2005版美国钢结构设计规范_部分简介_中文

2005版美国钢结构设计规范摘要美国钢结构协会成立于1921年，在1923年发行了第一版美国钢结构建筑设计规范.这本规范基于容许应力设计原则，长达十页，后来又发行了其他版本，一直到1989年的第九版本，但自从第八版本（1978）以后就没什么实质性的变化了。

极限状态设计，在美国又被称为荷载和抗力分项系数设计（LRFD），在第一版本的LRFD规范中被正式介绍，它基于超过15年的大量研究和改进，又被修改过两次，现在使用的是第三版本（1999）。

两本规范的同时存在对美国的设计人员和工业发展都带来了麻烦，AISC因此同意制定一部唯一并且标准统一的钢结构设计规范。

这部规范直到2005年8月13日才被审核通过，介绍了很多重要的概念，包括名义强度准则的使用与适当措施结合以提高可靠性的方法。

在许多其他方面的改进中，框架体系稳定性和支护设计有重大的进步，包括采用塑性准则的新设计方法。

关键词规范可靠性名义强度稳定性标准塑性连接设计组合设计论文纲要1介绍2基本设计理念2.1容许应力设计2.2荷载与阻力因素设计2.2.1强度不足和超载3 2005年AISC说明书3.1 背景3.2 格式规范3.3 基本设计要求4 新规范内容布置4.1内容概述4.2总则4.3设计要求B1 总则B3.6连接点B3.6.1简单连接B3.6.2弯矩连接4.4稳定性设计分析4.4.1稳定性设计要求4.4.2需求强度计算4.5 构件抗拉设计4.6 构件抗压设计4.7 构件抗弯设计4.8 构件抗剪设计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。

2.2LRFDLRFD,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。

2.2.1强度不足和超载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 ≡Design strength =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M p=F y Z x，F y是考虑的钢材最小屈服强度，Z x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=∑γi Q niγi是与荷载类型有关的荷载系数，Q ni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。

3.2 格式规范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。

3.3 基本设计要求基本设计准则由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=c P n=c A g F cr（7）的值是0.9，A g是柱截面总面积，F cr是屈服应力。

cASD(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。

Underwriters Laboratories[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。