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第一章 介绍
1.1 结构设计
无论是钢结构还是钢筋混凝土结构的建筑物的结构设计，都需要确定支撑框架的整体比例和尺寸，并选择各个构件的横截面。在大多数情况下，功能设计（包括层数和楼层平面图的确定）将由建筑师完成，并且结构工程师必须在此设计所施加的限制内工作。理想情况下，工程师和架构师将在整个设计过程中进行协作，以高效地完成项目。实际上，可以将设计总结如下：建筑师决定建筑物的外观；工程师必须确保它不会掉落。尽管这种区别过于简单，但它肯定了结构工程师的首要任务是：安全。其他重要的考虑因素包括可维修性（结构在外观和变形方面的性能如何）和经济性。经济结构需要有效利用材料和建筑劳力。尽管通常可以通过所需材料最少的设计来实现此目标，但如果可以使用更简单，更容易构建的项目，则可以通过使用更多材料来实现节省。实际上，与人工和其他成本相比，材料在典型钢结构成本中所占的比例相对较小（Ruby和Matuska，2009年）。
一个好的设计需要评估几个框架计划，即构件及其连接的不同布置。换句话说，应准备几种替代设计并比较其成本。对于每一个框架计划的调查，各个部件必须设计。为此，需要对建筑框架进行结构分析，并计算单个构件中的力和弯矩。有了这些信息，结构设计人员便可以选择合适的横截面。但是，在进行任何分析之前，必须先决定要使用的主要建筑材料。它通常是钢筋混凝土，钢结构或两者兼有。理想情况下，每种设计都应准备替代设计。
本书的重点将放在单个钢结构构件及其连接的设计上。结构工程师必须选择并评估整个结构系统，以产生有效而经济的设计，但如果没有对结构组件（“构件”）的设计有透彻了解，就无法这样做。因此，组件设计是本书的重点。
在讨论钢结构之前，我们需要检查各种类型的结构构件。图1.1显示了一个桁架，其垂直集中力沿顶弦施加在关节处。与桁架分析的通常假设（仅在连接处施加销钉连接和载荷）相一致，桁架的每个组成部分都是受力的构件，承受轴向压缩或拉伸。对于如图所示加载的简单支撑桁架（一种典型的加载条件），每个上弦杆构件均处于压缩状态，而下弦杆构件则处于拉伸状态。腹板构件将处于拉伸或压缩状态，这取决于它们的位置和方向以及负载的位置。
其他类型的构件可以用图1.2a的刚性框架表示。该框架的构件通过焊接牢固地连接，并且可以假定形成连续结构。在支撑处，将构件焊接到用螺栓固定在混凝土基础上的矩形板上。将这些框架中的几个平行放置，然后将它们与其他用屋顶材料和墙壁覆盖的构件连接起来，即可形成典型的建筑系统。许多重要的细节还没有被提及，但很多中小型商业建筑以这种方式构造基本。系统中每个框架的设计和分析都始于将框架理想化为二维结构，如图1.2b所示。因为框架具有平行于页面的对称平面，所以我们能够将框架视为二维并通过其中心线表示框架成员。（尽管在图1.1中未显示，但用桁架进行了相同的理想化，并且构件通常由其中心线表示。）请注意，支架用铰链（销）表示，而不是固定支架。如果底座可能会发生轻微旋转，或者如果连接足够灵活以允许轻微旋转，则必须考虑将支撑销钉住。在通常的结构分析方法中做出的一个假设是，变形非常小，这意味着只需轻轻旋转支撑件即可将其限定为固定连接。
一旦确定了理想框架的几何形状和支撑条件，就必须确定载荷。该确定通常涉及将总负载的份额分配给每个框架。如果所考虑的假设结构承受均匀分布的屋顶荷载，则一桁架承载的部分将是均匀分布的线荷载，以单位长度的力进行测量，如图1.2b所示。典型的单位是每英尺千磅。
对于图1.2b所示的载荷，框架将按虚线所示变形（以极大的比例绘制）。可以根据该变形形状所代表的特性类型对框架的各个成员进行分类。水平构件AB和BC主要经受弯曲或挠曲，并且被称为梁。垂直构件BD受到从每个梁传递的耦合，但是对于所示的对称框架，它们是相等且相反的，从而彼此抵消。因此，构件BD仅受到由垂直载荷引起的轴向压缩。在建筑物中，诸如此类的垂直压缩构件称为柱。其他两个垂直构件AE和CF不仅必须承受来自垂直载荷的轴向压缩，而且还必须承受很大的弯曲。这样的成员称为梁柱。实际上，所有构件，即使是那些归类为梁或柱的构件，都将承受弯曲和轴向载荷，但是在许多情况下，其影响很小并且可以忽略。
除了所描述的构件外，本书还介绍了连接的设计以及以下特殊构件：组合梁，组合柱和板梁。
1.2 荷载
作用在结构上的力称为载荷。它们属于两大类之一：静载和活载。静荷载是永久性的，包括结构本身的重量，有时也称为自重。除了结构的重量外，建筑物中的静载荷还包括非结构性组件的重量，例如地板覆盖物，隔板和吊顶（包括灯具，机械设备和管道）。到目前为止提到的所有载荷都是由重力产生的力，被称为重力载荷。活荷载，也可以是重力荷载，是那些不像恒荷载一样永久的荷载。它们可能在任何给定时间作用于结构上，也可能未作用于该结构上，并且位置可能未固定。活载的例子包括家具，设备和建筑物的居住者。通常，活载的大小没有像恒载的定义大小，通常必须对其进行估计。在许多情况下，必须对结构构件的活荷载的各个位置进行检查，以免忽略潜在的 破坏条件。
如果对活动荷载的施加缓慢，并且没有去除和重新施加过多的次数，则可以将结构视为静态荷载进行分析。如果突然施加载荷（例如结构支撑移动的起重机时），则必须考虑冲击的影响。如果在结构的整个使用寿命中多次施加和除去载荷，则疲劳应力将成为问题，并且必须考虑其影响。 冲击载荷发生在相对较少的建筑物中，尤其是工业建筑物，并且疲劳载荷很少见，在疲劳成为问题之前，在整个结构的使用寿命期间需要数千次载荷循环。由于这些原因，本书中的所有负载条件都将视为静态，并且不会考虑疲劳。
风在建筑物的外表面上施加压力或吸力，由于其瞬态特性，它适当地属于活荷载类别。但是，由于确定风荷载的相对复杂性，通常将风视为荷载的单独类别。由于侧向荷载对高层建筑最不利，因此风荷载对于低矮的建筑物通常不那么重要，但是轻屋顶系统的抬升可能至关重要。尽管大部分时间都存在风，但设计中考虑的风荷载并不常见，因此不被视为疲劳负荷。
地震荷载是另一个特殊类别，仅在发生概率合理的那些地理位置中才需要考虑。要对地震的影响进行结构分析，就需要分析结构对地震产生的地震动的响应。有时使用更简单的方法，通过水平荷载系统模拟地震的影响，该水平荷载类似于在建筑物的每个楼层上作用于风压的荷载。
雪是另一个活荷载，被视为一个单独的类别。漂移的复杂性增加了该负载的不确定性，这可能导致很多负载在相对较小的区域上累积。其他类型的活荷载通常被视为不同的类别，例如静水压力和土壤压力，但是我们列举的情况是钢结构建筑框架及其构件设计中通常遇到的情况。
1.3 建筑规范
建筑物必须按照建筑法规的规定进行设计和建造，建筑法规是一份法律文件，其中包含与结构安全，消防安全，水暖，通风和身体残障人士可及性有关的要求。建筑法规具有法律效力，由政府实体（例如城市，县或某些大都市地区的合并政府）管理。建筑法规没有给出设计程序，但确实指定了设计要求和必须满足的约束。对于结构工程师而言，特别重要的是建筑物的最小活荷载的规定。尽管鼓励工程师研究实际的负载条件并尝试确定实际值，但结构必须能够支持这些指定的最小负载。
尽管一些大城市有自己的建筑规范，但许多城市将修改“模型”建筑规范以适应其特殊需求，并采用修改后的规范。标准规范由各种非营利组织以易于被政府部门采用的形式编写三个国家法规组织已经制定了标准建筑法规：《统一建筑法规》（国际建筑官员会议，1999年），《标准建筑法规》（国际南方建筑法规大会，1999年）和《中非国家建筑法规》（BOCA，1999年）（BOCA是建筑官员和规范管理员的首字母缩写。）这些规范通常在美国的不同地区使用。统一建筑规范实质上是密西西比州西部唯一使用过的建筑规范，东南部各州均使用了标准建筑规范，而美国东北部则采用了BOCA国家建筑规范。已经制定了统一的建筑法规，即国际建筑法规（International Code Council，2009），以消除三个国家建筑法规之间的某些不一致之处。这是三个规范组织（ICBO，BOCA和SBCCI）的共同努力。这些组织已合并为国际规范理事会，新规范取代了三个地区规范。尽管不是建筑法规，但ASCE 7《建筑物和其他结构的最低设计负荷》（美国土木工程师协会，2010）在形式上与建筑法规相似。该标准以适合作为规范一部分的格式提供了负载要求。《国际建筑规范》在其荷载规定中纳入了ASCE 7的大部分内容。
1.4 设计指标
与建筑规范相反，设计规范为结构构件及其连接的设计提供了更具体的指导。他们提出了指导方针和标准，使结构工程师能够实现建筑法规规定的目标。设计规范代表了根据最新研究成果认为是好的工程实践。他们通过发行增补或全新版本来定期对其进行修订和更新。与模型构建规范一样，设计规范由非营利组织以法律格式编写。它们本身没有法律地位，但是通过以法律要求和禁止的形式提出设计标准和限制，可以很容易地将它们作为建筑法规的一部分加以引用。钢结构设计人员最感兴趣的规格是以下组织发布的规格。
1.美国钢结构学会（AISC）：此规范提供了钢结构建筑及其连接的设计。这是本书中主要关注的问题之一，我们将对其进行详细讨论（AISC，2010a）。
2.美国国家公路和运输官员协会（AASHTO）：此规范涵盖了公路桥梁和相关结构的设计。它提供了通常用于桥梁的所有结构材料，包括钢，钢筋混凝土和木材（AASHTO，2010年）。
3.美国铁路工程和道路维护协会（AREMA）：《 AREMA铁路工程手册》涵盖了铁路桥梁和相关结构的设计（AREMA，2010年）。该组织以前称为美国铁路工程协会（AREA）。
4.美国钢铁协会（AISI）：此规范涉及冷弯型钢，我们将在本书第1.6节中对此进行讨论（AISI，2007年）。
1.5 钢结构
铁是钢的主要成分，最早用于公元前4000年的小型工具。（墨菲，1957年）。这种材料为锻铁形式，是通过在木炭火中加热矿石而制成的。在18世纪后期和19世纪初期，铸铁和锻铁被用于各种类型的桥梁。钢是一种主要由铁和碳组成的合金，比铸铁具有更少的杂质和更少的碳，于19世纪首次用于重型建筑。随着1855年Bessemer转炉的问世，钢开始取代建筑中的锻铁和铸铁。在美国，第一座钢结构铁路桥梁是伊兹桥，该桥于1874年在密苏里州圣路易斯建造（塔尔，1964年）。1884年，第一座钢结构建筑在芝加哥建成。
可以通过绘制拉伸试验结果来检查结构工程师最感兴趣的钢材特性。如图1.3a所示，如果试样承受轴向载荷P，则应力和应变可按以下方式计算：
f = 轴向拉应力
A = 横截面面积
e = 轴向应变
L = 试件长度
∆L = 长度变化
如果载荷从零开始逐渐增加到断裂点，并且在每一步都计算出应力和应变，则可以绘制出应力-应变曲线，如图1.3b所示。该曲线是一类典型的钢，称为延性钢或低碳钢。应力和应变之间的关系是线性的，直到比例极限。该材料据说符合胡克定律。此后很快达到峰值，即较高的屈服点，然后在较低的屈服点处趋于平稳。即使应变继续增加，应力仍保持恒定。在加载的这个阶段，只要不增加负载，试样就继续伸长。此恒定应力区域称为屈服平稳期或塑性范围。在约12倍于屈服应变的应变下，应变开始硬化，并且需要额外的载荷（和应力）以引起额外的伸长率（和应变）。应力达到最大值，此后随着应力随着应变增加而减小，试样开始“颈缩”，并发生断裂。尽管在加载过程中横截面减小了（泊松效应），但原始横截面面积依然用于计算所有应力。以这种方式计算出的应力称为工程应力。如果将原始长度用于计算应变，则称为工程应变。表现出图1.3b中所示行为的钢被称为延性钢，因为它具有在破裂前经历大变形的能力。
表现出图1.3b中所示行为的钢被称为延性钢，因为它具有在破裂前经历大变形的能力。延展性可以通过伸长率来衡量，定义为
e = 伸长率（以百分比表示）
断裂时试样的长度
原始长度
材料的弹性极限是介于比例极限和上屈服点之间的应力。在此应力作用下，样品可以永久不变形地卸载。卸载将沿着图的线性部分进行，在装载过程中遵循相同的路径。应力-应变图的这一部分称为弹性范围。超出弹性极限，卸载将沿着与加载路径的初始线性部分平行的直线进行，并且将存在永久应变。例如，如果在图1.3b中的点A处卸载，则卸载将沿线AB进行，从而导致永久应变OB。
图1.4显示了该应力-应变曲线的理想化版本。比例极限，弹性极限以及上屈服点和下屈服点都非常接近，并被视为由应力Fy定义的称为屈服点的单个点。结构工程师感兴趣的另一点是可以达到的最大应力值，称为极限抗拉强度Fu。该曲线的形状是典型的低碳结构钢，它们的主要区别在于Fy和Fu的值。对于所有结构钢，在弹性范围内的应力与应变之比（表示为E，称为杨氏模量或弹性模量）均相同，其值为29,000,000 psi（磅/平方英寸）或29,000 ksi（磅/平方英寸）
图1.5显示了高强度钢的典型应力-应变曲线，其延展性低于迄今为止讨论的低碳钢。尽管存在线性弹性部分和独特的拉伸强度，但没有明确定义的屈服点或屈服平稳期。为了以与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Fy值，以便所有结构钢都可以使用相同的程序和公式。尽管没有屈服点，但需要定义一个。如前所示，当钢材承受的应力超过其弹性极限，然后再卸载时，到达零应力的路径将不是从零应力开始的原始路径。它将沿着一条线，该线具有在加载过程中遵循的路径的线性部分的斜率，即等于E的弹性模量的斜率。因此，卸载后会有残余应变或永久变形。具有如图1.5所示类型的应力-应变曲线的钢的屈服应力称为屈服强度，定义为在卸载点处的应力，该应力对应于任意确定量的
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