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2.1
设计哲学
如前所述，结构构件的设计需要选择能安全且经济地抵抗施加载荷的横截面。 经济通常意味着最小的重量 - 也就是最小的钢材量。 这个数量对应于每英尺重量最小的横截面，这是与最小的横截面积。 虽然其他方面的考虑，如易于施工，最终可能会影响到构件尺寸的选择，但该过程始于选择最轻的横截面形状来完成工作。 确定了这个目标之后，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的地方。 结构设计的基本要求是所需的强度不超过现有的强度; 即所需强度le;可用强度
在允许强度设计（ASD）中，选择具有截面特性的部件，例如面积和惯性矩大到足以防止施加的最大轴向力，剪切力或弯矩超过允许值，或者允许，价值。 该容许值是通过将标称或理论强度除以安全系数而获得的。 这可以表示为所需强度le;允许强度
强度可以是轴向力强度（如在拉伸或压缩构件中），弯曲强度（力矩强度）或剪切强度。 如果用力而不是力或力矩，则可用公式2.1的关系式
成为最大施加应力le;允许应力
这种方法被称为允许应力设计。 许用应力将在材料的弹性范围内（见图1.3）。 这种设计方法也被称为弹性设计或工作应力设计。工作应力是由工作负载产生的应力，即工作负载。工作负荷也被称为服务负荷。塑料设计基于考虑故障条件而不是工作负荷条件。使用以下标准选择一个成员：在负载远高于工作负载的情况下，该结构将失效。 在这种情况下失败意味着崩溃或非常大的变形。 使用塑料这个术语是因为在失效时，构件的某些部分将承受非常大的应变足够大，成员进入塑性范围（见图1.3b）。 当整个横截面在足够的位置变得塑性时，这些位置将形成“塑料铰链”，从而形成收缩机构。 由于实际载荷将小于失效载荷的安全系数（称为载荷系数），因此以这种方式设计的构件并不是不安全的，尽管基于故障发生时的设计而设计。 这个设计过程大致如下。
1.将负载系数乘以工作负载（服务负载）以获得故障负载。
2.确定在这些载荷下抵抗失效所需的横截面特性。（拥有这些属性的成员据说具有足够的强度，并在受到因素负荷时处于失败边缘。）
3.选择具有这些属性的最轻的横截面形状。 由塑性理论设计的构件在面积荷载下会达到失效点，但在实际工作载荷下是安全的。 负荷和阻力系数设计（LRFD）类似于塑料设计，因为考虑了强度或失效条件。 载荷系数应用于服务载荷，并选择一个具有足够强度来抵抗因素载荷的成员。 此外，通过应用阻力因子，理论强度会降低。在选择成员时必须满足的标准是Factored Loadle;构成强度（2.3）
在这个表达式中，分解负载实际上是成员所抵制的所有服务负载的总和，每个负载乘以它自己的负载因子。 例如，静载荷的载荷因子与活荷载的载荷因子不同。 因素强度是理论强度乘以阻力因子。公式2.3因此可以写成
阻力阻力系数（2.4）
因子载荷是一种大于总实际服务载荷的失效载荷，所以载荷因子通常大于1。 然而，因素强度是一个减少的可用强度，阻力因子通常小于1。 因子载荷是使结构或构件达到其极限的载荷。 在安全性方面，这种极限状态可能是断裂，屈服或屈曲，并且因子阻力是构件的有用强度，从理论值减去阻力因子。 极限状态也可以是可用性之一，例如最大可接受的偏转。
2.2
美国钢结构协会规范
由于本书的重点在于钢结构建筑构件及其连接的设计，因此美国钢结构协会规范是这里最重要的设计规范。 它由一个由结构工程从业者，教育工作者，钢铁生产商和制造商组成的AISC委员会编写和保存。 定期发布新版本，并在需要临时修订时发布补充信息。 自1923年发布第一份AISC规范以来，许用应力设计一直是钢结构建筑的主要使用方法，尽管塑料设计已成为Specifica（1963）。在1986年，AISC发布了第一个载荷和阻力系数设计规范以及“钢结构手册”。 这两份文件的目的是为容许应力设计提供一种替代方案，就像塑料设计是一种替代方案。 目前的规范（AISC，2010a）包含LRFD和ASD。
LRFD规定是基于1978年在美国土木工程师学会结构杂志（Ravindra和Galambos; Yura，Galambos和Ravindra; Bjorhovde，Galambos和Ravindra; Cooper，Galambos和Ravindra ; Hansell等; Fisher等; Ravindra，Cornell，and
高隆博什; Galambos和Ravindra，1978）。
虽然载荷和阻力系数设计直到1986年才引入AISC规范，但这并不是最近的概念; 自1974年以来，它一直在加拿大使用，它被称为极限状态设计。 这也是大多数欧洲建筑规范的基础。 在美国，LRFD多年来一直是钢筋混凝土设计的可接受方法，并且是美国混凝土学会建筑规范中授权的主要方法，被称为强度设计（ACI，2008）。 目前的公路桥梁设计标准也使用荷载和阻力系数设计（AASHTO，2010）。
AISC规范作为独立文件发布，但它也是钢结构手册的一部分，我们将在下一节讨论。 除了由不同规格（AISI，2007）覆盖的冷弯钢等专用钢产品外，AISC规范是虚拟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档。 规范的细节将在后面的章节中讨论，但我们在这里讨论整个组织。
规范由三部分组成：主体，附录和评论。 正文按照字母顺序组织成第A章到第N章。在每章中，主要标题用章节名称和数字标注。 此外，细分数字标签。 例如，授权的结构钢的类型在A3部分的第A章“总则”中列出，“材料”，在其下面，第1节“结构钢材”。本规范的主体部分后面是附录1-8。附录部分后面是评注，其中给出了本规范许多条款的背景和阐述。 其组织方案与规范相同，因此可以轻松找到适用于特定部分的材料。
该规范包含美国惯用和公制（SI）单位。 在可能的情况下，方程和表达式以无量纲的形式表达，通过留下诸如屈服应力和弹性模量等符号形式的量，从而避免给出单位。 如果不可能，则给出美国习惯单位，然后在括号内给出国际单位制单位。 虽然在钢铁行业有一个强大的转变，美国大部分的结构设计仍以美国习惯单位完成，而这本教科书只使用美国习惯单位。
钢结构手册
在美国从事结构钢设计的任何人都必须获得AISC的钢结构手册（AISC，2011a）。 本出版物包含AISC规范和众多以表格和图表形式的设计辅助工具，以及最广泛使用的结构形状的“目录”。 手册的前9个版本和随附的规格均基于ASD。 第九版随后是基于LRFD的手册的第1-3版。 随后的版本，这是第一次纳入
ASD和LRFD都被命名为第十三版，因为这是已经发布的第十三本手册。 目前的版本，第十四版，也涵盖了ASD和LRFD。 这本教科书是基于您可以随时访问本手册的假设编写的。 为了鼓励使用手册，我们没有在本书中重现其表格和图表。 本手册分为以下17个部分：第1部分。尺寸和属性。 本部分包含标准热轧形状，管材和中空结构部分的详细信息，包括所有必要的横截面尺寸和属性，例如面积和惯性矩。
第2部分。一般设计注意事项。
本部分包含各种规格的简要概述（包括AISC Specifica），规范和标准，一些基本的设计和制造原则，以及对正确选择材料的讨论。 第2部分还列出了我们在2.3节和2.4节中讨论的负载组合。
第3部分。弯曲构件的设计。
本部分包含了对梁的规范要求和设计帮助的讨论，包括组合梁（钢结构与钢筋混凝土楼板或屋顶板结合）和板梁。 本教材第9章“复合结构”中介绍了复合梁，第10章“板梁”介绍了板梁。
第4部分：压缩成员的设计。
第4部分包括对压缩构件和许多设计辅助工具的规范要求的讨论还包括由空心结构部分或填充有普通（未增强）混凝土的管组成的复合柱的设计助剂。 本教材第9章介绍了复合列。
第5部分。张力构件的设计。
该部分包括用于拉伸构件的设计辅助工具和拉伸构件的规范要求摘要。
第6部分：受组合装载的成员设计。
第6部分涵盖承受轴向拉力和弯曲的组合，轴向压缩和弯曲的组合以及扭转，弯曲，剪切和/或轴向力的组合。 特别感兴趣的是关于轴向压缩和弯曲组合的材料，这是本教科书第6章“梁柱”的主题。
第7部分至第15部分包含连接：
第7部分。螺栓的设计注意事项。
第8部分。焊缝的设计注意事项。
第9部分。连接元件的设计。
第10部分。简单剪切连接的设计。
第11部分：部分约束力矩连接的设计。
第12部分完全受限（FR）力矩连接的设计。
第13部分：支撑连接和桁架连接的设计。
第14部分梁承载板，柱基板，锚杆和柱接头的设计。
第15部分。吊架连接，支架板和起重机轨道连接的设计。
规格和代码。
本部分包含AISC规范和注释，高强度螺栓规范（RCSC，2009）和AISC标准规范（AISC，2010b）。
第17部分。杂项数据和数学信息。
这部分包括SI单位的标准钢形状的性能，SI单位的换算系数和其他信息，建筑材料的重量和其他属性，数学公式以及几何形状的属性。 手册中的所有设计帮助都给出了允许强度设计（ASD）和负载和阻力系数设计（LRFD）的数值。 本手册对这些值使用颜色编码方案：ASD允许强度值在绿色背景上显示为黑色数字，LRFD设计强度值在白色背景上显示为蓝色数字。
AISC规范只是手册的一小部分。本手册的其他部分中使用的许多术语和常数仅用于简化设计过程，不一定是规范的一部分。 在某些情况下，这些建议只是基于常规做法的指导方针，而不是规范的要求。 尽管这些信息与规范没有冲突，但重要的是要识别什么是要求（建筑规范采用的规范），哪些不是。作为手册的配套文件，AISC网站上提供了一系列设计实例（AISC，2011b）。 这些例子说明了规范和手册的应用。 还包括综合建筑设计示例。 LRFD和ASD解决方案均以并排方式呈现
2.7设计计算和精度
工程设计和分析所需的计算可以通过数字计算机或电子计算器来完成。 当借助电子计算器进行手动计算时，工程师必须对所需的精确度做出决定。 使用多少有效数字的问题在工程计算中没有简单的解决方案。 记录太多有效数字会造成误导，并且可能意味着不切实际的精确度。 相反，记录太少的数字可能会导致无意义的结果。 精确性问题主要是在20世纪70年代早期，当时的主要计算工具是学术问题
幻灯片规则。 当时的指导原则是尽可能准确地读取和记录数字，这意味着三到四位有意义的数字。 结构设计中存在许多固有的不准确性和不确定性，
包括材料特性和负载的变化; 负载估计有时会与受过教育的猜测相提并论。 当屈服应力只知道每平方英寸最近的10千磅（两个有效的无花果）时，用12位有效数字进行计算并记录该精确度的答案是毫无意义的数目字。 此外，钢结构手册中给出的数据已被四舍五入为三位有效数字。 然而，为了避免更精确的结果，假定问题的给定参数（例如屈服应力）是精确的，然后决定后续所需的精度等级是合理的计算。当使用电子计算器时会出现更复杂的情况。 如果一个问题的所有计算都是在计算器上连续进行的一系列操作中完成的，则使用的有效数字的数量就是计算器使用的数量，可能是10或12但是，如果中间值被舍入，记录并用于随后的计算，则不会使用一致数量的有效数字。 此外，计算分组的方式将影响最终结果。 一般来说，结果不会比计算中使用的最不准确的数字更准确 - 有时候由于舍入而少错误。
例如，考虑用12位数字计算器计算出的数字，并将其记录为四位有效数字。 如果此数字乘以表示为五位有效数字的数字，则无论计算器上显示的位数是多少，该产品都将精确到至多四位有效数字。 因此，将这个数字记录到四位以上的有效数字是不合理的。 将每个计算器乘法或除法的结果记录到预定数量的有效数字也是不合理的，以便始终保持一致的精确度。 一种合理的方法是以任何方便的方式在计算器上执行操作，并将中间值记录到任何认为足够精确的程度（如果计算器可用于下一次计算，则不需要从计算器中清除中间值）。 决赛应将结果表达为与此过程一致的精度，通常为小于中间结果的一个有效数字，以说明舍入误差。 很难确定典型结构钢设计问题的精度程度。 使用超过三个或四个有效数字是在大多数情况下可能是不现实的，基于小于三的结果可能太过于接近于任何价值。 在本书中，我们根据具体情况将中间值记录为三位或四位数（通常为四位），并将最终结果记录为三位数。 对于乘法和除法，在中间使用的每个数字
应计算四位有效数字，结果应记录四位有效数字。 对于加法和减法，确定一列数字中最右边有效数字的位置如下所示：从所涉及的所有数字的最左边有效数字开始，向右移动与数字对应的若干数字有意义的数字。 例如，要添加12.34和2.234（两个数字都有四位有效数字）并四舍五入为四个重要数字，
12.34 2.234=14.574
结果应记录为14.57，即使结果的第五位在第二个数字中显着。 作为另一个例子，考虑添加以下数字，精确到四位有效数字：
36,000 1.240 =36,001.24
结果应记录为36,000（四位有效数字）。当减去几乎相等的数字时，有效数字可能会丢失。 例如，在操作中
12,458.62 minus;12,462.86 =minus;4.24
失去了四位有意义的数字。为了避免这个问题，在减去时，如果可能的话，从其他有效数字开始。 当四舍五入的数字，其中第一位数字是一个5没有数字后面，两个选项是可能的。 首先是将1保留到最后一位。 另一种是使用“奇数加法”规则，如果它是一个偶数，我们保留最后一位数字保持不变，如果它是一个奇数，则加1，使其变为偶数。
在本书中，我们遵循第一种做法。 “奇数加法”规则倾向于在涉及许多数值运算时将舍入过程取平均值，如统
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资料编号：[13833]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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