国外大学优秀教材第一章翻译-清华大学出版社

随着轧制工字钢（如图1-5）的发展，1849年法国工程师提高了受弯杆件的截面承载力。当然目的是提高截面中每一个单位重量抗弯强度（巨大的惯性矩）。

宽翼缘型钢，在受弯构件中是很有效的，通过加宽翼缘和减小腹板厚度来改进其前身，因此获得了一个更好的惯性矩与重量之比。宽翼缘梁是Henry Grey 的发明的，他是一个1897年移居美国的英国本地人。1897年，他完善这种梁的生产方法但是没有找到对它感兴趣的美国公司来制造他的新梁。但是他的发明在欧洲被很好的接受了。在1902年，在一个在卢森堡的达奇的德国人轧钢厂，宽翼缘梁开始投入生产。此后不久，Grey 的梁引起了Charles Schwab（伯利恒钢铁公司董事长）的兴趣，并在1908年第一次在美国的伯利恒钢铁公司宾夕法尼亚州分公司轧制出宽翼缘梁。

图1-6概述了结构钢的形状，且包含在ASDM 的第一部分中。

W 型钢主要用作梁和柱杆件中（如图1-1），W 型钢的标准名称例如W36X300。它表明这个型号的W 型钢从外翼缘到另一边外医院的厚度名义上（大约）为36英寸以及重量为300lb/ft。在ASDM 中第一部分注释了W36型钢的范围、尺寸和性能。从W36X135到W36X256一系列型钢都是由相同的车床所生产。重量的不同是缘于不同的腹板和翼缘宽度以及厚度，如图1-7所示。W40是美国最厚的轧制钢。ASDM 第一部分表明通常更厚和更重的型钢只有特殊生产商才能制造。但是现在新的国内的钢加工厂开始生产改变了这个情况。更厚的型钢在部分运用中更经济，这将会在第5节中做进一步的讨论。

M 型钢是混杂型钢，其截面形状似乎与W 型钢很类似但并不是严格的W 型钢。这些型钢只有很少或很小的生产商轧制，因而在某些区域是不适用的。当确定要使用他们时必须检查其适用性。它们的应用以及命名相当于W 型钢（例如M8X6.5）。

S 型钢是美国标准梁。它们在翼缘的内表面有斜坡，腹板比较厚以及厚度单位大多为英寸。他们在工程中很少使用，除了一些重大荷载作用在翼缘部位上的情况，比如在悬挂式起重机上的单轨中。

HP 型钢是承重桩型钢和以翼缘和腹板接近或相等的厚度的正方形截面为特点（以至于腹板能抵抗住重锤的猛烈打击）。他们通常用作打入桩作为基础的支撑。他们也偶尔用作梁和柱，但是在这些应用中不是很有效（造价更高）。

C 和MC 型钢是美国标准槽型钢和混杂槽型钢。例如他们标记为C15X50和MC18X58，第一个数字表明以英寸为单位的厚度，第二个表明单位英尺内以磅为单位的重量。对于M 型钢，MC 型钢通常很难适用和只有一些很少的厂家生产。

凹槽的形状是由具有倾斜的内部表面（大约为50/3%或者1:6）和足够深度的短翼缘决定的。他们通常被用作建立截面的构件、支撑和绑扎构件及有开口的支架杆件。

角钢是以字母L 、每边的边长以及厚度来划定的。他们可能是等边或者不等边角钢。对于不等边角钢，较长的一边会首先被标出。例如L9X4X ½表示角钢的一条边长为9英寸，另一边长为4英寸，两个边的厚度都为1/2英寸。应该注意这个划定到目前为止没有讨论过所有形状角钢的单位重量。将以磅每英尺为单位的重量制作成表格，也可以用单位重量为490lb/ft3来计算。角钢通常被单独或成双的用作支撑构件和张拉构件。它们也会被用作梁和他们支撑物之间的托架和连接构件。角钢也可能被用作轻型桁架和空腹钢托架的组成部分。

结构T 型钢的形状是以均分W 、M 、S 型钢的腹板而产生的。T 型钢分别被划分为WT 、MT 或ST 。例如WT18X105是从W36X210中而得到的。他们可能会检查具有宽翼缘形状T 型钢空间特性的校验。T 型钢主要被用于应用特殊梁以及被用作连接构件和桁架的组成构件。

除了以上所提到的型钢，结构钢管和钢管也是可用的，由图1-8可以看出。截面可以用各种方法来制造。一种方法包含将平板钢板制作成圆形截面钢，边缘用高压电流焊接。通过圆截面钢可以构造其他系列的轧制钢，可以制造正方形或长方形截面钢。管可以划分为圆形HSS （空心结构构件）、正方形HSS 以及长方形HSS 。

ASTM A53 B 级钢（Fy=35ksi和Fu=60ksi）覆盖了所有的钢管型号，并且钢管型钢在标准、加强和双倍加强的重量下都是适用的，管壁厚度是其影响因素。这些分别被简称为P4、PX4和 PXX4。

不同的ASTM 材料规范中都涵盖了HSS 截面（结构管），如表3第一部分ASDM 所示。圆形HSS 是以名义直径和壁厚来标记的，每个数字保留3位有效数字，例如HSS5.563X0.258。一个正方形或长方形HSS 用外围尺寸和壁厚标记，每个数都用分数来表示，例如，HSS5X3X3/8。

管可以制造优良的受压构件，尽管连接经常包含焊接。管最广泛的用途是在受压和受拉杆件中，但是在一些情况下，它们也被用作梁。用管制造的结构构件比其他宽翼缘构件更容易清理和维修。

最后一个要考虑的产品是结构钢板。板被分类应用，例如板梁元件、节点板、加劲肋、梁支撑板和柱底板，在此仅取几个例子。ASTM 规范涵盖各种板，但通常是ASTM AS6板，它们适用于各种厚度（看ASDM 中“钢筋和钢板”的信息），尽管管推荐最小的厚度要增加1/8英寸。尾随在厚度、宽度和长度后边的“PL ”通常代表板。在这个规定中，厚度和宽度单位为别为英寸，长度单位为英寸或英尺。例如，一个典型的规定为PL1/2X14X1’-4，注意到英寸的标记（”）通常被忽略。当合适时，板的重量可以从表格中得到，或者以490lb/ft3为单位重量来计算。

上面所提到的所有产品的形状和截面在特殊结构的应用中都有优点和缺点。要合理地决定用哪个，人需要熟悉可用产品的各种特性。适用性也扮演了一个重要的角色，可选择或可替代的产品往往是比较经济的选择。结构怎样被制造和安装也需要被考虑，以便可以考虑到每个可能的经济性选择。最小的重量不代表花费最少。

读者应该注意到各种结构钢形状和钢管的制造商会发布有关他们产品的技术信息和制造目的。这是ASDM 意外的信息，ASDM 不会包含所有可用产品的信息。结构钢形状的适用性应该以生产者或者当地制造商来检验。

1-5

建设项目

建造一个结构包含很多步骤。项目的实际顺序和必然事件的出现或者不出现主要取决于尺寸、范围、结构形式和项目管理的方法选择。冒着危险的使步骤简单化，假定建造一个钢框架结构，一个特有的项目进程（主要涉及结构方面）可能明显地被分为一个设计程序和一个施工程序。

在设计程序中，一个人或者小组（俗称业主）决定这儿需要或者想要建造一个结构。一个建筑公司联系并了解业主的要求和建筑场地的特点，以及调查不同的系统和布局，提供解决方案。在这个点的设计计算可能会非常粗略和概括，但是主要的建筑规模和最重要杆件的位置是确定的。与结构工程师一起，建筑师会

从多方面可能的解决方案的研究来介绍这一设计。这个阶段被叫做规划或者准备设计阶段。在得到业主以及市政的认可之后，开始最终的设计。随着建筑、机械和电力设计的进行，工程收益的结构设计部分通过确定布局和选择或是设计所有的结构杆件这个阶段。同时准备好合同图纸和规范。

在施工步骤中，登工程项目的广告以及邀请承包商递交标书。根据所递交的标书，与选择的承包商签订合同。承包商则转包钢材加工厂（分包商）。钢材加工场利用合约图纸和规范来准备所有钢结构构件的施工制造图，要求表示精确和详细，包括所有的连接细节。用这样的方法获得经济收入，因为加工厂精通于结构实践以及在真正的加工之前要得到建筑师的批准。制造车间工作包含真实的按一定长度来切断杆件、冲孔、钻孔、塑造成型、磨削、焊接、喷漆以及有时需要预先安装部分结构。加工之后，刚才被搬运到制定位置并开始安装。

总之，前述事项是在建设项目可能发生的各种事件的唯一途径。任何特别的工程都可能完全不一样。一个例子是快速追踪的方法，即开始建造是基于概略的和不完全的设计。设计和建造的同步发展，一般在专业项目经理的指导下。这样的安排下，施工经理担任业主的代理人来指挥一栋建筑物的设计和施工。早竣工和入住的经济利益要大于由不完整设计产生的各种未知因素导致其增加了建设的成本。习惯上，然而钢结构工程项目通常按描述那样进行着。

1-6

设计要素

在所有其他要素之上，结构设计师必须关注安全和公共建筑的幸福感，因为其将成为这幢结构的使用者。与安全和使用者的幸福感相比，经济、美观、实用、可维护性、耐久性以及等等因素都是次要因素。设计者的能力是最重要的。不仅必须按照规范，但是他们的要求（以及各种规范的建议）必须得到锻炼和合理的判断应用。盲从规范是不能免除设计者的最终责任。规范和说明，由于他们的官僚本质，一般落后于目前的工艺水平。因此了解有关行业、技术和专业可行方法的进展和事件的最新情况对于设计人员和实施者来说是有必要的。

在安全的考虑中，必须决定应该如何做出一个安全的结构。安全通常是由安全系数来表达的。安全系数有多种定义方法，但是从广义上来说，它是指引起失效的荷载与结构实际的最大容许荷载之比。在容许应力设计中，一个杆件达到

屈服应力被认为是与失效类似。尽管钢材不会在屈服点断裂破坏，但边缘会发生重大的、不可接受的变形，这可能会导致结构无法使用。构件部分的最大应力（容许应力）由此确定。该应力将存在，在杆件中作为一个约束。安全系数就是避免屈服的安全系数。作为一个例子，假设一个杆件由屈服应力为Fy 的钢材和规定的屈服应力为0.66Fy 的钢材组成。该安全系数（F.S. ）的计算方法为：

F.S.=失效应力/最大应力=屈服应力/最大应力=Fy/0.66Fy=1.5

另一种考虑该问题的方法认为构件有50%的储存应力来防止屈服。基于多方面的说明和规范安全系数取决于许多事情。一个特殊的建筑形式倒塌的结果是危害生命和财产，对分析方法的信任，对荷载的预测，材料属性的变化，以及结构在设计寿命内可能的恶化是所有可能的考虑。推荐的安全系数是经验和历史以及传统上被接受为最佳实践的最小值累计合并的结果。

设计者还必须考虑荷载。所有作用在结构上的荷载所产生的力都必须通过结构传给底层的基础。设计者必须确定，根据规范要求、判断和经验，只是判断哪些荷载适用以及荷载的大小。关于施加于普通居住类别（的建筑）上的最小荷载，规范说明也给出了相关的指导方针。设计者必须决定要求的最小荷载是否符合，如果不符合，做出一个更好的估计。

荷载可以明确的分为恒荷载和活荷载。恒荷载为静力荷载，由于重力而产生垂直力，包括钢骨架的重量和所有永久依附于它的以及它所支撑的材料。通常可以以初步设计工作作为合理的估计结构的重量的依据。活荷载包括了所有那些可能出现或者不出现在结构上的所有垂直荷载。一般来说，横向荷载被认为是活荷载，无论他们是不是不变的。活荷载的例子如下：

雪荷载

人员和设备荷载

存储材料荷载

车辆荷载（在桥上和车库里）

起重机

风荷载

侧向土压力或者流体压力

地震荷载

国家、市政或者其他适用的建筑规范一般规定设计师在一个特别的地区所适用的最小荷载。当缺乏上述的要求时，读者可以参考文献5。荷载计算的详细处理及原理超出了本书的范围。对于结构设计的原理和荷载的取值的精彩讨论参考文献6。