版美国钢结构设计规范文档格式.docx
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4.9构件组合受力设计和抗扭设计
4.10组合构件设计
4.11连接设计
4.12高速钢和箱形构件连接设计
5注释
6摘要
参考文献
1.介绍
1923版美国钢结构设计规范制定的目的是解决那个时候设计人员所面临的一系列问题。
虽然美国材料试验协会（ASTM）制定的钢材和其他材料性能标准是可用的,但仍然没有全国统一的建筑设计规范。
因此，个别州或城市有自己的要求，并且有时候设计特定的建筑甚至有多种规则可以使用，比如，那时候建造的一些桥梁必须遵守由桥梁当局制定的详细的规定，而当局又常常和杰出的设计者或制造商勾结。
总之，当时的情况是非常混乱的，有时出现问题常常引发重大的经济甚至社会稳定问题。
美国钢结构协会（AISC）成立于1921年，目标明确，统一并且领导钢结构行业，同样重要的是制定一套用于全国钢框架建筑设计的准则。
这个目的达到了，建筑设计院和设计公司都很快采用了这一规范。
最初的发展中，在一些强度和性能要求上，同样在设计原理上规范都经历了很多重大的改进。
从钢材的种类和数量，关于构件的知识，建筑的性能，计算的可用性和其他设计工具上，现行规范都反映了这些年取得的巨大进步。
然而，从1986年开始美国的建筑工程师就有两本规范可以参考。
其中之一是ASD，目前使用第九版本，大体上它是从1923年开始使用的，虽然经过多次修改，但在1978年以后就没有改动了，设计依据没有改变;
另一本是LRFD,它提出了安全可靠性的设计方法。
很多设计人员继续使用ASD，一定程度上是因为方便，一定程度上是因为商业需要和没有时间去学习使用LRFD.。
这是一个真正的问题，也是制定唯一并且统一而且能够反映最新近的理论和应用方法的规范的主要原因。
2.基本设计理念
2.1容许应力设计（ASD）
在AISC成立的时候，世界范围内流行的设计各种结构和材料的理念是基于容许应力（也称工作应力）设计理论，使用这种设计方法是基于部件承受的最大应力不应该超过标准使用条件下的应力容许值。
荷载效应（弯矩、轴力，等）有弹性分析方法得出，这种分析方法采用基于材料自身重量计算的额定名义荷载（例如静荷载），或测量建筑本身承受的实际荷载（如或荷载）。
理论上，容许应力计算公式是:
F=控制极限应力|安全系数
（1）
在什么情况下控制极限应力可能是钢材的屈服应力、梁或柱的弯曲应力、螺栓连接边缘的断裂应力，这需要提到一些典型的例子。
极限应力通常是通过测试或分析估计得出的，而且一般都能反映真实的强度极限。
安全系数是经验性的，通常是取一个符合经验可以接受的数字，很少考虑实际中失败的情况。
这个问题加上额定名义荷载的使用，揭示了ASD的最关键问题。
真实的安全系数无法得出，所有有些设计可能过于保守或者过于极端，真正的安全性永远不能知道。
2.2LRFD
LRFD,更通俗的说，极限状态设计理论，指出了材料和构件强度和荷载强度一样，是随机变化的。
理论上所有的规范都是基于极限状态设计理论，但是极限决定于确定的环境而规范却基于变化的理论，例如，虽然钢材的屈服应力做为主要的设计参数被规范作为指定最小值给出来，但实际上它会发生很大的变化，因此，名义最小值为350兆帕的材料可能屈服应力为400兆帕或者更大。
同样，构件的尺寸变化，作用结构上的荷载也会变化。
最终，用于衡量构件尺寸的强度或刚度模型，由于建模的精确性或质量好坏，也可能给出许多不同的结果。
对于真实的设计，把所有可能发生的变化进行系统的分析处理是很有必要的。
上面的方法对极限荷载情况下的结构设计是特别重要的，比如地震和飓风这类情况。
现在的设计都是基于计算机建模技术，通过这一技术可以确切的知道构件内部或建筑某一特定位置的部分屈服或塑性铰变化情况。
材料的强度基本上都超过了指定的最小值，如果像ASD一样，仅仅根据最小值设计，可能会使一些建筑不能像设计的那样工作。
例如，结构可能以一种会导致大大减小能量吸收的灾难性的方式失败，失败可能过早地发生，甚至可能导致建筑经过这种极端情况后不能整修。
这可能会引发严重的经济和社会安全后果。
全球范围内，规范对强度、刚度、荷载变化的概率性处理方法多少有些不一样，但基本原理是一样的，那就是，强度不足和同时存在的构件超载这两种情况的组合肯定会以比较小的概率发生。
在美国的设计中，下面的不等式是必须满足的：
强度不足
超载
（2）
强度不足和超载研究的重要性是建立在具体极限条件和荷载类型数量的随即可变性，后者是控制荷载效应的产生的原因。
强度不足和超载是非技术名称，说明了以概率为基础设计的基本特征，也是为了给出某一极限状态下失败的概率。
强度不足反映了相应的最小强度值，超载反映了相应的最大荷载效应。
这两种情况是假定同时发生的。
强度不足被EQ定义为设计强度，与AISC相一致，
Understrength≡Designstrength=R=
Rn.（3）
是相关的阻力系数，Rn是名义阻力或强度。
“名义”说明这是一个已经公布的用于钢材尺寸、规定的最小屈服强度和强度模型的值。
例如，受压梁的名义完全塑性弯矩值Mp=FyZx，Fy是考虑的钢材最小屈服强度，Zx是塑性断面系数，系数值取决于断面尺寸，由AISC钢结构规范或各种建材商的产品目录规定。
超载是被EQ定义为设计荷载，或者严格的说设计荷载效应：
Overload
≡
Design
Load=Q=∑γiQni
γi是与荷载类型有关的荷载系数，Qni是名义荷载（效应）。
求和符号∑说明荷载（效应）是所有荷载共同作用个的结合，其中每种荷载都有本身的变化方式。
不同类型的名义荷载值（静荷载、活荷载，等等）是美国土木工程师学会制定的荷载标准规定的，荷载系数也必须用于各种荷载组合中。
3.2005年AISC说明书
3.1背景
两种钢结构设计规范的同时存在在美国设计人员、工业代表和研究员中引发了很多讨论和分歧。
LRFD是最先进的，更加清楚准确地描绘了钢结构的强度、功能和可靠性。
另一方面，ASD很多年来都表现得令人满意.很多设计者喜欢继续使用ASD，因为它提供的方法是可以接受的，更重要的是，这不需要设计人员再进行自我提高，特别是复习并购买昂贵的计算机软件。
然而，1989版规范中结构自身的安全性变化很大，这部规范自从1978年以后就没有进行过较大的技术修订。
在这种情况下，2000年AISC董事会和规格委员会决定，下一版规范要通过成熟的程序将两部规范合二为一。
很多委员不同意保留容许应力，新规范会主要参考LRFD制定。
统一规范格式要求如下：
•第三版LRFD中的阻力系数会被沿用。
鉴于某些新钢种、新的技术信息和研究结果，
的值会被重新检测修订，如果需要的话。
•第九版ASD中的安全系数会被重新测定和修改，如果需要的话，以确保采用ASD的设计的可靠性能和LRFD设计接近。
因为ASD从来没有使用过名义强度公式，所以这点特别重要。
•所有的设计公式与LRFD中一样，基于名义强度准则建立。
•荷载和荷载组合会采用LRFD或ASD，详见ASCE荷载标准。
LRFD使用因素荷载、（最大）强度极限状态下荷载系数大于1.0和使用极限状态下荷载系数等于1.0的荷载组合。
ASD仅使用名义（使用）荷载和荷载组合，实际上与LRFD中检验使用极限状态的荷载一样。
•控制应力一般被称为设计强度。
•控制荷载一般被称为必须荷载。
•设计结构及其构件的时候只能用其中一种理论。
也就是说，用LRFD设计一部分，用ASD设计其他部分是不合适的。
•说明书会重新修订，以使所有内容都符合逻辑和实际顺序。
基本设计准则由Eqs（5）给出，如下：
（5a）
（5b）
设计公式被写作如下通用格式：
LRFD
（6）
下标j指某一强度条件下的代表值（例如
c代表轴向压力，
b代表弯曲，等等）。
例如，轴向受力柱的强度设计公式：
柱设计强度:
R=
cPn=
cAgFcr（7）
c的值是0.9，Ag是柱截面总面积，Fcr是屈服应力。
ASD
（8）
Ω指安全系数，下标j指强度代表值。
例如，轴向受力柱的容许强度设计公式：
（9）
Ωc的值是1.67.其他两个参数如上文定义。
4.新规范内容布置
4.1内容概述
为了满足最新实际需要，新规范经过了完全的改组，为了写清楚很多有可能发生或者发生可能性很小的情况，采用了很多附录。
其中一些附录也记载了一些先进的方法，比如附录7中就有一个关于框架设计的很新颖的方法。
最后，AISC历史上第一次，考虑到了防火设计和耐高温设计。
以前的设计中，防火设计只是依赖于对构件和体系的选择，这些构件和体系经过测试满足特定的耐火测试标准。
美国材料与试验协会（ASTM）[8]通过测试来制定材料耐火标准。
UnderwritersLaboratories[19]出版了一本册子来介绍很多构件或组装结构的耐火性能。
新规范各章节名称如下：
A总则
B设计要求
C稳定性分析及设计
D构件抗拉设计
E构件抗压设计
F构件抗弯曲设计
G构件抗剪设计
H构件组合受力设计和抗扭设计
I组合结构设计
J连接设计
K高速钢设计和箱型构件连接设计
L适用性设计
M制作，安装及质量控制
附录1塑性分析和设计
附录2积水设计
附录3抗疲劳设计
附录4防火设计
附录5现存建筑物评估
附录6梁柱支护
附录7直接分析法
作为AISC制定的很多规范中的一本，2005版规范有更多的评注。
4.2总则
本章详细介绍了新规范的范围和参考的各种规范标准，也提供了一张详细的清单，是关于被认可的钢结构材料和与之有关的标准。
只要钢材种类还在被重视，美国市场就会提供大量可用的材料。
但是，基本上所有的设计都只采用一种或者可能两种钢材，为了方便，也为了避免一个项目中使用多中材料本身的一些问题。
虽然在过去的五年里，A992已经成为主要的钢材，最常用的钢材还是ASTMA36和ASTMA992。
A36是一种较温和的碳锰钢，最低屈服强度250Mpa,极限抗拉强度400Mpa，它在形状和成型样板中仍然是可用的，但现在基本上专门用作连接零件等的平板元件。
A992于1997年在美国上市，很快成为首选的钢材。
它是一种高强度、低合金钢，最低屈服强度345Mpa，极限抗张强度450Mpa，有一些新增的优点使它特别适合强烈地震的情况，特别地，由于地震中的框架需要很好的屈服应力，是建筑物某些位置或构件的塑性铰发展，而A992具有规定的最低和最高屈服应力值。
据作者所知，这是第一次一种钢材在屈服强度上既能够达到上限也能够达到下限。
A992的上限屈服强度是450Mpa，可以确保不出现问题只要考虑到抗拉强度，屈服强度和抗拉强度的比值也是有限制的。
Y=Fy/Fu的最大值也故意设为0.85.最后，A992自身的化学充分通常也有限制，包括碳当量的最大值，可以保证钢材的高强度焊接。
关于美国钢材种类和应用范围的详细讨论在Bjorhovde等人出版的刊物中可以查阅。
[12]
B章基本上确定了规范的布局，其他每章在B章都有一个小节，指定的内容概括了其他章节的主要意思，使用者就可以找到具体章节查看详细规定。
另外，B章第2节注明了荷载和荷载组合的查看位置，可以让设计者查看相关的荷载规范，也就是，ASCE“楼房和其他建筑最低荷载规范”[7]。
这样做的原因是AISC规范不再有专门的章节来介绍荷载和荷载组合，这些参考文献也是专门为AISC规范制作的。
在第三版LRFD规范中确实是这样做的。
这种改变是因为荷载和组装标准适用于各种材料的建筑。
举例说明，B章第一节如下：
构件和连接的设计应该符合框架体系预期的表现和结构分析中的假定。
除非建筑法规有限制，横向承载力和稳定性可能由构件和连接的任意组合来提供。
这是分析方法首次出现在AISC规范中，其中规则的措辞和格式也说明了它们是如何在结构性能和设计本身中反映出来的。
在结构模型的强度和性能是无关的这种前提下，以前的说明都故意的没有涉及到分析。
计算设备和软件上的巨大进步使工程师可以进行精确的分析，比过去5-10年的一切都更为精确。
建模技术的独立性和结构的强度与刚度要求不再仅仅是正确，还要考虑到稳定性评估的重要性，一阶与二阶分析，抗震性能，连接材料的选用，等等。
B章第三节经过了细分，以确定设计过程中需要另外分方向的一些关键领域。
细分如下：
B3设计基础
1.需求强度
2.极限状态
3.使用荷载强度设计和阻力系数设计（LRFD）
4.容许使用强度设计
5.稳定性设计
6.连接设计
7.适用性设计
8.积水设计
9.抗疲劳设计
10.防火设计
11.抗腐蚀设计.
12.高速钢墙厚度设计
13.毛面积和净面积测定
B3.1给出了基本模型和适当结构分析方法的表达方式，B3.2确立了极限状态的原理以及它们是怎样控制设计过程的。
在极限状态的处理上，使用容许应力设计的设计者可能会不能被理解，因为极限状态的概念从来没有出现在ASD的理论中。
B3.3和B3.4分别给出了LRFD和ASD的基本设计标准和相关的公式，比如
Eqs.（5a）and（5b）。
B3.5简单的谈了一下C章的使用者。
说明使用的所有结构和系统的连接设计的重要性，B3.6的语言表现得苍白，特别是因为本节目的是使半刚性感钢架的设计方法要更容易使用。
B3.6.连接
连接设计的原理应该与J章和K章中的规定保持一致，受力和性能应该符合连接的预期性能和结构分析中采用的假定。
B.3.6.1.简单连接
简单连接通过连接传递可以忽略的弯矩。
在结构分析中，框架元素之间的简单连接可以假设为是没有限制的转动。
简单连接应该有充分的转动能力以调节结构分析中需要的转动。
连接的塑性转动也是容许的。
B3.6.2.弯矩连接
弯矩连接通过连接传递弯矩。
两种弯矩连接FR和PR是容许的，规定如下：
a．完全限制弯矩连接（FR）:
完全限制弯矩连接在连接构件中传递弯矩，伴随这可以忽略的转动。
在结构分析中，这种连接可以假定为不容许相对转动。
在极限状态下，弯矩连接应该有足够的强度和刚度，以保持连接构件间的角度。
b．部分限制弯矩连接（PR）：
部分限制弯矩连接传递弯矩，但转动是不能忽略的。
在结构分析中，由连接本身特性引起的受力变形应该考虑到。
PR连接本身引起的变形应该在技术问下中记录，或者通过分析或实验来确定,在极限状态下，其组成构件应该有足够的强度，刚度和变形能力。
B3其余部分涉及到个别标准的详细内容所在的章节和目录。
B4按对局部弯曲的阻力对横截面进行了分类。
自20世纪60年代初，紧凑性这个概念一直反映了美国钢结构设计的一个基本原则。
简单地说，外形紧凑的梁可以经受局部弯曲之前的扭转，可以发展完全塑性弯矩，在因为局部弯曲或应变硬化破坏之前，转动的弯矩值可以至少达到Mp的三倍。
由于对转动能力的关注，紧凑性严格地说不适用于承受完全轴向压力的构件。
然而，局部弯曲确实影响着各种构件和横截面的性能和强度，而B4说明了对满意的构件规模和边缘支持条件的要求。
最后，它也指出了AISC规范一般不会处理细长形构件，比如用于轻质墙立柱或者屋顶檩条的构件。
这些设计要求是AISC规定的，用于冷弯型钢构件的设计
[6]。
所有北美（加拿大，墨西哥，美国）的冷弯型钢构件都使用这些规定。
4.4.稳定性分析设计
关于框架稳定性评估的规定在过去数年中经历了很大的改变，部分地反映了建模方法，分析处理方法，物理实验和理论计算等等方面的进步。
2005规范的C章详细介绍了两个主要题目下的标准。
C1稳定性设计要求
C2需求强度计算
另外，附录7详细介绍了包含力矩框架，支撑框架，剪力墙或者这些所结合的体系的直接分析方法。
在其他的概念中，附录7介绍了名义荷载的应用，这是第一次出现在AISC规范中，虽然它已经广泛地用于很多国家的构件设计标准。
4.4.1.稳定性设计要求
规范采用的方法有助于使用者了解基于构件稳定
（1）和体系（框架）稳定
（2）的设计要求。
体系稳定非常复杂，规范对不同类型的结构类型给出了不同的标准，如下：
1.支撑框架体系
2.弯矩框架体系
3.重力框架体系
4.组合体系
规定讨论了支撑构件强度和刚度的需求，像力矩框架体系中的单独支撑构件或简单连接一样。
在重力体系中，应特别注意，斜梁（规范中称为重力梁）的P–Δ效应必须传递到一个可以抵抗侧移的框架体系中。
4.4.2.需求强度计算
很大部分的美国建筑都是四层或者更低。
很多这种低层并且规模（建筑的横向尺寸计划）有限的建筑都不需要进行二阶分析和设计，只需按惯例在一阶分析的基础上设计，往往它们的性能是可接受的。
然而，是否采用二阶原理或分析方法是由设计者决定的，因为单独体系或构件对侧向荷载或者位移可能是敏感的，例如，所谓的斜梁是对框架体系整体稳定和侧向荷载阻力毫无贡献的结构部件
[14]and[18]，它们实际上促进了额外应力和弯矩的发展，这些得通过结构中其他构件来承受。
在这种条件下，现在规范要求“…二阶效应应该在框架设计中被考虑…”。
这种明确而重要的要求是为了弄清是否忽略了二阶效应，只有这样做才能全面了解实际的变形情况和由此产生的弯矩和应力。
规范给出了稳定性分析设计的三种方法，如下：
1.直接分析方法
2.有效长度法
3.一阶分析法
不用细说每条要求，很明显放大的一阶分析法是当今最普遍使用的，有几个原因，一个是大部分设计者都会使用一阶分析计算软件；
另一个是大部分设计者很少处理高层或者复杂的建筑的设计。
简单的说，使用放大的一阶分析方法，总弯矩如Eq.（10）计算：
Mr=B1Mnt+B2Mlt（10）
B1是构件弯矩放大系数，考虑到了应用轴向荷载在梁中引起的附加挠度，和因此产生的附加弯矩。
B1也涵盖了沿着梁长度的弯矩图的形状的影响，合并了已知的等价弯矩系数Cm。
Mnt是框架无侧向位移时构件中的最大弯矩值。
B2涵盖了结构整体产生侧向位移的放大效果，Mlt是框架仅有横向移动时梁的最大弯矩值。
对所有的这些条款规范都给出了公式，但重要的是要注意LRFD和ASD设计方法采用完全不同的荷载，如预期的那样。
由于基于ASD分析的设计有一些另外的问题，这最后可能意味着设计者只喜欢使用LRFD.
成熟的弹性二阶分析方法现在使用于美国更大、更先进的设计公司，对于这种公司，上述的B1–B2分析法已经没有吸引力，不管建筑的类型和尺寸，都完全使用二阶分析法。
预计这将是未来设计者的设计标准。
最后，弹性二阶分析法和塑性框架设计法性被故意相对“开放”地保留下来，容许由它们演变而来的新方法的使用。
当框架中有半刚性（美国用法中的PR型）连接，以及要求分析地震条件下结构随时间变化的情况时，这是尤其重要的。
规范确实容许使用这些方法，但这个时候只有很少一些公司有用于半刚性设计的软件。
PR框架体系分析设计方法的复杂性是真实存在的，而且设计的时候只能使用LRFD.
4.5.构件抗拉设计
D章涵盖了受拉构件的设计要求和关于拉伸应力的一些原理。
基本的极限状态是在总截面上的屈服和钢材有效净截面上的断裂。
连接部位的剪切滞后通过“有效净”表达，这取决于连接的详细资料和使用构件的类型。
面积计算程序经过多年的利用已经很好的建立起来,且极限状态强度模型准确可靠,相对变异性较低。
对于总截面的屈服，合适的阻力系数是
t=0.9，对于有效净截面上的断裂，
t=0.75，在AISC规范中这些值一直以来都没有改变。
4.6.构件抗压设计
E章详细介绍了轴向受压构件的设计要求，给出了梁的设计标准。
极限状态的处理与LRFD从第一版本开始就一样，都采用柱强度模型。
基于对大量不同类型的柱、钢材和不同的制造技术的最大强度的计算，此模型准确地说明了残余应力和率直误差的影响[17].
根据对同一时代的钢材类型和种类的强度和性能的研究，决定把柱的阻力系数增大到
c=0.9，以前是0.85，研究显示这个增加是可靠的，虽然对高强度钢的一些研究说0.95可能更加符合。
新规定将继续采用单栏曲线,虽然过去几年在多栏曲线上有很多争议[11]and[17]。
加拿大人的方法，使用两种曲线，对规范委员会成员有很大的吸引力。
另一方面，虽然柱强度对类型的变异性相比其他几种假定主曲线可以减小，但一般认为增加的设计复杂性可以否定很多，如果不是全部的好处。
所以在以前的LRFD规范中使用的单栏曲线被选中，虽然如上文所述是一个更大的值。
除了常见的局部弯曲和抗弯屈曲极限状态，新规范也把扭转和弯扭屈曲进行了合并。
在使用双对称热轧构件的体系中，这些极限状态是偶尔出现的，在这种前提下，以前这些要求被放在附录中。
单角度构件的设计要求以前有单独的设计标准，而这些标准现在成为了规范的一部分。
这些截面类型在美国钢结构中有广泛的应用，从支护构件到电气传输塔的平面桁架部分。
使这些设计标准成为规范的一部分，适当地反映了在相关工业中这些构件的重要性。
4.7.构件抗弯设计
F章是规范的最大一部分，完整地解决了抗弯设计，包括横向支撑和不支撑的构件。
对单双对称截面以及不对称截面的极限状态相关设计要求进行了详细讨论，如下：
1.屈服（平面受压构件失效）（构件达到完全塑性弯矩，Mp）
2.塑性侧扭屈曲
3.弹性侧扭屈曲
4.受压翼缘屈曲
5.受拉翼缘屈服
6.翼缘部分屈曲
7.局部腹板屈曲
8.局部角边屈曲（对于角度）
而且所有这些极限状态有详细的讨论，因为它们适用于不同的构件和截面。
虽然关于抗弯曲的章节比起以前版本的规范，内容更多，更加复杂，但现在它合并了以前单独的规定或附录中的所有标准。
例如，以前的规范中，细长腹板或翼缘的设计标准在单独的附录中，而且板梁设计标准也不在规范的主体部分中。
4.8.构件抗剪设计
在一次主要的修订中，新规范有了关于受剪构件分析设计的单独的一章。
虽然普通梁的必要尺寸很少由受剪极限状态决定，但人们还是同意定义并识别不同的极限状态是很实用的，这对以张力作用和框架作用为主要考虑因素的板梁是非常重要的。
钢材抗剪强度是居于等效应力模型计算的，给出的值为Fy/√3,或者
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