E + H

在某些洪水经常泛滥区域，需要考虑洪水荷载Fa，具体在上面（5）、（6）、（7）式中加入一项1.5Fa（非湖海岸边的地区为0.75Fa），而且式中涉及到的E要设为0。

在需要考虑裹冰荷载时，上面（2）式中加上0.7Di；（3）式中的(L r 或S或R)用0.7Di + 0.7Wi + S来替换；（7）式中的W用0.7Di + 0.7Wi来替换。

LRFD设计，荷载基本组合需要考虑：

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

0.9D + 1.6W + 1.6H

0.9D + 1.0E + 1.6H

（3）、（4）、（5）式中的L的组合系数在某些均布活载不大于100psf的地方可以取0.5。（6）、（7）式中，当H的作用抵消了W和E的作用时，其组合系数应取0。

在某些洪水经常泛滥区域，需要考虑洪水荷载Fa，具体在上面（4）、（6）式中加入一项2.0Fa（非湖海岸边的地区为1.0Fa，但是1.6W要变为0.8W）。

在需要考虑裹冰荷载时，上面（2）式中0.5(L r 或S或R)用0.2Di + 0.5S来替换；（4）式中的1.6W + 0.5(L r 或S或R)用Di + Wi + 0.5S来替换；（6）式中的1.6W用Di +Wi来替换。

每种荷载在取值上的考虑在上述的“建筑物及其他结构的最小设计荷载”。（ASCE/SEI 7-05）中均有细致的交待。

作者：左权胜

来源：钢构地图、公众号“钢结构设计”。

来源：我的彩钢网