首先要提到是“美国钢结构协会AISC”(The American Institute of Steel Construction),由其颁布的两套规范,或者说是两种设计钢结构的方法最为常用:
“容许应力法ASD”(allowable stress design);
“荷载抗力系数法 LRFD”(The Load and Resistance Factor Design).
后者有替代前者的趋势,而且都有很多个时期的版本,2005年AISC将它们合在一起。
“容许应力法ASD”设计基本公式为:
公式右端可以看作是容许应力, 为安全系数。
“荷载抗力系数法 LRFD”设计基本公式为:
公式右端称为设计强度, 称为抗力系数。
从上述的两个公式看似乎大同小异,但在真正的实施上,对各类构件设计,采用不同的方法,或者说是规范,安全系数及抗力系数的取值是有不同规定的。
尤其在计算设计值时,还有荷载的组合以及组合系数的取值问题。
常用的荷载组合可根据“美国土木工程师学会ASCE”(American Society of Civil Engineers)之“结构工程协会SEI”(Structural Engineering Institute)的一个规范:“建筑物及其他结构的最小设计荷载”。(ASCE/SEI 7-05)
这就相当于我们常用的《荷载规范》
先定义一下符号:
D:恒载
F:流体荷载
H:侧向土压力,水压力等
L:活荷载
Lr:屋面活荷载
S:雪荷载
R:雨水荷载
T:自应力荷载
W:风荷载
Wi:同时考虑裹冰荷载时的风荷载
E:地震荷载
Fa:洪水荷载
Di:裹冰荷载
规范指出:
ASD设计,荷载基本组合需要考虑:
- D + F
- D + H + F + L +T
- D + H + F + (L r 或S或R)
- D + H + F + 0.75(L +T) + 0.75(L r 或S或R)
- D + H + F + (W 或0.7E)
- D + H + F + 0.75(W 或0.7E) + 0.75L + 0.75(L r 或S或R)
- 0.6D + W + H
- 0.6D + 0.7E + H
在某些洪水经常泛滥区域,需要考虑洪水荷载Fa,具体在上面(5)、(6)、(7)式中加入一项1.5Fa(非湖海岸边的地区为0.75Fa),而且式中涉及到的E要设为0。
在需要考虑裹冰荷载时,上面(2)式中加上0.7Di;(3)式中的(L r 或S或R)用0.7Di + 0.7Wi + S来替换;(7)式中的W用0.7Di + 0.7Wi来替换。
LRFD设计,荷载基本组合需要考虑:
- 1.4(D + F)
- 1.2(D + F +T)+ 1.6(L r 或S或R)+ 0.5(L r 或S或R)
- 1.2D + 1.6(L r 或S或R)+ (L 或0.8W)
- 1.2D + 1.6W + L + 0.5(L r 或S或R)
- 1.2D + 1.0E + L + 0.2S
- 0.9D + 1.6W + 1.6H
- 0.9D + 1.0E + 1.6H
(3)、(4)、(5)式中的L的组合系数在某些均布活载不大于100psf的地方可以取0.5。(6)、(7)式中,当H的作用抵消了W和E的作用时,其组合系数应取0。
在某些洪水经常泛滥区域,需要考虑洪水荷载Fa,具体在上面(4)、(6)式中加入一项2.0Fa(非湖海岸边的地区为1.0Fa,但是1.6W要变为0.8W)。
在需要考虑裹冰荷载时,上面(2)式中0.5(L r 或S或R)用0.2Di + 0.5S来替换;(4)式中的1.6W + 0.5(L r 或S或R)用Di + Wi + 0.5S来替换;(6)式中的1.6W用Di +Wi来替换。
每种荷载在取值上的考虑在上述的“建筑物及其他结构的最小设计荷载”。(ASCE/SEI 7-05)中均有细致的交待。