荆州市某高级中学钢结构教学楼设计外文翻译资料

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1. 引言

1.1结构设计

建筑物的结构设计，无论是钢结构还是钢筋混凝土，要求支撑框架总体比例和尺寸的稳定并选择各个构件的横截面。多数情况案例功能设计，包括建立楼层数量和平面图，将由建筑师完成，结构工程师必须在这种设计的约束下工作。理想情况下，结构工程师和建筑师将在整个设计过程中进行协作，以高效地完成项目。然而，实际上，设计可以总结如下：建筑师决定建筑物的外观;工程师必须确保它不倒下。虽然这个区别是过分简化，但它肯定了这一点，结构工程师的首要任务：安全。其他重要考虑包括可用性（结构在外观和偏转方面的表现如何）和经济。一个经济结构需要有效利用材料和建筑工人。虽然这个目标通常可以通过设计需要最少量的材料完成，但是如果它导致一个更简单，更容易构造的项目，通常可以通过使用更多的材料节省成本。事实上，与劳动和其他成本相比，材料占典型钢结构成本的相对较小的一部分（Ruby和Matuska，2009）。

一个好的设计需要评估几个框架计划 - 也就是不同构件安排及其联系。 换句话说，几个供选择的设计应该准备好并且成本之间进行比较。 对于每个投资的框架计划，各个组件必须设计。这样做需要结构建筑框架的分析和每个构件的力矩和弯矩的计算。有了这个信息，结构设计师就可以选择适当的横截面。不过，在作出任何分析之前，必须在主要建筑材料的使用上做出决定; 它通常是钢筋混凝土，结构钢或两者都有。 理想情况下，每个设计应该准备替代设计。

本书的重点将在于个别结构钢构件及其连接的设计。为了产生高效经济的设计，结构工程师必须选择和评估整体结构体系。但是如果没有透彻了解组件（“积木”）的设计，就不能这样做。 因此，组件设计是本书的重点。

在讨论结构钢之前，我们需要研究各种类型的结构构件。图1.1显示了在顶部和弦节点处施加垂直集中力的桁架。根据桁架分析的通常假设，固定连接和载荷仅在桁架的每个部件的关节处施加，桁架的每个部分将是一个双力的构件，受到轴向压缩或拉伸。 对于如图所示的简支桁架，层叠支撑桁架加载 - 典型的装载条件 - 每个顶部的弦将被压缩。底部的弦将处于拉伸状态或压缩状态，这取决于他们位置和方向以及荷载位置。

其他类型的构件可以用图1.2a的刚性框架示出。该框架的构件通过焊接刚性连接，并且可以被假定为形成连续的结构。在支撑件上，螺栓固定在混凝土基础上的孔板。将这些框架中的几个平行放置并且用附加的构件连接他们，如覆盖的屋顶材料和墙壁，以此产生典型的建筑系统。很重要的细节尚未提及，但许多小型商业建筑都是基本上以这种方式构建。系统中每个框架的设计和分析从将框架理想化开始为二维结构开始，如图1.2b所示。因为框架具有平行对称的平面，我们可以将框架视为二维并用其中心线代表框架构件。（虽然没有在图1.1中显示，但桁架也是同样的理想化，构件通常由它们的中心线代表）。请注意，简支表示为铰链（针脚），而不是固定的支撑。如果有可能脚下会发生轻微的旋转，或者如果连接灵活，足以允许轻微的旋转，支撑必须考虑为铰接。在通常的结构分析方法中作出的一个假设是变形非常小，这意味着支撑如果只有轻微的旋转才能将其限定为铰接。

一旦理想化的框架的几何和支撑条件已经被建立，荷载必须确定。 这个决定通常涉及到将总负载的份额分配给每个框架。 如果假设的结构考虑到屋顶负荷均匀分布，每榀承载的部分将是每单位长度的均匀分布的线路负载，如图1.2b所示。 典型的单位是每英尺的多少千磅。

图1.1

图1.2

对于图1.2b所示的荷载，框架的变形如图所示虚线（绘制得非常夸张）。框架的独立构件可以根据由此变形的形状的表现类型进行分类。水平构件AB和BC主要承受弯矩，称为梁。垂直构件BD承受来自每个梁的节点作用，但是对于所示的对称框架，它们是相等和相反的，从而取消对方。因此，构件BD仅受到由垂直载荷引起的轴向压缩的影响。在建筑物中，像这种垂直压缩的构件称为梁柱。另外两个垂直构件，AE和CF必须抵抗不仅垂直载荷的轴向压缩，而且产生较大的弯曲量。实际上，所有的构件，即使那些被分类为梁或柱的构件也将受到弯曲和轴向载荷，但在许多情况下，效果较小，可忽略不计。

除了描述的构件之外，本书涵盖了连接的设计和以下特殊构件：复合梁，复合柱和板，大梁。

1.2荷载

作用在结构上的力称为荷载。它们属于两个广泛范畴的一个类别：恒荷载和活荷载。恒载载是永久的，包括 - 支撑结构本身的重量，这有时称为自重。除了结构的重量外，建筑物的恒荷载还包括非结构部件的重量如地板覆盖物，隔板和悬吊天花板（配有灯具，机械设备和管道）。迄今为止，所有的提到的荷载都由重力引起的力量，被称为重力载荷。活载荷，也可以是重力载荷，它们不像恒载一样永久。这类荷载在任何给定的时间，他们可能会也可能不会对结构产生作用，位置可能不固定。活载的例子包括家具，设备和建筑物内的人员。一般来说，活载的大小不像恒载一样定义，它通常必须估计。在许多情况下，一个结构必须调查构件的各种位置的活动负荷，使得潜在的失稳条件未被忽视。

如果一个活载荷被缓慢施加且没有被移除且重新施加过量次数，则该结构可被分析为施加的荷载是静态的。如果负载突然地施加，如结构支撑着移动起重机的情况，必须考虑冲击的影响。如果负载被施加和移除很多次，超过了结构的使用年限，疲劳压力成为一个问题，其效果必须考虑。冲击载荷相对较少地产生在建筑物中，一般明显地发生工业建筑物。疲劳载荷是罕见的，建筑物使用年限内，在疲劳成为问题前，数千个负载周期已经进行。由于这些原因，本书中的所有荷载条件将被视为静态，疲劳不会考虑。

风在建筑物的外表面施加压力或吸力，由于其瞬态性质，它属于活载荷类别。

然而因为静定风荷载的相对复杂性，通常被认为是一个单独的荷载范畴。 因为对高层结构。横向载荷是最不利的，所以对于低层建筑通常不是那么重要，但是对隆起的轻型屋顶系统可能至关重要。 虽然大部分时间风都是存在的，但是在设计中考虑风荷载大小的情况不常见，不被认为是疲劳载荷。

地震负荷是另一个特殊类别，只需要在有合理发生概率的地理位置考虑。对地震影响的结构分析需要对结构对地震产生的地面运动的响应进行分析。 有时候会使用更简单的方法。和风荷载类似，这种地震的影响是通过水平载荷系统来模拟的，假定在建筑物的每层楼层施加。

雪是另一个活的负载，被视为一个单独的类别。这种负载的额外不确定性是漂移的复杂性，这可能导致大量的负载在相对较小的地区积累。

其他类型的活载荷通常被视为单独的类别，比方说压力和土壤压力，但我们列举的情况是通常在建筑钢结构框架及其构件的设计中遇到的。

1.3建筑准则

建筑物必须按照建筑规范的规定进行设计和建造，这是一个法律文件，其中包含建筑安全，消防安全，管道，通风和无障碍通道，体健。 建筑法规具有法律效力，由政府实体管理如一个城市，一个县，或者一些大都市区，一个统一的政府。建筑规范不给出设计程序，但他们确实指定了设计要求，以及必须满足的要素和约束。 对结构工程师特别重要的是对建筑物最小活载荷的处理方式。 虽然工程师被鼓励调查实际的荷载条件，以及尝试决定实际价值，但是结构必须能够支撑这些指定的最小负载。

虽然一些大城市有自己的建筑规范，但许多市政府将修改“模型”建筑规范以适应其特殊需要，并采用修改后的规范。模型规范由各种非营利组织以容易被政府单位采用形式的形式编写。三个国家的规范组织已经制定的建筑规范：统一建筑规范（国际建筑官员会议，，1999年），“标准建筑规范”（南方大厦）“中国国际建筑协会国家建筑规范”（BOCA，1999）（BOCA是建筑官员和规范管理员的首字母缩写）这些规范一般在美国的不同地区使用。联合建筑规范本质上是密西西比河以西唯一的一个，标准建筑规范已在东南各州和中银国际使用，国家建筑规范已被用于该国东北部地区。

作为统一的建筑规范，国际建筑规范（国际规范理事会，2009年），已被改进消除了三个国家建筑规范其中的一些不一致之处。 这是三个规范组织的共同努力，（ICBO，BOCA和SBCCI）。 这些组织已经并入了“国家规范委员会，并且新的规范已经取代了三个区域性的规范。

尽管ASCE 7“建筑物和其他结构最低设计载荷”（美国土木工程师协会，2010年）不是建筑规范，但在形式上类似建筑规范。本标准提供了适合建筑规范的荷载要求。国际建筑规范的荷载规定部分包含了大部分ASCE 7的内容。

1.4设计指标

与建筑规范相反，设计规范对于结构构件的设计及其连接给出了更具体的指导。 他们通过建筑规范对结构工程师能够实现所规定目标提供了指导和标准。设计规范基于最新研究的最新实践代表着什么被认为是好的工程。且设计规范通过内容的补充或全新版本更新定期修改，更新。与建筑规范一样，设计规范由非营利组织以合法格式编写。 他们自己没有法律地位，而是以法定任用和禁止的形式通过展示设计标准和限制，他们作为建筑规范的一部分可以很容易地被采用。

钢结构设计师最感兴趣的规范是由以下组织发行。

1.美国钢结构研究所（AISC）：本规范为钢结构建筑及其连接设计提供参考。 这是本书的主要关注之一，我们将详细讨论（AISC，2010a）。

2.美国国家公路和交通运输官员协会（AASHTO）：本规范涵盖公路桥梁和其 他相关结构的设计。它提供桥梁中通常使用的所有结构材料，包括钢筋，钢筋混凝土和木材（AASHTO，2010）。

3.美国铁路工程与维护协会（AREMA）：“AREMA铁路工程手册”涵盖了设计铁路桥梁及相关结构（AREMA，2010）。 这个组织以前被称为美国铁路工 程协会（AREA）。

4.美国钢铁学会（AISI）：本规范涉及我们在本书第1.6节中讨论的冷弯型 钢（AISI，2007）。

1.5钢结构

最早使用钢铁作为主要组成部分是约公元前4000（墨菲，1957）年前小型工具。这种材料是通过在木炭火中加热矿石生产锻造铁而成。在第十八世纪后期和十九世纪初期，铸铁和锻铁被用于桥梁。钢，主要是铁和碳的合金，杂质较少，碳的含量比铸铁少，首先用于十九世纪的重型建筑。随着Bessemer转换器在1855年的到来，钢铁开始消失，锻铁和铸铁在建筑中投入使用。在美国，第一架结构钢铁桥是Eads桥，建于1874年，在密苏里州圣路易斯（Tall，1964年）。 1884年，第一座钢结构建筑在芝加哥完成。

结构工程师最感兴趣的钢的特点可以通过绘制拉伸试验的结果进行检查。 如果试样受到轴向载荷P的影响，如图1.3a所示，应力和应变可以计算如下：

和

其中,f为轴向拉应力；

A为横截面面积；

ε为轴向拉应变；

L为样品长度；

Delta;L为长度的改变量。

图 1.3

如果载荷从零增加到断裂点和应力点，并在每个步骤计算应变，应力-应变曲线可以绘制如图1.3b所示。这种曲线是典型的一被称为延性的钢，或轻度钢。应力和应变之间的关系在到达比例极限之前是线性的;该材料据说遵循胡克定律。之后，迅速到达峰值，也就是顶部的屈服点，之后在较低的屈服点调平。然后，应力保持恒定，即使应变继续增加。在这加载阶段，只要载荷不变，试样就会继续伸长，即使负载不能增加也是如此。这个恒应力区域称为屈服平台，或塑性区。在约12倍的屈服压力下，应变加强开始，继续增大载荷（和应力），样品继续伸长（产生应变）。之后达到最大应力值，随着应力减小应变逐渐增加，试样开始“颈缩”，应变和断裂也会发生。虽然在加载期间横截面积减小（泊松效应的影响），所有应力的计算仍用原始横截面积。以这种方式计算的应力被称为工程应力。如果使用原始长度计算应变，称为工程应变。

图1.3b所示的钢在断裂前经历大变形的能力表现出来的性能被称为延性。 延展性可以由伸长率定义来衡量：

其中，为伸长率；

为断裂时试样的长度；

为试样的原始长度。

材料的弹性极限是位于比例极限和上屈服点之间的应力。到达这个应力后，样品卸载，不会产生永久变形，图中的线性部分卸载过程的应力应变曲线和加载过程中遵循的路径相同。这部分应力应变图被称为弹性区。超过弹性极限，卸载过程的曲线将沿着平行于加载路径的初始线性部分的直线，并且将存在永久应变。

例如，如果在图1.3b中的点A处卸载了负载，卸载将是沿着线AB，导致永久变形OB。

图1.4显示了该应力-应变曲线的理想情况。比例极限，弹性极限，上下屈服点都非常接近，并被视为单一点，称为屈服点，由应力Fy定义。结构工程师的另一个兴趣点是可以获得的最大值的应力，称为极限抗拉强度。这种曲线的材料类型是典型的轻钢结构，不同种轻钢结构主要是在Fy和Fu的值上彼此不同。弹性范围内应力与应变的比值，表示为E，称为杨氏模量或弹性模量，这对于所有的型钢都是相同的，值为29,000,000 帕（磅/平方英寸）或29,000千帕（千磅/每平方英寸）。

图1.5显示了高强度钢的典型应力-应变曲线其延展性比迄今为止所讨论的高强钢要差。虽然存在线性弹性部分和明显的抗拉强度，高强钢没有明确的屈服点或屈服平台。

图1.4

图1.5

为了与使用延性钢一致的方式使用这些高强度钢，必须选择一些应力值作为

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