钢结构领域常用单位换算及中美规范类比

1. 常用单位换算

在当今世界经济一体化的今天，各国钢结构领域势必相互渗透，因为工程所在地和设计施工单位可能不在同一个国家，执行的标准也会有所不同。因此，我们经常听到“国标”、“美标”、“欧标”等称呼，分别代表执行“中国标准”、“美国标准”、“欧标”。这里我们就来一一介绍“美标”的钢结构设计内容，并从设计者的角度对细节和中国规范进行一些类比，其中也会涉及到钢结构行业一些常用专业术语的英文表达。

首先要介绍的是单位的换算，我们目前使用的是《国际单位制》，而《美国标准》仍然采用的是《英国单位制》。这看似很难理解，但事实是，单位制不只是表面的换算问题，而是已经渗透到了整个体系习惯中，比如钢材的规格尺寸系列，比如规范中涉及的某些尺寸的规定，比如我们熟悉的“7.85”等熟悉的数值，在《美国标准》中又是什么呢？下面将列举钢结构专业中常用的单位换算和一些常数值。

[长度单位]

在。

英尺

码（院）

英里（英里）

1 英寸 = 25.4 毫米 // 1 毫米 = 0.03937 英寸

1 英尺 = 0.3048 米 =304.8 毫米 // 1 米 = 3.28084 英尺

1 码 = 3 英尺。

1 英里 = 5280 英尺

[力的单位]

基普

磅

1 基普 = 4.448 千牛 = 453.592 公斤

1 磅 = 4.448 N = 453.592 克

1 KN = 0.2248 基普

【扭矩单位】

1 英尺-千磅 = 1.356 千牛-米

1 千牛·米 = 0.7376 英尺·千磅

【分散负载单元】

磅/平方英尺 (磅/平方英尺)

1 千磅/英尺 = 14.59 千牛/米

1 千磅/平方英尺 = 47.88 千牛/平方米

1 千牛/米 = 0.06852 千磅/英尺

1 千牛/平方米 = 0.02089 千磅/平方英尺

1 平方英尺 = 47.88 牛顿/平方米

[压力单位]

1 ksi = 6.895 兆帕

1 兆帕 = 0.145 千磅/平方英寸

【精度控制】

1. 负载：1 psf；10 磅/英尺；100 磅

2. 跨度、长度：0.1 英尺。

3. 反作用力：0.1千磅

4. 扭矩：0.1 英尺千磅

[一些常量]

钢 E = 29000 基普/英寸²

体积密度 = 490 磅/平方英尺

2.材质及型钢分类

材料

钢结构材料主要参考标准是ASTM（美国材料与试验协会）。

允许应力设计手册 (ASDM) 列出了 ASTM 中以下常用的结构钢，屈服应力 Fy 范围为 32 至 100 ksi，抗拉强度 Fu 范围为 58 至 130 ksi。

A36：最常用的钢材，屈服强度为 36 ksi（厚度不超过 8 英寸）

高强度钢 A572 grade50

高强度钢A992，最小抗拉强度为65ksi，屈服强度50-65ksi。

耐候钢 A588 和 A242 通常用于桥梁和露天建筑物。

开口横截面

允许应力设计手册 (ASDM) 中有六种类型的热轧型钢：

其中宽翼缘H型钢截面对抗弯性能最有效，由于它有宽翼缘和薄腹板，所以在线重相同的前提下，有很好的抗弯刚度。该类截面梁是1870年移民美国的英国人亨利·格雷发明的，1897年提出，1902年诞生于德国一家钢厂，1908年在美国伯利恒钢厂轧制。

工字钢、槽钢的翼缘根部都有斜度，这是因为当翼缘承受较大的局部集中载荷时，如采用悬挂起重机时，翼缘为悬臂板，因此根部会比较厚。

型钢最常用的表示形式是 W36x135，这意味着型钢高度约为 36 英寸。

由于W36系列均采用同一套滚筒，因此腹板净高固定，腹板厚度、翼缘厚度、宽度可变），135代表此型材135lb/ft.，最大高度为W40，M型规格非常规，很少使用。

M、S、HP、C、MC、WT、ST、MT段的表示方法相同。

角钢的表示方法和我们习惯的相同，只是英制单位不同。

封闭部分

管段类型有三种：HSS（空心结构段）

对于圆管材料ASTM A53B级（Fy=35ksi，Fu=60ksi），按压力等级分为P4、PX4、PXX4，分别代表标准厚度管、加厚管、直径为4in的特厚管。

对于非ASTM材料，圆管以保留直径和壁厚三位小数表示，如HSS5.563 x 0.258，表示直径为5.563英寸，壁厚为0.258英寸的圆管。方管和矩形管以HSS 5 x 3 x 3/8表示，表示横截面边长分别为5英寸和3英寸，壁厚为3/8英寸的矩形管。

钢板表示方法

PL 1/2 x 14 x 1'-4.表示钢板厚度为1/2英寸，宽度为14英寸，长度为1英尺4英寸，这里省略所有英寸单位。

3. 受拉构件的设计

对于受拉构件，我国“国标”设计规范和习惯上所要考虑的内容似乎很简单，即

（公式1）

还有最外排摩擦型高强螺栓的校核，要考虑孔前传递的摩擦力的影响，也是简单提了一下，不太清楚，远不如《美国标准》详细。仔细想想，这些问题确实存在。接下来我们就逐一说说《美国标准》关于受拉构件设计的内容。

基本设计原则

对于受拉构件，主要检查以下几个方面：

1. 大体截面验证

（公式 2）

是总横截面积

此处允许的应力

，

是材料的屈服强度。

（不适用于纯铰链连接点、螺丝、电缆）

2. 有效网段验证

（公式 3）

是有效净横截面积

此处允许的应力

，

是材料的最小抗拉强度。

我们在实际应用中，只有强度设计值(例如Q235一般为215.0Mpa)作为比较标准，而“美标”通常分别以毛截面和净截面的屈服强度和抗拉强度进行比较。

有效净截面是净截面乘以有效系数。我们先讨论一下净截面的计算。

最常见的净截面是扣除螺栓孔，孔径计算方式为取公称孔径+1/16英寸，公称孔径为螺栓直径+1/16英寸，所以计算出的孔径一般为螺栓直径+1/8英寸。

不利净截面位置确定原则：首先检查孔洞最多的截面。需要注意的是，破坏面不一定是垂直于拉力的平面，如图所示的ABFCD也是一种可能。也就是说，相邻的具有斜破坏面的截面（孔洞总数多于前者）也应进行检查。

如图所示的ABFCD破坏面净截面积计算可由下列公式得出。

（公式 4）

为孔径，t为板厚，公式中最后一项用于计算破坏面不垂直于拉力方向的情况。s为螺栓沿拉力方向的距离，称“螺距”，g为螺栓垂直于力方向的距离，称“标距”。

另外要注意的是，计算出的力必须作用在破坏线上。因此，在计算多排螺栓的中间一排时，必须扣除最前面一排螺栓所分担的力。

对于不同支柱上共同作用的螺栓，“规格”值的计算方法是将支柱的外轮廓展平，但减去厚度。

有效截面系数

有效截面系数是指整个截面受力不均匀的情况，例如角钢只有单腿连接时，有时也称“剪力滞”（Shear Lag），在规范中是通过有效截面面积来体现的，即净截面面积乘以一个小于1的系数U，这个系数叫有效截面系数。

用于螺栓连接

（公式 5）

对于U值有一些规定：

焊接用

（公式 6）

除螺栓数量外，U值可根据上述1和2确定。

此外，对于端面焊接还有两项特殊规定：

当L>2w时，U=1.0

当2w>L>1.5w时，U=0.87

1.5宽>长>宽，U=0.75

对于一些短连接，如节点板、连接板等，可以取Ae=An，但要求An不超过0.85Ag。

在我国“国标”设计规范中，唯一能体现有效截面概念的是设计原则，在按轴力计算角钢单腿连接强度时，设计强度值要降低0.85。

3. 端部剪切块

还有一种破坏模式发生在末端，称为“块状剪切”。如图所示，破坏面部分受拉伸，部分受剪切。

承载力可用下式表示：

（公式 7）

是剪切部分的面积，

为受拉部分的面积。

（公式 8）

（公式 9）

4. 允许长细比

受拉构件的长细比限值为300

螺栓

每个螺栓的单剪承载力（千磅）

基材压力

螺栓间距即为螺栓直径。

次，通常为 3 次

最低保证金。

螺纹杆

考虑到总横截面积，允许拉伸应力取为0.33 * Fu。

加厚杆是指末端螺纹部分的直径增大。先计算螺纹部分，以0.6*Fy的许用拉应力为基准。选定螺丝后，再根据螺丝承载力计算加厚部分。

长细比：一般情况下螺杆直径不小于螺杆长度的1/500。

最小螺丝直径 5/8 英寸。

4.常用规格及荷载组合

首先要提的是美国钢结构协会（AISC），AISC 发布的两套规范，或者说两种钢结构设计方法是最常用的：

后者有取代前者的趋势，两者均有不同时期的版本，2005年AISC将两者合并。

“允许应力法ASD”的基本设计公式为：

公式右边可看作是允许应力， 为安全系数。

“荷载抗力系数法LRFD”的基本设计公式为：

公式的右边称为设计强度，称为抵抗系数。

以上两个公式看似相似，但在实际执行中，对于各类构件的设计，采用不同的方法，或者说规范，对安全系数和抗力系数的数值也有不同的规定。

特别是在计算设计值时，还存在荷载的组合、组合系数的选取问题。

常用的荷载组合可参见美国土木工程师学会 (ASCE) 和结构工程学会 (SEI) 的规范：“建筑物和其他结构的最小设计荷载”。(ASCE/SEI 7-05)

这相当于我们经常使用的“负载规范”。

首先定义符号：

D：静载荷

F：流体负荷

H：侧土压力、水压力等。

L: 活荷载

Lr: 屋顶活荷载

S: 雪荷载

R: 雨水负荷

T：自应力负荷

W: 风荷载

Wi：考虑冰荷载时的风荷载

E：地震荷载

Fa：洪水负荷

Di: 冰荷载

规范指出：

对于 ASD 设计，需要考虑基本负载组合：

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)

0.6深+宽+高

0.6D+0.7E+H

在一些洪水经常发生的地区，需要考虑洪水负荷Fa。具体来说，在上述公式（5）、（6）、（7）中增加1.5Fa的项（对于非湖岸或海岸地区，增加0.75Fa），并且公式中涉及的E应设置为0。

当需要考虑冰载荷时，在上述公式(2)中增加0.7Di；在公式(3)中，将(Lr或S或R)替换为0.7Di+0.7Wi+S；在公式(7)中，将W替换为0.7Di+0.7Wi。

对于 LRFD 设计，需要考虑基本载荷组合：

1.4（D+F）

1.2 (D + F + T) + 1.6 (左 r 或 S 或 R) + 0.5 (左 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

0.9深+1.6宽+1.6高

0.9D+1.0E+1.6H

在一些均布活荷载不大于100 psf的地方，公式（3）、（4）、（5）中L的组合系数可取0.5。在公式（6）、（7）中，当H的影响抵消了W和E的影响时，组合系数应取0。

在一些经常发生洪水的区域，还需要考虑洪水负荷Fa，具体方法是在上述公式（4）、（6）中增加2.0Fa（非湖岸区域为1.0Fa，但需将1.6W改为0.8W）。

当需要考虑冰载荷时，上述公式(2)中的0.5(L r 或 S 或 R)改为0.2Di+0.5S;公式(4)中的1.6W+0.5(L r 或 S 或 R)改为Di+Wi+0.5S;公式(6)中的1.6W改为Di+Wi。

对于每种荷载值的考虑，在上述“建筑物和其他结构的最低设计荷载”（ASCE/SEI 7-05）中有详细说明。