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第二章钢结构设计的概念
2.1设计原理
正如前面所讨论的，结构构件的设计需要选择能够安全、经济地承受所施加荷载的截面。经济通常意味着最小的重量，也就是最小的用钢量。这个量对应于每英尺重量最小的横截面，也就是横截面面积最小的那个。虽然存在其他考虑因素，如结构的实用性，可能最终会影响截面大小的选择，但该过程首先要选择最适合的横截面形状，这样才能完成工作。确立了这个目标之后，工程师必须决定如何安全地完成它，这就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要求的强度不超过可用强度;也就是说,
所需强度le;可用强度
在允许强度设计(ASD)中，选择的构件具有足够大的截面特性，如面积和转动惯量，以防止施加的最大轴力、剪切力或弯矩超过允许的值。这个允许值是通过理论强度除以安全系数得到的。这可以表示为
所需强度le;可用强度
可用强度 = （2.1）
强度可以是轴向力强度(如拉力或压缩构件)、弯曲强度(弯矩强度)或剪切强度。如果用应力代替力或力矩，则式2.1的关系式变为
最大作用应力le;许用应力 （2.2）
这种方法称为许用应力设计。许用应力必须在材料的弹性范围内，这种设计方法也称为弹性设计或工作应力设计。工作应力是由工作载荷产生的应力，即施加的载荷。工作负载也称为服务负载。塑性设计是基于考虑破坏条件而不是工作负载条件。构件的选择依据是结构在大大高于工作荷载的荷载下失效。在这种情况下，破坏意味着倒塌或非常大的变形。之所以使用“塑性”一词，是因为在结构失效时，构件的某些部分将发生非常大的应变——大到足以使构件处于塑性范围内。当整个横截面在足够的位置变成塑性时，“塑性铰”就会在这些位置形成，形成一种坍塌机制。由于实际载荷要比失效载荷小一个安全系数，即载荷系数，所以这样设计的构件并不是不安全的，尽管它是根据失效时的情况设计的。这个设计过程大致如下。
1. 将工作荷载(服务荷载)乘以负载因数，得到故障负载。
2. 确定在这些荷载作用下抵抗破坏所需的横截面特性。(具有这些特性的构件被认为具有足够的强度，在受到因素载荷时处于破坏的边缘。)
3.选择具有这些特性的最轻的横截面形状。按塑性理论设计的构件在荷载作用下会达到破坏点，但在实际工作荷载作用下是安全的。
载荷与阻力系数设计(LRFD)与塑性设计相似，考虑了强度或破坏条件。将负载因数应用于工作负载，并选择一个具有足够强度来抵抗因素负载的构件。此外，理论强度的构件减少了应用的阻力因素。在选择构件时必须满足的条件是
设计极限荷载le;分解强度 （2.3）
在这个表达式中，被分解的负载实际上是构件要抵抗的所有工作负载的总和，每个工作负载乘以它自己的负载因数。例如，恒荷载将具有与活荷载不同的荷载因数。分解强度是理论强度乘以阻力系数。式2.3可表示为
Sigma;（荷载times;荷载系数)le; 抗力 times;抗力系数 （2.4）
分解负载是大于总实际服务负载的故障负载，因此负载因子通常大于1。 但是，分解强度是降低的可用强度，并且阻力系数通常小于1。 分解载荷是使结构或构件达到极限的荷载。 就安全性而言，此极限状态可以是断裂，屈服或屈曲，并且系数化的阻力是构件的可用强度，从理论值减去阻力系数即可。 极限状态也可以是可使用性之一，例如最大可接受的挠度
2.2美国钢结构规范协会
由于本书的重点是钢结构建筑构件及其连接的设计，美国钢结构协会的规范是这里最重要的设计规范。它是由一个AISC委员会编写并保持最新的规范，编写者包括结构工程从业人员，教育工作者，钢铁生产商和制造商。新版本定期出版，需要临时修订时印发补编。自1923年AISC颁布第一个规范以来，许用应力设计一直是钢结构建筑的主要方法，尽管塑性设计在1963年成为规范的一部分。在1986年，AISC发布了第一个规范的负荷和阻力系素的设计，连同一本配套手册的钢结构。这两个文件的目的是提供一个可供选择的许用应力设计，就像塑料设计是一个选择。当前的规范(AISC, 2010a)结合了LRFD和ASD。
LRFD的规定是基于1978年发表在美国土木工程师协会结构期刊(Ravindra和Galambos;Yura, Galambos和Ravindra; ; Bjorhovde、Galambos和Ravindra; Cooper, Galambos和Ravindra;Hansell et al。Fisher et al。Ravindra, Cornell和Galambos;Galambos和Ravindra, 1978)。
虽然直到1986年才将载荷和阻力系数设计引入AISC规范，但这并不是一个新概念;自1974年以来，它一直在加拿大使用，在那里它被称为极限状态设计。它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的一种公认的设计方法，也是美国混凝土协会建筑规范中认可的主要方法，被称为强度设计(ACI, 2008)。目前公路桥梁设计标准也采用荷载和阻力系数设计(AASHTO, 2010)。
AISC规范作为独立的文档发布，但它也是钢结构手册的一部分，我们将在下一节中讨论。除冷弯型钢等不同规格的钢材外(AISI, 2007)， AISC规范是美国几乎所有钢结构建筑设计和建造的标准。因此，钢结构设计的学生必须随时查阅这个文件。规范的细节将在接下来的章节中讨论，但是我们在这里讨论整个组织。
该规范由三部分组成:正文、附录和评注。正文按字母顺序分为A至N章。在每一章中，主要标题都用章节名称和数字标示出来。此外，还用数字标记了细分。例如，获批准的结构钢类型在A章“总则”A3节“材料”一节中列出，在A章“总则”一节中列出，在A章“材料”一节中列出，在A章“总则”一节中列出。该规范的主体部分后面是附录1-8。附录部分之后是评注，它给出了规范的许多条款的背景和详细说明。它的组织方案与规范的组织方案相同，因此可以很容易地找到适用于特定部分的材料。
该规范结合了美国惯用和公制（SI）单位。 在可能的情况下，方程式和表达式以无量纲形式表示，将诸如屈服应力和弹性模量等量保留为符号形式，从而避免给出单位。 如果无法做到这一点，则会提供美国惯用单位，并在括号中加上SI单位。 尽管钢铁行业在度量衡方面已迈出了重要一步，但美国大多数结构设计仍以美国惯用单位完成，本教科书仅使用美国惯用单位。
2.3 LRFD的荷载系数、阻力系数和荷载组合
方程式2.4可以更精确地写成
le;phi;
其中
=荷载效应（力或力矩）
=荷载系数
=所考虑构件的抗力或强度
phi;=阻力系数
计算阻力phi; 称为设计强度。等式2.5左侧的总和要大于荷载效应的总和（包括但不限于恒载和活载），其中每个荷载效应可以与不同的荷载系数相关联。不仅每个荷载效应可以有不同的荷载系数，而且特定荷载效应的荷载系数的值将取决于所考虑的荷载组合。方程式2.5也可以用
le;phi;
其中
==所需强度=计算荷载效应（力或力矩）之和
AISC规范的B2节规定使用管理建筑规范规定的荷载系数和荷载组合。如果建筑规范没有规定，则应使用ASCE 7（ASCE，2010）。本标准中的荷载系数和荷载组合基于广泛的统计研究，并由大多数建筑规范规定。
ASCE 7给出了以下形式的基本荷载组合：
组合1: 1.4D
组合2: 1.2D 1.6L 0.5（ 或S或R）
组合3: 1.2D 1.6（S或R） （L或0.5W）
组合4: 1.2D 1.0W L 0.5（或S或R）。
组合5 : 1.2D 1.0E L 0.2S
组合6 : 0.9D 1.0W
组合7: 0.9D 1.0E
其中
D=恒荷载
L=占用活荷载
=屋面活荷载
S=雪荷载
R=雨或冰荷载
W=风荷载
E=地震（地震荷载）
在组合3、4和5中，如果L不大于每平方英尺100磅，则L上的荷载系数可以减小到0.5，车库或公共集会场所除外。在风荷载或地震荷载的组合中，应使用产生最坏影响的方向。
ASCE 7基本荷载组合也在AISC钢结构手册（AISC 2011a）的第2部分中给出，本章第2.6节将对此进行讨论。它们以稍微不同的形式呈现如下：
组合1: 1.4D
组合2: 1.2D 1.6L 0.5（L R or S或R）
组合3: 1.2D 1.6（S或R） （0.5L或0.5W）
组合4: 1.2D 1.0W 0.5L 0.5（S或R）
组合5: 1.2Dplusmn;1.0E 0.5L 0.2S
组合6和7: 0.9Dplusmn;（1.0W或1.0E）
此处，组合3、4和5中L的荷载系数为0.5，如果L大于100磅/平方英尺或车库或公共集会场所，则应增加至1.0。ASCE 7组合6和7来自于将组合6考虑为使用1.0W，将组合7考虑为使用1.0E所示的表达式。换句话说
组合6: 0.9Dplusmn;1.0W
组合7: 0.9Dplusmn;1.0E
组合6和组合7说明了恒载和风或地震荷载相互抵消的可能性；例如，净荷载效应可能是0.9D和1.0W之间的差异，或0.9D和1.0E之间的差异。（风或地震荷载可能会使结构倾覆，但恒载将具有稳定作用。）
如前所述，特定荷载效应的荷载系数在所有荷载组合中都不相同。例如，在组合2中，活荷载L的荷载系数为1.6，而在组合3中，荷载系数为0.5。原因是活荷载在组合2中被视为显性效应，而在组合3中，Lr、S或R这三种效应中的一种将成为显性效应。在每个组合中，其中一个效应被认为处于其“寿命最大值”，而其他效应则处于其“任意时间点”值。
AISC在规范章节中给出了每种类型阻力的阻力系数phi;、，但在大多数情况下，将使用两个值之一：0.90表示涉及屈服或压缩屈曲的极限状态，0.75表示涉及破裂（断裂）的极限状态。
2.4基于ASD的安全系数与荷载组合
对于容许强度设计，荷载和强度之间的关系（方程式2.1）可以表示为
le;
其中
=所需强度
= 标准强度（与LRFD相同）
Omega;=安全系数
=容许强度
所需强度提高了使用荷载或荷载效应的总和。与LRFD一样，必须考虑特定的荷载组合。ASCE 7中也给出了ASD的荷载组合。如AISC钢结构手册（AISC 2011a）所述，这些组合包括
组合1: D
组合2: D L
组合3: D （Lr 或S或R）
组合4: D 0.75L 0.75（Lr S或R）
组合5: Dplusmn;（0.6W或0.7E）
组合6a: D 0.75L 0.75（0.6W） 0.75（Lr 或S或R）
组合6b: D 0.75Lplusmn;0.75（0.7E） 0.75S
组合7和8: 0.6Dplusmn;（0.6W或0.7E）
这些组合中显示的系数不是荷载系数。某些组合中的0.75系数说明组合中的所有载荷不可能同时处于其最大值。应用于地震荷载效应E的0.7系数是因为ASCE 7使用强度方法（即LRFD）计算地震荷载，并且该系数是为了平衡ASD的效应。与LRFD中阻力系数的两个最常见值相对应的是ASD中安全系数Omega;的以下值：对于涉及屈服的极限状态或压缩屈曲，Omega;=1.67.*对于涉及破裂的极限状态，Omega;=2.00。阻力系数和安全系数之间的关系如下
Omega;=
出于稍后将讨论的原因，这种关系将在某些负载条件下为LRFD和ASD产生类似的设计。
如果等式2.7的两边除以面积（在轴向荷载的情况下）或截面模量（在弯矩的情况下），则关系变成
f le; F
其中
f=施加应力
F=许用应力
这个公式叫做许用应力设计。
建筑物上层的柱（受压构件）承受下列荷载：
恒载：109 kips压力
地板活载：46 kips压力
屋顶活载：19 kips压力
雪：20 kips压力
a. 确定LRFD的控制荷载组合和相应的系数荷载。
b. 如果阻力系数f为0.90，所需的标准强度是多少？
c. 确定ASD的控制荷载组合和相应的所需使用荷载强度。
d. 如果安全系数Omega;为1.67，根据所需的工作负载强度，所需的标准强度是多少？
解决方案：尽管荷载可能不会直接作用在构件上，但它仍可能在构件中产生荷载效应。在本例中，雪和屋顶活荷载都是如此。尽管这座建筑物受到风的作用，但结构上产生的力是由除这根特殊柱子以外的构件抵抗的。
a.控制荷载组合是产生最大系数荷载的组合。我们对每个涉及恒载的表达式进行求值，D；居住产生的活载，L；屋顶活载，Lr；和雪荷载，S
组合1: 1.4D=1.4（109）=152.6 kips
组合2: 1.2D 1.6L 0.5（Lr或 S或R）。因为S大于Lr并且 R=0，我们只需要评估一次这个组合，使用S.1.2D 1.6L 0.5S=1.2（109）
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